MLD增强型钻井工具的增材制造的制作方法

mld增强型钻井工具的增材制造
1.要求优先权
2.本技术要求于2019年5月23日递交的美国专利申请no.16/421,164的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开涉及钻井工具的制造。


背景技术：

4.三维(3d)打印或增材制造(am)是一种根据数字文件制作三维固体对象的过程。与大多数传统制造技术不同，增材制造通过建造对象而不是去除对象来形成对象。在3d打印的增材过程中，通过铺设连续的材料层来创建对象，精度高达微米，直到对象被创建。与计算机辅助设计(cad)软件配合使用，3d打印能够使用比传统制造方法更少的材料来生产复杂的功能形状。
5.纳米涂覆是通过诸如分子层沉积(mld)或原子层沉积(ald)的方法在原子水平上对材料进行密封或涂覆。mld或ald可以提供一种将共形、无针孔、化学键合和纳米级厚度的膜放置在单独初级精细颗粒表面或目标表面上的简单方法。颗粒mld是一种有潜力取代许多涉及化学气相沉积或溶胶凝胶基颗粒涂覆过程的应用的技术。


技术实现要素：

6.本公开描述了通过颗粒mld或ald纳米涂覆增强的3d打印或增材制造自动化系统和方法，该颗粒mld或ald纳米涂覆使3d打印原料颗粒(或粉末)功能化，以生产具有用于石油和汽油(gasoline)钻井和完井的多功能特性并具有成本效益和高性能的钻井工具或装备或设备。本公开描述了将3d粉末打印技术与mld颗粒纳米涂覆技术和增材制造自动化相结合，以制造用于烃回收或原位工具修复的多功能工具。
7.使用mld涂覆颗粒制造的工具在石油和天然气钻井中有许多应用。可以利用由mld改性的颗粒制成的井下工具的表面化学特性，同时保留原始颗粒的整体特性。mld可以在颗粒或组件表面沉积保护绝缘涂层，以防止颗粒氧化、腐蚀或导电。颗粒上的mld涂层还可以改变颗粒的光学特性或机械特性。可以在可能具有设计的化学反应性的颗粒上使用mld制造各种复合核/壳结构。
8.本说明书中描述的内容的一个方面包括一种用于制造钻井工具的系统，该系统包括：被配置用于金属粉末的分子层沉积或原子层沉积以制造涂覆颗粒的沉积反应器、被配置用于钻井工具的3d打印的制造单元、以及控制沉积反应器和制造单元的控制器，其中，制造单元和沉积反应器被集成用于使用来自沉积反应器的涂覆颗粒作为用于3d打印的建造材料来自动制造钻井工具。
9.该系统可以可选地包括以下特征中的一个或多个。沉积反应器可以包括用于收集涂覆颗粒的反应盘。反应盘可以有孔并且由金属制成。该孔可以允许气体通过，但不允许固
体颗粒通过孔。反应盘可以移动以将涂覆颗粒传输出沉积反应器。沉积反应器可以具有被配置为用于衬底颗粒入口的第一进入口，以及被配置为用于前体气体入口的第二进入口和第三进入口。该系统可以具有将沉积反应器与制造单元接合的隧道。传输隧道可以具有：被配置为将涂层的颗粒从沉积反应器传输到制造单元的传送带。制造单元可以具有打印平台、打印平台升降器、以及3d打印头。3d打印头可以是激光头。该系统可以具有被配置为控制系统内的气体的真空系统。该系统可以具有附接到制造单元的至少一个附加沉积反应器。
10.本说明书的另一方面包括一种制造钻井工具的方法，该方法包括：提供至少一个沉积反应器，所述至少一个沉积反应器被配置用于金属粉末的分子层沉积或原子层沉积以产生涂覆颗粒；提供被配置用于钻井工具的3d打印的制造单元，该制造单元附接到沉积反应器；以及提供控制器，该控制器包括指令，该指令用于控制制造单元和沉积反应器以使用来自沉积反应器的涂覆颗粒作为用于3d打印的建造材料来自动化制造钻井工具。
