CN114029510B - 一种3d打印双螺旋结构金刚石复合材料节块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块及其制备方法，该金刚石复合材料节块由过渡层和位于所述过渡层表面的工作层组成，所述工作层包括由金属粉末形成的工作躯壳和表面镀Co金刚石，其中，所述表面镀Co金刚石以多个双螺旋结构的形式内嵌在所述工作躯壳中。制备方法包括如下步骤：金属粉末的制备、金属粉末制粒、金刚石表面镀Co、双螺旋结构设计、3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体、脱光敏树脂和高温高压合成。本发明得到的金刚石复合材料节块的抗冲击韧性为5～7J/cm2，磨耗比为35万～50万，钻进速度为10～20m/h；可用于深海、深井勘探及长水平页岩气开采用钻头的切削齿。

Description

一种3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻切工具的技术领域，尤其是涉及一种3D打印双螺旋结构金刚石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，深海钻井成本是陆地钻井成本的1.5～2倍，甚至更高，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。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。此外，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。
目前，国内常用的钻头有牙轮钻头、聚晶材料(PDC)钻头和孕镶金刚石钻头。
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，要求牙轮或聚晶材料(PDC)钻头抗冲击能力强，牙轮故障率低，孕镶金刚石钻头需具备良好的热稳定性、耐磨性和自锐性能。但目前牙轮钻头的硬质合金齿耐磨性不够，钻头寿命短；PDC钻头由于其上面是99％的金刚石+1％Co，下面是WC92Co8形成的硬质合金材料，寿命长，磨耗比超过50万，但抗冲击韧性只有3～4J/cm2，在卵砾石等复杂地层钻井时容易崩齿，极大的缩短了钻头寿命；孕镶钻头是专门用来钻进坚硬岩层的，是PDC和牙轮钻头无法钻进时才选用的一种钻头，其材料为金刚石+WC/Co/Mn/Ni/Cu等金属粉末；由于其钻进原理是磨削或微切削钻进，因而钻进效率不高，钻进速度一般为1～2m/h。
因此，急需开发一种兼具耐磨性、抗冲击韧性的钻头及切削齿，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
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，通过在PDC钻头的基础上，改变金刚石与硬质合金在节块的内部结构而形成。该节块中，金刚石在节块内呈双螺旋结构分布状态，具有良好的耐磨性、硬度、抗冲击韧性，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。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，由过渡层和位于所述过渡层表面的工作层组成，所述工作层包括由金属粉末形成的工作躯壳和表面镀Co金刚石，其中，所述表面镀Co金刚石以多个双螺旋结构的形式内嵌在所述工作躯壳中。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，所述工作层的所述表面镀Co金刚石中Co含量为2％～5％(例如，2.5％、3％、4％、4.5％)，金刚石含量为95～98％(例如，95.5％、96％、97％、97.5％)。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，所述表面镀Co金刚石中，金刚石粒度为8μm～35μm(例如，10μm、15μm、20μm、25μm、30μm)。
本发明中，双螺旋结构需要形成类似于聚晶的材料，而金刚石的含量不能低于95％才有可能形成聚晶，从而耐磨性才能极大的提升，因而，本发明采用表面镀Co的金刚石作为双螺旋结构的材料。
本发明中，采用在金刚石表面镀Co，是因为在形成聚晶的过程中，Co作为一种催化剂，可使金刚石形成键的连接。这里，Co的体积分数可依靠Co在金刚石表面的厚度来计算；全部镀Co金刚石中总的Co含量可依靠双螺旋结构的条数来计算得到。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，按体积百分比，所述工作层中，所述工作躯壳为50％～80％，所述表面镀Co金刚石为20％～50％。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，形成所述工作躯壳的金属粉末按质量百分比由以下原料制成：WC(碳化钨)粉末为85～94％例如，86％、88％、90％、82％)，Co粉末为6～15％(例如，8％、10％、12％、14％)。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，所述金属粉末是粒度分布为30μm～100μm的类球形金属粉末。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，所述金属粉末是将所述原料混合均匀后制粒，并过筛后得到的。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，所述表面镀Co金刚石形成的双螺旋结构为具有双螺旋结构的聚晶条，多个所述聚晶条内嵌在所述工作躯壳中。
