CN116411797A - 一种喷射式反循环钻头及其3d打印制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷射式反循环钻头及其3D打印制作方法，喷射式反循环钻头包括反循环钻头基体和环设在反循环钻头基体上的若干抗冲蚀性强的拉瓦尔结构喷嘴。拉瓦尔结构喷嘴由合金粉末和金刚石微粉组成，利用FDM3D打印技术一体成型，并经脱脂、烧结、装配并焊接到反循环钻头基体上用以实现将引射的高速气流加速至超音速并强化钻头的反循环抽吸效果。本发明利用FDM3D打印技术实现了喷射式反循环钻头的制造，降低了其成型难度和生产成本。制造的喷射式反循环钻头具有反循环效果强，孔底岩屑清除效率高，钻头使用寿命长等优点。

Description

一种喷射式反循环钻头及其3D打印制作方法
技术领域
本发明涉及潜孔锤反循环钻进钻头技术领域，具体涉及一种喷射式反循环钻头及其3D打印制作方法。
背景技术
反循环钻头主要用于贯通式潜孔锤冲击回转钻进工艺，该工艺集潜孔锤高效碎岩、流体介质反循环、钻进过程中全孔连续取芯于一身，特别适合中硬至硬岩地层钻进快速钻进成孔。反循环钻头是孔内反循环形成的核心，而钻头内喷孔处气体流速与流场分布对反循环形成效果具有决定性作用。具有拉瓦尔结构的喷嘴可形成超高流速流体，现已在航空航天领域得到广泛应用。通过将拉瓦尔结构喷嘴取代反循环钻头上的内喷孔可提高引射气体的流速，增大钻头喷嘴出口处中心通道与钻头底部的压差，强化钻头的反循环效果，提高孔底岩屑的清除效率。
值得注意的是，在反循环钻头钻孔过程中孔底会悬浮有大量岩屑，高速气流裹挟研磨性硬岩颗粒往往会对流体通道产生严重冲蚀，长期工作将破坏拉瓦尔喷嘴结构导致气体加速失效，影响钻头的反循环抽吸表现，因此考虑单独制作抗冲蚀性强的拉瓦尔结构喷嘴取代反循环钻头上的内喷孔从而提高反循环钻头的反循环效果及寿命，而现有喷嘴多采取合金直接机加工制作，表面硬度不足，并且复杂内曲面的喷嘴加工难度较高，而采用电镀、激光3D打印则存在环境污染、造价高等问题，因此需要制造成本低、性能更优异的反循环钻头及制造工艺来满足生产要求。
金刚石工具的抗冲蚀性强、耐磨性强，而FDM打印技术的所需打印温度较低，在金刚石工具的生产过程中不会使金刚石产生石墨化现象，并且打印的生坯具有较高的精度，能够满足实际的生产需求。为此，提出一种喷射式反循环钻头及其3D打印制作方法。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种喷射式反循环钻头及其3D打印制作方法，反循环钻头基体上的喷嘴为拉瓦尔结构喷嘴，拉瓦尔结构喷嘴是基于FDM三维打印技术制造的独立模块，具有抗冲蚀性强、能够对引射的高速气体加速至超音速、使用寿命长等特点。拉瓦尔结构喷嘴能够对引射的高速气体进行加速，因而增大了钻头喷嘴出口处中心通道与钻头底部的压差，增强了钻头的反循环效果，提高了孔底岩屑的清除效率，并且喷嘴由合金粉末和金刚石微粉组成，其抗冲蚀性强，使用寿命长，从而保证了钻头具有优异的反循环效果及孔底岩屑清除效率，提高了钻头的使用寿命。
为了达到上述目的，本发明提供一种喷射式反循环钻头，包括反循环钻头基体和环设在所述反循环钻头基体上的若干喷嘴，所述反循环钻头基体从内往外依次为中心通道和花键套，所述喷嘴为拉瓦尔结构喷嘴，所述喷嘴的中心轴与所述反循环钻头基体的中心轴呈一定夹角A，所述A为1～45°，所述喷嘴的下端近所述反循环钻头基体的外侧，所述喷嘴的上端近所述中心通道，所述喷嘴的上端的扩张段连接设有引导超音速气流至所述中心通道的弧形导流面。