11.该方法可以可选地包括以下特征中的一个或多个。该指令可以包括引导衬底颗粒经由第一进入口进入沉积反应器，以及引导前体气体经由第二进入口和第三进入口进入沉积反应器。该指令可以包括：致动金属反应盘以使涂覆颗粒离开沉积反应器并进入隧道，该隧道将沉积反应器与制造单元接合。该指令包括：用加热器加热制造单元的内部。该指令可以包括：用惰性气体填充制造单元的内部。该指令可以包括：根据设计文件来引导3d打印头融合存在于制造单元内的打印平台上的一组涂覆颗粒，以形成钻井工具的横截面底层。该指令可以包括：引导平台升降器将平台降低与工具的底层的厚度大致相等的高度。该指令可以包括：使新的一组涂覆颗粒覆盖钻井工具的底层。该指令可以包括：根据设计文件来引导3d打印头融合覆盖在底层上的所述新的一组涂覆颗粒，以形成钻井工具的附加横截面层。
12.mld和ald是相关的过程，并且应当理解，本公开涉及使用技术中一种或两种结合增材制造。
13.在附图和以下描述中阐述了本公开中所述的主题的一个或多个实施例的细节。通过说明书、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
14.图1a至图1d示出了结合mld和3d打印的制造系统的示意图。
15.图2示出了具有3d打印制造系统的多mld的俯视图。
16.图3a至图3c描绘了3d打印方法。
17.各附图中相似的附图标记和标志指示相似的元件。
具体实施方式
18.本公开涉及两种过程(ald或mld和增材制造(或3d打印))的无缝集成。使用ald或mld将强度增强材料涂覆到纳米或微米级颗粒上。涂覆颗粒然后用于制造用于石油和天然气应用的工具(例如，钻井工具)。这两个过程无缝集成。
19.可以实施本公开中描述的主题的特定实施例以实现以下优点中的一个或多个。这些优势包括在单个单元部件中制造具有多功能特性的钻井工具。与未经本公开中公开的那
样处理的工具相比，这些特性包括更大的强度、更大的韧性、更高的耐化学性(腐蚀)性、更大的热稳定性或类似的特性。mld功能化3d打印增材制造自动化可以应用于钻井部件/组件的原位修复、或者损失区或漏失的控制、或两者。mld功能化3d打印增材制造过程的自动化可缩短制造时间。
20.一种传统的高耐磨涂覆过程(其中涂层材料通常具有100至1000微米的膜厚)可以应用于制造产品的外表面。在这种情况下，只有表面层具有耐磨特性，并且当表面层被去除或部分损坏时，磨损过程会加速。相比之下，通过mld涂层的建造材料处于单独颗粒相，这增强了每个颗粒的耐磨性。在增材制造过程之后，对象的整体耐磨性将有利地不受部分材料去除或表面损伤的影响。其他聚合物上的mld也可以用于使聚合物表面功能化，以创建独特的无机/有机聚合物复合材料，以及在聚合物上沉积气体扩散屏障，以在恶劣的井下环境中保护传感器。
21.其他优势包括在单个单元部件中制造完井和具有多功能特性的不同工具。
22.图1a至图1d示意性地示出了制造系统100、以及使用制造系统100来执行ald或mld增强型多功能钻井工具的自动化和组合3d打印过程的工作流。ald/mld涂覆过程发生在沉积反应器105中，并制造作为用于制造工具的建造材料的涂覆颗粒。增材制造(am)工具由沉积反应器105中产生的颗粒通过由制造单元执行的3d打印来制造。
23.沉积反应器105与制造单元110通过传输隧道115可操作地耦接。为了简化该过程，包括沉积反应器105、制造单元110和传输隧道115在内的制造系统100的组件安装在允许对任何和所有组件施加真空的真空系统120内。该真空系统120不仅保证mld/ald涂覆过程的质量，而且在3d金属打印期间防止金属颗粒的氧化。各种真空阀122调节制造系统100内部的真空(并且仅在附图中示意性地示出)。
