用于井下工具的金屬滑動(dòng)部件的表面硬化處理的制作方法

用于井下工具的金屬滑動(dòng)部件的表面硬化處理的制作方法
【專利摘要】一種對(duì)用于井下工具的滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理的方法以及用于井下工具的滑動(dòng)部件。用于井下工具的滑動(dòng)部件具有經(jīng)表面硬化處理的支承表面。能夠是在封隔器、橋塞、或者其它井下工具上使用的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)件或者其它部件的滑動(dòng)部件由諸如鎂、鋁、鋁合金、或者鎂合金的金屬基礎(chǔ)材料組成。為了對(duì)滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理，相對(duì)于電火花裝置對(duì)至少支承表面進(jìn)行定位。通過使用電火花裝置，外層至少結(jié)合在支承表面上。在另一實(shí)施方式中，首先，通過將中間材料離子濺射到滑動(dòng)部件的金屬基礎(chǔ)材料上能夠?qū)⒅虚g層結(jié)合到至少支承表面上。然后，通過電火花沉積能夠?qū)⑼鈱又辽俳Y(jié)合在中間層上。
【專利說明】用于井下工具的金屬滑動(dòng)部件的表面硬化處理
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)與具有代理人案號(hào)N0.205-0326US并且標(biāo)題為“Hard Surfacing
Non-Metallic Slip Components for Downhole Tools”的美國申請(qǐng)_/_同時(shí)提交，該申
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【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及對(duì)用于井下工具的滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理的方法以及用于井下工具的滑動(dòng)部件。
【背景技術(shù)】
[0004]井下工具使用滑動(dòng)件來與套管接合并且將井下工具保持就位。例如，封隔器是一種使用滑動(dòng)件的井下工具。封隔器主要使用在油井和天然氣井中來將不同生產(chǎn)區(qū)隔開。在封隔器上，滑動(dòng)件在封隔器與套管或者井孔之間提供摩擦保持，當(dāng)遭受高壓、高溫、以及作用力時(shí)，該摩擦保持有助于將封隔器保持就位。封隔器和相關(guān)的滑動(dòng)件是或永久性的或可回收的。
[0005]永久性封隔器通常制造成本較低并且通常能夠承受高壓和高溫。相反地，可回收封隔器能夠通過使用液壓或者機(jī)械的方式“復(fù)原”。在封隔器“復(fù)原”之后，其能夠利用管件或者工作管柱沿孔向上帶出。因?yàn)閷⒖苫厥辗飧羝髟O(shè)計(jì)成可再次使用，所以可回收封隔器通常更復(fù)雜并且具有更多的機(jī)械零件。
[0006]因?yàn)槠涫怯谰眯缘?，所以永久性封隔器通常通過碾磨或者鉆孔來損壞它而將其去除。換言之，永久封隔器設(shè)計(jì)成一次性使用并且將其損壞而將其去除。因此，需要用更易碾磨或者鉆孔的材料構(gòu)造永久性封隔器。更易碾磨或者鉆孔的材料的示例由諸如復(fù)合材料、陶瓷或者塑料的非金屬材料制成。能夠使用諸如超高分子量聚乙烯(UHMW)、聚四氟乙烯(PTFE)或者類似的工程級(jí)塑料的塑料，因?yàn)樗鼈兙哂懈叻肿恿亢烷L分子鏈，盡管也可以使用其它熱塑聚乙烯。
[0007]一般來說，越易碾磨/鉆孔的材料強(qiáng)度越差，并且因此越不能承載。因此，用更耐用的金屬材料形成永久性封隔器會(huì)使永久性封隔器更堅(jiān)固。但是，更高的強(qiáng)度意味著更難對(duì)永久性封隔器進(jìn)行碾磨或者鉆孔來去除它。封隔器的更高的強(qiáng)度意味著需要更多的安裝鉆機(jī)時(shí)間來對(duì)封隔器進(jìn)行碾磨或者鉆孔以將其去除。因此，在使用由金屬材料組成的永久性封隔器之間存在內(nèi)在的矛盾，因?yàn)楫?dāng)不再需要封隔器時(shí)，消耗大量時(shí)間來碾磨或者鉆孔。因?yàn)榘惭b鉆機(jī)時(shí)間是昂貴的，所以額外的安裝鉆機(jī)時(shí)間的額外的費(fèi)用能夠等于或者超過與可回收封隔器相比通過使用永久性封隔器所節(jié)約的費(fèi)用。
