本发明涉及金属材料表面改性领域，特别涉及一种石墨烯掺杂钛合金钻杆微弧氧化层的制备方法。
背景技术：
钻井过程中，常会遇到小曲率半径井段。传统钻井过程中应用的钢制、铝制或复合材料钻杆常常会因为疲劳裂纹、磨损或其它机械原因导致使用寿命不长。为了减少钻杆失效、延长钻杆寿命，需要研发非常规钻杆。由于钛合金管材的弹性比钢制钻杆好，更加适合于高曲率井段。常用的钛合金材料为ti-6al-4v，最低屈服强度为130ksi，密度仅为钢材的56%。相对于传统钻杆材料，该材料在钻井过程中的实际井底流体环境中，具有耐腐蚀、抗疲劳、重量轻、弹性好、强度高等优点，因而得到了广泛的应用。
为了进一步延长钛合金钻杆的疲劳寿命，可以对钻杆管体从外径到内径进行调质处理；为了延长其它区域的疲劳寿命，可以优化管体加工和镦粗过程，优化管体与接头连接区域以及接头的设计和测试。但是上述方法对钛合金钻杆表面性能的优化效果非常局限。此外，通过化学镀在钛合金钻杆表面形成涂层以延长其使用寿命也是本领域常用的方法之一。钛合金钻杆目前主要采用镀铜处理，但镀铜工艺对环境污染大，同时镀铜层结合力较差，对提高钻杆的抗粘扣作用比较明显，但钛合金钻杆的耐磨性还是比较差。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明拟通过对钛合金钻杆表面进行微弧氧化处理，进一步提高钛合金钻杆表面的耐磨性、耐腐蚀性和抗粘连性能。常规的微弧氧化处理虽然比镀铜效果好，但还是存在膜层硬度偏低，耐磨性和耐腐蚀性不够等缺点，通过在电解液中添加一定量的石墨烯后，膜层的厚度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性能都得到了提高，抗粘扣性能也进一步提升。
本发明通过对铝合金钻杆表面进行石墨烯微弧氧化，使铝合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀等表面性能得到改善。具体步骤如下：
1.钛合金表面预处理，包括除油，抛光，使表面达到一定的光洁度。
2.配置电解液。制备工艺为：石墨烯的浓度为0.5-6g/l，na2sio3：2-10g/l；丙三醇：1-5g/l；(napo3)6：1-8g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在25-30℃。
3.微弧氧化。电流密度：2-10a/dm2；占空比：20-60%；氧化时间：10-60min；频率：100-600hz。
4.样品后处理。微弧氧化结束后用水冲洗干净，再烘干即可。
对于表面预处理工艺，没有特定的规定，采用本领域常用的抛光手段和除油药水即可，但须确保工件表面平整光洁。对于后处理工艺，没有特定的规定，同样确保工件表面光洁即可。
所述钛合金为ti-6al-4v管体材料。
进一步地，所述石墨烯的浓度为3-5g/l。
进一步地，所述石墨烯的浓度为3-5g/l，na2sio3：4-8g/l；丙三醇：4-5g/l；(napo3)6：3-8g/l。
进一步地，所述微弧氧化的条件为电流密度：5-9a/dm2；占空比：30-50%；氧化时间：20-40min；频率：180-300hz。
进一步地，步骤4中用水为去离子水或纯水。
进一步地，步骤4中烘干温度为30-60℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明对钛合金钻杆进行添加石墨烯的微弧氧化处理后，配合相关工艺参数的调整，使得膜层表面的耐磨、耐腐蚀和抗粘扣性能提高，延长了钻杆的寿命，进一步提升了钻井的安全性，降低了生产成本，具有重要的社会价值和经济价值。
具体实施方式
为了更加充分地阐明本发明的技术效果，现采用实施例以及对比例的方式进行说明。
实施例1
1.选用包含碳酸钠的碱性化学除油药水对ti-6al-4v管体材料进行除油，然后进行抛光处理，使工件表面达到一定的光洁度。
2.电解液制备工艺为：石墨烯的浓度为0.5g/l，na2sio3：2g/l；丙三醇：1g/l；(napo3)6：1g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在25℃。
3.微弧氧化，工艺条件为：电流密度：2a/dm2；占空比：20%；氧化时间：10min；频率：100hz。
4.用去离子水清洗微弧氧化后的钛合金工件，再在40℃条件下烘干。
实施例2
1.选用包含碳酸钠的碱性化学除油药水对ti-6al-4v管体材料进行除油，然后进行抛光处理，使工件表面达到一定的光洁度。
2.电解液制备工艺为：石墨烯的浓度为6g/l，na2sio3：10g/l；丙三醇：5g/l；(napo3)6：8g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在30℃。
3.微弧氧化，工艺条件为：电流密度：10a/dm2；占空比：60%；氧化时间：60min；频率：600hz。