24.如图1a所示，mld/ald涂覆过程发生在沉积反应器105内。衬底颗粒125(或粉末)通过第一进入口130(例如，漏斗)被供应到沉积反应器105。衬底颗粒125是制造单元110使用的最终建造颗粒的核心或核。稍后描述用于衬底颗粒的材料的示例。ald/mld反应的前体135、140通过第二进入口145和第三进入口150一次一个地进入沉积反应器105。即，第一前体135通过第二进入口145进入反应器105，并允许与衬底颗粒125的整个表面充分反应。任何过量的第一前体135然后将例如经由第二进入口145或从附加的清除孔被清除。第二前体140然后例如通过第三进入口150被引入。在一些示例中，第二进入口145和第三进入口150组合成单个前体进入口，并且通过单个前体进入口顺序地引入前体135、140。稍后描述用于前体的材料的示例。第一进入口130示出为在沉积反应器105的顶部，而第二进入口145和第三进入口150示出为在沉积反应器105的底部，但其他配置也是可能的(沉积反应器105的反面、侧面)。
25.机动反应盘155将第一进入口130与第二进入口145和第三进入口145150分开。反应盘155是多孔金属盘，其中孔小于衬底颗粒125但足够大以允许前体135、140的气体分子通过反应盘155的孔以涂覆衬底颗粒125。反应盘155由不与前体135、140中的任一个反应的金属(例如，不锈钢)制成。前体135、140的气体分子(的化学反应的结果)与衬底颗粒125反应，涂覆它们并在其核心处形成具有衬底颗粒125的涂覆颗粒160。(以颗粒形式，或固化的)涂覆颗粒收集在机动反应盘155上，并经由传输隧道115中的传送器168传输到制造单元110。反应盘155具有盘传感器157和盘马达159。
26.制造单元110包括印刷平台170、粉末床175、印刷平台升降器180、以及第二传送器185，该第二传送器185保持成品并将成品传送出真空系统120。控制器165根据控制器165中的存储器中存储的设计文件195来控制3d打印头190执行am。例如，控制器165可以是计算机或处理器。在一些实施例中，控制器165是独立的处理器，或者它还可以控制并同步制造系统100的其他组件的动作。3d打印头190可以发射激光束、电子束或其他能够熔化涂覆颗粒160的热源。这种熔化形成例如玻璃相以将涂覆颗粒160结合或熔合在一起。
27.图1b示出了在沉积反应器105中完成mld/ald涂覆过程之后的制造系统100。mld/ald反应过程可以在许多方面被认为是完整的。例如，由于给定前体135、150和衬底颗粒125的反应速率是众所周知的，因此当涂覆颗粒160达到一定尺寸(涂层厚度或颗粒直径)时，可以认为反应完成。在另一示例中，当机动反应盘155涂覆有一定量的涂覆颗粒160时，反应被认为完成，使得机动反应盘155的孔被堵塞从而降低涂覆过程的效率。在另一示例中，当确定一定质量的涂覆颗粒160在特定时间间隔之后位于机动反应盘155上时，反应被认为完成。靠近机动反应盘155的盘传感器157可以用于确定涂覆过程的结束；例如，盘传感器157可以是称重秤或光学传感器。
28.当认为ald/mld过程完成时，盘马达159被启动以经由反应器出口将涂覆颗粒160移出沉积反应器105。在所示的示例中，机动反应盘155在盘马达159从水平位置升高机动反应盘155时可以在一个边缘上枢转。当反应盘155升高时，涂覆颗粒160在重力作用下流到传输隧道115中的传送器168上。在一些情况下，盘马达159(或附加的致动器)可以摇动升高的机动反应盘155以促使涂覆颗粒160移动到传输通道115中。涂覆颗粒160然后经由传送器168被传输到传输隧道115的右端。在一些情况下，制造单元110而不是传送器，低于沉积反应器105的出口，并且重力将颗粒移向制造单元110。在一些情况下，门或阀防止涂覆颗粒160在需要之前移动到传输通道115中，或者门或阀防止涂覆颗粒160在需要之前移出传输通道115，或者两者。