本发明中，所述工作躯壳的形状根据需要而确定，一般是圆柱形或者圆锥形。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，多个所述聚晶条沿所述工作躯壳周壁内侧均匀分布。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，所述聚晶条的长度为4～6mm；优选地，聚晶条的外径为0.2～1mm。
本发明中，聚晶条的长度与工作层的长度相等。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，在所述工作层中，所述聚晶条的数量是按照金刚石在节块中的浓度以及待开采的地层的性质来设定，再优选地，所述聚晶条的数量为5～15条(例如，6条、8条、10条、12条、14条)。聚晶条的数目太少则节块耐磨性不够，数目太多则节块的强度不够。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块的工作层中，按400％浓度制计算，所述金刚石的浓度为80％～200％(例如，100％、120％、150％、180％、200％)，该浓度的1/4是金刚石相对于工作层原料中所有物料的真实浓度，换言之，该浓度的1/4是金刚石相对于躯壳和镀钴金刚石的总加入量的真实浓度，即体积百分比为20％～50％(例如，25％、30％、40％、45％)。
例如，一般油气钻头金刚石浓度60％～200％；当金刚石在钻头中的浓度为80％时，即体积百分比为20％时，将聚晶条的数量设计为6条；当金刚石的浓度是120％时，即体积百分比为30％时，将聚晶条的数量设计为8条；当金刚石的浓度是160％时，即体积百分比为40％时，将聚晶条的数量设计为10条。
本发明中，聚晶条的数量根据地层的性质不同，设计的数量也不同，在需要提高钻头寿命的情况下，采用较多的聚晶条的设计数量；在需要提高钻头效率的情况下，采用较少的聚晶条的设计数量。
本发明中，由于双螺旋结构按体积百分比由95％～98％的金刚石和2％～5％的Co组成，是一个整体，然后嵌套在WC+Co材料的躯壳中，烧结成一个整体，因而，在高温高压条件下，金刚石+Co形成耐磨性极高的聚晶材料，能够大幅度地提高节块的耐磨性。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，作为一种优选实施方式，所述过渡层是由形成所述工作躯壳的金属粉末制成的，优选地，所述过渡层的高度为2～4mm，所述工作层的高度为4～6mm；再优选地，所述节块的整体形状为圆柱形，且工作层的远离所述过渡层的上表面为向外凸出的弧形面。
现有技术中形成的钻头节块一般是圆柱形，工作层为1mm为聚晶材料，过渡层6～7mm为WC-Co材料。本发明中，钻头节块采用双螺旋结构设计，将工作层设计为包括带多条双螺旋结构的聚晶条，过渡层和工作躯壳设计为WC-Co材料，且WC-Co材料包裹住双螺旋结构的聚晶条；即，所述钻头节块中，双螺旋结构与WC-Co躯壳紧密接触，双螺旋结构与双螺旋结构之间通过WC-Co材料形成的躯壳而间隔开一定间距。这种双螺旋节块的钻进原理为犁削钻进，其钻进速度可达10～20m/h。
本发明中，根据地层和金刚石浓度匹配关系来计算间距，得到钻头最优的速度和寿命。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，所述3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块的抗冲击韧性为5～7J/cm2，磨耗比为35万～50万；钻进速度为10～20m/h。
上述双螺旋结构金刚石复合材料节块，所述3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块可用于深海、深井勘探及长水平页岩气开采用钻头的切削齿。
本发明的另一个目的在于，采用3D打印和高温高压方法，提供一种上述双螺旋结构金刚石复合材料节块的制备方法。
一种上述3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块的制备方法，包括：金属粉末的制备、表面镀Co金刚石的制备、双螺旋结构设计、3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体、脱光敏树脂和高温高压合成；其中，
所述双螺旋结构设计步骤中，根据工作层中表面镀Co金刚石的体积百分比采用有限元模拟方法设计得到工作层和工作层中所需的双螺旋结构的形状、数量以及其在工作层内的分布位置；
