一种随钻测量仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层制造技术

本发明专利技术属于涂层技术领域。具体涉及一种随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层。该梯度复合涂层从基体至表面依次设置粘结层、第一过渡层、第二过渡层和工作层；粘结层喷涂NiCrAl复合粉末；过渡层喷涂NiCrAl复合粉末和由TiN粉末、高熵合金粉末组成的混合粉末；工作层喷涂TiN粉末和高熵合金粉末组成的混合粉末。本发明专利技术采用NiCrAl复合粉末、TiN粉末和高熵合金粉末材料进行成分梯度设计，使涂层的物理、化学性能和组织结构连续过渡，有效降低了涂层的内应力，大幅提高随钻测量仪器外筒表面涂层的硬度、强度、耐磨性和耐蚀性，延长其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种随钻测量仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层
本专利技术属于涂层
，具体涉及一种随钻测量(MeasurementWhileDrilling，MWD)仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层。
技术介绍
铜合金具有优良的导电性、导热性、成形性及塑性；电极电位是正值，具有很好的耐蚀性能，常用在连铸结晶器、炼铁高炉风口、冷转炉氧枪喷头，离子加热喷嘴、钢坯热切割枪割嘴等耐高温的工况环境，但是铜合金的耐磨性能较差，工程应用中常需要进行表面强化处理，减少磨损，提高零件寿命。高熵合金是近年来金属材料领域内发展迅猛的一种新材料，因为其热力学上的高熵效应，结构上的晶格畸变效应，动力学上的迟滞扩散效应和性能上的“鸡尾酒”效应，具有优异的力学性能和功能特性，特别是近几年发展出的高熵合金复合材料在耐腐蚀、耐磨损、耐高温等性能方面尤为突出，因而高熵合金及其复合材料也日渐成为制备优异合金涂层的备选用材。但是，目前高熵合金涂层在体系选择、功能设计、工艺优化、机理研究等方面还有着大量的空白，其中，高熵合金涂层中激光熔覆单道次熔覆宽度过小，而熔覆道次之间实现良好的“搭接”是大面积熔覆层制备的关键点，同时局部温升高易产生热应力等也是需要重点关注的；磁控溅射难以制备大厚涂层；热喷涂的涂层与基体的结合强度不够。随钻测量(MeasurementWhileDrilling，MWD)仪器外筒常用材料为铍青铜，随着非常规油田的开发，MWD仪器在该类型钻井施工中发挥着重要作用。但由于钻井过程中极其恶劣的工况，MWD仪器在使用过程中，钻井液对MWD仪器外筒的冲蚀和沙粒对外筒的磨损导致外筒发生刺漏，严重影响钻井作业周期和生产成本。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：为了克服钻井液对随钻测量仪器外筒的冲蚀磨损，提出了一种随钻测量仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，可以有效降低涂层的内应力，大幅度提高随钻测量仪器外筒表面涂层的硬度、强度、耐磨性和耐蚀性，延长其使用寿命。本专利技术的技术方案如下：一种随钻测量仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，该梯度复合涂层从基体至表面依次设置粘结层、第一过渡层、第二过渡层和工作层。其中，粘结层由NiCrAl复合粉末组成；工作层由TiN粉末和高熵合金粉末组成；第一过渡层由NiCrAl复合粉末和与工作层相同组分的金属-陶瓷复合粉末(TiN粉末和高熵合金粉末)组成；第二过渡层由NiCrAl复合粉末和与工作层相同组分的金属-陶瓷复合粉末(TiN粉末和高熵合金粉末)组成。NiCrAl复合粉末中，Cr的含量为6～18wt％，Al的含量为5～10wt％，余量为Ni，NiCrAl复合粉末，平均粒径为38～63μm；TiN粉末，平均粒径为18～43μm；高熵合金粉末，平均粒径为45～106μm。本专利技术选择AlCoCrFeNiTi高熵合金粉末，工作层中加入高熵合金粉末的含量占TiN粉末和高熵合金粉末总质量的10～30wt％。第一过渡层中，NiCrAl复合粉末与TiN粉末和高熵合金粉末混合物的质量比为3:(1.5～2.5)；第二过渡层中，NiCrAl复合粉末与TiN粉末和高熵合金粉末混合物的质量比为(1.5～2.5):3。粘结层、第一过渡层、第二过渡层和工作层的厚度分别为30～50μm、50～80μm、50～80μm和100～150μm。本专利技术基体材料是铍青铜、粘结层材料为NiCrAl复合粉末，陶瓷材料选用TiN粉末，高熵合金为AlCoCrFeNiTi高熵合金粉末，Cu、Fe、Co、Ni、Cr等元素原子半径相近，易于形成BCC或FCC结构；Al原子半径较大，易诱发晶格畸变并形成非晶相；添加Ti元素，在高熵合金“鸡尾酒效应”的影响下，可以大幅度提升涂层的综合性能。本专利技术从过渡层到工作层，材料的成分呈连续梯度变化，其热膨胀系数变化趋势平缓，能减小涂层间特别是涂层与基体间的内应力，提高涂层与随钻测量仪器外筒的结合强度，从而使梯度涂层的抗热震性能大幅提高。所得梯度涂层的摩擦系数为0.3～0.5，显微硬度为870～1100HV，涂层的结合强度为36～40MPa，在400℃，水淬条件下，测得涂层失效的热震次数不少于200次。