氧化鋁基網狀織構化涂層的潤濕性能研究

于建賓

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，東營 257000）

泥包問題的本質是巖屑在鉆頭表面黏附。應用涂層技術對原有的鉆頭金屬鋼體表面進行改性處理，有望避免或減少黏附作用的發生。ALVAREZ 等發現電鍍Ni-P 鍍層對改善巖屑的機械和化學黏附具有良好的作用[1]。QIAO 等為了提高聚晶金剛石復合片鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact，PDC）在 井下的抗黏附性能，利用激光加工技術在WC-CoCr 金屬陶瓷涂層表面進行激光織構化加工。通過接觸角試驗發現，織構化涂層的去離子水和鉆井液的接觸角分別增加到136.5°和112.2°[2]。這些研究從鉆頭體表面疏水改性出發，通過調控鉆頭表面潤濕性，減少了泥質巖屑的黏附作用，為鉆頭泥包預防開辟了新的思路。

陶瓷和金屬是目前最常用的耐磨材料。結合熱噴涂技術開發陶瓷和金屬基疏水涂層，是一種新的嘗試。在基體表面熱噴涂涂層后進行低表面能修飾，是常用的兩步制備疏水涂層的方法。LI 等研究了等離子噴涂制備鐵、鎳、鉻及其混合涂層的潤濕行為，發現由于表面碳的積累和雙尺度表面粗糙結構，涂層接觸角最大可達150°[3]。HU 等利用等離子噴涂制備的二氧化鈰涂層接觸角達到139°，同時由于大氣等離子噴涂（Air Plasma Spray，APS）工藝中Ar+轟擊引起的表面化學變化，拋光涂層比具有相同成分和粗糙度的燒結體試樣更具疏水性[4]。

針對利用激光表面織構化技術控制不同材料表面潤濕性的研究有很多。研究發現，微織構尺寸對材料潤濕性有著巨大的影響，通過構建特定的織構形貌可以獲得理想的潤濕效果。文章利用等離子噴涂技術和激光織構化技術制備了一種氧化鋁基網狀織構化涂層，通過接觸角試驗和泥漿黏附試驗，分析了織構化涂層的潤濕性和防泥漿黏附性能[5-6]。

1 織構化陶瓷涂層制備

使用大氣等離子噴涂技術在42CrMo 基體表面制備AT00、AT13 和AT40 這3 種氧化鋁基涂層。選用鎳鋁復合粉末（NiCrAlY）作為黏結層。該粉末是一種放熱型粉末，在熱噴涂時會發生放熱反應，形成金屬間化合物，使基體與陶瓷層產生較高的結合強度，進而使噴涂層結構致密，具有耐磨損、抗氧化、抗熱震等優點。在噴涂前，選用棕剛玉砂對基材進行噴砂預處理。噴砂完成后，立即對基體進行大氣等離子噴涂[7]。噴涂試驗使用的設備是普萊克斯7700 型等離子噴涂機，噴涂工藝參數如表1 所示。

表1 大氣等離子噴涂參數

通過表面納秒激光加工試驗，制備氧化鋁基織構化涂層。選擇的試驗設備為YLP-MP20 型號納秒光纖激光掃描機。試驗選擇具有代表性的網狀溝槽織構，溝槽直線夾角為90°，溝槽加工間距為150 μm[8]。激光織構化試驗方案如表2 所示。

表2 激光織構化試驗方案

2 織構化涂層潤濕性試驗

2.1 試驗過程

織構化涂層表面的潤濕性由接觸角進行表征，通過接觸角測量儀測量試樣表面的接觸角。在測量過程中，利用陰影成像法拍攝表面液滴輪廓，利用軟件測量所得三相接觸線的夾角即為接觸角。實際測量時，用微量進樣器在復合涂層表面滴一滴去離子水，控制每次測量液滴體積均為4 μL。在所有試樣的織構化表面隨機選擇3 個不同位置進行試驗，計算其平均值作為實際接觸角數值。

泥漿黏附試驗主要用于評價試驗室環境下小尺寸測試樣品的表面防黏附情況，將試樣放置在黏土與水/鉆井液混合泥漿液中，開展泥漿液環境下的動態轉動黏附試驗。轉動黏附性能評價試驗主要通過測量試樣表面的黏土黏附量，定向考察表面防黏附性能。

泥漿黏附試驗的基本試驗步驟如下。第一，向1 000 mL 燒杯中倒入500 mL 的泥漿液，并向液體中添加一定質量的黏土粉末，使用攪拌器在一定轉速下對混合液體進行攪拌，直至混合均勻，形成混合黏土測試液。第二，將試樣放置在酒精中進行超聲清洗處理，用吹風機吹干至質量恒定，記錄此時的原始試樣質量M0。第三，將試樣固定在設計的夾具上，隨后放入盛有混合黏土測試液的燒杯中。第四，設定好攪拌器的工作時間和轉速后啟動攪拌器，混合泥漿液體在攪拌槳葉的帶動下，迅速流經試樣的測試表面，使得黏土顆粒在試樣表面形成黏土黏附層。第五，轉動黏附試驗結束后，從泥漿測試液中取出夾具，并將夾具中的試樣取下，在保證測試面附著物不被破壞的前提下，用紙巾擦除除測試面外的表面黏附物質，同時觀察試樣表面黏附情況。第六，重新清理試樣其他面的附著物，將試樣放置在電子天平上稱取質量，記錄此時帶有黏土黏附層的試樣質量M1。第七，試驗前后試樣的質量差值即為測試表面的試驗黏附質量，黏附量m=M1-M0。

