摘要：

非常規能源勘探開發技術中,迫切需要提高PDC鉆頭的防泥包性能和耐磨性能。超音速火焰噴涂技術制備的CoCr粉末金屬陶瓷涂層具備優異的耐磨、耐蝕性能和良好的結合強度,適于對PDC鉆頭鋼體進行強化,但需要提高其表面的疏水性能從而改善泥包問題。本研究利用超音速火焰噴涂制備了厚度為200μm的CoCr金屬陶瓷涂層,采用砂紙研磨來改變表面粗糙度以及激光表面織構的方法對涂層表面進行改性,用掃描電子顯微


非常規能源勘探開發技術中,迫切需要提高PDC鉆頭的防泥包性能和耐磨性能。超音速火焰噴涂技術制備的CoCr粉末金屬陶瓷涂層具備優異的耐磨、耐蝕性能和良好的結合強度,適于對PDC鉆頭鋼體進行強化,但需要提高其表面的疏水性能從而改善泥包問題。本研究利用超音速火焰噴涂制備了厚度為200μm的CoCr金屬陶瓷涂層,采用砂紙研磨來改變表面粗糙度以及激光表面織構的方法對涂層表面進行改性,用掃描電子顯微鏡表征原始涂層的橫截面形貌,白光形貌儀表征織構化涂層的三維形貌。通過接觸角測試和摩擦實驗測試其疏水性及摩擦學性能。

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。接觸角CA與粗糙度Sa呈現正比關系,涂層表面發生了從親水性到疏水性的轉變。泥漿潤滑摩擦實驗結果表明,表面粗糙度的增大會導致摩擦系數增大,磨損體積略有減小,但總體差別不明顯。在摩擦過程中主要發生粘著磨損,同時伴隨著氧化。

(2)經過激光織構處理的表面疏水性能均明顯提高,間距100μm的網格織構接觸角最大,在干摩擦下的具有明顯的減摩作用。織構覆蓋率R隨著織構間距的減小而增加,CA值隨織構覆蓋率增加而增大。CA值的增加是由于表面形貌和化學組分變化的共同作用所致。干摩擦下每種織構的摩擦系數隨著間距增加而增加,相同間距的網格,溝槽和凹坑的摩擦系數依次增加。在泥漿潤滑條件下,三種織構的摩擦系數均高于原始表面。干摩擦下的磨損機理主要是粘著磨損和氧化磨損。在泥漿潤滑下,織構表面主要發生三體磨損。

(3)氟硅烷修飾過的CoCr粉末金屬陶瓷涂層表面均表現出了良好的疏水性及減摩性能。接觸角隨著織構覆蓋率的增大而增大,并且改性后的接觸角全都表現出疏水性,間距40μm,寬度100μm的織構與去離子水和鉆井液的接觸角最大,分別達到138.22°和125.5°。去離子水與改性織構表面的接觸角結果與Cassie模型的理論值θc非常接近。泥漿潤滑摩擦實驗結果表明,在織構寬度或間距相同時,織構覆蓋率越大,摩擦系數越小,且織構表面的摩擦系數基本小于拋光涂層表面。但是織構覆蓋率增大,磨損體積也相應增加。