本专利技术中梯度复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)配制各层混合粉末：按各层中粉末质量比分别称取NiCrAl粉末，高熵合金粉末和TiN粉末，分别放入球磨罐中，加乙醇，球磨、真空干燥、研磨、过筛，然后再加入聚乙烯醇溶液，真空干燥、研磨、过筛，配制混合粉体；本专利技术中采用湿法球磨，球磨介质是乙醇，研磨球为氧化锆陶瓷球，球/料/乙醇的比例为1:1:0.8～1.2，总加入量不超过球磨罐体积的2/3。(2)基体表面处理：将基材表面打磨、清洗、喷砂粗化处理；(3)基体预热：先用等离子喷枪火焰预热(150℃～240℃)步骤(2)中处理好的基体；(4)梯度涂层喷涂：先喷涂NiCrAl粘结层，厚度为30～50μm，再分别喷涂第一过渡层和第二过渡层的混合粉末，厚度各为50～80μm；最后喷涂工作层的混合粉末，厚度为100～150μm。(5)涂层后处理：对喷涂好的样品采用真空热处理，可以减小涂层中存在的热应力，使得涂层的抗热震性能明显提高。本专利技术设计四层涂层，从基体到表层，粘结层材料逐渐减少，陶瓷层材料不断增加，因为粘结层的线膨胀系数介于基体和工作层之间，这种设计大大缓解了陶瓷涂层与金属基体之间由于热膨胀系数不匹配而产生的热应力。本专利技术喷涂两层不同组成比例的NiCrAl复合粉末、TiN粉末、高熵合金粉末，这两层为过渡层，在经受氮化物的膨胀时会产生较大的压应力，使得氮化物梯度层扣住涂层不离开基体，涂层不易脱落。这样的涂层可以在更高的温度和较陡的温度梯度下工作，有很好的隔热效果和抗剥落能力。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术的高熵合金梯度复合涂层满足随钻测量仪器外筒表面优异性能，涂层的抗热震性能较好。(2)本专利技术设计的成分渐变结构，大大缓解了陶瓷涂层与金属基体之间由于热膨胀系数不匹配而产生的热应力，提高了涂层与基体之间的结合强度，并有效解决了涂层易开裂的问题。(3)本专利技术在陶瓷涂层材料中加入高熵合金粉末，可以更好的提高涂层的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，从而提高随钻测量仪器外筒的使用寿命。(4)本专利技术工艺步骤简单、重复性好，制备效率高，经济实用性强。附图说明图1梯度复合涂层结构示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述，但不限于此。实施例1：一种随钻测量仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，所述梯度复合涂层从基体至表面依次设置粘结层、第一过渡层、第二过渡层和工作层，各层中各组分质量比为：粘结层是由NiCrAl复合粉末(Cr：10wt％，Al：5wt％，Ni:余量)喷涂形成，厚度为50μm；工作层喷涂由TiN粉末和10％的高熵合金粉末组成的混合粉末，厚度为150μm；第一过渡层喷涂由NiCrAl复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，其特征在于，所述梯度复合涂层从基体至表面依次设置粘结层、第一过渡层、第二过渡层和工作层，其中，粘结层由NiCrAl复合粉末组成；工作层由TiN粉末和高熵合金粉末组成；第一过渡层和第二过渡层均由NiCrAl复合粉末与TiN粉末和高熵合金粉末组成的混合粉末组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种随钻测量(MeasurementWhileDrilling，MWD)仪器外筒耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，其特征在于，所述梯度复合涂层从基体至表面依次设置粘结层、第一过渡层、第二过渡层和工作层，其中，粘结层由NiCrAl复合粉末组成；工作层由TiN粉末和高熵合金粉末组成；第一过渡层和第二过渡层均由NiCrAl复合粉末与TiN粉末和高熵合金粉末组成的混合粉末组成。


2.如权利要求1所述的耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，其特征在于，所述的NiCrAl复合粉末的平均粒径为38～63μm，Cr的含量为6～18wt％，Al的含量为5～10wt％，余量为Ni。


3.如权利要求1所述的耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，其特征在于，工作层中高熵合金粉末的含量占TiN粉末和高熵合金粉末总质量的10～30wt％，其中，高熵合金粉末为AlCoCrFeNiTi高熵合金粉末。


4.如权利要求1所述的耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，其特征在于，所述TiN粉末，平均粒径为18～43μm；高熵合金粉末，平均粒径为45～106μm。


5.如权利要求1所述的耐磨耐蚀高熵合金梯度复合涂层，其特征在于，所述第一过渡层中，NiCrAl复合粉末与TiN粉末和高熵合金粉末混合物的质量比为3:(1.5～2.5)；第二过渡层中，NiCrAl...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏坤霞，李敏，黄文军，黄康进，魏伟，杜庆柏，赵晓兵，胡静，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32