[0008]使用更耐用的材料也能夠?qū)е庐?dāng)對(duì)金屬材料進(jìn)行鉆孔或者碾磨時(shí)發(fā)生被稱為“鉆頭尋跡(bit tracking)”的問題。在鉆頭尋跡時(shí),用于碾磨工具的鉆頭停留在一個(gè)路徑上并且不再切割需進(jìn)行鉆孔或者碾磨的材料。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)厥捌疸@頭并且快速地再次接觸正進(jìn)行鉆孔的材料。在鉆頭尋跡時(shí)，可以去除一些材料，但是實(shí)際上，鉆頭僅抵靠井下工具的表面進(jìn)行磨損。實(shí)質(zhì)上，在鉆頭尋跡時(shí)，鉆頭旋轉(zhuǎn)，但是不能適當(dāng)?shù)厍懈钚枞コ姆飧羝骰蛘咂渌牧稀２恍业?，操作者在表面不容易觀察到鉆頭尋跡發(fā)生與否，因?yàn)榧词刮磳?duì)需鉆孔的封隔器或者其它材料進(jìn)行鉆孔或者碾磨，鉆頭仍繼續(xù)正常旋轉(zhuǎn)。
[0009]當(dāng)需要密封井的套管或者井孔中的管件或者其它管道時(shí)，例如當(dāng)需要將水泥或者其它漿料泵送至地層中時(shí)，可以使用井下工具。在此情形中，適當(dāng)?shù)氖窍鄬?duì)井套管對(duì)管件進(jìn)行密封并且防止?jié){料的流體壓力將管件提升出井。封隔器、橋塞等設(shè)計(jì)用于這些常規(guī)目的?；瑒?dòng)機(jī)構(gòu)是以下裝置:其在這些井下工具上使用以與井孔接觸并且將井下工具在基本上沒有移動(dòng)的情況下保持在井孔中并且如上所述阻礙流動(dòng)或者壓力。通常，滑動(dòng)機(jī)構(gòu)用于與井孔接觸來將井下工具在基本上沒有運(yùn)動(dòng)情況下保持在井孔中。
[0010]在現(xiàn)有技術(shù)中使用的現(xiàn)有滑動(dòng)機(jī)構(gòu)包括T式、液壓式、以及箭式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，將對(duì)它們進(jìn)行簡要描述。
[0011]圖1A至圖1B示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的T式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)10。機(jī)構(gòu)10包括多個(gè)滑動(dòng)部件，例如T式滑動(dòng)件20、圓錐體30、以及保持架40——T式滑動(dòng)件20、圓錐體30、以及保持架40中的每一者布置在封隔器12等的心軸14上。T式滑動(dòng)件20具有搭接端部24和T式端部28，搭接端部24和T式端部28通過頸部22相互連接。保持架40中的滑動(dòng)槽42保持T式端部28，而圓錐體30中的槽32保持搭接端部24。具體地，搭接端部24具有肩部或者突部25 (圖1 )，該肩部或者突部25在保持架的槽32中的凹槽35中行進(jìn)。
[0012]當(dāng)圓錐體30更靠近滑動(dòng)保持架40機(jī)械或者液壓移動(dòng)時(shí)，T式滑動(dòng)件20設(shè)定到套管壁中。為此，滑動(dòng)件的搭接端部24具有由圓錐體30推動(dòng)的斜面邊緣27。
[0013]圖2A至圖2B不出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的液壓式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)110。機(jī)構(gòu)110包括多個(gè)滑動(dòng)部件，例如液壓式 滑動(dòng)件120、圓錐體130、以及保持架140——液壓式滑動(dòng)件120、圓錐體130、以及保持架140中的每一者設(shè)置在封隔器12等的心軸14上。液壓式滑動(dòng)件120圍繞心軸14配合并且具有搭接面124a至124b，搭接面124a至124b配合穿過保持架140中的滑動(dòng)槽142。彈簧160沿滑動(dòng)件120的長度設(shè)置在中央通道122中并且座置在滑動(dòng)槽142中的中央條帶144之下。當(dāng)圓錐體130已經(jīng)被拉出離開設(shè)定位置時(shí)，通常是葉片式彈簧的此彈簧將滑動(dòng)件120向收回位置偏壓。但是，如設(shè)定位置中所示，液壓式滑動(dòng)件120在其外面上具有搭接部126，搭接部126能夠設(shè)定到附近的套管壁(未示出)中。
[0014]為了將液壓式滑動(dòng)件120設(shè)定到套管壁中，圓錐體130向滑動(dòng)保持架140下面也向液壓式滑動(dòng)件120下面進(jìn)一步移動(dòng)(通常通過液壓致動(dòng))。在圓錐體130上的斜面邊緣137推靠滑動(dòng)件120的斜面端部127。因此，圓錐體130應(yīng)當(dāng)滑動(dòng)到滑動(dòng)保持架140下面以將滑動(dòng)件120推動(dòng)通過滑動(dòng)槽142。
