[发明专利]一种MWD仪器外筒表面抗冲蚀石墨烯复合梯度涂层

说明书

本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种随钻测量(MWD)仪器外筒表面抗冲蚀石墨烯复合梯度涂层。该涂层由打底层、过渡层和工作层组成；打底层喷涂NiCrAlY复合粉末；工作层喷涂Al₂O₃、纳米TiO₂、TiB₂、Cr₃Si和多层石墨烯片组成的混合粉末；过渡层喷涂由NiCrAlY复合粉末和与工作层粉末相同组分的混合粉末。本发明设计了一种元素成分呈梯度变化的涂层结构，该结构使涂层组织及性能呈梯度逐渐变化，降低了涂层与MWD仪器外筒之间的内应力，提高了涂层的抗冲蚀性能。所述打底层可以提高涂层与MWD仪器外筒的结合强度；在梯度涂层材料中加入多层石墨烯片，可以更好的提高涂层的强度、硬度和耐冲蚀性能。

技术领域

本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种MWD仪器外筒表面抗冲蚀石墨烯复合梯度涂层。

背景技术

随钻测量(Measurement While Drilling，简称MWD)，是一项在钻井过程中进行井下测量及实现无线传输的技术，它利用钻柱中的泥浆脉冲将测量到的地层数据及时地通过无线传输的方式传递给测井的地面系统，地面系统通过对应的算法处理成相对应的地层物理信息，指导实时钻井作业和后期的油气开发。随着石油勘探开发的不断深入，地层结构越来越复杂，井眼轨迹控制质量和提速提效的要求也越来越高，MWD不仅用于斜井段定向施工，而且也用于直井施工。但由于钻井过程中的施工井工况极其恶劣，钻井液对MWD仪器外筒冲蚀和沙粒对外筒的磨损使其易发生刺漏导致仪器报废，严重影响钻井作业周期和生产效率。

铜及其合金因其具有优异的导热性、导电性和良好的塑性而在工业生产中得到广泛的应用，但铜及其合金的表面硬度较低，耐磨性较差，限制了其在特殊场合的应用。MWD仪器外筒常用材料为铍青铜。

单层石墨烯的理论厚度为0.35nm，是目前材料领域发现的二维结构材料中厚度最小的材料；比表面积理论值达到2630m²/g。石墨烯特殊的二维结构让其具有与众不同的力学性能、电学性能、光学性能、摩擦学性能等。例如：石墨烯的电阻率仅为10^-6Ω/cm，断裂强度达到130GPa，杨氏模量为1.1TPa。

发明内容

为了降低钻井液对MWD仪器外筒的冲蚀磨损，本发明提出在MWD仪器外筒(铍青铜)表面设计并制备石墨烯复合梯度涂层，可以有效降低由于钻井液冲蚀磨损产生的高发仪器故障，这对提升我国MWD仪器设备技术水平具有重要意义。

本发明结合了多层石墨烯片(小于8层)、陶瓷材料和梯度结构的优势，提供了一种MWD仪器外筒表面抗冲蚀石墨烯复合梯度涂层。

本发明的技术方案如下：

一种MWD仪器外筒表面抗冲蚀石墨烯复合梯度涂层，由打底层、过渡层和工作层组成；

上述，打底层为金属层，由NiCrAlY复合粉末喷涂形成，打底层中NiCrAlY复合粉末平均粒径为38～75μm，Cr的含量为18～24wt％，Al的含量为7～13wt％，Y的含量为0.5～1.0wt％，余量为Ni。

本发明选择的NiCrAlY合金的成分对粘结层在热循环过程中热氧化层的生长速度、成分、完整性，与基体的结合力和剥落行为有决定性作用。NiCrAlY涂层不仅具有良好的抗高温氧化和热腐蚀性能，而且具有很好的韧性和抗疲劳强度，涂层成分不受基体合金限制。Y的固溶度很小，在Ni中约为0.01～0.04wt％,超出此极限会析出Ni-Y型金属间化合物，这种化合物可提高涂层表面防护性氧化膜的形成能力和粘结性。