DE112011102466B4

DE112011102466B4 - Motoren für Bohrlochwerkzeuge und Verfahren zum Aufbringen eines Hartauftrags auf deren Oberflächen

Info

Publication number: DE112011102466B4
Application number: DE112011102466.5T
Authority: DE
Inventors: Travis E. Puzz; James L. Overstreet; Jimmy W. Eason
Original assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2023-11-23
Anticipated expiration: 2031-07-23
Also published as: US20150259983A1; CA2806231C; NO20130138A1; NO346718B1; GB2497215B; WO2012012754A1; GB2497215A; DE112011102466T5; GB201301058D0; CA2806231A1; US20120018227A1; US10077605B2; US9045943B2

Abstract

Hydraulikbohrmotor (10) zur Verwendung in einem Erdbohrwerkzeug, der umfasst:- einen Stator (6),- einen drehbar innerhalb des Stators angeordneten Rotor (11) und- ein gesintertes Hartauftragsmaterial (204, 202), das auf einer Außenfläche (12) des Rotors (11) angeordnet ist, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial (204, 202) umfasst:ein erstes gesintertes Hartauftragsmaterial (204), das auf wenigstens zwei Erhebungen (206) auf dem Rotor (11) angeordnet ist,ein zweites gesintertes Hartauftragsmaterial (202), das auf einem Bereich (208) zwischen den wenigstens zwei Erhebungen (206) auf dem Rotor (11) angeordnet ist, undwobei das erste gesinterte Hartauftragsmaterial (204) und das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial (202) jeweils ein Verbundmaterial umfassen, das eine relativ harte erste Phase aufweist, die innerhalb einer zweiten kontinuierlichen Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase verteilt ist,wobei sich die Zusammensetzung des zweiten gesinterten Hartauftragsmaterials (202) von der Zusammensetzung des ersten gesinterten Hartauftragsmaterials (204) unterscheidet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen im Allgemeinen abriebsfeste Hydraulikbohrmotoren, Erdbohrwerkzeuge, die einen abriebfesten Hydraulikbohrmotor aufweisen, und Verfahren zur Ausbildung und Verwendung derartiger Motoren und Werkzeuge. Insbesondere betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung derartige Motoren und Werkzeuge, die relativ beständig gegenüber einer Erosion sind, die dadurch verursacht wird, dass ein Fluid durch die Motoren und Werkzeuge strömt, und Verfahren zur Ausbildung derartiger erosionsbeständiger Motoren und Werkzeuge.
HINTERGRUND
Um Kohlenwasserstoffe, wie etwa Öl und Gas, aus unterirdischen Formationen zu erhalten, werden durch Drehung eines an einem Ende eines Bohrstrangs befestigten Bohrmeißels Bohrlöcher in die Formationen gebohrt. Ein wesentlicher Anteil der derzeitigen Bohraktivität beinhaltet das, was von Fachleuten als „Richtungs-" Bohren bezeichnet wird. Richtungsbohren beinhaltet das Bohren von abgewichenen und/oder horizontalen Bohrlöchern (im Gegensatz zu geraden, vertikalen Bohrlöchern). Moderne Richtungsbohrsysteme setzen im Allgemeinen eine Bodenlochanordnung am Ende des Bohrstrangs ein, die einen Bohrmeißel und einen hydraulisch betätigten Motor zum Antrieb der Drehung des Bohrmeißels aufweist. Der Bohrmeißel ist mit einer Antriebswelle des Motors gekoppelt, und ein von der Oberfläche durch den Motor (und zu dem Bohrmeißel) gepumptes Bohrfluid treibt die Drehung der Antriebswelle an, an der der Bohrmeißel befestigt ist. Derartige hydraulische Motoren werden in der Bohrindustrie gemeinhin als „Spülungsmotoren“, „Bohrmotoren“ und „Moineau-Motoren“ bezeichnet. Im Folgenden werden derartige Motoren als „Hydraulikbohrmotoren“ bezeichnet.
Hydraulikbohrmotoren weisen einen Leistungsabschnitt auf, der einen Stator und einen in dem Stator angeordneten Rotor enthält. Der Stator kann ein Metallgehäuse aufweisen, das innen mit einem schraubenförmig konturierten oder mit Erhebungen versehen Elastomer-Material ausgekleidet ist. Der Rotor besteht üblicherweise aus einem geeigneten Material, wie etwa Stahl, und hat eine mit Erhebungen versehene Außenfläche. Ein druckbeaufschlagtes Bohrfluid (gemeinhin als Bohr-„Spülung“ bezeichnet) wird in einen fortschreitenden Hohlraum gepumpt, der zwischen dem Rotor und den Statorerhebungen ausgebildet ist. Die Kraft des in und durch den Hohlraum hindurch gepumpten druckbeaufschlagten Fluids bewirkt, dass der Rotor sich in einer planetenartigen Bewegung dreht. Eine über eine flexible Kupplung mit dem Rotor verbundene geeignete Welle kompensiert eine exzentrische Bewegung des Motors. Die Welle ist mit einer Lageranordnung gekoppelt, die eine Antriebswelle (auch als ein „Antriebsansatzstück“ bezeichnet) aufweist, die wiederum den daran befestigten Bohrmeißel dreht.
Wenn Bohrfluid durch den fortschreitenden Hohlraum zwischen dem Rotor und dem Stator strömt, kann das Bohrfluid Oberflächen des Rotors und/oder des Stators innerhalb des fortschreitenden Hohlraums erodieren. Eine derartige Erosion kann an Stellen, an denen sich die Richtung der Fluidströmung ändert, relativ stärker sein, da das Bohrfluid an solchen Stellen mit relativ größeren Winkeln auf den Oberflächen auftreffen kann. Diese Erosion kann letztendlich in der Deformierung der Erhebungen des Rotors und/oder des Stators resultieren, was den Betrieb des Hydraulikbohrmotors ungünstig beeinflussen kann.
Aus der Druckschrift US 2010 / 0038142 A1 ist eine Erdbohrvorrichtung bekannt, die zur Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist, und dessen Rotor mit reinem Metall, Metalloxid, einer Metalllegierung oder einem Nanokomposit aus einem Polymermaterial und Nanopartikeln beschichtet ist.
Druckschrift US 5 498 142 A beschreibt ein Hartauftragsmaterial für die Beschichtung eines Rotors einer Exzenterschneckenpumpe mit einer verlängerten Betriebsdauer, wobei das Hartauftragsmaterial aus einer Carbidschicht besteht, die von einer Schicht aus einem weicheren Metall bedeckt ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Bereitgestellt wird ein Hydraulikbohrmotor zur Verwendung in einem Erdbohrwerkzeug ein, der einen Stator, einen drehbar innerhalb des Stators angeordneten Rotor und ein gesintertes Hartauftragsmaterial umfasst, das auf einer Außenfläche des Rotors und/oder einer Innenfläche des Stators angeordnet ist, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial ein erstes gesintertes Hartauftragsmaterial, das auf wenigstens zwei Erhebungen auf dem Rotor angeordnet ist, und ein zweites gesintertes Hartauftragsmaterial, das auf einem Bereich zwischen den wenigstens zwei Erhebungen auf dem Rotor angeordnet ist, umfasst. Das erste gesinterte Hartauftragsmaterial und das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial umfassen dabei jeweils ein Verbundmaterial, das eine relativ harte erste Phase aufweist, die innerhalb einer zweiten kontinuierlichen Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase verteilt ist. Die Zusammensetzung des zweiten gesinterten Hartauftragsmaterials unterscheidet sich von der Zusammensetzung des erste gesinterten Hartauftragsmaterials.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Aufbringen eines Hartauftrags auf eine Oberfläche eines Hydraulikbohrmotors bereitgestellt. Eine Vielzahl von Hartpartikeln, eine Vielzahl von Metallmatrixpartikeln, ein Polymermaterial und ein Lösungsmittel werden zur Bildung einer Paste gemischt. Das Lösungsmittel wird aus der Paste entfernt, so dass ein erster Hartauftragsvorläufer gebildet wird, der eine wenigstens im Wesentlichen feste Lage enthält, die die Vielzahl von Hartpartikeln, die Vielzahl von Metallmatrixpartikeln und das Polymermaterial umfasst. Der erste Hartauftragsvorläufer wird auf wenigstens zwei Erhebungen auf einer Außenfläche eines Rotors aufgebracht. Ein zweiter Hartauftragsvorläufer mit einer Zusammensetzung, die sich von der Zusammensetzung des ersten Hartauftragsvorläufers unterscheidet, wird gebildet. Der zweite Hartauftragsvorläufer wird danach auf einen Bereich zwischen den wenigstens zwei Erhebungen auf der Außenfläche des Rotors aufgebracht. Der erste und der zweite Hartauftragsvorläufer werden anschließend erwärmt, um ein erstes gesintertes Hartauftragsmaterial und ein zweites gesintertes Hartauftragsmaterial auf der Außenfläche des Rotors zu bilden, wobei das erste gesinterte Hartauftragsmaterial und das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial jeweils ein Verbundmaterial umfassen, das eine relativ harte erste Phase aufweist, die innerhalb einer zweiten kontinuierlichen Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase verteilt ist, und wobei sich die Zusammensetzung des zweiten gesinterten Hartauftragsmaterials von der Zusammensetzung des ersten gesinterten Hartauftragsmaterials unterscheidet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl die Anmeldung mit Ansprüchen endet, die insbesondere hervorheben und deutlich beanspruchen, was als Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betrachtet wird, können verschiedene Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Offenbarung einfacher aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Offenbarung ermittelt werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei

1 A und 1B eine Ausführungsform eines Hydraulikbohrmotors gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen;
2 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Hartauftragsvorläuferlage ist, die verwendet werden kann, um in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Offenbarung eine Schicht eines Hartauftragsmaterials auf Oberflächen eines Hydraulikbohrmotors zu bilden;
3 eine vereinfachte Schnittansicht einer Ausführungsform einer mehrschichtigen Lage für den Hartauftrag ist, die in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Offenbarung zur Bildung einer Schicht aus Hartauftragsmaterial auf Oberflächen eines Hydraulikbohrmotors verwendet werden kann;
4 eine Schnittansicht eines Rotors ist, die eine Hartauftragsvorläuferlage wie die in 3 gezeigte auf einer Außenfläche eines Rotors eines Hydraulikbohrmotors veranschaulicht;
5 eine Schnittansicht des in 4 gezeigten Rotors ist, die eine Schicht aus Hartauftragsmaterial veranschaulicht, die aus der Hartauftragsvorläuferlage von 3 gebildet ist;
6 eine Schnittansicht eines Rotors ist, die zwei Hartauftragsmaterialien auf einer Außenfläche des Rotors veranschaulicht, die aus Hartauftragsvorläuferlagen gebildet sind;
7 eine Schnittansicht eines Rotors ist, die ein poröses Hartauftragsmaterial auf einer Außenfläche eines Rotors veranschaulicht, die aus einer Hartauftragsvorläuferlage gebildet ist; und
8 eine Schnittansicht des Rotors von 7 ist, der ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt in Poren des porösen Hartauftragsmaterials aufweist.

