一种MWD仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层制造技术

本发明专利技术属于陶瓷涂层制备技术领域，具体涉及一种随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层。该涂层从下至上依次设置打底层、梯度层和工作层；打底层喷涂Ni/Al复合粉末，梯度层喷涂Ni/Al复合粉末和工作层相同组成的陶瓷粉末的混合粉末，工作层喷涂Al

【技术实现步骤摘要】
一种MWD仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层
本专利技术属于陶瓷涂层制备
，具体涉及一种MWD仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层。
技术介绍
随着石油勘探开发的不断深入，地层结构越来越复杂，深井、超深井和高温、高压井等特殊复杂的井越来越多，因此采用定向钻井技术是油田钻井的关键。定向井的精确测量和准确定位是定向钻井成功与否的重要因素之一，而随钻测斜是大斜度井、水平井和小眼井及侧钻多分支井油藏评价的重要手段。目前国内各油田使用的高精度随钻测斜系统大多是从国外引进的，价格昂贵、生产周期长、维修不方便。国内MWD仪器外筒常用材料为铍青铜，常用铍青铜中铍的质量分数为1.7～2.5％，铍青铜经过固溶和时效处理后，可以具有极高的强度和硬度，远超过其它所有的铜合金。它的弹性极限、疲劳极限耐磨性也都很好，是各种性能结合得很好的一种合金。但由于钻井过程中的施工井工况极其恶劣，钻井液对MWD仪器外筒冲蚀和砂粒对外筒的磨损使其易发生刺漏导致仪器报废，严重影响钻井作业周期和生产效率。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题提出了一种抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层，既不影响MWD仪器外筒内的无线信号传输又可以提高MWD仪器外筒的综合性能，延长其使用寿命，提高生产效率。本专利技术的技术方案如下：一种MWD仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层，该梯度涂层从下至上依次设置打底层、梯度层和工作层；各层包括以下质量百分数的各组分：工作层：在Al2O3粉末中混入30～50wt％Cr2O3粉末，再加入少量的锆基非晶合金粉末组成混合粉末；梯度层分为第一梯度层、第二梯度层和第三梯度层；第三梯度层：Ni/Al复合粉末：Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末＝(0.5～1.5):2；第二梯度层：Ni/Al复合粉末：Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末＝1:1；第一梯度层：Ni/Al复合粉末：Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末＝2:(0.5～1.5)；各梯度层中Al2O3粉末、Cr2O3粉末与锆基非晶合金粉组成均与工作层相同；打底层：Ni/Al复合粉末；本专利技术中的Ni/Al复合粉末为镍包铝合金粉末，是一种具有放热特性的合金粉末，在喷涂过程中可发生Ni、Al之间的放热反应，使涂层与基体之间产生很强的微冶金结合；氧化铝和氧化铬中的铝离子和铬离子均属三价阳离子，这两种氧化物均具有A2X3型结构，菱形晶体，能够生成无限固溶体。这种固溶体如同高温合金中的铝和铬的氧化物膜Al2O3·Cr2O3一样，具有极好的化学稳定性，耐高温氧化。涂层硬度高，耐磨性好，尤其适合耐腐蚀磨损的场合。本专利技术中在打底层上喷涂有三层梯度过渡层，最后喷涂工作层，金属的热膨胀系数高于陶瓷，且打底层材料的热膨胀系数又介于基体和陶瓷之间，设计三层梯度过渡层，金属粉末含量逐渐减少，陶瓷粉末含量逐渐增加，可以很大程度的解决涂层内热应力的问题，提高涂层的结合强度。各层之间相互协同，提高涂层的性能。本专利技术从上述梯度层到工作层，材料的组分呈连续梯度变化，其热膨胀系数呈阶梯状，变化趋势平缓，能减小涂层间特别是涂层与基体间的内应力，提高涂层与基体的结合强度，使梯度涂层抗冲蚀、耐磨损等性能大幅提高。上述，工作层中加入锆基非晶合金粉末的含量为1～3wt％，Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉末的加入使得所述工作层更加致密，抗腐蚀性能更好；锆基非晶合金粉末的加入还可以使所述工作层具有高硬度和高耐磨性；其中，锆基非晶合金粉末组成见表1。表1Ni/Al复合粉末，平均粒径为45～90μm；Ni/Al复合粉末中Al的含量为18～22wt％，Ni的含量为78～82wt％。所述的Al2O3粉末，粒径为28～50μm；所述的Cr2O3粉末，粒径为28～53μm。打底层、梯度层和工作层的厚度分别为30μm、90～150μm和80～100μm。本专利技术所述MWD仪器外筒，其材质为铍青铜。本专利技术中梯度复合涂层制备方法步骤如下：(1)对基体进行粗糙化处理；(2)180～200℃预热步骤(1)中处理好的基体；采用等离子喷涂技术先喷涂Ni/Al打底层，喷涂功率：24kW；再分别喷涂三层梯度层,喷涂功率分别为：26kW、28kW、30kW；最后喷涂工作层，喷涂功率：32kW。(3)对喷涂样品进行表面封孔处理。本专利技术的有益效果：(1)氧化铝和氧化铬中均为菱形晶体，能够生成无限固溶体，在这两种氧化物混合粉末中加入锆基非晶合金粉末，制备的涂层具有更高的强度、硬度、耐磨性和耐冲蚀性。(2)本专利技术制备的梯度涂层组织均匀、表面平整且致密、结合良好，且成分梯度分布的结构能充分发挥各层的优势，可提高MWD仪器外筒的使用寿命。(3)本专利技术在MWD仪器外筒表面制备抗冲蚀耐磨损非晶梯度涂层，降低其更换频率，节省了MWD仪器外筒的制造与更换成本，同时确保了MWD信号传输的稳定性。附图说明图1梯度复合涂层结构示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述，但不限于此。实施例1一种MWD仪器外筒抗冲蚀耐磨损非晶梯度涂层，所述梯度涂层从下至上依次设置打底层、梯度层和工作层；所述打底层为金属层，是由Ni/Al复合粉末(45～60μm)喷涂形成，其中，Ni：80wt％、Al：20wt％，厚度为30μm；第一梯度层：Ni/Al复合粉末：Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉(Zr：65wt％,Ti：8wt％，Cu：15wt％，Ni：10wt％，M(Y：0.7wt％+Gd：1wt％+Sc：0.3wt％))组成的混合粉末＝4:1，厚度为40μm；第二梯度层：Ni/Al复合粉末：Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末＝1:1，厚度为40μm；第三梯度层：Ni/Al复合粉末：Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末＝1:4，厚度为40μm；工作层喷涂Al2O3和Cr2O3的混合粉末再加入少量的锆基非晶合金粉末；其中，Al2O3和Cr2O3的混合粉末平均粒径为：30～45μm，Cr2O3的含量为50wt％；加入的锆基非晶合金粉末的含量为1wt％；工作层的厚度为80μm。所制备的涂层的气孔率为3.7％，涂层的沉积效率为38.6％。涂层的显微硬度为950HV。试样在600℃恒温10～15min，水淬，依次循环，直至涂层失效，涂层的热震次数为108次。实施例2一种MWD仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层，所述梯度涂层从下至上依次设置打底层、梯度层和工作层；所述打底层为金属层，是由Ni/Al复合粉末(45～60μm)喷涂形成，其中，Ni：80wt％、Al：20wt％，厚度为30μm；第一梯度层：Ni/Al复合粉末：Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉(Zr：65wt本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种随钻测量(Measurement While Drilling，MWD)仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层，其特征在于，所述梯度涂层从下至上依次设置打底层、梯度层和工作层，其中，梯度层分为第一梯度层、第二梯度层和第三梯度层。/n

