添加二硼化铪提高聚晶金刚石复合片耐热性能的研究

聚晶金刚石复合片(PDC)被广泛应用于地质钻头及油气井钻头,改进耐热性对于提高其工作性能非常重要。本研究旨在探究添加二硼化铪(HfB_(2))对聚晶金刚石复合片耐热性能的影响,并通过X射线衍射和扫描电子显微镜对高温高压制备的PDC进行了物相和微观结构分析。研究结果表明,随着HfB_(2)添加量的增加,HfC相的比例逐渐增加。对PDC的热膨胀测试表明,添加0.1 wt.%HfB_(2)的PDC样品,其耐热性显著提高;但超过0.1 wt.%的添加量不会进一步增强其耐热性,而是减小了总体热膨胀值。因此,HfB_(2)的最优加量为0.1 wt.%。

安全高效钻探用梯度结构金刚石复合片制备技术研究

在油气钻井、深部地层钻探中,聚晶金刚石钻头有着广泛的应用。聚晶金刚石复合片(PDC)由聚晶金刚石层与硬质合金基体所组成。由于聚晶金刚石层与硬质合金基体的热膨胀系数等性质差异,PDC在烧结冷却后内部会存在巨大的残余应力。为降低PDC内部的残余应力,本文提出了一种梯度结构金刚石复合片的制备技术。通过以熔融沉积成型加烧结的工艺方法,确定了梯度结构金刚石复合片的制备技术路线;对制备出的梯度结构金刚石复合片的微观形貌及残余应力的分布情况特征等进行分析;进行室内钻进试验验证了梯度结构金刚石复合片的钻进性能。结果表明,熔丝制造工艺制备的梯度结构金刚石复合片在聚晶金刚石层和梯度层界面处存在1.4 GPa的压应力,显著提高了层间结合能力,相比常规复合片钻进效率提升约36%且使用寿命更长。

3D打印金刚石复合片及其钻头的研究进展

PDC钻头已成为油气勘探领域的首选钻头类型,日益提升的PDC钻头性能要求特别是钻进效率要求给钻头制造带来较大挑战。钻头工作面结构改进是PDC钻头实现高效破岩的关键,但这给PDC钻头制造带来难题。3D打印技术是一种新型的快速成形技术,具有制造任意复杂形状结构、个性化定制和创意设计的优点,将3D打印工艺应用于PDC及其钻头的生产是未来发展的必然趋势。本文中介绍了目前用于制备PDC及其钻头的3D打印技术的基本原理,包括光固化成形技术(SLA)、熔融沉积技术(FDM)、激光选区烧结(SLS)、激光选区熔化技术(SLM)和喷墨粘粉式(3DP)等;总结了现有3D打印技术在PDC及其钻头制造方面的研究进展,并对未来3D打印PDC钻头的发展进行了展望。

基于空载率检测的聚晶金刚石复合片电火花线切割加工研究

针对通过传统峰值电压检测伺服跟踪方法进行电火花线切割聚晶金刚石复合片时出现的切割速度低、切割不稳定、表面质量差且易断丝的现象,提出了一种空载率检测系统控制方法。经试验得知,当空载率为10%时,该方法可得到更好的表面质量和加工稳定性,同时获得较高的切割速度,在相同脉冲宽度下切割聚晶金刚石复合片较传统峰值电压检测伺服跟踪方法的速度提升了20%。

钴的脱除工艺对聚晶金刚石复合片性能的影响

聚晶金刚石复合片(PDC)是一种用于油气钻采、矿物开采的超硬复合材料,需要通过脱除金刚石层中的钴来提高耐磨性和抗冲击性能。本文以盐酸、硫酸和路易斯酸(FeCl3)作为脱钴试剂,使用加压化学沉淀法对金刚石复合片进行脱钴,研究脱钴试剂的原料配比、脱钴反应压力、脱钴反应时间对金刚石复合片脱钴效率及性能的影响。结果表明,使用加压化学沉淀法可以高效脱除PDC中的钴。将1片PDC和60 mL脱钴试剂进行反应,脱钴试剂中HCl浓度为6 mol/L,硫酸加入量为60 mL/L、路易斯酸加入量为50 g/L,反应温度为160℃,反应压力控制在0.8 MPa为最优脱钴工艺条件,反应时间72 h,脱钴深度可达580μm,达到了1.2 mm金刚石复合片脱钴要求(脱钴深度>0.5 mm)。使用加压化学沉淀法比常规酸浸出法脱钴效率更高,脱钴后金刚石复合片耐磨性更高,抗冲击韧性更好。