29.在图1c中，涂覆颗粒160已经到达制造单元110，在那里它们积累在粉末床175上。积累持续，直到足够量的涂覆颗粒160已经聚集在粉末床175上。足够的量可以通过一定的重量、体积或类似的定量参数来确定。制造单元110中的3d打印头190将光束192引导到打印平台170上的完成颗粒160上。光束192基于设计文件195并由控制器165控制来对完成的颗粒160进行成形。在由3d打印头执行的打印期间，打印平台170通过打印平台升降器180逐渐降低以适应正在制造的部件的增加高度。
30.激光辅助ald涂层金属3d打印的制造过程(也如图3a至图3c所示)可以包括以下步骤。制造单元110不是在真空下操作，而是可以填充有来自气源172的惰性气体(例如，氩气)以最小化涂覆颗粒160的氧化。制造单元110由加热器178加热至最佳建造温度，例如，高达涂层材料的熔点或熔融条件的温度。通过本领域中已知的方法(例如，吹气、喷杆)，薄层ald涂覆颗粒160由散布器182散布在印刷平台170上。3d打印头190(例如，激光器)扫描要建造的部件的横截面。该能量将涂覆颗粒160熔化(或熔合)在一起以形成最终件的层。
31.当层的扫描(或建造)过程完成时，打印平台170向下移动与层的厚度相等的距离。融合的涂覆颗粒160一起形成一层，然后该层成为支撑要沉积的下一层的基础。散布器182在打印平台170上散布另一薄层的涂覆颗粒160，随后根据设计文件195用3d打印头190扫描下一层的横截面。重复该过程，直到完成整个部件。
32.图1d示出了完成3d打印过程之后的制造系统100。当建造过程完成时，成品199被完全封装在金属粉末中。加热的制造单元110被允许冷却至室温，并且手动去除(例如，吹走)任何多余的涂覆颗粒160。在一些情况下，成品199在仍附接到印刷平台170的同时被热处理(例如，通过加热器178)以释放任何残余应力。
33.印刷平台升降器180完全向下移动，并将印刷平台170上的成品199运送到制造单元110的底部水平。成品199经由切割、机加工或线放电加工(edm)从印刷平台170分离。分离的成品199被传输到第二传送器185，该第二传送器185通过各种真空阀122传输成品199以离开真空系统120(或填充有惰性气体的腔室)。例如，成品199可以传输到准备使用的料箱，或者传输到完成室以进行进一步的后处理。
34.典型的后处理技术包括抛光和抛光、氮化和附加热处理。抛光和抛光是使用磨料和工作轮或皮革条使工件表面光滑的精加工过程。由于去除了粗糙表面中存在的应力集中，抛光产品的强度通常高于粗糙产品。这些以拐角和其他缺陷的形式出现，这些缺陷会放大局部应力以超出材料的固有强度。
35.氮化是一种将氮扩散到金属表面以形成硬化表面的热处理过程。这些过程最常用于低碳、低合金钢。它们还用于中碳和高碳钢、钛、铝和钼。热处理是一组工业过程和金属加工过程，用于改变材料的物理特性，有时是化学特性。热处理技术包括退火、表面硬化、沉淀强化、回火、正火和淬火。
36.在一些情况下，当在制造单元110内进行3d打印过程时，附加的ald/mld涂覆过程可以同时发生在沉积反应器105内。因此，如图1d所示的两个成品199所示，可以无停顿地制造多个成品199。