ART(EN) ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Erosion“ auf einen Zwei-Körper-Abriebsmechanismus, der auftritt, wenn festes partikelförmiges Material und/oder ein Fluid auf einer festen Oberfläche auftrifft. Erosion ist unterscheidbar von „Abrasion“, welcher ein Drei-Körper-Abriebsmechanismus ist, der zwei Oberflächen aus festen Materialien einschließt, die aneinander vorbei gleiten, wobei sich festes partikelförmiges Material zwischen ihnen befindet.
Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „Fluid“ Substanzen, die ausschließlich aus Flüssigkeiten bestehen, sowie Substanzen, die festes partikelförmiges Material umfassen, das innerhalb einer Flüssigkeit suspendiert ist, und schließt ein herkömmliches Bohrfluid (oder eine Bohrspülung) ein, die festes partikelförmiges Material, wie etwa Additive sowie Formationsbohrklein und Detritus, umfassen kann, das innerhalb einer Flüssigkeit suspendiert ist.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „Hartauftrag“ irgendein Material oder irgendeine Materialmasse, das bzw. die auf eine Oberfläche eines separat ausgebildeten Körpers aufgebracht wird und gegenüber Abrieb (abrasivem Abrieb und/oder erosivem Abrieb) bezüglich des Materials des separat ausgebildeten Körpers an der Oberfläche beständiger ist.
Wie hierin verwendet, bedeutet und umfasst der Begriff „Sintern“ die Verdichtung von partikelförmigem Material, einschließlich der Entfernung von Poren zwischen den Ausgangspartikeln begleitet von Schrumpfung, Koaleszenz und Bindung zwischen angrenzenden Partikeln. Sinterprozesse, wie hierin beschrieben, umfassen keine thermischen Sprühprozesse oder Bogenschweißprozesse.
Wie hierin verwendet, ist ein „gesintertes Hartauftragsmaterial“ ein Hartauftragsmaterial, das durch einen Sinterprozess gebildet wird. Das heißt, dass ein partikelförmiges Material auf eine Oberfläche eines Körpers aufgebracht und dann erwärmt wird, um das Material zu verdichten und benachbarte Partikel zu verbinden.
Die hierin präsentierten Illustrationen sind nicht tatsächliche Ansichten irgendeines bestimmten Rotors, Stators, Hydraulikbohrmotors oder Erdbohrwerkzeugs, sondern lediglich idealisierte Darstellungen, die eingesetzt werden, um Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben. Zusätzlich können Elemente, die mehreren Figuren gemeinsam sind, die gleiche numerische Bezeichnung beibehalten.
Die vorliegende Offenbarung schließt Ausführungsformen von Verfahren zum Aufbringen eines Hartauftrags auf Innenflächen eines Hydraulikbohrmotors, wie etwa des in 1A und 1B gezeigten Hydraulikbohrmotors 10, auf Zwischenstrukturen, die während solcher Verfahren ausgebildet werden, und auf Hydraulikbohrmotoren und Erdbohrwerkzeuge ein, die während solcher Verfahren ausgebildet werden.
Bei einigen Ausführungsformen beinhalten die Verfahren das Zusammenmischen von einem oder mehreren Polymermaterialien mit Partikeln, die letztendlich dazu verwendet werden, ein Hartauftragsmaterial zu bilden, das Aufbringen der Mischung auf eine Oberfläche von einem Rotor und/oder einem Stator eines Hydraulikbohrmotors, und das Erwärmen der Mischung (während sie auf dem Rotor und/oder dem Stator angeordnet bleibt), um das Polymermaterial zu entfernen und wenigstens einige der zuvor mit dem Polymermaterial gemischten Partikel zu sintern, um eine oder mehrere Schichten aus Hartauftragsmaterial auf der Oberfläche des Rotors und/oder des Stators auszubilden.
Unter Bezugnahme auf 1A und 1B weist der Hydraulikbohrmotor 10 einen Leistungsabschnitt 1 und eine Lageranordnung 2 auf. Der Leistungsabschnitt 1 weist ein langgestrecktes Metallgehäuse 4 auf, in dem ein Elastomer-Element 5 angeordnet ist, das eine mit schraubenförmigen Erhebungen versehene Innenfläche 8 aufweist. Das Elastomer-Element 5 ist innen in dem Metallgehäuse 4, beispielsweise durch Kleben des Elastomer-Elements 5 in das Innere des Metallgehäuses 4 befestigt. Das Elastomer-Element 5 und das Metallgehäuse 4 bilden zusammen einen Stator 6. innerhalb des Stators 6 ist ein Rotor 11 drehbar angeordnet. In anderen Worten ist der Rotor 11 innerhalb des Stators 6 angeordnet und dazu ausgelegt, sich darin ansprechend auf das Strömen von Bohrfluid durch den Hydraulikbohrmotor 10 zu drehen. Der Rotor 11 weist eine mit schraubenförmigen Erhebungen versehene Außenfläche 12 auf, die dazu ausgelegt ist, in die mit schraubenförmigen Erhebungen versehene Innenfläche 8 des Stators 6 einzugreifen. Auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 kann ein gesintertes Hartauftragsmaterial 200 ausgebildet sein.
Die Außenfläche 12 des Rotors 11 und die Innenfläche 8 des Stators 6 können auch ähnliche, aber leicht unterschiedliche Profile aufweisen. Beispielsweise kann die Außenfläche 12 des Rotors 11 eine Erhebung weniger als die Innenfläche 8 des Stators 6 aufweisen. Die Außenfläche 12 des Rotors 11 und die Innenfläche 8 des Stators 6 können so ausgestaltet sein, dass direkt zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 6 in diskreten Abständen entlang der und am Umfang um die Schnittfläche zwischen ihnen Dichtungen eingerichtet werden, was dazu führt, dass Fluidkammern oder -hohlräume 26 zwischen der Außenfläche 12 des Rotors 11 und der Innenfläche 8 des Stators 6 geschaffen werden. Die Hohlräume 26 können mit druckbeaufschlagtem Bohrfluid 40 gefüllt sein.
Wenn das druckbeaufschlagt Bohrfluid 40 von einer Oberseite 30 zu einer Unterseite 32 des Leistungsabschnitts 1 strömt, wie durch Strömungspfeile 34 gezeigt, bewirkt das druckbeaufschlagte Fluid 40, dass sich der Rotor 11 innerhalb des Stators 6 dreht. Die Anzahl an Erhebungen und die Geometrien der Außenfläche 12 des Rotors 11 und der Innenfläche 8 des Stators 6 können so modifiziert sein, dass erwünschte Eingangs- und Ausgangsanforderungen erreicht werden und eine Anpassung an unterschiedliche Bohrvorgänge erfolgen kann. Der Rotor 11 kann mit einer flexiblen Welle 50 gekoppelt sein, und die flexible Welle 50 kann mit einer Antriebswelle 52 in der Lageranordnung 2 verbunden sein. Wie zuvor erwähnt, kann der (nicht gezeigte) Bohrmeißel an der Antriebswelle 52 angebracht sein. Beispielsweise kann die Antriebswelle 52 eine Gewindebuchse 54 aufweisen, und ein Bohrmeißel kann mit einem Gewindestift versehen sein, der mit der Gewindebuchse 54 der Antriebswelle 52 in Eingriff gebracht werden kann.