仿生耦合聚晶金刚石复合片钻头

基于仿生耦合理论设计了仿生耦合聚晶金刚石复合片(PDC),通过摩擦磨损实验研究其性能,制备出仿生耦合PDC钻头并将其用于现场试验。以自然界生物(竹子、人类牙齿、贝壳、树木年轮、蝼蛄等)为仿生原型,从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石-硬质合金交接面结构及聚晶金刚石表面非光滑形态3方面入手设计仿生耦合PDC,并开展室内摩擦磨损实验。结果表明:与同尺寸的常规PDC相比,仿生耦合PDC磨耗比提高约18.4%,磨损砂轮速度提高约1.67倍,耐磨性和切削效率都显著提高。现场钻井试验中,根据地层情况和井身结构设计制备了仿生耦合PDC钻头,并与邻井同层常规PDC钻头进行了对比。结果表明:仿生耦合PDC钻头的机械钻速约为常规PDC钻头的2.5倍,可大幅缩短钻井周期、节约钻井成本,经济效益显著。

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的失效分析

对PDC钻井钻头的失效形式进行了分析 ,并对每种失效形式的形成机理进行了研究 .结果表明 ,PDC钻头切削齿的微断屑、宏观破裂及剥离失效形式是造成PDC钻头早期失效的主要形式和原因 .预防PDC钻头的早期失效 ,应从设计。

锥形聚晶金刚石复合片钻头(PDC)齿与常规PDC齿破岩效果对比试验

为对比分析锥形PDC齿与常规PDC齿在不同岩样上的破岩效果,通过单齿破岩试验,分析了不同磨损高度的常规PDC齿与锥形PDC齿在钻压影响下的破岩规律。结果表明:在一定的钻压下,锥形齿在钻进硬度较小的岩石(灰板岩、绿板岩、大理岩)时,相比无磨损PDC复合片的切削深度较小,但远大于磨损了的PDC复合片的切深;随着岩石硬度的增大,锥形齿的切削深度越接近无磨损的PDC齿;在钻进较硬的岩石(石灰岩、玄武岩)时,当钻压小于某一值时,锥形齿的切削深度小于无磨损PDC复合片;当钻压大于该值时,锥形齿的切削深度则大于无磨损PDC复合片。试验结果为复合片-锥形齿混合钻头设计提供了理论支撑。

钻探用聚晶金刚石复合片的显微组织及性能

采用上层为细粒度金刚石、下层与硬质合金接触的为粗细度金刚石的分层设计理念,制备钻探用多金刚石层的聚晶金刚石复合片(PDC),对比不同粒度的单层金刚石PDC与多层金刚石PDC的显微组织与性能的差异。利用超声波扫描、扫描电子显微镜(SEM)表征每种PDC的内部缺陷和表面形貌等,并分别对PDC的耐热性、抗冲击性和耐磨性进行测试。结果表明:多层金刚石PDC的综合性能良好,其表层耐磨,下层更耐冲击,且其具有更加均衡的耐热性、抗冲击性和耐磨性。细粒度金刚石层PDC的耐磨性更高,但耐热性和抗冲击性较低,而粗粒度金刚石层PDC的耐热性和抗冲击性能更好,但耐磨性较差。