[0015]圖3A至圖3B示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的箭式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)210。此機(jī)構(gòu)210包括多個(gè)滑動(dòng)部件，例如箭式滑動(dòng)件220、圓錐體230、以及保持架240——箭式滑動(dòng)件220、圓錐體230、以及保持架240中的每一者設(shè)置在封隔器12等的心軸14上。箭式滑動(dòng)件220圍繞心軸14配合并且具有搭接端部224和配合端部228，搭接端部224和配合端部228通過頸部222相互連接。配合端部228配合在保持架240中的類似成形的槽242中，而頸部222配合在保持架240的邊緣上的肩部區(qū)域224之下。當(dāng)圓錐體230更靠近滑動(dòng)保持架240機(jī)械或者液壓地移動(dòng)時(shí)，箭式滑動(dòng)件220設(shè)定到套管壁中。具體地，滑動(dòng)件220的搭接端部224在其內(nèi)側(cè)上包括斜面邊緣227。當(dāng)圓錐體230朝向保持架240移動(dòng)時(shí)，圓錐體斜面邊緣237與滑動(dòng)件的斜面端部227接合，將滑動(dòng)件的搭接端部224推動(dòng)到套管壁中。當(dāng)滑動(dòng)件220設(shè)定時(shí)，在滑動(dòng)件的搭接端部224上的搭接部226設(shè)定到周圍的套管壁(未示出)中。無論滑動(dòng)件220設(shè)定與否，保持架240通過這些滑動(dòng)槽242保持連接至箭式滑動(dòng)件222的配合端部228。
[0016]滑動(dòng)件的要求是滑動(dòng)件咬合或者鎖定在工具中；主要示例是用于將封隔器鎖定在套管或者井孔中的所選擇的位置中的封隔器滑動(dòng)件。問題是使滑動(dòng)件易于通過碾磨或者鉆孔技術(shù)去除，由此削減井構(gòu)型、完成時(shí)間、以及成本。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)的滑動(dòng)件已經(jīng)由灰色和可延展式的鑄鐵制成。這些鑄鐵可更易于進(jìn)行碾磨/鉆孔，但是，仍需要大量碾磨/鉆孔時(shí)間。最近以來，滑動(dòng)件已由膠合在復(fù)合滑動(dòng)基體中的陶瓷咬合元件制成。在復(fù)合材料滑動(dòng)件中的加工是允許的但未被證實(shí)，因?yàn)閺?fù)合材料滑動(dòng)件基礎(chǔ)材料可能存在延展性問題。因此，這些解決方法在此未提出理想的解決方法。
[0018]另外，已知通過對(duì)表面進(jìn)行陽極化處理以形成陽極化處理的金屬涂層來對(duì)鋁制金屬封隔器的表面進(jìn)行硬化處理。但是，這是有問題的，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)陽極化處理產(chǎn)生僅僅幾?；驇孜⒚椎姆浅１〉耐繉?。因?yàn)檫@是相對(duì)薄的層，所以滑動(dòng)件不易與基底附著。離子濺射也已經(jīng)用于形成金屬涂層。但是，這也僅產(chǎn)生幾?；蛘邘孜⒚琢考?jí)的薄基底，也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其缺少足夠的強(qiáng)度。
[0019]本公開的主題涉及克服或者至少緩解上文所提到的問題中的一個(gè)或者更多個(gè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]用于井下工具的滑動(dòng)部件具有已表面硬化處理的支承表面?；瑒?dòng)部件能夠是在封隔器、橋塞、或者其 它井下工具上使用的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)件或者其它部件。事實(shí)上，滑動(dòng)部件能夠是井下工具的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)件、圓錐體和/或保持架并且甚至能夠包括井下工具的心軸的與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)相鄰的部分。不管怎樣，滑動(dòng)部件由與鋼相比具有相對(duì)低熔點(diǎn)的金屬基材料組成。例如，滑動(dòng)部件的金屬基材料能夠是鎂、鋁、鋁合金、或者鎂合金。具體地，用于滑動(dòng)部件的鋁合金能夠是6000系列鋁合金，例如鋁合金6061-T6。
[0021]為了對(duì)滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理，相對(duì)于電火花沉積裝置對(duì)滑動(dòng)部件的至少支承表面進(jìn)行定位，電火花沉積裝置包括由用于在滑動(dòng)部件上沉積所選擇的外部材料組成的電極。支承表面能夠是滑動(dòng)件用于與井下管狀物接合的抓緊表面，盡管受到磨損、摩擦等的任何支承表面能夠受益于所公開的技術(shù)。通過使用電火花沉積裝置，通過將電極的外部材料電火花沉積至滑動(dòng)部件的金屬基礎(chǔ)材料來將外層至少結(jié)合在支承表面上。