Bei einigen Ausführungsformen kann eine Hartauftragsvorläuferlage 100, wie in 2 veranschaulicht, ausgebildet und auf Innenflächen des Hydraulikbohrmotors 10, wie etwa beispielsweise auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 und/oder die Innenfläche 8 des Stators 6 des Hydraulikbohrmotors 10, aufgebracht werden. Derartige Hartauftragsvorläuferlagen 100 sind in der US-Patentanmeldung Nr. 12/570,934 , die am 30. September 2009 mit dem Titel „Method of Applying Hardfacing Sheet“ eingereicht wurde, und in der US-Patentanmeldung Nr. 12/398,066 beschrieben, die am 4. März 2009 mit dem Titel „Methods of Forming Erosion Resistant Composites, Methods of Using the Same, and Earth-Boring Tools Utilizing the Same in Internal Passageways“ eingereicht wurde. Die Hartauftragsvorläuferlage 100 kann beispielsweise auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgebracht werden. Insbesondere kann die Hartauftragsvorläuferlage 100 auf Bereiche der Außenflächen 12 des Rotors 11 aufgebracht werden, die anfällig für Erosion sind, die durch das Strömen von Bohrfluid 40 durch den Hydraulikbohrmotor 10 verursacht wird. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung können Bereiche, die „anfällig für Erosion“ sind, die durch das Strömen von Bohrfluid 40 durch den Hydraulikbohrmotor 10 verursacht wird, als jene Bereiche des Hydraulikbohrmotors 10 angesehen werden, die durch Bohrfluid weg erodiert werden würden, wenn herkömmliches Bohrfluid über einen Zeitraum von weniger als etwa der fünffachen Durchschnittslebensdauer hinsichtlich Betriebsstunden für die jeweilige Ausgestaltung oder das jeweilige Modell des Hydraulikbohrmotors 10 mit herkömmlichen Bohrströmungsdurchsätzen und Fluiddrücken durch den Hydraulikbohrmotor 10 strömen würde. In anderen Worten kann, wenn bewirkt werden würde, dass herkömmliches Bohrfluid über einen Zeitraum, der etwa der fünffachen Durchschnittslebensdauer der jeweiligen Ausgestaltung oder des jeweilige Modells des Hydraulikbohrmotors 10 entspricht, mit herkömmlichen Strömungsraten und Fluiddrücken durch den Hydraulikbohrmotor 10 strömt, und ein Bereich des Drehkolbenmotors weg erodiert worden wäre, für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung jener Bereich als ein Bereich angesehen werden, der „anfällig für Erosion“ ist, die durch das Strömen von Bohrfluid durch den Hydraulikbohrmotor 10 verursacht wird.
Während der Stator 6 (1A) ein Elastomer-Element 5 umfassen kann, das wenigstens im Wesentlichen aus einem Elastomer-Material besteht, kann bei zusätzlichen Ausführungsformen der Stator 6 aus einem Metallmaterial, wie etwa Stahl, ausgebildet sein. Derartige Metall-Statoren 6 sind beispielsweise in dem US-Patent Nr. 6,543, 132 beschrieben, das am 8. April 2003 herausgegeben wurde und den Titel „Methods of Making Mud Motors“ trägt. Wenn der Stator 6 aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, kann es erwünscht sein, ein gesintertes Hartauftragsmaterial 200 über wenigstens einem Abschnitt (z.B. einigem oder allem) der Innenfläche 8 des Stators 6 aufzubringen. Demgemäß versteht es sich, dass, während die folgenden Ausführungsformen hinsichtlich der Ausbildung eines gesinterten Hartauftragsmaterials 200 auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 beschrieben werden, zusätzliche Ausführungsformen der Offenbarung die Verwendung derselben Materialien und Verfahren zum Aufbringen des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 auf die Innenfläche 8 des Stators 6 einschließen.
Wie in 2 gezeigt, kann eine Hartauftragsvorläuferlage 100 einen insgesamt biegsamen planaren Körper umfassen. Die Hartauftragsvorläuferlage 100 kann ein Trägerelement 102 aufweisen, das mit Materialien imprägniert ist, die letztendlich das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 bilden. Das Trägerelement 102 kann irgendein angemessenes Material einschließen, in oder auf dem die Hartauftragsvorläufermaterialien (z.B. Partikel) gehalten und getragen werden können. Bei einigen Ausführungsformen kann das Trägerelement 102 ein Polymer (z.B. ein Kunststoff-Material oder ein Elastomer-Material) umfassen und, falls erwünscht, einen oder mehrere Additive, wie etwa ein Plastiziermittel. Bei einigen Ausführungsformen kann das Polymer ein dreidimensionales Polymernetzwerk, wie z.B. ein Epoxyd, umfassen. Bei zusätzlichen Ausführungsformen kann das Polymer ein Copolymer, wie etwa ein Polystyren-Ethylen- und ein Polybutylen-Styren-Blockcopolymer umfassen.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Trägerelement 102 ein Polymermaterial umfassen, das ein thermoplastisches und elastomerisches Material umfasst. Wie hierin verwendet, bedeutet und umfasst der Begriff „thermoplastisches Material“ irgendwelches Material, das einen Härtewert aufweist, der abnimmt, wenn die Temperatur des Materials von etwa .Raumtemperatur auf etwa einhundert Grad Celsius (100°C) erhöht wird. Wie hierin verwendet, bedeutet und umfasst der Begriff „elastisch“ ein Material, dass, wenn es einer Zugbelastung ausgesetzt wird, vor dem Zerreißen mehr nicht-permanente Verlängerungsverformung erfährt als permanente (d.h. plastische) Verlängerungsverformung. Als Beispiel und nicht zum Zweck der Beschränkung kann das Polymer des Trägerelements 102 wenigstens eines aus Styren-Butadien-Styren, Styren-Ethylen-Butylen-Styren, Styren-Divinylbenzen, Styren-Isopren-Styren und Styren-Ethylen-Styren umfassen. Das thermoplastische Elastomer kann ein Blockcopolymermaterial umfassen, das wenigstens einen Endblock mit einem Molekulargewicht von etwa 50.000 bis etwa 150.000 Gramm pro Mol und wenigstens einen Mittelblock mit einem Molekulargewicht von etwa 5.000 bis etwa 25.000 Gramm pro Mol aufweist. Weiterhin kann das Blockcopolymermaterial eine Glasübergangstemperatur von etwa 130°C bis etwa 200°C aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Polymermaterial des Trägerelements 102 ein Polymer, wie etwa solche, die in dem US-Patent Nr. 5,508,334 , herausgegeben am 16. April 1996, mit dem Titel „Thermoplastic Elastomer Gelatinous Compositions and Articles“ beschrieben sind, umfassen.
Die Hartauftragsvorläuferlage 100 kann Hartpartikel und Matrix- oder Bindepartikel umfassen. Die Hartpartikel und die Bindepartikel können eine pulverartige Substanz umfassen, die wenigstens im Wesentlichen gleichförmig durch das Trägerelement 102 hindurch oder über diesem dispergiert ist. Die Hartpartikel können ein Hartmaterial, wie etwa Diamant, kubisches Bornitrid (wobei die vorgenannten zwei Materialien unter Fachleuten auch als „superharte“ und „superabrasive“ Materialien bekannt sind), Borcarbid, Aluminiumnitrid, und Carbide, Oxide oder Boride der Gruppe einschließen, die aus W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Si, Ta und Cr besteht. Die Matrix- oder Bindepartikel können aus einem Metall oder einer Metallegierung gebildet sein. Beispiele für die Matrix- oder Bindepartikel schließen Cobalt, eine cobaltbasierte Legierung, Eisen, eine eisenbasierte Legierung, Nickel, eine nickelbasierte Legierung, eine cobalt- und nickelbasierte Legierung, eine eisen- und nickelbasierte Legierung, eine eisen- und cobaltbasierte Legierung, eine aluminiumbasierte Legierung, eine kupferbasierte Legierung, eine magnesiumbasierte Legierung oder eine titaniumbasierte Legierung ein. Das Material der Matrix- oder Bindepartikel kann eine Schmelztemperatur von etwa 800°C oder höher haben. Die Matrix- oder Bindepartikel können vollständig dicht (d.h. die Dichte der Matrix- oder Bindepartikel kann sich während des nachfolgenden Sinterns im Wesentlichen nicht erhöhen) oder weniger als vollständig dicht sein. Weniger als vollständig dichte Matrix- oder Bindepartikel können Poren oder Leerräume aufweisen, wie nachstehend in Bezug auf 7 und 8 beschrieben. Vollständig dichte Matrix- und Bindepartikel können im Wesentlichen frei von Poren sein. Die Hartauftragsvorläuferlage 100 kann auch eine Klebefläche 108 auf wenigstens einer ihrer Seiten zum Halten der Hartauftragsvorläuferlage 100 auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 einschließen. Die gesamte Hartauftragsvorläuferlage 100 kann auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgebracht werden, oder optional kann ein Muster 110 aus der Hartauftragsvorläuferlage 100 geschnitten werden, das so gestaltet ist, dass mit einem speziellen Abschnitt der Außenfläche 12 des Rotors 11 zusammenpasst.