Φ55 mm夹芯式聚晶金刚石复合片的合成及表征

采用独特的六面顶制备技术,在六面顶压机上合成出了Φ55 mm夹芯式聚晶金刚石复合片。经超声波微成像分析,样品无分层、裂纹、气孔、金刚石层厚度不均等缺陷;经耐磨性测试,磨耗比在30万以上,在700℃保温2 min的条件下,具有很好的热稳定性;经导电性测试,慢走丝切割速度为1.15 mm/min,具有良好的导电性;制成钻头后,在钻削碳纤维复合材料时,样品与国外同类产品性能相当。

聚晶金刚石复合片钻头失效形式及工艺研究

兖州矿业（集团）公司机电设备制造厂通过对聚晶金刚石复合片（PDC）钻头的失效形式及相关工艺过程的研究，总结出了在PDC钻头的加工使用过程中应该注意的问题。对提高PDC钻头的加工水平和延长使用寿命有一定的借鉴意义。

聚晶金刚石复合片的电火花线切割精密加工试验

为了提高聚晶金刚石(PCD)刀具的生产效率,改进加工表面质量并减少刃磨余量,利用慢走丝电火花线切割机床(WEDM)对PCD复合片进行了加工工艺试验。对PCD复合片进行了5次切割,并分别测量了每次加工后的表面粗糙度、富钴界面层凹槽深度及宽度和PCD层刃口加工质量。试验结果表明:PCD复合片经慢走丝线切割多次加工,能够得到较好的表面质量,在众多影响因素中金刚石颗粒大小对加工质量影响较大;其中CTH025型号和CTB010型号的最终表面粗糙度分别为Ra=0.85μm和Ra=0.57μm,富钴界面层凹槽的深度分别为16.3μm和5.7μm,刃口处切口缺陷的尺寸也与金刚石颗粒的尺寸相当。经WEDM加工后的PCD复合片的刃磨余量可控制在4～15μm左右。

纤维状聚晶金刚石复合片刀具的切削性能及刀具磨损机理

设计并制备一种纤维状聚晶金刚石复合片(Polycrystalline diamond compacts,PDC)刀具,制备的PDC刀具具有同时参与切削的刀刃多、刀刃间隔距离和切削角度可人为控制、刃口锋利平直等特点。开展了新型PDC刀具与金刚石砂轮在相同条件下加工WC/12Co涂层的对比试验。结果表明,制备的PDC刀具能获得与金刚石砂轮磨削相媲美的加工质量,实现WC/12Co涂层硬脆材料的精密加工;同时其具有良好的容屑空间,断续切削的结构特点使其更容易散热,因此,切削加工过程中又可以适当地提高切削参数实现材料的高效加工。PDC刀具在长时间的加工过程中,由于受到频繁的冲击作用,在PDC刀具的后刀面出现了小凹坑和轻微的磨粒磨损,随着切削的进行,在切刃处出现局部崩刃现象,须对其刃磨。

聚晶金刚石复合片电火花线切割加工电极丝损耗研究

采用电火花线切割方法对聚晶金刚石复合片(PDC)进行了线切割加工实验,利用带能谱分析的扫描电子显微镜(SEM)观察了电极丝表面的显微形貌。从微观角度研究了PDC超硬材料电火花线切割加工的电极丝损耗机理,探讨了电参数和冲液条件等因素对电极丝损耗的影响。实验研究发现,采用贴附式高压喷液方式在高电压、小脉宽、大峰值电流的加工条件下,PDC切割效率为19.35mm^2/min,电极丝损耗为1.5~2μm(10~4 mm^2切割量),较常压喷液方式切割效率提高51.6%,丝损降低15.2%。

粘结剂钴对于聚晶金刚石复合片热稳定性的作用机制

热稳定性是聚晶金刚石复合片(PDC)的一个重要性能指标。利用车削花岗岩法测定了PDC刀具的热稳定性能,采用热分析法、工具显微镜和扫描电子显微镜观测了PDC刀具中粘接剂钴的分布与形貌以及热损伤情况。研究表明:粘接剂Co热胀冷缩和氧化产生了热龟裂裂纹,导致PDC刀具机械性能降低,这是PDC刀具热稳定性下降的主要因素;PDC刀具中Co存在3种分布形式,分别是金刚石间的球粒状Co颗粒、"Co岛"和叶脉状的Co分布,其中以叶脉状分布的Co对PDC刀具的热稳定性影响最大。讨论了控制粘接剂Co分布与形貌以提高PDC热稳定性的方法。