依照本发明的一个方面，所述花键套的花键内或两个花键之间贯穿设有喷嘴孔，所述喷嘴位于所述喷嘴孔内。
依照本发明的一个方面，所述喷射式反循环钻头的拉瓦尔结构喷嘴的数量为3～10个；所述拉瓦尔结构喷嘴包括喷嘴基体和设置在所述基体内的拉瓦尔结构的通孔，所述喷嘴倾斜布置在钻头基体上，所述拉瓦尔结构喷嘴内部的通孔为对称或非完全对称的拉瓦尔结构。由于喷嘴孔倾斜开设在钻头基体上，喷嘴孔的整体形状并非传统意义上的圆形通管，而是包含了中段的圆形通管和两端靠近钻头基体内外壁面的异形部分。喷嘴孔的整体形状可视作两端延伸出钻头基体内外壁面的圆形通管被钻头基体内外壁面分别切除延伸部分而保留下来的部分。因此只有当喷嘴按照喷嘴孔中段圆形通管的比例设计时，喷嘴内部才是对称的拉瓦尔结构，而按照喷嘴孔整体比例设计时喷嘴内部则为非完全对称的拉瓦尔结构。喷嘴孔的整体形状与拉瓦尔结构喷嘴的喷嘴基体外形相适配。
基于同一发明构思，本发明还提供了上述任一喷射式反循环钻头的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按设计比例配取金刚石微粉、合金粉末并与粘结剂混合获得混合料；
步骤2：将混合料进行混炼、造粒、拉丝后获得丝状料，将丝状料进行FDM三维打印，获得喷嘴生坯；
步骤3：将喷嘴生坯依次进行脱脂、烧结、装配并焊接到反循环钻头基体上即得喷射式反循环钻头。
依照本发明的一个方面，在步骤1中，所述金刚石微粉与所述合金粉末的体积比为1:1～9:1；所述金刚石微粉的粒径≤150μm；所述合金粉末的粒径≤100μm；按照质量百分比计，所述合金粉末组成成分包括铜35～70％、钴20～60％、锡3～7％、铬2～5％；所述金刚石微粉与合金粉末组成的粉末与所述粘结剂的质量比为4:1～20:1。
依照本发明的一个方面，在步骤1中，按体积百分比计，所述粘结剂组成成分包括丙烯酸接枝聚乙烯30～50％、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物20％～50％、石蜡10～20％、硬脂酸5～15％。
依照本发明的一个方面，在步骤2中，所述混炼的温度为180～190℃，时间为80～100min；所述丝状料的直径为1.60～1.90mm；所述FDM三维打印的参数为：打印层厚为0.1～0.3mm，打印平台温度为50～60℃，打印喷头温度180～200℃。
依照本发明的一个方面，在步骤3中，所述脱脂依次包括溶剂脱脂和热脱脂；所述溶剂脱脂具体为将喷嘴在有机溶剂中进行溶剂脱脂；所述热脱脂具体为将喷嘴在氩气气氛下进行热脱脂。
依照本发明的一个方面，所述有机溶剂为环己烷，所述溶剂脱脂的温度为60℃～70℃，溶剂脱脂时间为4～8h；所述热脱脂的过程为：首先采用2～3℃/min的升温速率，将脱脂炉加热至280～330℃，保温1～2h，再以0.5～1℃/min的升温速率将脱脂炉加热至410～460℃，之后再以2～3℃/min的升温速率将脱脂炉加热至580～630℃，并保温1～2h。
依照本发明的一个方面，在步骤3中，所述烧结的过程为：以10～80℃/min升温速率升温至800～1000℃，保温8～15min，控制烧结压力为1～5MPa。
本申请反循环的原理：喷射式反循环钻头在进行钻孔时，压缩空气一部分通过反循环钻头的底喷孔到达孔底，将破碎的岩块和岩屑卷吸进钻头中心通道内，另一部分气体经过喷嘴孔(拉瓦尔结构喷嘴处)被加速至超音速并被引射到钻头的中心通道处，因此喷嘴出口处气体流速高，压强小，而孔底压强大，在压差的作用下，形成强烈的负压抽吸作用，将破碎的岩块、岩屑一并沿中心通道向上排出，由此构成了反循环。
