钛合金深海勘探钻具纳米晶/孪晶强化技术研究

Developing titanium drilling tools applied to deep-sea exploration is one of gordian techniques to realize the national strategy "Three Depths and One Soil" and "South sea exploration" national projects. During deep-sea exploration, tidal waves, ocean current and seawater immersion astrict the operating efficiency, service life and stability of drilling tools. Accordingly, it is urgent and significant to find a surface strengthening technology for enhancing the performances of titanium drilling tools applied to deep-sea exploration. In this proposal, selective laser surface strengthening via twin structure and ultrasonic surface strengthening via nano-crystal structure are adopted to enhance the mechanical and anti-corrosion performanaces of titanium drilling tools. Evaluation scheme of the performances of drilling tools in laboratory under simulated deep-sea exploration working conditions will be proposed. Effects of surface strengthening process parameters on the structure and performance of drilling tools are planned to be systematically investigated. The relationships among treatment process, microstructure, performances and failure mechanism of drilling tools will be detailedly revealed. Finally, the optimized surface strengthening process parameters will be obtained. The results of proposed research project can provide technical support and theoretical guidance for the optimization design titanium deep-sea exploration drilling tools.

开发钛合金深海钻具是实现“三深一土”国家战略和“南海钻探”等国家重大工程的关键技术之一。在深海勘探过程中，风浪、潮汐、洋流冲击和海水浸泡等问题严重影响钻探的施工效率和钻具的使用寿命及稳定性。因此，开发适用于深海勘探的钛合金钻具表面强化技术意义重大。本课题拟采用选择性激光表面孪晶强化与超声表面纳米晶强化复合技术提升钛合金钻具的力学性能和耐腐蚀性能，提出实验室模拟深海钻探工况条件下钻具力学性能和耐腐蚀性能的评价方案，深入研究纳米晶/孪晶复合表面强化工艺参数对钻具组织结构和性能的影响，揭示钛合金深海钻具“处理工艺-组织结构-机械性能和耐腐蚀性能-失效机制”之间的内在关系，最终优化纳米晶/孪晶复合强化工艺参数，揭示钛合金钻具纳米晶/孪晶强化机理和钛合金深海钻具的防护机制。项目成果可为钛合金深海钻具的优化设计及其加工技术提供理论指导和技术支撑。

钛合金深海钻具先进制造技术是保障国家“三深一土” 国家战略顺利实施的关键技术之一。在风浪、潮汐、洋流冲击和海水浸泡等特殊工况下，钻具易发生磨损、疲劳与腐蚀失效，进而严重影响深海钻探的钻进效率与极限。.本项目创新实验室模拟深海钻探工况条件下钻具力学性能和耐腐蚀性能的评价方案。提出选择性激光热处理技术（LHT）和超声表面纳米晶强化技术（USRP）复合表面强化技术，优化纳米晶/孪晶复合强化工艺参数。揭示钛合金深海钻具“处理工艺-组织结构-机械性能和耐腐蚀性能-失效机制”之间的内在关系，探究海洋钻具非晶防腐、耐磨和纳米晶/孪晶增强结构功能一体化涂层的防腐耐磨机理。.在钛合金钻具表面制备厚度约200 μm的非晶/纳米晶/孪晶增强、减摩抗磨、耐腐蚀结构功能一体化涂层，使钻具疲劳强度提升10%，抗拉强度提升12%，海洋钻具的腐蚀电位提升至-0.532 V（提高1倍），腐蚀电流密度由17.6降低至4.72 μA/cm²，在海水（PH=8.0~8.5）中的耐腐蚀寿命提升2倍。.项目相关研究成果发表SCI收录论文7篇，申请国家发明专利6项（已授权1项），实用新型4项（均已授权），获高等学校科学研究优秀成果技术发明二等奖（R3）、国土资源科技技术奖（R2）和中国机械工业科学技术奖（R2）等科技奖励，研究成果应用于成功应用于钻杆、丝扣和轴承等海洋钻具关键部件，取得了较好的经济和社会效益，为钛合金深海钻具的优化设计及其加工技术研究奠定实验和理论基础。此外，基于本项目资助，项目主持人参与制修订团体标准2项，晋升高级职称，完成博士后出站，培养在读博士生研究生1人，毕业硕士生7人。