一种具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥及加工方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥及加工方法，所述膨胀锥（1）的工作面外表面至少在膨胀锥变径段（2）的区域设置TiN或TiAlN薄膜（3），所述薄膜（3）厚度为0.5μm-5μm；优选所述薄膜（3）纳米硬度在20GPa-30GPa。这种膨胀锥具有表面硬度高，良好的膜/基结合力和耐磨损性能，较低的摩擦系数。TiN或TiAlN薄膜可避免膨胀锥钢基体与膨胀管钢基体的直接接触而造成的粘着磨损，提高了膨胀锥的寿命。
【专利说明】—种具有TiN或TiAIN薄膜的膨胀锥及加工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于油气田开发【技术领域】，具体涉及一种具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥及加工方法。
【背景技术】
[0002]膨胀管技术是石油工程领域内出现的重大新技术，也是近几年的一个热点研究领域。膨胀管技术是在液压或机械力的作用下，驱动膨胀锥在膨胀管内产生轴向移动，使膨胀管超过弹性极限发生永久塑性变形从而达到增大采油管柱或井眼内径的目的。膨胀管技术可有效地解决传统井深结构井越深、套管层数越多，最终的井眼直径将会很小的问题，可用于钻井、完井、采油、修井等作业过程。
[0003]目前国内外所用膨胀锥为高强度钢，膨胀管是由低碳钢经特殊加工而成的套管。套管的膨胀过程也就是膨胀锥表面和膨胀套管内表面构成的一对摩擦副的摩擦过程。由于膨胀锥的外径大于膨胀管的内径，塑性变形所需要的力导致膨胀锥与可膨胀套管内表面间的接触压力远远高于普通机械传动中接触表面间的压力，机械轴承中，接触面压通常只有20-50MPa，研究结果表明，为了使套管被扩张变形，膨胀工具与套管内壁间的接触面压力可以高达500-800MPa，作业过程中接触界面伴随极高的温升，由于膨胀锥和膨胀管材料都属于钢材，所以存在粘着现象，造成一定的粘着磨损。且作业环境中存在的砂粒，对膨胀维表面造成严重的磨粒磨损和破坏，因此在膨胀过程中对膨胀锥存在严重的摩擦磨损问题。膨胀管作业过程中的磨损主要包括粘着磨损、接触疲劳磨损和磨粒磨损，通过提高膨胀锥表面材料的强度和硬度，改变膨胀锥和膨胀管接触界面的材料特性，可以使膨胀锥的磨损降低。
[0004]国内外主要以在膨胀管表面涂润滑剂、包含润滑剂的微胶囊涂层、在膨胀锥中附加一个机构用以提供润滑剂等方法降低摩擦磨损，但液体润滑材料在接触面压力高达500-800MPa时不能发挥作用，固体润滑涂层在长井段的膨胀过程中存在严重的磨损消耗脱落失去作用等问题，导致膨胀锥磨损严重，提高了作业风险。完全用硬质合金材料制成的膨胀锥，可以显著提高膨胀锥的硬度，但由于硬质合金材料脆性大，在膨胀作业过程中存在容易脆裂的危险。本发明的目的就在于针对上述现有方法的不足，提供一种新的提高膨胀锥耐磨损、延长膨胀锥使用寿命的方法。
[0005]气相沉积的TiN和TiAlN薄膜具有较高硬度，优良的耐磨损性能，已经成功应用作刀具涂层，显著提高了刀具的使用寿命。将TiN和TiAlN薄膜用于膨胀锥表面，提高膨胀锥的表面硬度，避免钢与钢的直接接触，降低摩擦阻力和粘着磨损，从而达到降低膨胀压力、延长使用寿命、降低作业压力、提高作业成功率的目的。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的在于提供一种具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥，本发明在膨胀锥外表面特定位置沉积硬质薄膜，该薄膜具有良好的耐磨损性能，避免了膨胀锥钢基体与膨胀管钢基体的直接接触而造成的粘着磨损，从而提高膨胀锥的寿命。
[0007]本发明的另一目的在于提供所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥的加工方法。
[0008]为达上述目的，一方面，本发明提供了一种具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥，在所述膨胀锥I工作面外表面至少在膨胀锥变径段2的区域设置TiN或TiAlN薄膜3，所述薄膜3环绕膨胀锥设置一周；所述薄膜3厚度为0.5-5 μ m。
[0009]本发明优选所述薄膜3厚度为2 μ m。
[0010]本发明优选所述薄膜3纳米硬度在20GPa_30GPa。
[0011]根据本发明所述的膨胀锥，在所述TiN或TiAlN薄膜3和膨胀锥I工作面外表面之间还设置过渡层6 ；