本发明的有益效果：
(1)由于喷射式反循环钻头上设有3～10个倾斜布置的抗冲蚀性强的拉瓦尔结喷嘴，因此喷嘴能对引射的高速气体加速至超音速，增强了钻头的反循环效果，提高了孔底的岩屑清除效率，提高了钻头的使用寿命。
(2)本发明利用FDM三维打印技术制造的拉瓦尔结构喷嘴，有效提高了喷嘴制备的精度及生产效率，降低了成型难度及生产成本，并且喷嘴的抗冲蚀性强、使用寿命长，能够实现喷射式反循环钻头的大规模生产制造及应用。
附图说明
图1为本发明实施例所述的拉瓦尔喷嘴布置在相邻的两个花键的花键槽内的喷射式反循环钻头的结构示意图；
图2为图1中的拉瓦尔结构喷嘴的局部放大图；
图3为本发明实施例所述的拉瓦尔喷嘴布置在花键套的花键内的喷射式反循环钻头的结构示意图；
图4为图3中的拉瓦尔结构喷嘴的局部放大图；
图5为本发明实施例所述的非完全对称的拉瓦尔结构喷嘴内通孔示意图；
图6为本发明实施例所述的对称的拉瓦尔结构喷嘴内通孔示意图。附图说明：1、中心通道；2、花键套；3、拉瓦尔结构喷嘴；4、底喷孔；5、硬质合金球齿；6、中心轴。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，显然，所描述的实施例仅仅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。除非另有定义，下文所用专业术语和本领域专业技术人员所理解的含义一致；除非特殊说明，本文所涉及的原料、试剂均可从市场购买，或通过公知的方法制得。
目前，反循环钻头主要用于贯通式潜孔锤冲击回转钻进工艺，该工艺集潜孔锤高效碎岩、流体介质反循环、钻进过程中全孔连续取芯于一身，特别适合中硬至硬岩地层钻进快速钻进成孔。反循环钻头是孔内反循环形成的核心，而钻头内喷孔处气体流速与流场分布对反循环形成效果具有决定性作用。而在反循环钻头钻孔过程中孔底会悬浮有大量岩屑，高速气流裹挟研磨性硬岩颗粒往往会对反循环钻头的流体通道产生严重冲蚀，影响钻头的反循环抽吸表现，因此考虑单独制作抗冲蚀性强的拉瓦尔结构喷嘴并取代反循环钻头上的内喷孔，从而提高反循环钻头的反循环效果及使用寿命，而现有喷嘴多采取合金直接机加工制作，表面硬度不足，并且复杂内曲面的喷嘴加工难度较高，而采用电镀、激光3D打印则存在环境污染、造价高等问题，因此需要制造成本低、性能更优异的反循环钻头及制造工艺来满足生产要求。
为了解决上述问题，本发明提供了一种喷射式反循环钻头，具体如图1-4所示，包括反循环钻头基体和环设在所述反循环钻头基体上的若干喷嘴，所述反循环钻头基体从内往外依次为中心通道1和花键套2，所述喷嘴为拉瓦尔结构喷嘴3，所述喷嘴的中心轴6与所述反循环钻头基体的中心轴呈一定夹角A，所述A为1～45°，所述喷嘴的下端近所述反循环钻头基体的外侧，所述喷嘴的上端近所述中心通道1，所述喷嘴的上端的扩张段连接设有引导超音速气流至所述中心通道1的弧形导流面。
需要说明的是，所述喷嘴的上端的扩张段连接是基于柯恩达原理的弧形导流面，可引射超音速气流至中心通道。
需要说明的是，本申请上述所述的反循环钻头基体为反循环钻头的常规通用结构。
在本申请的一些实施例中，反循环钻头基体直接购买获得。
如图1所示，在本申请的一些实施例中，反循环钻头花键套相邻的两个花键之间的花键槽贯穿设有喷嘴孔，所述反循环钻头基体的底部还设有底喷孔4，所述反循环钻头基体底部还设有硬质合金球齿5，所述拉瓦尔结构喷嘴4位于所述喷嘴孔内。
如图3所示，在本申请的一些实施例中，所述反循环钻头花键套的花键内贯穿设有喷嘴孔，所述反循环钻头基体的底部还设有底喷孔4，所述反循环钻头基体底部还设有硬质合金球齿5，所述拉瓦尔结构喷嘴4位于所述喷嘴孔内。