37.图2示出了用于进一步提高成品制造速度的多重制造系统200的俯视图。多重制造系统200的组件与制造系统100的组件相似，但在某些情况下是复制的。这些复制的组件包括附接到多个传输隧道215a、215b、215c、215d(以及图1a至图1d中的其他组件，为了清楚起见，未示出)的多个沉积反应器205a、205b、205c、205d。
38.由于mld/ald沉积的速率比3d打印的速率慢，因此涂覆颗粒的制造是工具制造中的限速步骤。在多重制造系统200中，四个沉积反应器205a、205b、205c、205d都将它们的涂覆颗粒供给到单个制造单元210。制造单元可以由例如控制器265控制以接受来自所有沉积反应器205a、205b、205c、205d的涂覆颗粒。涂覆颗粒的传输可以是顺序的，或者将涂覆颗粒的输出组合到制造单元210内的粉末床中的任何其他布置。四个沉积反应器205a、205b、205c、205d可以传输用于制造单个成品的颗粒。替代地，控制器265可以接受每个沉积反应器205a、205b、205c、205d的输出以快速生产一系列单独的成品。
39.在一些实施例中，沉积反应器205a、205b、205c、205d中的每一个使用相同的衬底颗粒和前体。在其他情况下，沉积反应器205a、205b、205c、205d中的一个或多个使用不同的衬底颗粒或前体来产生不同的材料以用作不同工具或两者的建造材料。虽然图中示出了四个沉积反应器205，但更少或更多的沉积反应器也是可能的。例如，单个制造单元210可以连接到两个、三个、五个或更多个沉积反应器205。
40.激光辅助金属3d打印技术使用来自激光头的能量经由熔化和融合在粉末床中形成固体金属结构。基于要打印对象的3d设计(例如，存储在设计文件195中)，激光头(例如，3d打印头190)扫描并选择性地融合(或熔化)金属粉末颗粒，将它们结合在一起并逐层建造
部件。成品199的整个区域包含在设计文件195中，并且成品199建造为整体式固体。
41.3d打印过程中使用的材料是呈颗粒状的金属。金属粉末可以是单一金属、或涂覆有ald颗粒的金属合金、或其组合。根据金属粉末的类型，激光达到熔化温度并完全熔化颗粒——这是对于涂有ald颗粒的金属粉末，或达到在升高的温度下在分子水平融合的可变熔点——这是对于涂有ald颗粒的金属合金。除了冶金结合，在激光的高温下，ald涂层还形成玻璃相并将颗粒结合在一起。
42.图3a至图3c示出了3d打印过程的细节。首先，在打印平台170上散布一薄层ald/mld涂覆颗粒160，并且3d打印头190(例如，高功率激光器)扫描要建造的部件的横截面。该能量将涂覆颗粒160熔化(或熔合)在一起以形成最终件的层。
43.当层的扫描(或建造)过程完成时，打印平台170向下移动层的厚度的距离。融合的涂覆颗粒160一起形成一层，然后该层成为支撑要沉积的下一层的基础。涂覆器在印刷平台170上散布另一薄层涂覆颗粒160，随后根据设计文件195扫描下一层的横截面。重复该过程，直到完成整个部件。
44.金属3d打印中使用的层高度可以在约20至约50微米之间变化，并且取决于ald涂覆金属粉末特性的特性，例如流动性、粒度分布和形状。金属3d打印系统的建造尺寸从250x150x150毫米(mm)变化到500x280x360毫米(用于打印的更大系统)。金属3d打印机可以达到的尺寸精度约为
±
0.1毫米。
45.这种3d打印系统中的金属粉末是高度可回收的：通常只有不到5％被浪费了。每次打印之后，收集所有未使用的粉末，过筛，以及然后将新鲜材料加满至下一次建造所需的水平。
46.可以用制造系统100或多重制造系统200制造的钻井工具的非详尽列表包括：井下马达(定子和转子)、钻头、管件(包括用于套管完井的钻杆和油管)、短节、扩孔器、稳定器、钻铤、不同的工具或罐子、钻井微芯片盒、钻机部件或组件。
