（油气井工程专业论文）钢体pdc钻头耐冲蚀性能研究.pdf

s t u d yo ne r o s i o nr e s i s t a n c eo fs t e e l b o d y p d c b i t f e n g y u n - c h u n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u y i - j i a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h eh i g hp r e s s i l r ed r i l l i n gt e c h n o l o g y , t h e p 陀s s u mo ft h ed r i l lp u m pw a si n c r e a s e dc o n t i n u o u s l y e r o s i o no fs t e e l - b o d y p d cb i tw a sm o r ea n dm o r es e r i o u s l e r e f o r e e r o s i o nr e s i s t a n c eo f p d cb i t s h o u l d b ee n h a n c e di m m e d i a t e l y t h ei n v e s t i g a t i o na n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a tw e l d e ds u r f a c i n gl a y e ro fn i 6 0a n dc o w cs e l f - m e l t i n ga l l o y p o w d e rc a np r e v e n td r i l l i n gf l u i df r o me r o d i n gb o d yo fp d cb i t ，s os e v e r a l e r o s i o nr e s i s t a n c em a t e r i a l sw e r ed e s i g n e do nt h eb a s eo ft h e m a n dt h e n ， t h e yw e r em a d ef r o ms o m ee r o s i o ns p e c i m e n sb yr e s u r f a c i n gw e l d i n ga n d h i g hv e l o c i t yo x y - f u e ls p r a y i n g t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a ts p e c i m e n so f n i 6 0 + 4 0 w ca n dc o - w cs e l f - m e l t i n ga l l o yp o w d e ra r eb e t t e rt h a no t h e r e r o d e ds p e c i m e n sw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e t h em a i n m e c h a n i s mo fe r o s i o ni st h a tt h eh a r dp h a s ei sm i c r o - c u r i n ga c t i o na n d i m p a c tr a p t u r e t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tr e s u r f a e i n gw e l d i n gt e c h n o l o g y i sf i t t e rf o rp d cb i tt h a nh i g hv e l o c i t yo x y f u e ls p r a y i n g k e yw o r d s ：s t e e lb o a yp d cb i t ，e r o s i o n , e x p e r i m e n t ，r e s u r f a c i n gw e l d i n g ， n i 6 0 独创性声明 本人声明所呈交的论文是个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名；冯乏考 - 占年多月工日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：三g 逸 导师签名；l 金垂鱼益 。2 卯石年月2 日 工一年 彳月2 日 中国打油人学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 第1 章前言 p d c 钻头( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tb i t ) ，又名聚晶金刚石复 合片钻头，在低钻压下就能获得较高钻速及高的进尺( 高于牙轮钻头卜6 倍) 。