摘要：
非常规能源勘探开发技术中,迫切需要提高PDC钻头的防泥包性能和耐磨性能。超音速火焰喷涂技术制备的CoCr粉末金属陶瓷涂层具备优异的耐磨、耐蚀性能和良好的结合强度,适于对PDC钻头钢体进行强化,但需要提高其表面的疏水性能从而改善泥包问题。本研究利用超音速火焰喷涂制备了厚度为200μm的CoCr金属陶瓷涂层,采用砂纸研磨来改变表面粗糙度以及激光表面织构的方法对涂层表面进行改性,用扫描电子显微
非常规能源勘探开发技术中,迫切需要提高PDC钻头的防泥包性能和耐磨性能。超音速火焰喷涂技术制备的CoCr粉末金属陶瓷涂层具备优异的耐磨、耐蚀性能和良好的结合强度,适于对PDC钻头钢体进行强化,但需要提高其表面的疏水性能从而改善泥包问题。本研究利用超音速火焰喷涂制备了厚度为200μm的CoCr金属陶瓷涂层,采用砂纸研磨来改变表面粗糙度以及激光表面织构的方法对涂层表面进行改性,用扫描电子显微镜表征原始涂层的横截面形貌,白光形貌仪表征织构化涂层的三维形貌。通过接触角测试和摩擦实验测试其疏水性及摩擦学性能。
主要研究成果包括:
(1)增大表面粗糙度可提高表面的疏水性。接触角CA与粗糙度Sa呈现正比关系,涂层表面发生了从亲水性到疏水性的转变。泥浆润滑摩擦实验结果表明,表面粗糙度的增大会导致摩擦系数增大,磨损体积略有减小,但总体差别不明显。在摩擦过程中主要发生粘着磨损,同时伴随着氧化。
(2)经过激光织构处理的表面疏水性能均明显提高,间距100μm的网格织构接触角最大,在干摩擦下的具有明显的减摩作用。织构覆盖率R随着织构间距的减小而增加,CA值随织构覆盖率增加而增大。CA值的增加是由于表面形貌和化学组分变化的共同作用所致。干摩擦下每种织构的摩擦系数随着间距增加而增加,相同间距的网格,沟槽和凹坑的摩擦系数依次增加。在泥浆润滑条件下,三种织构的摩擦系数均高于原始表面。干摩擦下的磨损机理主要是粘着磨损和氧化磨损。在泥浆润滑下,织构表面主要发生三体磨损。
(3)氟硅烷修饰过的CoCr粉末金属陶瓷涂层表面均表现出了良好的疏水性及减摩性能。接触角随着织构覆盖率的增大而增大,并且改性后的接触角全都表现出疏水性,间距40μm,宽度100μm的织构与去离子水和钻井液的接触角最大,分别达到138.22°和125.5°。去离子水与改性织构表面的接触角结果与Cassie模型的理论值θc非常接近。泥浆润滑摩擦实验结果表明,在织构宽度或间距相同时,织构覆盖率越大,摩擦系数越小,且织构表面的摩擦系数基本小于抛光涂层表面。但是织构覆盖率增大,磨损体积也相应增加。