[发明专利]制作陶瓷或金属间化合物零件的方法

说明书

背景技术

增材制造(例如，3D打印)可以提供优于传统制造工艺的某些优点。对制造油气工业中所使用的钻头而言，例如，增材制造的最显著的优点之一是设计的灵活性以及产生对于任何其他方式而言不可行的形式和特征的能力。增材制造的类似优点适用于其他工业。增材制造系统，诸如直接金属激光烧结或电子束熔化当前可用于制作或“打印”金属部件。然而，经由增材制造来打印陶瓷材料提出了重大挑战。

一般而言，陶瓷材料使用水或粘合剂诸如聚合物或金属来粘结在一起。然后使用常规陶瓷处理步骤来烧制粘结结构，以将粘结结构转化成陶瓷。在增材制造中，由于陶瓷颗粒的高熔化温度，很难使陶瓷颗粒粘结或熔化来形成增材制造结构。此外，陶瓷颗粒是脆性的，并且因此在每个连续层熔化或烧结并冷却来形成所需结构或零件时对增材制造普遍具有的热应力是敏感的。

附图说明

下图被包括来说明本公开的某些方面，并且不应视为是排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题在形式和功能上能够具有相当多的修改、变更、组合以及等效物。

图1是制作零件的示例性方法的示意性流程图。

图2是可以根据本公开的原理至少部分地制作的示例性钻头的透视图。

图3是图2的钻头的截面图。

图4是用于在形成图2的钻头中使用的示例性模具组件的截面侧视图。

图5是图2的钻头在包括硬复合材料部分和一个或多个局部陶瓷或金属间化合物工件时的截面侧视图。

图6是图2的钻头在包括硬复合材料部分和陶瓷或金属间化合物工件时的截面侧视图。

图7是图2的钻头在包括硬复合材料部分和多个陶瓷或金属间化合物工件时的截面图。

图8是示出适合与本公开的钻头结合使用的钻井组件的一个实例的示意图。

具体实施方式

本公开涉及零件制造，并且更具体地说涉及使用增材制造来制作陶瓷或金属间化合物零件。

本文描述的实施方案提供允许使用增材制造技术来制作陶瓷或金属间材料的工艺或方法。目前公开的方法可以用于例如经由增材制造工艺来打印三维多孔金属工件。随后使多孔金属工件经受基于扩散的工艺，以将多孔金属工件的至少一部分转化成陶瓷工件或金属间化合物工件。通常陶瓷中所包括的粘合剂不需要燃尽，因为所得的陶瓷或金属间结构最初作为金属结构或工件产生，在此之后合适的基于扩散的工艺将金属工件在原位转化成陶瓷或金属间化合物。在一个特定实施方案中，可以通过以下方式来制造零件：打印钨结构并使其渗碳，从而产生碳化钨结构，诸如钻头或钻头部件，所述碳化钨结构随后可以被渗透来形成碳化钨金属基复合材料。将了解，除了颗粒生产方法、泡沫生产方法和所得到的填充粉末结构所共有的形状和结构之外，许多不同的形状和结构也是可能的。

本公开的原理可以应用于油气工业中普遍使用来勘探和开采烃的制造工具或零件。这类工具和零件包括但不限于：油田钻头或切削工具(例如，固定角钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双中心钻头、孕镶钻头、扩孔器、稳定器、开孔器、切削件)、不可回收的钻井部件、与井筒的套管钻探相关联的铝质钻头主体、钻柱稳定器、用于牙轮钻头的牙轮、用于制作牙轮钻头的支撑臂的锻模所使用的模具、用于固定扩孔器的臂、用于可扩张扩孔器的臂、与可扩张扩孔器相关联的内部部件、附接至旋转钻头的井上端的套筒、旋转导向工具、随钻测井工具、随钻测量工具、侧壁取芯工具、打捞矛、套铣工具、用于井下钻井马达的转子、定子和/或壳体、用于井下涡轮机的叶片和壳体以及具有与形成井筒相关联的复杂配置和/或不对称几何形状的其他井下工具。

然而，将了解，本公开的原理可以同样应用于可能受益于陶瓷或金属间化合物零件的制作的任何其他工业或领域中所使用的制造工具或零件。例如，本文描述的方法可以应用于制作铠装板、汽车部件(例如，套筒、汽缸衬套、驱动轴、排气门、制动器转子)、自行车框架、制动片、航空航天部件(例如，起落架部件、结构管、支柱、轴、链节、导管、波导、导向叶片、转子叶片套筒、腹鳍、致动器、排气结构、壳体、框架、燃料喷嘴)、涡轮泵部件、筛网、过滤器以及多孔催化剂，而不脱离本公开的范围。本领域技术人员将容易地了解，前述列表并不是全面的列举，而仅仅是示例性的。因此，前述零件和/或部件的列举不应限于本公开的范围。