p d c 钻头分为钢体和胎体两种，钢体p d c 钻头可采用机加工的方法 完成钻头体的制作，较之胎体p d c 钻头工艺简单，精度高，成本低，而 且性能卓越等优点越来越受到人们的亲睐。但钢体p d c 钻头存在一个严 重的缺陷：因为钢体p d c 钻头的钻头体为钢材( 一般为3 5 c r m o 等) ，因 此其抗钻井液冲蚀的能力较差，经常因钻头体受到严重冲蚀而造成p d c 切削齿脱落或钻头体严重损坏，使得这类钻头的使用寿命大大降低，从 而极大地影响了钻井速度，造成巨大的经济损失。据调查显示，几乎所 有的p d c 钻头工作一段时间后均存在不同程度的冲蚀，而且随着高压喷 射钻井技术的发展，泵压越来越高，钻头体的冲蚀更加严重。因此对p d c 钻头的耐冲蚀性能就提出了更高的要求，目前较为有效的解决方法是采 用表面硬化技术在钻头体的表面覆一层耐冲蚀硬化层，使得钻头体抗冲 蚀能力大大提高。因此优选出一种或几种耐冲蚀的表面涂层材料用于提 高钢体p d c 钻头的耐冲蚀性能是非常有意义的，也是很有必要的。 本文的主要研究内容及方法：设计几种耐冲蚀涂层材料，并用堆 焊与超音速喷涂方法将耐冲蚀材料喷涂在钻头体材料上制成冲蚀试件； 用现场取回的钻井液对试件进行冲蚀实验，通过实验对比优选出性能 最佳的耐冲蚀材料以及适合p d c 钻头的表面防护技术；o 借助扫描电镜 研究钻井液对涂层的冲蚀机理。 中国石油人学( 华东) 硕十论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 2 1 冲蚀理论研究进展 从1 9 5 8 年第一个冲蚀理论微切削理论闽世开始，研究者们提出了一 系列关于冲蚀的模型1 i ，力图解释或预测材料的冲蚀行为，但到目前为 止还没有一种能够完整、全面地揭示材料冲蚀的内在机理。 ( 1 ) 微切削理论 f i r m i e 讨论t e jz j 性粒子( 有足够硬度，不发生变形) 对塑性金属的冲蚀 提出了微切削理论，这是第一个定量描述的完整理论，其体积冲蚀率v 随入射角a 变化的综合表达式如2 1 ，式中m 为粒了的质量，为粒子速 度，为粒子与靶材问的弹性流动压力。 矿：五了, f u 2 八口) ( 2 - i ) 经实验验证【4 】，该模型较好地解释了小冲击角下塑性材料受刚性粒子 冲蚀的规律，但对大冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大，特别是在冲击 角为9 0 0 时，其相对冲蚀体积为零，这与实际情况严重不符。微切削理论 的另一个缺点是粒子入射速度与靶材失重率之间的二次方关系，与大量 实验数据有差距( 一般认为r l 为2 2 2 4 而不是2 ) ，f i n n i e 后来对此进行 了修正 ( 2 ) 基于单点冲蚀的切削模型 h u t c h i n g s l 5 1 用高速摄影法观察单个球形粒子及立方粒子以3 0 0 冲击 角冲击金属表面的情况，根据实验结果提出犁削和切削两种切削模型， 示意图见图2 1 。 h u t c h l n g s 只做了小冲蚀角的单颗粒实验，其它的些实验观察表明， 多角粒子也不易出现图2 1 中典型情况。 2 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 a 】 b ) c ) 图2 - 1 几种典型冲蚀坑侧切面示意图 a ) 犁削，b ) 切削i 型，c ) 切削1 1 型 b u d i i l s 虹【川将单点冲蚀划分为四类，主要针对多角粒子；( a ) 点坑型冲 蚀，类似于硬度压头的对称性菱锥体粒子正面冲击造成的；( b ) 犁削，类 似于犁铧对土地造成的沟，凹坑的长宽度，材料被挤到沟侧面；( c ) 铲削， 在凹坑出口端堆积材料而铲痕两侧几乎不出现变形；( d ) 切片，凹坑浅，r 由粒子斜掠而造成的痕迹。四种基本类型的示意图2 2 。 9 廖 。移 诠杰 一 图2 - 2 冲蚀破坏四种基本类型 ( a ) 点坑( b ) 犁削( c ) 铲削( d ) 切片 中国年i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 ( 3 ) 锻造挤压理论 锻造挤压理论【7 j 也叫“成片”( p l a t e l e t ) 理论是由l e v y 在大量实验 的基础上提出来的。简而言之，冲击时粒子对靶面施加挤压力，使靶材 出现凹坑及凸起的唇片，随后粒子对唇片进行“锻打”，在严重的塑性变 形后，靶材呈片屑从表面流失。冲蚀中表面会吸收入射粒子的动能而发 热。图2 3 所示为镀铜钢靶在冲蚀中形成片屑的设想模型。 图2 - 3 镀铜钢靶在冲蚀中形成片屑的设想模型 ( 4 ) 变形磨损理论 b i r e r 【9 1 提出冲蚀磨损可分为变形磨损和切削磨损两部分，9 0 0 冲击角 下的冲蚀磨损和粒子冲击时靶材的变形有关。他认为反复冲击产生加工 硬化，并提高材料的弹性极限，粒子冲击平面靶的冲击应力。小于靶材 屈服强度a s 时，靶材只发生弹性变形，当o o ；时，形成裂纹，靶材产生 弹性和塑性两种变形。他基于冲蚀过程中的能量平衡。推导出变形磨损 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 量和切削磨损量，总磨损量为两者之和。