一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法，包括以下步骤：(1)对合金钢进行打磨、喷砂预处理；(2)采用超音速火焰喷涂系统进行喷涂；(3)SiC砂纸研磨，抛光，清洗；(4)激光器进行织构的制备；(5)抛光、超声清洗、烘干，即在合金钢的表面制备出表面防泥包耐磨改性层。本发明专利技术的制备方法简单易行。制备得到的改性层具有硬度高，孔隙率和脱碳率低，以及优异的耐磨性等优点，适用于对钻头钢体进行强化，以提高其耐磨性。激光表面织构技术对环境无污染、制作简单、形貌可控，可提高涂层表面的防泥包性能，对耐磨性能的提升也有一定帮助。所获得的复合强化层防泥包性能及摩擦磨损性能均得到改善。

A Method for Preparing Wear Resistant Modified Layer of Sludge-proof Layer on the Surface of Bit Steel

The invention discloses a preparation method of anti-mud ladle wear-resistant modified layer on the surface of drill bit steel, which includes the following steps: (1) grinding and sandblasting pretreatment of alloy steel; (2) spraying with supersonic flame spraying system; (3) grinding, polishing and cleaning of SiC sandpaper; (4) fabrication of texture by laser; (5) polishing, ultrasonic cleaning and drying, i.e., preparation of alloy steel surface. Surface anti-mud ladle wear resistant modified layer. The preparation method of the invention is simple and feasible. The modified layer has the advantages of high hardness, low porosity and decarbonization, and excellent wear resistance. It is suitable for strengthening bit steel to improve its wear resistance. Laser surface texture technology is pollution-free, easy to fabricate and controllable in morphology. It can improve the anti-mud coating performance of the coating surface, and it is also helpful to improve the wear resistance. The mud-proof properties and friction and wear properties of the composite strengthened layer were improved.

【技术实现步骤摘要】
一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法
本专利技术属于钻探钻头
，具体涉及一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法。
技术介绍