3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Hartauftragsvorläuferlage 100', die mindestens zwei Schichten aufweist. Die Hartauftragsvorläuferlage 100' weist eine erste Schicht 122 und wenigstens eine zusätzliche zweite Schicht 124 auf. Die erste Schicht 122 bedeckt wenigstens einen Abschnitt einer Oberfläche 126 der zweiten Schicht 124. Jede der ersten Schicht 122 und der zweiten Schicht 124 weist ein Trägerelement 102, wie in 2 gezeigt, auf, das ein Polymermaterial und eine Vielzahl von Partikeln umfasst, die durch das ganze Trägerelement 102 hindurch dispergiert sind. Bei einigen Ausführungsformen kann jede der ersten Schicht 122 und der zweiten Schicht 124 Hartpartikel und Bindepartikel umfassen. Bei zusätzlichen Ausführungsformen können die Partikel innerhalb der ersten Schicht 122 wenigstens im Wesentlichen aus Hartpartikeln zusammengesetzt sein und können die Partikel innerhalb der zweiten Schicht 124 wenigstens im Wesentlichen aus Bindepartikeln zusammengesetzt sein. Bei zusätzlichen Ausführungsformen können die Partikel innerhalb der ersten Schicht 122 wenigstens im Wesentlichen aus Bindepartikeln zusammengesetzt sein und können die Partikel innerhalb der zweiten Schicht 124 wenigstens im Wesentlichen aus Hartpartikeln zusammengesetzt sein.
Das Polymermaterial des Trägerelements 102 der ersten Schicht 122 kann eine Zusammensetzung aufweisen, die identisch zu oder wenigstens im Wesentlichen ähnlich einer Zusammensetzung des Polymermaterials des Trägerelements 102 der zweiten Schicht 124 ist. Bei zusätzlichen Ausführungsformen kann das Polymermaterial des Trägerelements 102 der ersten Schicht 122 eine Materialzusammensetzung aufweisen, die unterschiedlich zu einer Materialzusammensetzung des Polymermaterials des Trägerelements 102 der zweiten Schicht 124 ist. Eines oder beide des Polymermaterials des Trägerelements 102 der ersten Schicht 122 und des Polymermaterials des Trägerelements 102 der zweiten Schicht 124 kann ein thermoplastisches und elastomerisches Material umfassen.
Bei einigen Ausführungsformen können eine oder beide der ersten Schicht 122 und der zweiten Schicht 124 der mehrschichtigen Hartauftragsvorläuferlage 100' eine Lage aus wenigstens im Wesentlichen festem Material umfassen. Beispielsweise kann die zweite Schicht 124 eine Lage aus wenigstens im Wesentlichen festem Material umfassen. Zusätzlich können bei einigen Ausführungsformen eine oder beide der ersten Schicht 122 und der zweiten Schicht 124 der mehrschichtigen Hartauftragsvorläuferlage 100' eine Paste umfassen. Als Beispiel und nicht zum Zweck der Beschränkung kann die zweite Schicht 124 eine Lage aus wenigstens im Wesentlichen festem Material umfassen und kann die erste Schicht 122 eine Paste umfassen, die auf der Oberfläche 126 der zweiten Schicht 124 angeordnet ist und diese wenigstens im Wesentlichen bedeckt.
4 ist eine Schnittansicht der auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgebrachten Hartauftragsvorläuferlage 100, 100'. 5 ist eine Schnittansicht einer Schicht aus gesintertem Hartauftragsmaterial 200, das aus der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 gebildet wurde. Das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 umfasst ein Verbundmaterial, das eine relativ harte erste Phase aufweist, die innerhalb einer zweiten kontinuierlichen Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase verteilt ist.
Als Beispiel und nicht zu Zweck der Beschränkung kann die relativ harte erste Phase aus den Hartpartikeln gebildet sein und kann ein Hartmaterial, wie etwa Diamant, Borcarbid, kubisches Bornitrid, Aluminiumnitrid, und Carbide oder Boride der Gruppe umfassen, die aus W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Zr, Si, Ta und Cr besteht. Die kontinuierliche Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase kann aus den Bindepartikeln gebildet sein und kann Cobalt, eine cobaltbasierte Legierung, Eisen, eine eisenbasierte Legierung, Nickel, eine nickelbasierte Legierung, eine cobalt- und nickelbasierte Legierung, eine eisen- und nickelbasierte Legierung, eine eisen- und cobaltbasierte Legierung, eine aluminiumbasierte Legierung, eine kupferbasierte Legierung, eine magnesiumbasierte Legierung oder eine titaniumbasierte Legierung umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Phase eine Vielzahl von diskreten Bereichen oder Partikeln umfassen, die innerhalb der Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase dispergiert sind.
Bei einigen Ausführungsformen kann das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 eine Hartauftragszusammensetzung umfassen, wie sie in dem US-Patent Nr. 6,248 , 149 , herausgegeben am 19. Juni 2001, mit dem Titel „Hardfacing Composition for Earth-Boring Bits Using Macrocrystalline Tungsten Carbide and Spherical Cast Carbide“, in dem US-Patent Nr. 7, 343,990 , herausgegeben am 18. März 2008, mit dem Titel „Rotary Rock Bit with Hardfacing to Reduce Cone Erosion“ oder in dem US-Abänderungspatent Nr. RE37,127, erneut herausgegeben am 10. April 2001, mit dem Titel „Hardfacing Composition for Earth-Boring Bits“ beschrieben ist.
Bei einigen Ausführungsformen kann die zur Ausbildung des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 verwendete Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' (2 und 3) in situ auf der Oberfläche 12 des Rotors 11 (4) ausgebildet werden, während bei anderen Ausführungsformen die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' separat ausgebildet und anschließend auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgebracht werden kann. Verfahren zur Ausbildung des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
Partikel, die zur Ausbildung von gesintertem Hartauftragsmaterial 200 (5) (d.h. Hartpartikel und/oder Partikel, die ein Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial umfassen) verwendet werden, können mit einem oder mehreren Polymermaterialien und einem oder mehreren Lösungsmitteln zur Ausbildung einer Paste oder eines Breies gemischt werden.
Das eine oder die mehreren Polymermaterialien können ein thermoplastisches und elastomerisches Polymermaterial umfassen. Beispielsweise kann wenigstens eines aus Styren-Butadien-Styren, Styren-Ethylen-Butylen-Styren, Styren-Divinylbenzen, Styren-Isopren-Styren und Styren-Ethylen-Styren mit den Partikeln und dem Lösungsmittel zur Ausbildung der Paste oder des Breies gemischt werden.
Zusätzlich zu dem Polymermaterial kann der Brei eines oder mehrere Plastiziermittel zur selektiven Modifizierung des Verformungsverhaltens des Polymermaterials umfassen. Die Plastiziermittel können leichte Öle (wie etwa paraffinische und naphthenische Erdöle), Polybuten, Cyclobuten, Polyethylen (z.B. Polyethylenglycol), Polypropen, ein Ester aus einer Fettsäure oder ein Amid aus einer Fettsäure sein oder einschließen.
Das Lösungsmittel kann irgendeine Substanz umfassen, in der sich das Polymermaterial wenigstens teilweise lösen kann. Beispielsweise kann das Lösungsmittel Methylethylketon, Alkohole, Toluen, Hexan, Heptan, Propylacetat, Trichlorethylen oder irgendein anderes herkömmliches Lösungsmittel oder eine Kombination daraus umfassen.
Der Brei kann auch einen oder mehrere Stabilisatoren zur Unterstützung der Suspension des einen oder der mehreren Polymermaterialien in dem Lösungsmittel umfassen. Geeignete Stabilisatoren für verschiedene Kombinationen aus Polymeren und Lösungsmitteln sind dem Durchschnittsfachmann bekannt.
Nach Ausbildung der Paste oder des Breies kann die Paste oder der Brei beispielsweise unter Verwendung eines Foliengießprozesses als eine relativ dünne Schicht auf eine Oberfläche es Substrats aufgebracht werden. Dann lässt man das Lösungsmittel aus der Paste oder dem Brei verdunsten, um eine relativ feste Schicht aus Polymermaterial zu bilden, in dem die Hartpartikel und/oder das Bindemittel eingebettet sind. Beispielsweise kann die Paste oder der Brei nach dem Foliengießen auf einer im Wesentlichen planaren Oberfläche eines Trocknungssubstrats auf eine Temperatur erwärmt werden, die ausreichend ist, um das Lösungsmittel aus der Paste oder dem Brei zu verdunsten. Die Paste oder der Brei können unter einem Vakuum getrocknet werden, um die Trocknungszeit zu verkürzen und um jegliche Dämpfe, die während des Trocknungsprozesses erzeugt werden, zu beseitigen.