[0022]在將外部材料電火花沉積至基礎(chǔ)材料時(shí)，在外部材料與金屬基礎(chǔ)材料之間形成冶金結(jié)合，在金屬基礎(chǔ)材料中，滑動(dòng)部件的整體溫度很好地保持在基礎(chǔ)材料的熔點(diǎn)以下。這樣，滑動(dòng)部件的整體溫度能夠保持在危害滑動(dòng)部件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度水平的溫度以下。
[0023]多種外部材料能夠用于電火花加工，這些材料包括但不限于金屬材料、金屬陶瓷材料、陶瓷材料、表面硬化合金、鈷基表面硬化合金、鐵基表面硬化合金、鎳基表面硬化合金、不銹鋼、鎳超合金、以及鈷基合金，例如SteHite弗(司太立)金屬合金。(stellite是DELORO STELLITE控股公司的注冊商標(biāo))。如一些具體示例，表面硬化合金能夠是可從印第安納州的戈申的Stellite Coatings (司太立涂層)購買的UNS R3000U UNS R30035、以及UNS N99646。[0024]能夠通過對(duì)外層進(jìn)行表面處理來誘發(fā)壓應(yīng)力或者消除拉應(yīng)力來進(jìn)一步增大外層的至少一部分的硬度。例如，對(duì)外層進(jìn)行表面處理能夠涉及使用機(jī)械過程例如噴丸硬化、噴丸加工、以及拋光，或者能夠涉及使用非機(jī)械過程例如超聲沖擊硬化以及激光沖擊硬化。
[0025]在另一實(shí)施方式中，對(duì)滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理能夠涉及中間階段，在中間階段，在將外層電火花加工在滑動(dòng)部件上之前相對(duì)離子濺射裝置對(duì)至少支承表面進(jìn)行定位。在此實(shí)施方式中，通過將中間材料離子濺射到滑動(dòng)部件的金屬基礎(chǔ)材料上將中間層結(jié)合在至少支承表面上。然后，相對(duì)于電火花沉積裝置對(duì)至少支承表面進(jìn)行定位，使得外層能夠至少結(jié)合在中間層上。
[0026]前述概要無意于概括本公開的每個(gè)潛在實(shí)施方式或者每方面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1A示出了具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的T式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的井下工具的部分截面。
[0028]圖1B示出了圖1A的T式滑動(dòng)件的立體圖。 [0029]圖2A示出了具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的液壓式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的井下工具的部分截面。
[0030]圖2B示出了圖2A的液壓式滑動(dòng)件的立體圖。
[0031]圖3A示出了具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的箭式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的井下工具的部分截面。
[0032]圖3B示出了圖3A的箭式滑動(dòng)件的立體圖。
[0033]圖4示出了對(duì)根據(jù)本公開的滑動(dòng)部件進(jìn)行表面處理的電火花沉積系統(tǒng)的示意圖。
[0034]圖5A示出了在諸如圖4中示出的電火花沉積系統(tǒng)通過使用電火花加工已經(jīng)將硬外層沉積至部件的至少支承表面之后的滑動(dòng)部件。
[0035]圖5B示出了圖5A的滑動(dòng)部件的詳細(xì)視圖。
[0036]圖6示出了具有本公開施加于部件的抓緊表面的表面處理的另一滑動(dòng)部件。
[0037]圖7示出了在本公開的替代實(shí)施方式中使用以對(duì)滑動(dòng)部件進(jìn)行表面處理的離子濺射系統(tǒng)的示意圖。
[0038]圖8A示出了在諸如圖7中示出的離子濺射系統(tǒng)通過使用離子濺射已經(jīng)將薄金屬基底結(jié)合層沉積至部件的至少支承表面之后的滑動(dòng)部件。
[0039]圖8B示出了圖8A中的滑動(dòng)部件的詳細(xì)示意圖。
[0040]圖9A和圖9B示出了在諸如圖4中示出的電火花沉積系統(tǒng)通過使用電火花加工已經(jīng)將硬外層沉積至金屬基底結(jié)合層之后的圖8A至圖SB的滑動(dòng)部件。
【具體實(shí)施方式】
[0041]圖4示出了根據(jù)本公開的用于對(duì)井下工具的金屬滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理的電火花沉積系統(tǒng)400的意圖。電火花沉積也被稱為電火花硬化、電火花韌化、電火花合金化、脈沖熔融表面處理以及脈沖電極表面處理。一般而言，電火花沉積是脈沖微焊過程，脈沖微焊過程使用快速電源放電來實(shí)現(xiàn)金屬從電極向接觸表面的轉(zhuǎn)移。其它“脈沖”技術(shù)，例如沖擊焊接和磁脈沖焊接也通過使用“脈沖”轉(zhuǎn)移少量材料來實(shí)現(xiàn)金屬轉(zhuǎn)移。
