CN114012105A - 一种金刚石-金属基复合材料、节块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石‑金属基复合材料、节块及其制备方法，所述的金刚石‑金属基复合材料，由金属粉末和金刚石组成，所述的金属粉末制成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的中空部分填充金刚石。所述的节块由工作部分和支撑部分组成，所述的支撑部分用于支撑工作部分；所述的工作部分为金刚石‑金属基复合材料，所述的支撑部分为硬质合金基体。本发明的金刚石‑金属基复合材料节块中，金刚石在节块内呈均匀分布状态，节块具有优越的抗冲击韧性和耐磨性，抗冲击韧性5‑6J/cm2，磨耗比30‑40万，可以用于深海、深井勘探及长水平页岩气开采用钻头的切削齿，能在复杂地层中钻进且钻头的寿命长，可以满足“一趟钻”的要求。
Description
技术领域
本发明属于深海、深井及页岩气开采钻头用的节块，具体涉及一种金刚石-金属基复合材料、节块及其制备方法。
背景技术
我国深部油气资源、深海油气资源和非常规天然气资源储量相当可观，但面临着勘探开发难度大、成本高等问题。深井、超深井地层研磨性强、可钻性差、温度高，导致钻井机械钻速极低，有的地层机械钻速不到0.5m/h。如果遇到大段不均质的砾石层，钻头磨损加剧，钻井机械钻速降低，钻井周期加长，钻井成本也增加。长水平段水平井分段压裂是目前页岩气、致密气等非常规天然气高效、低成本开发的主要技术手段。目前我国这类油气钻井的成本和周期是国外发达国家的2-3倍，复杂的地质条件是客观原因，但是钻井技术的落后也是重要的因素。“一趟钻”技术是有效降低页岩气开发成本的关键钻井技术之一，同时也对钻具的性能提出了新的挑战。深海钻井成本是陆地钻井成本的1.5～2倍，甚至更高。因此，提高钻井效率是降低深水油气勘探开发成本的重要途径。大位移井是海洋油气资源开发的有效手段，大位移井因其水平位移大、钻井周期长，要求钻头抗磨损能力强、破岩效率高、故障率低、使用寿命长。
旋转冲击钻井方式是提高深井、超深井复杂地层钻井效率的关键技术，此处常用钻头有牙轮钻头、PDC钻头、孕镶金刚石钻头。但目前牙轮钻头的硬质合金齿耐磨性不够，钻头寿命短；PDC钻头的磨耗比超过50万，但抗冲击韧性只有3-4J/cm2，卵砾石等复杂地层容易崩齿，极大的缩短了钻头寿命；孕镶钻头的钻进效率不高，只能用于极硬岩层的钻进。因此，急需开发一种兼具耐磨性、抗冲击韧性的材料(或节块)，用来制备钻头及切削齿，从而解决深海、深井勘探及长水平页岩气开采存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的之一在于：提供一种金刚石-金属基复合材料。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种金刚石-金属基复合材料，由金属粉末和金刚石组成，所述的金属粉末制成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的中空部分填充金刚石。
优选地，所述的金属粉末与金刚石的体积比为(1-4)：(6-9)。
优选地，所述的金属粉末由W粉末、Co粉末和Mn粉末组成。
优选地，所述的金属粉末中W粉末、Co粉末和Mn粉末的质量比为(80-87)：(10-15)：(3-5)。
本发明的目的之二在于：提供一种节块。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种采用权金刚石-金属基复合材料制成的节块，所述的节块由工作部分和支撑部分组成，所述的支撑部分用于支撑工作部分；所述的工作部分为金刚石-金属基复合材料，所述的支撑部分为硬质合金基体。
优选地，所述的硬质合金基体为YG15。
优选地，所述的支撑部为柱状体，所述的柱状体内设置填充孔，所述的填充孔沿着柱状体的轴线方向设置，所述的工作部分置于填充孔内。
优选地，所述的填充孔为三叉孔、环形孔、圆形孔、六边形孔中的一种或多种。