所述3D打印步骤中，采用激光选区熔覆或者电子束选区熔覆工艺，以所述金属粉末为原料打印过渡层以及工作层的工作躯壳，在打印工作躯壳的同时，按照所述双螺旋结构设计步骤得到的结果，采用光固化工艺以表面镀Co金刚石为原料在相应的位置打印工作躯壳内嵌的双螺旋结构，最终形成双螺旋结构金刚石复合材料坯体。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述双螺旋结构设计步骤中，按照所制备的节块的直径以及双螺旋结构的数量来设计两个相邻双螺旋结构之间的间距；优选地，所述双螺旋结构中，单条双螺旋的外径为0.2mm～1mm(比如0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm)，螺距为0.5mm～1.5mm(比如0.6mm、0.8mm、1.1mm、1.3mm、1.4mm)；优选地，所述节块的直径为5～50mm(比如6mm、8mm、12mm、15mm、18mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、49mm)。
本发明中，所述双螺旋结构金刚石复合材料节块的双螺旋结构可参照DNA双螺旋结构设计，但其螺旋参数与DNA的螺旋参数不同。此外，双螺旋结构的形状及数量受3D打印设备及工艺的影响，此外，还受聚晶材料在节块中的含量设计的影响。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体步骤中，采用光敏树脂将镀Co金刚石制成胶状，然后采用光固化工艺将镀Co金刚石打印成躯壳内嵌的双螺旋结构。
本发明中，在3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体步骤中，先3D打印过渡层，然后采用两个喷头，其中一个喷头喷打双螺旋结构，另一个喷打工作躯壳，按照有限元模拟方法设计得到的工作层和工作层中所需的双螺旋结构的形状、数量以及其在工作层内的分布位置，同时喷打双螺旋结构和工作躯壳；其中，工作层中，双螺旋结构之外的部分为工作躯壳部分。金刚石复合材料坯体中，工作躯壳与双螺旋结构是紧密结合的，相当于工作躯壳的WC-Co金属粉末包裹住双螺旋结构的表面镀Co金刚石。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述高温高压合成步骤中，将脱光敏树脂后的金刚石复合材料坯体进行高温高压合成，最终形成所述双螺旋结构金刚石复合材料节块；其中，高温高压合成的温度为1300℃～1450℃(比如1320℃、1350℃、1380℃、1400℃、1420℃、1440℃)，压力为5GPa～7GPa。
这里，高温高压可使表面镀Co金刚石双螺旋结构形成耐磨性很高的聚晶材料(即，双螺旋结构聚晶条)，增加节块的寿命。在形成聚晶的过程中，Co作为一种催化剂，可使金刚石之间形成键的连接。在高温高压合成过程中，表面镀Co金刚石的双螺旋结构与WC-Co躯壳依靠化学键结合在一起。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述高温高压合成步骤中，将脱除光敏树脂的金刚石复合材料坯体放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述脱光敏树脂步骤中，将金刚石复合材料坯体加热到≥200℃(比如210℃、230℃、250℃、280℃、300℃)，可以完全去除光敏树脂。
本发明中，光敏树脂为UV树脂，为常规市售产品，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光(紫外光)引发剂(或称为光敏剂)。在一定波长的紫外光(250～300纳米)照射下，光敏树脂立刻引起聚合反应，完成镀Co金刚石打印躯壳内嵌的双螺旋结构的固化反应。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述金属粉末制备步骤包括混料和制粒，其中所述混料是指，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；所述制粒是指，将所述胎体粉末制粒，然后过筛得到粒度分布为30～100μm的类球形金属粉末，作为3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体的工作躯壳原料。
上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述表面镀Co金刚石的制备步骤中，采用化学镀或电镀、真空蒸镀等工艺镀进行金刚石表面镀Co；优选地，采用化学镀的步骤包括：将经过敏化和活化的金刚石置于浓度为25～30g/L的氯化钴溶液中静置反应180～240s得到镀Co金刚石，根据时间的长短确定Co的含量。
本发明中，在所述化学镀过程中，敏化处理是将金刚石放入SnCl2和HCl溶液中，浸泡搅拌2～5min后用蒸馏水洗净。活化是将金刚石浸泡在PdCl2和HCl溶液中搅拌0.5～1min，然后用蒸馏水洗净。
本发明中，双螺旋结构可以将金刚石与硬质合金材料的结合面增大，节块的抗冲击韧性增加，钻进过程中不易崩齿，增加了钻头的使用寿命。此外，双螺旋结构的节块的钻进速度可达10～20m/h。
采用本发明中的工艺制备的双螺旋结构金刚石复合材料节块，具备油气、煤炭及地质勘探用钻头复合片(PDC)的耐磨性，也具有牙轮钻头用硬质合金齿的抗冲击韧性，可以用于深海/深井及长水平井页岩气开采，钻头寿命长，可钻进软硬交替、卵砾石等复杂地层。
本发明中，在相互不干扰的情况下，上述技术特征可自由组合形成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)具有双螺旋结构的金刚石颗粒在高温高压条件下形成耐磨性极高的聚晶材料(PCD)，极大的提高了节块的耐磨性。