Zur Ausbildung der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' in situ auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 kann ein Brei oder eine Paste, die durch Mischen von Hartpartikeln und Bindepartikeln mit einem oder mehreren Polymermaterialien und einem oder mehreren Lösungsmitteln (und optional Plastiziermitteln, Stabilisatoren etc.) gebildet wurden, direkt auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgebracht werden, auf die gesintertes Hartauftragsmaterial 200 (5) aufgebracht werden soll. Der Brei oder die Paste kann dann getrocknet und optional polymerisiert werden. Der Brei oder die Paste kann auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 gesprüht werden, die Außenfläche 12 des Rotors kann in den Brei oder die Paste eingetaucht werden, um die Außenfläche 12 des Rotors 11 zu überziehen, oder die Paste oder der Brei kann auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgestrichen oder anderweitig aufgebracht werden. Das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 kann dann durch Sintern der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' ausgebildet werden.
Zur Ausbildung der in 3 gezeigten mehrschichtigen Hartauftragsvorläuferlage 100' kann durch Mischen von Bindepartikeln mit einem oder mehreren Polymermaterialien und einem oder mehreren Lösungsmitteln ein Brei gebildet werden, und der Brei kann foliengegossen und getrocknet werden, um die zweite Schicht 124 der mehrschichtigen Hartauftragsvorläuferlage 100 zu bilden. Nach Ausbildung der zweiten Schicht 124 kann eine Paste ausgebildet werden, indem Hartpartikel mit einem oder mehreren Polymermaterialien und einem oder mehreren Lösungsmitteln gemischt werden, und die Paste kann auf eine größere Oberfläche der zweiten Schicht 124 aufgebracht werden, so dass die größere Oberfläche der zweiten Schicht 124 wenigstens im Wesentlichen mit der Paste überzogen ist, die zur Bildung der ersten Schicht 122 der mehrschichtigen Hartauftragsvorläuferlage 100' verwendet wird.
Nach Ausbildung der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' kann die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgebracht werden, auf die gesintertes Hartauftragsmaterial 200 aufgebracht werden soll (falls die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' nicht in situ auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 ausgebildet wurde). Zwischen der Hartauftragsvorläuferlage 100 und der Außenfläche 12 des Rotors 11 kann ein Haftmittel vorgesehen werden, um das Anhaften zwischen dem Hartauftragsmaterial 100, 100' und der Außenfläche 12 des Rotors 11 zu fördern. Die Hartauftragsvorläuferlage100, 100' kann geschnitten oder anderweitig so ausgebildet werden, dass sie eine gewünschte Form aufweist, die zu einem Abschnitt der Außenfläche 12 des Rotors 11, auf die sie aufgebracht werden soll, komplementär ist.
Zur Ausbildung eines gesinterten Hartauftragsmaterials 200 auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 kann der Rotor 11 dann zusammen mit der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' auf seiner Außenfläche 12 in einem Ofen erwärmt werden. Alternativ kann die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 unter Verwendung einer örtlich begrenzten Wärmequelle, wie etwa durch elektrisches Bogenschweißen, einen Brenner oder einen Laser, erwärmt werden. Die Temperatur der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' kann unter der Schmelztemperatur der Bindepartikel gehalten werden. Nach der Erwärmung der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' auf Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 500°C können sich organische Materialien innerhalb des Trägerelements 102 der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' verflüchtigen und/oder zersetzen, wobei sie die anorganischen Komponenten der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 zurücklassen. Die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' kann beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 2°C pro Minute auf eine Temperatur von etwa 450°C erwärmt werden, um zu bewirken, dass sich organische Materialien (einschließlich Polymermaterialien) innerhalb der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' verflüchtigen und/oder zersetzen.
Nach Erwärmung der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100', um organische Materialien darin zu verflüchtigen und/oder zu zersetzen, können die verbleibenden anorganischen Materialien der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' weiter auf eine relativ höhere Sintertemperatur erwärmt werden, um die anorganischen Komponenten zu sintern und aus ihnen ein gesintertes Hartauftragsmaterial 200 zu bilden. Die verbleibenden anorganischen Materialien der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' können beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 15°C pro Minute weiter auf eine Sintertemperatur von etwa 1.150°C erwärmt werden. Die Sintertemperatur kann in der Nähe einer Schmelztemperatur des Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterials der Bindepartikel in der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' sein. Beispielsweise kann die Sintertemperatur leicht unter, leicht über oder gleich einer Schmelztemperatur des Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterials sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Sintertemperatur innerhalb etwa dem 0,5-Fachen bis etwa dem 0,8-Fachen der absoluten Schmelztemperatur (z.B. auf der Kelvin-Skala) des Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterials sein.
Der Verflüchtigungs- und/oder Zersetzungsprozess sowie der Sinterprozess können unter Vakuum (d.h. in einem Vakuumofen) in einer inerten Atmosphäre (d.h. in einer Atmosphäre, die Stickstoff, Argon, Helium und/oder ein anderes wenigstens im Wesentlichen inertes Gas aufweist) oder in einer Reduktionsatmosphäre (z.B. Wasserstoff) durchgeführt werden.
Während des Sinterprozesses können sich wenigstens die Bindematerialien, die ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, verfestigen, um eine wenigstens im Wesentlichen kontinuierliche Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase zu bilden, in der eine aus den Hartpartikeln gebildete diskontinuierliche harte Phase verteilt ist. In anderen Worten können während des Sinterns die Hartpartikel innerhalb einer Schicht aus Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial eingebettet werden, die aus den Partikeln ausgebildet wurde, die das Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial umfassen. Falls die Hartauftragsvorläuferlage 100' eine mehrschichtige Hartauftragsvorläuferlage 100' umfasst, kann während des Sinterprozesses das Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial innerhalb der zweiten Schicht 124 des Hartauftrags 100' durch Kapillarwirkung in die zweite Schicht 122 zwischen die darin befindlichen Hartpartikel transportiert werden. Wenn der Rotor 11 abkühlt, verbindet sich das Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial mit der Außenfläche 12 des Rotors 11 und hält die Hartpartikel an Ort und Stelle auf der Außenfläche 12 des Rotors 11.
Das Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial kann kristalline Strukturen bilden, die kleinere Abmessungen aufweisen als kristalline Strukturen, in denen Matrixmaterial im Wesentlichen geschmolzen ist, wie etwa bei thermischen Sprüh- und Schweißprozessen. Die Korngröße (d.h. eine durchschnittliche lineare Abmessung einer einzelnen kristallinen Struktur des Metalls oder der Metalllegierung) eines durch Sintern gebildeten Matrixmaterials kann ähnlich der Korngröße in gesintertem Wolframcarbid sein. Beispielsweise kann die Korngrö-ße eines Matrixmaterials von etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, oder von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer betragen. Weiterhin kann, weil das Matrixmaterial während des Sinterns im Wesentlichen fest bleiben kann, die Grenze zwischen dem gesinterten Hartauftragsmaterial 200 und der Außenfläche 12 des Rotor 11 besser definiert sein als die Grenze zwischen einem durch herkömmliche Techniken gebildeten Hartauftrag und den darunterliegenden Körpern.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' eine durchschnittliche Dicke und Zusammensetzung von der Art aufweisen, dass nach dem Sintern die resultierende Schicht aus gesintertem Hartauftragsmaterial 200, die auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 ausgebildet wurde, eine durchschnittliche Dicke von etwa 0,125 Millimeter bis etwa 12 Millimeter aufweist. Die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' kann eine gleichförmige oder eine nicht-gleichförmige Dicke aufweisen, wie durch Ausgestaltungsanforderungen vorgeschrieben.
Wegen der komplexen Geometrie des Rotors 11 können herkömmliche Hartauftragstechniken, wie etwa Metallplattierung, Flammspritzen und Bogenschweißen, bei ihrer Verwendung zum Aufbringen eines Hartauftragsmaterials auf einen Rotor 11 eine spanabhebende Finishbearbeitung oder eine andere Verarbeitung erfordern, um zu bewirken, dass das Hartauftragsmaterial eine ausgewählte Geometrie, wie etwa eine Geometrie, die sich an die Form des Rotors 11 anpasst, aufweist. Jedoch kann bei einigen Ausführungsformen das aus der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' gebildete gesinterte Hartauftragsmaterial 200 keine zusätzliche spanabhebende Finishbearbeitung oder Verarbeitung erfordern, sobald es einmal auf dem Rotor 11 ausgebildet worden ist. Durch Verwendung der Hartauftragsvorläuferlage 100, 100', wie hierin beschrieben, kann die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' so geformt sein, dass sie sich vor dem Sintern an die Außenfläche 12 des Rotors 11 anpasst, und deshalb kann es sein, dass das gesinterte Hartauftragsmaterial 200, sobald es einmal ausgebildet wurde, keine zusätzliche spanabhebende Bearbeitung erfordert. Weiterhin kann das auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 gebildete gesinterte Hartauftragsmaterial 200 eine wenigstens im Wesentlichen gleichförmige Dicke über der Außenfläche 12 des Rotors 11 aufweisen.