该理论在单颗粒冲蚀磨损试验 机上得到了验证，可较好地解释塑性材判的冲蚀现象，但缺乏物理模型 的支持。 ( 5 ) 弹塑性压痕破裂理论 7 0 年代末，e v a n s 1 0 】等人提出了弹塑性压痕破裂理论，他们认为压痕 区域下形成了弹性变形区，尔后在负荷的作用下，中间裂纹从弹性区向 下扩展，形成径向裂纹。同时，在最初的负荷超过中间裂纹的临界值时， 即使没有持续负荷，材料的残余应力也会导致横向裂纹的扩展。他们根 据冲击中接触力包括动态应力，粒子透入靶面时不产生破坏的假定，推 导出的材料体积冲蚀量v ，入射粒子尺寸r ，速度v ，密度p ，材料硬度h 及材料临界应力强度因子l ( c 之间存在如下关系： v 芘v o 2 ，”p 巧”日4 ”( 2 - 2 ) 此外，开始发生断裂的临界速度圪可由下式确定： 屹o c h 。 ( 2 3 ) ( 6 ) 二次冲蚀理论 在冲蚀中脆性粒子冲击靶面会发生破碎，这种碎裂后的粒子碎片将 划靶面产生第二次冲蚀。t i l l y 1 1 1 用高速摄影术、筛分法和电子显微镜术 研究了粒子的碎裂对塑性靶材冲蚀的影响，指出粒子碎裂程度与其粒度、 速度及入射角有关，粒子碎裂后可产生二次冲蚀，此模型把冲蚀过程视 为两个阶段：粒子直接入射造成的一次冲蚀和破碎粒了造成二次冲蚀。 上述几种理论中，微切削理论用于解释刚性粒子小冲蚀角冲蚀时的 切自0 情况，锻造挤压理论侧重于大冲蚀角的冲蚀成片过程变形磨损理论 则着重于冲蚀过程中的变形过程及能量变化，弹塑性压痕破裂理论较成 功解释了刚性粒子在较低愠度下对脆性材料的冲蚀行为。 中国石油人学( 华东) 硕七论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 2 2p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 2 2 1 钻头体的冲蚀磨损机理分析 p d c 钻头在井下工作过程中主要存在两种磨损形式，一是机械磨损， 它存在于钻头体与井下岩石之间的接触摩擦产生；二是钻井液与钻头体 之间的冲蚀磨损，钻头体被钻井液严重冲蚀时，可造成p d c 齿失去保护 而脱落，使钻头报废冲蚀磨损是指流体或固体颗粒以一定的速度或者 角度对材料表面进行冲刷和打击造成材料表面流失现象。 钻井过程中，钻井液中本身就带固相颗粒，而且当井底坚硬的岩石 被钻头切削磨碎，成为较小的坚硬的颗粒，此时在钻头喷嘴高速喷出的 钻井液带动下就形成了带磨料的高速流体，类似于磨料射流。这种流体 一方面会对井底造成冲蚀，加速了钻井过程，而另一方面会对耐磨程度 较低的钻头体造成严重的冲蚀。因此可以看出钻井液对钻头体的冲蚀破 坏其实就是钻井液本身体对钻头的冲蚀破坏和砂粒、岩屑等对钻头体的 冲击、磨削破坏。 2 2 1 i 钻井液冲蚀 空化冲蚀( 空蚀) 空化冲蚀是由空化现象引起的。所谓空化现象【1 2 】是指液体内部压力 局部降低到饱和蒸气压时，液体的内部或液固界面上空穴( 空泡) 的形 成、发展和溃灭的过程。在空化现象中发生的空泡溃灭是一个瞬日j 的动 力过程。由于空泡的溃灭过程发生于瞬日j ( 微秒级) ，因而在局部产生极 高的瞬时压力，当溃灭频繁出现在钻头体表面时，钻井液中不断溃灭的 空泡所产生的极高压力引起的反复冲击作用，使钻头体表面产生严重破 坏，这种现象成为空化冲蚀。对于钻井液，当其通过喷嘴射出时，当钻 井液携带泥沙进入低压区后，首先在这些微小的颗粒相交的界面上形成 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 空穴，强化了空化。当这些微小的颗粒流经钻头体时，空穴破裂形成微 射流便会造成对钻头体的破坏，其破坏力比液体的压力大得多。对金属 材料而言，表面硬度较高时抗空蚀能力较强，结晶粒度愈细，抗空蚀性 能愈好，表面有致密而坚固的硬质膜时，可大大的延缓空蚀破坏的过程。 射流冲蚀 液滴对固体表面的高速冲击产生使表面损伤有两种效果：a 在冲击点 产生高压：b 液体从冲击点出发呈放射状沿着表面高速流动，这种现象发 生在初始压力脉冲消失的时候。 在射流过程中，液滴和表面之间的每次冲撞都能造成损伤。冲击能 在被冲击面上造成一个周向裂纹，其严重程度取决于材料表面的性质和 冲击能量的大小。冲击以后，液体便高速地向四周流走，当向四周散开 的液体冲击到附近的表面突棱时，其冲击力波及突棱根部，造成裂纹。 往后，其它液滴随之而来的冲击就把裂纹加宽或将突棱整个折断。 2 2 1 2 固相颗粒的冲蚀 根据井底流场的分析，流体的流向基本上与钻头体的排屑槽轨迹重 合，因此流体中的沙粒和岩屑对钻头体的冲击可以看作为小角度冲击。 图2 4 为单一粒子冲击钻头体金属表面的示意图： 图2 4 单一粒子冲击金属表面示意图 7 一， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 如图2 4 中所示，质量为m 的粒子以速度v ，倾斜角a 冲击材料的表 面，由于惯性力的作用对材料发生犁削作用，且假定粒子在切学会属中 将不受到破坏。为了计算时方便假定为二维情况。很明显可以看出粒子 的惯性冲量可以分为两部分： 水平方向：l x = m v c o s a ；垂直方向：l y = m v s i n a 垂直方向的冲量主要作用是冲击金属表面引起金属表面的塑性变 形，形成凹坑。