АНТИФРИКЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ АБРАЗИВНОГО ИЗНОСА И ИСТИРАНИЯ, И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
ANTIFRICTION COATINGS WITH IMPROVED ABRASION AND WEAR PROPERTIES AND METHODS OF MAKING SAME

Область техники
Настоящее изобретение относится к области покрытий с улучшенными свойствами. Более конкретно, изобретение относится к многослойным антифрикционным покрытиям с улучшенным сопротивлением абразивному износу и износостойкостью, способам получения таких покрытий и способам применения таких покрытий с целью снижения трения и улучшения сопротивления абразивному износу.
Уровень техники
При операциях вращательного бурения скважины, бурильное долото закрепляют на конце оборудования низа бурильной колонны, который присоединен к бурильной колонне, включающей бурильную трубу и замки бурильных труб, которую можно вращать на поверхности с помощью стола бурового ротора или установки верхнего привода. Под действием массы бурильной колонны и оборудования низа бурильной колонны вращающееся долото бурит скважину в земле. По мере эксплуатации скважины, добавляют новые секции бурильной трубы к бурильной колонне, увеличивая ее общую длину. Периодически в ходе бурильных работ, необсаженную часть ствола скважины обсаживают для стабилизации стенок и бурильные работы возобновляют. В результате, бурильная колонна обычно работает как в необсаженной скважине, так и в обсадной трубе, которая установлена в необсаженной скважине. В качестве альтернативы, бурильную колонну заменяют на КГТ (колонну гибких труб) в буровой компоновке. Сочетание бурильной колонны и оборудования низа бурильной колонны или колонны гибких труб и оборудования низа бурильной колонны в данном документе называют компоновкой бурильной колонны. Вращение бурильной колонны обеспечивает передачу энергии через бурильную колонну и оборудование низа бурильной колонны к буровой коронке. При бурении скважин с применением колонны гибких труб, энергию передают бурильной коронке с помощью насосов для бурового раствора. Количество энергии, которую необходимо передать посредством вращения, ограничено максимальным вращающим моментом бурильной колонны или тем, насколько может выдержать колонна гибких труб.
В ходе бурения скважины через подземные формации компоновка бурильной колонны испытывает значительный скользящий контакт как со стальной обсадной трубой, так и с горными породами. Такой скользящий контакт возникает главным образом из-за вращения и аксиального перемещения компоновки бурильной колонны в буровой скважине. Трение между движущимися поверхностями компоновки бурильной колонны и стационарными поверхностями обсадной трубы и формации создает значительное сопротивление на бурильной колонне и приводит к избыточному вращающему моменту и сопротивлению в ходе буровых работ. Проблема, вызванная трением, присуща любым буровым работам, но особенно нежелательна в скважинах наклонно-направленного бурения или в скважинах с большим отходом забоя от вертикали (БОВ). Наклонно-направленное бурение или БОВ представляет собой преднамеренное отклонение ствола скважины от вертикали. В некоторых случаях, угол относительно вертикали может составлять девяносто градусов от вертикали. Такие скважины обычно называют горизонтальными скважинами, и они могут быть пробурены на значительную глубину и значительное расстояние от буровой платформы.
Во всех буровых работах компоновка бурильной колонны имеет тенденцию опираться на стенки ствола скважины или обсадную трубу скважины, но данная тенденция намного больше в скважинах наклонно-направленного бурения, вследствие действия силы тяжести. По мере увеличения длины или степени вертикального отклонения бурильной колонны, величина силы трения, создаваемой вращением компоновки бурильной колонны, также возрастает. Чтобы преодолеть это увеличение силы трения, требуется дополнительная энергия для вращения компоновки бурильной колонны. В некоторых случаях, сила трения между компоновкой бурильной колонны и стенкой обсадной трубы или стволом скважины, превосходит максимальный вращающий момент, который может быть допущен компоновкой бурильной колонны и/или максимальную перегрузочную способность по крутящему моменту бурового станка, и буровые работы должны быть прекращены. Следовательно, глубина, до которой скважины могут быть пробурены с использованием имеющегося в наличие оборудования наклонно-направленного бурения и технологических приемов, ограничена.
Снижение трения является ключевым требованием в таких операциях подземного вращательного бурения на нефть и газ при сверхдальнем отклонении от вертикали. Одним способом снижения силы трения, вызванной контактом между компоновкой бурильной колонны и обсадной трубой (в случае обсаженной скважины) или стволом скважины (в случае необсаженного ствола скважины), является улучшение смазочных свойств бурового раствора. В промышленных буровых работах предпринимали попытки снижения сил трения, в основном, посредством использования буровых растворов на основе воды и/или масла, содержащих различные типы дорогих и часто вредных для окружающей среды добавок. Дизельные и другие минеральные масла также часто используют в качестве смазочных веществ, но при этом возникает проблема со сбросом бурового раствора. Известны определенные минералы, такие как бентонит, которые способствуют снижению силы трения между компоновкой бурильной колонны и необсаженной скважиной. Такие материалы, как Teflon, использовали для снижения силы трения, однако, они являются недостаточно долговечными и прочными. Другие добавки включают растительные масла, асфальт, графит, моющие средства и ореховую скорлупу, но каждый из этих материалов, имеет свои собственные ограничения. Хотя такие буровые растворы обладают рядом преимуществ, сброс бурового раствора представляет проблему. Кроме того, более проблемным вопросом является тот факт, что КТ (коэффициент трения) возрастает при повышении температуры, особенно в случае буровых растворов на основе воды.
Еще одним способом снижения силы трения между компоновкой бурильной колонны и обсадной трубой или буровой скважиной является использование твердого облицовочного материала для компоновки бурильной колонны (который в этом документе также называют твердосплавной наплавкой или наплавкой твердым сплавом). В патенте US 4665996, включенном в данный документ полностью посредством ссылки, описано применение твердосплавной наплавки на основной рабочей поверхности буровой трубы, где состав сплава включает: 50-65% кобальта, 25-35% молибдена, 1-18% хрома, 2-10% кремния и менее 0,1% углерода, для снижения силы трения между бурильной колонной и обсадной трубой или породой. В результате, снижают вращающий момент, необходимый для работ вращательного бурения, особенно наклонно-направленного бурения. Известный сплав также позволяет обеспечить превосходную износостойкость бурильной колонны, при снижении износа обсадной трубы. Твердосплавная наплавка может быть нанесена на участки компоновки бурильной колонны с применением способов наплавления покрытия или термического напыления.
Хотя твердосплавная наплавка являлась эффективной при защите замков бурильных труб до некоторой степени, известно, что частицы карбида вызывают грубый абразивный износ материала обсадных труб, таким образом, ограничивая эффективность данных способов.
Другим способом снижения силы трения между компоновкой бурильной колонны и обсадной трубой или буровой скважиной является применение алюминиевых буровых колонн, поскольку алюминий легче, чем сталь. Однако алюминиевая буровая колонна является дорогостоящей и ее трудно использовать в буровых работах, и она несовместима с большинством типов буровых растворов (например, с буровыми растворами с высоким рН).
В US патентах №№7182160, 6349779 и 6056073 описаны конструкции бороздчатых сегментов в бурильных колоннах с целью улучшения потока текучей среды в кольцевом пространстве и снижения контакта и силы трения со стенкой ствола буровой скважины.
Еще одна проблема, с которой сталкиваются при операциях вращательного подземного бурения, особенно наклонно-направленного бурения, является износ обсадной трубы и компоновки бурильной колонны, возникающий, когда металлические поверхности контактируют друг с другом. Такой абразивный износ между металлическими поверхностями при бурении нефтяных и газовых скважин приводит к избыточному износу как компоновки бурильной колонны, так и обсадной трубы. В настоящее время одним предпочтительным решением для снижения износа компоновок бурильных труб является нанесение твердосплавной наплавки на участки компоновки бурильной колонны. Карбид вольфрама, содержащий сплав, такой как стеллит 6 и стеллит 12 (торговая марка Cabot Corporation), обладает превосходной износостойкостью как материал твердосплавной наплавки. Твердосплавная наплавка защищает компоновку бурильной колонны, но это приводит к излишнему абразивному износу обсадной трубы. Данная проблема является особенно острой в ходе наклонно-направленного бурения, поскольку части компоновки бурильной колонны, которая имеет тенденцию прижиматься к обсадной трубе, непрерывно стирают обсадную трубу по мере вращения бурильной колонны. Кроме того, некоторые из сплавов твердосплавной наплавки, такие как карбид вольфрама, могут усугубить проблемы, связанные с трением.
Муфтовые устройства с покрытием для эксплуатации нефтяных и газовых скважин
Помимо устройств для подземного вращательного бурения на нефть и газ, трение также является проблемой в устройствах для эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин сопряжена с основными механическими проблемами, решение которых может быть дорогостоящим или даже невозможным в плане исправления, ремонта или смягчения. С трением сталкиваются повсеместно в области нефтяного промысла; устройства, находящиеся в подвижном контакте, изнашиваются, и их исходные размеры уменьшаются, и устройства разрушаются под действием эрозии, коррозии и отложений. Все эти препятствия для нормальной работы могут быть устранены избирательным применением муфтовых устройств с нанесенным покрытием для эксплуатации нефтяных и газовых скважин, как описано ниже. Такие устройства для эксплуатации нефтяных и газовых скважин включают, но не ограничены ими, оборудование буровых установок; системы водоотделяющей колонны; трубные изделия; оборудование устья скважины, фонтанную арматуру и клапаны; эксплуатационное оборудование, включающее оборудование для механизированной эксплуатации скважин, колонны и оборудование для заканчивания скважины; оборудование для укрепления стенок скважины в песчаном грунте и формациях, и оборудование для внутрискважинных работ.
Оборудование и устройства нефтехимической и химической промышленности
Детали оборудования в нефтехимическом и химическом производстве подвержены разрушению в результате механических и химических воздействий. Например, детали подвергаются износу из-за трения поверхностей, приводящего к дефектам, требующим ремонта или замены. При определенных обстоятельствах, отходы, образовавшиеся вследствие износа, также могут загрязнять продукт, делая его непригодным. Помимо износа, избыточное трение между поверхностями также может увеличить энергию, требующуюся для работы. Также могут увеличиваться энергетические затраты при нагнетании текучих сред во время эксплуатации, вследствие избыточного трения или сопротивления между текучей средой и поверхностью детали, через которую перемещают указанную среду. Другой пример разрушения деталей может быть связан с коррозией, при которой детали необходимо периодически заменять. Коррозия также может привести к обрастанию внутреннего диаметра трубчатых теплообменников, что приводит к снижению эффективности теплопередачи. Все это представляет собой потенциальные помехи успешному выполнению нефтехимических операций, которые может быть дорого или даже невозможно исправить, устранить или смягчить.
Неограничивающие примеры таких деталей включают экструдеры, цилиндры, редукторы, втулки подшипника, компрессоры, насосы, трубы, насосно-компрессорные трубы, пресс-формы, клапаны и реакционные емкости.
2
2
Принимая во внимание расширяющийся характер этих широких требований для устройств вращательного бурения с большим отходом забоя от вертикали, муфтовых устройств с покрытием для эксплуатации нефтяных и газовых скважин и оборудования и устройств для нефтехимической и химической промышленности, существует потребность в антифрикционных покрытиях с улучшенными свойствами, такими как трение, износ, абразивный износ, коррозия, эрозия и образование отложений. Принимая во внимание эксплуатационные требования для этих областей, которые обычно включают высокие нагрузки и условия грубого абразивного износа, обычные и традиционные антифрикционные покрытия (например, графит, MoS, WS) могут не всегда соответствовать требованиям долговечности. Следовательно, существует потребность в разработке антифрикционных покрытий, которые демонстрируют достаточную долговечность в этих средах, благодаря улучшенному сопротивлению абразивному износу и пониженному истиранию как деталей с нанесенным покрытием, так и сопряженных материалов (например, стали обсадной трубы), относительно покрытий известного уровня техники.
Краткое описание изобретения
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, предпочтительное многослойное антифрикционное покрытие включает: i) нижний слой, выбранный из группы, состоящей из CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетаний, где толщина нижнего слоя составляет от 0,1 до 100 мкм; ii) способствующий адгезии слой, выбранный из группы, состоящей из Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетаний, где толщина способствующего адгезии слоя составляет от 0,1 до 50 мкм, и указанный слой прилегает к поверхности нижнего слоя, и iii) функциональный слой, выбранный из группы, состоящей из композита на основе фуллерена, материала на основе алмаза, алмазоподобного углерода (АПУ) и их сочетаний, где толщина функционального слоя составляет от 0,1 до 50 мкм, и указанный слой прилегает к поверхности способствующего адгезии слоя. Способствующий адгезии слой расположен между нижним слоем и функциональным слоем, и также может обеспечивать дополнительную функцию повышения ударной вязкости. Коэффициент трения функционального слоя антифрикционного покрытия, по измерениям при испытаниях на трение посредством притирания блока к кольцу, меньше или равен 0,15, и измерения сопротивления абразивному износу антифрикционного покрытия согласно модифицированному испытанию на абразивный износ ASTM G105 показывают глубину следа износа меньше или равную 20 мкм и убыль массы меньше или равную 0,03 г.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, способ получения многослойного антифрикционного покрытия включает: i) обеспечение основы для нанесения покрытия, ii) осаждение на поверхность подложки нижнего слоя, выбираемого из группы, состоящей из CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетаний, где толщина нижнего слоя составляет от 0,1 до 100 мкм, iii) осаждение на поверхность нижнего слоя способствующего адгезии слоя, выбираемого из группы, состоящей из Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетаний, где толщина способствующего адгезии слой составляет от 0,1 до 50 мкм, и указанный слой прилегает к поверхности нижнего слоя; iv) осаждение на поверхность способствующего адгезии слоя функционального слоя, выбираемого из группы, состоящей из композита на основе фуллерена, материала на основе алмаза, алмазоподобного углерода (АПУ) и их сочетаний, где толщина функционального слоя составляет от 0,1 до 50 мкм, и указанный слой прилегает к поверхности способствующего адгезии слоя. Коэффициент трения функционального слоя антифрикционного покрытия, по измерениям при испытаниях на трение посредством притирания блока к кольцу, меньше или равен 0,15 и измерения сопротивления абразивному износу антифрикционного покрытия согласно модифицированному испытанию на абразивный износ ASTM G105 показывают глубину следа износа меньше или равную 20 мкм и убыль массы меньше или равную 0,03 г.
Эти и другие признаки и особенности предложенных многослойных антифрикционных покрытий, способов получения таких покрытий и способов применения таких покрытий для устройств подземного вращательного бурения, муфтовых устройств с нанесенным покрытием для эксплуатации нефтяных и газовых скважин и оборудования и устройств нефтехимической и химической промышленности и их преимущественных областей применения и/или использования, очевидны из подробного описания, особенно в сочетании с прилагаемыми к данному документу чертежами.
