碳纳米管强韧化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料的研究

发布时间：2020-10-21 14:37

　　 强韧化孕镶金刚石钻头铁基胎体材料对地质钻头的寿命和钻探效率的提升有着重要的作用。本文采用在铁基胎体中掺入碳纳米管的强化方法,通过热压烧结制备碳纳米管-铁基复合胎体材料。首先研究比较了手动搅拌、机械球磨和活性剂方法对碳纳米管的分散作用。继而重点研究了不同碳纳米管浓度对胎体的密度、硬度、抗弯强度、孔隙率和磨耗比等性能的影响规律。进而在优化的碳纳米管浓度基础上,考察评价了该碳纳米管-铁基胎体金刚石微钻头的钻进效果。为拓展该碳纳米管-铁基复合胎体材料的应用潜力,进一步研究了其激光表面重熔的可行性乃至激光高能束辐照对碳纳米管和铁基复合材料的影响。碳纳米管-铁基复合胎体材料的研究表明,活性剂分散方法可有效地分散碳纳米管,从而显著降低掺入的碳纳米管浓度,但同时明显提升该复合材料的性能。在碳纳米管浓度为0.01-0.15 wt.%的范围内,其硬度和抗弯强度随碳纳米管浓度的增加而先升高后下降;其中含量为0.05wt.%碳纳米管对铁基胎体的强韧化效果最佳。相比于无碳纳米管掺入的铁基胎体材料,其洛氏硬度提升10%,抗弯强度提高220%。碳纳米管的有效弥散和与胎体组织的良好结合,是其发挥桥联、拔出和裂纹偏转效应所致增韧作用之重要因素。而较高的碳纳米管含量会导致材料晶界聚集过多的碳纳米管而影响组织的结合,这是抗弯强度下降的主要原因。0.05%碳纳米管-铁基复合胎体相比于原始铁基胎体,无金刚石复合胎体的磨耗比提升31%,而含金刚石复合胎体的磨耗比提升110%。研究亦表明,在本试验条件下,碳纳米管对铁基胎体材料密度、孔隙率和晶粒度的影响不明显。铁基胎体材料的高硬度主要与(γFe,Ni)和(αFe,Cr)组织中弥散分布的细小的Fe_2B金属间化合物颗粒有关。微钻试验表明,含0.05 wt.%碳纳米管的孕镶金刚石钻头,相对于无碳纳米管强化的钻头,胎体内外工作层磨损量较少。进一步展示出碳纳米管对钻头胎体的强韧化作用。激光表面重熔研究表明,0.05%碳纳米管-铁基胎体材料的激光重熔区为枝晶(γFe,Ni)相和枝晶间(αFe,Cr)相组成的密实的重熔层和部分熔化区的显微组织;800 W激光功率产生了较厚的重熔层和部分熔化区、粗大的树枝状结构和较硬的重熔微结构,使碳纳米管和基体的连接由机械掺杂转变为碳纳米管被枝晶间组分包裹的冶金结合;重熔过程中激光辐照和热退火作用使得碳纳米管的外壁粗化和崩解;相对于枝晶,较硬的枝晶间结构归因于其中分散的碳纳米管和合金成分;在部分熔化区粗颗粒硬度低,细颗粒硬度上升主要是粒状晶的尺寸效应;800 W重熔层的硬度可与母材基体相当,这是由于碳纳米管强化、合金成分和致密重熔组织中的枝晶尺寸大小所产生的综合效应。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;P634.31
【部分图文】：

第 1 章 绪 论常被称为“超级纤维”。将碳纳米管强度、弹性、韧性和抗疲劳性[43]。属基复合材料的理想增强体[44]，近化机理料的强化作用主要有三种方式：拔遇到碳纳米管后，由于碳纳米管抗出。在拔出的过程中，碳纳米管与碍裂纹继续扩展（如图 1.1）。

纳米管从基体中拔出。在拔出的过程中，碳纳米管与基体之间产生切裂纹扩展能量，阻碍裂纹继续扩展（如图 1.1）。图 1.1 碳纳米管的拔出作用裂纹桥联碳纳米管存在于裂纹扩展路径中，把裂纹连接起来，并在裂纹的表面施力,阻止裂纹继续扩展。金属基质中的碳纳米管裂纹桥联作用，是由塑变形带的形成而引起的（如图 1.2）。

（a） （b）图 1.3 碳纳米管的裂纹偏转作用: （a）裂纹沿碳纳米管轴向扩展；（b）裂纹碳纳米管径向扩展。1.2.3 碳纳米管强化金属基复合材料碳纳米管在材料中起着载体的作用，与其结合，可以增强复合材料的机械能，得到性能优异的复合材料。所以碳纳米管是增强金属基复合材料的一个很的选择[43，48]。最初碳纳米管用来增强高分子聚合物的长度。后来，碳纳米管用强化陶瓷基复合材料的韧性、硬度和强度。近些年来，碳纳米管强化金属材料的应用也在逐步增加。在航空航天，汽和体育产业，碳纳米管增强金属基复合材料具有潜在的应用。如铝基复合材碳纳米管增强铝基复合材料可以提高其弹性模量、强度性能、显微硬度和摩擦损性能[49-52]。镁基复合材料：与原来的相比，添加少量的碳纳米管可以大大提镁基复合材料的拉伸和压缩性[53-56]。并且 WC 作为应用于钻头胎体的材料，碳
【参考文献】

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本文编号：2850250