在本申请的一些实施例中，所述喷射式反循环钻头的拉瓦尔结构喷嘴4的数量为3～10个；所述拉瓦尔结构喷嘴4包括喷嘴基体和设置在所述基体内的拉瓦尔结构的通孔，所述喷嘴倾斜布置在钻头基体上。
在本申请的一些实施例中，所述拉瓦尔结构喷嘴内部的通孔为非完全对称的拉瓦尔结构，具体如图5所示。
在本申请的一些实施例中，所述拉瓦尔结构喷嘴内部的通孔为对称的拉瓦尔结构，具体如图6所示。
本发明还提供了上述任一喷射式反循环钻头的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按设计比例配取金刚石微粉、合金粉末并与粘结剂混合获得混合料；
步骤2：将混合料进行混炼、造粒、拉丝后获得丝状料，将丝状料进行FDM三维打印，获得喷嘴生坯；
步骤3：将喷嘴生坯依次进行脱脂、烧结、装配并焊接到反循环钻头基体上即得喷射式反循环钻头。
需要说明的是，拉瓦尔结构喷嘴由合金粉末和金刚石微粉组成，用以实现钻头内部超音速气流喷射并强化反循环抽吸效果，增强反循环钻头清除孔底岩屑的效率，提升反循环钻头的使用寿命。
在本申请的一些实施例中，在步骤1中，所述金刚石微粉与所述合金粉末的体积比为1:1～9:1；所述金刚石微粉的粒径≤150μm；所述合金粉末的粒径≤100μm；按照质量百分比计，所述合金粉末组成成分包括铜35～70％、钴20～60％、锡3～7％、铬2～5％；所述金刚石微粉与合金粉末组成的粉末与所述粘结剂的质量比为4:1～20:1。
需要说明的是，本发明的抗冲蚀性强的拉瓦尔结构喷嘴由金刚石微粉和合金粉末组成，金刚石起到抵抗冲蚀磨损的作用，合金作为骨架材料起支撑作用，合金中铜的熔点较低并与金属锡结合时可对金刚石产生良好的润湿作用，钴可对金刚石提供较大的附着力从而更好的粘结金刚石，铬能够降低对金刚石的润湿角并提高粘结强度。在上述成份和组成的控制下，使得拉瓦尔结构喷嘴具有优异的抗冲蚀性能，发明人发现，喷嘴原料的配比很重要，若合金粉末比例设置不合理，那么制得的喷嘴上的金刚石容易脱落，在使用一段时间后由于喷嘴边缘处的冲蚀磨损将会导致喷嘴加速高速气体效率降低甚至失效。发明人发现，将喷嘴原料的成份配比控制在上述范围内，所提供的喷射式反循环钻头的反循环效果最优，喷嘴的抗冲蚀性最强，孔底岩屑的清除效率最高，钻头的使用寿命最长。
在本申请的一些实施例中，在步骤1中，按体积百分比计，所述粘结剂组成成分包括丙烯酸接枝聚乙烯30～50％、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物20％～50％、石蜡10～20％、硬脂酸5～15％。
在本申请的一些实施例中，在步骤2中，所述混炼的温度为180～190℃，时间为80～100min；所述丝状料的直径为1.60～1.90mm；所述FDM三维打印的参数为：打印层厚为0.1～0.3mm，打印平台温度为50～60℃，打印喷头温度180～200℃。
需要说明的是，本申请通过先制得丝状料，然而再进行熔融挤出成型，可以充分的保证从喷嘴中挤出材料的均匀性。
需要说明的是，在实际操作过程中，先在三维建模软件中建立拉瓦尔结构的喷嘴模型，将模型导入到切片软件中进行打印参数设置，将最终文件导入到FDM型三维打印机中，根据设定好的参数，进行打印，打印成形完毕得到喷嘴生坯。
在本申请的一些实施例中，在步骤3中，所述脱脂依次包括溶剂脱脂和热脱脂；所述溶剂脱脂具体为将喷嘴在有机溶剂中进行溶剂脱脂；所述热脱脂具体为将喷嘴在氩气气氛下进行热脱脂。