[0012]所述的过渡层，TiN薄膜3采用Ti过渡层，TiAlN薄膜3采用TiAl过渡层。
[0013]根据本发明所述的膨胀锥，本发明优选所述过渡层厚度为0.1?0.5μπι ;
[0014]其中更优选为0.2 μ m。
[0015]根据本发明所述的膨胀锥，本发明还优选所述TiN或TiAlN薄膜3和过渡层6形状匹配且重叠设置。
[0016]其中应当理解的是，所述的过渡层6与所述的薄膜3重叠设置；薄膜3与过渡层6面积相同，以使得薄膜3和过渡层6完全匹配。
[0017]根据本发明所述的膨胀锥，所述TiN或TiAlN薄膜3通过多弧离子镀膜设置在所述膨胀锥工作面外表面。
[0018]根据本发明所述的膨胀锥，过渡层6通过多弧离子镀膜设置在所述膨胀锥工作面外表面。
[0019]根据本发明所述的膨胀锥，所述的多弧离子镀膜包括预处理、沉积及后处理，按照此过程可以获得硬度高、膜/基结合力好的TiN或TiAlN薄膜。
[0020]根据本发明所述的膨胀锥，所述薄膜的沉积的条件为:通入氩气和氮气的混合气使真空度为3.0X KT1Pa?2Pa，弧电流为50A?80A，偏压为-50V?-400V ；
[0021]本发明优选所述的TiN或TiAlN薄膜的沉积为:弧电流60A，偏压-100V。
[0022]根据本发明所述的膨胀锥，在多弧离子镀膜前还包括对膨胀锥进行离子清洗步骤。
[0023]根据本发明所述的膨胀锥，所述离子清洗步骤可以为现有技术常规的离子清洗，本发明所优选的包括:将膨胀锥非镀膜区域遮挡，在真空条件下采用加高负偏压的方式对轰击膨胀锥镀膜区域进行轰击清洗。
[0024]其中本发明优选用铝箔遮挡膨胀锥非镀膜区域；
[0025]其中本发明还优选所述载能离子为载能氩离子。
[0026]根据本发明所述的膨胀锥，在离子清洗步骤前还包括预处理步骤:先后用丙酮和乙醇清洗膨胀锥，清洗后将膨胀锥干燥处理。
[0027]所述干燥处理为本领域常规操作，譬如吹干。
[0028]根据本发明所述的膨胀锥，所述的多弧离子镀膜沉积过渡层时通入氩气使真空度为 3.0X KT2Pa ?3.0X KT1Pa,弧电流为 50A ?80A，偏压为-50V ?-400V。
[0029]本发明优选所述的过渡层的沉积为:弧电流80A，偏压-100V。
[0030]另一方面，本发明还提供了所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥的加工方法，所述方法包括将TiN或TiAlN薄膜通过多弧离子镀膜设置在所述膨胀锥工作面外表面。
[0031]当所述膨胀锥设置所述过渡层6时，通过多弧离子镀膜设置所述过渡层6。
[0032]根据本发明所述的方法，所述的多弧离子镀膜包括预处理、沉积及后处理。
[0033]根据本发明所述的方法，所述薄膜的沉积的条件为:通入氩气和氮气的混合气使真空度为3.0X KT1Pa?2Pa，弧电流为50A?80A，偏压为-50V?-400V ；
[0034]本发明优选所述的TiN或TiAlN薄膜的沉积为:弧电流60A，偏压-100V。
[0035]根据本发明所述的方法，在多弧离子镀膜前还包括对膨胀锥进行离子清洗步骤。
[0036]根据本发明所述的方法，所述离子清洗步骤可以为现有技术常规的离子清洗，本发明所优选的包括:将膨胀锥非镀膜区域遮挡，在真空条件下采用加高负偏压的方式对轰击膨胀锥镀膜区域进行轰击清洗。
[0037]其中本发明优选用铝箔遮挡膨胀锥非镀膜区域；
[0038]其中本发明还优选所述载能离子为载能氩离子。
[0039]根据本发明所述的方法，在离子清洗步骤前还包括预处理步骤:先后用丙酮和乙醇清洗膨胀锥，清洗后将膨胀锥干燥处理。
[0040]所述干燥处理为本领域常规操作，譬如吹干。
[0041]根据本发明所述的方法，所述的多弧离子镀膜沉积过渡层时通入氩气使真空度为
3.0XKT2Pa ?3.0 X KT1Pa,弧电流为 50A ?80A，偏压为-50V ?-400V。
[0042]本发明优选所述的过渡层的沉积为:弧电流80A，偏压-100V。
[0043]综上所述，本发明提供了一种具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥及加工方法。本发明的膨胀锥具有如下优点:
[0044]本发明提供一种耐磨损的膨胀锥制造方法，将硬质薄膜用于膨胀锥表面，提高膨胀锥耐磨损性能，减小膨胀锥作业过程中的磨损，降低摩擦阻力，可以用于膨胀管技术。
【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1为本发明实施例1的附有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥示意图；其中，I为膨胀锥，2为变径段，3为TiN或TiAlN薄膜，4为定径段，5为导向段；