Краткое описание чертежей
Для помощи среднему специалисту в данной области техники при реализации и применении предмета данного изобретения, сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, где:
на Фиг. 1 представлена микрофотография в Х-разрезе (X-sectional micrograph) испытательных образцов, с осажденным покрытиями разной структуры после CETR испытаний посредством притирания блока к кольцу с использованием песка, где нижний слой составляет (железную) основу, способствующий адгезии (улучшению вязкости) слой CrN отделяет верхний(ие) функциональный(ые) слой(и) от основы. Более подробная информация по структуре приведена в таблице 1 ниже.
Определения
«Оборудование низа бурильной колонны» (ОНБК) состоит из одного или более устройств, включая, но не ограничиваясь перечисленным, стабилизаторы, гидравлические стабилизаторы переменного калибра, обратные расширители, утяжеленные буровые трубы, гибкие утяжеленные буровые трубы, инструменты для наклонно-направленного бурения роторным способом, роликовые расширители, ударные переводники, забойные двигатели, инструмент каротажа во время бурения (КВБ), инструмент для скважинных измерений в ходе бурения (ИВБ), колонковый буровой инструмент, разбуриватели, расширители ствола скважины, центраторы, турбины, кривые переводники, забойные двигатели для наклонно-направленного бурения, бурильные яссы, форсирующие яссы, перепускные переводники, выбивные яссы, инструменты для уменьшения крутящего момента, переводники с обратным клапаном, ловильные инструменты, ловильные яссы, промывочные трубы, каротажные инструменты, переводники инклинометра, немагнитные ответные части любого из этих устройств и их сочетания, и их соответствующие внешние соединения.
«Обсадная труба» представляет собой трубу, установленную в ствол скважины для предотвращения обрушения стенок скважины и обеспечения продолжения бурения ниже дна колонны обсадной колонны с более высокой плотностью флюида и без протекания флюида в обсаженный пласт. Обычно устанавливают множество обсадных колонн в ствол скважины с постепенно уменьшающимся диаметром.
«Центраторы обсадных труб» представляют собой муфты, охватывающие снаружи обсадную трубу по мере ее продвижения в скважину. Центраторы часто оборудованы стальными пружинами или металлическими штырями, которые упираются в пласт с получением зазора между обсадной трубой и стенкой пласта, чтобы с целью центрирования обсадной трубы обеспечить более равномерное кольцевое пространство вокруг обсадной трубы для достижения лучшей герметизации цемента. Центраторы могут включать пальцевидные устройства для выскабливания ствола скважины, чтобы удалить фильтрационную корку бурового раствора, которая может препятствовать прямому контакту цемента с пластом.
Термин «прилегающий» употребляют в отношении объектов, которые примыкают один к другому, так что они могут иметь общую кромку или поверхность. Термин «не прилегающий» употребляют в отношении объектов, которые не имеют общей кромки или поверхности, поскольку они находятся на расстоянии или разнесены друг относительно друга. Например, замки бурильных труб представляют собой цилиндры большего диаметра, которые не являются прилегающими, поскольку цилиндр меньшего диаметра, а именно, буровая труба расположена между замками бурильных труб.
«Муфтовое соединение» представляет собой соединительное устройство между двумя частями трубы, часто, но не исключительно, оно является отдельной деталью, резьба которой приспособлена для двух более длинных частей, которые соединяет муфтовое соединение. Например, муфтовое соединение используют для соединения двух частей насосных штанг в оборудовании для механизированной эксплуатации скважин штанговыми насосами.
«Утяжеленные бурильные трубы» представляют собой толстостенные трубы в оборудовании низа бурильной колонны вблизи долота. Жесткость утяжеленных бурильных труб способствует прямолинейному бурению долотом, и массу утяжеленных труб используют для приложения массы к долоту, чтобы осуществлять бурение вперед.
«Бурильная колонна» представляет собой комплект полых труб по всей их полной длине, включающий ведущую трубу (если она присутствует), бурильную трубу и утяжеленные бурильные трубы, который составляет буровую компоновку от поверхности до дна скважины. Бурильная колонна не включает буровое долото. В особом случае обсаживания во время бурения обсадная колонна, которую используют для бурения геологических пластов, считается частью бурильной колонны.
«Компоновка бурильной колонны» представляет собой сочетание колонны бурильных труб и оборудования низа бурильной колонны или колонны гибких насосно-компрессорных труб и оборудования низа бурильной колонны. Компоновка бурильной колонны не включает буровое долото.
«Колонна бурильных труб» представляет собой колонну, состоящую из буровой трубы с присоединенными замками, переходной трубы между колонной бурильных труб и оборудованием низа бурильной колонны, включающей замки, бурильной трубы с утолщенной стенкой, включающей замки и уплотнительные элементы, и через указанную колонну перемещают флюид и передают крутящий момент от верхнего силового привода или ведущей бурильной трубы к утяжеленным буровым трубам и долоту. В некоторых ссылках, но не в этом документе, термин «колонна бурильных труб» включает как буровую трубу, так и утяжеленные буровые трубы в компоновке нижней части бурильной колонны.
«Отводы, тройники и муфтовые соединения» представляют собой обычно используемое трубное оборудование с целью соединения трубопроводов для заканчивания линии тока пластового флюида, например, для соединения ствола скважины с наземными производственными объектами.
«Ведущая труба» представляет собой участок трубы многоугольного сечения с плоскими ребрами, которая проходит через пол буровой установки на установках, снабженных более давним оборудованием стола бурового ротора. Вращающий момент прикладывают к данному участку трубы четырех-, шести- или, возможно, восьмиугольного сечения для вращения буровой трубы, которая присоединена ниже.
«Каротажные инструменты» представляют собой приборы, которые обычно опускают в скважину для проведения измерений; например, в ходе бурения, на бурильной трубе или в необсаженную или обсаженную скважину на канате. Приборы устанавливают на ряде носителей, сконструированных для спуска в скважину, таких как устройства цилиндрической формы, которые обеспечивают изоляцию инструментов от окружающей среды.
«Плунжерный подъемник» представляет собой устройство, которое перемещается вверх и вниз по колонне насосно-компрессорных труб для промывки системы труб водой, подобно операции «поршневания» трубопровода. С плунжерным подъемником в нижней части, поршневое устройство выполнено с возможностью блокировки потока флюидов, и поэтому оно выталкивается вверх по стволу скважины под действием давления флюидов снизу. По мере его перемещения вверх по стволу скважины, оно вытесняет воду, поскольку воде не дают возможности отделиться и обтекать плунжерный подъемник. В верхней части системы труб устройство инициирует изменение конфигурации плунжерного подъемника, так что он теперь перепускает флюиды, вследствие чего сила тяжести опускает его вниз вниз против потока, идущего вверх. Трение и износ являются важными параметрами при работе плунжерного подъемника. Трение снижает скорость спуска и подъема плунжерного подъемника, и износ внешней поверхности сопровождается появление зазора, который снижает эффективность устройства при перемещении вверх по стволу скважины.
«Добычное устройство» представляет собой широкий термин, охватывающий любое устройство, связанное с бурением, заканчиванием скважины, интенсификацией добычи, ремонтом скважины или добычей в нефтяных и/или газовых скважинах. Добычное устройство включает любое устройство, описанное в данном документе, используемое с целью добычи нефти и газа. Для удобства терминологии, закачку флюидов в скважину определяют как добычу с отрицательным темпом. Таким образом, упоминание слова «добыча» включает «закачку», если не указанное иное.
«Ударный переводник» представляет собой модифицированную утяжеленную буровую трубу, которая содержит поглощающий удар пружинообразный элемент для обеспечения относительного аксиального перемещения между двумя концами ударного переводника. Ударный переводник иногда используют для бурения очень твердых формаций, при котором могут возникать значительные удары в аксиальном направлении.
«Муфта» представляет собой трубчатую деталь, выполненную с возможностью насаживания на другую деталь. Внутренние и внешние поверхности муфты могут иметь круглый или некруглый профиль поперечного сечения. Внутренние и внешние поверхности могут в общем иметь разную геометрию, т.е. внешняя поверхность может быть цилиндрической с круглым поперечным сечением, при этом внутренняя поверхность может иметь эллиптическое или другое некруглое поперечное сечение. Альтернативно внешняя поверхность может быть эллиптической и внутренняя поверхность круглой, или могут быть обеспечены какие-либо другие сочетания. Штифты, прорези и другие средств можно использовать для ограничения одной или более степенями свободы муфты относительно тела, и можно использовать уплотнительные элементы, если существует перепад давления флюидов или необходимо сдерживание распространения флюидов. В более общем случае, муфту можно рассматривать как типичный полый цилиндр с одним или более радиусами или изменяющимися профилями поперечного сечения вдоль аксиальной длины цилиндра.
«Скользящий контакт» относится к фрикционному контакту между двумя телами при относительном перемещении, причем тела разделены флюидами или твердыми веществами, где твердые вещества включают частицы во флюиде (бентонит, стеклянные гранулы и т.д.), или устройствами, выполненными с возможностью обеспечения качения для снижения силы трения. Часть поверхности контакта двух тел при относительном перемещении • всегда будет находиться в состоянии сдвигового перемещения и, следовательно, скольжения.
«Насосные штанги» представляют собой стальные штанги, которые соединяют станок-качалку на поверхности со штанговым насосом на дне скважины. Такие штанги могут быть сборными и соединяться с помощью резьбового соединения, или они могут быть непрерывными штангами, которые перемещают подобно колонне гибких труб. По мере перемещения штанг вверх и вниз, возникает трение и износ в местах контакта между штангой и системой труб.
«Замок бурильной трубы» представляет собой соединительный элемент для труб с проходящей на конус резьбой, который обычно изготавливают из особого стального сплава, где муфтовое замковое соединение (с внешней и внутренней резьбой, соответственно) закрепляют на концах трубы. Замки бурильных труб обычно используют на буровой трубе, но также их можно использовать на рабочих колоннах и других ТИНС (трубные изделия нефтепромыслового сортамента, OCTG), и они могут быть присоединены сваркой трением к концам труб.
«Верхний силовой привод» представляет собой способ и оборудование, используемое для вращения буровой трубы от системы привода, расположенной на тележке, которую перемещают вверх и вниз по рельсам, присоединенным к буровой установке с мачтовой вышкой. Верхний силовой привод является предпочтительным средством эксплуатации буровой трубы, поскольку он обеспечивает одновременное вращательное и возвратно-поступательное движение трубы и циркуляцию рабочего раствора. При наклонно-направленном бурении часто снижается риск застревания трубы, когда используют оборудование верхнего силового привода.
«Лифтовая труба» представляет собой трубу, установленную в скважине внутри обсадной трубы для обеспечения протекания флюидов к поверхности.
«Клапан» представляет собой устройство, которое используют для регулировки расхода в трубопроводе. Существует множество типов клапанных устройств, включая обратный клапан, клапан с задвижкой, регулирующий клапан, шаровой клапан, игольчатый клапан и конический клапан. Клапанами можно управлять вручную, дистанционно или автоматически, или в их сочетании. Характеристики клапана в высокой степени зависят от уплотнения, установленного между плотно посаженными механическими устройствами.
«Седло клапана» представляет собой неподвижную поверхность, на которую опирается сальник, когда клапан приводят в действие для прекращения потока через клапан. Например, заслонка подземного предохранительного клапана уплотняется по седлу клапана, когда ее закрывают.
«Трос» представляет собой кабель, который используют для спуска инструментов и устройств в стволе скважины. Канат часто включает множество небольших нитей сплетенных вместе, но также существует моноволоконный трос или «скребковая проволока». Трос обычно разматывают с больших барабанов, установленных на самоходных каротажных станциях или агрегатах на салазках.
«Рабочие колонны» представляют собой соединительные участки трубы, используемые для выполнения работ в стволе скважины, таких как перемещение каротажного инструмента, вылавливание материалов из ствола скважины или выполнения ремонтно-изоляционных работ.
«Покрытие» включает один или более смежных слоев и любые границы раздела между ними. Покрытие можно наносить на материал основы тела в сборе, на твердосплавную наплавку, нанесенную на материал основы или на другое покрытие.
«Антифрикционное покрытие» представляет собой покрытие, для которого коэффициент трения составляет менее 0,15 при эталонных условиях. Обычное антифрикционное покрытие может включать один или более нижних слоев, способствующих адгезии слое и функциональных слоев.
«Слой» представляет собой толщу материала, который служит для определенных целей, например, он обеспечивает сниженный коэффициент трения, высокий коэффициент жесткости или служит механической опорой для вышележащих слоев или для защиты нижележащих слоев.
«Антифрикционный» или «функциональный слой» представляет собой слой, который обеспечивает низкую силу трения в антифрикционном покрытии. Он также может обеспечивать улучшенное сопротивление абразивному износу и износостойкость.
«Способствующий адгезии слой» обеспечивает улучшенную адгезию между функциональным(и) слоем(ями) и/или нижним(и) слоем(ями) в многослойном покрытии. Также он обеспечивает улучшенную ударную вязкость.
«Нижний слой» наносят между внешней поверхностью материала основы тела в сборе, или твердосплавной наплавкой, или промежуточным слоем и способствующим адгезии слоем или функциональным слоем или между функциональным(и) слоем(ями) и/или способствующим(и) адгезии слоем(ями) в многослойном покрытии.
«Дифференцированный слой» представляет собой слой, в котором по меньшей мере одна составляющая, элемент, компонент или собственные свойства слоя изменяются по толщине слоя или в какой-либо доле слоя.
«Промежуточный слой» представляет собой слой, расположенный между внешней поверхностью материала основы тела в сборе или твердосплавной наплавкой и слоем, который может быть другим промежуточным слоем или слоем, включающим антифрикционное покрытие. Может присутствовать один или более промежуточных слоев, размещенных таким образом. Промежуточный слой может включать, но не органичен перечисленным, нижний(е) слой(и), включающий(е) антифрикционное покрытие.
«Твердосплавная наплавка» представляет собой слой, расположенный между внешней поверхностью материала основы тела в сборе и промежуточным(и) слоем(ями) или одним из слоев, включающих антифрикционное покрытие. Твердосплавную наплавку используют в буровой промышленности при бурении на нефть и газ для предотвращения износа замков бурильных труб и обсадных колонн.
«Граница раздела» представляет собой переходную область от одного слоя к соседнему слою, в которой состав одного или более составляющего материала и/или значение характеристик изменяются от 5% до 95% от величины, характеризующей каждый из соседних слоев.
