关键词：
多元纳米强化
配方均匀设计
力学性能
孕镶金刚石钻头
摘要：
孕镶金刚石钻头可以满足大部分地质钻探快速钻进的需求,是提高钻探效率的主要手段。然而,金刚石很难与大多数的金属及其合金发生反应,一般以机械嵌合方式固定在胎体中,因此很容易出现金刚石非正常脱落的现象,从而降低金刚石钻头的寿命。为了适应硬岩钻探需求,需要开发新的提高钻头性能的方法。近年来,国内外的研究者通过向金属基复合材料中加入纳米材料来改善复合材料的力学性能。有研究发现将纳米材料加入到金刚石工具材料中,可以提高金刚石工具结合剂或胎体的硬度、抗弯强度、耐磨性和对金刚石的包镶能力,最终提高金刚石工具的性能。但是由于单一纳米增强相自身存在性能的限制,因此增强效果有限。而多元纳米协同强化可以发挥纳米增强相各自的优势,实现协同效应,从而获得更优异的性能。因此,本文通过向孕镶金刚石钻头用WC基和Fe基胎体中加入纳米WC和纳米Nb C来改善钻头胎体的力学性能,从而使WC基和Fe基金刚石钻头在硬岩钻探中可以获得更高的钻进效率和更长的使用寿命。首先利用配方均匀设计的方法获得合理、试验点均匀分布的多元纳米强化WC基和Fe基金刚石钻头胎体材料的试验方案,并制备试样进行力学性能测试。研究结果表明,加入纳米WC和纳米Nb C后,WC基和Fe基胎体材料的硬度都得到提高,并且在试验范围内,纳米材料的添加量越多,胎体材料的硬度越高。采用合适的纳米材料添加量,抗弯强度会获得好的增强效果。之后对胎体试样的力学性能测试结果进行回归分析和规划求解,得到胎体力学性能指标的最优解。根据力学性能指标最优解获得多元纳米增强WC基和Fe基金刚石复合材料的试验方案,制备试样进行力学性能测试和微观表征,结果表明纳米强化的WC基和Fe基金刚石复合材料的抗弯强度和磨耗比测试结果都符合回归分析和规划求解的分析。加入纳米材料后,抗弯强度指标最优的SD2组的抗弯强度最高,但是增强效果并不明显,WC基和Fe基金刚石复合材料的抗弯强度最高分别提高了2.80%和4.29%。硬度指标最优的SD1组的磨耗比最高,WC基和Fe基金刚石复合材料的耐磨性比未加纳米材料分别提高了57.42%和8.75%。在硬度相同水平的情况下,Fe基复合材料能获得比WC基更好的耐磨性和抗弯强度,Fe基胎体钻头有望获得比WC基胎体钻头更好的钻进效果。金刚石复合材料试样的XRD测试结果表明,加入纳米WC和纳米Nb C没有生成新物相,并不会与胎体材料中的成分发生反应。从试样的断口形貌可以观察到,加入纳米材料之后金刚石与胎体间的空隙减小。磨耗比越高的试样,金刚石与胎体间的空隙越小。说明金刚石与胎体之间的结合越紧密,耐磨性越好。最后采用金刚石复合材料试样中磨耗比最优的配方与普通胎体配方分别烧制WC基和Fe基孕镶金刚石钻头,并进行室内钻进试验。试验结果表明在相同钻进参数下,多元纳米强化的WC基金刚石钻头的机械钻速为7.00 m/h,单位进尺下工作层磨损为0.317 mm/m,比常规金刚石钻头机械钻速提高19.05%,胎体磨损量减少32.84%。Fe基金刚石钻头的机械钻速为9.59 m/h,工作层磨损为0.141mm/m,比常规金刚石钻头机械钻速提高25.85%,胎体磨损量增加17.5%。说明向WC基和Fe基金刚石钻头胎体中加入纳米WC和纳米Nb C,能够强化钻头的性能,获得更高的机械钻速。对比纳米强化的WC基和Fe基金刚石钻头,Fe基钻头具有更高的机械钻速和更少的胎体磨损,钻进可钻性8级的花岗岩可以获得更好的效果。
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