WC-CoCr喷涂层织构化表面的疏水性与摩擦学性能

发布时间：2020-07-18 07:32

【摘要】：非常规能源勘探开发技术中,迫切需要提高PDC钻头的防泥包性能和耐磨性能。超音速火焰喷涂(HVOF)技术制备的WC-Co Cr金属陶瓷涂层具备优异的耐磨、耐蚀性能和良好的结合强度,适于对PDC钻头钢体进行强化,但需要提高其表面的疏水性能从而改善泥包问题。本研究利用超音速火焰喷涂制备了厚度为200μm的WC-CoCr金属陶瓷涂层,采用砂纸研磨来改变表面粗糙度以及激光表面织构的方法对涂层表面进行改性,用扫描电子显微镜表征原始涂层的横截面形貌,白光形貌仪表征织构化涂层的三维形貌。通过接触角测试和摩擦实验测试其疏水性及摩擦学性能。主要研究成果包括:(1)增大表面粗糙度可提高表面的疏水性。接触角CA与粗糙度Sa呈现正比关系,涂层表面发生了从亲水性到疏水性的转变。泥浆润滑摩擦实验结果表明,表面粗糙度的增大会导致摩擦系数增大,磨损体积略有减小,但总体差别不明显。在摩擦过程中主要发生粘着磨损,同时伴随着氧化。(2)经过激光织构处理的表面疏水性能均明显提高,间距100μm的网格织构接触角最大,在干摩擦下的具有明显的减摩作用。织构覆盖率R随着织构间距的减小而增加,CA值随织构覆盖率增加而增大。CA值的增加是由于表面形貌和化学组分变化的共同作用所致。干摩擦下每种织构的摩擦系数随着间距增加而增加,相同间距的网格,沟槽和凹坑的摩擦系数依次增加。在泥浆润滑条件下,三种织构的摩擦系数均高于原始表面。干摩擦下的磨损机理主要是粘着磨损和氧化磨损。在泥浆润滑下,织构表面主要发生三体磨损。(3)氟硅烷修饰过的网格织构表面均表现出了良好的疏水性及减摩性能。接触角随着织构覆盖率的增大而增大,并且改性后的接触角全都表现出疏水性,间距40μm,宽度100μm的织构与去离子水和钻井液的接触角最大,分别达到138.22°和125.5°。去离子水与改性织构表面的接触角结果与Cassie模型的理论值θc非常接近。泥浆润滑摩擦实验结果表明,在织构宽度或间距相同时,织构覆盖率越大,摩擦系数越小,且织构表面的摩擦系数基本小于抛光涂层表面。但是织构覆盖率增大,磨损体积也相应增加。主要发生的是三体磨损。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

全球对油气资源的需求也急现逐年减小的趋势、并且开采难度增大然气水合物等非常规油气资源进行开发量相当丰富，是未来油气勘探和开采的，具有比表面大、孔隙小、易吸水膨胀了严苛的要求和巨大的挑战（刘宝林，探开发的主要破岩工具，钻头性能将直F. Boukadi, 2013; C. Hanna, 2011）。mond Compact-PDC 钻头）是目前应用成钻头钢体，并在热处理后在钢体上到钻头钢体中（如图 1-1 所示）。由于在其独特的剪切破岩方式占据优势，

泥包,钻头,现象

岩油气层等特殊地层钻探领域的更广泛应用，因此，解决 PDC对钻进效率的提高、钻井周期的缩短、钻井成本的降低都意义钻头“泥包”的因素有地质因素、钻井液因素以及钻头结构因法改变的，采用油基钻井液改善“泥包”又会造成环境污染，善钻头自身方面进行了许多研究。吉林大学高科课题组（高科等光滑理论应用在钻井工程中，在孕镶金刚石表面加工了凸包型工况下，所制备的仿生非光滑钻头耐磨性和钻井效率均大幅提面具有减阻和耐磨的特性，同样在 PDC 钻头的应用上具有很大研究中（刘婧，2014），他们针对 PDC 钻头失效及泥包问题出发，研究了波纹型和凸包型仿生非光滑结构对钻井过程的影滑结构运用到切削刃面，波纹形非光滑结构运用到聚晶层的表地钻探实验发现切削齿的使用寿命提高，钻进中“泥包”现象

超音速火焰喷涂,设备,原理

图 1-3 超音速火焰喷涂设备原理(王华仁，2007)ig. 1-3 Schematic of HOVF spraying equipment ( H.R. Wang, 200焰喷涂生产率高，成为目前制备金属陶瓷涂层和金属涂具有非常致密、孔隙率小于 1%、结合强度高等优良的化物为基的粉末，如 WC-Co 和 WC-CoCr。WC-Co 可强度高并且残余应力小（Y. Y. Wang, 2006）。WC-Co入使得涂层的耐腐蚀性能大大提高，并且具有高的硬，超强的耐磨性等优点（J. Berget, 2007）。HVOF 技术目前已经成功应用于耐蚀耐磨的合金涂层的沉积制备对润湿性能的研究现状中的微结构与润湿性关系的很多动植物，为了适应物竞天择的生存法则，在漫长

【参考文献】