«Дифференцированная граница раздела» представляет собой границу раздела, выполненную так, что на ней постепенно изменяется состав составляющего материала и/или значение характеристик от одного слоя к соседнему слою. Например, дифференцированная граница раздела может образоваться в результате постепенного прекращения нанесения первого слоя, при одновременном постепенном начале процесса нанесения обработки второго слоя.
«Недифференцированная граница раздела» представляет собой границу раздела, на которой скачкообразно изменяется состав составляющего материала и/или значение характеристик от одного слоя к соседнему слою. Например, недифференцированная граница раздела может быть образована в результате прекращения нанесения одного слоя и последующего начала процесса нанесения второго слоя (Примечание: Некоторые из указанных выше определений приведены из A Dictionary for the Petroleum Industry. Third Edition, The University of Texas at Austin, Petroleum Extension Service, 2001).
Подробное описание
Все численные значения в пределах подробного описания и формулы изобретения в данном документе приведены со словом «приблизительно» или «приближенно», употребляемым перед указанным значением, и в них учитывается погрешность эксперимента и разброс, который мог бы ожидать специалист в данной области техники.
Родственные заявки
В US 8220563, включенном во всей полноте в данный документ посредством ссылки, описано применение покрытий со сверхнизким коэффициентом трения в компоновках бурильной колоны, используемых при бурении на газ и нефть. Другие добычные устройства для нефтяных и газовых скважин могут выигрывать от применения покрытий, раскрытых в данном документе. Компоновка бурильной колонны является одним примером добычного устройства, которое может выигрывать от применения покрытий. Геометрия действующей компоновки бурильной колонны является одним примером категории областей применения, включающих цилиндрическое тело. В случае буровой колонны, действующая компоновка бурильной колонны представляет собой внутренний цилиндр, находящийся в скользящем контакте с обсадной трубой или необсаженной скважиной, представляющей собой внешний цилиндр. Эти устройства могут иметь различные радиусы и альтернативно могут быть описаны, как включающие множество смежных цилиндров различных радиусов. Как описано ниже, существует несколько других примеров цилиндрических тел в операциях нефтегазовой добычи, которые либо находятся в скользящем контакте из-за относительного перемещения, либо стационарно подвергаются контакту с потоками флюидов. Покрытия по изобретению можно с преимуществом применять в каждой из этих областей, при рассмотрении соответствующей поставленной задачи, оценке проблемы контакта или протекания потока, которую необходимо решить, чтобы снизить силу трения, износ, коррозию, эрозию или образование отложений, и взвешенном рассмотрении пути нанесения таких покрытий на определенные устройства с максимальным эффектом и преимуществами.
2
2
В US 8261841, включенном во всей полноте в данный документ посредством ссылки, раскрыто применение покрытий со сверхнизким коэффициентом трения в добычных устройствах для нефтяных и газовых скважин и способы изготовления и применения таких устройств с покрытиями. В одном варианте добычное устройство с покрытием для нефтяных и газовых скважин включает добычное устройство для нефтяных и газовых скважин, включающее одно или более тел, и покрытие по меньшей мере на части одного или более тел, где покрытие выбрано из аморфного сплава, термообработанного, полученного методом химического восстановления или электроосаждения никель-фосфорного композита с содержанием фосфора более 12 масс. %, графита, MoS, WS, композита на основе фуллерена, кермета на основе борида, квазикристаллического материала, материала на основе алмаза, алмазоподобного углерода (АПУ), нитрида бора и их сочетаний. Добычные устройства с покрытием для нефтяных и газовых скважин могут обеспечить снижение трения, износа, коррозии, эрозии и образования отложений при строительстве скважины, заканчивании скважины и добыче нефти и газа.
2
2
В US 8286715, включенном во всей полноте в данный документ посредством ссылки, раскрыто применение покрытий со сверхнизким коэффициентом трения на муфтовых добычных устройствах для нефтяных и газовых скважин и способы изготовления и применения таких устройств с покрытиями. В одном варианте, муфтовое добычное устройство с покрытием для нефтяных и газовых скважин включает добычное устройство для нефтяных и газовых скважин, включающее одно или более тел и одну или более муфт, расположенных вблизи внешней или внутренней поверхности одного или более тел, и покрытие по меньшей мере на части внутренней поверхности муфты, внешней поверхности муфты или их сочетании, где покрытие выбрано из аморфного сплава, термообработанного, полученного методом химического восстановления или электроосаждения никель-фосфорного композита с содержанием фосфора более 12 масс. %, графита, MoS, WS, композита на основе фуллерена, кермета на основе борида, квазикристаллического материала, материала на основе алмаза, алмазоподобного углерода (АПУ), нитрида бора и их сочетаний. Муфтовые добычные устройства с покрытием для нефтяных и газовых скважин обеспечивают снижение силы трения, износа, эрозии, коррозии и отложений для строительства скважины, заканчивания скважины и добычи нефти и газа.
В US 2011-0220415 A1, включенном во всей полноте в данный документ посредством ссылки, раскрыты компоновки бурильной колонны с покрытиями со сверхнизким коэффициентом трения для подземных буровых работ. В одном варианте компоновки бурильной колонны с покрытием для подземного вращательного бурения включают тело в сборе с открытой внешней поверхностью, включающее бурильную колонну, соединенную с оборудованием низа бурильной колонны, колонну гибких труб, соединенную с оборудованием низа бурильной колонны, или обсадную колонну, соединенную с оборудованием низа бурильной колонны, и покрытие со сверхнизким коэффициентом трения по меньшей мере на части открытой внешней поверхности тела в сборе, твердосплавную наплавку по меньшей мере на части открытой поверхности тела в сборе, покрытие со сверхнизким коэффициентом трения по меньшей мере на части твердосплавной наплавки, где покрытие со сверхнизким коэффициентом трения включает один или более слоев со сверхнизким коэффициентом трения и один или более промежуточных слоев, расположенных между твердосплавной наплавкой и покрытием со сверхнизким коэффициентом трения. Компоновки бурильной колонны с покрытием обеспечивают снижение силы трения, вибрации (при прерывистом перемещении и при кручении), абразивного износа и истирания в ходе вертикального бурения скважины или наклонно-направленного бурения, чтобы повысить скорость проходки и обеспечить возможность бурения скважин с максимально большими отходами от вертикали с помощью существующих верхних силовых приводов.
В US 2011-0220348 A1, включенном во всей полноте в данный документ посредством ссылки, раскрыты добычные устройства с покрытиями для нефтяных и газовых скважин и способы изготовления и использования таких устройств с покрытием. В одном варианте устройство с покрытием включает одно или более цилиндрических тел, твердосплавную наплавку по меньшей мере на части открытой внешней поверхности, открытой внутренней поверхности или сочетании открытых внешней и внутренней поверхности одного или более цилиндрических тел, и покрытие по меньшей мере на части внутренней поверхности, внешней поверхности или их сочетании одного или более цилиндрических тел. Покрытие включает один или более слоев со сверхнизким коэффициентом трения и один или более промежуточных слоев, расположенных между твердосплавной наплавкой и покрытием со сверхнизким коэффициентом трения. Добычные устройства с покрытием для нефтяных и газовых скважин могут обеспечить снижение силы трения, износа, эрозии, коррозии и образования отложений при строительстве скважины, заканчивании скважины и добыче нефти и газа.
В US 2011-0203791 A1, включенном во всей полноте в данный документ посредством ссылки, описаны муфтовые добычные устройства с покрытием для нефтяных и газовых скважин и способы изготовления и применения таких муфтовых устройств с покрытием. В одном варианте муфтовое добычное устройство с покрытием для нефтяных и газовых скважин включает одно или более цилиндрических тел, одну или более муфт, расположенных вблизи внешнего диаметра или внутреннего диаметра одного или более цилиндрических тел, твердосплавную наплавку по меньшей мере на части открытой внешней поверхности, открытой внутренней поверхности или сочетания открытых внешней и внутренней поверхностей одной или более муфт, и покрытие по меньшей мере на части внутренней поверхности муфты, внешней поверхности муфты или сочетании этих поверхностей одной или более муфт. Покрытие включает один или более слоев со сверхнизким коэффициентом трения и один или более промежуточных слоев, расположенных между твердосплавной наплавкой и покрытием со сверхнизким коэффициентом трения. Муфтовые добычные устройства с покрытием для нефтяных и газовых скважин могут обеспечить снижение силы трения, износа, коррозии, эрозии и образования отложений при строительстве скважины, заканчивании скважины и добыче нефти и газа.
2
2
В US 2011-0162751 A1, включенном во всей полноте в данный документ посредством ссылки, раскрыты устройства с покрытием для нефтехимической и химической промышленности и способы изготовления и применения таких устройств с покрытием. В одном варианте устройство с покрытием для нефтехимической и химической промышленности включает устройство для нефтехимической и химической промышленности, содержащее одно или более тел, и покрытие по меньшей мере на части одного или более тел, где покрытие выбрано из аморфного сплава, термообработанного, полученного методом химического восстановления или электроосаждения никель-фосфорного композита с содержанием фосфора более 12 масс. %, графита, MoS, WS, композита на основе фуллерена, кермета на основе борида, квазикристаллического материала, материала на основе алмаза, алмазоподобного углерода (АПУ), нитрида бора и их сочетаний. Устройства с покрытием для нефтехимической и химической промышленности могут обеспечить снижение силы трения, износа, коррозии и других свойств, требующихся для достижения улучшенных эксплуатационных качеств.
В предварительной заявке на патент US №61/542501, поданной 3 октября 2011 г., которая включена во всей полноте в данный документ посредством ссылки, описаны способы и системы для вакуумного нанесения покрытия на внешнюю поверхность трубчатых устройств, применяемых при разведки на нефть и газ, бурении, заканчивании скважины и операциях добычи, для снижения силы трения, снижении эрозии и защиты от коррозии. Данные способы включают варианты с использованием герметизации трубчатых устройств внутри вакуумной камеры, так что все устройство не находится в камере. Данные способы также включают варианты поверхностной обработки трубчатых устройств перед нанесением покрытия. Кроме того, данные способы включают варианты вакуумного нанесения покрытия на трубчатые устройства с использованием множества устройств, множества вакуумных камер и различных конфигураций источников для нанесения покрытия.
Примеры воплощений многослойного антифрикционного покрытия
Предложены многослойные антифрикционные покрытия, которые имеют повышенную долговечность в жестких условиях абразивного износа/нагрузки. В предпочтительном варианте эти антифрикционные покрытия включают алмазоподобный углерод (АПУ) в качестве одного из слоев покрытия.
2
3
3
2
3
2
2
3
3
3
АПУ покрытия представляют перспективный вариант для смягчения вышеуказанных отрицательных воздействий, поскольку (а) можно получить очень низкие значения КТ (<0,15 и даже <0,1), (б) КТ остается стабильным в широком интервале температур, и (в) в значительной степени смягчаются проблемы, вызываемые абразивным износом под действием твердых частиц, таких как карбиды. Обычная структура АПУ покрытий предусматривает слой из очень твердого аморфного углерода с переменными формами гибридизации (т.е. sp или sp-подобный характер структуры). Обычно при увеличении содержания sp АПУ слой становится более твердым, но также может возникать более высокое остаточное напряжение сжатия. Твердость и остаточное напряжение можно регулировать посредством изменения отношения sp/sp. Увеличение содержания sp (т.е. графитоподобной природы) обычно снижает твердость и предел прочности при сжатии. Отношение sp/sp и общий химический состав можно варьировать путем регулирования различных параметров в процессе осаждения (например, ФПО (физическое парофазное осаждение), ХПО (химическое парофазное осаждение) или ХПОПС (химическое парофазное осаждение в плазменной среде)), таких как наклон подложки, соотношение компонентов в газовой смеси, плотность потока лазерного излучения (если его используют), подложка, температура осаждения, уровень гидрирования, использование допирующих агентов в АПУ слое (металлических и/или неметаллических) и т.д. Однако снижение остаточного напряжения в АПУ слое обычно сопровождается снижением твердости АПУ (и снижением содержания sp). Хотя в высокой степени sp-подобные АПУ покрытия могут достигать очень высоких величин твердости (~4500-6000 по Виккерсу), данные покрытия демонстрируют напряжения сжатия >>1 ГПа, что снижает долговечность в вышеуказанных областях применения.
2
3
Следовательно, существует потребность в новых АПУ композициях с варьируемыми отношениями sp/sp, с целью обеспечения более высоких величин твердости (в диапазоне 1700-5500 по Виккерсу) для применения в устройствах вращательного бурения с большим отходом от вертикали, добычных устройствах с покрытием для нефтяных и газовых скважин (муфтовых и не содержащих муфт) и оборудовании и устройствах для нефтехимической и химической промышленности. Величины твердости менее ~1500 по Виккерсу считаются неподходящими для предусмотренных областей применения, поскольку предполагается, что в этом случае АПУ покрытие будет быстро изнашиваться под действием абразивных относительно твердых частиц (например, песка, компонентов бурового раствора на нефтяной основе и т.д.).
Хотя типичные АПУ покрытия обладают повышенной твердостью (порядка 2500 по Виккерсу), существует потребность в более твердых вариантах (твердость по Виккерсу >3000), при регулировании остаточного напряжения для наращивания оптимальной толщины покрытия. Кроме того, существует потребность минимизировать пластическую деформацию нижележащей основы в присутствии абразива, в случаях контакта трех тел (двух поверхностей с незакрепленным абразивом).
Долговечность покрытий на основе алмазоподобного углерода (АПУ) в случаях контакта трех тел (т.е. в присутствии абразивных частиц) ограничена общим сопротивлением абразивному износу покрытия и скалыванием/отслоением покрытия, которое может быть инициировано пластической деформацией нижележащей основы из-за возникновения больших локальных напряжений. Для АПУ покрытий, чтобы обеспечить повышенную долговечность в жестких условиях нагрузки/абразивных сред, требуются способы подавления существующих видов разрушения для улучшения общей долговечности.
В одном варианте многослойное антифрикционное покрытие по настоящему изобретению включает нижний слой, прилегающий к поверхности покрываемой основы, способствующий адгезии и повышению ударной вязкости слой, прилегающий к поверхности нижнего слоя, и функциональный слой, прилегающий к поверхности способствующего адгезии слоя. Таким образом, способствующий адгезии слой расположен между нижним слоем и функциональным слоем. Функциональный слой представляет собой наружный открытый слой многослойного антифрикционного покрытия.
