一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料及其制備方法，該陶瓷噴嘴材料以α-Al2O3陶瓷為基體，同時(shí)添加Cr3C2和NiCr作為補(bǔ)強(qiáng)增韌相，經(jīng)機(jī)械合金化、微波預(yù)燒和熱壓燒結(jié)而成，由以下組分按體積百分比組成：Cr3C2-NiCr為5-30%，α-Al2O3為70-95%，所述Cr3C2-NiCr為Cr3C2粉與NiCr合金粉的混合粉料，在所述混合粉料中，NiCr合金粉的質(zhì)量百分比為15-25%，在所述NiCr合金粉中，Ni的質(zhì)量百分比為33-50%。本發(fā)明將機(jī)械合金化和微波預(yù)燒結(jié)合起來，制得的噴嘴材料性能優(yōu)良，適用性好，且原料便宜易得，儲(chǔ)量廣泛，制備工藝原理可靠，操作簡(jiǎn)便，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
【專利說明】一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷材料領(lǐng)域中一種金屬陶瓷噴嘴材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在石油鉆井和地質(zhì)鉆探的工藝過程中，為了獲取地下資源，必須大量地沖擊、剪切破碎巖石，鉆穿地層。鉆頭是目前破碎巖石、形成井眼的主要工具。由于地層中巖石性質(zhì)不同以及鉆井目的和要求不同，在鉆井過程中會(huì)用到不同類型的鉆頭工具。其中，三牙輪鉆頭是使用最廣泛的一種鉆頭，能夠適應(yīng)軟、中、硬等各類復(fù)雜地層。牙輪鉆頭的牙輪內(nèi)側(cè)都裝有噴嘴部件，這些噴嘴的內(nèi)孔是鉆井液必經(jīng)之處，鉆井液通過噴嘴的內(nèi)孔，循環(huán)鉆井液，冷卻及潤(rùn)滑鉆頭、鉆具，攜帶巖屑，并起著壓大井底巖石縫隙，輔助破巖的作用。
[0003]由于鉆井液是一種多相不穩(wěn)定體系，包括懸浮體、膠體和真溶液以及各種處理劑，噴嘴在長(zhǎng)期接觸鉆井液及泥漿的過程中，要經(jīng)受沖蝕磨損、磨粒磨損、銹蝕、高溫、熱沖擊及機(jī)械損傷等破壞，導(dǎo)致該部件更換頻繁，這給全自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)帶來麻煩，容易形成不可預(yù)見性的設(shè)備故障，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此噴嘴的性能，特別是噴嘴的耐磨性和使用壽命直接影響鉆頭的工作質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
[0004]除了牙輪鉆頭，其他類型的各種鉆頭(如金剛石鉆頭等)也都配有噴嘴部件。另外，在進(jìn)行放噴、排液、測(cè)試等試油工序時(shí)，為了能準(zhǔn)確知道當(dāng)時(shí)的開井度，并為油氣井下一步的開發(fā)生產(chǎn)提供可靠的資料數(shù)據(jù)，還會(huì)使用各種放噴噴嘴。此外，在其他諸如化工、汽車、冶金和表面處理等領(lǐng)域，噴嘴的應(yīng)用也十分廣泛。
[0005]目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的噴嘴材料主要有三類，分別是金屬材料、硬質(zhì)合金和陶瓷材料。金屬材料具有較好的韌性、抗疲勞性能、易加工和便于連接等特點(diǎn)，是早期噴嘴常用的材料，但由于其硬度較低且耐高溫性能差，用作噴嘴磨損嚴(yán)重，使用壽命短。硬質(zhì)合金是由難熔金屬硬質(zhì)化合物(WC、TiC、TaC等)和金屬粘結(jié)相(Co等)經(jīng)粉末冶金方法制成，具有高硬度、高模量以及耐磨、耐腐蝕等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常把硬質(zhì)合金作為內(nèi)襯鑲嵌粘結(jié)在噴嘴磨損嚴(yán)重的部位，然而，由于鉆井效率的日益提高以及鉆井工況的復(fù)雜性，硬質(zhì)合金的耐磨性能和熱穩(wěn)定性仍難于滿足需要。同時(shí)，制作硬質(zhì)合金的原料如W、Co等稀有金屬，多為價(jià)格昂貴的戰(zhàn)略性資源，不僅成本較高，而且儲(chǔ)量有限，這些勢(shì)必會(huì)制約其在石油鉆探領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