【技术特征摘要】
1.一种随钻测量(MeasurementWhileDrilling，MWD)仪器外筒抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层，其特征在于，所述梯度涂层从下至上依次设置打底层、梯度层和工作层，其中，梯度层分为第一梯度层、第二梯度层和第三梯度层。


2.如权利要求1所述的抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层，其特征在于，所述梯度涂层各层组分按照质量百分数为：
工作层：在Al2O3粉末中混入30～50wt％Cr2O3粉末，再加入1～3wt％锆基非晶合金粉末组成混合粉末；
第三梯度层：Ni/Al复合粉末与Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末的质量比为0.5～1.5:2；
第二梯度层：Ni/Al复合粉末与Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末的质量比为1:1；
第一梯度层：Ni/Al复合粉末与Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成的混合粉末的质量比为2:0.5～1.5；
各梯度层中Al2O3粉末、Cr2O3粉末和锆基非晶合金粉组成与工作层相同；
打底层：Ni/Al复合粉末。


3.如权利要求2所述的抗冲蚀耐磨损锆基非晶复合梯度涂层，其特征在于，所述的Ni/Al复合粉末的平均粒径为45～90μm，N...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆华，魏坤霞，彭金龙，魏伟，黄文军，杨国杰，李敏，杜庆柏，刘贵鹏，赵晓兵，李全双，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术服务有限公司，中石化华东石油工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11