Поверхность покрываемой основы может быть выполнена из различных материалов. Неограничивающие примеры покрываемой основы включают сталь, нержавеющую сталь, твердосплавную наплавку, сплав железа, сплав на основе алюминия, сплав на основе титана, керамический материал и сплав на основе никеля. Неограничивающие примеры материалов твердосплавной наплавки включают материалы на основе кермета, композиты с металлической матрицей, нанокристаллические металлические сплавы, аморфные сплавы и твердые металлические сплавы. Другие неограничивающие примеры типов твердосплавных наплавок включают карбиды, нитриды, бориды и оксиды элементарного вольфрама, титана, ниобия, молибдена, железа, хрома и кремния, диспергированные в матрице из металлического сплава. Такая твердосплавная наплавка может быть нанесена посредством наплавления слоя, термического напыления или нанесения покрытия с помощью лазерного/электронного луча. Толщина слоя твердосплавной наплавки может составлять от нескольких порядков величины толщины внешнего слоя покрытия или равна этой толщине. Неограничивающие примеры толщины твердосплавной наплавки включают 1 мм, 2 мм и 3 мм, выступающие над поверхностью компоновки бурильной колонны. Поверхность твердосплавной наплавки может быть рельефной для снижения захвата абразивных частиц, которые способствуют износу. Многослойные антифрикционные покрытия по изобретению могут быть нанесены поверх рельефа твердосплавной наплавки. Рельеф твердосплавной наплавки может включать углубленные и выпуклые области, и толщина твердосплавной наплавки может изменяться на величину, составляющую вплоть до величины ее общей толщины.
Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению, могут быть нанесены на часть поверхности устройства, выбранного из следующих неограничивающих примеров: буровое долото для подземного вращательного бурения, компоновка бурильной колонны для подземного вращательного бурения, обсадная труба, лифтовая труба, муфтовые соединения, рабочая колонна, колонна гибких труб, труба, водоотделяющая колонна, плунжер насоса, центраторы, колонна заканчивания скважины, эксплуатационная колонна и устройство для нефтехимической и химической промышленности. Кроме того, многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению могут быть нанесены на часть поверхности устройств, указанных в разделе «Определения» настоящего описания изобретения.
Нижний слой антифрикционного покрытия по изобретению может быть выполнен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетания. Толщина нижнего слоя составляет от 0,1 до 100 мкм, или от 1 до 75 мкм, или от 2 до 50 мкм, или от 3 до 35 мкм, или от 5 до 25 мкм. Нижний слой имеет число твердости по Виккерсу от 800 до 4000, или от 1000 до 3500, или от 1200 до 3000, или от 1500 до 2500, или от 1800 до 2200.
Способствующий адгезии слой антифрикционного покрытия по изобретению не только повышает адгезию между нижним слоем и функциональным слоем, но также повышает общую ударную вязкость покрытия. По этой причине здесь его также называют повышающим ударную вязкость слоем. Способствующий адгезии слой антифрикционного покрытия по изобретению может быть выполнен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетания. Толщина способствующего адгезии слоя составляет от 0 до 60 мкм, или от 0,01 до 50 мкм, или от 0,1 до 25 мкм, или от 0,2 до 20 мкм, или от 0,3 до 15 мкм, или от 0,5 до 10 мкм. Способствующий адгезии слой имеет число твердости по Виккерсу от 200 до 2500, или от 500 до 2000, или от 800 до 1700, или от 1000 до 1500. Обычно, также обеспечен градиент состава или переход на границе раздела нижнего слоя и способствующего адгезии слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Функциональный слой антифрикционного покрытия по изобретению может быть выполнен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, композит на основе фуллерена, материал на основе алмаза, алмазоподобный углерод (АПУ) и их сочетания. Неограничивающие примеры материалов на основе алмаза включают полученный химическим парофазным осаждением (ХПО) алмаз или поликристаллический синтетический алмаз (ПСА). Функциональный слой антифрикционного покрытия по изобретению преимущественно представляет собой покрытие на основе алмазоподобного углерода (АПУ) и, более конкретно, АПУ покрытие может быть выбрано из таких материалов, как тетраэдрический аморфный углерод (та-С), тетраэдрический аморфный гидрированный углерод (та-С:Н), алмазоподобный гидрированный углерод (АПГУ), полимероподобный гидрированный углерод (ППГУ), графитоподобный гидрированный углерод (ГПГУ), содержащий кремний алмазоподобный углерод (Si-АПУ), содержащий титан алмазоподобный углерод (Ti-АПУ), содержащий хром алмазоподобный углерод (Сr-АПУ), содержащий металл алмазоподобный углерод (Ме-АПУ), содержащий кислород алмазоподобный углерод (О-АПУ), содержащий азот алмазоподобный углерод (N-АПУ), содержащий бор алмазоподобный углерод (В-АПУ), фторированный алмазоподобный углерод (F-АПУ), содержащий серу алмазоподобный углерод (S-АПУ) и их сочетания. Функциональный слой может быть дифференцированным для повышения долговечности, снижения трения, повышения адгезии и механических свойств. Толщина функционального слоя может составлять от 0,1 до 50 мкм, или от 0,2 до 40 мкм, или от 0,5 до 25 мкм, или от 1 до 20 мкм, или от 2 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Функциональный слой может иметь число твердости по Виккерсу от 1000 до 7500, или от 1500 до 7000, или от 2000 до 6500, или от 2200 до 6000, или от 2500 до 5500, или от 3000 до 5000. Функциональный слой может иметь шероховатость поверхности Ra от 0,01 мкм до 1,0 мкм, или от 0,03 мкм до 0,8 мкм, или от 0,05 мкм до 0,5 мкм, или от 0,07 мкм до 0,3 мкм, или от 0,1 мкм до 0,2 мкм. Обычно, также обеспечен градиент состава или переход на границе раздела способствующего адгезии слоя и функционального слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
В другом варианте настоящего изобретения многослойное антифрикционное покрытие, включающее нижний слой, прилегающий к поверхности покрываемой основы, способствующий адгезии слой, прилегающий к поверхности нижнего слоя, и функциональный слой, прилегающий к поверхности способствующего адгезии слоя, может дополнительно включать второй способствующий адгезии слой, прилегающий к поверхности функционального слоя, и второй функциональный слой, прилегающий к поверхности второго способствующего адгезии слоя. Таким образом, второй способствующий адгезии слой расположен между вышеописанным функциональным слоем и вторым функциональным слоем. Второй функциональный слой представляет собой наружный открытый слой многослойного антифрикционного покрытия.
Второй способствующий адгезии слой может быть выполнен из следующих материалов, представленных неограничивающими примерами: Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетаний. Толщина второго способствующего адгезии слоя может составлять от 0 до 60 мкм, или от 0,1 до 50 мкм, или от 1 до 25 мкм, или от 2 до 20 мкм, или от 3 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Второй способствующий адгезии слой может иметь число твердости по Виккерсу от 200 до 2500, или от 500 до 2000, или от 800 до 1700, или от 1000 до 1500. Обычно, также обеспечен градиент состава или переход на границе раздела функционального слоя и второго способствующего адгезии слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Второй функциональный слой также может быть выполнен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, композит на основе фуллерена, материал на основе алмаза, алмазоподобный углерод (АПУ) и их сочетания. Неограничивающие примеры материалов на основе алмаза включают полученный химическими парофазным осаждением (ХПО) алмаз или поликристаллический синтетический алмаз (ПСА). Не ограничивающие примеры алмазоподобного углерода включают та-С, та-С:Н, АПГУ, ППГУ, ГПГУ, Si-АПУ, N-АПУ, О-АПУ, В-АПУ, Ме-АПУ, F-АПУ и их сочетания. Толщина второго функционального слоя может составлять от 0,1 до 50 мкм, или от 0,2 до 40 мкм, или от 0,5 до 25 мкм, или от 1 до 20 мкм, или от 2 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Второй функциональный слой может иметь число твердости по Виккерсу от 1000 до 7500, или от 1500 до 7000, или от 2000 до 6500, или от 2500 до 6000, или от 3000 до 5500, или от 3500 до 5000. Второй функциональный слой может иметь шероховатость поверхности Ra от 0,01 мкм до 1,0 мкм, или от 0,03 мкм до 0,8 мкм, или от 0,05 мкм до 0,5 мкм, или от 0,07 мкм до 0,3 мкм, или от 0,1 мкм до 0,2 мкм. Обычно, также обеспечен градиент состава или переход на границе раздела второго способствующего адгезии слоя и второго функционального слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Многослойное антифрикционное покрытие, включающее второй способствующий адгезии слой и второй функциональный слой также может включать второй нижний слой, расположенный между функциональным слоем и вторым способствующим адгезии слоем. Второй нижний слой антифрикционного покрытия по изобретению может быть выполнен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетания. Толщина второго нижнего слоя составляет от 0,1 до 100 мкм, или от 2 до 75 мкм, или от 3 до 50 мкм, или от 5 до 35 мкм, или от 10 до 25 мкм. Второй нижний слой имеет число твердости по Виккерсу от 800 до 3500, или от 1000 до 3300, или от 1200 до 3000, или от 1500 до 2500, или от 1800 до 2200.
В еще одном варианте настоящего изобретения многослойное антифрикционное покрытие, включающее нижний слой, прилегающий к поверхности покрываемой основы, способствующий адгезии слой, прилегающий к поверхности нижнего слоя, и функциональный слой, прилегающий к поверхности способствующего адгезии слоя, может дополнительно включать от 1 до 100 групп добавочных слоев покрытия, где каждая группа добавочных слоев покрытия включает сочетание из добавочного способствующего адгезии слоя, добавочного функционального слоя и возможного добавочного нижнего слоя, при этом каждая группа добавочных слоев покрытия имеет следующую конфигурацию: А) возможный добавочный нижний слой прилегает к поверхности функционального слоя и добавочного способствующего адгезии слоя; при этом возможный добавочный нижний слой расположен между функциональным слоем и добавочным способствующим адгезии слоем; Б) добавочный способствующий адгезии слой прилегает к поверхности функционального слоя или возможного добавочного нижнего слоя, и поверхности добавочного функционального слоя; при этом добавочный способствующий адгезии слой расположен между функциональным слоем и добавочным функциональным слоем или между возможным добавочным нижним слоем и добавочным функциональным слоем, и В) добавочный функциональный слой прилегает к поверхности добавочного способствующего адгезии слоя.
Возможный добавочный нижний слой антифрикционного покрытия по изобретению может быть выполнен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетаний. Толщина возможного добавочного нижнего слоя составляет от 0,1 до 100 мкм, или от 2 до 75 мкм, или от 3 до 50 мкм, или от 5 до 35 мкм, или от 10 до 25 мкм. Возможный добавочный нижний слой имеет число твердости по Виккерсу от 800 до 3500, или от 1000 до 3300, или от 1200 до 3000, или от 1500 до 2500, или от 1800 до 2200.
Добавочный способствующий адгезии слой может быть выполнен из следующих материалов, представленных неограничивающими примерами: Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетаний. Толщина добавочного способствующего адгезии слоя может составлять от 0 до 60 мкм, или от 0,1 до 50 мкм, или от 1 до 25 мкм, или от 2 до 20 мкм, или от 3 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Добавочный способствующий адгезии слой может иметь число твердости по Виккерсу от 200 до 2500, или от 500 до 2000, или от 800 до 1700, или от 1000 до 1500. Также обычно обеспечен градиент состава или переход на границе раздела возможного добавочного нижнего слоя и добавочного способствующего адгезии слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Добавочный функциональный слой может быть выполнен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, композит на основе фуллерена, материал на основе алмаза, алмазоподобный углерод (АПУ) и их сочетания. Неограничивающие примеры материалов на основе алмаза включают полученный химическими парофазным осаждением (ХПО) алмаз или поликристаллический синтетический алмаз (ПСА). Неограничивающие примеры алмазоподобного углерода включают та-С, та-С:Н, АПГУ, ППГУ, ГПГУ, Si-АПУ, N-АПУ, О-АПУ, В-АПУ, Ме-АПУ, F-АПУ и их сочетания. Толщина добавочного функционального слоя может составлять от 0,1 до 50 мкм, или от 0,2 до 40 мкм, или от 0,5 до 25 мкм, или от 1 до 20 мкм, или от 2 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Добавочный функциональный слой может иметь число твердости по Виккерсу от 1000 до 7500, или от 1500 до 7000, или от 2000 до 6500, или от 2200 до 6000, или от 2500 до 5500, или от 3000 до 5000. Добавочный функциональный слой может иметь шероховатость поверхности Ra от 0,01 мкм до 1,0 мкм, или от 0,03 мкм до 0,8 мкм, или от 0,05 мкм до 0,5 мкм, или от 0,07 мкм до 0,3 мкм, или от 0,1 мкм до 0,2 мкм. Также обычно обеспечен градиент состава или переход на границе раздела добавочного способствующего адгезии слоя и добавочного функционального слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Общая толщина многослойных антифрикционных покрытий по настоящему изобретению может составлять от 0,5 до 5000 мкм. Нижний предел общей толщины многослойного покрытия может составлять 0,5; 0,7; 1,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0; 15,0 или 20,0 мкм. Верхний предел общей толщины многослойного покрытия может составлять 25, 50, 75, 100, 200, 500, 1000, 3000, 5000 мкм.
Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению имеют коэффициент трения функционального слоя антифрикционного покрытия, по измерениям при испытаниях на трение посредством притирания блока к кольцу, меньший или равный 0,15, или меньший или равный 0,12, или меньший или равный 0,10, или меньший или равный 0,08. Сила трения может быть рассчитана следующим образом: Сила трения = Нормальная составляющая силы × Коэффициент трения. Многослойное антифрикционное покрытие по настоящему изобретению показывает глубину следа износа сопряженной поверхности, по измерениям при испытаниях на трение посредством притирания блока к кольцу, меньшую или равную 500 мкм, или меньшую или равную 300 мкм, или меньшую или равную 100 мкм, или меньшую или равную 50 мкм.
Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению также показывают неожиданное улучшение сопротивления абразивному износу. Модифицированный метод испытания на абразивный износ ASTM G105 может быть использован для оценки сопротивления абразивному износу. В частности, многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению, по оценке сопротивления абразивному износу с помощью модифицированного метода испытаний на абразивный износ ASTM G105, показывают глубину следа износа и убыль массы по меньшей мере в 5 раз ниже, или по меньшей мере в 4 раза ниже, или по меньшей мере в 2 раза ниже, чем эти величины для однослойного покрытия из того же функционального слоя. Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению показывают глубину следа износа, измеренную посредством модифицированного метода испытаний на абразивный износ ASTM G105, меньшую или равную 20 мкм, или меньшую или равную 15 мкм, или меньшую или равную 10 мкм, или меньшую или равную 5 мкм, или меньшую или равную 2 мкм. Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению показывают убыль массы, измеренную посредством модифицированного метода испытаний на абразивный износ ASTM G105, меньшую или равную 0,03 г, или меньшую или равную 0,02 г, или меньшую или равную 0,01 г, или меньшую или равную 0,005 г, или меньшую или равную 0,004 г, или меньшую или равную 0,001 г.