本发明的目的之三在于：提供一种节块的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种节块的制备方法，具体包括如下步骤：
S1：将金属粉末混合均匀，得到胎体粉末；
S2：将胎体粉末制粒后作为原料使用；
S3：采用有限元模拟方法设计得到蜂窝状结构；
S4：采用3D打印工艺，将原料打印成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的一个端面是封闭的，另一个端面上设置预留孔；
S5：将金刚石从预留孔填入蜂窝状结构的中空部分，填满后继续采用3D打印工艺用原料将预留孔堵住，进行下一层蜂窝状结构的打印，以此类推，直至工作部分达到所需要的高度即整个工作部分完成；
S6：将工作部分与支撑部分放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成，得到金刚石-金属复合材料节块。
优选地，步骤S2中胎体粉末制粒后得到粒径为50-100μm的类球形颗粒。
优选地，步骤S3中蜂窝状结构壁厚为0.2-0.8mm，蜂窝状结构的中心部分直径为1-3mm，蜂窝状结构的高度为1.2-3.8mm；所述的预留孔的孔径为0.1-0.2mm。
优选地，步骤S6中所述的高温高压的条件设置为：温度1350-1400℃，压力5-6GPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)金刚石在金刚石-金属基复合材料内的体积分数可以做到60-90％，通过将金属原料3D打印成蜂窝状结构，然后在蜂窝状结构的中空部分装入金刚石，金刚石在高温高压条件下形成耐磨性极高的聚晶(PCD)，且聚晶之间没有接触，不容易脱落，极大的提高了复合材料的耐磨性。
2)采用3D打印工艺形成的蜂窝状结构，与常规的复合片PDC相比，抗冲击韧性得到极大的改善。
3)本发明的金刚石-金属基复合材料节块中，金刚石在节块内呈均匀分布状态，节块具有优越的抗冲击韧性和耐磨性，抗冲击韧性5-6J/cm2，磨耗比30-40万，可以用于深海、深井勘探及长水平页岩气开采用钻头的切削齿，能够在复杂地层中钻进，且钻头的寿命长，可以满足“一趟钻”的要求。
附图说明
图1为以金属粉末为原料3D打印制备的蜂窝状结构的示意图；
图2为奔驰点阵齿形状蜂窝状结构的节块示意图；
图3为圆周点阵形状蜂窝状结构的节块示意图；
图4为连续圆周形状蜂窝状结构的节块示意图；
附图标记中：10-蜂窝状结构、11-预留孔、20-工作部分、30-支撑部分。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种金刚石-金属基复合材料节块，其由工作部分的金刚石-金属基复合材料和支撑部分的硬质合金基体组成。
工作部分按体积百分比由以下原料制成：金属粉末10％，金刚石90％。
金属粉末按重量百分比计包括如下组分：80％的W粉末，15％的Co粉末，5％的Mn粉末。为便于3D打印，需将金属粉末混合均匀后制粒成50-100μm的类球形颗粒。
工作部分的金刚石粒度为20μm。
支撑部分的硬质合金基体为YG15(WC和Co形成的硬质合金，其中Co的质量百分数为15％)。
一种金刚石-金属基复合材料节块的制备方法，包括如下步骤：
S1：按照上述金属粉末的配比称取原料，混合处理均匀，得到胎体粉末；
S2：将胎体粉末制粒，先过50目筛网，然后过100目筛网，留存100目筛网的筛上物作为原料使用；
S3：采用有限元模拟方法设计得到蜂窝状结构；
S4：采用3D打印工艺，将原料打印成如图1所示的蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的一个端面是封闭的，另一个端面上设置预留孔；
其中，蜂窝状结构壁的厚度为0.4mm，蜂窝状结构的中心部分直径为2mm，蜂窝状结构的高度为2.4mm；预留孔的孔径为0.1mm；
S5：将金刚石颗粒从预留孔填入蜂窝状结构的中空部分，填满后继续采用3D打印工艺用原料将预留孔堵住，进行下一层蜂窝状结构的打印，以此类推，直至整个工作部分的完成。
S6：将工作部分与支撑部分放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成，温度1360℃，压力5GPa，最终形成金刚石-金属复合材料节块。