垂直方向的破坏可有凹坑的深度h 衡量。水平方向的冲 量主要作用是将粒子在水平面上推动，对金属表面进行切削。可以用粒 子在金属表面的划过的距离来衡量。 由前面的分析得知，a 一般较小，所以垂直方向的惯性很小，其大小 直接取决于质量的大小。因此对金属的破坏也可以分为两种情况，同时 也表征着两种不同的破坏机理： 磨削机理 粒子的质量较小时，垂直方向的冲击力很小，余属表面上有冲击形 成的凹坑的深度也较小，因此粒子沿金属表面切削的阻力也较小。粒子 可以将金属表面的金属磨削掉，留下犁沟状的犁痕。这很像用石英砂轮 在金属表面打磨，留下的痕迹。这就是金属冲蚀中的磨削机理。 冲击疲劳机理 粒子的质量较大时，垂直方向的冲击力很大，金属表面上有冲击形 成的凹坑的深度也较大，因此粒子沿金属表面切削的阻力也较大。此时 仅凭借粒子的水平惯性并不可以将金属从金属表面切削掉。而是在图中 画圈处，滞留下形成“唇”状堆积，这种堆积是塑性变形的积累，唇部 金属的晶格畸变，导致金属的塑性、韧性下降而脆性上升。当许多的粒 子以不同的方向向金属表面地进行冲击时，便会形成不同方向的会属堆 积，同时了对已经形成的唇状堆积的进行挤压，进而形成疲劳裂纹，进 8 中国年i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章p d c 钻头冲蚀詹损机理分析 而断裂。这样在不断的压坑形唇挤压剥落过程中，金属的表面逐渐受 到破坏。 形成切屑是单颗粒冲击情况下材料磨损的唯一形式，薄片屑的形成 是多次冲击的综合结果。当磨粒开始冲击表面时一般把材料挤压到坑的 边缘，随后连续不断的冲击揉搓表面层，从而形成了强烈变形的表面结 构，终因加工硬化造成表面脆性断裂，形成薄片状屑。表面的层状结构 和磨粒的嵌入都有助于断裂。簇团屑的脱离是由于冲蚀形成了极端不平 的表面形貌，表面吸收了大部分的冲击能都转化为表面能耗散在材料内 部。如果表面突起部分遭到磨粒冲击，表面的几何形状会降低冲击点的 散热速度因而在局部地方产生高温，是突起部分软化，就可能断裂脱离 表面。 以上论述中将井底的流体分为两部分：浆体和固相颗粒，其实材料 的冲蚀磨损为气蚀和固相颗粒切削的联合作用，流体中这两种不同的成 分对钻头体的破坏是不可分割的，是同时进行的，它们互相影响，并相 互促进，因此对钻头表面的联合破坏比任何单一的破坏更为严重。我们 可以得出以下总结： 流体的固相颗粒含量的增加，对钻头体的切削磨损就大大增强： 固相颗粒在撞击钻头表面的瞬间会产生大量的热，可以急剧提高 钻头表面局部的温度，同时又遭到周围钻井液的急速冷却，因而会加速 钻头表面的疲劳破坏； 裂纹形成后，由于钻井液流体的压力较高，一部分液体将被压入 裂纹并聚集在裂纹的尖端，加速了裂纹的扩展，进而加速钻头体表面材 料的破坏： 较大的固相颗粒的冲蚀可使金属表面变得粗糙，而且变形发生冷 却硬化，使表面的金属变脆，在较低流速下便可被冲蚀剥落。 9 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 2 2 2p d c 切削齿失效机理分析 p d c 钻头的工况条件非常苛刻，不但承受巨大的钻压同时还承受巨 大的冲击载荷，还有钻井液的冲蚀、腐蚀作用，同时还承受切削过程中 与井底坚硬岩石的摩擦等，这就要求聚晶金刚石复合片具有高的强度， 硬度，又要具有足够的韧性。但由于聚晶金刚石复合片本身的特性是极 其坚硬、耐磨，质地较脆，韧性太差，热稳定性差。因此在井下恶劣的 工况下p d c 切削齿很容易失效。常见的p d c 切削齿失效有微断屑、宏观 破裂、平滑磨损、剥离和热龟裂失效几种形式【1 3 l 。 ( 1 ) p d c 切削齿微断屑失效分析 微断屑表现为金刚石片近似地沿切削方向形成微尺度( 啪m m ) 的片 状断裂。其裂纹起源于金刚石片的圆平面上，继而向纵深发展而导致微 片状断裂。图2 5 为微断屑产生过程示意图。微断屑常常在钻头工作一定 时间之后发生，由于钻头工作时，承受的负荷的交变以及p d c 表面局部 的高温与冷却的交变，因此，p d c 承受机械疲劳与冷热疲劳的共同作用， 达到一定周期，萌生裂纹，继而扩展导致微断屑断裂。由于切削过程中， p d c 平面与切削平面的法向成一定角度( 称后倾角) ，有研究表明1 1 4 l ，对 中软岩层，小的后倾角，可减少微断屑的发生。需要指出的是，微断屑 失效发展速度比平滑磨损快，损害也严重得多。 图2 - 5 微断屑产生过程示意图 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 ( 2 ) p d c 切削齿宏观破裂失效 宏观破裂表现为大尺寸的金刚石层的破断，其裂纹起源于金刚石片 的圆柱面上，它是p d c 切削齿破环最为严重的一种失效形式，通常导之 钻头报废。图2 - 6 为典型宏观破裂断口形貌，图2 7 为其示意图。由于钻 头在钻进过程中遇到硬质岩石或岩性变化较大的岩层时，钻头受到较大 的冲击负荷，尤其是p d c 切削齿与岩石接触面较小时，致使切削齿在短 时间内承受超负荷而导致发生大尺度的宏观破裂，导致钻头的报废。现 场使用经验表明，当井底存在有破损的钻头碎块或刚性物而未被及时打 捞清理时，也会导致工作钻头遭受非正常的冲击，使钻头发生宏观断裂。 