2)采用3D打印工艺形成内嵌式双螺旋结构与工作躯壳的接触比表面积增大，比如增大20～30％，不容易脱落，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具有优越的抗冲击韧性和耐磨性，抗冲击韧性可达到5～7J/cm2，磨耗比可达35万～50万，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为本发明中金刚石复合材料节块内部单条双螺旋结构的立体结构示意图。其中，1代表工作层，2代表过渡层。
图2为本发明中实施例1的金刚石复合材料节块内部具有6条双螺旋结构的立体结构示意图。
图3为本发明中实施例1的金刚石复合材料节块的顶部投影图。
具体实施方式
以下将结合附图通过实施例对本发明的内容做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，本发明的保护范围包含但不限于下述实施例。
如图1所示，本发明提供了一种3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，由过渡层和位于所述过渡层表面的工作层组成，所述工作层包括由金属粉末形成的工作躯壳和表面镀Co金刚石，其中，所述表面镀Co金刚石以多个双螺旋结构的形式内嵌在所述工作躯壳中。该金刚石复合材料节块具有顶面为圆弧形的拱面结构的圆柱体结构。本发明可以按照节块的直径及双螺旋结构的数量来设计两个相邻双螺旋结构之间的间距；优选地，双螺旋结构中，单条双螺旋的外径为0.2mm～1mm，螺距为0.5mm～1.5mm。
但是，图1仅示例性地显示了双螺旋结构沿圆柱的圆周部分设置的金刚石复合材料节块的结构图，本发明的金刚石复合材料节块的结构并不仅限于此。该金刚石复合材料节块所在的圆柱的中心部分也可以设置双螺旋结构的金刚石，两个相邻双螺旋结构之间的间距需要根据不同地层的性质来设计，这里可采用有限元方法计算其间距的数值。
本发明中，以下实施例中未写明的技术方案可采用本领域常规工艺，此处不再赘述。
实施例1
一种金刚石复合材料节块，由过渡层和位于所述过渡层表面的工作层组成，所述工作层包括由金属粉末形成的工作躯壳和表面镀Co金刚石，其中，所述表面镀Co金刚石以多个双螺旋结构的形式内嵌在所述工作躯壳中。该金刚石复合材料节块的直径为13mm。
工作躯壳部分按质量百分比由以下原料制成：WC粉末85％，Co粉末15％；金属粉末混合均匀后制粒成30～100μm的类球形。
双螺旋结构部分由表面镀Co金刚石形成，表面镀Co金刚石中，金刚石粒度为28μm，其中Co的体积分数为5％，金刚石的体积分数为95％。
一种上述双螺旋结构金刚石复合材料节块的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，金属粉末的制备：包括混料和制粒。选用WC、Co金属粉末，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；将胎体粉末制粒，制备成球形形状，过筛得到粒度分布为30～100μm的类球形金属粉末，作为3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体的工作躯壳原料以及过渡层原料；
步骤二，表面镀Co金刚石的制备：选用粒度为28μm的金刚石，金刚石表面镀Co(vol5％)，并用光敏树脂将镀Co金刚石制成胶状；金刚石表面镀Co可用化学镀或其他工艺镀进行金刚石表面镀Co；具体地，化学镀包括：将经过敏化和活化的金刚石置于浓度为25～30g/L的氯化钴溶液中静置反应180～240s得到镀Co金刚石，根据时间的长短确定Co的含量；
步骤三，采用有限元模拟方法设计得到工作层和双螺旋结构，双螺旋结构包括在工作层内双螺旋结构的形状、数量及位置；图2示出了本实施例中金刚石复合材料节块内部6条双螺旋结构图；图3示出了本实施例中金刚石复合材料节块顶部投影图。该双螺旋结构中，单条双螺旋的外径为0.5mm，螺距为1.2mm；
步骤四，采用激光选区熔覆或者电子束选区熔覆工艺将上述金属粉末打印成过渡层和工作躯壳，其中，先打印完过渡层后，在打印工作躯壳时，同时采用光固化工艺将表面镀Co金刚石打印成工作中内嵌的双螺旋结构，最终形成金刚石复合材料坯体；其中，工作躯壳的打印和双螺旋结构的打印采用两个喷头同时进行喷涂打印；
步骤五，脱光敏树脂：将金刚石复合材料坯体加热到≥200℃，以去除光敏树脂；
步骤六，将去除光敏树脂的坯体放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成，温度1400℃，压力6.0GPa，最终形成金刚石-金属复合材料节块即所述双螺旋结构金刚石复合材料节块。
本实施例制备的金刚石-金属基复合材料节块，直径为13mm，其工作层中带6条双螺旋结构的聚晶条，聚晶条的长度为6mm，过渡层为WC-Co材料，其厚度为2mm，并且双螺旋结构的聚晶条表面包覆有WC-Co材料的躯壳。该金刚石-金属基复合材料节块的抗冲击韧性6.0J/cm2，磨耗比42.5万。在实际应用中，钻进6-8级中硬岩石地层，该金刚石-金属基复合材料节块的钻井效率为10～20m/h。其中，抗冲击韧性采用落锤法进行检测，磨耗比采用JB/T 3233-2018“超硬磨料钻探用人造金刚石聚晶”标准进行检测。
实施例2