在本申请的一些实施例中，所述有机溶剂为环己烷，所述溶剂脱脂的温度为60℃～70℃，溶剂脱脂时间为4～8h；所述热脱脂的过程为：首先采用2～3℃/min的升温速率，将脱脂炉加热至280～330℃，保温1～2h，再以0.5～1℃/min的升温速率将脱脂炉加热至410～460℃，之后再以2～3℃/min的升温速率将脱脂炉加热至580～630℃，并保温1～2h。
需要说明的是，本申请的热脱脂过程中，基于粘结剂不同组元热解温度范围的差异，采用梯度升温的模式进行分步脱脂，能够有效保证生坯的完整性以及生坯中粘结剂的排除效果，避免产生脱脂缺陷。
需要说明的是，本申请以丙烯酸接枝聚乙烯、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物作为粘结剂的骨架成分，一方面使丝材同时兼具柔韧性、高弹性、刚性，同时在脱脂工艺中按不同粘结剂组元设置梯度脱脂温度，得到脱脂率高，较为完整的生坯，避免单一粘结剂在脱脂时大量分解产生孔隙，坯体支撑力不足造成裂隙、塌陷等脱脂缺陷，以硬脂酸为表面活性剂能够润湿金属粉末，提高粘结剂对金属粉末的包覆能力，石蜡作为润滑剂能使丝材具有良好的流动性，便于打印成型，将粘结剂的组成控制在本发明的范围内，使所制备的丝材均具有较好柔韧性、流动性、均匀性，以便打印得到性能均一的生坯。
在本申请的一些实施例中，在步骤3中，所述烧结的过程为：以10～80℃/min升温速率升温至800～1000℃，保温8～15min，控制烧结压力为1～5MPa。
需要说明的是，本申请的烧结的程序需要有效控制，若烧结温度过高，那么烧结后的金刚石将会发生严重的石墨化现象而无法发挥抵抗冲蚀磨损的作用，若保温时间不足，喷嘴上的金刚石容易发生脱落亦无法发挥抵抗冲蚀磨损的作用。
下面结合具体的实施例进行进一步阐述。
实施例1
一种喷射式反循环钻头：喷射式反循环钻头基体共布置3个拉瓦尔结构喷嘴，喷嘴中轴线与钻头中心轴线夹角为30°，喷嘴高度17.3mm、收缩段长度8.5mm、喉管长度3mm、扩张段长度5.8mm，喷嘴内部为非完全对称的拉瓦尔结构。喷嘴孔(拉瓦尔结构喷嘴位于喷嘴孔内)开设于反循环钻头基体的花键套的花键内，直径10mm。其中，收缩段朝下，扩张段朝上。
一种喷射式反循环钻头的制备方法包括如下步骤：
(1)制丝：拉瓦尔结构喷嘴由合金粉末和金刚石微粉组成，两者体积比为9:1；其中合金粉末中各组分的质量分数为：铜35％、钴60％、锡3％、铬2％；合金粉末粒度为62～75μm，金刚石微粉粒度为20～150μm；粉末与粘结剂质量比为20:1；粘结剂各组分体积分数为：丙烯酸接枝聚乙烯50％、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物20％、石蜡15％、硬脂酸15％；将粉末与粘结剂按照上述设计比例计算称量。
将粉末和粘结剂混匀后，放入密炼机中进行混炼，混炼温度为190℃，混炼时间为80min，混炼的目的在于使粉末与粘结剂结合紧密。混炼后得到具有可塑性的混合密炼料，取出造粒，将制得的颗粒放入挤丝机中进行挤丝，得到1.75±0.05mm的用于打印喷嘴的复合丝材，并在牵引机上完成牵引收卷。
(2)打印模型及参数设计：在建模软件中建立拉瓦尔结构喷嘴模型并导入到切片软件中，设置打印层厚0.2mm、填充度100％、打印温度200℃、平台温度60℃，进行切片设置并导出最终文件，将最终文件导入到FDM型打印机中，根据设定好的参数，进行打印，打印完毕得到喷嘴生坯。