[0042]電火花沉積系統(tǒng)400包括控制單元410，控制單元410連接至工件320和電極414。在此示例中，工件320是金屬滑動(dòng)部件，例如，在諸如封隔器、橋塞等的井下工具上使用的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的部件，并且更具體地，工具320是用于滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)件，例如箭式滑動(dòng)件。盡管本示例針對(duì)滑動(dòng)件的表面硬化處理，但是就本公開的優(yōu)勢而言，可以理解，本公開所公開的表面硬化處理過程能夠施加于井下工具的任何滑動(dòng)部件(或者任何部件)，該井下工具具有能夠受益于表面硬化處理的支承表面。
[0043] 在系統(tǒng)400中，電極414相對(duì)于滑動(dòng)件320定位以及運(yùn)動(dòng)?？刂婆c電極414相關(guān)的參數(shù)和來自控制單元410的電能使得在電極頂端424中、和滑動(dòng)件320中、以及特別是在需要由電火花過程沉積材料的位置426處產(chǎn)生可控的靜電力。
[0044]更具體地，相對(duì)于滑動(dòng)件320對(duì)電極414進(jìn)行定位使得靜電力與輝光放電條件基本上相同。電極414隨后前進(jìn)成與滑動(dòng)件320的表面324接觸并且隨后快速收回以在電極414與表面324之間產(chǎn)生火花弧。優(yōu)選地，控制該過程使得在電極414與滑動(dòng)件320之間沒有顯著電流流動(dòng)。在此方式中，僅由火花弧本身產(chǎn)生滑動(dòng)件320的主要加熱作用。此加熱作用基本上僅在電極414已經(jīng)接觸表面324的區(qū)域處發(fā)生，并且在此處能夠立刻發(fā)生空氣淬火，如美國專利N0.4，551，603中所教導(dǎo)的。
[0045]在電火花過程中，也控制參數(shù)使得火花弧具有使電極414的一部分熔化的足夠的能量。電極的頂端424是陽極并且優(yōu)選地具有非常小的面積使得弧火花能夠使電極414的頂端424熔化但是并不大幅地加熱滑動(dòng)件320。隨著電極414從滑動(dòng)件320收回，電極材料434的沉積留在了滑動(dòng)件的表面324上。重復(fù)此過程直到滑動(dòng)件320的所需區(qū)域已經(jīng)具有沉積在其上的電極材料434。這些沉積可以被認(rèn)為是少量的所需表面處理材料從接觸電極414到滑動(dòng)件320的表面324的轉(zhuǎn)移。這些微焊將重疊，從而產(chǎn)生冶金結(jié)合地至滑動(dòng)件320的下層材料的完整的新硬化表面。
[0046]圖5A示出了由金屬材料組成的諸如T式滑動(dòng)件的滑動(dòng)部件320的示例，并且圖5B為在諸如圖4中示出的電火花沉積系統(tǒng)通過使用電火花加工已經(jīng)將硬外層沉積到部件的至少支承表面之后的金屬滑動(dòng)件320的表面324的詳細(xì)視圖。如上所述，滑動(dòng)件320由金屬材料組成并且更具體地能夠由鎂、鋁、鋁合金、或者鎂合金組成。具體地，6000系列的鋁合金可以適合于使用文中公開的技術(shù)的表面處理。就通過使用所公開的技術(shù)對(duì)滑動(dòng)件320進(jìn)行表面硬化處理而言，鋁6061-T6是一個(gè)優(yōu)選的鋁合金。大部分鋁合金都是良好的備選；限定因素是滿足滑動(dòng)件320在井下經(jīng)受的施加溫度處的最小設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
[0047]在圖5B的詳細(xì)視圖中，已經(jīng)用電火花沉積系統(tǒng)400對(duì)滑動(dòng)件320的表面324進(jìn)行處理以通過使用電火花加工沉積電火花加工層350。如上所述，電火花沉積涉及諸如金屬的所需表面處理材料的少量熔融微滴從接觸電極(414)到滑動(dòng)件320的表面324的轉(zhuǎn)移。這些微焊重疊，從而產(chǎn)生完整的新表面。另外，因?yàn)殡娀鸹庸げ牧辖Y(jié)合至滑動(dòng)件的表面324的金屬基底，所以形成冶金結(jié)合。這與諸如電弧噴射或者高速燃料增氧過程的其它低熱量輸入過程形成對(duì)比。