聚晶金刚石复合片激光切割工艺研究

聚晶金刚石(PCD)复合片因其硬度高、耐磨性好等性能在刀具行业应用广泛,为了探究PCD复合片的激光切割工艺特性,获取最优的切割质量和加工效率,减少磨削余量,采用Nd∶YAG激光器对1.6 mm厚PCD复合片进行切割工艺试验。利用数字显微镜和光学轮廓仪对材料切割表面及断面进行观测分析,系统研究了激光功率、切割速度、脉冲频率及离焦量等工艺参数对切割质量的影响。通过正交试验的直观分析与方差分析对工艺参数进行分析与优化设计,同时探究不同参数下激光能量对材料的作用机理。结果表明:材料表面能量密度的大小决定着激光切割质量,选用激光功率80 W,切割速度80 mm/min,脉冲频率60 Hz,零离焦量的切割参数,获得了切缝宽度为173.10μm,切缝单边锥度为5.90°,表面粗糙度Ra=0.65μm的优良PCD复合片激光切割质量。

聚晶金刚石复合片耐磨性的表征

耐磨性是聚晶金刚石复合片(PDC)的一个重要性能指标,现有的烧结体质量磨耗比实验和称量方法存在明显的缺陷,为此建立了PDC体积磨耗比的计算方法,能够用它评测PDC耐磨性的优劣。PDC车削花岗岩时的磨损过程可以分为初始磨损阶段、快速磨损阶段和稳定磨损阶段。PDC车削花岗岩过程中,刀具的磨损是由于冲击与磨削同时作用的结果,且以"磨为主,冲为辅"。

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响,在ANSYS中建立PDC模型,运用热-结耦合法分析PDC的残余热应力。计算表明,随着PCD层与硬质合金层厚度比由0.067增加到0.333,PCD层表面中心的压应力由1.61 GPa降低到380 MPa,PCD层最大径向压应力由1.61 GPa降低1.03 GPa左右,而PCD层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大;随着PDC压制过程中烧结温度由1 000℃升高到1 500℃,PCD层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为,在研究PDC合成新工艺过程中,应在保证PDC使用寿命的前提下尽量降低PCD层与硬质合金层厚度比;必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。

聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌

开展了聚晶金刚石复合片(PDC)的电火花线切割实验,提出了PDC的电火花线切割模型。通过扫描电镜与拉曼光谱仪对切割试件进行显微观察与成分分析,发现聚晶金刚石层表面存在明显石墨化现象,而且聚晶金刚石层与硬质合金层之间的富钴界面层存在严重过量去除现象。按聚晶金刚石层、富钴界面层与硬质合金层三个部分剖析了PDC放电蚀除机理,并对PDC的电火花线切割热损伤进行了分析。研究表明,解决富钴界面层的过量去除问题是提高PDC电火花线切割加工质量的关键。

不同界面形态聚晶金刚石复合片热残余应力分析

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC)钻头因具有极高的耐磨性、抗冲击韧性以及锐利的切削刃,在地质和石油钻探中受到了广泛的应用。但目前国内外油田钻探中所使用的复合片有80%的非正常失效断裂是由于PDC的残余应力致裂及界面结构问题引起的,热残余应力是造成PDC非正常失效的主要因素。文章根据PDC制造过程中的热力学工艺条件,对平面界面及其他几种典型不规则界面的PDC热残余应力作详尽的数值计算和分析比较,对PDC热残余应力的分布规律作深入研究。研究结果表明,界面形态与热残余应力的大小及其分布规律密切相关,不同界面形态热残余应力大小和分布均不相同,并提出了优化PDC界面结构、有效降低界面残余应力的措施。这对提高PDC生产合格率及使用寿命具有重要意义。