(3)脱脂：将喷嘴生坯首先置于水浴加热锅中进行溶剂脱脂，脱脂溶剂选择环己烷，脱脂温度70℃，浸泡6h，之后在通有氩气的脱脂炉中进行热脱脂，以3℃/min的加热速率将脱脂炉室温升至330℃，保温2h，之后再以1℃/min的加热速率将脱脂炉室温加热至460℃，并保温2h，最后再以3℃/min的加热速率将脱脂炉室温加热至630℃，并保温2h，脱脂的目的在于去除生坯里面的粘结剂组分。
(4)烧结：脱脂完成后将喷嘴生坯放置于热压烧结设备中，加压至2MPa，以80℃/min的加热速率将烧结炉从室温加热至900℃，保温8min随后冷却，完成烧结，得到拉瓦尔结构喷嘴，之后将喷嘴装配并焊接到钻头基体上，得到喷射式反循环钻头。在冲蚀实验设备上进行冲蚀实验以测定喷嘴的抗冲蚀磨损性能，冲蚀粒子选择粒度为100μm的白刚玉颗粒，冲击速度为150m/s，冲击距离为60mm，送粉速率15g/min，冲击角度为30°，冲蚀时间为10min，试验后测得其质量冲蚀率为0.12mg/g，其抗冲蚀磨损性强。
实施例2
一种喷射式反循环钻头：喷射式反循环钻头基体共布置3个拉瓦尔结构喷嘴，喷嘴中轴线与钻头中心轴线夹角为20°，喷嘴高度17.8mm、收缩段长度9.5mm、喉管长度3.5mm、扩张段长度4.8mm，喷嘴内部为完全对称的拉瓦尔结构。喷嘴孔(拉瓦尔结构喷嘴位于喷嘴孔内)开设于反循环钻头基体的花键套的花键内，直径10mm。其中，收缩段朝下，扩张段朝上。
一种喷射式反循环钻头的制备方法包括如下步骤：
(1)制丝：拉瓦尔结构喷嘴由合金粉末和金刚石微粉组成，两者体积比为4:1；其中合金粉末中各组分的质量分数为：铜50％、钴40％、锡5％、铬5％；合金粉末粒度为62～75μm，金刚石微粉粒度为20～150μm；粉末与粘结剂质量比为10:1；粘结剂各组分体积分数为：丙烯酸接枝聚乙烯30％、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物50％、石蜡10％、硬脂酸10％；将粉末与粘结剂按照上述设计比例计算称量。
将粉末和粘结剂混匀后，放入密炼机中进行混炼，混炼温度为185℃，混炼时间为90min，混炼的目的在于使粉末与粘结剂结合紧密。混炼后得到具有可塑性的混合密炼料，取出造粒，将制得的颗粒放入挤丝机中进行挤丝，得到1.75±0.05mm的用于打印喷嘴的复合丝材，并在牵引机上完成牵引收卷。
(2)打印模型及参数设计：在建模软件中建立拉瓦尔结构喷嘴模型并导入到切片软件中，设置打印层厚0.2mm、填充度100％、打印温度190℃、平台温度55℃，进行切片设置并导出最终文件，将最终文件导入到FDM型打印机中，根据设定好的参数，进行打印，打印完毕得到喷嘴生坯。
(3)脱脂：将喷嘴生坯首先置于水浴加热锅中进行溶剂脱脂，脱脂溶剂选择环己烷，脱脂温度65℃，浸泡7h，之后在通有氩气的脱脂炉中进行热脱脂，以2.5℃/min的加热速率将脱脂炉室温升至300℃，保温1.5h，之后再以0.8℃/min的加热速率将脱脂炉室温加热至430℃，并保温1.5h，最后再以2.5℃/min的加热速率将脱脂炉室温加热至600℃，并保温1.5h，脱脂的目的在于去除生坯里面的粘结剂组分。
(4)烧结：脱脂完成后将喷嘴生坯放置于热压烧结设备中，加压至3MPa，以40℃/min的加热速率将烧结炉从室温加热至820℃，保温10min随后冷却，完成烧结，得到拉瓦尔结构喷嘴，之后将喷嘴装配并焊接到钻头基体上，得到喷射式反循环钻头。在冲蚀实验设备上进行冲蚀实验以测定喷嘴的抗冲蚀磨损性能，冲蚀粒子选择粒度为100μm的白刚玉颗粒，冲击速度为150m/s，冲击距离为60mm，送粉速率15g/min，冲击角度为30°，冲蚀时间为10min，试验后测得其质量冲蚀率为0.08mg/g，其抗冲蚀磨损性强。
实施例3