此外，保持稳定的钻压，钻速，尽力避免大的冲击，也是减少发生宏观 破裂的措施。 图2 - 6 典型宏观破裂断口形貌 图2 - 7 宏观破裂示意图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 ( 3 ) p d c 切削齿平滑磨损失效分析 p d c 切削齿的平滑磨损的特征是磨损面宏观上表现为较为平整，其 金刚石层和w c 基托均在切削过程中被磨损而形成磨损平面( 图2 8p d c 齿平滑磨损示意图) 。切削过程中，因为w c 硬度低于金刚石，所以率先 遭磨损的是w c 基托，这样临近w c 基托的金刚石就失去了w c 的有效 支撑，形成金刚石“唇”边，在切削力的作用下，唇边承受着拉应力， 并导致拉应力裂纹萌生、扩展，最终屠边断裂，导致未破裂的会刚石层 与岩石接触面积减少，承受应力更大，又加速导致金刚石片的破裂，一 旦金刚石片整个接触面均遭到破坏，则w c 基托又重新有效地接触岩石， 接着又发生w c 基托优先被磨损掉，形成平滑磨损过程的循环。但比较 其他失效形式，平滑磨损过程是缓慢的，属正常的失效形式。j 下由于“唇” 区域的形成，使余下的金刚石与岩石的接触面积减小，使单位面积的切 削力增大，而形成自锐效应【，自锐效应有利于保持钻头的有效切削能 力。 图2 - 8p d c 齿平滑磨损示意l ! f i ( 4 ) p d c 切削齿剥离失效分析 剥离表现为金刚石层与碳化钨基托的粘接破坏造成剥离，致使刃口 变钝而失去切削能力。在切削过程中，切削齿因磨擦热而升到高温，而 当钻头因振动等短时脱离与岩层接触时，又被冷却泥浆急冷，而由于p d c 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 各层间热膨胀系数差异，导致p d c 各层的热胀冷缩的差异，造成极大的 内应力【l ，l ，当其超过粘结层结合强度时，就造成剥离。在研究分析中， 发现剥离失效的钻头，常伴随有宏观破裂的失效，因此可认为钻头承受 的短时冲击超负荷也是促使剥离失效的因素之一。因此，预防剥离可从 材料制造过程中提高各层间的结合力，改善材料间的热胀系数的匹配， 避免冲击载荷发生等方面着手 ( 5 ) p d c 切削齿热龟裂实效分析 热龟裂表现为p d c 材料表面形成一定深度的网状龟裂纹。当温度高 于7 3 0 时，由于p d c 复合片中各种物质的热膨胀系数不同而产生的内 应力超过了各种物质晶体之间的结合力，从而使p d c 片内产生裂纹或者 出现金刚石颗粒脱落现象。这时在w c 基托层及金刚石层均会发生热龟 裂，它是冷热应力的交变作用的结果，尤其是材料表面，冷热应力最高， 故热裂纹萌生于材料表面，可以看出，首先要形成大面积的磨损平面而 产生足够的热量，接着才会在多次冷热循环中，因热应力足够大导致材 料表面热龟裂的发生。因此，热龟裂也是磨损失效的必然结果。 当温度高于1 2 0 0 时，即使处于惰性气体和还原状态中，不管天然 金刚石还是人造金刚石都会转化为石墨。在有氧条件下，在8 7 5 的温度 时，金刚石也会迅速转化为石墨。因此热化学原因引起的p d c 切削齿破 坏后果也是相当严重的。 2 3 本章小结 本章通过大量调研了解到，f i n i l i e 论讨了刚性粒子对塑性金属的冲蚀 提出了微切削理论，这是第一个定量描述的完整理论，该模型较好地解 释了小冲蚀角下塑性材料受刚性粒子冲蚀的规律，但对大冲蚀角或脆性 材料的冲蚀偏差较大：h m c l l i i l g s 用高速摄影法观察单个球形粒子及立方 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章p d c 钻头冲蚀磨损机理分析 粒子以3 0 0 攻角冲击金属表面的情况，根据实验结果提出犁削和切削两种 切削模型；l e v y 在大量实验的基础上提出锻造挤压理论，他认为冲击时 粒子对靶面施加挤压力，使靶材出现凹坑及凸起的唇片，随后粒子对唇 片进行“锻打”，在严重的塑性变形后，靶材呈片屑从表面流失。 在对p d c 钻头冲蚀磨损机理研究中发现，主要存在两种形式，一是 机械磨损，它存在于钻头体与井下岩石之间的接触摩擦产生；二是钻井 液与钻头体之间的冲蚀磨损，这种破坏实质是射流冲蚀、空化冲蚀和固 相颗粒微切削的联合作用，它们同时进行，互相影响，并相互促进。钻 井液中带有大量固相颗粒，加上被破坏的井底岩屑，在高速流动的钻井 液驱动下就成了高速磨料射流，这种射流将对钻头体造成极大伤害，对 钻头表面的联合破坏比任何单一破坏均要严重，甚至可造成p d c 齿失去 保护而脱落，使钻头报废。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章涂层材料设计及防护技术优选 第3 章涂层材料设计及防护技术优选 3 1 涂层材料研究现状 热喷涂技术是表面工程领域中的十分重要的技术，在过去的十年中， 热喷涂技术发展迅速( 每年增长5 - 1 0 ) ，2 0 0 1 年全球热喷涂产值就已高 达2 3 5 亿美金。在各种新型，优质热喷涂技术不断涌现的情况下，热喷 涂材料已成为制约热喷涂技术应用和发展的关键。热喷涂材料的分类和 发展概况列于表3 1 。