本发明中的节块可以设置成图2、3、4中的形状。
当实施例1的节块设置成图2的奔驰点阵齿形状蜂窝状结构时，从图2中可以看出：节块包括支撑部和设置在支撑部填充孔内的工作部分(金刚石-金属基复合材料)；所述的支撑部为柱状体，所述的柱状体内设置填充孔，填充孔沿着柱状体的轴线方向设置，填充孔包括设置在中心位置的三叉孔以及均匀布置的圆形孔，所述的三叉孔的边缘为圆齿状，三叉孔相邻两叉之间的夹角为120°。此时制备的节块的抗冲击韧性为5.1J/cm2，磨耗比为39.5万；
当实施例1的节块设置成图3的圆周点阵形状蜂窝状结构时，从图3中可以看出：节块包括支撑部和设置在支撑部填充孔内的工作部分(金刚石-金属基复合材料)；所述的支撑部为柱状体，所述的柱状体内设置填充孔，填充孔沿着柱状体的轴线方向设置，填充孔为多个呈圆周点阵布置的六边形孔。此时制备的节块的抗冲击韧性为5.3J/cm2，磨耗比为37.3万；
当实施例1的节块设置成图4的连续圆周形状蜂窝状结构时；从图4中可以看出：节块包括支撑部和设置在支撑部填充孔内的工作部分(金刚石-金属基复合材料)；所述的支撑部为柱状体，所述的柱状体内设置填充孔，填充孔沿着柱状体的轴线方向设置，填充孔为多个同心设置的环形孔；此时制备的节块的抗冲击韧性为5.5J/cm2，磨耗比为36.1万。
从以上节块的性能参数中可以看出：将节块设置成图4的连续圆周形状蜂窝状结构时抗冲击韧性最好，磨耗比最差；设置成图2的奔驰点阵齿形状蜂窝状结构时抗冲击韧性最差，磨耗比最好；所以，在实际工作时，可以根据具体需求的不同来选择节块设置的形状。
实施例2
一种金刚石-金属基复合材料节块，其由工作部分的金刚石-金属基复合材料和支撑部分的硬质合金基体组成。
工作部分按体积百分比由以下原料制成：金属粉末20％，金刚石80％。
金属粉末按重量百分比计包括如下组分：85％的W粉末，10％的Co粉末，5％的Mn粉末。将金属粉末混合均匀后制粒成50-100μm的类球形颗粒。
工作部分的金刚石粒度为20μm。
支撑部分的硬质合金基体为YG15(WC和Co形成的硬质合金，其中Co的质量百分数为15％)。
一种金刚石-金属基复合材料节块的制备方法，包括如下步骤：
S1：按照上述金属粉末的配比称取原料，混合处理均匀，得到胎体粉末；
S2：将胎体粉末制粒，先过50目筛网，然后过100目筛网，留存100目筛网的筛上物作为原料使用；
S3：采用有限元模拟方法设计得到蜂窝状结构；
S4：采用3D打印工艺，将原料打印成如附图1所示的蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的一个端面是封闭的，另一个端面上设置预留孔；
其中，蜂窝状结构壁的厚度为0.6mm，蜂窝状结构的中心部分直径为2mm，蜂窝状结构的高度为2.6mm；预留孔的孔径为0.1mm；
S5：将金刚石颗粒从预留孔填入蜂窝状结构的中空部分，填满后继续采用3D打印工艺用原料将预留孔堵住，进行下一层蜂窝状结构的打印，以此类推，直至整个工作部分的完成。
S6：将工作部分与支撑部分放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成，温度1360℃，压力5GPa，最终形成金刚石-金属复合材料节块。
该实施例制备的金刚石-金属基复合材料节块(结构如图2所示)抗冲击韧性5.6J/cm2，磨耗比35.3万。
实施例3
一种金刚石-金属基复合材料节块，其由工作部分的金刚石-金属基复合材料和支撑部分的硬质合金基体组成。
工作部分按体积百分比由以下原料制成：金属粉末30％，金刚石70％。
金属粉末按重量百分比计包括如下组分：87％的W粉末，10％的Co粉末，3％的Mn粉末。为便于3D打印，需将金属粉末混合均匀后制粒成50-100μm的类球形颗粒。
工作部分的金刚石粒度为20μm。
支撑部分的硬质合金基体为YG15(WC和Co形成的硬质合金，其中Co的质量百分数为15％)。
一种金刚石-金属基复合材料节块的制备方法，包括如下步骤：
S1：按照上述金属粉末的配比称取原料，混合处理均匀，得到胎体粉末；
