改进弹性体耐磨性用的无机涂层的离子束辅助沉积制造技术

在钻头中使用的弹性体密封件，其中在弹性体密封件的表面上沉积无机表面改性材料。借助无机原子，通过对较硬表面提供软质密封件表面支持，从而改进在动态界面处密封件的耐磨性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及弹性体密封件，更特别地，本专利技术涉及通过使用离子束辅助沉积，用硬质涂层涂布弹性体密封件，来改进弹性体密封件的耐磨性。
技术介绍
和专利技术概述
技术介绍
物理气相沉积(PVD) 物理气相沉积(PVD)方法(常常称为薄膜法)是原子沉积法，其中从固体或液体源中以原子或分子形式气化材料，通过真空或低压气体(或等离子体)环境以蒸汽形式输送到基底上，在此它冷凝。附图说明图1A和1B是PVD法总的示意图。典型地，PVD法用于沉积厚度范围为数纳米到数千纳米的膜；然而，也可使用它们形成多层涂层、分级组成的沉降物、非常厚的沉积物和自立式结构。基底的尺寸范围可以是非常小到非常大，例如对于建筑玻璃来说，10′×12′的玻璃板。基底的形状范围可以是从平坦到复杂的几何形状，例如手表带和工具钻头。典型的PVD沉积速度为10-100埃(1-10纳米)/秒。可使用反应性沉积法，将PVD法用于沉积元素和合金以及化合物的膜。在反应性沉积法中，通过沉积材料与周围气体环境，例如氮气(例如，氮化钛，TiN)或者与共沉积材料(例如，碳化钛，TiC)反应，形成化合物。准反应性沉积是由化合物源沉积化合物材料的膜，其中通过反应性气体在沉积环境内的分压来补偿在输送和冷凝工艺过程中，挥发性较大的物种或反应性较低的物种的损失。可在DonaldM.Mattox的Handbool of Physical Vapor Deposition(PVD)Processing-Film Formation，Adhesion，Surface Preparation andContamination Control(物理气相沉积(PVD)加工手册-成膜、粘合、表面制备和污染控制)，Soc.Of Vacuum Coaters，Albuquerque，NM(1998)中找到PVD法更深入的综述，在此通过参考将其引入。
技术介绍
离子植入 离子植入是改性材料的表面性能的一种高技术方法。它类似于涂布法，但它不牵涉在该表面上添加层。离子植入利用高能离子束(荷正电的原子)来改性材料的表面结构和在低温下的化学。该方法没有负面影响组件的尺寸或本体材料的性能。采用离子植入，很多表面性能，其中包括硬度和耐磨性、抗化学进攻和减少的摩擦可得到改进。该方法可应用到基本上任何材料上，其中包括大多数金属、陶瓷和聚合物。然而，该方法的影响典型地是材料特异的。在真空腔室内，在非常低的压力(10-410-5torr)下，进行离子植入方法。大数量的离子(典型地1016-1017个离子/cm2)轰击并渗透表面，与就在表面下方的基底原子相互作用。离子渗透的典型深度是分数微米(或者一英寸的数百万分之一)。能量离子与材料的相互作用改性该表面，从而提供该表面与其余材料相比显著不同的性能。具体的性能改变取决于所选的离子束的处理参数，例如特定的离子物种、能量和影响该表面的离子总数。在诸如图2所示的体系中通过多步法产生离子。在等离子体中，通过从源原子中除去电子，引发形成离子。然后提取离子，并穿过质量分析磁铁，所述质量分析磁铁仅仅选择所需物种、同位素和电荷状态的那些离子。然后使用电势梯度塔加速离子束。典型的离子能量为10-200keV。一系列的静电和磁透镜元件使所得离子束成型并在含有待处理的部件的终点站的区域内扫描。离子植入提供处理组件表面的许多优势。主要的优势是能选择改性表面且没有有害地影响本体性能，这主要是因为该方法在低的基底温度下进行。该方法同样是极端可控且可再现的，且可以以所需的方式微调它，以改性不同的表面。尽管它是一种瞄准线(line-of-sight)方法，但可使用专门的夹具均匀地处理复杂几何体。