一种喷射式反循环钻头：喷射式反循环钻头基体共布置10个拉瓦尔结构喷嘴，喷嘴中轴线与钻头中心轴线夹角为15°，喷嘴高度12.5mm、收缩段长度6.5mm、喉管长度2mm、扩张段长度4mm，喷嘴内部为非完全对称的拉瓦尔结构。喷嘴孔(拉瓦尔结构喷嘴位于喷嘴孔内)开设于反循环钻头基体上相邻的两个花键的花键槽内，直径10mm。其中，收缩段朝下，扩张段朝上。相邻的两个花键的花键槽内布置2个拉瓦尔结构喷嘴。
一种喷射式反循环钻头的制备方法包括如下步骤：
(1)制丝：拉瓦尔结构喷嘴由合金粉末和金刚石微粉组成，两者体积比为1:1；其中合金粉末中各组分的质量分数为：铜70％、钴20％、锡7％、铬3％；合金粉末粒度为62～75μm，金刚石微粉粒度为20～150μm；粉末与粘结剂质量比为5:1；粘结剂各组分体积分数为：丙烯酸接枝聚乙烯40％、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物30％、石蜡20％、硬脂酸5％；将粉末与粘结剂按照上述设计比例计算称量。
将粉末和粘结剂混匀后，放入密炼机中进行混炼，混炼温度为180℃，混炼时间为100min，混炼的目的在于使粉末与粘结剂结合紧密。混炼后得到具有可塑性的混合密炼料，取出造粒，将制得的颗粒放入挤丝机中进行挤丝，得到1.75±0.05mm的用于打印喷嘴的复合丝材，并在牵引机上完成牵引收卷。
(2)打印模型及参数设计：在建模软件中建立拉瓦尔结构喷嘴模型并导入到切片软件中，设置打印层厚0.2mm、填充度100％、打印温度180℃、平台温度50℃，进行切片设置并导出最终文件，将最终文件导入到FDM型打印机中，根据设定好的参数，进行打印，打印完毕得到喷嘴生坯。
(3)脱脂：将喷嘴生坯首先置于水浴加热锅中进行溶剂脱脂，脱脂溶剂选择环己烷，脱脂温度60℃，浸泡8h，之后在通有氩气的脱脂炉中进行热脱脂，以2℃/min的加热速率将脱脂炉室温升至280℃，保温1h，之后再以0.5℃/min的加热速率将脱脂炉室温加热至410℃，并保温1h，最后再以2℃/min的加热速率将脱脂炉室温加热至580℃，并保温1h，脱脂的目的在于去除生坯里面的粘结剂组分。
(4)烧结：脱脂完成后将喷嘴生坯放置于热压烧结设备中，加压至3.5MPa，以20℃/min的加热速率将烧结炉从室温加热至800℃，保温13min随后冷却，完成烧结，得到拉瓦尔结构喷嘴，之后将喷嘴装配并焊接到钻头基体上，得到喷射式反循环钻头。在冲蚀实验设备上进行冲蚀实验以测定喷嘴的抗冲蚀磨损性能，冲蚀粒子选择粒度为100μm的白刚玉颗粒，冲击速度为150m/s，冲击距离为60mm，送粉速率15g/min，冲击角度为30°，冲蚀时间为10min，试验后测得其质量冲蚀率为0.05mg/g，其抗冲蚀磨损性强。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅是烧结温度超过1000℃，发现烧结制得的喷嘴上的金刚石发生了较为严重的石墨化现象。
对比例2
其他条件与实施例3相同，仅是溶剂脱脂时间低于4h，生坯未完全脱脂，生坯表面出现开裂，烧结制得喷嘴表面存在裂隙。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种喷射式反循环钻头，包括反循环钻头基体和环设在所述反循环钻头基体上的若干喷嘴，所述反循环钻头基体从内往外依次为中心通道和花键套，其特征在于，所述喷嘴为拉瓦尔结构喷嘴，所述喷嘴的中心轴与所述反循环钻头基体的中心轴呈一定夹角A，所述A为1～45°，所述喷嘴的下端近所述反循环钻头基体的外侧，所述喷嘴的上端近所述中心通道，所述喷嘴的上端的扩张段连接设有引导超音速气流至所述中心通道的弧形导流面。