Примеры воплощений способа получения многослойных антифрикционных покрытий
Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению могут быть получены посредством различных способов. В одном варианте способ получения антифрикционного покрытия включает i) обеспечение основы для нанесения покрытия, ii) осаждение на поверхность основы нижнего слоя, iii) осаждение на поверхность нижнего слоя способствующего адгезии слоя, который прилегает к поверхности нижнего слоя, iv) осаждение на поверхность способствующего адгезии слоя функционального слоя, который прилегает к поверхности способствующего адгезии слоя.
Нижний слой в способе получения антифрикционного покрытия по изобретению может быть получен из ряда различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетания. Толщина нижнего слоя может составлять от 0,1 до 100 мкм, или от 2 до 75 мкм, или от 3 до 50 мкм, или от 5 до 35 мкм, или от 10 до 25 мкм. Нижний слой может иметь число твердости по Виккерсу от 800 до 3500, или от 1000 до 3300, или от 1200 до 3000, или от 1500 до 2500, или от 1800 до 2200.
Способствующий адгезии слой в способе получения антифрикционного покрытия по изобретению не только повышает адгезию между нижним слоем и функциональным слоем, но и повышает ударную вязкость покрытия. По этой причине здесь его также называют повышающим ударную вязкость слоем. Способствующий адгезии слой антифрикционного покрытия по изобретению может быть получен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетания. Толщина способствующего адгезии слоя может составлять от 0 до 60 мкм, или от 0,1 до 50 мкм, или от 1 до 25 мкм, или от 2 до 20 мкм, или от 3 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Способствующий адгезии слой может иметь число твердости по Виккерсу от 200 до 2500, или от 500 до 2000, или от 800 до 1700, или от 1000 до 1500. Также обычно обеспечивают градиент состава или переход на границе раздела нижнего слоя и способствующего адгезии слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Функциональный слой в способе получения антифрикционного покрытия по изобретению может быть получен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, композит на основе фуллерена, материал на основе алмаза, алмазоподобный углерод (АПУ) и их сочетания. Неограничивающие примеры материалов на основе алмаза включают полученный химическими парофазным осаждением (ХПО) алмаз или поликристаллический синтетический алмаз (ПСА). Неограничивающие примеры алмазоподобного углерода включают та-С, та-С:Н, АПГУ, ППГУ, ГПГУ, Si-АПУ, N-АПУ, О-АПУ, В-АПУ, Ме-АПУ, F-АПУ и их сочетания. Толщина функционального слоя может составлять от 0,1 до 50 мкм, или от 0,2 до 40 мкм, или от 0,5 до 25 мкм, или от 1 до 20 мкм, или от 2 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Функциональный слой может иметь число твердости по Виккерсу от 1000 до 7500, или от 1500 до 7000, или от 2000 до 6500, или от 2200 до 6000, или от 2500 до 5500, или от 3000 до 5000. Функциональный слой может иметь шероховатость поверхности Ra от 0,01 мкм до 1,0 мкм, или от 0,03 мкм до 0,8 мкм, или от 0,05 мкм до 0,5 мкм, или от 0,07 мкм до 0,3 мкм, или от 0,1 мкм до 0,2 мкм. Также обычно обеспечивают градиент состава или переход на границе раздела способствующего адгезии слоя и функционального слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Способ получения антифрикционного покрытия, описанный выше, может дополнительно включать осаждение дополнительных слоев, в том числе способствующих(его) адгезии слоя(ев), функционального(ых) слоя(ев) и возможного(ых) нижнего(их) слоя(ев) (между функциональным(и) слоем(ями) и способствующим(и) адгезии слоем(ями)) для дополнительного повышения сопротивления абразивному износу, коэффициента трения и других свойств многослойного антифрикционного покрытия. В другом варианте способ получения антифрикционного покрытия, включающего нижний слой, прилегающий к поверхности покрываемой основы, способствующий адгезии слой, прилегающий к поверхности нижнего слоя, и функциональный слой, прилегающий к поверхности способствующего адгезии слоя, также может включать стадию осаждения от 1 до 100 групп добавочных слоев покрытия, где каждая группа добавочных слоев покрытия включает сочетание из добавочного способствующего адгезии слоя, добавочного функционального слоя и возможного добавочного нижнего слоя, при этом каждая группа добавочных слоев покрытия имеет следующую конфигурацию: А) возможный добавочный нижний слой прилегает к поверхности функционального слоя и добавочного способствующего адгезии слоя; при этом возможный добавочный нижний слой расположен между функциональным слоем и добавочным способствующим адгезии слоем; Б) добавочный способствующий адгезии слой прилегает к поверхности функционального слоя или возможного добавочного нижнего слоя, и поверхности добавочного функционального слоя; при этом добавочный способствующий адгезии слой расположен между функциональным слоем и добавочным функциональным слоем или между возможным добавочным нижним слоем и добавочным функциональным слоем, и В) добавочный функциональный слой прилегает к поверхности добавочного способствующего адгезии слоя.
Возможный добавочный нижний слой в способе получения антифрикционного покрытия по изобретению может быть получен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, CrN, TiN, TiAlN, TiAlVN, TiAlVCN, TiSiN, TiSiCN, TiAlSiN и их сочетаний. Толщина возможного добавочного нижнего слоя может составлять от 0,1 до 100 мкм, или от 2 до 75 мкм, или от 3 до 50 мкм, или от 5 до 35 мкм, или от 10 до 25 мкм. Возможный добавочный нижний слой может иметь число твердости по Виккерсу от 800 до 3500, или от 1000 до 3300, или от 1200 до 3000, или от 1500 до 2500, или от 1800 до 2200.
Добавочный способствующий адгезии слой в способе получения антифрикционного покрытия по изобретению может быть получен из следующих материалов, представленных неограничивающими примерами: Cr, Ti, Si, W, CrC, TiC, SiC, WC и их сочетаний. Толщина добавочного способствующего адгезии слоя может составлять от 0 до 60 мкм, или от 0,1 до 50 мкм, или от 1 до 25 мкм, или от 2 до 20 мкм, или от 3 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Добавочный способствующий адгезии слой может иметь число твердости по Виккерсу от 200 до 2500, или от 500 до 2000, или от 800 до 1700, или от 1000 до 1500. Также обычно обеспечивают градиент состава или переход на границе раздела возможного добавочного нижнего слоя и добавочного способствующего адгезии слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Добавочный функциональный слой в способе получения антифрикционного покрытия по изобретению может быть получен из различных материалов, включающих, но не ограниченных перечисленным, композит на основе фуллерена, материал на основе алмаза, алмазоподобный углерод (АПУ) и их сочетания. Неограничивающие примеры материалов на основе алмаза включают полученный химическими парофазным осаждением (ХПО) алмаз или поликристаллический синтетический алмаз (ПСА). Неограничивающие примеры алмазоподобного углерода включают та-С, та-С:Н, АПГУ, ППГУ, ГПГУ, Si-АПУ, N-АПУ, О-АПУ, В-АПУ, Ме-АПУ, F-АПУ и их сочетания. Толщина добавочного функционального слоя может составлять от 0,1 до 50 мкм, или от 0,2 до 40 мкм, или от 0,5 до 25 мкм, или от 1 до 20 мкм, или от 2 до 15 мкм, или от 5 до 10 мкм. Добавочный функциональный слой может иметь число твердости по Виккерсу от 1000 до 7500, или от 1500 до 7000, или от 2000 до 6500, или от 2200 до 6000, или от 2500 до 5500, или от 3000 до 5000. Добавочный функциональный слой может иметь шероховатость поверхности Ra от 0,01 мкм до 1,0 мкм, или от 0,03 мкм до 0,8 мкм, или от 0,05 мкм до 0,5 мкм, или от 0,07 мкм до 0,3 мкм, или от 0,1 мкм до 0,2 мкм. Также обычно обеспечивают градиент состава или переход на границе раздела добавочного способствующего адгезии слоя и добавочного функционального слоя, толщина которого может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или от 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм.
Способ получения многослойных антифрикционных покрытий по настоящему изобретению обеспечивает коэффициент трения функционального слоя антифрикционного покрытия, по измерениям при испытаниях на трение посредством притирания блока к кольцу, меньший или равный 0,15, или меньший или равный 0,12, или меньший или равный 0,10, или меньший или равный 0,08. Многослойное антифрикционное покрытие, полученное способом по настоящему изобретению, показывает глубину следа износа сопряженной поверхности, по измерениям при испытаниях на трение посредством притирания блока к кольцу, меньшую или равную 500 мкм, или меньшую или равную 300 мкм, или меньшую или равную 100 мкм, или меньшую или равную 50 мкм.
Способ получения антифрикционных покрытий по настоящему изобретению также обеспечивает неожиданное повышение сопротивления абразивному износу. Модифицированный метод испытаний на абразивный износ ASTM G105 может быть использован для оценки сопротивления абразивному износу. В частности, многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению, по оценке сопротивления абразивному износу с помощью модифицированного метода испытаний на абразивный износ ASTM G105, показывают глубину следа износа и убыль массы по меньшей мере в 5 раз ниже, или по меньшей мере в 4 раза ниже, или по меньшей мере в 2 раза ниже, чем эти величины для однослойного покрытия из того же функционального слоя. Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению показывают глубину следа износа, измеренную посредством модифицированного метода испытаний на абразивный износ ASTM G105, меньшую или равную 20 мкм, или меньшую или равную 15 мкм, или меньшую или равную 10 мкм, или меньшую или равную 5 мкм, или меньшую или равную 2 мкм. Многослойные антифрикционные покрытия по настоящему изобретению показывают убыль массы, измеренную посредством модифицированного метода испытаний на абразивный износ ASTM G105, меньшую или равную 0,03 г, или меньшую или равную 0,02 г, или меньшую или равную 0,01 г, или меньшую или равную 0,005 г, или меньшую или равную 0,004 г, или меньшую или равную 0,001 г.
В способе получения антифрикционных покрытий по настоящему изобретению стадии осаждения нижнего(их) слоя(ев), способствующего(их) адгезии слоя(ев) и/или функционального(ых) слоя(ев) можно выполнять посредством метода, выбранного из следующих неограничивающих примеров: физическое парофазное осаждение, химическое парофазное осаждение в плазменной среде и химическое парофазное осаждение. Неограничивающими примерами методов физического парофазного осаждения покрытий являются магнетронное напыление, напыление с поддержкой ионным лучом, катодно-дуговое осаждение и импульсное лазерное осаждение.
Способ получения антифрикционных покрытий по настоящему изобретению может дополнительно включать стадию последующей обработки наружного функционального слоя для достижения шероховатости поверхности Ra от 0,01 мкм до 1,0 мкм, или от 0,03 мкм до 0,8 мкм, или от 0,05 мкм до 0,5 мкм, или от 0,07 мкм до 0,3 мкм, или от 0,1 мкм до 0,2 мкм. Неограничивающие примеры стадии последующей обработки могут включать механическое полирование, химическое полирование, осаждение сглаживающих слоев, способ сверхтонкого полирования с выхаживанием, способ трибохимического полирования, способ электрохимического полирования и их сочетания.
Способ получения антифрикционных покрытий по настоящему изобретению можно применять на поверхности различных основ для нанесения покрытий. Неограничивающие примеры основ для раскрытых способов нанесения включают сталь, нержавеющую сталь, твердосплавную наплавку, сплав железа, сплав на основе алюминия, сплав на основе титана, керамический материал и сплав на основе никеля. Неограничивающие примеры материалов твердосплавных наплавок включают материалы на основе кермета, композиты с металлической матрицей, нанокристаллические металлические сплавы, аморфные сплавы и твердые металлические сплавы. Другие неограничивающие примеры материалов твердосплавных наплавок включают карбиды, нитриды, бориды и оксиды элементарного вольфрама, титана, ниобия, молибдена, железа, хрома и кремния, диспергированные в матрице из металлического сплава. Такую твердосплавную наплавку можно осаждать посредством наплавления слоя, термическим напылением или нанесением покрытия с помощью лазерного/электронного луча. Толщина слоя твердосплавной наплавки может составлять от нескольких порядков величины толщины внешнего слоя покрытия или равна этой толщине. Неограничивающие примеры толщины твердосплавной наплавки включают 1 мм, 2 мм и 3 мм, выступающие над поверхностью компоновки бурильной колонны. Поверхность твердосплавной наплавки может быть рельефной для снижения захвата абразивных частиц, которые способствуют износу. Многослойные антифрикционные покрытия по изобретению могут быть нанесены поверх рельефа твердосплавной наплавки. Рельеф твердосплавной наплавки может включать углубленные и выпуклые области, и толщина твердосплавной наплавки может изменяться на величину, составляющую вплоть до величины ее общей толщины.
Способ получения антифрикционных покрытий по настоящему изобретению можно применять на части поверхности устройств, выбираемых из следующих неограничивающих примеров: буровое долото для подземного вращательного бурения, компоновка бурильной колонны для подземного вращательного бурения, обсадная труба, лифтовая труба, муфтовые соединения, рабочая колонна, колонна гибких труб, труба, водоотделяющая колонна, плунжер насоса, центраторы, колонна заканчивания скважины, эксплуатационная колонна и устройство для нефтехимической и химической промышленности. Кроме того, способы получения многослойных антифрикционных покрытий по настоящему изобретению можно применять на части поверхности устройств, указанных в разделе «Определения» настоящего описания изобретения.
Пример способа применения воплощений многослойных антифрикционных покрытий
Многослойные антифрикционные покрытия по изобретению можно наносить на части поверхности устройств, выбранных из группы, состоящей из бурового долота для подземного вращательного бурения, компоновки бурильной колонны для подземного вращательного бурения, обсадной трубы, лифтовой трубы, муфтовых соединений, рабочей колонны, колонны гибких труб, трубы, водоотделяющей колонны, плунжера насоса, центраторов, колонны заканчивания скважины, эксплуатационной колонны и устройства для нефтехимической и химической промышленности.
Более конкретно, многослойные антифрикционные покрытия по изобретению можно применять для улучшения характеристик бурового инструмента, в частности, буровой головки для бурения в формациях, содержащих глину и подобные вещества. В настоящем изобретении используют новые материалы или системы покрытий с низкой поверхностной энергией, чтобы обеспечить термодинамически низкоэнергетические поверхности, например, не смачиваемую водой поверхность для деталей забоя скважины. Многослойные антифрикционные покрытия по изобретению пригодны для применения при бурении на газ и нефть в месторождениях с вязкими глинистыми породами, например, при глубоком бурении сланцев с высоким содержанием глины с использованием бурового раствора на водной основе (сокращенно в данном описании БРВО), чтобы предотвратить налипание разбуренной породы на буровое долото и детали оборудования низа бурильной колонны.