1.1研究现状与存在问题随着工业经济的飞速发展，全球对油气资源的需求也急剧增加，但是由于常规油气田的发现量逐年减小、开采难度逐渐增大，因此对泥页岩油气、煤层气和天然气水合物等非常规油气资源的开发需求日益迫切。我国泥页岩油气资源量相当丰富，是未来油气勘探和开采的重要领域。但是，由于泥页岩具有比表面大、孔隙小、结构复杂、易吸水膨胀等特殊性，因此对于钻探机具的性能提出了严苛的要求和巨大的挑战。钻头作为石油矿产勘探开发中主要的破岩工具，其性能直接影响到钻井质量、钻进速度以及钻井成本。聚晶金刚石复合片(PolycrystallineDiamondCompact-PDC)钻头(以下简称PDC钻头)是目前应用最多的一种钻头，其是用镍、铬、钼合金机械加工成钻头钢体，经过热处理后在钻头钢体上钻孔，将聚晶金刚石复合片压入或钎焊到钻头钢体内。由于PDC钻头具有独特的剪切破岩方式，以及钻速快、效率高、寿命长等优势，目前已成为油气钻井的主力钻头。然而，使用PDC钻头在泥页岩中钻进时容易产生“泥包”现象—即在钻进过程中切削出的泥质岩屑遇水后不能及时排离孔底而粘附于钻头上，便形成钻头泥包。PDC钻头为整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，因此比普通的牙轮钻头更容易产生泥包。一旦PDC钻头发生“泥包”，轻者大幅度降低机械钻速，影响钻进效率；重者钻进停止，被迫起钻清洗钻头；更有甚者产生卡钻等严重孔内事故，危及设备安全并造成巨大的经济损失。此外，如果油气埋藏较深，随着钻井深度的增大，“泥包”现象呈现加重的趋势，将导致钻深较大时钻头打滑严重，无法有效钻进甚至前功尽弃。可见，“泥包”现象严重制约了PDC钻头在泥页岩油气层等特殊地层钻探领域的更广泛应用，因此，解决PDC钻头“泥包”问题对提高钻进效率、缩短钻井周期、降低钻井成本具有重要的意义。导致PDC钻头泥包的因素很多，主要包括地层地质特点等方面的地质因素，以及钻头结构设计因素和钻井液成分性能因素等。(1)地质因素：泥页岩易于水化分散，使井眼内泥质等固相含量显著增高，吸附于钻头表面造成钻头泥包。(2)钻头结构因素：钻头水力结构设计不合理，将直接影响井底清洗效果及岩屑的顺畅排出；钻头流道设计不合理则不能保证钻屑顺利脱离井底。(3)钻井液因素：钻井液抑制性较弱，则不能有效抑制地层中泥页岩的水化膨胀；钻井液润滑性能较差，则无法在钻头表面形成有效的保护膜，导致钻井液中的劣质固相易吸附在钻头上。可见，PDC钻头泥包现象的诱因中，除地质因素外，其它因素都是可以尝试避免的。针对上述引发钻头泥包问题的因素，本领域研究人员围绕以下科学问题进行了有针对性的研究：(1)基于计算流体动力学提高流经PDC钻头切削齿的流体速度；(2)通过物理化学作用改善钻井液对岩屑的润湿性；(3)基于涂层技术消除岩屑在钻头表面的机械粘附和化学粘附。通过对上述研究成果的综合分析发现：如果能够制备出疏水性和耐磨性均优良的涂层，则有望解决PDC钻头的泥包问题和服役持久性问题。目前，超音速火焰喷涂技术(HVOF)制备的WC-CoCr金属陶瓷涂层由于具有优异的耐磨、耐蚀性能和良好结合强度，已经成熟应用于钻杆、套管等钻探机械零部件的表面强化，也适于对钻头钢体进行强化。但是，如何改善WC-CoCr涂层的疏水性能，达到既耐磨又防泥包的目的，成为亟待解决的问题。1.2研究目的与研究意义超音速火焰喷涂法(HVOF)由Browing公司研发于上世纪80年代。相比与传统的火焰喷涂法，超音速火焰喷涂法提升对喷涂材料的加热温度和喷射速度，其粒子喷射速度可达500m/s以上，得名超音速火焰喷涂技术。超音速火焰喷涂生产率高，制得的涂层具有优良的性能，是目前制备金属陶瓷涂层和金属涂层的主要方法。超音速火焰喷涂技术制备的WC-CoCr涂层具有硬度高，孔隙率和脱碳率低，以及优异的耐磨性等优点，而且Cr元素在腐蚀环境下还会在材料表面生成钝化膜降低腐蚀率。因此，超音速火焰喷涂技术(HVOF)制备的WC-CoCr金属陶瓷涂层已经成熟应用于钻杆、套管等钻探机械零部件的表面强化，也适于对钻头钢体进行强化。但其防泥包性能有待提高。表面织构技术能够显著改善材料表面的疏水性及摩擦磨损性能。表面织构技术是通过在材料表面加工出一系列有一定规律的凹坑、凸起、沟槽等微结构来改变表面的性质。通过增加固体表面的微结构粗糙度并构造合适的表面微观形貌，进而改变固体表面的物理结构，是提高表面疏水性能的关键。即水滴压在织构表面上会在薄膜表面与水滴之间形成一层气垫，将水滴托起，最终达到超疏水的Cassie-Baxter状态。减摩耐磨方面，织构可以起到容纳磨屑，存储润滑剂和提高动压承载的作用，一定条件的织构可以改善耐磨性。此外，激光表面织构技术对环境无污染、制作简单、耗时短，成本低、加工范围宽，可控制尺寸和形貌。因此在本专利技术中，利用超音速火焰喷涂制备WC-CoCr金属陶瓷涂层，然后在其上面利用激光设备制备出特定的织构参数，把两种表面改性技术有效结合起来，能够简单有效的提高钻头钢体表面的防泥包及耐磨性能。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
