[发明专利]石油钻探用金刚石－碳化硅复合钻齿及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石油钻探用钻齿领域，特别涉及一种抗高温、耐磨损，抗撞击的高强度纳米结构金刚石-碳化硅复合钻齿及其制备方法。

背景技术

多晶金刚石复合片由于具有极高的硬度、耐磨性与抗冲击性等良好的机械性能，目前已成为制造石油钻探用钻齿的主要材料。

传统的多晶金刚石复合片是由金刚石颗粒与金属触媒(如铁、钴、镍)在高温高压条件下烧结而成的。在烧结成型的金刚石复合片中，金刚石颗粒与颗粒间形成直接结合，作为烧结助剂的金属触媒则留存于金刚石颗粒的缝隙间。这种结构的金刚石复合片存在一个明显的问题：由于金刚石与金属触媒具有不同的热膨胀系数，从而造成多晶金刚石复合片的热稳定性降低。350℃时金刚石与金属触媒间热膨胀的不同会引起金刚石颗粒间直接结合健的断裂，并最终导致金刚石复合片出现裂缝和剥落。另一个问题是，随着温度的升高，由于金属触媒的存在，会引起与触媒接触的金刚石向其他结晶相(如石墨相)的转变，从而降低金刚石复合片的力学性能和热稳定性。

获得具有较好热稳定性的多晶金刚石复合片的一种方法是，先在高温高压下合成含有金属触媒的金刚石复合片，然后再将金属触媒移除。这样虽然提高了金刚石复合片的热稳定性，但由于多晶金刚石层不含烧结助剂，其脆性也会相应的增加，同时出现另一个新的问题，即移除金属触媒之后的金刚石复合片难以粘结在碳化钨之类的硬质合金基底上。

另一种获得较好热稳定多晶金刚石复合片的方法是改变粘结剂，比如用硅来替代钴作为粘结剂。澳大利亚研究者Ringwood等在1989年使用碳化硅作为粘结剂在较低压力下生产出热稳定多晶金刚石。在烧结过程中，硅同金刚石表面碳原子反应生成碳化硅，由碳化硅充当粘结剂，这便不会引起金刚石的石墨化。另外，由于碳化硅同金刚石具有相似的结构和相近的热膨胀系数，因此降低了金刚石颗粒与粘结材料之间的热膨胀差异。所得的金刚石-碳化硅复合片表现出更高的硬度和耐磨性并能在1200℃时保存稳定。但是，此种热稳定性好的多晶金刚石复合片在350℃以上的耐磨性的提高是以极大的降低其断裂韧度为代价的。因为金刚石和碳化硅较脆的本质，使得碳化硅金刚石复合片的断裂韧度都小于6～8MPa·m^1/2。

美国专利US6939506 B2、US7060641 B2、US2006/0217258 A1相继介绍高温高压制备维克硬度至少为35GPa、努普硬度至少为30GPa的纳米结构的金刚石-碳化硅复物方法，但所述方法制备的金刚石-碳化硅复物，其断裂韧度为8～12MPa·m^1/2，也只是刚达到传统的多晶金刚石复合片的断裂韧度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石油钻探用金刚石-碳化硅复合钻齿及其制备方法，此种复合钻齿不仅齿冠易于与基底粘结，具有极高的硬度、耐磨性，良好的热稳定性，而且断裂韧度大幅度提高。

本发明是对现有金刚石一碳化硅复合钻齿及其制备方法的一种改进，改进之处是在制作齿冠的材料中增加纳米碳管纤维。纳米碳管纤维的外层同无定形非晶硅反应形成纳米碳化硅管，并在材料内部形成具有柔韧性的纳米碳管骨架，由于纳米碳化硅管和纳米碳管骨架在金刚石-碳化硅复合片中扮演着牵拉强化的作用，正如钢筋骨架在混凝土中的加强作用一样，因此，本发明所述复合钻齿可在保持高硬度、高耐磨性，高热稳定性的前提下大幅度地提高材料的断裂韧度。同时，由于无定形非晶硅和金刚石表面碳原子之间的反应消除了金刚石的表面缺陷，而且纳米结构的碳化硅和金刚石不仅能极大的消除了金刚石-碳化硅复合物中的微观裂纹，还能抑制这些微观裂纹的进一步长大，有助于材料断裂韧度的大幅度提高。因此金刚石同无定形非晶硅在高温高压下的反应及生成的纳米结构的碳化硅也是获得本发明中金刚石-碳化硅复合钻齿的重要因素。

本发明所述石油钻探用金刚石-碳化硅复合钻齿，由基底和与基底烧结成一体的齿冠组成，基底的材料为硬质合金，齿冠的材料为纳米结构的金刚石-碳化硅复合物。所述纳米结构的金刚石-碳化硅复合物的微观结构是微米级的金刚石颗粒间形成直接结合，微米级金刚石颗粒的缝隙间充填有纳米级的碳化硅粘结剂和纳米级的金刚石颗粒(由于所述纳米碳管纤维外层同无定形非晶硅反应形成纳米碳化硅管，因此在显微组织中与纳米级碳化硅粘结剂混为一体，无法分辨)。

原料中金刚石粉由纳米级晶粒的金刚石粉和微米级晶粒的金刚石粉组成时，微米级晶粒的金刚石粉的重量百分数为60％～90％，纳米级晶粒的金刚石粉的重量百分数为10％～40％。

本发明所述石油钻探用金刚石-碳化硅复合钻齿的制备方法，其工艺步骤如下：