[0048]如上所述，電極材料(434)的沉積留在滑動(dòng)件的表面324上以形成電火花層350。電極沉積材料能夠包括金屬材料、金屬陶瓷材料、或者陶瓷材料，并且能夠包括金屬碳化物、金屬氮化物、或者金屬硼化物。一個(gè)優(yōu)選示例是燒結(jié)碳化鎢，其包括金屬碳化物和基體延展性金屬。可替代地，也可以使用表面硬化合金例如鈷、鐵、或者鎳基合金表面硬化合金。這些合金的具體示例包括UNS R3000U UNS R30035或者UNS N99646。在附加的替代方案中，可以使用鎳合金，例如鎳超合金；不銹鋼合成物，例如馬氏體不銹鋼；或者鈷基合金(例如 Stcliite? (司太立))。[0049]在改進(jìn)電火花加工層350的硬度的其它實(shí)施方式中，能夠通過機(jī)械加工例如噴丸硬化、噴丸加工、以及拋光進(jìn)一步改進(jìn)電火花層350的材料性能。也能夠使用非機(jī)械過程，例如超聲沖擊硬化和激光沖擊硬化。進(jìn)一步加工能夠通過誘發(fā)壓應(yīng)力或者消除拉應(yīng)力增大電火花加工材料層的至少一部分的硬度。
[0050]如上所述，電火花過程具有極低的熱量輸入。據(jù)信，該過程產(chǎn)生遠(yuǎn)離電極414和滑動(dòng)件的表面324的結(jié)合相接部的幾攝氏度的量級(jí)的最大溫度上升。因此，這低熱量輸入過程不改變鋁制滑動(dòng)件320的完整，但是在硬外層350與鋁制滑動(dòng)件320之間產(chǎn)生冶金結(jié)合。據(jù)信，所公開的過程產(chǎn)生硬化區(qū)，其不局限于低結(jié)合強(qiáng)度，例如12000psi或更低。
[0051]如上所述，滑動(dòng)部件的多個(gè)部分能夠是根據(jù)文中所公開的技術(shù)進(jìn)行處理的硬化表面。例如，圖6示出了滑動(dòng)件320，例如箭式滑動(dòng)件，其中，所公開的過程已經(jīng)施加至咬邊或者表面326，其也被稱為滑動(dòng)件320的抓緊表面?；瑒?dòng)件320的其它支承表面可以受益于本公開所公開的表面硬化處理。例如，滑動(dòng)件320的端部上的斜面327能夠根據(jù)本公開進(jìn)行處理。因此，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員可以理解，在下方主要冶金結(jié)合至滑動(dòng)部件的硬外層能夠提供改善的耐磨性、耐腐蝕性、以及另外的抗剪切和形變性能使得滑動(dòng)部件的任何支承表面能夠受益于所公開的處理。
[0052]另如上所述，所公開的過程也能夠用于硬化多種滑動(dòng)件，例如T式滑動(dòng)件、液壓式滑動(dòng)件、或者箭式滑動(dòng)件。實(shí)際上，所公開的過程也能夠用于硬化滑動(dòng)部件或者甚至至少部分由鋁材料制成的諸如封隔器的井下工具的任何支承表面。例如，所公開的過程能夠用于井下工具的圓錐體、測量環(huán)、心軸、以及類似部件。
[0053]圖7、圖8A、圖8B以及圖9示出了本公開的可替代實(shí)施方式，其中，在硬金屬外層進(jìn)行電火花沉積之前，將中間層離子濺射到滑動(dòng)部件上。 [0054]圖7示出了根據(jù)本公開的離子濺射系統(tǒng)700的示意圖。離子濺射系統(tǒng)700包括室C、離子槍710、以及靶720，用以將中間層施加至工件320，在本示例中，工件320還是用于井下工具或者封隔器的鋁制滑動(dòng)件。由離子濺射系統(tǒng)700完成的真空濺射是將薄層結(jié)合材料沉積在基底上的已被廣泛接受的方法。根據(jù)此技術(shù)，在室C中，離子束從離子槍710射到靶720處。優(yōu)選地，室C保持近乎于真空階段。離子對(duì)抗靶720的沖擊使得靶材的原子從靶材射出并且沉積到滑動(dòng)件320的表面324上。用于靶720的材料的示例包括鎳、鐵、鈷、金、銀、以及這些材料的合金或者結(jié)合。
[0055]圖8A至圖8B示出了在離子濺射系統(tǒng)700通過使用離子濺射已經(jīng)將中間層800沉積至滑動(dòng)件320的表面324之后的滑動(dòng)件320。離子濺射金屬層800能夠具有五千埃至一萬埃的量級(jí)的厚度。由于離子濺射過程在基礎(chǔ)材料上的低熱量輸入，離子濺射是施加金屬層800的優(yōu)選過程，在此情形中，基礎(chǔ)材料是滑動(dòng)件320的鋁制抓緊部段326。具有高熱量輸入的過程會(huì)對(duì)鋁制抓緊部段326的下層材料造成損壞，因?yàn)闊崃枯斎霑?huì)使下層材料熔化。但是，如果除了離子濺射的其它過程具有足夠低的熱量輸入使得不會(huì)熔化或者損壞鋁制滑動(dòng)件320的下層材料，那么可以使用這些過程。對(duì)于這部分，據(jù)信，離子濺射過程不應(yīng)當(dāng)將下層材料的溫度升高到固相線(即材料開始熔化的溫度)以上。在一些情形中，固相線低于熔點(diǎn)。這意味著下層鋁基礎(chǔ)材料的物理性能例如硬度可能在材料被加熱到其熔點(diǎn)以前就被削弱。
[0056]在用離子濺射過程進(jìn)行處理來施加中間層800之后，隨后能夠利用前文參照?qǐng)D4公開的電火花過程對(duì)滑動(dòng)件320進(jìn)行處理以施加外部電火花加工層。例如，圖9A至圖9B示出了在將金屬基底層900電火花加工至先前由離子濺射所沉積的中間層800之后的滑動(dòng)件320。正如所示，電火花層900能夠施加于咬邊或者表面,咬邊或者表面也被稱為滑動(dòng)件320的抓緊表面326，但是可以如文中所述對(duì)滑動(dòng)件320的其它部分進(jìn)行處理。