2.2 試驗結果分析

圖1 為激光功率為16 W、掃描次數為5 次時，不同激光掃描速度下的3 種織構化涂層的液滴接觸角。除掃描速度為600 mm·s-1的AT13 涂層外，其他涂層表面接觸角均超過90°，說明涂層的存在顯著提升了基體表面疏水性。總的來看，隨著掃描速度的增大，3 種涂層的接觸角呈減小趨勢，疏水性下降。根據Wenzel 模型，增加親水表面粗糙度將使得表面接觸角進一步減小。織構化處理會大大增加涂層表面粗糙度，但通過試驗發現激光織構化技術處理后親水表面達到了疏水效果，說明液滴在織構涂層表面符合Cassie-Baxter 模型狀態。

圖1 不同掃描速度下織構化涂層表面的接觸角

圖2 為激光掃描速度為400 mm·s-1、掃描次數為5 次時，3 種氧化鋁基織構化涂層的接觸角與激光功率的變化關系。當激光功率較小時，3 種織構化涂層的接觸角差異不明顯，隨著激光功率的提高，3 種氧化鋁基織構化涂層的接觸角不斷增大。但是，當激光功率較大時，AT40 涂層的接觸角明顯大于AT13 和AT00。由此可知，當激光功率變化時，AT00 和AT13 織構尺寸變化較小，而AT40 的寬度和深度均明顯增加。

圖2 不同激光功率下織構化涂層表面的接觸角

圖3 為激光掃描速度為400 mm·s-1，激光功率為16 W 時，氧化鋁基織構化涂層的接觸角隨掃描次數的變化關系。當掃描次數增加時，AT00 的涂層表面接觸角呈上升趨勢，這是由于增加掃描次數使得織構深度增加，織構內部支撐液滴的空氣變多，液滴“懸浮”在織構化涂層表面。對于AT13 和AT40 涂層，當掃描次數為10 次時，接觸角最大；當掃描次數過大或過小時，接觸角都會減小。

3 織構化涂層防泥漿黏附性能試驗

研究發現，AT00、AT13 和AT40 這3 種涂層均存在最佳激光工藝參數，使得涂層織構化表面接觸角最大。在此基礎上，對疏水性最佳的3 種織構化涂層試樣進行泥漿黏附試驗，以確定不同試樣的防泥漿黏附性能。根據材料及激光工藝參數對不同試樣進行編號，同時將未織構的基材M 作為試驗對照，如表3所示。將4 種試樣分別放在添加20 g 高嶺土的混合鉆井液中進行黏附試驗，設置轉動速度為550 r·min-1，轉動黏附20 min 后取出試樣，計算表面黏附量。

表3 試樣的表面激光工藝參數

不同試樣的表面黏附情況如圖4 所示。從圖4可以看出，試樣的表面黏附量存在較大差異，由小到大排序為AT13-6、AT40-1、AT00-7、M。其中，AT13-6 試樣的表面黏附量最少，較基體少29.7%，說明該試樣的防黏附效果最佳。同時，盡管AT40-1試樣具有較大的表面靜態接觸角，但其實際防泥漿黏附效果低于AT13-6 試樣。

圖4 試樣表面的接觸角與黏附量對比

為進一步研究黏土黏附層的黏附狀態，取出測試后的4 種試樣，在空氣中靜置2 h。在此過程中，表面黏附層中水分蒸發，黏附物質迅速脫水與試樣表面形成牢固黏合。使用相同流速的清水沖洗黏附表面，直至黏附層不再發生脫離。圖5 為試驗前后4 種試樣表面黏附狀態對比。由于黏附試驗后的試樣在空氣中靜置時，表面黏附層的邊緣區域先開始脫水凝固并形成牢固黏合，而中心區域凝固時間較晚，沖洗后黏附殘留物主要集中在試樣邊緣區域。不同試樣黏附前的表面狀態和黏附并沖洗后的表面黏附狀態分別如圖5和圖6 所示。由圖6 可以看出，泥包模擬試驗結束后，基體表面的黏附殘留面積最大，織構化AT00-7 試樣表面殘留黏附量次之，AT13-6 和AT40-1 試樣表面殘留最少，說明織構化涂層可以發揮防泥漿黏附作用。在圖6 中，AT40-1 試樣中心部位仍可觀察到部分殘余黏附物，而AT13-6 試樣黏附物質集中在試樣的邊緣區域，試樣中心無明顯黏附，與文章黏附量測量結果一致。

圖5 不同試樣黏附前的表面狀態

圖6 不同試樣黏附并沖洗后的表面黏附狀態

4 結語

由于激光工藝參數變化，微織構的深度和寬度改變，3 種網狀織構涂層潤濕性隨之改變。隨著激光掃描速度的增大，織構化涂層表面接觸角呈減小趨勢。隨著激光功率的增加，3 種涂層的接觸角略有增大，其中AT40 的接觸角增大最明顯。當掃描次數增加時，AT00 的接觸角變大，AT13 和AT40 涂層的接觸角先增大后減小。對涂層試樣進行泥漿黏附試驗，發現織構化涂層表面黏附量顯著減少。當激光掃描速度為400 mm·s-1、激光輸出功率為16 W、掃描次數為10次時，織構化AT13 涂層的表面防泥漿黏附性能最佳，表面黏附量較基材減少29.7%。