Wie zuvor im Bezug auf 3 erörtert, kann die Hartauftragsvorläuferlage 100' wenigstens zwei Schichten mit sich unterscheidenden Zusammensetzungen einschließen. Bei einigen Ausführungsformen können mehrfache Hartauftragsvorläuferlagen 100, 100' mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auf die Außenfläche 12 des Rotors 11 aufgebracht werden. Beispielsweise kann jede Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' gesintert werden, um eine Schicht des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 zu bilden, bevor eine weitere Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' aufgebracht wird. Alternativ können mehrfache Hartauftragsvorläuferlagen 100, 100' auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 ausgebildet und dann die mehrfachen Hartauftragsvorläuferlagen 100, 100' gleichzeitig gesintert werden. Durch Aufbringen von mehr als einer Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' kann das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 für spezifische Bohrbedingungen an Kundenwünsche angepasst werden. Beispielsweise kann das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 maßgeschneidert werden, um erwünschte mechanische Eigenschaften, wie etwa Abriebsfestigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und Bindefestigkeit des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 an die Außenfläche 12 des Rotors 11 zu erzielen. Bei einigen Ausführungsformen kann das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 so maßgeschneidert werden, dass sich die Konzentration von Hartpartikeln innerhalb des Matrixmaterials über die Dicke des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 hinweg ändert. Beispielsweise kann die Konzentration von Hartpartikeln in dem gesinterten Hartauftragsmaterial 200 von der Innenfläche des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 angrenzend an den Rotor 11 zu einer Außenfläche 201 des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 hin zunehmen. Bei einigen Ausführungsformen kann das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 drei Schichten umfassen. Die erste Schicht kann ein Bindematerial umfassen, das verwendet wird, um das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 mit der Außenfläche 12 des Rotors 11 zu verbinden. Das Bindematerial kann beispielsweise eine Niedrigtemperatur-Hartlötlegierung, wie etwa eine NiCrBSiFe-Legierung, eine austenitische nickel-chrombasierte Superlegierung, wie etwa die INCONEL® Legierung 718 und die INCONEL® Legierung 625, jeweils erhältlich von der Special Metal Corporation, Huntington, WV, oder ein NiAI-Material umfassen. Das Bindematerial kann das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 mittels einer exothermen Reaktion mit der Außenfläche 12 des Rotors 11 verbinden. Das Bindematerial kann eine Dicke von etwa 0,25 Millimeter aufweisen. Eine zweite Schicht, die etwa 70 Gewichts-% Matrixmaterial und etwa 30 Gewichts-% Hartpartikel umfasst, kann über dem Bindematerial ausgebildet werden. Die Hartpartikel der zweiten Schicht können Wolframcarbid umfassen, und das Metallmatrixmaterial kann beispielsweise Nickel oder eine Nickellegierung umfassen. Die zweite Schicht kann eine Dicke von etwa 12 Millimetern aufweisen. Eine dritte Schicht, die etwa 30 Gewichts-% Matrixmaterial und etwa 70 Gewichts-% Hartpartikel umfasst, kann über der zweiten Schicht ausgebildet werden und kann die Außenfläche 201 des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 bilden. Die Hartpartikel der dritten Schicht können cobaltzementiertes Wolframcarbidmaterial umfassen, und das Matrixmaterial kann Nickel oder eine Nickellegierung umfassen. Die dritte Schicht kann eine Dicke von etwa 2,5 Millimetern aufweisen. Durch Einschließen von mehr Hartpartikeln in die dritte Schicht als in die zweite Schicht kann die dritte Schicht härter, korrosionsbeständiger und/oder abriebsfester als die zweite Schicht sein.
Aufgrund der durch Verwendung der Hartauftragsvorläuferlagen 100, 100' bereitgestellten Steuerung, wird die Geometrie des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 maßgeschneidert, um der Geometrie der Außenfläche 12 des Rotors zu entsprechen. Noch spezieller können die Hartauftragsvorläuferlagen 100, 100' geschnitten und direkt auf die gewünschte Stelle auf der Oberfläche 12 des Rotors 11 platziert werden. Wie in 6 gezeigt, wird die Außenfläche 12 des Rotors 11 mit einem ersten gesinterten Hartauftragsmaterial 202 und einem zweiten gesinterten Hartauftragsmaterial 204 bedeckt. Das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial 204 wird auf den Erhebungen 206 des Rotors 11 ausgebildet, und das erste gesinterte Hartauftragsmaterial 202 wird auf dem Bereich 208 zwischen den Erhebungen 206 des Rotors 11 ausgebildet. Weil der Erhebungen 206 des Rotors 11 eher anfällig für Korrosion sein können als der Bereich zwischen den Erhebungen 206 kann das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial 204 dicker und/oder korrosionsbeständiger als das erste gesinterte Hartauftragsmaterial 202 sein. Beispielsweise kann das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial 204 Wolframcarbid-Hartpartikel umfassen, die durch die Gesamtheit eines Metallmatrixmaterials dispergiert sind, das ein NiAIMn-Bronzematerial umfasst, und kann das erste gesinterte Hartauftragsmaterial 202 Wolframcarbid-Hartpartikel umfassen, die durch die Gesamtheit eines Cobalt-Metallmatrixmaterials dispergiert sind.
Bei zusätzlichen Ausführungsformen kann auch die Lage des gesinterten Hartauftragsmaterials 200 entlang der Länge des Rotors 11 durch Verwendung der Hartauftragsvorläuferlagen 100, 100' maßgeschneidert werden, um der Geometrie des Rotors 11 zu entsprechen. Beispielsweise können Bereiche hoher Erosion des Rotors 11 mit einer größeren Dicke aus gesintertem Hartauftragsmaterial 200 oder einem erosionsbeständigeren gesinterten Hartauftragsmaterial 200 bedeckt werden als andere Abschnitte des Rotors 11. Beispielsweise kann der erste Tangentialabschnitt der ersten Erhebung 17 (1A) des Rotors 11 relativ anfälliger für Erosion, Korrosion und/oder andere Beschädigung sein. Von daher kann der erste Tangentialabschnitt der ersten Erhebung 17 mit einem dickeren gesinterten Hartauftragsmaterial 200 oder einem erosionsbeständigeren gesinterten Hartauftragsmaterial 200 als andere Teile des Rotors 11 bedeckt werden.
7 und 8 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform des auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 ausgebildeten gesinterten Hartauftragsmaterials 200. Wie in 7 gezeigt, kann eine erste Schicht 210 aus Hartauftragsmaterial auf der Außenfläche 12 des Rotors 11 gebildet sein. Die erste Schicht 210 kann Metall oder eine Metalllegierung, wie etwa eine dichte Ni-Legierung, umfassen. Über der ersten Schicht 210 aus Hartauftragsmaterial kann eine zweite poröse Schicht 212 aus Hartauftragsmaterial gebildet sein. Die zweite poröse Schicht 212 aus Hartauftragsmaterial kann ein Metall oder eine Metalllegierung mit Poren darin umfassen. Die zweite poröse Schicht 212 kann wenigstens etwa 10% Volumenporosität aufweisen. Sowohl die erste Schicht 201 als auch die zweite Schicht 212 kann aus Hartauftragslagen 100, 100' gebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die zweite Schicht 212 mit der gewünschten Porosität ausgebildet werden, indem die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' mit durch sie hindurch dispergierten Partikeln aus einem organischen Material ausgebildet wird. Wenn die Hartauftragsvorläuferlage 100, 100' erwärmt wird, um die zweite Schicht 212 zu bilden, können sich die Partikel aus organischem Material verflüchtigen und/oder zersetzen, um Poren innerhalb der zweiten Schicht 212 zu bilden.
Sobald die zweite Schicht 212 aus Hartauftragsmaterial einmal ausgebildet worden ist, kann ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt über der zweiten Schicht 212 abgeschieden werden. Das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt kann dann erwärmt werden, so dass das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt die Poren infiltriert, um eine metallinfundierte zweite Schicht 214, wie in 8 gezeigt, zu bilden. Die erste Schicht 210 und metallinfundierte zweite Schicht 214 können zusammen das gesinterte Hartauftragsmaterial 200 bilden. Das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt kann einen Schmelzpunkt von etwa 350°C oder niedriger aufweisen. Beispielsweise kann das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wenigstens eines aus Indium (das einen Schmelzpunkt von etwa 156°C hat), Bismut (das einen Schmelzpunkt von etwa 271°C hat) und Legierungen aus diesen umfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger als ein Schmelzpunkt einer Materialphase der zweiten Schicht 212 ist, in die es infundiert wird. Beispielsweise kann das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger als der niedrigste Schmelzpunkt irgendeiner Materialphase der zweiten Schicht 212 ist. In anderen Worten kann das Hartauftragsmaterial der zweiten Schicht 212 zwei oder mehr Materialphasen einschließen, und jede Phase kann unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Nach Erwärmung der metall-infundierten zweiten Schicht 214 kann das erste Material, das schmilzt, das innerhalb Poren angeordnete Metall mit niedrigem Schmelzpunkt sein.
Hochtemperaturbohrvorgänge, wie etwa geothermische Bohrlöcher, können Temperaturen erreichen, die den Schmelzpunkt des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt überschreiten.
