CN109797361A - 一种可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层及其制备方法，本发明以可溶镁合金为基体，在表面制备高耐蚀耐磨涂层，保证材料在服役期间具有良好的耐蚀耐磨性能，并且服役完成后能够实现快速降解。制备工艺包括如下步骤：(1)可溶镁合金基体预处理；(2)在镁合金表面进行超音速火焰喷涂。与现有技术相比，采用本发明制备的具有耐蚀耐磨涂层的可溶镁合金材料，具有较高的耐蚀耐磨性，完成服役要求后可以实现快速降解。本发明材料适用于加工制备油气田压裂过程中使用的封堵工具，采用该材料制备的井下工具可在服役期间具有良好的耐蚀耐磨性能，保证施工质量及安全，而在服役结束后快速降解，省去后续返排、钻铣等工序，极大的提高了施工效率，节约施工成本，降低能源消耗。

Description

一种可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及的是镁合金防腐蚀技术领域，具体是可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层及其制备方法。

背景技术

中国低渗透油气资源丰富，具有很大的勘探开发潜力，但这些油气资源大多分布于不同深度的地层中，开发这些非常规油气资源必须依靠水力压裂等储层改造工艺技术。在水力压裂技术中，不同层段间需使用封隔工具(如压裂球座)分隔后逐层进行压裂改造，待所有层段施工完成后再将封隔工具返排出，以便打通井道实现油、气的开采。

目前，常用封隔工具大多由钢材、铝合金、高分子材料等制备而成，这些工具使用中存在钻铣困难、耗时长、钻后粉末、碎块不易返排等缺点。因此国际上开发出了复合材料，尽管减少了施工中易产生的问题，但是因为不能完全溶解，仍存在易卡堵通道的问题，而且原材料生产与加工需依赖进口，费用昂贵。镁合金具有较低的电极电位，化学性质较为活泼，在大部分溶液中容易发生腐蚀，根据这一特点，镁合金材料可用来制备应用于油气开采领域的压裂封隔工具。

采用镁合金制备的井下工具，具有较高的强度，且能够实现快速降解，但仍存在一些问题，由于可溶合金硬度较低、腐蚀速率较快，在实际井下服役过程中极易发生冲蚀磨损，导致工具在未完成使用要求前就会失效，影响开采生产。因此，为保证采用可溶镁合金制备的压裂工具能够保证有足够的服役时间，需要对所用镁合金材料进行表面耐蚀耐磨处理。

发明内容

本发明的目的在于：提供可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层及其制备方法，保证其具有优良耐磨耐蚀性能，且服役结束后能够在电解质溶液中实现快速溶解。

一种可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于以可溶镁合金为基体，在其表面制备高耐蚀耐磨涂层；制备工艺包括如下步骤：(1)可溶镁合金基体预处理；(2)在镁合金表面进行超音速火焰喷涂。

进一步地，所述耐蚀耐磨涂层为铁基非晶涂层、纯WC涂层、WC颗粒增强的铁基非晶复合涂层中的一种。

进一步地，所述可溶镁合金组成为Mg_aM_bN_c，M为合金强化元素，包括Gd，Y，Nd，Zr，Al，Mn，Zn，Ca，Sn，Li，La，Ce，Pr，Ge，Ag等元素,N为加速腐蚀元素，包括Ni，Fe，Cu，Si，Co，In，Ga等元素，a+b+c＝100。

进一步地，所述预处理包括依次进行的清洗、喷砂处理、打磨及过渡层热喷涂。

进一步地，所述喷砂处理为干喷砂处理，所述喷砂处理所用磨料为20#的白刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.4-0.8MPa，所述喷砂处理的速度为0.2-0.8cm/s，所述喷砂处理的时间为3-7min。

进一步地，所述过渡层热喷涂是要根据材料服役性能需求，确定是否采用中间过渡层，过渡层包括Ni60、NiCrAl，喷涂粒子的粒径为200-400目；过渡层喷涂工艺如下:喷涂速度为10-40m/min，氧气的流量为30-70m³/h，燃油的流量为10-30L/h，喷距为280-400mm，送粉量为40-80g/min，过渡层厚度为10-50μm。

