[发明专利]一种钻头胎体粉末、钻头胎体材料及其制备方法与应用、钻头胎体

说明书

本发明公开了一种钻头胎体粉末、钻头胎体材料及其制备方法与应用、钻头胎体，属于增材制造技术领域。该钻头胎体粉末包括铜合金粉末以及具有核壳结构的球形的镍/镍铜包覆铸造碳化钨复合粉末，能够实现硬质相在基体中均匀分布，并提高硬质相与粘接相的结合力，形成良好的界面层，其硬度高于传统方法制备的材料。该钻头胎体材料主要上述钻头胎体粉末经选区激光熔化成形而得，能够使制得的钻头胎体材料致密度和硬度均较高，组织均匀，无孔洞、微裂纹等缺陷，特别适用于中硬地层的钻进，同时解决了传统方法制备手段繁琐、周期长、生产高、无法成行复杂结构等问题。将其用于制备钻头胎体，可大幅提高钻头胎体的综合力学性能。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种钻头胎体粉末、钻头胎体材料及其制备方法与应用、钻头胎体。

背景技术

在油气钻井中，胎体钻头的使用日益广泛。常用的聚晶金刚石复合片(PDC)钻头包括PDC切削齿和胎体，PDC切削齿焊接在胎体表面。钻头胎体的作用是包镶金刚石或固定PDC并与钻头钢体牢固连接，它是保证钻头质量的关键，对钻头整体钻进效率、使用寿命、钻进周期及成本至关重要。胎体的脱落、断刀翼、磨心、龟裂等问题将严重影响钻进速度，增加钻井成本，造成极大的经济损失。因此，研究出高性能的胎体材料十分重要，对制造高品质的胎体钻头具有极其重要的意义。

目前，PDC钻头胎体主要采用无压浸渍和热压烧结法制造。无压浸渍工艺是在石墨模具中放入铸造碳化钨粉末与镍粉混合而成的骨架粉末，在骨架粉末上根据粉末孔隙按比例放置一定数量的粘结金属进行浸渍，粘接金属熔化渗透进骨架粉末的孔隙间形成钻头胎体，使骨架粉末、钻头钢体和粘接金属结为一体，其存在胎体粉末混合均匀性差、粘接金属含量不可控等问题。另一种方法是热压烧结，然而受到模具、粉末流动性等制约，难以满足钻头胎体对复杂形状成型的要求。此外，上述两种方法制造周期长、成本高，并且焊接处成为钻头的薄弱环节，难以实现降能环保和降低钻井成本的需求。

增材制造不仅能够有效成形各种材料的高性能零部件，而且能够成形复杂结构的精密零部件。为了获得高性能的金刚石钻头，应充分发挥增材制造自身优势，成形各种复杂结构的金刚石钻头胎体，使得设计合理且复杂结构的金刚石钻头得以实现。

目前采用3D打印制备的钻头胎体性能还远不能满足实际复杂工作环境的要求。采用增材制造的钻头胎体材料仍然存在孔隙率较高、热应力导致的裂纹等问题。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一包括提供一种钻头胎体粉末，其能实现硬质相在基体中均匀分布，并提高硬质相与粘接相的结合力，形成良好的界面层，硬度高于传统方法制备的材料。

本发明的目的之二包括提供一种钻头胎体材料，其由上述钻头胎体粉末制备而得，具有上述钻头胎体粉末的特点。

本发明的目的之三包括提供一种上述钻头胎体材料的制备方法，该方法简单，易操作，能够使制得的钻头胎体材料致密度和硬度均较高，组织均匀，无孔洞、微裂纹等缺陷，特别适用于中硬地层的钻进，同时解决了传统方法制备手段繁琐、周期长、生产高、无法成行复杂结构等问题。

本发明的目的之四包括提供一种上述钻头胎体材料的应用，例如可用于制备钻头胎体。

本发明的目的之五包括提供一种钻头胎体，其具有较佳的综合力学性能。

本申请是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种钻头胎体粉末，其包括铜合金粉末以及具有壳核结构的球形的镍包覆铸造碳化钨复合粉末或具有核壳结构的球形的镍铜包覆铸造碳化钨复合粉末。

在可选的实施方式中，按质量百分数计，钻头胎体粉末含有30-85％的镍包覆铸造碳化钨复合粉末或镍铜包覆铸造碳化钨复合粉末以及15-70％的铜合金粉末。