Beispielsweise können Hochtemperaturbohrvorgänge Temperaturen von etwa 150°C überschreiten. Während dieser Hochtemperaturbohrvorgänge kann das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt schmelzen und aus der metall-infundierten zweiten Schicht 214 ausströmen. Das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt kann dann als Schmiermittel zwischen dem Rotor 11 und dem Stator 6 dienen und eine Flüssigmetalldichtung zwischen den Erhebungen des Rotors 11 und des Stators 6 bereitstellen.
Obwohl die vorliegende Offenbarung hinsichtlich Hydraulikbohrmotoren beschrieben worden ist, versteht es sich, dass ähnliche Vorrichtungen als Hydraulikpumpen arbeiten können, indem eine Drehung der Antriebswelle angetrieben wird, um Hydraulikfluid durch den Körper der Pumpe zu pumpen. Somit können Ausführungsformen der Offenbarung auch für derartige Hydraulikpumpen, und für Systeme und Vorrichtungen, die solche Hydraulikpumpen einschließen, Anwendung finden.
Zusätzliche nicht beschränkende Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind nachstehend beschrieben.
Ausführungsform 1: Eine Komponente für ein Bohrlochwerkzeug, die einen Rotor, der dazu ausgelegt ist, innerhalb eines Stators drehbar angeordnet zu werden, und einen Hartauftragsvorläufer umfasst, der über wenigstens einem Abschnitt einer Außenfläche des Rotors angeordnet ist. Der Hartauftragsvorläufer umfasst ein Polymermaterial, eine Vielzahl von innerhalb des Polymermaterials dispergierten Hartpartikeln und ein Metall, das so formuliert ist, dass es zu einem Matrixmaterial wird.
Ausführungsform 2: Die Komponente von Ausführungsform 1, die weiterhin einen Stator umfasst, der einen weiteren Hartauftragsvorläufer aufweist, der über wenigstens einem Abschnitt seiner Innenfläche angeordnet ist, wobei der weitere Hartauftragsvorläufer ein Polymermaterial, eine Vielzahl von innerhalb des Polymermaterials dispergierten Hartpartikeln und ein Metall umfasst, das so formuliert ist, dass es zu einem Matrixmaterial wird.
Ausführungsform 3: Die Komponente von Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2, wobei das Metall eine Vielzahl von Metallmatrixpartikeln umfasst, die innerhalb des Polymermaterials dispergiert sind, wobei die Vielzahl von Metallmatrixpartikeln einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als etwa 350°C ist.
Ausführungsform 4: Die Komponente irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 3, wobei der Hartauftragsvorläufer weiterhin eine erste Schicht, die ein Bindematerial umfasst, eine zweite Schicht, die eine erste Gewichtsfraktion an Hartpartikeln umfasst, und eine dritte Schicht umfasst, die eine zweite Gewichtsfraktion an Hartpartikeln umfasst. Die zweite Gewichtsfraktion an Hartpartikeln ist größer als die erste Gewichtsfraktion an Hartpartikeln.
Ausführungsform 5: Die Komponente irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei der Rotor wenigstens zwei Erhebungen, die einen ersten Hartauftragsvorläufer aufweisen, der so formuliert ist, dass er nach dem Sintern ein erstes Hartauftragsmaterial bildet, und einen Bereich zwischen den wenigstens zwei Erhebungen umfasst, der einen zweiten Hartauftragsvorläufer aufweist, der so formuliert ist, dass er nach dem Sintern ein zweites Hartauftragsmaterial bildet. Das erste Hartauftragsmaterial weist wenigstens eine mechanische Eigenschaft auf, die unterschiedlich zu einer mechanischen Eigenschaft des zweiten Hartauftragsmaterials ist. Die wenigstens eine mechanische Eigenschaft ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus Abriebsfestigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Bindefestigkeit und Kombinationen aus diesen besteht.
Ausführungsform 6: Die Komponente irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 5, wobei das Polymermaterial ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Styren-Butadien-Styren, Styren-Ethylen-Butylen-Styren, Styren-Divinylbenzen, Styren-Isopren-Styren und Styren-Ethylen-Styren besteht.
Ausführungsform 7: Ein Hydraulikbohrmotor zur Verwendung in einem Erdbohrwerkzeug, der einen Stator, einen drehbar innerhalb des Stators angeordneten Rotor und ein gesintertes Hartauftragsmaterial umfasst, das auf einer Außenfläche des Rotors und/oder einer Innenfläche des Stators angeordnet ist.
Ausführungsform 8: Der Hydraulikbohrmotor von Ausführungsform 7, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial ein Hartauftragsmaterial umfasst, das eine Vielzahl von Poren aufweist, und weiterhin ein Metall mit einer Schmelztemperatur von weniger als etwa 350°C umfasst, das innerhalb wenigstens einigen Poren der Vielzahl von Poren angeordnet ist.
Ausführungsform 9: Der Hydraulikbohrmotor von Ausführungsform 7 oder Ausführungsform 8, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Diamant, Borcarbid, kubischem Bornitrid, Aluminiumnitrid, Carbiden, Oxiden und Boriden besteht.
Ausführungsform 10: Der Hydraulikbohrmotor irgendeiner der Ausführungsformen 7 bis 9, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial ein Metallmatrixmaterial umfasst, das eine Schmelztemperatur von etwa 800°C oder höher aufweist.
Ausführungsform 11: Der Hydraulikbohrmotor irgendeiner der Ausführungsformen 7 bis 10, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial ein Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial umfasst, das eine durchschnittliche Korngröße von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer aufweist.
Ausführungsform 12: Der Hydraulikbohrmotor irgendeiner der Ausführungsformen 7 bis 11, wobei das auf der Außenfläche des Rotors und/oder der Innenfläche des Stators angeordnete gesinterte Hartauftragsmaterial ein erstes Hartauftragsmaterial, das auf wenigstens zwei Erhebungen auf dem Rotor angeordnet ist, und ein zweites Hartauftragsmaterial umfasst, das auf einem Bereich zwischen den wenigstens zwei Erhebungen auf dem Rotor angeordnet ist.
Ausführungsform 13: Der Hydraulikbohrmotor von Ausführungsform 12, wobei das erste Hartauftragsmaterial im Vergleich zu dem zweiten Hartauftragsmaterial eine verbesserte Eigenschaft aufweist, wobei die Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Abriebsfestigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Bindefestigkeit mit einem Material des Rotors oder Stators und Kombinationen aus diesen besteht.
Ausführungsform 14: Der Hydraulikbohrmotor irgendeiner der Ausführungsformen 7 bis 11, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial ein vollständig dichtes Hartauftragsmaterial umfasst.
Ausführungsform 15: Ein Verfahren zum Aufbringen eines Hartauftrags auf eine Oberfläche eines Hydraulikbohrmotors, das umfasst, dass eine Vielzahl von Hartpartikeln, eine Vielzahl von Metallmatrixpartikeln, ein Polymermaterial und ein Lösungsmittel zur Bildung einer Paste gemischt werden, dass das Lösungsmittel aus der Paste entfernt wird, so dass eine wenigstens im Wesentlichen feste Lage gebildet wird, die die Vielzahl von Hartpartikeln, die Vielzahl von Metallmatrixpartikeln und das Polymermaterial umfasst; das die wenigstens im Wesentlichen feste Lage auf eine Außenfläche eines Rotors und/oder eine Innenfläche eines Stators aufgebracht wird, und dass die wenigstens im Wesentlichen feste Lage erwärmt wird.
Ausführungsform 16: Das Verfahren von Ausführungsform 15, das weiterhin umfasst, dass wenigstens die Vielzahl an Metallmatrixpartikeln gesintert wird.
Ausführungsform 17: Das Verfahren von Ausführungsform 15 oder Ausführungsform 16, wobei das Erwärmen der wenigstens im Wesentlichen festen Lage umfasst, dass die wenigstens im Wesentlichen feste Lage auf eine erste Temperatur erwärmt wird, um das Polymer zu entfernen, und dass die wenigstens im Wesentlichen feste Lage auf eine zweite Temperatur erwärmt wird, die höher als die erste Temperatur ist, um die wenigstens im Wesentlichen feste Lage zu sintern.
Ausführungsform 18: Das Verfahren irgendeiner der Ausführungsformen 15 bis 17, wobei das Erwärmen der wenigstens im Wesentlichen festen Lage auf eine erste Temperatur umfasst, dass innerhalb der wenigstens im Wesentlichen festen Lage eine Vielzahl von Poren ausgebildet wird und dass wenigstens einige der Vielzahl von Poren mit einem Metall gefüllt werden, das einen Schmelzpunkt von etwa 350°C oder niedriger aufweist.
Ausführungsform 19: Das Verfahren irgendeiner der Ausführungsformen 15 bis 18, das weiterhin umfasst, dass die Paste über eine Oberfläche eines Substrats aufgebracht wird und dass die wenigstens im Wesentlichen feste Lage von der Oberfläche des Substrats entfernt wird.
Ausführungsform 20: Das Verfahren irgendeiner der Ausführungsformen 15, 16, 17 oder 19, wobei das Aufbringen der wenigstens im Wesentlichen festen Lage auf wenigstens eine Außenfläche eines Rotors und/oder eine Innenfläche eines Stators umfasst, dass eine im Wesentlichen feste Lage aufgebracht wird, die ein vollständig dichtes Hartauftragsmaterial aufweist.