[0006]同金屬材料、硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、耐磨性和熱穩(wěn)定性，理論上作為噴嘴用基礎(chǔ)材料，使用壽命應(yīng)當(dāng)更長(zhǎng)。如Al2O3陶瓷，除具備基本的陶瓷特點(diǎn)外，還具有成本低廉、儲(chǔ)量廣泛等價(jià)格優(yōu)勢(shì)。但是傳統(tǒng)的、單相的Al2O3陶瓷材料又具有高的脆性和低的彎曲強(qiáng)度等先天缺陷，在高能量頻繁沖擊的使用工況條件下，很容易出現(xiàn)因大塊結(jié)構(gòu)剝落并導(dǎo)致噴嘴短期失效的問題，同樣阻礙了其在油田的大規(guī)模使用。
[0007]為了改善Al2O3陶瓷的韌性，人們采取多種方法，以B、C纖維等長(zhǎng)纖維增韌的Al2O3基復(fù)合材料固然有較優(yōu)越的性能，但因纖維在基體中均勻分布很困難，纖維束浸潰不透而使燒結(jié)性能下降等因素，使得制備工藝復(fù)雜，工藝技術(shù)難度大，質(zhì)量不易控制，大大地提高了制造成本。而加入短纖維、晶須來增韌Al2O3材料的問題主要在于短纖維和晶須容易團(tuán)聚、分散困難，反而造成燒結(jié)體材料致密度下降，性能惡化。另外，晶須對(duì)人體有害。相比而言，通過引入一種或多種第二相粒子作為補(bǔ)強(qiáng)增韌劑，制備多相粒子協(xié)同強(qiáng)韌化的Al2O3基金屬陶瓷復(fù)合材料，其原料混合均勻化及燒結(jié)致密化程度都比短纖維及晶須復(fù)合材料更高，工藝過程簡(jiǎn)便易行且經(jīng)濟(jì)安全。因此，盡管摻入顆粒的強(qiáng)韌化效果不如晶須和纖維，但如第二相顆粒種類、粒徑、含量選擇得當(dāng)，仍會(huì)帶來較好的韌化、強(qiáng)化效果，同時(shí)會(huì)帶來高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能的改善。
[0008]針對(duì)油田噴嘴材料的使用工況，通過比較幾種補(bǔ)強(qiáng)增韌相的彈性模量、熱膨脹系數(shù)等力學(xué)和物性參數(shù)，選取以Cr3C2為增強(qiáng)相，Ni和Cr為金屬延性相制備出Al2O3基金屬陶瓷體系。其中Cr3C2硬質(zhì)相可以對(duì)裂紋起釘扎作用，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、繞道，耗散裂紋的前進(jìn)動(dòng)力。另外，Cr3C2抗氧化能力很強(qiáng)，在高溫條件下依然保持相當(dāng)高的硬度，同時(shí)具有很強(qiáng)的耐蝕性。N1、Cr作為金屬延性相，具有良好的塑性變形能力，其中Cr是提高塑性的最有效元素之一，而Ni則具有較強(qiáng)的耐酸、鹽腐蝕性能，且與Al2O3的潤(rùn)濕性較好，能夠抑制晶粒的長(zhǎng)大，可以提高Al2O3的燒結(jié)活性，降低燒結(jié)溫度。近年來，相關(guān)的研究集中在把Cr3C2和Ni，Cr作為噴涂材料進(jìn)行金屬及合金表面改性方面，取得了一定的進(jìn)展，而把Cr3C2和Ni，Cr協(xié)同作為Al2O3陶瓷的補(bǔ)強(qiáng)增韌體，制備噴嘴材料還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料及其制備方法，該噴嘴材料選用a -Al2O3陶瓷粉料，以Cr3C2和NiCr為補(bǔ)強(qiáng)增韌相，通過機(jī)械合金化、微波預(yù)燒、混料、造粒和熱壓燒結(jié)工藝，制得的噴嘴材料性能優(yōu)良，適用性好，且原料便宜易得，儲(chǔ)量廣泛，制備工藝原理可靠，操作簡(jiǎn)便，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0011]一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材`料，以a -Al2O3陶瓷為基體，同時(shí)添加Cr3C2和NiCr作為補(bǔ)強(qiáng)增韌相，經(jīng)機(jī)械合金化、微波預(yù)燒和熱壓燒結(jié)而成。
