改進彈性體耐磨性用的無機涂層的離子束輔助沉積制造技術

在鉆頭中使用的彈性體密封件，其中在彈性體密封件的表面上沉積無機表面改性材料。借助無機原子，通過對較硬表面提供軟質密封件表面支持，從而改進在動態界面處密封件的耐磨性。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及彈性體密封件，更特別地，本專利技術涉及通過使用離子束輔助沉積，用硬質涂層涂布彈性體密封件，來改進彈性體密封件的耐磨性。
技術介紹
和專利技術概述
技術介紹
物理氣相沉積(PVD) 物理氣相沉積(PVD)方法(常常稱為薄膜法)是原子沉積法，其中從固體或液體源中以原子或分子形式氣化材料，通過真空或低壓氣體(或等離子體)環境以蒸汽形式輸送到基底上，在此它冷凝。附圖說明圖1A和1B是PVD法總的示意圖。典型地，PVD法用于沉積厚度范圍為數納米到數千納米的膜；然而，也可使用它們形成多層涂層、分級組成的沉降物、非常厚的沉積物和自立式結構。基底的尺寸范圍可以是非常小到非常大，例如對于建筑玻璃來說，10′×12′的玻璃板。基底的形狀范圍可以是從平坦到復雜的幾何形狀，例如手表帶和工具鉆頭。典型的PVD沉積速度為10-100埃(1-10納米)/秒。可使用反應性沉積法，將PVD法用于沉積元素和合金以及化合物的膜。在反應性沉積法中，通過沉積材料與周圍氣體環境，例如氮氣(例如，氮化鈦，TiN)或者與共沉積材料(例如，碳化鈦，TiC)反應，形成化合物。準反應性沉積是由化合物源沉積化合物材料的膜，其中通過反應性氣體在沉積環境內的分壓來補償在輸送和冷凝工藝過程中，揮發性較大的物種或反應性較低的物種的損失。可在DonaldM.Mattox的Handbool of Physical Vapor Deposition(PVD)Processing-Film Formation，Adhesion，Surface Preparation andContamination Control(物理氣相沉積(PVD)加工手冊-成膜、粘合、表面制備和污染控制)，Soc.Of Vacuum Coaters，Albuquerque，NM(1998)中找到PVD法更深入的綜述，在此通過參考將其引入。
技術介紹
離子植入 離子植入是改性材料的表面性能的一種高技術方法。它類似于涂布法，但它不牽涉在該表面上添加層。離子植入利用高能離子束(荷正電的原子)來改性材料的表面結構和在低溫下的化學。該方法沒有負面影響組件的尺寸或本體材料的性能。采用離子植入，很多表面性能，其中包括硬度和耐磨性、抗化學進攻和減少的摩擦可得到改進。該方法可應用到基本上任何材料上，其中包括大多數金屬、陶瓷和聚合物。然而，該方法的影響典型地是材料特異的。在真空腔室內，在非常低的壓力(10-410-5torr)下，進行離子植入方法。大數量的離子(典型地1016-1017個離子/cm2)轟擊并滲透表面，與就在表面下方的基底原子相互作用。離子滲透的典型深度是分數微米(或者一英寸的數百萬分之一)。能量離子與材料的相互作用改性該表面，從而提供該表面與其余材料相比顯著不同的性能。具體的性能改變取決于所選的離子束的處理參數，例如特定的離子物種、能量和影響該表面的離子總數。在諸如圖2所示的體系中通過多步法產生離子。在等離子體中，通過從源原子中除去電子，引發形成離子。然后提取離子，并穿過質量分析磁鐵，所述質量分析磁鐵僅僅選擇所需物種、同位素和電荷狀態的那些離子。然后使用電勢梯度塔加速離子束。典型的離子能量為10-200keV。一系列的靜電和磁透鏡元件使所得離子束成型并在含有待處理的部件的終點站的區域內掃描。離子植入提供處理組件表面的許多優勢。主要的優勢是能選擇改性表面且沒有有害地影響本體性能，這主要是因為該方法在低的基底溫度下進行。該方法同樣是極端可控且可再現的，且可以以所需的方式微調它，以改性不同的表面。盡管它是一種瞄準線(line-of-sight)方法，但可使用專門的夾具均勻地處理復雜幾何體。
