本文旨在探究典型钻井机具机构金刚石镀膜改性的方案,讨论金刚石薄膜在超深钻井工况下耐磨改性机理。通过宏观压入方法表征薄膜的压入硬度并通过分形维数定量表征薄膜的表面形貌,探究制备参数对薄膜耐磨损性能的影响来改善钻探机构耐磨性能。籍此,为利用金刚石薄膜改善钻探机构耐磨损性能的应用提供理论参考和数据支持。主要结论有:(1)通过分析典型钻探机具-液动钻井冲击器的工作原理及其在超深钻井工况下的失效特点,尝试在其易损部件表面沉积金刚石薄膜,通过摩擦磨损试验考察其在典型工作条件下薄膜的摩擦学性能。利用a-SiC/金刚石复合薄膜改善易损部件活塞的耐磨粒磨损性能。在模拟工况条件下,镀膜前后样品的对比研究结果显示,金刚石薄膜的具有优良的摩擦学性能,可用于活塞的改性。金刚石薄膜改善活塞耐磨损性能的机理是三方面协同作用的结果:(i)跑合期接触面平坦化;(ii)金刚石颗粒和钻井液的二相润滑作用和(iii)接触面转移膜的自润滑作用。(2)通过宏观压入P-h曲线获得金刚石薄膜压入硬度评价方法;对金刚石薄膜进行微米层级的压入试验,分别对不同沉积时间下的薄膜进行宏观压入获得硬度测量值。与纳米压痕测试手段不同的是,校准过程中,机架刚度的校准不可忽略,压痕面积校准可公式推导。对沉积时间在10-30 h的金刚石膜层压入,其硬度自32.3 GPa先增加,在25 h达极大值56.3 GPa后降低。这主要是由以下三个因素共同作用:基体较膜层更大的变形量,形核生长过程中薄膜层间位错,和缺陷处sp~2-C相的富集。(3)基于分形理论从薄膜SEM图片中提取表面分形维数;考察了主要制备参数对压入硬度和表面分形维数的影响。主要制备参数中,反应腔压对金刚石薄膜的压入硬度影响最大,甲烷浓度对金刚石薄膜的分维影响最大;但以上两者对分形维数的影响并不显著。膜层的摩擦系数随表面分形维数呈现先降低后升高的趋势,并在1.62附近达到极小值。