Кроме того, многослойные антифрикционные покрытия по изобретению, когда их наносят на компоновку бурильной колонны, одновременно позволяют снизить контактное трение, налипание разбуренной породы на долото и уменьшить износ, не жертвуя при этом долговечностью и механической целостностью обсадных труб в случае обсаженной скважины. Таким образом, многослойные антифрикционные покрытия по изобретению являются безопасными для обсадных труб, т.е. они не снижают срок службы или функциональные свойства обсадных труб. Многослойные антифрикционные покрытия по изобретению также отличаются низкой зависимостью или нечувствительностью к скорости ослабления характера трения. Таким образом, компоновки бурильной колонны с многослойными антифрикционными покрытиями по изобретению обеспечивают поверхности с низким коэффициентом трения, дающие преимущества в том, что они не только смягчают вибрации при прерывистом перемещении, но и снижают паразитный вращающий момент, что дополнительно дает возможность бурения скважин с максимально большими отходами от вертикали.
Таким образом, многослойные антифрикционные покрытия по изобретению, для компоновок бурильной колонны, обеспечивают следующие преимущества, не ограниченные перечисленным: i) снижение вибрации при прерывистом перемещении, ii) снижение вращающего момента и задержки для увеличения досягаемости скважин с большими отходами от вертикали и iii) снижение налипания разбуренной породы на буровое долото и другие детали забоя скважины. Эти три преимущества совместно с минимизацией паразитного вращающего момента могут привести к значительному повышению скорости проходки при бурении, а также долговечности внутрискважинного бурового оборудования, тем самым также внося вклад в снижение непродуктивного времени (в данном описании сокращенно НПВ). Многослойные антифрикционные покрытия по изобретению не только снижают трение, но и выдерживают воздействие агрессивных внутрискважинных сред, требующих химической стабильности, коррозионной стойкости, стойкости к ударным нагрузкам, долговечности при износе, эрозии и механической целостности (прочности границы раздела основа-покрытие). Многослойные антифрикционные покрытия по изобретению также подходят для нанесения на сложные формы без ухудшения свойств основы. Более того, многослойные антифрикционные покрытия по изобретению также обеспечивают низкую поверхностную энергию, необходимую для обеспечения сопротивления налипанию разбуренной породы на детали низа бурильной колонны.
Тело в сборе или компоновка бурильной колонны с покрытием могут включать твердосплавную наплавку по меньшей мере на части открытой внешней поверхности для обеспечения улучшенной износостойкости и долговечности. Компоновки бурильной колонны подвержены значительному износу в областях с нанесенной твердосплавной наплавкой, поскольку они представляют собой места первичного контакта между бурильной колонной и обсадной трубой или необсаженным стволом скважины. Износ может быть усилен воздействием абразивного песка и частиц породы, попадающих на границу раздела и истирающих поверхности. Покрытия на компоновке бурильной колонны по изобретению проявляют высокую твердость, способствуя снижению абразивного износа. Используя твердосплавную наплавку, содержащую поверхность с рельефной конфигурацией, можно способствовать прохождению потока абразивных частиц областей с покрытием и твердосплавной наплавкой и снизить степень износа и повреждения части детали с покрытием и твердосплавной наплавкой. Используя покрытия в сочетании с рельефной твердосплавной наплавкой, также снижают износ, вызванный абразивными частицами.
Таким образом, другим аспектом изобретения является применение многослойных антифрикционных покрытий на твердосплавной наплавке по меньшей мере на части открытой внешней поверхности тела в сборе, где поверхность твердосплавной наплавки имеет рельефную конфигурацию, которая снижает захват абразивных частиц, способствующих износу. В ходе бурения, абразивный песок и другие частицы породы, суспендированные в буровом растворе, могут перемещаться на границу раздела между телом в сборе или компоновкой бурильной колонны и обсадной трубой или необсаженным стволом скважины. Эти абразивные частицы, после попадания на эту границу раздела, способствуют ускоренному износу тела в сборе, компоновки бурильной колонны, и обсадной трубы. Существует потребность повысить срок службы оборудования для максимального повышения эффективности бурения и рентабельности. Поскольку твердосплавная наплавка, которая выполнена так, что она выступает над поверхностью тела в сборе или компоновки бурильной колонны, находится в наиболее тесном контакте с обсадной трубой или необсаженным стволом скважины, она испытывает наибольший абразивный износ вследствие захвата песка и частиц породы. Поэтому преимуществом является совместное применение твердосплавной наплавки и многослойных антифрикционных покрытий, чтобы обеспечить защиту от износа и низкое трение. Также преимуществом является нанесение твердосплавной наплавки в рельефной конфигурации, при которой канавки между материалом твердосплавной наплавки позволяют обеспечить прохождение потока частиц через область с твердосплавной наплавкой без их захвата и истирания ими границы раздела. Еще одним преимуществом является снижение площади контакта между твердосплавной наплавкой и обсадной трубой или необсаженным стволом скважины, что снижает прилипание или налипание разбуренной породы. Многослойные антифрикционные покрытия можно наносить в соответствии с любой схемой расположения, но предпочтительно наносить их на всю площадь конструкции, поскольку материал, проходящий через каналы рельефа, будет с меньшей вероятностью прилипать к трубе.
В одном аспекте настоящего изобретения предложена преимущественная компоновка бурильной колонны с покрытием для операций подземного вращательного бурения, содержащая: тело в сборе с открытой внешней поверхностью, включающее бурильную колонну, присоединенную к оборудованию низа бурильной колонны, колонну гибких труб, присоединенную к оборудованию низа бурильной колонны, или обсадную колонну, присоединенную к оборудованию низа бурильной колонны; твердосплавную наплавку по меньшей мере на части открытой внешней поверхности тела в сборе, где поверхность твердосплавной наплавки может иметь или может не иметь рельефную конфигурацию; многослойное антифрикционное покрытие по меньшей мере на части твердосплавной наплавки и один или более промежуточных слоев, расположенных между твердосплавной наплавкой и многослойным антифрикционным покрытием.
В другом аспекте настоящего изобретения предложен преимущественный способ снижения трения в компоновке бурильной колонны с покрытием в ходе операций подземного вращательного бурения, включающий: обеспечение компоновки бурильной колонны, содержащий тело в сборе с открытой внешней поверхностью, включающее бурильную колонну, присоединенную к оборудованию низа бурильной колонны, колонну гибких труб, присоединенную к оборудованию низа бурильной колонны, или обсадную колонну, присоединенную к оборудованию низа бурильной колонны, твердосплавную наплавку по меньшей мере на части открытой внешней поверхности тела в сборе, где поверхность твердосплавной наплавки может иметь или может не иметь рельефную конфигурацию, многослойное антифрикционное покрытие по меньшей мере на части твердосплавной наплавки и один или более промежуточных слоев, расположенных между твердосплавной наплавкой и многослойным антифрикционным покрытием, и применение компоновки бурильной колонны с покрытием в операциях подземного вращательного бурения.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложено размещение одного или более промежуточных слоев между внешней поверхностью тела в сборе или твердосплавной наплавкой и многослойным антифрикционным покрытием. Промежуточный слой может быть получен или осажден посредством одного или более методов, включающих методы электрохимического осаждения или химического восстановления, методы физического парофазного осаждения (ФПО) или химического парофазного осаждения в плазменной среде (ХПОПС), методы науглероживания, азотирования или борирования, или методы сверхтонкого полирования с выхаживанием. Промежуточный слой может быть дифференцированным и может выполнять несколько функциональных назначений, включающих, но не ограниченных перечисленным: снижение шероховатости поверхности, повышение адгезии с другим(и) слоем(ями), улучшение механической целостности и эксплуатационных качеств.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложен преимущественный способ формирования одного или более промежуточных слоев, расположенных между внешней поверхностью тела в сборе или твердосплавной наплавкой и многослойным антифрикционным покрытием. Промежуточный слой может быть получен или осажден посредством одного или более методов, включающих методы электрохимического осаждения или химического восстановления, методы физического парофазного осаждения (ФПО) или химического парофазного осаждения в плазменной среде (ХПОПС), методы науглероживания, азотирования или борирования, или методы сверхтонкого полирования с выхаживанием. Промежуточный слой может быть дифференцированным и может выполнять несколько функциональных назначений, включающих, но не ограниченных перечисленным: снижение шероховатости поверхности, повышение адгезии с другим(и) слоем(ями), улучшение механической целостности и эксплуатационных качеств.
В другом воплощении промежуточный слой можно применять в сочетании с твердосплавной наплавкой, где твердосплавная наплавка расположена по меньшей мере на части открытой внешней или внутренней поверхности для обеспечения повышенной износостойкости и долговечности компоновки бурильной колонны с покрытием, при этом поверхность твердосплавной наплавки может иметь рельефную конфигурацию, которая снижает захват абразивных частиц, способствующих износу. Кроме того, многослойное антифрикционное покрытие может быть осаждено поверх промежуточного слоя.
Дополнительные подробности, относящиеся к отдельным слоям и границам раздела
Дополнительные подробности, относящиеся к функциональным слоям для применения в многослойных антифрикционных покрытиях по изобретению, представлены ниже.
Композиты на основе фуллеренов
2
Слои покрытия из композитов на основе фуллеренов, включающие фуллереноподобные наночастицы, также можно использовать в качестве функционального(их) слоя(ев). Фуллереноподобные наночастицы обладают преимущественными трибологическими свойствами по сравнению с типичными металлами, при смягчении недостатков традиционных слоистых материалов (например, графит, MoS). Почти сферические фуллерены также могут вести себя как шарикоподшипники наноразмеров. Основное благоприятное преимущество полых фуллереноподобных наночастиц можно отнести на счет следующих трех эффектов: (а) трение качения, (б) действие наночастиц фуллерена в качестве разделителей, устраняющих контакт металла с металлом между неровностями двух сопряженных поверхностей металла и (в) перенос материала между тремя телами. Скольжение/качение фуллереноподобных наночастиц на границе раздела между трущимися поверхностями может представлять собой основной механизм трения при низких нагрузках, когда форма наночастиц сохраняется. Положительный эффект фуллереноподобных наночастиц возрастает с нагрузкой. Было обнаружено, что при высоких контактных нагрузках (~1 ГПа) происходит отслоение внешних пластин фуллереноподобных наночастиц. Оказывается, что перемещение отслоившихся фуллереноподобных наночастиц является преобладающим механизмом трения в суровых условиях контакта. Механические и трибологические свойства фуллереноподобных наночастиц можно использовать посредством включения таких частиц в связующие фазы слоев покрытия. Кроме того, композиционные покрытия, включающие фуллереноподобные наночастицы в металлической связующей фазе (например, покрытие из Ni-P, нанесенное химическим восстановлением) позволяют обеспечить пленку с самосмазывающими свойствами и превосходными свойствами снижения липкости, подходящими для функционального слоя многослойных антифрикционных покрытий по изобретению.
Сверхтвердые материалы (алмаз, алмазоподобный углерод):
Сверхтвердые материалы такие как алмаз и алмазоподобный углерод (АПУ) можно использовать в качестве функционального слоя многослойных антифрикционных покрытий по изобретению. Алмаз является самым твердым материалом, известным человеку, и в определенных условиях может обеспечивать низкий коэффициент трения, когда его осаждают посредством химического парофазного осаждения (в данном описании сокращенно ХПО).
3
3
2
3
В одном предпочтительном воплощении алмазоподобный углерод (АПУ) используют в качестве функционального слоя многослойных антифрикционных покрытий по изобретению. АПУ относится к аморфному углеродному материалу, который проявляет некоторые уникальные свойства, подобные свойствам природного алмаза. Подходящие слои алмазоподобного углерода (АПУ) или покрытия можно выбрать из группы, состоящей из та-С, та-С:Н, АПГУ, ППГУ, ГПГУ, Si-АПУ, содержащего титан алмазоподобного углерода (Ti-АПУ), содержащего хром алмазоподобного углерода (Cr-АПУ), Ме-АПУ, F-АПУ, S-АПУ, других типов АПУ слоев и их сочетаний. АПУ покрытия включают значительное количество sp-гибридизированных атомов углерода. Такие sp-связи могут возникать не только в кристаллах, другими словами, в твердых веществах с дальним порядком, но и в аморфных твердых веществах, в которых атомы находятся в беспорядочном расположении. В этом случае связь существует только между несколькими отдельными атомами, т.е. в ближнем порядке, отсутствует дальний порядок, распространяющийся на большое количество атомов. Типы связи оказывают значительное влияние на физические свойства аморфных углеродных пленок. Если sp-тип является преобладающим, АПУ пленка может быть более мягкой, тогда как если преобладает sp-тип, АПУ пленка может быть более твердой.
3
3
2
3
АПУ покрытия могут быть изготовлены в форме аморфного, гибкого и все же главным образом sp-связанного «алмаза». Наиболее твердой является смесь, известная как тетраэдрический аморфный углерод или та-С. Такой та-С имеет высокое объемное содержание (~80%) sp-связанных атомов углерода. Возможные наполнители для АПУ покрытий включают, но не ограничены перечисленным, водород, графитовый sp-углерод и металлы, и можно использовать покрытия в других формах для достижения требуемого сочетание свойств в зависимости от конкретного применения. Различные формы АПУ покрытий можно наносить на различные основы, которые являются совместимыми с вакуумной средой, а также электропроводными. Качество АПУ покрытия также зависит от процентного содержания легирующих и/или допирующих элементов, таких как водород. Для некоторых методов нанесения АПУ покрытий в качестве газа-предшественника требуется водород или метан, и следовательно, значительная процентная доля водорода может оставаться в готовом АПУ материале. АПУ пленки часто модифицируют посредством включения других легирующих и/или допирующих элементов, чтобы дополнительно улучшить их трибологические и механические свойства. Например, добавление фтора (F) и кремния (Si) в АПУ пленки снижает поверхностную энергию и смачиваемость. Снижение поверхностной энергии во фторированном АПУ (F-АПУ) относят на счет присутствия -CF2 и -CF3 групп в пленке. Однако более высокое содержание F может привести к более низкой твердости. Кроме того, Si может снижать поверхностную энергию посредством уменьшения рассеивающей составляющей поверхностной энергии. Добавление Si также может повышать твердость АПУ пленок посредством стимулирования sp-гибридизации в АПУ пленках. Добавление металлических элементов (например, W, Та, Cr, Ti, Mo) в пленку позволяет снизить остаточные напряжения сжатия, что приводит к лучшему сохранению механической целостности пленки под нагрузкой сжатия.