一种金刚石复合材料节块，由过渡层和位于所述过渡层表面的工作层组成，所述工作层包括由金属粉末形成的工作躯壳和表面镀Co金刚石，其中，所述表面镀Co金刚石以多个双螺旋结构的形式内嵌在所述工作躯壳中。该金刚石复合材料节块的直径为16mm。
工作躯壳部分按质量百分比由以下原料制成：WC粉末92％，Co粉末8％；金属粉末混合均匀后制粒成30～100μm的类球形。
双螺旋结构部分由表面镀Co金刚石形成，表面镀Co金刚石中，金刚石粒度为20μm，其中Co的体积分数为3％。
一种上述双螺旋结构金刚石复合材料节块的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，金属粉末的制备：包括混料和制粒。选用WC、Co金属粉末，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；将胎体粉末制粒，制备成球形形状；过筛得到粒度分布为30～100μm的类球形金属粉末，作为3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体的工作躯壳原料；
步骤二，表面镀Co金刚石的制备：选用粒度为20μm的金刚石，金刚石表面镀Co(vol3％)，并用光敏树脂将镀Co金刚石制成胶状；可用化学镀或其他工艺镀进行金刚石表面镀Co；具体地，将经过敏化和活化的金刚石置于浓度为25～30g/L的氯化钴溶液中静置反应180～240s得到镀Co金刚石，根据时间的长短确定Co的含量；
步骤三，采用有限元模拟方法设计得到工作层和双螺旋结构，双螺旋结构包括在工作层内双螺旋结构的形状、数量及位置；本实施例中，双螺旋结构的数量为6条；双螺旋结构中，单条双螺旋的直径为0.7mm，螺距为1.2mm；
步骤四，采用激光选区熔覆或者电子束选区熔覆工艺将上述金属粉末打印成过渡层和工作躯壳，其中，先打印完过渡层后，在打印工作躯壳时，同时采用光固化工艺将表面镀Co金刚石打印成工作层中内嵌的双螺旋结构，最终形成金刚石复合材料坯体；其中，工作躯壳的打印和双螺旋结构的打印采用两个喷头同时进行喷涂打印；
步骤五，脱光敏树脂：将金刚石复合材料坯体加热到≥200℃，以去除光敏树脂；
步骤六，将去除光敏树脂的坯体放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成，温度1370℃，压力6.0GPa，最终形成金刚石-金属复合材料节块。
本实施例制备的金刚石-金属基复合材料节块，直径其工作层中带6条双螺旋结构的聚晶条，聚晶条的长度为4mm，过渡层为WC-Co材料，其厚度为4mm，并且双螺旋结构的聚晶条表面包覆有WC-Co材料的工作躯壳。该金刚石-金属基复合材料节块的抗冲击韧性为6.5J/cm2，磨耗比为46万。在实际应用中，钻进6-8级中硬岩石地层，该金刚石-金属基复合材料节块的钻井效率为8～15m/h。其中，抗冲击韧性采用落锤法进行检测，磨耗比采用JB/T3233-2018“超硬磨料钻探用人造金刚石聚晶”标准进行检测。
对比例
采用常规聚晶钻头，其工作层为圆柱体结构，直径可为13mm、16mm或19mm，工作层的厚度为1mm，过渡层厚度6mm，工作层中金刚石体积分数为99％，剩余1％为Co；过渡层选用WC粉末92％，Co粉末8％形成的硬质合金。所形成16mm的节块，抗冲击韧性为3.8J/cm2，磨耗比为60万，钻进6-8级中硬岩层的钻井效率为7-10m/h。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本领域内的技术工程人员在不违背本发明的精神及范畴下，可对这些实施例作出变更和修改。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，
由过渡层和位于所述过渡层表面的工作层组成，所述工作层包括由原料粉末形成的工作躯壳和表面镀Co金刚石，其中，所述表面镀Co金刚石以多个双螺旋结构的形式内嵌在所述工作躯壳中；
所述表面镀Co金刚石形成的双螺旋结构为具有双螺旋结构的聚晶条，多个所述聚晶条内嵌在所述工作躯壳中；
所述原料粉末由WC粉末和Co粉末组成。
2.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，按体积分数计，所述工作层的所述表面镀Co金刚石中Co含量为2％～5％，金刚石含量为95～98％。
3.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，所述表面镀Co金刚石中，金刚石粒度为8μm～35μm。
4.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，按体积百分比，所述工作层中，所述工作躯壳为50％～80％，所述表面镀Co金刚石为20％～50％。
5.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，形成所述工作躯壳的原料粉末按质量百分比由以下原料制成：WC粉末为85～94％，Co粉末为6～15％。
6.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，所述原料粉末是粒度分布为30μm～100μm的类球形原料粉末。
7.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，所述原料粉末是将WC粉末和Co粉末混合均匀后制粒，并过筛后得到的。
