納米疊層涂層的制作方法
【專利說明】納米疊層涂層
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求于2013年3月15日提交的美國臨時專利申請N0.61/802，301的權(quán)益，所述申請以引用方式整體并入本文。
[0003]領(lǐng)域
[0004]本公開包括用于提高制品(例如，管狀金屬制品諸如于石油和天然氣產(chǎn)業(yè)中發(fā)現(xiàn)的那些)的物理和/或化學(xué)性質(zhì)的涂層，以及用于制備此類涂層的工藝和包含此類涂層的制品。
[0005]概述
[0006]本公開描述了包含可被施加于制品(例如包括鋼材和聚合物基材)以改善其物理和/或化學(xué)性質(zhì)的納米疊層(nanolaminate)的涂層。也公開了用于制備此類涂層的工藝和包含此類涂層的制品。本公開的實施方案包括包含此類涂層的管狀制品，例如，用于石油和天然氣產(chǎn)業(yè)的管狀材料諸如套管、鉆探管等。
[0007]附圖
[0008]圖1舉例說明了用于坍塌壓力測量的測試裝置的示意圖。
[0009]圖2是在不同直徑/壁厚(D/T)比率下的鋼合金管和鎳-鈷納米疊層涂覆的鋼管的坍塌性能相對于其坍塌壓力連同Blade計算值的圖表。
[0010]圖3是在不同D/T比率下的鋼合金管和鎳-鈷納米疊層涂覆的鋼管的坍塌性能相對于其坍塌壓力連同有限元分析(FEA)模型預(yù)測的圖表。
[0011]描述
[0012]1.0 概覽
[0013]提供了電沉積的納米疊層涂層以改善材料(包括管狀材料且特別地，包含鐵基合金的管狀材料)的一種或多種性質(zhì)。本文公開的實施方案包括包含鎳和鈷的納米疊層涂層改善管狀物品諸如用于石油和天然氣鉆探和生產(chǎn)的那些(例如，貨物，諸如套管、鉆探管等)的性質(zhì)的用途。涂覆制品的其它實施方案包含由非金屬材料諸如塑料、陶瓷、聚合物復(fù)合材料等制成的管狀材料。
[0014]2.0 定義
[0015]如本文所使用的“疊層(Laminate) ”或“層壓(laminated) ”是指包含一系列層的材料，包括納米層壓材料。
[0016]如本文所使用的“納米疊層(Nanolaminate) ”或“納米層壓(nanolaminated) ”是指包含一系列小于1微米的層的材料或涂層。
[0017]除非另有說明，否則百分比為重量百分比。
[0018]3.0 制品
[0019]可通過本公開的涂層得以改善的制品包括導(dǎo)電性金屬和非金屬基材，尤其包括導(dǎo)電性金屬和非金屬管狀制品諸如用于石油和天然氣鉆探和生產(chǎn)的那些，例如，貨物、套管、鉆探管等，包括由鋼材制成的和也由聚合物復(fù)合材料諸如m-pipe?( —種由PEEK聚合物制成的聚合物-碳纖維復(fù)合材料)(由Magma生產(chǎn))制成的此類產(chǎn)品。
[0020]在實施方案中，導(dǎo)電性制品可以包含導(dǎo)電性或非導(dǎo)電性聚合組合物并且可以包含一種或多種被加入至聚合物(例如，在固化之前或之后)且使組合物具有導(dǎo)電性或更具導(dǎo)電性的金屬或非金屬導(dǎo)電性材料?？杀患尤胫辆酆衔镆栽黾与妼?dǎo)率的導(dǎo)電性非金屬材料的實例為碳黑、石墨烯、石墨、碳納米管、碳納米纖維或石墨纖維，其可被單獨或與導(dǎo)電性金屬材料組合地加入至聚合物。
[0021]多種導(dǎo)電性聚合材料由此可用于制備根據(jù)本公開的具有改善性質(zhì)的制品，包括管狀制品。
[0022]4.0納米疊層涂層
[0023]包含電沉積于制品上的金屬的組合物在其構(gòu)成金屬方面可以不同。在一些實施方案中，所述組合物包含一種或多種、兩種或更多種、三種或更多種或四種或更多種獨立地選自 Ag、Al、Au、Be、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、N1、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、Sn、Mn、Pb、Ta、T1、W、V、Zn和Zr的不同金屬，其中每種所述獨立選擇的金屬以大于0.1,0.05,0.01,