所述的不足,本专利技术提供一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法，该制备方法简单易行、成本低廉，无污染，所获得的复合改性强化层防泥包性能及摩擦磨损性能均得到改善。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)选用合金钢作为基底，之后对其进行打磨、喷砂预处理；(2)采用超音速火焰喷涂系统，对喷砂处理后的样品进行喷涂；(3)将喷涂后的样品通过SiC砂纸研磨，最后进行抛光处理，之后依次在酒精和丙酮中清洗；(4)将清洗后的样品放置在激光器的样品台上，在软件中绘制织构图并开启激光器进行织构的制备，得到超音速火焰喷涂/表面织构复合处理的样品；(5)将超音速火焰喷涂/表面织构复合处理的样品进行再次抛光去除激光加工后表面的熔融氧化物，然后进行超声清洗，烘干，即在合金钢的表面制备出表面防泥包耐磨改性层。优选的，步骤(1)中，合金钢表面粗糙度打磨至Ra＝0.65μm；砂料选用棕刚玉，砂料直径为700μm，喷砂距离为0.15m，喷砂气压为7MPa，喷砂角度为45°。优选的，步骤(2)中，喷涂过程中，将合金钢固定在夹具上，夹具旋转并匀速前后移动，同时超音速火焰喷涂系统的工艺参数为：煤油流量26L/h、氧气流量900L/min、喷涂距离420mm、送粉率80-150g/min、载气流量7L/min。采用上述参数进行超音速火焰喷涂后，基体表面产生一个200μm的喷涂层，制备的WC-CoCr涂层具有硬度高，孔隙率和脱碳率低的特点。和其他参数相比，申请人使用的优化后的工艺参数使得在喷涂过程中极大地减少了氧化反应的发生，使基体表面的抗摩擦性能得到显著地提升。优选的，步骤(3)中，将喷涂后的样品依次通过SiC砂纸600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#研磨，抛光处理至表面粗糙度为0.06-0.08μm，在酒精、丙酮中各清洗的时间为15min。优选的，步骤(4)中，所述的激光器设置的加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)选用合金钢作为基底，之后对其进行打磨、喷砂预处理；(2)采用超音速火焰喷涂系统，对喷砂处理后的样品进行喷涂；(3)将喷涂后的样品通过SiC砂纸研磨，最后进行抛光处理，之后依次在酒精和丙酮中清洗；(4)将清洗后的样品放置在激光器的样品台上，在软件中绘制织构图并开启激光器进行织构的制备，得到超音速火焰喷涂/表面织构复合处理的样品；(5)将超音速火焰喷涂/表面织构复合处理的样品进行再次抛光去除激光加工后表面的熔融氧化物，然后进行超声清洗，烘干，即在合金钢的表面制备出表面防泥包耐磨改性层。

【技术特征摘要】
1.一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)选用合金钢作为基底，之后对其进行打磨、喷砂预处理；(2)采用超音速火焰喷涂系统，对喷砂处理后的样品进行喷涂；(3)将喷涂后的样品通过SiC砂纸研磨，最后进行抛光处理，之后依次在酒精和丙酮中清洗；(4)将清洗后的样品放置在激光器的样品台上，在软件中绘制织构图并开启激光器进行织构的制备，得到超音速火焰喷涂/表面织构复合处理的样品；(5)将超音速火焰喷涂/表面织构复合处理的样品进行再次抛光去除激光加工后表面的熔融氧化物，然后进行超声清洗，烘干，即在合金钢的表面制备出表面防泥包耐磨改性层。2.如权利要求1所述的一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，合金钢表面粗糙度打磨至Ra＝0.65μm；砂料选用棕刚玉，砂料直径为700μm，喷砂距离为0.15m，喷砂气压为7MPa，喷砂角度为45°。3.如权利要求1所述的一种钻头钢体表面防泥包耐磨改性层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，喷涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽娜，乔娟，岳文，付志强，康嘉杰，王成彪，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11