[发明专利]金属基复合材料的表面涂层

说明书

背景技术

在油气工业中通常使用各种各样的工具来形成井筒，完成已钻探的井筒，并且从完井中生产烃诸如油和天然气。这类工具的实例包括切削工具，诸如钻头、扩孔器、稳定器和取芯钻头；钻井工具，诸如旋转导向装置和泥浆马达；以及其他井下工具，诸如开窗铣刀、封隔器、工具接头和其他易磨损工具。这些工具以及油气工业领域之外的其他几种类型的工具经常形成为金属基复合材料(MMC)，并且在本文中被称为“MMC工具”。

MMC工具通常通过以下方式来制造：将松散的粉末增强材料放置到模具中并且用粘合剂材料诸如金属合金渗透粉末材料。所得MMC工具的各种特征可以通过使模腔成型和/或通过将临时置换材料定位在模腔的内部部分内来提供。然后可以用一定量的粘合剂材料将一定量的增强材料放置在模腔内。之后将模具放置在炉内，并且将模具的温度增加到所需温度以允许粘合剂(例如，金属合金)液化并且渗透基体增强材料。

MMC工具通常具有耐腐蚀性并且展现出高冲击强度。MMC工具的外表面通常要求在极端条件下操作。因此，可以证明有利的是，定制MMC工具的外表面的材料特性以延长给定MMC工具的工作寿命。

附图说明

下图被包括来说明实施方案的某些方面，并且不应视为是排他性实施方案。如受益于本公开的本领域技术人员将会想到，所公开的主题在形式和功能上能够具有相当多的修改、改变、组合以及等效形式。

图1是可以根据本公开的原理制作的示例性钻头的透视图。

图2是图1的钻头的截面图。

图3是用于在形成图1的钻头中使用的示例性模具组件的截面侧视图。

图4是可以采用本公开的一个或多个原理的示例性钻井系统。

具体实施方式

本公开涉及工具制造，并且更具体地说涉及在渗透过程期间已有定制涂层或表面预处理放置在其上的金属基复合材料工具。

本文描述的实施方案会在金属基复合材料工具上完全地或在选定位置上产生定制表面涂层或外壳，从而产生不同于本体金属基复合材料的表面特性。外壳通过对模具组件的选定内表面涂布材料涂层来产生，其中模具组件用于制作给定金属基复合材料工具。在包括用粘合剂材料渗透增强材料以形成给定金属基复合材料工具的制造过程期间，粘合剂材料可以在原位与涂布材料发生反应并且由此导致金属、金属间或陶瓷外壳安置在给定金属基复合材料工具的选定外表面上。可以证明这些外壳在改变给定金属基复合材料工具的表面特性方面是有利的，诸如通过以下方式来改变表面特性：增加耐磨性、耐腐蚀性、耐磨蚀性、刚度(弹性模量)、硬度(即，耐塑性变形性)、屈服强度、极限拉伸强度、疲劳寿命、润滑性(即，减少摩擦)、疏水性、抗泥包特征，并且降低表面粗糙度和表面能。

本公开的实施方案适用于形成为金属基复合材料(MMC)的任何工具或装置。在本文中被称为“MMC工具”的这类工具或装置可以用于或不用于油气工业中。仅出于解释和描述的目的，以下描述涉及油气工业中使用的MMC工具，诸如钻头，但是将了解，本公开的原理同样适用于任何行业或领域中使用的任何类型MMC，诸如铠装板、汽车部件(例如，套筒、汽缸衬垫、驱动轴、排气阀、制动转子)、自行车框架、制动片、航空航天部件(例如，起落架部件、结构管、支柱、轴、链节、导管、波导、导向叶片、转子叶片套筒、腹鳍、致动器、排气结构、壳体、框架)以及涡轮泵部件，而不脱离本公开的范围。

参考图1，示出了可以根据本公开的原理制作的示例MMC工具100的透视图。MMC工具100在图1中大体展示为固定切削件钻头，所述固定切削件钻头可以用在油气工业中来钻探井筒。因此，MMC工具100在本文中将被称为“钻头100”，但是如上所述，可以可替代地用油气工业或任何其他行业中使用的任何类型的MMC工具或装置来置换钻头100，而不脱离本公开的范围。