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新型梯度结构金刚石—硬质合金复合球齿的研究

刘宝昌  
【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。


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