4.用去离子水清洗微弧氧化后的钛合金工件，再在30℃条件下烘干。
实施例3
1.选用包含碳酸钠的碱性化学除油药水对ti-6al-4v管体材料进行除油，然后进行抛光处理，使工件表面达到一定的光洁度。
2.电解液制备工艺为：石墨烯的浓度为5g/l，na2sio3：8g/l；丙三醇：5g/l；(napo3)6：6g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在30℃。
3.微弧氧化，工艺条件为：电流密度：7a/dm2；占空比：50%；氧化时间：40min；频率：300hz。
4.用去离子水清洗微弧氧化后的钛合金工件，再在30℃条件下烘干。
为了更好地说明本发明通过石墨烯微弧氧化所带来的技术效果，通过对比例加以比较。
对比例1
1.选用包含碳酸钠的碱性化学除油药水对ti-6al-4v管体材料进行除油，然后进行抛光处理，使工件表面达到一定的光洁度。
2.电解液制备工艺为：na2sio3：2g/l；丙三醇：1g/l；(napo3)6：1g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在25℃。
3.微弧氧化，工艺条件为：电流密度：2a/dm2；占空比：20%；氧化时间：10min；频率：100hz。
4.用去离子水清洗微弧氧化后的钛合金工件，再在40℃条件下烘干。
对比例1选用常规的微弧氧化工艺，相对于实施例1省去了电解液中的石墨烯。通过耐磨性能测试，以钛合金基体的相对耐磨性为1计算，对比例1通过常规微弧氧化，相对耐磨性达到5.3，而实施例1通过添加石墨烯进行微弧氧化处理后的膜层相对耐磨性达到8.2，大大提高了钛合金钻杆的表面性能。
同时，我们发现并非任何条件下通过添加石墨烯对钛合金表面进行微弧氧化都能达到理想的技术效果，即石墨烯微弧氧化的工艺条件有着严格的要求，现通过对比例加以说明。
对比例2
1.选用包含碳酸钠的碱性化学除油药水对ti-6al-4v管体材料进行除油，然后进行抛光处理，使工件表面达到一定的光洁度。
2.电解液制备工艺为：石墨烯的浓度为0.1g/l，na2sio3：8g/l；丙三醇：5g/l；(napo3)6：6g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在30℃。
3.微弧氧化，工艺条件为：电流密度：7a/dm2；占空比：50%；氧化时间：40min；频率：300hz。
4.用去离子水清洗微弧氧化后的钛合金工件，再在40℃条件下烘干。
对比例3
1.选用包含碳酸钠的碱性化学除油药水对ti-6al-4v管体材料进行除油，然后进行抛光处理，使工件表面达到一定的光洁度。
2.电解液制备工艺为：石墨烯的浓度为10g/l，na2sio3：8g/l；丙三醇：5g/l；(napo3)6：6g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在30℃。
3.微弧氧化，工艺条件为：电流密度：7a/dm2；占空比：50%；氧化时间：40min；频率：300hz。
4.用去离子水清洗微弧氧化后的钛合金工件，再在30℃条件下烘干。
对比例2选用较低浓度的石墨烯配置电解液，其相对于实施例3，其耐磨性能的提高并不理想，由于本发明的主要构思是通过石墨烯的碳材料提高钛合金的表面性能，石墨烯在微弧氧化过程中生成了sic，硬度和耐磨性增大，同时一部分以石墨烯的形式存在于膜层中，石墨烯本身具有强度高，韧性好的特点，添加石墨烯后耐磨性提高。因而当碳浓度不足以达到要求时，无法实现预期的技术效果。对比例3选用较高浓度的石墨烯配置电解液，其相对于实施例3，其耐磨性能反而下降，由于石墨烯浓度增大，电解液的电导率增大，膜层表面粗糙度增加，氧化后的膜层内应力增大。也就是说，本发明的工艺条件对实验效果有着重要的影响，只有合适的工艺参数配合石墨烯微弧氧化才能达到预期的效果。
此外，我们发现微弧氧化的电流密度、占空比、氧化时间和频率等工艺参数也不可随意选择，否则无法达到预期的实验效果。
对比例4
1.选用包含碳酸钠的碱性化学除油药水对ti-6al-4v管体材料进行除油，然后进行抛光处理，使工件表面达到一定的光洁度。
2.电解液制备工艺为：na2sio3：2g/l；丙三醇：1g/l；(napo3)6：1g/l；用去离子水配制，总体积为3l。电解液温度控制在25℃。
3.微弧氧化，工艺条件为：电流密度：15a/dm2；占空比：70%；氧化时间：90min；频率：50hz。
4.用去离子水清洗微弧氧化后的钛合金工件，再在40℃条件下烘干。
通过改变实施例1中微弧氧化的工艺参数，我们发现微弧氧化的参数调整对实验结果有着重要的影响。实施例1的相对耐磨性为8.2，而对比例4的相对耐磨性仅为6.4。
上述相对耐磨性都是试验材料与标准材料在相同条件下测试所得。为了更为直观地阐述实验效果，现将上述实施例和对比例的相对耐磨性列于表1。