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新型低造价高性能PDC钻头浸渍合金的研究

2020-12-02阅读(222)

新型低造价高性能PDC钻头浸渍合金的研究

论文摘要

作为石油钻井所用的聚晶金刚石钻头切削刃（以下简称PDC）所采用的超硬PDC,其使用寿命、抗剪切能力、抗耐磨性能,均取决于浸渍合金性能的优劣程度。铜合金由于具有良好的润湿性和优异的机械性能以及耐腐蚀性而获得了广泛应用。目前所使用的浸渍合金大多数为Cu-Ni-Mn合金。这种材料的成本高,抗拉强度较低,流动性差,熔点高。因此,研制高强度高耐磨的新型低造价高性能PDC钻头浸渍合金成为钻井工业生产有待解决的问题。在此背景下,采用铸造法工艺制备出Cu-Ni-Sn-Mn-Fe系列浸渍合金以及用无压浸渍工艺制备WCp/铜合金基体系列复合材料,并利用金相观察、SEM、TEM、能谱分析及磨损率、硬度的测量等方法,研究了Cu-Ni-Sn-Mn-Fe系列浸渍合金和WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe系列复合材料的组织和性能的影响。研究发现:（1） Cu-Ni-Sn-Mn-Fe系列浸渍合金的铸态组织为明显的树枝晶组织:枝晶内是Cu、Ni原子富集的α相,枝晶间为溶质原子Sn富集的{Cu, Sn}固溶体。几种铜合金都存在较严重的Sn元素的枝晶偏析,必须经行适当的均匀化处理,消除树枝晶偏析,方可进行热态和冷态的压力加工。（2）加入Fe元素后Cu-Ni-Sn-Mn合金的机械性能均有所提高。添加Fe元素可以起到组织细化和晶粒细化的效果,同时添加Fe的数量应该有所限制,在适宜范围内它可以发挥改善合金组织,提高合金性能的作用,但是过高的Fe含量（如5%Fe）,反而会产生一些负面影响。（3） 400℃时效5小时后A5浸渍合金中α-Cu相显著增多,其它峰的强度基本不变。其抗拉强度和硬度比铸态合金有所提高,而其延伸率和塑性较低。（4）在WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe系列复合材料中,骨架材料WC几乎完全能被Cu液所浸润并能与铜合金基体很好的结合,W元素和铜合金中的元素在基体中产生互扩散,形成Fe3W3C复式碳化物和Cu0.4W0.6化合物,且两者之间产生轻微的界面反应。（5） WC颗粒是PDC钻头复合材料中主要的耐磨相,同时由于铜基体合金的高强度与高韧性形成了对颗粒的有力支撑。因此几种基体成分不同的WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe复合材料具有良好的耐磨性能。WCp/Cu合金复合材料中铜合金基体的磨损形貌呈现塑性变形、粘着、脆性剥落及犁削等特征。WC颗粒的磨粒磨损失效机制主要是微观切削和脆性剥落。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1-1 复合材料简述
  • 1-1-1 前言
  • 1-1-2 复合材料的概念与分类
  • 1-1-3 复合材料的性能特点
  • §1-2 金属基复合材料的发展现状及应用前景
  • 1-2-1 前言
  • 1-2-2 金属基复合材料的理论研究
  • §1-3 颗粒增强金属基复合材料的研究现状及应用前景
  • 1-3-1 颗粒增强体及复合原则
  • 1-3-2 PRMMCs 的基体
  • 1-3-3 复合材料的界面
  • 1-3-4 PRMMCs 的制备工艺
  • §1-4 无压浸渗法制备复合材料的研究现状
  • 1-4-1 无压浸渗法的基本原理和制备方法
  • 1-4-2 无压浸渍工艺的热力学条件
  • 1-4-3 无压浸渗法制备复合材料的研究现状
  • 1-4-4 目前存在的主要问题
  • §1-5 PDC 钻头复合材料及其工艺的研究现状
  • 1-5-1 PDC 钻头浸渍合金的研究现状
  • 1-5-2 PDC 钻头骨架材料的研究现状
  • 1-5-3 PDC 钻头无压浸渍工艺的研究
  • §1-6 本课题的提出及主要研究内容
  • 第二章 实验材料、设备、原理与方法
  • §2-1 实验材料
  • §2-2 实验仪器及设备
  • 2-2-1 材料制备所用仪器与设备
  • 2-2-2 材料性能测试所用仪器与设备
  • §2-3 试样制备
  • 2-3-1 原料的预处理
  • 2-3-2 铜基浸渍合金的制备
  • p/铜基复合材料的制备'>2-3-3 WCp/铜基复合材料的制备
  • §2-4 组织观察与性能分析
  • 2-4-1 硬度测量
  • 2-4-2 金相显微组织观察
  • 2-4-3 X 射线衍射分析
  • 2-4-4 扫描电镜观察及能谱分析
  • 2-4-5 密度
  • 2-4-6 力学性能试验
  • 2-4-7 摩擦磨损试验
  • 第三章 不同成分的铸态 Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 浸渍合金的组织与性能影响
  • §3-1 概述
  • §3-2 不同成分的铸态Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 浸渍合金的显微组织分析
  • 3-2-1 铸态A1 浸渍合金的显微组织分析
  • 3-2-2 不同成分的铸态Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 浸渍合金的显微组织分析
  • §3-3 不同成分铸态Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 浸渍合金的相结构分析
  • §3-4 不同成分铸态Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 浸渍合金的物理机械性能
  • 3-4-1 实验结果
  • 3-4-2 结果分析与讨论
  • §3-5 本章小结
  • 第四章 A5 浸渍合金的组织与性能影响
  • §4-1 A5 浸渍合金的铸态组织与性能
  • 4-1-1 铸态显微组织及其分析
  • 4-1-2 A5 铸态合金的物理和机械性能
  • §4-2 时效后A5 合金的组织与性能
  • 4-2-1 A5 合金的相结构
  • §4-3 时效后A5 合金的物理和机械性能
  • §4-4 本章小结
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的组织与性能影响'>第五章 不同基体成分 WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的组织与性能影响
  • §5-1 概述
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的组织与性能分析'>§5-2 不同基体成分WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的组织与性能分析
  • 5-2-1 复合材料的显微组织分析
  • 5-2-2 复合材料中铜基体区和界面的显微组织分析
  • §5-3 WC 颗粒的溶解及界面结合情况
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的力学性能'>§5-4 不同基体成分WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的力学性能
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的物理与力学性能分析'>5-4-1 不同基体成分WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的物理与力学性能分析
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的弯曲断口分析'>5-4-2 不同基体成分WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的弯曲断口分析
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料强化机制探讨'>§5-5 不同基体成份的WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料强化机制探讨
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的摩擦磨损性能'>§5-6 不同基体成分WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的摩擦磨损性能
  • 5-6-1 颗粒增强金属基复合材料的摩擦磨损机理
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的摩擦磨损性能'>5-6-2 WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的摩擦磨损性能
  • p/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的摩擦磨损机理'>5-6-3 WCp/Cu-Ni-Sn-Mn-Fe 复合材料的摩擦磨损机理
  • §5-7 本章小结
  • 第六章 结论
  • 参考文献
  • 致谢

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