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離子束輔助的沉積(IBAD) 離子束輔助的沉積(IBAD)在高真空下使用兩種物理過程離子植入和物理氣相沉積(PVD)。在IBAD中，金屬或氧化物靶位于蒸發器處且用于薄膜沉積。可由稀有氣體或由諸如氮氣或氧氣之類的氣體生成離子束(且對層沉積的額外化學影響導致改變的氮化物或氧化物的化學計量量)。在IBAD方法中，離子轟擊是控制薄膜性能的關鍵因素。如同在離子植入中一樣，離子賦予涂層和涂層/基底界面大量的能量。這實現基底加熱的優勢(這種加熱提倡更加致密、更加均勻的膜)，且沒有顯著加熱基底材料和劣化本體性能。離子也還與涂層原子相互作用，從而驅動它們進入基底并產生分級的材料界面，這種分級的材料界面提高粘合性。這些因素結合使得可在大多數基底上，其中包括在聚合物上的極其粘著的金屬涂層上沉積基本上任何涂料材料的均勻、粘著、低應力的膜。因此，IBAD使得可高質量地沉積，而常規的PVD涂層會出現故障。圖3是IBAD方法總的示意圖。
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旋轉鉆探 通過旋轉鉆探的方法來鉆探油井和氣井。在常規的鉆機中，如圖4所示，鉆頭10安裝在鉆柱12(鉆桿加上鉆環)上，鉆柱12可能具有數米長。在表面處，旋轉動力轉動鉆柱，其中包括在孔隙底部的鉆頭10，同時通過非常大功率的泵，泵送鉆井流體(或“淤泥”)經過鉆柱12。當鉆頭在鉆探過程中磨耗或破碎時，必須將其引出孔隙。這要求被稱為“從井下抽出(tripping)”的工藝重型吊車將整個鉆柱牽拉出孔隙，其中一次(例如)約90英尺的步階。在提升每一步階之后，擰下一“段(stand)”管道，并放置在旁邊以供再組裝(同時鉆柱的重量臨時通過另一裝置支持)。由于鉆柱的總重量可能是數百噸，且鉆柱的長度可能是數千英尺長，這不是一件普通的工作。一次從井下抽出可能要求數十小時，且在鉆探的預算中是重要的花費。為了重新開始鉆探，必須顛倒整個工藝。因此，在鉆探過程中，鉆頭的耐用性是非常重要的，以最小化用于鉆頭更換的一輪從井下抽出的工藝。主要的兩類鉆頭正在使用中；一類是輥壓牙輪鉆頭。圖5示出了(插入類型的)完整鉆頭的一個實例，其中一組旋轉錐體14(各自具有許多鋸齒或鑲入式截坯刀16)安裝在臂18上的堅固軸承上。鉆頭的鋸齒必須在由向下擠壓鉆頭到巖石內的“在鉆頭上的重力(weighton bit)”(WOB)以及由在旋轉驅動時施加的扭矩提供的所需力下粉碎或切割巖石。盡管在一些情況下，WOB為大于或等于100,000磅，但在鉆頭處實際觀察到的力不是恒定的被切割的巖石可具有較硬和較軟的部分(和可能不均勻地破碎)，且鉆柱本身在以許多不同的模式振動，因此，鉆頭必須能在偏僻的環境內在高且可變的應力下長時間段地操作。當鉆頭旋轉時，輥壓錐體在孔隙底部輥動。在鉆頭上的重力迫使旋轉錐體指向朝下的鋸齒進入待鉆探的巖層內，從而施加超過巖層屈服應力的擠壓應力，并進而導致破碎。所得碎片通過鉆孔流體的高速流動從切割面向外奔流。
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在鉆探中密封件的重要性 在鉆頭的操作中，淤泥的流動是最主要的因素之一，其起到除去通過鉆頭從巖石巖層中切斷的切屑的作用，同時還冷卻鉆頭和鋸齒(以及其它功能)。然而，(在切割面處恒定地釋放的)在淤泥內的巖石碎片使得淤泥成為非常磨蝕的流體。至少一種密封件通常被設計成臂/錐體接頭，以排除來自軸承的充滿磨蝕切屑的淤泥。圖6是一部分輥壓牙輪鉆頭的截面視圖。從概圖中看到輥壓錐體10的外表面，同時看到具有輥壓軸承22和球形軸承24的軸頸20，當它們被裝配到錐體內時。在示出其截面的剖面中可看到密封件26和密封管28，所述密封件26本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種密封件，其包括：　　　　具有動態密封界面的彈性體主體；和　　　　沉積在該彈性體主體表面上且增加表面硬度的無機表面改性材料；　　　　于是在動態密封條件下，在動態密封界面處密封件的磨耗和摩擦特征得到改進。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：隋平群，魏榮華，
申請(專利權)人：霍利貝頓能源服務公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]