通常按材料形态有喷涂粉、丝材、粉芯丝材等；按 材料种类有金属及特殊金属材料、有机聚合物材料、陶瓷材料、生物材 料；按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及 由这些材料复合构成的复合涂层材料。目前，为了满足对材料多功能、 高性能等的要求，多种材料的复合、纳米材料，新型合金或非晶材料的 使用成为热喷涂材料发展的主要趋势 1 6 l 。 表3 1 热喷涂材料的分类 多种材料 涂层材料单一材料 系统材料复合材料 金属或合金 多层热障涂层 现有材料 陶瓷( 氧化物)铝基m m c s 高硬金属 ( t b c ) 聚合物 铝合物 双层涂层 新开发材料纳米级晶体 多层涂层 f r f 复合材料 准晶体 梯度功能 m m c s 智能材料等 c m c s 非晶体等 随着对工程机械设备性能要求的的不断提高，热喷涂技术的完善和 发展，热喷涂技术的应用主要受限于热喷涂材料和工艺设备的发展。因 此热喷涂材料的研究是2 l 世纪热喷涂发展的关键，也是热喷涂技术发展 的动力。下面介绍一下几种典型的喷涂材料。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章涂层材料设计及防护技术优选 ( 1 ) 特殊金属材料 锌、铝金属是最常用的热喷涂材料。已广泛应用于钢构件在恶劣环 境条件下的腐蚀保护。目前，熟喷涂金属材料研究较多的是一些合金材 料。热喷涂用金属合会材料主要有n i 基自熔合金( n i 2 0 c r ，n i 6 0 ， n i 5 0 c r ，n i 2 6 c r b s i ，n i l 8 c r 4 m o f e c u b s i ，n i l 8 c r l 3 m o f e c u b s i 等) 、 c r 基合金( c r - 3 8 n i 2 5 m o - 0 5 b 1 o s i ) ，新近开发的这种c r 基合 金在8 5 v 2 0 5 - 1 5 n a c l 熔盐槽中9 0 0 c 下进行抗腐蚀试验表明该合金具 有极好的抗腐蚀性能，腐蚀失重约为n i 2 2 0 c r 合金失重的1 7 。 近年来，热喷涂非晶材料成为学者们关注的一个焦点。表3 2 所列为 部分非晶涂层的性能和应用情况。有关报道表明某些非晶态金属合金比 相似成分的晶态合金具有高得多的耐磨性和耐蚀性。因此，很多学者试 图利用涂层状态的非晶态合金来降低磨损和腐蚀。j i nh w 等人【l 订研究了 爆炸喷涂f e c r - b 合金涂层的微观组织和耐磨性。结果表明。f e c r - b 合 金涂层在滑动摩擦过程中动态产生菲晶态表面膜，导致涂层的耐磨性显 著提高，同时摩擦系数显著降低。这种涂层在摩擦过程中向非晶态转交 主要是由于含有过饱和b 和s i 的f e - c r 固溶体相造成的。此类在涂层表 面能动态形成非晶态层的结构材料具有极大的应用潜力，可用于在苛刻 条件下工作的滑动摩擦部件的抗磨和防腐。w a n gb 等人考察了几种试验 性非晶态热喷涂涂层的高温耐蚀性能，结果表明，d u o c o r 涂层具有最好 的耐蚀性能，与a i s i 钢相比，材料的腐蚀减少到l ，2 6 ，x j 1 6 ，6 0 t 和 a r m a c o r m 涂层具有相近的耐蚀能力，材料腐蚀减少到近l ，7 。这些涂层 的高温耐蚀性是由于高密度和细微的板条组织造成。k i s h i t a k e 等采用低 压等离子喷涂设备( l p p s ) 锘j j 备的f e 1 0 c r - 1 3 p 7 c 合金的非晶涂层，具有 非常好的抗腐蚀性。此外，o t s u b o 等【l8 】用低压等离子喷涂( l p p s ) 、高速 火焰喷涂( h v o d 和高能等离子喷涂( h p s ) 分别制备了f e c r ( m o ) - c ( - p ) 金 中国石油人学( 华东) 硕十论文第3 章涂层材料设计及防护技术优选 属合金非晶涂层。结果发现，l p p s 涂层中只有非晶相，而其它涂层是非 晶与晶体相的混合，涂层均显示出很高的硬度。在7 7 3 k 或更高温度下可 实现非晶的晶体化，此时涂层具有很高的硬度。 表3 2 非晶涂层 涂层制备方法性能应用 涂层滑动摩擦过程中动态产 f e c r - b 涂层爆炸喷涂生非金态表面膜，导致涂层的 可用于 耐磨性能显著提高。 提高苛 高速火焰喷耐蚀性能最好，与a i s i 铜相刻条件 d u o c o r 涂层 涂( h v o f )比，材科的腐蚀减少到1 2 6 。下工件 f e 1 0 c r - 1 3 p - 7 c 合低压等离子 具有非常好的抗腐蚀性 滑动摩 金非晶涂层喷涂( l p p s )擦部件 f e - c k m o ) - c ( - p ) 合低压等离子涂层显示出很高的硬度和耐的耐磨 金非晶涂层喷涂( l p p s )蚀性。和抗蚀 f e b - r e m 非晶涂 电弧喷涂 稀土加入可显著提高涂层的 性能。 层耐磨和抗蚀性能 ( 2 ) 陶瓷材料 陶瓷材料因其优异的高温性能而成为热喷涂技术中一种重要的喷涂 材料。表3 3 列出部分陶瓷涂层的性能和应用情况。这类材料主要用于高 温部件( 发动机等) 的腐蚀、氧化及磨损防护。