Ausführungsform 21: Eine Komponente für ein Bohrlochwerkzeug, die ein erstes Hartauftragsmaterial, das über einem Körper angeordnet ist, ein zweites Hartauftragsmaterial, das über dem ersten Hartauftragsmaterial angeordnet ist und eine Vielzahl von Poren bildet, und ein Metall umfasst, das innerhalb wenigstens einiger der Vielzahl von Poren des zweiten Hartauftragsmaterials angeordnet ist. Das Metall weist einen Schmelzpunkt auf, der niedriger als ein Schmelzpunkt des zweiten Hartauftragsmaterials ist.
Ausführungsform 22: Die Komponente von Ausführungsform 21, wobei der Körper ein Rotor und/oder ein Stator ist.
Ausführungsform 23: Die Komponente von Ausführungsform 21 oder Ausführungsform 22, wobei das Metall einen Schmelzpunkt von etwa 350°C oder niedriger aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung hierin in Bezug auf bestimmte veranschaulichte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt und versteht der Durchschnittsfachmann, dass sie nicht auf diese Weise beschränkt ist. Vielmehr können viele Hinzufügungen, Streichungen und Modifizierungen an den veranschaulichten Ausführungsformen durchgeführt werden, ohne dass vom Umfang der nachstehend beanspruchten Erfindung, einschließlich ihrer rechtlichen Äquivalente, abgewichen wird. Zusätzlich können Merkmale aus einer Ausführungsform mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden, und trotzdem noch innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie er von den Erfindern betrachtet wurde, eingeschlossen bleiben. Weiterhin können Ausführungsformen der Offenbarung mit unterschiedlichen und verschiedenen Meißelprofilen sowie Schneidelementtypen und - konfigurationen zweckmäßig sein.

Claims

Hydraulikbohrmotor (10) zur Verwendung in einem Erdbohrwerkzeug, der umfasst: - einen Stator (6), - einen drehbar innerhalb des Stators angeordneten Rotor (11) und - ein gesintertes Hartauftragsmaterial (204, 202), das auf einer Außenfläche (12) des Rotors (11) angeordnet ist, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial (204, 202) umfasst: ein erstes gesintertes Hartauftragsmaterial (204), das auf wenigstens zwei Erhebungen (206) auf dem Rotor (11) angeordnet ist, ein zweites gesintertes Hartauftragsmaterial (202), das auf einem Bereich (208) zwischen den wenigstens zwei Erhebungen (206) auf dem Rotor (11) angeordnet ist, und wobei das erste gesinterte Hartauftragsmaterial (204) und das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial (202) jeweils ein Verbundmaterial umfassen, das eine relativ harte erste Phase aufweist, die innerhalb einer zweiten kontinuierlichen Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase verteilt ist, wobei sich die Zusammensetzung des zweiten gesinterten Hartauftragsmaterials (202) von der Zusammensetzung des ersten gesinterten Hartauftragsmaterials (204) unterscheidet.
Hydraulikbohrmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Phase des gesinterten Hartauftragsmaterials (204, 202) ein Hartauftragsmaterial umfasst, das eine Vielzahl von Poren aufweist, und wobei die zweite Phase des gesinterten Hartauftragsmaterials (204, 202) ein Metall mit einer Schmelztemperatur von weniger als etwa 350°C umfasst, das innerhalb wenigstens einiger Poren der Vielzahl von Poren angeordnet ist.
Hydraulikbohrmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Phase des gesinterten Hartauftragsmaterials (204, 202) ein Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Diamant, Borcarbid, kubischem Bornitrid, Aluminiumnitrid, Carbiden, Oxiden und Boriden besteht.
Hydraulikbohrmotor (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Phase des gesinterten Hartauftragsmaterials (204, 202) ein Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial umfasst, das eine Schmelztemperatur von etwa 800°C oder höher aufweist.
Hydraulikbohrmotor (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Phase des gesinterten Hartauftragsmaterials (204, 202) ein Metall- oder Metalllegierungs-Matrixmaterial umfasst, das eine durchschnittliche Korngröße von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer aufweist.
Hydraulikbohrmotor (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Hartauftragsmaterial (204) im Vergleich zu dem zweiten Hartauftragsmaterial (202) eine verbesserte Eigenschaft aufweist, wobei die Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Abriebsfestigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Bindefestigkeit mit einem Material des Rotors oder Stators und Kombinationen aus diesen besteht.
Hydraulikbohrmotor (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial ein vollständig dichtes Hartauftragsmaterial umfasst.
Verfahren zum Aufbringen eines Hartauftrags auf eine Oberfläche eines Hydraulikbohrmotors (10), wobei das Verfahren umfasst: - Mischen einer Vielzahl von Hartpartikeln, eine Vielzahl von Metallmatrixpartikeln, ein Polymermaterial und ein Lösungsmittel zur Bildung einer Paste, - Entfernen des Lösungsmittel aus der Paste zur Bildung eines ersten Hartauftragsvorläufers, der eine wenigstens im Wesentlichen feste Lage enthält, die die Vielzahl von Hartpartikeln, die Vielzahl von Metallmatrixpartikeln und das Polymermaterial umfasst; - Aufbringen des ersten Hartauftragsvorläufers auf wenigstens zwei Erhebungen (206) auf einer Außenfläche (12) eines Rotors (11), - Bilden eines zweiten Hartauftragsvorläufers mit einer Zusammensetzung, die sich von der Zusammensetzung des ersten Hartauftragsvorläufers unterscheidet, - Aufbringen des zweiten Hartauftragsvorläufers auf einen Bereich (208) zwischen den wenigstens zwei Erhebungen (206) auf der Außenfläche (12) des Rotors (11), und - Erwärmen des ersten Hartauftragsvorläufers und des zweiten Hartauftragsvorläufers, um ein erstes gesintertes Hartauftragsmaterial (204) und ein zweites gesintertes Hartauftragsmaterial (202) auf der Außenfläche (12) des Rotors (11) zu bilden, wobei das erste gesinterte Hartauftragsmaterial (204) und das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial (202) jeweils ein Verbundmaterial umfassen, das eine relativ harte erste Phase aufweist, die innerhalb einer zweiten kontinuierlichen Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase verteilt ist, und wobei sich die Zusammensetzung des zweiten gesinterte Hartauftragsmaterials (202) von der Zusammensetzung des ersten gesinterten Hartauftragsmaterials (204) unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin umfasst, dass wenigstens die Vielzahl an Metallmatrixpartikeln gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das Erwärmen des ersten Hartauftragsvorläufers und des zweiten Hartauftragsvorläufers umfasst: - Erwärmen der wenigstens im Wesentlichen festen Lage auf eine erste Temperatur, um das Polymermaterial zu entfernen, und - Erwärmen der wenigstens im Wesentlichen festen Lage auf eine zweite Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, um die wenigstens im Wesentlichen feste Lage zu sintern.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Erwärmen der wenigstens im Wesentlichen festen Lage auf eine erste Temperatur umfasst, dass innerhalb der wenigstens im Wesentlichen festen Lage eine Vielzahl von Poren ausgebildet wird und dass wenigstens einige der Vielzahl von Poren mit einem Metall gefüllt werden, das einen Schmelzpunkt von etwa 350°C oder niedriger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das weiterhin umfasst: - Aufbringen der Paste über eine Oberfläche eines Substrats, und - Entfernen der wenigstens im Wesentlichen festen Lage von der Oberfläche des Substrats.
Hydraulikbohrmotor (10) zur Verwendung in einem Erdbohrwerkzeug, der umfasst: - einen Stator (6), - einen drehbar innerhalb des Stators angeordneten Rotor (11) und - ein gesintertes Hartauftragsmaterial (204, 202), das auf einer Außenfläche (12) des Rotors (11) und einer Innenfläche (8) des Stators (6) angeordnet ist, wobei das gesinterte Hartauftragsmaterial (204, 202) umfasst: ein erstes gesintertes Hartauftragsmaterial (204), das auf wenigstens zwei Erhebungen (206) auf dem Rotor (11) angeordnet ist, ein zweites gesintertes Hartauftragsmaterial (202), das auf einem Bereich (208) zwischen den wenigstens zwei Erhebungen (206) auf dem Rotor (11) angeordnet ist, und wobei das erste gesinterte Hartauftragsmaterial (204) und das zweite gesinterte Hartauftragsmaterial (202) jeweils ein Verbundmaterial umfassen, das eine relativ harte erste Phase aufweist, die innerhalb einer zweiten kontinuierlichen Metall- oder Metalllegierungs-Matrixphase verteilt ist.
Hydraulikbohrmotor (10) nach Anspruch 13, wobei das erste Hartauftragsmaterial (204) im Vergleich zu dem zweiten Hartauftragsmaterial (202) eine verbesserte Eigenschaft aufweist, wobei die Eigenschaft aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Abriebsfestigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit, Bindefestigkeit mit einem Material des Rotors oder Stators und Kombinationen aus diesen besteht.