硬岩钻探用金刚石复合片的仿生结构设计及强韧化机理

When drilling in hard and abrasive rock formation, the rate of penetration of traditional polycrystalline diamond compact (PDC) drill bit is low and the bit life is short. In this study, in order to improve the strength, crack resistance and reliability of PDC, the biomimetic design idea will be introduced into the structural design of PDC and a new type of PDC with fibrous monolith structure will be designed. Silicon carbide or magnesium carbonate will be used as binder phase of PDC to increase its heat resistance. Finite element analysis method will be adopted to study the effects of material component, proportion and geometry size of fiber and boundary, which composed of the polycrystalline diamond layer of PDC, on the mechanical properties of PDC. Experimental optimum design method will be used to choose the appropriate high-pressure high-temperature sintering parameters. The strengthening mechanism of biomimetic fibrous monolith structured PDC will be investigated by mechanical properties testing, microstructure characterization and morphology analysis. The results and achievement of this study will be beneficial to manufacture high performance PDC used for drilling in hard and abrasive rock formation.

针对目前国内外聚晶金刚石复合片钻头在硬岩钻探中存在钻速慢、寿命短的问题，在金刚石复合片结构设计中，引入仿生复合材料设计的思想，将复合片的金刚石层设计为仿生纤维独石结构，来提高复合片的强度、抗破坏能力及使用可靠性；采用SiC或MgCO3作为聚晶金刚石的粘结剂，以提高复合片的热稳定性；利用有限元数值分析方法，研究仿生纤维独石结构金刚石层中纤维胞体及界面层的材料组成、配比及几何尺寸对复合片力学性能的影响规律；采用试验优化设计方法，优选仿生结构金刚石复合片的高温高压烧结工艺参数；对仿生结构金刚石复合片进行力学性能测试及微观结构、形貌表征，研究其强韧化机理。项目的研究成果对于解决目前聚晶金刚石复合片性能相对较低的问题具有重要意义，可以为硬岩钻探用高性能金刚石复合片的设计、制备提供科学依据。

项目主要针对国内外聚晶金刚石复合片钻头在硬岩钻探中存在钻速慢、寿命短的问题，在金刚石复合片结构设计中，引入仿生复合材料设计的思想，将复合片的金刚石层设计为仿生纤维独石结构，来提高复合片的强度、抗破坏能力及使用可靠性。项目主要研究内容包括：.1）聚晶金刚石复合片金刚石层的仿生纤维独石结构设计，研究仿生纤维独石结构金刚石层中纤维胞体及界面层的材料组成、配比及几何尺寸对复合片力学性能的影响规律；.2）仿生结构复合片金刚石层材料的制备工艺及复合片的高温高压烧结工艺研究和仿生纤维独石结构聚晶金刚石复合片的强韧化机理研究；.3）仿生结构金刚石复合片的物理力学性能测试及破岩性能研究完成不同制备工艺下金刚石复合片的制备，并对其进行物理力学性质的测试和破岩能力研究；.4）研究仿生纤维独石结构聚晶金刚石复合片的强韧化机理研究；.项目研究结果表明，纤维独石结构金刚石复合片纤维胞体由体积比94%金刚石与体积比6%钴组成，界面层由体积比94%碳化钨和体积比6%钴组成，独石结构边界角为60°~80°，界面层面积占比为0.3~0.5时，材料中残余应力最小，裂纹偏转能力最强，对应材料耐磨性和耐热性最好，同时项目还确定了相应的最优排胶工艺，以及最优的聚晶金刚石复合片外加剂种类（Co-Si-B和Ni-Ti-B 添加剂），耐氧化温度最高提高了160℃，这证明了仿生结构在金刚石复合片中应用的合理性和有效性,并扩宽了仿生结构的应用领域。.此外，项目还开展纳米材料增强金刚石材料研究，金刚石处理工艺研究，高压相变研究，以寻求进一步提高仿生结构金刚石复合片耐热性和耐磨性的方法和理论依据，项目研究成果对于扩宽金刚石复合片的应用领域具有重要的意义。