0.005或0.001重量％存在。在此類實施方案中，兩種或更多種可被電沉積的不同金屬的組合物包含，例如，Zn和Fe、Zn和N1、Co和N1、Ni和Fe、Ni和Cr、Ni和Al、Cu和Zn或Cu和Sn。
[0024]在一些實施方案中，電沉積于制品上的組合物包含結(jié)構(gòu)和/或組成調(diào)節(jié)性的電沉積的材料或組合物。結(jié)構(gòu)和/或組成調(diào)節(jié)性組合物可以包含至少一個部分，所述部分具有多個具有在約lnm和約250nm、約lnm和約25nm、約5nm和約50nm、約10nm和約75nm、約lnm和約lOOnm、約2nm和約200nm、約5nm和約225nm、約10nm和約250nm之間的波長的沉積的層。
[0025]在其它實施方案中，結(jié)構(gòu)和/或組成調(diào)節(jié)性材料具有由多個層組成的至少一個部分，其中每個所述層具有在獨立地選自約5nm至約250nm、約5nm至約25nm、約10nm至約30nm、約 30nm 至約 60nm、約 40nm 至約 80nm、約 75nm 至約 100nm、約 100nm 至約 120nm、約120nm 至約 140nm、約 140nm 至約 180nm、約 180nm 至約 200nm、約 200nm 至約 225nm、約 220nm至約250nm或約150nm至約250nm的范圍的厚度。
[0026]多層納米疊層涂層可以包含許多層。涂層可以包含兩個或更多個、三個或更多個、四個或更多個、六個或更多個、八個或更多個、十個或更多個、二十個或更多個、四十個或更多個、五十個或更多個、100個或更多個、200個或更多個、500個或更多個、1，000個或更多個、1，500個或更多個、2，000個或更多個、2，500個或更多個、3，000個或更多個、3，500個或更多個、4，000個或更多個、5，000個或更多個、6，000個或更多個、7，000個或更多個或8，000個或更多個層(例如，第一層和第二層各自單獨地算作一層)?？舍槍υ谥破返牟煌糠稚洗嬖诘拿總€納米疊層涂層獨立地選擇層的數(shù)量(例如，管的內(nèi)部和外部可以具有施加的不同涂層)。涂層中的層的總數(shù)量也可以在約100至約8，000、約50至約100、約100至約1，000、約1，000至約2，000、約2，000至約4，000、約4，000至約8，000個層或大于約8,000個層的范圍內(nèi)。
[0027]納米疊層涂層的總厚度可隨涂層的施加而廣泛變化。在一些實施方案中，所述涂層可具有在獨立地選自1微米至5cm、1微米至50微米、50微米至100微米、100微米至200微米、200微米至500微米、500微米至800微米、800微米至1.2mm、500微米至1mm、1mm至
1.5mm、1.2mm 至 2mm、1.8mm 至 2.5mm、2mm 至 3mm、2.5mm 至 5mm、1mm 至 5mm、5mm 至 1cm、lcm至2cm或2cm至5cm的范圍內(nèi)的厚度。
[0028]如上所述，在電沉積的材料包含兩個或更多個結(jié)構(gòu)和/或組成不同的層時，所述層可具有離散或擴散界面或離散和擴散界面的組合。
[0029]在電沉積的材料包含兩個或更多個結(jié)構(gòu)和/或組成不同的層的實施方案中，組合物可以包含多個交替的第一層和第二層。電沉積的材料的涂層可以完全由交替的第一層和第二層組成，所述第一層和第二層可具有層間的離散或擴散界面?？蛇x地，一個或多個附加的層可存在于任意第一層和第二層之間的涂層中。第一層和第二層可以都相同或自身在組成和/或結(jié)構(gòu)方面可以變化，并且界面(例如，離散或擴散)可以在層與層之間或各組的層之間變化。