如用大气等离子喷涂方法制 备的z r 0 2 s i 0 2 陶瓷涂层1 1 9 1 ，该材料喷涂后形成立方t - z r 0 2 和无定形 a s i 0 2 涂层结构，通过1 4 7 3 k 热处理，t - z r 0 2 相转变为单斜m - z r 0 2 ，涂 层中的裂纹小时，开孔孔隙下降，该涂层可用于恶劣工况下防腐和抗氧 化保护。然而，单一的陶瓷涂层因为其具有较多的孔隙、较低的断裂韧 性和与金属底材差别较大的热膨胀系数而受到较大的限制。目前此类涂 层材料主要集中在c r 3 c 2 ( n i c r ) ，w c c o 或w c - c o - c r ，w c - c r - n i ， t i c c r n i m o 等的性能研究和应用。c r 3 c 2 ( n i c o 金属陶瓷涂层高温稳定性 好、硬度高、热膨胀系数与钢接近，主要用于高温抗氧化、磨损和腐蚀， 1 7 中国石油大学( 华东) 硕七论文第3 章涂层材料设计及防护技术优选 如高温密封系统和汽轮机耐冲刷。 表3 - 3 陶瓷材料涂层 涂层制备方法性能应用 z r ( h s 0 2 陶瓷 等离子喷涂 优异的防腐和抗氧恶劣工矿下防腐 涂层化性能和抗氧保护 c r j c 2 - 0 q i c r ) 金等离子喷涂和爆炸 高温稳定性好，硬高温抗氧化、磨损 属陶瓷涂层喷涂等方法度高。和腐蚀。 w c - c o 基金属较高的抗磨和抗腐 陶瓷涂层 等离子喷涂切削刀具 蚀性能 高的合金稳定性、切削刀具提高材 t i c 基复合涂层等离子喷涂与金属相粘结性高料高温寿命和性 和抗氧化性 能。 法国学者b a r t y s 等 2 0 2 1 应用空气等离子喷涂和爆炸喷涂等方法制备 的c r 3 c 2 - ( n i c r ) 涂层致密，在高温各种载荷和速度下均表现出优异的抗 磨性和摩擦系数稳定性，用于高能铁道制动器部件及一些高温抗磨部件 具有较好的效果。 w c 基金属陶瓷涂层材料适宜于各种磨粒、? 中蚀和滑动磨损的防护。 w c c o 基金属陶瓷涂层常用于切削刀具，该类涂层的抗蚀性较差，加入 c r 元素后形成的w c c o c r 可显著改善抗腐蚀性斛2 2 1 。 在现代材料研究中陶瓷已成为品种、功能极多的一个材料大家族。 陶瓷材料具有高熔点，高硬度、高刚度及高化学稳定性，近年来对陶瓷 材料韧性化的深入研究又在一定程度上克服了陶瓷材料加工困难和容易 发生脆性断裂的不足，使得陶瓷材料用作涂层材料很有发展前景。陶瓷 材料主要有以下几种： ( d a l 2 0 3 陶瓷。a h 0 3 陶瓷的硬度高、耐磨性好，因而常被用作涂层 材科。文献【2 2 】研究了等离子喷涂a 1 2 0 3 涂层与a i s i d 2 钢配副的磨损性 能，结果表明：a 1 2 0 3 涂层的磨损与载荷和滑动速度有关，且存在一个最 大磨损量的载荷。如在于摩擦条件下，发生最大磨损量的载荷是8 8 5 n ； 8 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章涂层材料设计及防护技术优选 在油润滑条件下，最大磨损量的载荷是1 3 6 9 k n ；在干摩擦条件下，产 生最小磨损量和最大磨损量的滑动速度分别为l i i i s 和5 m ，s ；在油润滑条 件下，滑动速度超过l 耐s 时，磨损量剧增。总体来讲，a 1 2 0 3 涂层的磨 损很小。 c n 0 3 陶瓷。c n 0 3 陶瓷硬度很高，且摩擦因数低，c r 2 0 3 基涂层常 用于改善内燃机活塞与套筒之间的摩擦磨损性能。文献【2 2 】研究了等离子 喷涂c r j 0 3 涂层自配副在4 5 0 时的磨损性能，结果表明；在达到稳定阶 段以后，磨损率小于1 0 9 9 n m 。 瓢0 2 陶瓷与t i c 基复合涂层材料。与a h 0 3 和c n 0 3 陶瓷相比，n 0 2 陶瓷硬度较低但韧性高。这种涂层一般用在轴衬套和泵密封件上，抵抗 5 4 0 以下的磨损。文献【2 3 】研究了等离子喷涂面0 2 涂层在不同载荷，不 同速度下与不锈钢配副的摩擦磨损性能，结果表明：涂层的磨损量随载 荷的增加而增加，随滑动速度的增大而减少，摩擦因数约在0 4 - 0 6 之间， 并认为磨损量随滑动速度的增加而降低的原因之一是在摩擦表面之间形 成的f e 2 0 3f e 3 0 4 薄膜，有自润滑作用；其次是在高温下丽d 2 涂层软化， 降低了研磨磨损。 最近，n c 基复合涂层材料受到更多的重视，主要因为碳化物具有高 的合金稳定性和与金属相较好的粘结性。t i c 具有高的硬度和低的密度。 具有很高的相结构稳定性，t i c 基材料的抗氧化性与c r 3 c 2 - n i c r 相当， 目前已有用面c 基复合涂层代替w c c o 基切削刀具提高材料高温寿命和 性能的研究1 ( 3 ) 自熔性合金 自熔性合金体系是指以铁、镍、钴为基加入强脱氧元素硼和硅后， 成为溶点低、能自行脱氧造渣的一类低熔点合金。自熔性合金具有自熔 性、低熔点、好的润湿性等特性。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章涂层材料设计及防护技术优选 ( d n i 6 0 自熔合金粉末( 主要含n i 、c ，c r 、b 、s i ，f e ) 是镍基自熔 合金粉末系列中最重要牌号之一。n i 6 0 涂层硬度在h r c 6 0 左右，具有优 良的耐磨、耐蚀和抗氧化等综合性能，且具有一定的可加工性。