[0057]優(yōu)選的和其它實(shí)施方式的前文描述無意于限制或者約束由 申請(qǐng)人:設(shè)想的本發(fā)明原理的范圍或者應(yīng)用。就本公開的優(yōu)勢而言，可以理解，上文根據(jù)所公開的主題的任何實(shí)施方式或者方面所描述的特征能夠單獨(dú)使用或者與所公開的主題的任何其它實(shí)施方式或者方面中的任何其它所公開的特征聯(lián)合使用。
[0058]為了公開文中包含的本發(fā)明原理， 申請(qǐng)人:要求所附權(quán)利要求提供的所有專利權(quán)。因此，意在使所附權(quán)利要求包括在下列權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)對(duì)本公開的所有最大限度的改型和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種對(duì)用于井下工具的滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理的方法，所述滑動(dòng)部件具有支承表面并且由基礎(chǔ)材料組成，所述基礎(chǔ)材料是金屬的，所述方法包括: 相對(duì)于電火花沉積裝置對(duì)所述滑動(dòng)部件的至少所述支承表面進(jìn)行定位；以及 通過將外部材料電火花沉積至所述基礎(chǔ)材料而將外層至少結(jié)合在所述支承表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述外部材料電火花沉積至所述基礎(chǔ)材料包括在所述外部材料與所述金屬基礎(chǔ)材料之間形成冶金結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，形成所述冶金結(jié)合包括將所述滑動(dòng)部件的整體溫度保持在所述基礎(chǔ)材料的熔點(diǎn)以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，將所述滑動(dòng)部件的整體溫度保持在所述熔點(diǎn)以下包括將所述滑動(dòng)部件的整體溫度保持在危害所述滑動(dòng)部件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度水平的溫度以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述滑動(dòng)部件的所述基礎(chǔ)材料選自由鎂、鋁、鋁合金、以及鎂合金構(gòu)成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述鋁合金選自由6000系列鋁合金構(gòu)成的組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述鋁合金是鋁合金6061-T6。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電火花加工的外部材料包括金屬材料、金屬陶瓷材料、陶瓷材料、表面硬化合金、鈷基表面硬化合金、鐵基表面硬化合金、鎳基表面硬化合金、不銹鋼、鎳超合金 、以及鈷基合金中的至少一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述鈷基合金選自由UNSR3000UUNS R30035、以及UNS N99646構(gòu)成的組。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過對(duì)所述外層進(jìn)行表面處理以誘發(fā)壓應(yīng)力或者消除拉應(yīng)力而增大所述外層的至少一部分的硬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，對(duì)所述外層進(jìn)行表面處理包括: 使用選自由噴丸硬化、噴丸加工、以及拋光構(gòu)成的組的機(jī)械過程；或者 使用選自由超聲沖擊硬化和激光沖擊硬化構(gòu)成的組的非機(jī)械過程。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述滑動(dòng)部件包括所述井下工具的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的至少一個(gè)滑動(dòng)件，并且其中，所述支承表面包括所述至少一個(gè)滑動(dòng)件的抓緊表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述滑動(dòng)部件選自由所述井下工具的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)件、圓錐體、以及保持架構(gòu)成的組。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述滑動(dòng)部件包括所述井下工具的心軸的與所述井下工具的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)相鄰的至少一部分。