[0030]在本文所述的實施方案中，用于改善制品和貨物的性質(zhì)的納米疊層涂層包括用于石油和天然氣鉆井和生產(chǎn)的那些，可以包含包含鎳和鈷的多層涂層。在一些實施方案中，將多個交替的鎳或含鎳合金的第一層和包含鎳和鈷的合金的第二層組合以形成涂覆制品。除了第一層和第二層之外還可包括其它層。
[0031]在一些實施方案中，第一層各自可以包含大于約50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%或 99% 的鎳的量。對于所有此類第一層，每個層中鎳的量被獨立地選擇并且可在層與層之間或各組的層之間變化。在一些實施方案中，每個第一層包含在獨立地選自50% -55%,55% -60%,60% -65%,65 % -70 %、70 % -75 %、75 % -80 %、80 % -85 %、85 % -90 %、90 % -92 %、92 % -93%,93% -94%^94% ~95%,95% -96%,96% -97%,97% -98%或 98% -99%的范圍內(nèi)的鎳，并且所述層的其它成分或其余成分的實質(zhì)性部分可以包含鈷。在其它實施方案中，每個第一層包含在獨立地選自 70% -99%,70% -75%,75% -80%,80% -85%,85% -90%,90% -92%,92% -93%,93% -94%,94% -95%,95% -96%,96% -97%,97% -98 % 或98% -99%的范圍內(nèi)的鎳，并且所述層的其余成分或其余成分的實質(zhì)性部分可以包含鈷。在又其它實施方案中，每個第一層包含在獨立地選自50% -55%,55% -60%,60% -65%,65% -70%,70% -75%,75% -80%,80% -85%或85% -90%的范圍內(nèi)的鎳，并且所述層的其余成分或其余成分的實質(zhì)性部分可以包含鈷。
[0032]在此類實施方案中，第二層可各自包含在獨立地選自5% -35%,5% -10%,10% -15%U5% -20%,20% -25%,25% -30%或 30% -35%鈷的范圍內(nèi)的鈷的量。正如第一層，每個第二層中的鈷的量被獨立地選擇并且可以在層與層之間或各組的層之間變化。在此類實施方案中，每個第二層包含在獨立地選自5% -35%,5% -10%,10% -15%,15% -20%,20% -25%,25% -30%或30% -35%的范圍內(nèi)的鈷并且所述層的其余成分或其余成分的實質(zhì)性部分可以包含鎳。在其它實施方案中，每個第二層包含在獨立地選自20%-35%,20% -25%、25% -30%或30% -35%的范圍內(nèi)的鈷并且所述層的其余成分或其余成分的實質(zhì)性部分可以包含鎳。在另外其它實施方案中，每個第二層包含在獨立地選自5% -20%、5% -10%、10% -15%或15% -20%的范圍內(nèi)的鈷，并且所述層的其余成分或其余成分的實質(zhì)性部分可以包含鎳。
[0033]在本公開的實施方案中，每個第一層和/或第二層可以包含以下，基本上由以下組成，或由以下組成:鎳和鈷以及非實質(zhì)性量的其它組分(例如，單獨來看，小于0.1%、0.05%或0.01%的其它組分元素)。在本公開的實施方案中，每個第一層和第二層除它們的鎳和鈷含量之外還可以包含一種或多種、兩種或更多種、三種或更多種或四種或更多種附加元素，所述附加元素對于每個第一層和第二層獨立地選自由以下組成的組:Ag、Al、Au、Be、C、Cr、Cu、Fe、Hg、In、Mg、Mn、Mo、Nb、Nd、P、Pd、Pt、Re、Rh、Sb、S1、Sn、Pb、Ta、T1、W、V、Zn和Zr。在其它此類實施方案中，每個第一層和第二層除它們的鎳和鈷含量之外還可以包含一種或多種、兩種或更多種、三種或更多種或四種或更多種附加元素，所述