纳米WC弥散强化孕镶金刚石钻头

刘宝昌， 李思奇， 韩 哲， 赵新哲， 李 闯， 曹 鑫

(1. 吉林大学 建设工程学院， 长春 130026)(2. 吉林大学 超硬材料国家重点实验室， 长春 130012)(3. 国土资源部复杂条件钻采技术重点实验室， 长春 130026)

地质勘探工作逐步转向深部以及超深部，对钻探技术、装备及工艺提出了更高的要求。孕镶金刚石钻头作为重要的碎岩工具之一，其性能对钻进的效率、质量及成本有着直接的影响。特别是深部钻探消耗较多的起下钻等非正常作业时间，其提钻时间间隔越长越好。因此，研制效率高、寿命长的金刚石钻头对地质勘探工作具有重要意义[1-2]。

现有的强化孕镶金刚石钻头方法包括在胎体中引入CVD金刚石条、在钻头设计中引入仿生耦合理论和使用钎焊法制备钻头等[3-5]。而随着纳米技术的迅速发展，纳米材料表现出的量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应等激发了研究人员的兴趣[6]。利用纳米颗粒弥散强化金属或合金材料成为重要研究方向：纳米颗粒可均匀弥散在金属或合金基体中作为第二相颗粒，限制材料变形过程中位错运动及晶界滑移，从而提高材料的性能[7]。

纳米Al2O3、纳米WC、纳米TiB2及纳米金刚石等弥散强化的铜基复合材料综合性能优异，既具有优良的导电性，又具有高的强度和优越的高温性能[8]。其中，纳米WC硬度高、弹性模量大、比表面积大、热稳定性及化学稳定性好，被广泛用于制备硬质合金和耐磨涂层[9]。将纳米WC引入到复合材料中可以起到良好的弥散强化作用，如ZAITSEV等[10-11]将纳米WC颗粒添加到Cu-Co-Fe-WC和Cu-Co-Fe-Sn基金刚石复合材料中，可以提高硬度、抗弯强度和耐磨性；弥散强化后的金刚石锯片的使用寿命更长。

孕镶金刚石钻头胎体传统配方中含有一定比例的微米级WC，引入纳米WC颗粒并未添加新的元素，其能与胎体中其他颗粒牢固结合且不发生有害反应，同时纳米WC能在一定程度上减缓烧结过程中金刚石表面的石墨化程度[12]，所以纳米WC是弥散强化孕镶金刚石钻头的理想材料。

我们将纳米WC引入到孕镶金刚石钻头的传统胎体配方中，研制了一种强化型孕镶金刚石钻头。

1 钻头设计及制备

1.1 钻头胎体设计

钻头胎体配方决定钻头胎体的性能。胎体配方设计主要包括胎体中各组分含量、纳米WC的添加量以及金刚石颗粒尺寸和浓度。

根据试验岩石的研磨性和可钻性分析，本研究所设计钻头在传统胎体配方(如表1)基础上进行改进。在金刚石浓度为80%时，分别在表1所示配方中添加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%(质量分数，下同)的纳米WC颗粒，其物理参数如表2所示。

表1 传统胎体配方各组分粒度及含量

表2 纳米WC物理参数

经称料、混料，热压烧结制备胎体条形试样，具体烧结参数如下：均匀升温，升温时间2 min，烧结温度980 ℃，压力15～18 MPa，保温、保压时间5 min。测定胎体试样的抗弯强度和磨耗比。结果显示：当纳米WC的添加量为2.5%时，试样整体性能最优；相对于对照试样其抗弯强度提高2%，磨耗比提高49%。

根据对胎体试样的性能测定结果，确定本次试验强化型金刚石钻头的胎体配方为97.5%(质量分数)传统胎体配方材料+2.5%(质量分数)纳米WC，对照金刚石钻头胎体全部采用传统胎体配方材料。使用晶型完整、强度高的人造金刚石单晶，颗粒尺寸0.355～0.400 mm，浓度为80%。

1.2 钻头结构设计

设计的强化型金刚石钻头外径为59.5 mm，内径为41.5 mm。胎体工作层高度5 mm，非工作层4 mm。采用矩形水口，水口宽度5 mm，水口数量6个。

1.3 钻头的制备工艺

设计的强化型金刚石钻头由中频感应热压法制备，其制备工艺流程与传统孕镶金刚石钻头相似，如图1所示。

图1 钻头制备工艺流程图

钻头的烧结工艺参数为：烧结温度980 ℃，热压压力约15 MPa，保温时间10 min。制备出的成品钻头如图2所示。

图2 钻头实物图

2 钻头的钻进试验及结果分析

2.1 钻进试验

对制备的纳米WC强化型金刚石钻头进行室内回转钻进试验。试验所用主要设备为XY-1岩心钻机(如图3所示)及PMB-50泡沫泥浆泵。钻机上装有多个传感器，可将所收集的数据实时输入电脑并记录，包括：转速、钻压、泵量、机械钻速以及行程。钻进试验所用岩样为X级硬度的中粗粒花岗岩，具有强研磨性，可钻性等级VII级。

试验前，用旧钻头进行开孔，形成深约5 mm的环形槽。然后安装试验钻头进行钻进试验，并采集试验数据。钻进参数为：钻压7 kN，转速500 r/min，冲洗液量35～40 L/min，其中冲洗液为清水。钻取出的部分岩心如图4所示。

图3 XY-1 钻机

图4 钻取出的部分岩心

2.2 试验结果与分析

钻进试验数据如表3所示，钻头底唇面磨损情况如图5所示。由表3及图5可知：

(1)相对于传统金刚石钻头，强化型金刚石钻头的机械钻速提高了24.93%。说明引入2.5%(质量分数)的纳米WC起到了良好的弥散强化效果，改善了钻头钻进过程中的物理力学性能，进而提高了机械钻速。

(2)相对于传统金刚石钻头，强化型金刚石钻头的单位进尺工作层消耗降低22.42%，预估使用寿命提高28.91%。引入纳米WC有效地提高了钻头寿命、降低了钻进成本。

(3)以传统钻头为对照，观察钻头底唇面磨损后的情况，发现：强化型钻头磨损量小、环槽浅；传统钻头工作层边角掉块，强化型钻头未出现此现象。这说明纳米WC的引入取得了较好的实际使用效果。

(4)强化型金刚石钻头在钻进过程中更加平稳，可能与纳米WC的引入改善了钻头钻进过程中的物理力学性能有关。

表3 钻进试验数据表

(a)传统钻头(b)强化型钻头(c)传统钻头(d)强化型钻头(e)传统钻头(f)强化型钻头图5 钻头底唇面磨损对比

3 结论

将2.5%(质量分数)纳米WC添加到孕镶金刚石钻头胎体传统配方中，研制了一种强化型金刚石钻头，并以其进行室内钻进试验。以传统金刚石钻头为对照，得出如下结论：

(1)将纳米WC引入到孕镶金刚石钻头胎体中，可起到良好的弥散强化作用，提高钻头性能。室内钻进试验表明：提高效果明显，此强化型钻头可应用于实际生产中。

(2)弥散强化金刚石钻头的效果最好时，纳米WC的添加量为2.5%(质量分数)。在此条件下，制备的强化型金刚石钻头较传统金刚石钻头，其机械钻速提高了24.93%，使用寿命提高了28.91%，同时钻进过程更平稳。

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