3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
2
Алмазоподобная фаза или sp-связанный углерод АПУ представляет собой термодинамически метастабильную фазу, тогда как графит с sp-связями является термодинамически стабильной фазой. Таким образом, при образовании пленок АПУ покрытий требуется обработка в неравновесных условиях для получения метастабильного sp-связанного углерода. Методы обработки в равновесных условиях, такие как испарение графитового углерода, где средняя энергия испаренных веществ является низкой (близкой к kT, где k представляет собой постоянную Больцмана, Т представляет собой температуру по абсолютной шкале температур), приводят к получению 100% sp-связанного углерода. В описанных в данном документе методах получения АПУ покрытий требуется, чтобы длина связи sp углерода была значительно меньше, чем длина связи sp. Следовательно, применение давления, ударного воздействия, катализа или некоторых их сочетаний в атомном масштабе может вынуждать sp-связанные атомы углерода сближаться друг с другом, образуя sp-связь. Это можно осуществлять достаточно энергично, так что атомы не смогут просто отскакивать на расстояния, характерные для sp-связей. В типичных методах либо сочетают такое сжатие с проталкиванием нового кластера sp-связанного углерода глубже в покрытие, так что не остается места для расширения обратно на расстояния, требуемые для sр-связи, или новый кластер заглубляется посредством поступления нового углерода, предназначенного для следующего цикла ударных воздействий.
2
2
АПУ покрытия, описанные в данном документе, осаждают посредством методов физического парофазного осаждения, химического парофазного осаждения или химического парофазного осаждения в плазменной среде. Методы физического парофазного осаждения покрытий включают плазменное реактивное магнетронное напыление ВЧ - ПТ (при высокой частоте и постоянном токе), напыление с поддержкой ионным лучом, катодно-дуговое осаждение и импульсное лазерное осаждение (ИЛО). Методы химического парофазного осаждения включают ХПО с поддержкой ионным лучом, усиленное плазмой осаждение с использованием тлеющего разряда из газообразного углеводорода, использование высокочастотного (ВЧ) тлеющего разряда из газообразного углеводорода, ионно-плазменную обработку с погружением и сверхвысокочастотный разряд. Усиленное плазмой химическое парофазное осаждение (УПХПО) является одним из предпочтительных методов осаждения АПУ покрытий на большие площади с высокими скоростями осаждения. Процесс нанесения покрытия методом ХПО с использованием плазмы представляет собой технологию нанесения вне линии прямой видимости, т.е. плазма конформно покрывает участок, на который необходимо нанести покрытие, и на всей открытой поверхности этого участка обеспечивают покрытие равномерной толщины. Качество поверхности участка может сохраняться после нанесения АПУ покрытия. Одним из преимуществ УПХПО является то, что температура участка основы обычно не повышается более чем приблизительно на 150°С в процессе нанесения покрытия. Пленки на основе фторсодержащего алмазоподобного углерода (F-АПУ) и кремнийсодержащего алмазоподобного углерода (Si-АПУ) могут быть синтезированы с использованием технологии плазменного осаждения с использованием в качестве обрабатывающего газа ацетилена (СН), смешанного со фторсодержащим и кремнийсодержащим газом-предшественником, соответственно (например, тетрафторэтан и гексаметилдисилоксан).
3
3
АПУ покрытия, описанные в данном документе, показывают коэффициенты трения в вышеуказанных диапазонах. Причиной низкого КТ может быть образование тонкой графитовой пленки в областях фактического контакта. Поскольку sp-гибридизация является термодинамически нестабильной фазой углерода при повышенных температурах от 600 до 1500°C, в зависимости от условий окружающей среды, она может переходить в фазу графита, который может действовать как твердое смазочное вещество. Такие высокие температуры могут возникать в виде очень коротких мгновенных всплесков температур (так называемой начальной температуры) при столкновениях или контактах неровностей. Альтернативной теорией, объясняющей низкий КТ АПУ покрытий, является предположение о присутствии скользкой пленки на основе углеводорода. Тетраэдрическая структура sp-связанного углерода может привести к ситуации на поверхности, при которой может присутствовать один вакантный электрон, поступающий с поверхности, который не присоединен к атому углерода, что называют орбиталью «свободной связи». Если один атом водорода со своим собственным электроном присоединяется к такому атому углерода, он может связываться с орбиталью свободной связи, образуя ковалентную связь с двумя электронами. Когда две такие гладкие поверхности с внешним слоем из одиночных атомов водорода находятся в скользящем контакте друг относительно друга, между атомами водорода будет происходить сдвиг. Между поверхностями не существует химической связи, только очень слабые силы Ван-дер-Ваальса, и поверхности демонстрируют свойства парафиновых тяжелых углеводородов. Атомы углерода на поверхности могут образовать три сильные связи, оставляя один электрон на орбитали свободной связи, отходящей от поверхности. Атомы водорода присоединяются к такой поверхности, которая становится гидрофобной и демонстрирует низкое трение.
АПУ покрытия для функционального слоя многослойных антифрикционных покрытий по изобретению также предотвращают износ, благодаря их трибологическим свойствам. В частности, АПУ покрытия по изобретению демонстрируют улучшенное сопротивление износу и абразивному износу, что делает их пригодными для использования в областях применения с воздействием сверхвысокого контактного давления и суровых абразивных сред.
Промежуточные слои
В еще одном воплощении многослойных антифрикционных покрытий по изобретению устройство может дополнительно включать один или более промежуточных слоев, расположенных между внешней поверхностью тела в сборе или твердосплавной наплавкой и слоями, включающими многослойное антифрикционное покрытие, по меньшей мере на части открытой внешней поверхности.
В одном воплощении сплава на основе никеля, используемого в качестве промежуточного слоя, слой может быть сформирован электролитическим осаждением. Электроосажденный никель может быть осажден в виде промежуточного слоя заданной твердости, составляющей от 150 до 1100, или от 200 до 1000, или от 250 до 900, или от 300 до 700 по Виккерсу. Никель представляет собой металл серебристо-белого цвета, и следовательно, внешний вид промежуточного слоя из сплава на основе никеля, может изменяться от тускло-серого цвета до почти белого, ярко блестящего. В одном варианте промежуточных слоев из никелевого сплава, описанных в данном документе, никель из сульфаматного электролита можно осаждать из ванны сульфамата никеля с использованием электролитического осаждения. В другом варианте промежуточных слоев из никелевого сплава, описанных в данном документе, никель из электролита Уоттса можно осаждать из ванны сульфата никеля. Никель из электролита Уоттса обычно имеет более яркую блестящую поверхность, чем никель из сульфаматного электролита, поскольку даже ванна Уоттса для нанесения матовых покрытий содержит измельчающую зерно добавку для улучшения качества осаждаемого покрытия. Никель из электролита Уоттса также можно осаждать с получением полуматовой поверхности. Покрытие из полуматового никеля, осаждаемого из электролита Уоттса, является более блестящим, поскольку ванна содержит органические и/или металлические блескообразователи. Блескообразователи в ванне Уоттса выравнивают осажденное покрытие, обеспечивая более гладкую поверхность, чем поверхность нижележащего участка. Полуматовое покрытие, осажденное из электролита Уоттса, можно легко отполировать с получением ультра гладкой поверхности с высоким блеском. Ванна для получения блестящего никеля содержит более высокую концентрацию органических блескообразователей, которые оказывают выравнивающее действие на осаждаемое покрытие. Блескообразователи на основе серы обычно используют для выравнивания нижних слоев осаждаемого покрытия, и не содержащие серу органические вещества, такие как формальдегид, используют для достижения полностью блестящего осаждаемого покрытия по мере утолщения электроосаждаемого слоя. В другом варианте, никелевый сплав, используемый для промежуточного слоя, может быть получен из «черного» никеля, который часто наносят поверх нижнего слоя покрытия из никеля, нанесенного электроосаждением или химическим восстановлением. Дающие преимущества свойства, обеспечиваемые промежуточным слоем на основе никеля, включают, но не ограничены перечисленным, предотвращение коррозии, магнитные свойства, гладкость поверхности, внешний вид, смазывающую способность, твердость, отражательную способность и излучательную способность.
В другом воплощении сплав на основе никеля, используемый в качестве промежуточного слоя, может быть получен посредством никелирования методом химического восстановления. В данном варианте никелирование методом химического восстановления представляет собой автокаталитический способ и в нем не используют приложенный извне электрический ток для получения осажденного покрытия. В результате метода химического восстановления осаждают равномерное покрытие из металла, независимо от формы детали или неровностей ее поверхности; таким образом, преодолевают один из главных недостатков электролитического осаждения, заключающийся в изменении толщины при осаждении, которое происходит из-за изменения плотности тока, вызываемого геометрией покрываемой детали и ее соотношением с анодом для осаждения. Раствор для осаждения химическим восстановлением обеспечивает осажденное покрытие везде, где он контактирует с подготовленной соответствующим образом поверхностью, без потребности в анодах, повторяющих форму, и сложных приспособлениях. Поскольку в химической ванне поддерживают равномерную скорость осаждения, оператор может точно регулировать толщину покрытия, просто контролируя время погружения. Никелевое покрытие с низким содержанием фосфора, полученное химическим восстановлением, которое используют в качестве промежуточного слоя, может обеспечивать наиболее блестящие и твердые осажденные слои. Твердость по Роквеллу составляет 60-70 (или 697~1076 по Виккерсу). В другом варианте покрытие со средним содержанием фосфора или ср.сод.фос. можно использовать в качестве промежуточного слоя, который имеет твердость по Роквеллу приблизительно 40-42 (или 392~412 по Виккерсу). Твердость может быть повышена посредством термообработки до 60-62 (или 697~746 по Виккерсу). Пористость является более низкой, а сопротивление коррозии, напротив, является более высоким, чем у покрытия из никеля с низким содержанием фосфора, полученного химическим восстановлением. Покрытие из никеля с высоким содержанием фосфора, полученное химическим восстановлением, является плотным и матовым, по сравнению с осажденными покрытиями со средним и низким содержанием фосфора. При высоком содержании фосфора получают наилучшее сопротивление коррозии для покрытий из никеля, полученных химическим восстановлением, однако осажденный слой не настолько твердый, как в случае более низкого содержания фосфора. Покрытие из никеля с высоким содержанием фосфора, полученное химическим восстановлением, представляет собой фактически немагнитное покрытие. В случае промежуточных слоев из никелевого сплава, описанных в данном документе, никель-бор можно использовать в качестве нижнего слоя покрытия для металлов, требующих вжигания для адгезии. NiP аморфная матрица также может включать диспергированную вторую фазу. Неограничивающие примеры покрытий с диспергированной второй фазой включают: i) матрицу NiP, полученного химическим восстановлением, с включенными мелкими наноразмерными алмазными частицами второй фазы, ii) матрицу NiP, полученного химическим восстановлением, с частицами гексагонального нитрида бора, диспергированными в матрице, и iii) матрицу NiP, полученного химическим восстановлением, с субмикронными частицами ПТФЭ (политетрафторэтилена) (например, 20-25 об.% тефлона), однородно диспергированными в покрытии.
В еще одном воплощении промежуточный слой может быть сформирован из хромового покрытия, полученного электроосаждением, с получением гладкой и отражающей поверхности. Промежуточные слои, полученные осаждением твердого хромового или функционального хромового покрытия, проявляют высокую твердость, которая составляет от 700 до 1000, или от 750 до 950, или 800 до 900 по Виккерсу, имеют блестящую и гладкую поверхность и являются стойкими к коррозии при толщине, составляющей от 20 до 250 мкм, или от 50 до 200 мкм, или от 100 до 150 мкм. Промежуточные слои из хромового покрытия можно легко наносить с низкими затратами. В другом варианте данного воплощения декоративное хромовое покрытие можно использовать в качестве промежуточного слоя с обеспечением долговечного покрытия с гладкой поверхностью. Промежуточный слой из декоративного хромового покрытия может иметь толщину от 0,1 мкм до 0,5 мкм, или от 0,15 мкм до 0,45 мкм, или от 0,2 мкм до 0,4 мкм, или от 0,25 мкм до 0,35 мкм. Промежуточный слой из декоративного хромового покрытия также можно наносить поверх блестящего никелевого покрытия.
В еще одном воплощении промежуточный слой может быть сформирован на теле в сборе или твердосплавной наплавке посредством сверхтонкого полирования, в результате которого удаляют канавки, образовавшиеся при механической обработке/шлифовании, и обеспечивают качество поверхности ниже средней шероховатости поверхности Ra 0,25 мкм.
В еще одном воплощении промежуточный слой может быть сформирован на теле в сборе или твердосплавной наплавке с помощью одного или более следующих методов, приведенных в качестве неограничивающих примеров: ФПО, ХПОПС, ХПО, ионной имплантации, науглероживания, азотирования, борирования, сульфидирования, силицирования, оксидирования, электрохимического метода, метода химического восстановления, метода термического распыления, метода кинетического распыления, метода с использованием лазера, метода трения с перемешиванием, дробеструйной обработки, лазерной нагартовки, сварки, пайки, сверхтонкой полировки, трибохимического полирования, электрохимического полирования и их сочетаний.
Границы раздела
Границы раздела между различными слоями в покрытии могут оказывать значительное влияние на свойства и долговечность покрытия. В частности, недифференцированные границы раздела могут создавать источники ослабления, включая один или более из следующих: концентрации напряжений, поры, остаточные напряжения, отслоение, расслоение, усталостные трещин, плохая адгезия, химическая несовместимость, механическая несовместимость. Неограничивающим примером пути улучшения эксплуатационных характеристик покрытия является использование дифференцированной границы раздела.
Дифференцированные границы раздела обеспечивают постепенное изменение свойств материала и физических свойств между слоями, что снижает концентрацию источников ослабления. Одним неограничивающим примером пути создания дифференцированной границы раздела в процессе изготовления является постепенное прекращение процесса нанесения первого слоя, при одновременном постепенном инициировании процесса нанесения второго слоя. Толщина дифференцированной границы раздела может быть оптимизирована посредством варьирования скорости изменения условий обработки. Толщина дифференцированной границы раздела может составлять от 0,01 до 10 мкм, или от 0,05 до 9 мкм, или 0,1 до 8 мкм, или от 0,5 до 5 мкм. Альтернативно толщина дифференцированной границы раздела может составлять от 5% до 95% от толщины смежного слоя наименьшей толщины.