用于零 部件表面修复和预保护，可使其寿命比原先提高几倍乃至几十倍。 n i c r - b s i - m o 合金粉末。在n i c r - b s i 系合金中加入一定量的 m o ( 含量大于3 0 ) 时，由于消除了涂层内的n i 3 b 网状组织，提高了 涂层的韧性因此显著提高了涂层的耐气蚀冲蚀性能。 含碳化钨的自熔性合金粉末。为了进一步的提高自熔性合金粉末 涂层的硬度、耐磨性和抗氧化性，可在涂层硬度为5 0 h r c 的镍基和钴基 自熔性合金粉末中加入3 0 8 0 的碳化钨颗粒。碳化物颗粒硬度可达到 7 5 h r c 以上，弥散分布在分布在镍基和钴基自熔性合金涂层基体中，可 显著的提高了涂层的耐冲蚀、气蚀能力。 ( 4 ) 有机材料 热喷涂有机聚合物材料主要用于腐蚀环境金属结构的防护以及材料 表面的减摩，润滑。目前，热喷涂用低熔点热塑性材料主要有聚酰胺、 聚氨脂、聚乙烯、乙烯等，用于腐蚀防护和装饰。目前对高熔点、高性 能聚合物如p p s ( 聚苯硫醚) 和p e e k ( 聚醚醚酮) 的研究逐渐增多，与传统 聚合物相比，这类材料熔点相当高( 高达3 4 0 c ) ，且能显著提高机械和化 学稳定性。p e e k 涂层具有耐擦伤性好、耐热性好、可燃性小及耐化学性 优良等性能。因此，这类材料对化学工业，尤其是腐蚀环境中受热区应 用十分有价值。此外，用于特殊工况或环境的特殊有机材料也得到开发。 其中新近研究出的乙烯基甲基丙烯酸( e m a a ) 和乙烯基四氟乙烯( e t f e l 热喷有机材料防腐涂层，在对化学侵蚀和生物降解方面具有优异的抵抗 作用。 ( 5 ) 纳米材料 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章涂层材料设计及防护技术优选 因为纳米材料与其相应的微米级材料相比具有许多优异的性能，所 以近年来，有关纳米材料的研究和应用受到了普遍的关注。目前，在高 质量纳米粉体制各方面已取得了重大进展，有些方法已在工业中应用。 但是，如何充分利用这些材料，如何发挥出纳米材料的优异性能是亟待 解决的问题。然而，最有可能从纳米材料中获益的是通过热激活方法沉 积涂覆层的工艺。热喷涂法制备纳米级晶粒涂层主要优点是适应性和费 用的可行性，这有可能很快导致纳米级晶粒材料工业应用的实现。实践 证明。可以采用热喷涂纳米晶体粉末的方法生产纳米晶体涂层。例如， 有关纳米组织w c 1 2 c o 和w c 1 5 c o 涂层热喷涂过程的研究显示出良好 的发展前景，在涂层组织中可以观察到，纳米级微粒散布于非晶态富c o 相中，结合良好，涂层显微硬度明显增加【2 5 1 。j i a n g 等学者用甲醇介质搅 拌球磨和低温冷冻搅拌球磨的方法制备纳米级晶粒i n c o n e l 7 1 8 ( 高温镍基 合会) 和镍粉，然后用高速氧燃气( h v o f ) 喷涂球磨的粉末易产生具有纳米 级晶粒的i n c o n e l 7 1 $ 涂层研究表明纳米涂层具有极好的抗晶粒长大的 热稳定性。国内学者采用大气等离子喷涂制备了z r 0 2 纳米涂层。热喷涂 纳米材料的研究尚处于试验阶段，但从已有的研究结果来看，用热喷涂 技术制备的纳米结构涂层性能优异。因此，纳米粉体的热喷涂应用是今 后热喷涂材料研究的一个非常重要的方向。 ( 6 ) 复合涂层材料 复合涂层材料的研究越来越多。主要是单一结构涂层很难满足日益 提高的对材料性能要求。复合涂层不但具有单一结构涂层所具备的性能， 还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的涂层，从而使复合 涂层的研究和应用日益增多。目前，由各种材料复合获得的复合涂层种 类主要有：金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、多层复合涂层、梯度 功能复合涂层等。例如a l 是具有较好抗腐蚀性能的涂层材料，但纯a j 2 l 中国石油人学( 华东) 硕十论文 第3 章涂层材科设计及防护技术优选 涂层的抗磨性差。通过在a l 中添加硬质陶瓷相可显著提高其耐磨性能。 因此可在a i 金属中添加a i n 、a 1 2 0 3 、s i c 、 t i c 等获得金属基复合涂层 ( m m c s ) ，其中添加a 1 2 0 3 ，价格最低并与a l 基体润湿性最好。这类金 属基复合涂层可以通过等离子喷涂复合粉或电弧喷涂粉芯丝材获得。而 应用粉芯丝材制备m m c 涂层具有更多的优点：它可以方便调整化学成 分，适合特殊应用，可以与现有等离子技术粉末指标匹配。对难以拉丝 的材料可制成粉芯丝材，与旋转流动的等离子体喷射粉末方法相比，可 以产生更为均匀一致的元素混合。喷涂设备费用为等离子的i 5 ，运行费 用为等离子的1 9 新近开发出一种抗腐蚀，防滑的电弧喷涂a l 基a 1 2 0 ， 复合涂层粉芯材料，该材料获得的复合涂层在具有优异的防腐性能的同 时，还具有显著的抗磨和防滑性能，应用于舰船甲板的防滑具有显著的 效果。此外，在a l 基中添加s i c ，涂层硬度可显著提高，复合涂层的抗 磨性比添加a 1 2 0 3 涂层的抗磨性高3 5 ，且涂层的导热性好。 m o s i 2 是一种极具潜力的高温结构材料，具有优异的抗氧化性和高熔 点，在l o o o