15.一種用于井下工具的滑動(dòng)部件，所述滑動(dòng)部件由基礎(chǔ)材料組成并且具有支承表面，所述基礎(chǔ)材料是金屬的，至少所述支承表面通過下述步驟進(jìn)行處理: 相對(duì)于電火花沉積裝置對(duì)至少所述支承表面進(jìn)行定位；以及 通過將外部材料電火花沉積至所述基礎(chǔ)材料而將外層至少結(jié)合在所述支承表面上。
16.一種對(duì)用于井下工具的滑動(dòng)部件進(jìn)行表面硬化處理的方法，所述滑動(dòng)部件具有支承表面并且由基礎(chǔ)材料組成，所述基礎(chǔ)材料是金屬的，所述方法包括: 對(duì)所述滑動(dòng)部件的至少所述支承表面進(jìn)行定位用以進(jìn)行表面硬化處理； 通過將中間材料離子濺射到金屬基礎(chǔ)材料上而將中間層結(jié)合到至少所述支承表面上；以及通過將外部材料電火花沉積至所述中間層的至少所述中間材料而將外層至少結(jié)合到所述中間層上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，對(duì)所述滑動(dòng)部件的至少所述支承表面進(jìn)行定位用以進(jìn)行表面硬化處理包括相對(duì)于離子濺射裝置對(duì)至少所述支承表面進(jìn)行定位。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，對(duì)所述滑動(dòng)部件的至少所述支承表面進(jìn)行定位用以進(jìn)行表面硬化處理還包括相對(duì)于電火花沉積裝置對(duì)至少所述支承表面進(jìn)行定位。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，將所述外部材料電火花沉積到至少所述中間材料包括在所述外層與所述中間層之間形成冶金結(jié)合。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，形成所述冶金結(jié)合包括將所述滑動(dòng)部件的整體溫度保持在所述基礎(chǔ)材料的熔點(diǎn)以下。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，將所述滑動(dòng)部件的整體溫度保持在所述熔點(diǎn)以下包括將所述滑動(dòng)部件的所述整體溫度保持在危害所述滑動(dòng)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度水平的溫度以下。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述滑動(dòng)部件包括所述井下工具的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的至少一個(gè)滑動(dòng)件，并且其中，所述支承表面包括所述至少一個(gè)滑動(dòng)件的抓緊表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述滑動(dòng)部件選自由所述井下工具的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)件、圓錐體、以及保持架構(gòu)成的組。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述滑動(dòng)部件包括所述井下工具的心軸的與所述井下工具的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)相鄰的至少一部分。
25.一種用于井下工具的滑動(dòng)部件，所述滑動(dòng)部件由基礎(chǔ)材料組成并且具有支承表面，所述基礎(chǔ)材料是金屬的，至少所述支承表面通過下述步驟進(jìn)行處理: 對(duì)所述滑動(dòng)部件的至少所述支承表面進(jìn)行定位用以進(jìn)行表面硬化處理； 通過將中間材料離子濺射到所述金屬基礎(chǔ)材料上而將中間層結(jié)合到至少所述支承表面上；并且 通過將外部材料電火花沉積至所述中間層的所述中間材料而將外層至少結(jié)合在所述中間層上。
【文檔編號(hào)】C23C26/02GK103981520SQ201410045338
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年2月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月7日
【發(fā)明者】羅伯特·P·巴德拉科 申請(qǐng)人:韋特福特/蘭姆有限公司