47.3d打印过程
48.激光辅助金属3d打印技术使用来自激光头的能量经由熔化和融合在粉末床中形成固体金属结构。基于要打印对象的3d设计(例如，存储在设计文件195中)，激光头(例如，3d打印头190)扫描并选择性地融合(或熔化)金属粉末颗粒，将它们结合在一起并逐层建造部件。成品199的整个区域包含在设计文件195中，并且成品199建造为整体式固体。
49.这些过程中使用的材料是呈颗粒形式的金属。金属粉末可以是单一金属、或涂覆有ald颗粒的金属合金、或其组合。根据金属粉末的类型，激光达到熔化温度并完全熔化颗粒——这是对于涂有ald颗粒的金属粉末，或达到在升高的温度下在分子水平融合的可变熔点——这是对于涂有ald颗粒的金属合金。除了冶金结合，在激光的高温下，ald涂层还形成玻璃相并将颗粒结合在一起。
50.图3a至图3c示出了3d打印过程的细节。首先，将从粉末床175取出的薄层ald/mld涂覆颗粒160散布在印刷平台170(图3a)上。3d打印头190(例如，高功率激光器)如双头箭头所示来回扫描以覆盖要制造的部件的横截面。来自3d打印头190的能量将涂覆颗粒160熔化(或融合)在一起以形成正在制造的钻井工具的单个层。
51.当第一层的扫描(或建造)过程完成时，打印平台170向下移动层厚度的距离。熔合的涂覆颗粒形成一层，然后该层成为支撑要沉积的下一层的基础(图3b)。散布器182(图中
未示出)将另一薄层涂覆颗粒散布在印刷平台170上并覆盖先前熔合的涂覆颗粒，以作为正在制造的工具的下一层的基础。3d打印头190然后扫描保存在设计文件195中的工具的横截面以建造所制造工具的下一层。如图所示，根据保存在设计文件195中的工具的结构，增材制造过程中的任何后续层都可以具有与前一层不同的横截面。重复降低和扫描过程(图3c)，直到完成整个部件。
52.ald/mld过程
53.大多数井下工具管件和感测设备由金属合金或聚合物或两者制成。ald或mld涂层衬底材料可以是金属颗粒，例如铁(fe)、不锈钢、镍(ni)、铝(al)、锡(su)、铜(cu)及其合金(例如，铬镍)；聚合物(例如，热固性或热塑性粉末)、以及陶瓷粉末或颗粒(例如，al2o3、zro2、sic和ni3n4)。
54.为了提高所制造钻井部件或其他组件的耐磨性，硬涂层材料可以是氧化物、碳化物或氮化物。为了提高工具材料强度，催化剂和硬化涂层材料可以是金属、氮化物、碳化物或陶瓷。对于防腐特性，涂层材料可以是氧化物屏障材料。可有利地与衬底材料一起使用的涂层材料示于表1中，但不限于这些材料。
[0055][0056]
表1
[0057]
纳米层压物和合金的ald或mld在井下mwd和测井设备增材制造以及纳米结构工程中具有许多应用。使用hfo2/ta2o5(铪/五氧化二钽)纳米层压材料的mld可以用作井下感测设备电池的介电膜。可以调整hfo2/ta2o5纳米层压材料以改善高温环境下介电膜中的电荷存储。由于层厚小于或等于定义物理特性的长度尺度，因此还可以制造显示新颖物理特性的纳米层压材料。例如，当层厚度小于滑移面位错长度时，可以建造硬膜。当层厚度小于材料中的声子平均自由程时，可以制造热障涂层。由于al2o3和w中声子之间的频率差较大，因此al2o3/钨(w)陶瓷/金属纳米层压复合物可以用作热障涂层。其他示例是tio2/al2o3、alp/gap和al2o3/w6纳米层压物。碳化钨也是可能的。
[0058]
在碳纳米管(cnt)和石墨烯颗粒表面上使用al2o3的mld可以用作用于高性能井下钻井工具的增材制造的建造材料。单壁cnt和多壁cnt上的al2o