进一步地，步骤(2)所述超音速火焰喷涂是将所述步骤(1)预处理后的镁合金基体升温至60-100℃，然后维持镁合金基体的温度为60-100℃，以铁基非晶合金、WC颗粒或WC颗粒增强的铁基非晶合金为待喷材料，在镁合金基体表面进行超音速火焰喷涂，在镁合金基体表面得到耐蚀耐磨涂层。

进一步地，所述铁基非晶、纯WC或WC颗粒增强的铁基非晶复合涂层，喷涂粒子的粒径为250-300目，所述超音速火焰喷涂工艺如下：喷涂速度为10-50m/min，氧气的流量为20-70m³/h，燃油的流量为10-30L/h，喷距为250-400mm，送粉量为20-80g/min，涂层的厚度为50-800μm。所述燃油为煤油。

进一步地，所述超音速火焰喷涂过程中，采用基板背面液氮冷却的方式降低镁合金基体的温度。

本申请旨在提供可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层及其制备方法，在现有的可溶镁合金材料上，制备高耐蚀耐磨涂层，从而保证材料在足够的时间内保持完整功能，且在服役到期之后能实现快速降解，本发明主要用在压裂井下工具构件，如压裂球、球座、封隔器、桥塞等制造上。

与现有技术相比，采用本发明制得的具有耐磨耐蚀涂层的可溶镁合金材料，在具有较高的性能的条件下，能够保证服役期间耐蚀耐磨，在服役结束后能够实现快速溶解，适用于加工油气田压裂过程中使用的封堵工具，工具可在服役完成后自行溶解，省去后续返排、磨铣工序，提高施工效率。

附图说明

图1是实施例1中涂层与基体界面形貌；

图2是实施例2中涂层与基体界面形貌；

图3是实施例1-2中合金的极化曲线对比图。

具体实施方式

以下实施例将对本发明进行进一步说明。

实施例1可溶镁合金表面喷涂铁基非晶涂层

(1)将可溶镁合金基板置于乙醇中进行超声清洗；

(2)在喷涂前1h，将超声清洗后的可溶镁合金基板进行干喷砂处理，所述喷砂处理所用磨料为20#白刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.65MPa，所述喷砂处理的速度为0.5cm/s，所述喷砂处理的时间为5min；

(3)使用钢刷将干喷砂处理后的可溶镁合金基板表面打磨干净，去除颗粒物，得到洁净的可溶镁合金基板；

(4)将250-300目的铁基非晶合金颗粒在100℃的真空条件，干燥1h，得到干燥的铁基非晶合金颗粒；

(5)将步骤(3)得到的可溶镁合金基板固定；以所述步骤(4)所得干燥的铁基非晶合金颗粒为待喷涂料，将待喷涂料装入超音速火焰喷涂设备；

(6)将可溶镁合金基板升温至60℃，在所述可溶镁合金基板表面进行超音速火焰喷涂，同时对可溶镁合金基板背面进行液氮冷却，当可溶镁合金基板的温度达到100℃时，停止超音速火焰喷涂，待可溶镁合金基板的温度降至60℃时，继续超音速火焰喷涂，如此重复，直至在可溶镁合金基板表面得到厚度为500μm的铁基非晶涂层；所述超音速火焰喷涂的喷距为320mm，所用氧气的流量为46m³/h，所用煤油的流量为14L/h，所用喷枪尺寸5英寸，超音速火焰喷涂的速度为20m/min，送粉量35g/min。

采用以上工艺在可溶镁合金表面制备了铁基非晶涂层，其微观形貌如图1所示，涂层在3％KCl溶液中的极化曲线如图3所示，说明与基体相比涂层具有较高的耐蚀性。

实施例2可溶镁合金表面喷涂WC涂层

(1)将可溶镁合金基板置于乙醇中进行超声清洗；

(2)在喷涂前1h，将超声清洗后的可溶镁合金基板进行干喷砂处理，所述喷砂处理所用磨料为20#白刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.6MPa，所述喷砂处理的速度为0.5cm/s，所述喷砂处理的时间为5min；