Методы испытаний
CETR испытания на основе притирания блока к кольцу с применением песка
Данное испытания разработано для моделирования высокой нагрузки (т.е. высокого контактного давления) и сильно абразивной среды. Кольцеобразные образцы вращали при различных скоростях и нагрузках контакте со стальным блоком шириной 6,36 мм (твердость ~300-350 по Виккерсу) при температуре окружающей среды. Стальную сопряженную поверхность перемещали возвратно-поступательно с частотой ходов 1 мм/с перпендикулярно оси вращения кольца, чтобы поддерживать однородный износ по кольцу. Смазочный материал, используемый для данного исследования, состоял из суспензии на масляной основе (масло:вода = 1:9), где воду использовали в качестве непрерывной фазы. Использовали поли-альфа-олефиновое масло вязкостью 8 сСт при температуре 100°C. Это позволяет достичь вязкости эмульсии приблизительно 0,009 Па⋅с при температуре испытаний, и указанная вязкость сравнима с вязкостью обычного бурового раствора на нефтяной основе при подобных условиях. Суспензия содержала 50 масс. % песка (диоксида кремния) со средним диаметром 150 мкм. Суспензию вводили во вмещающую камеру, в которую частично погружали кольцо на время испытаний. Песок был полностью гомогенизирован в смазочном материале перед испытанием посредством введения суспензии (в герметичном контейнере) в магнитное перемешивающее устройство на 30 мин. Вращение кольца предотвращало оседание частиц в резервуаре в ходе испытаний. Величины коэффициента трения в ходе каждого испытания на износ автоматически записывали с помощью компьютера. Износ блока (глубину следа износа) измеряли посредством сканирования следа износа щупом профилометра, тогда как износ покрытия оценивали на основе визуального осмотра. Износ блока использовали в качестве меры «дружественности» для сопряженной поверхности для любого представленного покрытия. Следует отметить, что все покрытия обеспечивали низкий коэффициент трения (обычно <0,1), пока АПУ оставался неповрежденным в ходе CETR испытаний на основе притирания блока к кольцу.
Модифицированные испытания на абразивный износ по стандарту ASTM G105
2
Данное испытание на абразивный износ с использованием влажного песка/резинового колеса разработано для моделирования низкой нагрузки и очень сильно абразивной среды. Испытания по стандарту ASTM G105 осуществляют с использованием резиновых колес с четырьмя различными величинами твердости по Шору. Однако, чтобы избежать усложнения, испытания по стандарту ASTM G105 модифицировали для данного исследования, в котором образец испытывали при контакте с вращающимся резиновым колесом заданной твердости по Шору (по шкале А 58-62). Испытания осуществляли на установке испытания на износ Falex, при частичном погружении резинового колеса в смесь песка и воды. Колесо вращали со скоростью 200 об/мин в течение 30 мин вплотную к вертикально размещенному плоскому испытательному образцу (2,54 см × 7,62 см, 1''×3'') при нагрузке 133,4 Н (30 фунт-силы). Диаметр и ширина колеса составляли 22,86 см и 1,27 см (9'' и 0,5'') соответственно. Суспензия содержала 60% SiO песка (с округлыми зернами) и 40% воды. По завершении испытаний, образцы исследовали на долговечность покрытия, причем характеристику оценивали с помощью (а) визуального осмотра остаточного покрытия на пластине (процент зоны износа, покрытой верхним слоем покрытия после испытания), (б) определения убыли массы, (в) профилометрии для измерения глубины следа износа и (г) микроскопии. Регистрируемая глубина следа износа является максимальной глубиной канавки износа, измеренной посредством сканирования щупом по длине следа износа, созданного резиновым колесом, посередине ширины зоны износа.
Примеры
Иллюстративный пример 1
Две стадии, описанные ниже, использовали для улучшения долговечности покрытия в условиях сильно абразивного материала/высокой нагрузки.
Стадия 1: толстые/сверхтолстые структуры нижнего слоя
x
x
Осаждение АПУ и способствующих адгезии слоев можно осуществить с помощью такого метода, как ХПОПС (химическое парофазное осаждение в плазменной среде), в котором источник и/или мишень используют для осаждения АПУ слоя и нижнего слоя (например, CrN, TiN и т.д.). В некоторых случаях АПУ слой (обычно 1-5 мкм) осаждают непосредственно на основу без какого либо нижнего слоя. В других случаях нижний слой (обычно 2-5 мкм) осаждают на основу перед осаждением АПУ (на нижний слой). Нижний слой обеспечивает некоторую механическую целостность и ударную вязкость посредством защиты от нагрузки, при этом также обеспечивая некоторое улучшение адгезии с основой. Обычно более низкая толщина нижнего слоя способствуют улучшению эксплуатационных качеств покрытия в целом в менее суровых условиях (например, низком абразивном износе/нагрузке), долговечность покрытия остается очень плохой в условиях высокого абразивного износ/высокой нагрузки, в основном из-за пластической деформации основы и абразивного износа АПУ самого по себе.
Исследование методом конечных элементов (ИМКЭ) показывает, что передача нагрузок через зерна песка может инициировать значительную деформацию нижележащей основы при глубинах вдавливания <1 мкм, что является возможным в условиях работы при высокой нагрузке. Фактически, при большем размере зерен песка (~25-50 мкм) уровень пластической деформации подложки (локально) может быть довольно высоким (>10%), приводя к расслоению покрытия и образованию в нем трещин вблизи границы раздела нижний слой/основа. Кроме того, пластическая деформация основы может изменить напряженное состояние на границе раздела нижний слой/АПУ, дополнительно снижая устойчивость под нагрузкой АПУ покрытия. Расслоение/образование трещин в покрытии ускоряется посредством высокого остаточного напряжения сжатия в АПУ покрытии, что создает сложное местное напряженное состояние, способствующее удалению покрытия (нарушению адгезии).
2
Посредством систематического увеличения толщины нижнего слоя (до ≥10-15 мкм) может быть получен более эффективный защищающий от нагрузки слой, таким образом значительно снижающий пластическую деформацию основы. Эксперименты и результаты испытаний абразивного износа (описанные ниже) иллюстрируют положительное влияние на долговечность покрытия как функцию увеличения толщины нижнего слоя (CrN). Осаждение такого толстого нижнего слоя является технически сложным процессом и может требовать тщательного контроля стехиометрии (например, чередования CrN и CrN слоев для регулирования остаточного напряжения) и более длительного времени осаждения (обычная скорость осаждения для CrN: 1 мкм на 40-50 мин).
Стадия 2: толстые/сверхтолстые, сверхтвердые и/или композиционные АПУ структуры:
Поскольку стадия 1 (выше) способствует минимизации пластической деформации основы, она не направлена непосредственно на обеспечение эксплуатационной характеристики АПУ (т.е. долговечности) в условиях сильного абразивного износа.
При износе, включающем воздействие абразивной среды (т.е. песка), отношение твердости абразивной среды и покрытия (т.е. поверхности, подвергаемой абразивному износу) определяет общую скорость абразивного износа (в соответствии с доступной литературой). В соответствии с данными предпосылками, увеличение твердости покрытия может способствовать снижению абразивного износа. Однако повышенной твердости АПУ покрытий достигают за счет увеличения остаточного напряжения, которое вызывает проблемы, связанные с растрескиванием/расслоением/отслаиванием покрытия. Таким образом, данный аспект приводит к ориентированию на «оптимальную» твердость, в противоположность «предельной» твердости. Наши эксперименты показали, что целевыми могут быть величины твердости 2500-5500 (по Виккерсу), в сочетании с эффективной толщиной нижнего слоя, не поступаясь долговечностью покрытия (через образование трещин/отслаивание), что существенно для покрытий более высокой толщины.
С учетом твердости покрытия, которая в свою очередь определяет скорость абразивного износа (предполагая доминирование постепенного механизма абразивного износа, в противоположность растрескиванию покрытия/расслаиванию), общая долговечность покрытия зависит от толщины покрытия. Посредством систематического увеличения толщины АПУ слоя (до значений>15 мкм), было показано, что долговечность покрытия можно улучшить в суровых условиях абразивного износа/нагрузки (обсуждается ниже). Осаждение таких АПУ слоев представляет собой технически сложный процесс, требующий тщательного контроля адгезии между слоями (где это применимо) и химического состава, регулирования остаточного напряжения и технологического контроля для предотвращения загрязнения камеры, при этом требуется длительное время осаждения (обычная скорость осаждения АПУ: 1 мкм в течение 80-100 мин). В некоторых случаях также могут быть реализованы преимущественные эффекты использования более твердых функциональных слоев, таких как та-С, в сочетании с большей толщиной нижних слоев и способствующих адгезии слоев.
Собственное сопротивление абразивному износу АПУ зависит от химического состава поверхности. Может быть получено многослойное покрытие из а-С:Н, чередующегося с СrС, чтобы улучшить общую собственную ударную вязкость и сопротивление абразивному износу многослойного покрытия. Фаза а-С:Н является существенной для обеспечения антифрикционных свойств, тогда как фаза CrC обеспечивает ударную вязкость и более высокое сопротивление абразивному износу. Результаты, показывающие превосходное сопротивление абразивному износу такого многослойного покрытия также представлены (ниже). Альтернативно, сочетание более твердого функционального слоя (например, та-С) с нижним слоем (таким как CrN) заданной толщины также может обеспечить превосходное сопротивление абразивному износу наряду с улучшенной ударной вязкостью и долговечностью покрытия.
Результаты, обобщающие объединенные преимущества стадии 1 и стадии 2
В таблице 1 ниже представлены данные для девяти покрытий различного строения, исследованных для оценки влияния подходов/стадий, изложенных выше (в некоторых случаях значения толщины способствующего адгезии слоя не представлены явно). Два типа исследований/экспериментов были разработаны и выполнены для оценки долговечности покрытия: CETR испытания на основе притирания блока к кольцу (с использованием песка) и испытания по модифицированному стандарту ASTM G105. Эти испытания и связанные с ними измерения описаны выше.
На Фиг. 1 представлены результаты микроскопических исследований некоторых отобранных покрытий (A-F из таблицы 1). Показателями хороших эксплуатационных свойств покрытий и долговечности являются: низкий износ блока (т.е. бережное воздействие на обсадные трубы), высокий % остаточного покрытия после CETR испытаний притирания блока к кольцу или испытаний ASTM (т.е. хорошая долговечность покрытия при абразивных испытаниях с высокой нагрузкой), низкая убыль массы и глубина следа износа в испытаниях по стандарту ASTM G105 (т.е. минимальные утраты покрытия и/или утраты основы в ходе испытаний).
Преимущественные эффекты (а) толстых нижних слоев, (б) толстых и многослойных композиционных АПУ структур и (в) сверхтвердых покрытий верхнего слоя очевидны из результатов, представленных в данных исследованиях. Суммарные эффекты данных подходов могут привести к строению покрытия (например, подобному строению Е, F), которое дает значительно повышенную общую долговечность среди исследованных образцов, в условиях испытаний, разработанных для моделирования сред с высокими нагрузками/абразивным износом. Когда в испытаниях по стандарту ASTM в качестве меры используют убыль массы, можно видеть, что покрытие строения Е (толстый нижний слой + толстое многослойное АПУ покрытие) приблизительно в 20 раз лучше, чем покрытие строения А (тонкое АПУ покрытие). Кроме того, покрытие строения F (толстый нижний слой + толстое та-С покрытие) приблизительно в 70-100 раз лучше покрытия строения А (тонкое АПУ покрытие) в показателях общей долговечности, по измерениям сопротивления износу/абразивного износа при испытаниях G105. Значительное улучшение сопротивления абразивному износу с использованием толстого нижнего слоя и толстого покрытия также очевидно для сверхтвердых та-С покрытий (строение I в противоположность строению Н).
∧
коэффициент трения измеренный согласно СЕТР тесту ≥ 0,35
* данные СЕТР теста доступны только для модифицированных условий и, следовательно, не сравнимы
# не истинное антифрикционное покрытие, т.к. измерения остаточного покрытия не релевантные
Пример J демонстрирует структуру покрытия, включающую 5 мкм CrN + 5 мкм W-C:H, что не дает улучшения характеристик в отношении абразивного износа в отличие от примера В (5 мкм CrN + 5 мкм АПУ) по изобретению; указанное свидетельствует о том, что наличие слоя АПУ может стать определяющим фактором для улучшения характеристик абразивного износа и истирания.
Примеры К-М демонстрируют несколько многослойных структур покрытия, включающих более толстые слои АПУ и Si-АПУ (с нижними слоями или без нижних слоев), что также не приводит к улучшению стойкости к истиранию. Таким образом, простое изменение толщины слоя не способно объяснить отсутствие улучшения характеристик абразивного износа.
Примеры N и О демонстрируют другие структуры покрытия, включающие более толстые нижние слои, что также не привело к улучшению характеристик в части абразивного износа, откуда следует, что, оптимизирование только толщины слоя не достаточно для того, чтобы улучшить характеристики абразивного износа и истирания.
Пример Р демонстрирует другой тип структуры нижнего слоя, который может быть использован для обеспечения улучшенных характеристик абразивного износа. Однако сам по себе этот нижний слой не является антифрикционным слоем, который включен в многослойное покрытие по п. 1 настоящей заявки.
Представленные дополнительные примеры предназначены для подтверждения того, что требуются определенное сочетание и толщина слоя АПУ (АПУ-Н или ta-C), дополнительный способствующий адгезии слой(слои) и нижний слой CrN для обеспечения улучшения характеристик в отношении сопротивления абразивному износу. Реализация такого технического эффекта была неожиданной и неожидаемой на основе знания уровня техники.
Следует отметить, что обычно в области производства таких покрытий на основе АПУ не имеют дело с такими диапазонами толщин слоя или такими сочетаниями антифрикционных слоев. Ключевым фактором является внимание улучшению сопротивления абразивному износу при исследовании уникальных, синергических свойств в структуре и химии покрытий, что приводит к разработке специфических структур, обеспечивающих требуемое улучшение в отношении характеристик износа.
В описании предпринята попытка раскрыть все воплощения и области применения предмета изобретения, которые целесообразно предусмотреть. Однако могут существовать непредвиденные, несущественные модификации, которые остаются равноценными. Хотя настоящее изобретение описано в сочетании с конкретными воплощениями, приведенными в качестве примеров, понятно, что много модификаций и изменений станут очевидными специалисту в данной области техники в свете представленного описания, причем такие изменения и модификации не выходят за пределы сущности и объема защиты настоящего изобретения. Соответственно, настоящее изобретение охватывает все такие модификации и изменения представленного выше подробного описания.
Все патенты, методики испытаний и другие документы, перечисленные в данном документе, в том числе приоритетные документы, включены во всей полноте посредством ссылки в объем этого описания изобретения, до той степени, до которой они не противоречат данному описанию, и для всех патентных ведомств, в которых такие включения разрешены.
При указании в данном документе численных значений нижних пределов и численных значений верхних пределов подразумеваются диапазоны значений от любого нижнего предела до любого верхнего предела.