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离子束辅助的沉积(IBAD) 离子束辅助的沉积(IBAD)在高真空下使用两种物理过程离子植入和物理气相沉积(PVD)。在IBAD中，金属或氧化物靶位于蒸发器处且用于薄膜沉积。可由稀有气体或由诸如氮气或氧气之类的气体生成离子束(且对层沉积的额外化学影响导致改变的氮化物或氧化物的化学计量量)。在IBAD方法中，离子轰击是控制薄膜性能的关键因素。如同在离子植入中一样，离子赋予涂层和涂层/基底界面大量的能量。这实现基底加热的优势(这种加热提倡更加致密、更加均匀的膜)，且没有显著加热基底材料和劣化本体性能。离子也还与涂层原子相互作用，从而驱动它们进入基底并产生分级的材料界面，这种分级的材料界面提高粘合性。这些因素结合使得可在大多数基底上，其中包括在聚合物上的极其粘着的金属涂层上沉积基本上任何涂料材料的均匀、粘着、低应力的膜。因此，IBAD使得可高质量地沉积，而常规的PVD涂层会出现故障。图3是IBAD方法总的示意图。
技术介绍
旋转钻探 通过旋转钻探的方法来钻探油井和气井。在常规的钻机中，如图4所示，钻头10安装在钻柱12(钻杆加上钻环)上，钻柱12可能具有数米长。在表面处，旋转动力转动钻柱，其中包括在孔隙底部的钻头10，同时通过非常大功率的泵，泵送钻井流体(或“淤泥”)经过钻柱12。当钻头在钻探过程中磨耗或破碎时，必须将其引出孔隙。这要求被称为“从井下抽出(tripping)”的工艺重型吊车将整个钻柱牵拉出孔隙，其中一次(例如)约90英尺的步阶。在提升每一步阶之后，拧下一“段(stand)”管道，并放置在旁边以供再组装(同时钻柱的重量临时通过另一装置支持)。由于钻柱的总重量可能是数百吨，且钻柱的长度可能是数千英尺长，这不是一件普通的工作。一次从井下抽出可能要求数十小时，且在钻探的预算中是重要的花费。为了重新开始钻探，必须颠倒整个工艺。因此，在钻探过程中，钻头的耐用性是非常重要的，以最小化用于钻头更换的一轮从井下抽出的工艺。主要的两类钻头正在使用中；一类是辊压牙轮钻头。图5示出了(插入类型的)完整钻头的一个实例，其中一组旋转锥体14(各自具有许多锯齿或镶入式截坯刀16)安装在臂18上的坚固轴承上。钻头的锯齿必须在由向下挤压钻头到岩石内的“在钻头上的重力(weighton bit)”(WOB)以及由在旋转驱动时施加的扭矩提供的所需力下粉碎或切割岩石。尽管在一些情况下，WOB为大于或等于100,000磅，但在钻头处实际观察到的力不是恒定的被切割的岩石可具有较硬和较软的部分(和可能不均匀地破碎)，且钻柱本身在以许多不同的模式振动，因此，钻头必须能在偏僻的环境内在高且可变的应力下长时间段地操作。当钻头旋转时，辊压锥体在孔隙底部辊动。在钻头上的重力迫使旋转锥体指向朝下的锯齿进入待钻探的岩层内，从而施加超过岩层屈服应力的挤压应力，并进而导致破碎。所得碎片通过钻孔流体的高速流动从切割面向外奔流。
技术介绍
在钻探中密封件的重要性 在钻头的操作中，淤泥的流动是最主要的因素之一，其起到除去通过钻头从岩石岩层中切断的切屑的作用，同时还冷却钻头和锯齿(以及其它功能)。然而，(在切割面处恒定地释放的)在淤泥内的岩石碎片使得淤泥成为非常磨蚀的流体。至少一种密封件通常被设计成臂/锥体接头，以排除来自轴承的充满磨蚀切屑的淤泥。图6是一部分辊压牙轮钻头的截面视图。从概图中看到辊压锥体10的外表面，同时看到具有辊压轴承22和球形轴承24的轴颈20，当它们被装配到锥体内时。在示出其截面的剖面中可看到密封件26和密封管28，所述密封件26本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种密封件，其包括：　　　　具有动态密封界面的弹性体主体；和　　　　沉积在该弹性体主体表面上且增加表面硬度的无机表面改性材料；　　　　于是在动态密封条件下，在动态密封界面处密封件的磨耗和摩擦特征得到改进。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋平群，魏荣华，
申请(专利权)人：霍利贝顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]