8.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，多个所述聚晶条沿所述工作躯壳周壁内侧均匀分布；
所述聚晶条的长度为4～6mm，聚晶条的外径为0.2～1mm。
9.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，在所述工作层中，所述聚晶条的数量是按照金刚石在节块中的浓度以及待开采的地层的性质来设定，所述聚晶条的数量为5～15条；
所述过渡层是由形成所述工作躯壳的原料粉末制成的。
10.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，所述过渡层的高度为2～4mm，所述工作层的高度为4～6mm。
11.根据权利要求1所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，所述节块的整体形状为圆柱形，且工作层的远离所述过渡层的上表面为向外凸出的弧形面。
12.根据权利要求1-11任一项所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，所述3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块的抗冲击韧性为5～7J/cm2，磨耗比为35万～50万；钻进速度为10～20m/h。
13.根据权利要求12所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块，其特征在于，所述3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块用于深海、深井勘探或长水平页岩气开采用钻头的切削齿。
14.一种如上述权利要求1-13中任一项所述的3D打印双螺旋结构金刚石复合材料节块的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
原料粉末的制备、表面镀Co金刚石的制备、双螺旋结构设计、3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体、脱光敏树脂和高温高压合成步骤；其中，
所述双螺旋结构设计步骤中，根据工作层中表面镀Co金刚石的体积百分比采用有限元模拟方法设计得到工作层和工作层中所需的双螺旋结构的形状、数量以及其在工作层内的分布位置；
所述3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体步骤中，采用激光选区熔覆或者电子束选区熔覆工艺，以所述原料粉末为原料打印过渡层以及工作层的工作躯壳，在打印工作躯壳的同时，按照所述双螺旋结构设计步骤得到的结果，采用光固化工艺以表面镀Co金刚石为原料在相应的位置打印工作躯壳内嵌的双螺旋结构，最终形成双螺旋结构金刚石复合材料坯体。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，
所述双螺旋结构设计步骤中，按照所制备的节块的直径以及双螺旋结构的数量来设计两个相邻双螺旋结构之间的间距。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述双螺旋结构中，单条双螺旋的外径为0.2mm～1mm，螺距为0.5mm～1.5mm。
17.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述节块的直径为5～50mm。
18.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，
所述3D打印制备双螺旋结构金刚石复合材料坯体步骤中，采用光敏树脂将镀Co金刚石制成胶状，然后采用光固化工艺将镀Co金刚石打印成躯壳内嵌的双螺旋结构。
19.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压合成步骤中，将脱光敏树脂后的金刚石复合材料坯体进行高温高压合成，最终形成所述双螺旋结构金刚石复合材料节块；其中，高温高压合成的温度为1300℃～1450℃，压力为5GPa～7GPa。
20.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述高温高压合成步骤中，将脱除光敏树脂的金刚石复合材料坯体放入石墨模具内，然后放入六面顶压机内进行高温高压合成。
21.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，
所述脱光敏树脂步骤中，将金刚石复合材料坯体加热到≥200℃，以去除光敏树脂。
22.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，
所述原料粉末制备步骤包括混料和制粒，其中所述混料是指，按照权利要求5所述原料粉末的配比称取原料，混合处理均匀，得到胎体粉末；所述制粒是指，将所述胎体粉末制粒，然后过筛得到粒度分布为30～100μm的类球形原料粉末；
所述表面镀Co金刚石的制备步骤中，采用化学镀或电镀或真空蒸镀进行金刚石表面镀Co。
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