[发明专利]一种基于3D打印的热沉取心金刚石钻头及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的热沉取心金刚石钻头及其制备方法，属于增材制造技术、粉末冶金及金刚石工具领域。本发明中的热沉取心金刚石钻头包括依次连接的胎体工作层、热沉材料层和钻头钢体三大基本结构，其中热沉材料层为钨铜梯度材料，其先由3D打印制备钨骨架，然后通过渗铜法制得钨铜梯度材料，该材料有三个梯度，钨铜质量分布分别为W75Cu25,W50Cu50,W25Cu75。本发明采用3D打印技术成形钨铜梯度材料，并将其通过热压烧结工艺结合在取心金刚石钻头的胎体工作层与钻头钢体之间，为及时吸收钻头胎体工作层热量、有效预防井内发生烧钻事故提供了技术新方法和新思路。

技术领域

本发明属于增材制造技术、粉末冶金以及金刚石工具领域，尤其涉及一种基于3D打印的热沉取心金刚石钻头及其制备方法。

背景技术

在煤田地质施工过程中，往往需要通过钻探从地下取出岩心样品。目前，煤田地质施工普遍采用金刚石钻头钻进，在金刚石钻进过程中，金刚石钻头在孔底高速旋转，与岩石磨擦会产生大量的热能，如果没有冲洗液进行及时冷却或孔底热量聚集无法散开，金刚石就会碳化，出现烧钻事故。烧钻后，轻则钻头不能继续使用，重则使钻头、钻具和岩石烧成一体，发生严重的井内事故，使得生产经营无法正常进行，造成重大的经济损失。在钻探施工过程中，如何防止出现烧钻事故，处理好发生的烧钻事故，始终是钻探工作者面临的重要课题。

在孔底这种特殊的工作条件下，一旦冲洗液冷却不良，热量逐渐聚集，普通结构、材料组成的金刚石钻头将因无法承受较高的热负荷而发生烧钻事故。钨铜功能梯度材料是近年来兴起的一种新型钨铜复合材料，其一端是高熔点、高硬度、低热膨胀系数的金属钨或低含铜的钨铜；另一端是高导热、高导电、塑性好的金属铜或是高含铜的钨铜；中间是组成呈梯度变化的过渡层，这种新型非均质复合材料将钨、铜的不同性能溶于一体，能够很好的解决因熔点相差较大而存在的连接问题，很好的缓和了钨、铜之间的热应力，有利于钨、铜充分发挥各自的本征特征，承受高能热流的冲击，获得较好的力学、抗烧蚀性、抗热震性等综合性能。钨铜功能梯度材料的这些优点拓展了其应用领域，鉴于此，将综合性能较高的钨铜功能梯度材料应用于金刚石钻头中有望减少烧钻事故的发生。

虽然钨铜功能梯度材料应用范围广，但其制备工艺情况不太乐观，传统的烧结、有机溶蚀以及水煮溶解造孔难以精确控制W骨架的孔隙分布，难以获得严格意义上的梯度材料，从而导致成形的复合材料难以满足设计要求，应用于金刚石钻头中工作时容易产生功能缺陷。3D打印技术的出现为解决上述问题提供了难得的机会。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，通过这种技术，具有复杂几何结构的零件易于准确成形。在成形的过程中，系统的工作过程是将三维模型切片离散及扫描路径规划，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息，然后计算机逐层调入切片轮廓信息，通过扫描振镜，控制高能激光束有选择地熔化金属粉末，逐层堆积成与模型相同的实体。可见，3D打印技术由于其在电脑的精确控制下，以及对于成形材料以及复杂结构的包容性，可以严格准确地制备出钨铜功能梯度材料，这也为制备适应于井底复杂工况的金刚石钻头提供了材料设计以及结构设计的技术新方法。

发明内容

有鉴于此，本发明结合3D打印技术以及热压烧结技术制得了一种适应于井底复杂工况的热沉取心金刚石钻头。

本发明提供了一种热沉取心金刚石钻头，该热沉取心金刚石钻头包括从一端依次连接到另一端的胎体工作层、热沉材料层和钻头钢体，胎体工作层与岩石接触，用于钻进岩层；热沉材料层连接于胎体工作层和钻头钢体之间，用于吸收和传导胎体工作层产生的热量；所述胎体工作层由胎体材料和金刚石颗粒组成；所述热沉材料层为钨铜复合材料，其一端为纯钨，另一端为纯铜，两端之间由多孔钨骨架渗铜形成的梯度材料过渡。

进一步地，所述胎体工作层中胎体材料配方和金刚石颗粒的浓度为：

按重量百分含量，胎体材料配方包括：WC 25％、Ni 10％、Co 20％、Cu-Sn10 40％；金刚石颗粒的浓度为100％；