3 mld用于形成隔离的al2o3纳米球。用硝基苯胺或no2对cnt进行功能化可以促进al2o
3 mld的成核。cnt表面的no2基团为al(ch3)3的吸附提供了化学位点，并在多次al(ch3)
3 mld循环之后在cnt上产生共形的al(ch3)
3 mld膜。与cnt表面一样，石墨烯表面是惰性的。al2o3 mld和hfo
2 mld可以应用臭氧在al2o3 mld的石墨烯基面上创建成核位点。使用苝四羧酸的化学处理也可以用于将石墨烯功能化以用于al2o
3 mld。
[0059]
井下钻井纳米结构(例如，纳米管和纳米线)上的ald或mld可能面临与颗粒上的ald或mld类似的问题。对于大量的纳米管或纳米线，纳米结构将还需要在旋转反应器中流化或搅拌，以获得足够的气体传导性以进行有效的ald或mld反应。在本公开中，纳米管和纳米线上的ald或mld的一些示例包括多壁碳纳米管(cnt)上的al2o
3 ald或mld以及zno纳米棒上的al2o
3 mld。可以制成同轴多层涂层，例如al2o3/w/al2o3。
[0060]
ald颗粒方法使用自限性表面化学来实现通常为/周期的生长速率，随化学和沉积条件而变化。基体(工具)材料颗粒在磁耦合搅拌单元的辅助下流化。n2可以用作惰性流化气体，并采用磁耦合搅拌单元辅助纳米颗粒床的低压流化。当以每分钟20转(rpm)的速率搅拌时，每个粉末床都容易被流化。在表观气体速率为每秒7厘米(cm/s)时，压力响应变得稳定。例如，与最小流化速率相关的压降平台对于sio2球体为约40帕斯卡(pa)，而对于zno纳米颗粒为约30pa。这些值中的每一个超过了粉末床的重量/面积。前体(例如，用于al2o3的三甲基铝和用于zno的二乙基锌)提供了在真空条件下轻松流化相当大的纳米粉末床所需的计量压力。
[0061]
al2o3的mld在这里示出为模型mld系统。通常使用三甲基铝(tma)和h2o来执行al2o
3 mld。al2o
3 mld过程中的表面化学可以描述为：
[0062]
(a)aloh* al(ch3)3‑
＞aloal(ch3)2* ch4ꢀꢀ
(1)
[0063]
(b)alch3* h2o
‑
＞aloh* ch4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0064]
其中，星号表示表面种类。al2o
3 mld在交替暴露于tma和h2o期间进行生长。因为表面反应是有效的和自限性的，所以al2o
3 mld是模型系统。有效反应的主驱动力是形成强的al
‑
o键。
[0065]
本公开中的另一示例是碳纳米管(cnt)和石墨烯颗粒表面上的al2o
3 mld作为用于开发高性能井下钻井工具的增材制造的建造材料。单壁cnt和多壁cnt上的al2o
3 mld用于形成孤立的al2o3纳米球。用硝基苯胺或no2对cnt进行功能化可以促进al2o
3 mld的成核。cnt表面的no2基团为al(ch3)3的吸附提供了一化学位点，并在多次al2o
3 mld循环之后在cnt上产生共形的al2o
3 mld膜。与cnt表面一样，石墨烯表面是惰性的。al2o
3 mld和hfo
2 mld可以应用臭氧在al2o
3 mld的石墨烯基面上创建成核位点。使用苝四羧酸的化学处理也可以用于将石墨烯功能化以用于al2o
3 mld。
[0066]