(3)使用钢刷将干喷砂处理后的可溶镁合金基板表面打磨干净，去除颗粒物，得到洁净的可溶镁合金基板；

(4)将250-300目的WC颗粒在100℃的真空条件，干燥1h，得到干燥的WC颗粒；

(5)将步骤(3)得到的可溶镁合金基板固定；以所述步骤(4)所得干燥的WC颗粒为待喷涂料，将待喷涂料装入超音速火焰喷涂设备；

(6)将可溶镁合金基板升温至60℃，在所述可溶镁合金基板表面进行超音速火焰喷涂，同时对可溶镁合金基板背面进行液氮冷却，当可溶镁合金基板的温度达到100℃时，停止超音速火焰喷涂，待可溶镁合金基板的温度降至60℃时，继续超音速火焰喷涂，如此重复，直至在可溶镁合金基板表面得到厚度为250μm的WC涂层；所述超音速火焰喷涂的喷距为360mm，所用氧气的流量为53m³/h，所用煤油的流量为23L/h，所用喷枪尺寸8英寸，超音速火焰喷涂的速度为30m/min，送粉量50g/min。

采用以上工艺在可溶镁合金表面制备了WC涂层，其微观形貌如图2所示，涂层在3％KCl溶液中的极化曲线如图3所示，说明与基体相比涂层具有较高的耐蚀性。

本发明所述实施例仅为清楚说明本发明所用的举例，而非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可以在上述说明的基础上做出其他不同形式的改变，相关改变均在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于以可溶镁合金为基体，在其表面制备高耐蚀耐磨涂层；制备工艺包括如下步骤：(1)可溶镁合金基体预处理；(2)在镁合金表面进行超音速火焰喷涂。

2.如权利要求1所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述耐蚀耐磨涂层为铁基非晶涂层、纯WC涂层、WC颗粒增强的铁基非晶复合涂层中的一种。

3.如权利要求1所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述可溶镁合金组成为Mg_aM_bN_c，M为合金强化元素，包括Gd，Y，Nd，Zr，Al，Mn，Zn，Ca，Sn，Li，La，Ce，Pr，Ge，Ag元素,N为加速腐蚀元素，包括Ni，Fe，Cu，Si，Co，In，Ga元素，a+b+c＝100。

4.如权利要求1所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述预处理包括依次进行的清洗、喷砂处理、打磨及过渡层热喷涂。

5.如权利要求4所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述喷砂处理为干喷砂处理，所述喷砂处理所用磨料为20#的白刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.4-0.8MPa，所述喷砂处理的速度为0.2-0.8cm/s，所述喷砂处理的时间为3-7min。

6.如权利要求4所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述过渡层热喷涂是要根据材料服役性能需求，确定是否采用中间过渡层，过渡层包括Ni60、NiCrAl，喷涂粒子的粒径为200-400目；过渡层喷涂工艺如下:喷涂速度为10-40m/min，氧气的流量为30-70m³/h，燃油的流量为10-30L/h，喷距为280-400mm，送粉量为40-80g/min，过渡层厚度为10-50μm。

7.如权利要求1所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于步骤(2)所述超音速火焰喷涂是将所述步骤(1)预处理后的镁合金基体升温至60-100℃，然后维持镁合金基体的温度为60-100℃，以铁基非晶合金、WC颗粒或WC颗粒增强的铁基非晶合金为待喷材料，在镁合金基体表面进行超音速火焰喷涂，在镁合金基体表面得到耐蚀耐磨涂层。

8.如权利要求2或7所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述以铁基非晶、纯WC或WC颗粒增强的铁基非晶复合涂层，喷涂粒子的粒径为250-300目，所述超音速火焰喷涂工艺如下：喷涂速度为10-50m/min，氧气的流量为20-70m³/h，燃油的流量为10-30L/h，喷距为250-400mm，送粉量为20-80g/min，涂层的厚度为50-800μm。

9.如权利要求7或8所述的可溶镁合金表面高耐蚀耐磨涂层的制备方法，其特征在于所述超音速火焰喷涂过程中，采用基板背面液氮冷却的方式降低镁合金基体的温度。