[发明专利]一种PDC钻头胎体材料制备方法

说明书

本发明公开了一种PDC钻头胎体材料制备方法，其特征采用将面心立方和体心立方相共晶结构的高熵合金加入到铸造碳化钨、单晶碳化钨粉末中，经过混合后加入琼脂糖溶胶形成料浆，然后注入模具后经过干燥而成型，最后加入铜基浸渍合金在真空炉中进行熔渗而形成含有均匀分布的面心立方和体心立方相共晶结构高熵合金的PDC钻头胎体材料。本发明克服了现有PDC钻头胎体材料制备方法存在的碳化钨与金属添加物难以均匀分散等问题，其硬度≥30HRC，抗弯强度≥600MPa，冲击韧性≥4J，综合力学性能优异。

技术领域

本发明涉及一种胎体材料制备方法，特别涉及一种PDC钻头胎体材料制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

在石油开采中，PDC（金刚石复合片）钻头的使用越来越普遍。PDC钻头是由PDC切削齿和胎体材料构成的，PDC切削齿包镶于胎体之中，胎体的硬度、耐磨性、强度、韧性等综合性能对于PDC钻头的使用性能非常重要。学术界和工业界对胎体材料及其制备方法的研究非常重视。CN201911079586.4公开了一种钻头胎体材料及其制备方法，其成分包括45.0～65.0％的碳化钨硬质颗粒和35.0～55.0％的含铜多主元高熵合金。该钻头胎体材料的制备方法是通过将碳化钨硬质颗粒经装模、振实后在高温下熔渗含铜多主元高熵合金后得到上述钻头胎体材料，该钻头胎体材料的耐磨性、强度和冲击韧性均可得到大幅度提升，从而可显著提高胎体钻头的使用寿命，使之特别适用于中硬地层的钻进。也有向胎体材料骨架粉末铸造碳化钨中加入粘结金属镍粉，当镍含量在2%时，性能呈最佳状态，抗弯强度达到960MPa，冲击韧性达到3.62J/cm²（韦志忠等.镍含量对熔渗胎体材料性能的影响.防护工程.2019年第2期）。但是，现有的胎体材料制备方法存在两个问题：一是采用振实的方式难以使添加的金属粉末在碳化物硬质相周围均匀分散；二是将用于浸渍合金的铜合金高熵化虽然可以提高胎体材料的性能，但是高熵铜合金在熔渗过程中的高温下熔化后，其中的低熔点金属容易流失，而且高熵合金会发生结构弛豫，难以保持高熵合金的相结构，则难以发挥出高熵合金的性能优势。因此，高性能胎体材料制备方法仍需要进行持续研发。

发明内容

针对目前胎体材料制备方法存在的问题，本发明提出采用将面心立方和体心立方相共晶结构的高熵合金加入到铸造碳化钨、单晶碳化钨粉末中，经过混合后加入琼脂糖溶胶形成料浆，然后注入模具后经过干燥而成型，最后加入铜基浸渍合金在真空炉中进行熔渗而形成含有均匀分布的面心立方和体心立方相共晶结构高熵合金的PDC钻头胎体材料，具有优异的综合力学性能。

本发明的PDC钻头胎体材料制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：

（1）含高熵合金的骨架材料粉末配制：将铸造碳化钨、单晶碳化钨粉末与AlCoCrFeNiCu高熵合金粉末配制成骨架材料粉末，AlCoCrFeNiCu为面心立方和体心立方相共晶结构，其在混合粉末中的占比为2~6wt.%，单晶碳化钨占20~60wt.%,其余为铸造碳化钨；骨架粉末放入行星球磨机中进行2~4h干式混合，制备出含高熵合金的骨架材料粉末；

（2）琼脂糖溶胶制备：将琼脂糖加入到去离子水中，配制成1~5wt.%的溶液，并放入恒温水浴锅中在80~90℃保温2~3h，保温过程中进行搅拌，形成琼脂糖溶胶，保温结束后将琼脂糖溶胶温度保持在50~60℃；

（3）骨架材料料浆制备：将琼脂糖溶胶加入到含高熵合金的骨架材料粉末中，骨架材料粉末占30~40wt.%，在50~60℃保温30~40min，保温过程中进行搅拌，保温结束后形成骨架材料料浆；

（4）骨架材料坯体成型：将骨架材料料浆倒入石墨模具中，并在真空干燥箱中100~110℃干燥1~2h，形成骨架材料坯体，坯体中铸造碳化钨、单晶碳化钨和高熵合金分布均匀；