S2：将胎体粉末制粒，先过50目筛网，然后过100目筛网，留存100目筛网的筛上物作为原料使用；
S3：采用有限元模拟方法设计得到蜂窝状结构；
S4：采用3D打印工艺，将原料打印成如附图1所示的蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的一个端面是封闭的，另一个端面上设置预留孔；
其中，蜂窝状结构壁的厚度为0.8mm，蜂窝状结构的中心部分直径为2mm，蜂窝状结构的高度为2.8mm；预留孔的孔径为0.1mm；
S5：将金刚石颗粒从预留孔填入蜂窝状结构的中空部分，填满后继续采用3D打印工艺用原料将预留孔堵住，进行下一层蜂窝状结构的打印，以此类推，直至整个工作部分的完成。
S6：将工作部分与支撑部分放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成，温度1360℃，压力5GPa，最终形成金刚石-金属复合材料节块。
该实施例制备的金刚石-金属基复合材料节块(结构如图2所示)抗冲击韧性6.0J/cm2，磨耗比32.1万。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种金刚石-金属基复合材料，其特征在于：由金属粉末和金刚石组成，所述的金属粉末制成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的中空部分填充金刚石。
2.根据权利要求1所述的金刚石-金属基复合材料，其特征在于：所述的金属粉末与金刚石的体积比为(1-4)：(6-9)。
3.根据权利要求2所述的金刚石-金属基复合材料，其特征在于：所述的金属粉末由W粉末、Co粉末和Mn粉末组成。
4.根据权利要求3所述的金刚石-金属基复合材料，其特征在于：所述的金属粉末中W粉末、Co粉末和Mn粉末的质量比为(80-87)：(10-15)：(3-5)。
5.一种采用权利要求1-4任意一项所述的金刚石-金属基复合材料制成的节块，其特征在于：所述的节块由工作部分和支撑部分组成，所述的支撑部分用于支撑工作部分；所述的工作部分为金刚石-金属基复合材料，所述的支撑部分为硬质合金基体。
6.根据权利要求5所述的节块，其特征在于：所述的硬质合金基体为YG15。
7.根据权利要求5所述的节块，其特征在于：所述的支撑部为柱状体，所述的柱状体内设置填充孔，所述的填充孔沿着柱状体的轴线方向设置，所述的工作部分置于填充孔内。
8.根据权利要求7所述的节块，其特征在于：所述的填充孔为三叉孔、环形孔、圆形孔、六边形孔中的一种或多种。
9.一种如权利要求6-8任意一项所述的节块的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
S1：将金属粉末混合均匀，得到胎体粉末；
S2：将胎体粉末制粒后作为原料使用；
S3：采用有限元模拟方法设计得到蜂窝状结构；
S4：采用3D打印工艺，将原料打印成蜂窝状结构，所述的蜂窝状结构的一个端面是封闭的，另一个端面上设置预留孔；
S5：将金刚石从预留孔填入蜂窝状结构的中空部分，填满后继续采用3D打印工艺用原料将预留孔堵住，进行下一层蜂窝状结构的打印，以此类推，直至工作部分达到所需要的高度即整个工作部分完成；
S6：将工作部分与支撑部分放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成，得到金刚石-金属复合材料节块。
10.根据权利要求9所述的节块的制备方法，其特征在于：步骤S2中胎体粉末制粒后得到粒径为50-100μm的类球形颗粒。
11.根据权利要求9所述的节块的制备方法，其特征在于：步骤S3中蜂窝状结构壁厚为0.2-0.8mm，蜂窝状结构的中心部分直径为1-3mm，蜂窝状结构的高度为1.2-3.8mm；所述的预留孔的孔径为0.1-0.2mm。
12.根据权利要求9所述的节块的制备方法，其特征在于：步骤S6中所述的高温高压的条件设置为：温度1350-1400℃，压力5-6GPa。
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