由于大多数井下工具管件和感测设备由金属合金制成，因此纳米层压材料和合金的mld在井下mwd和测井设备增材制造和纳米结构工程中具有许多应用。一个示例在井下感测设备电池中使用mld hfo2/ta2o5纳米层压材料。可以调整hfo2/ta2o5纳米层压材料以改善高温环境下介电膜中的电荷存储。因为层厚小于或等于定义物理特性的长度尺度，所以还可以制造显示新颖物理特性的纳米层压材料。例如，当层厚度小于滑移面位错长度时，可以建造硬膜。当层厚度小于材料中的声子平均自由程时，可以制造热障涂层。由于al2o3和w中的声子之间存在较大的频率差，al2o3/w陶瓷/金属纳米层压材料可以用作热障涂层。其他示例是tio2/al2o3al2o3、alp/gap和al2o3/w6纳米层压物。
[0067]
在mld期间对单个表面反应的精确控制还允许制造合金和渐变材料。例如，对于形成合金的两个mld系统，如果mld反应的温度相似，则可以通过在第一材料的mld循环和第二材料的mld循环之间来回交替来生长合金。合金的成分可以通过每种材料的mld循环的相对数量来控制。每种材料的mld循环的相对数量也可以逐渐变化以制造渐变材料。使用mld生
长的合金的示例是al2o3/zno合金。al2o3/zno合金可以通过在al2o3mld的tma和h2o反应循环和znomld的二乙基锌和h2o反应循环之间交替来生长。
[0068]
颗粒上的mld已经在流化的颗粒床中得到证实。在流化过程中，颗粒床压降的向上力等于颗粒床向下的重力。尽管在流化过程中会形成颗粒聚集体，但聚集体是动态的，并且聚集体之间的颗粒持续交换防止颗粒在mld过程中“粘在一起”，颗粒的搅拌也是如此。与静态床相比，流化颗粒床将具有更高的气体电导率，并且移动颗粒允许气相mld反应物在更短的时间内遇到所有可接近的颗粒表面积。
[0069]
颗粒上的ald或mld也可以在旋转反应器中进行，该旋转反应器使颗粒在多孔金属圆柱体中翻滚以防止团聚。与流化床反应器相反，因为不需要持续的气体流量来流化颗粒，因此旋转反应器可以使用静态暴露操作。
[0070]
ald/mld过程基于二元反应序列，其中发生两个表面反应并在衬底颗粒上沉积二元化合物膜。因为只有有限数量的表面位点，所以反应只能沉积有限数量的表面物质。如果两个表面反应中的每一个都是自限性的，则这两个反应可以按顺序进行以沉积具有原子级(或分子级)控制的薄膜。由于前体通量的随机性作为一个重要因素被去除，因此表面反应的自限性产生非统计性沉积。作为结果，因为在每个反应循环期间反应都被驱使完成，因此ald膜保持光滑并与原始工具衬底保持一致。因为在膜生长期间没有留下表面位点，因此膜往往是连续的和无针孔的。
[0071]
应用3d打印或增材mld制造来提高井下应用的分布式感测设备的耐磨性也是可能的。在所提出的方法中，将具有高耐磨性的超薄氧化铝陶瓷膜的mld涂层微尺寸高密度聚乙烯聚合物颗粒填充到模具中，以形成下保护半球。将传感器模块置于模具的中心之后，组装上模，并填充剩余的mld涂覆颗粒以形成上保护半球。成品设备受到mld涂覆颗粒的全面保护，这提高了传感器在井下应用时的耐磨性。在本公开中，其他高耐磨陶瓷薄膜材料包括但不限于sio2、zro2、sic和si3n4。
[0072]
增材制造mld制造的另一应用是提高井下工具的耐磨性，使用碳纤维和复合物作为井下管件、定中器和其他井下工具的建造材料。在所提出的方法中，增材mld制造过程被集成到碳纤维和复合井下产品的制造中。在制造期间，mld涂层应用于纤维和复合材料颗粒。在成品中，mld涂层在每个层压碳纤维层中起作用，以提供优异的耐磨特性。
[0073]
因此，已经描述了本主题的特定实施例。其他实施例在所附权利要求的范围内。在一些情况下，在权利要求中记载的动作可以以不同的顺序执行，并且仍能实现期望的结果。此外，附图中描述的过程不一定需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。在某些实现中，多任务和并行处理可能是有利的。