[0046]图2为设置了过渡层的膨胀锥局部放大示意图，其中6为Ti或TiAl过渡层；
[0047]图3为实施例2的设置了过渡层的膨胀锥局部放大示意图，其中6为Ti或TiAl过渡层。
【具体实施方式】
[0048]以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
[0049]实施例1
[0050]如图1、图2所示，在膨胀锥工作面镀膜区域气相沉积TiN硬质薄膜3，薄膜3的厚度为2 μ m。TiN硬质薄膜3覆盖了全部的变径段2和部分的定径段4、导向段5。
[0051]其制备包括以下几个步骤:
[0052]预处理:先后在丙酮和乙醇中清洗膨胀锥1，去除表面附着物和污染物并吹干表面。[0053]离子清洗:采用铝箔将膨胀锥I非镀膜区域遮挡，镀膜区域为包含变径段2的区域(图1)，将膨胀锥I放入真空室。当真空度达到5.0X IO-4Pa时，在膨胀锥I和样品架之间加上-800V的偏压，并在真空室内通入高纯氩气使真空度达到2Pa，通过电离产生的载能氩离子轰击膨胀锥镀膜区域，进一步去除表面吸附物并使表面活化以利于获得高质量的TiN薄膜。
[0054]沉积TiN薄膜:采用多弧离子镀膜的方法在镀膜区域沉积厚度为2 μ m的薄膜3。首先，在工件表面沉积一层厚度0.2 μ m的Ti过渡层6以提高工件和TiN薄膜的膜/基结合力(图2)，Ti过渡层6主要沉积工艺参数为:弧电流80A，偏压-100V ;然后沉积TiN薄膜，主要沉积工艺参数为:弧电流60A，偏压-100V。按照此工艺制备的TiN薄膜硬度优于20GPa，膜/基结合力优于50N。
[0055]后处理:膨胀锥表面沉积TiN薄膜后，为降低薄膜内应力和防止氧化，在真空室内冷却至室温。
[0056]实施例2
[0057]如图3所示，TiN硬质薄膜3覆盖了全部的变径段2，没有覆盖定径段4和导向段
5。其他同实施例1。
【权利要求】
1.一种具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥，其特征在于，所述膨胀锥(I)的工作面外表面至少在膨胀锥变径段(2)的区域设置TiN或TiAlN薄膜(3)，所述薄膜(3)环绕膨胀锥设置一周；所述薄膜(3)厚度为0.5 μ m-5 μ m ;优选所述薄膜(3)纳米硬度在20GPa_30GPa。
2.根据权利要求1所述的膨胀锥，其特征在于，在所述TiN或TiAlN薄膜(3)和膨胀锥(I)工作面外表面之间还设置过渡层(6)，TiN薄膜(3)采用Ti过渡层，TiAlN薄膜(3)采用TiAl过渡层；优选所述TiN或TiAlN薄膜(3)和过渡层(6)形状匹配且重叠设置；还优选所述过渡层(6)厚度为0.1?0.5 μ m ;更优选为0.2 μ m。
3.根据权利要求1或2所述的膨胀锥，其特征在于，所述TiN或TiAlN薄膜(3)，以及所述过渡层(6)是通过多弧离子镀膜设置在所述膨胀锥(I)工作面外表面。
4.根据权利要求3所述的膨胀锥，其特征在于，所述的多弧离子镀膜包括预处理、沉积及后处理。
5.根据权利要求4所述的膨胀锥，其特征在于，所述薄膜的沉积的条件为:沉积时通入氩气和氮气的混合气使真空度为3.0X KT1Pa?2Pa，弧电流为50A?80A，偏压为-50V ?-400V。
6.根据权利要求3所述的膨胀锥，其特征在于，在多弧离子镀膜前还包括对膨胀锥进行离子清洗步骤。
7.根据权利要求6所述的膨胀锥，其特征在于，所述离子清洗步骤包括:将膨胀锥非镀膜区域遮挡，在真空条件下通过加负偏压的方式对轰击膨胀锥镀膜区域进行轰击清洗；其中优选用铝箔遮挡膨胀锥非镀膜区域；其中还优选所述载能离子为载能氩离子。
8.根据权利要求6所述的膨胀锥，其特征在于，在离子清洗步骤前还包括预处理步骤:先后用丙酮和乙醇清洗膨胀锥，清洗后将膨胀锥干燥处理。
9.根据权利要求4所述的膨胀锥，其特征在于，所述的过渡层的沉积的条件为:沉积时通入氩气使真空度为3.0XlO-2Pa?3.0XlO-1Pa,弧电流为50A?80A，偏压为-50V ?-400V。
10.权利要求3?9任意一项所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨胀锥的加工方法，其特征在于，所述方法包括通过多弧离子镀膜将所述TiN或TiAlN薄膜(3)，以及所述过渡层(6)设置在所述膨胀锥(I)工作面外表面。
【文档编号】C23C14/06GK103758477SQ201310741201
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】刘合, 商宏飞, 魏松波, 邵天敏, 李涛, 石白茹, 裴晓含, 郑立臣, 李益良, 孙强, 高扬 申请人:中国石油天然气股份有限公司, 清华大学