2.根据权利要求1所述的一种喷射式反循环钻头，其特征在于，所述花键套的花键内或两个花键之间贯穿设有喷嘴孔，所述喷嘴位于所述喷嘴孔内。
3.根据权利要求1所述的一种喷射式反循环钻头，其特征在于，所述喷射式反循环钻头的拉瓦尔结构喷嘴的数量为3～10个；所述拉瓦尔结构喷嘴包括喷嘴基体和设置在所述基体内的拉瓦尔结构的通孔；所述喷嘴倾斜布置在钻头基体上，所述拉瓦尔结构喷嘴内部的通孔为对称或非完全对称的拉瓦尔结构。
4.一种如根据权利要求1-3任一所述的喷射式反循环钻头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按设计比例配取金刚石微粉、合金粉末并与粘结剂混合获得混合料；
步骤2：将混合料进行混炼、造粒、拉丝后获得丝状料，将丝状料进行FDM三维打印，获得喷嘴生坯；
步骤3：将喷嘴生坯依次进行脱脂、烧结、装配并焊接到反循环钻头基体上即得喷射式反循环钻头。
5.根据权利要求4所述的喷射式反循环钻头的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述金刚石微粉与所述合金粉末的体积比为1:1～9:1；所述金刚石微粉的粒径≤150μm；所述合金粉末的粒径≤100μm；按照质量百分比计，所述合金粉末组成成分包括铜35～70％、钴20～60％、锡3～7％、铬2～5％；所述金刚石微粉与合金粉末组成的粉末与所述粘结剂的质量比为4:1～20:1。
6.根据权利要求4所述的喷射式反循环钻头的制备方法，其特征在于，在步骤1中，按体积百分比计，所述粘结剂组成成分包括丙烯酸接枝聚乙烯30～50％、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物20％～50％、石蜡10～20％、硬脂酸5～15％。
7.根据权利要求4所述的喷射式反循环钻头的制备方法，其特征在于，在步骤2中，所述混炼的温度为180～190℃，时间为80～100min；所述丝状料的直径为1.60～1.90mm；所述FDM三维打印的参数为：打印层厚为0.1～0.3mm，打印平台温度为50～60℃，打印喷头温度180～200℃。
8.根据权利要求4所述的喷射式反循环钻头的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述脱脂依次包括溶剂脱脂和热脱脂；所述溶剂脱脂具体为将喷嘴在有机溶剂中进行溶剂脱脂；所述热脱脂具体为将喷嘴在氩气气氛下进行热脱脂。
9.根据权利要求8所述的喷射式反循环钻头的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为环己烷，所述溶剂脱脂的温度为60℃～70℃，溶剂脱脂时间为4～8h；所述热脱脂的过程为：首先采用2～3℃/min的升温速率，将脱脂炉加热至280～330℃，保温1～2h，再以0.5～1℃/min的升温速率将脱脂炉加热至410～460℃，之后再以2～3℃/min的升温速率将脱脂炉加热至580～630℃，并保温1～2h。
10.根据权利要求4所述的喷射式反循环钻头的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述烧结的过程为：以10～80℃/min升温速率升温至800～1000℃，保温8～15min，控制烧结压力为1～5MPa。
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