新型梯度结构金刚石—硬质合金复合球齿的研究

论文题目: 新型梯度结构金刚石—硬质合金复合球齿的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 地质工程

作者: 刘宝昌

导师: 张祖培

关键词: 功能梯度材料,多晶金刚石,硬质合金,材料设计,岩石钻凿

文献来源: 吉林大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文从分析冲击钻进对钻头球齿的苛刻要求及传统硬质合金球齿的碎岩机理和损坏机理出发,提出了对金刚石-硬质合金复合球齿的组成分布及显微结构进行设计以形成梯度结构的设计模型,并进行了有限元分析优化,在此基础上,进行了梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿的烧结试验,宏、微观性能测试,钻头设计、制造及钻进试验。对传统的双层结构金刚石-硬质合金复合材料进行了残余应力分析计算,指出该结构的复合球齿在烧结后的冷却过程中会产生较大的残余应力,从而降低材料的性能。设计了梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿,确定了复合球齿的原料及梯度层中各组分的上下限体积分数,确定了梯度结构金刚石-硬质合金复合材料物性值及其分布规律,并利用有限元方法对不同梯度层数目的金刚石-硬质合金复合球齿的残余热应力进行了分析,得出了梯度层数目与复合球齿工作层内残余压应力、硬质合金基体内残余拉应力、界面剪应力及界面Von Mises 应力的关系。综合考虑有限元分析结果及复合球齿的设计目标,确定了复合球齿的合理的梯度层数目为3~5。进行了梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿的烧结试验,对金刚石微粉、粘结剂、硬质合金基体等原材料进行了优选,并确定了其预处理工艺,设计了复合球齿的结构及合理的高温高压模具组装结构,通过实验,确定了合理的烧结工艺参数; 对梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿进行了力学性能(磨耗比、抗冲击性能、热稳定性)及微观性能(梯度层结构及成分分布、SEM 形貌观察、界面结合机制)检测。设计、制造了金刚石-硬质合金复合球齿潜孔锤钻头,并在坚硬、强磨蚀性岩石上进行了钻进试验,结果表明,该复合球齿具有较高的抗冲击性和耐磨性,能够满足中、小直径冲击-回转钻进的要求。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 本课题的研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 难点和关键技术问题

1.4 本文的主要研究内容

第二章 冲击钻进用球齿钻头的碎岩机理及失效形式分析

2.1 压头侵入岩体的基本现象

2.2 外载作用下岩体的应力状态

2.3 球齿的冲击破岩机理

2.4 球齿钻头的失效类型与特点

2.5 冲击钻头球齿磨损机理分析

2.6 本章小结

第三章 多晶金刚石(PCD)及其与硬质合金的复合材料(PDC)

3.1 引言

3.2 PDC材料的复合途径及问题

3.3 PDC材料烧结中的关键技术

3.4 PDC材料的制造方法及分类

3.5 PDC的综合性能

3.6 本章小结

第四章 新型梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿的设计

4.1 引言

4.2 双层结构金刚石-硬质合金复合材料残余热应力分析

4.3 梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿的设计

4.3.1 功能梯度材料(FGM)概述

4.3.2 梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿原料的选择及各组分上下限体积分数的确定

4.3.3 梯度结构金刚石-硬质合金复合材料物性值及其分布规律确定

4.3.4 梯度结构金刚石-硬质合金复合球齿的残余热应力有限元分析及优化设计

4.4 本章小结

第五章 金刚石-硬质合金复合球齿的制造

5.1 引言

5.2 复合球齿的制造方法选择

5.3 复合球齿的原材料选择及预处理工艺确定

5.3.1 金刚石微粉

5.3.2 粘结/催化剂

5.3.3 硬质合金基体

5.4 复合球齿的结构设计

5.5 高压烧结元件设计

5.6 制造工艺流程设计

5.7 新型金刚石-硬质合金复合球齿的烧结

5.7.1 烧结设备的选择

5.7.2 烧结腔体内温度与压力梯度分析

5.7.3 新型金刚石-硬质合金复合球齿的烧结工艺

5.7.4 复合球齿的后处理工艺

5.8 本章小结

第六章 金刚石-硬质合金复合球齿性能检测及分析

6.1 引言

6.2 力学性能测试

6.2.1 耐磨性测试

6.2.2 抗冲击性能测试

6.2.3 热稳定性分析

6.3 显微结构分析

6.4 本章小结

第七章 金刚石-硬质合金复合球齿潜孔锤钻头的设计与实验

7.1 引言

7.2 潜孔球齿钻头设计

7.3 复合球齿钻头的钻进试验

7.4 本章小结

第八章 全文总结与展望

8.1 本文的主要结论和所取得的主要成果

8.2 后续研究工作展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文及其他成果

中文摘要

英文摘要

致谢

发布时间: 2006-01-17

参考文献

• [1].金刚石—硬质合金复合齿及其钻头的研究[D]. 史晓亮.中国地质大学2003

相关论文

• [1].WC-Co梯度硬质合金的设计、制备及其性能研究[D]. 肖逸锋.中南大学2008
• [2].硬质合金刀具基体上金刚石涂层的制备及其附着性能的研究[D]. 杨仕娥.郑州大学2002
• [3].硬质合金基体表面预处理及其金刚石涂层的研究[D]. 刘沙.中南大学2003
• [4].金刚石钻头和金刚石锯片磨损机理、设计及性能测试研究[D]. 杨俊德.中南大学2004
• [5].硬质合金注射成形工艺研究[D]. 祝宝军.中南大学2002
• [6].聚晶金刚石复合体界面及复合机理的研究[D]. 陈石林.中南大学2004
• [7].孕镶金刚石仿生钻头的研究[D]. 高科.吉林大学2006
• [8].碳纳米管增强微粉金刚石—硬质合金复合材料及其柱齿研究[D]. 彭新明.吉林大学2007

标签：功能梯度材料论文;  多晶金刚石论文;  硬质合金论文;  材料设计论文;  岩石钻凿论文;