[0012]該金屬陶瓷噴嘴材料由以下組分按體積百分比組成=Cr3C2-NiCr為5_30%，a -Al2O3為70-95%，所述Cr3C2-NiCr為Cr3C2粉與NiCr合金粉的混合粉料，在所述混合粉料中，NiCr合金粉的質(zhì)量百分比為15-25%，在所述NiCr合金粉中，Ni的質(zhì)量百分比為33-50%。
[0013]一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料的制備方法，依次包括以下步驟:
[0014](I)將N1、Cr金屬粉放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械合金化，其中Ni所占質(zhì)量百分比為33-50%，采用高純氧化鋁磨球，球磨介質(zhì)為無水乙醇，球料比5:1，球磨時(shí)間15-20小時(shí)，完后取出漿料放入真空干燥箱中烘干；
[0015](2)將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐進(jìn)行混料2_4小時(shí)，其中NiCr所占質(zhì)量百分比為15-25%，取出填充在剛玉坩堝中，然后將填充好的坩堝表面封蓋再放入真空微波加熱爐中進(jìn)行加熱保溫，控制加熱溫度在900°C -1000°C，加熱和保溫過程的整個(gè)時(shí)間控制在10-30分鐘，真空度為1.3X 10_2Pa，獲得Cr3C2粉與NiCr的預(yù)燒合金粉；
[0016](3)以Al2O3粉為基體材料，取上述Cr3C2與NiCr的混合粉料為增韌補(bǔ)強(qiáng)添加相，按照Al20370-95%，Cr3C2-NiCr5-30%的體積百分比稱取粉料，混合后以無水乙醇為介質(zhì)球磨2小時(shí)，放置在真空干燥箱烘干，得到混合粉體；
[0017](4)將上述混合粉體進(jìn)行造粒，過100目篩，得到均勻混合粉體，造粒劑為5質(zhì)量％的丁腈橡膠，加入量為混合粉體的1-3質(zhì)量％ ；
[0018](5)采用真空熱壓燒結(jié)方法，按照階梯升溫方式，將上步制得的均勻混合粉體先在500-600°C保溫I小時(shí)，然后在1380-1420°C保溫40-60分鐘，燒結(jié)壓力28_35MPa，然后冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
[0019]該金屬陶瓷噴嘴材料純度大于99%，平均粒度為0.5 μ m-1.5 μ m。
[0020]所述氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料選用a -Al2O3陶瓷粉料，以Cr3C2和NiCr為補(bǔ)強(qiáng)增韌相，通過機(jī)械合金化、微波預(yù)燒、混料、造粒和熱壓燒結(jié)工藝制得。a -Al2O3陶瓷熱學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱率低且成本低廉、儲(chǔ)量廣泛。Cr3C2硬度高，耐高溫，耐腐蝕且熱穩(wěn)定性好，NiCr合金具有良好的塑性，且Ni與a -Al2O3的浸潤(rùn)性好，選用該體系可獲得性能優(yōu)良的Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料，適用于對(duì)耐磨性、硬度要求較高的噴嘴、軸承等零件。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將機(jī)械合金化和微波預(yù)燒結(jié)合起來，把Cr3C2和N1、Cr制成均勻粉料，再與Al2O3陶瓷粉球磨混料，較好解決了多相顆粒在Al2O3陶瓷基體中的分散性差、易團(tuán)聚的問題，而且增強(qiáng)顆粒與Al2O3陶瓷粉的浸潤(rùn)性好，可以形成適宜的界面結(jié)合強(qiáng)度，降低陶瓷的燒結(jié)溫度，另外，Al2O3作為基體，其成本低，來源十分廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是Cr3C2與NiCr混料微波預(yù)燒后的EDS元素分析圖【具體實(shí)施方式】
[0023]下面根據(jù)附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明使用的試劑及藥品均為市售。
[0025]實(shí)施例1
[0026]氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料的制備:
[0027]取N1、Cr粉適量放入行星球磨罐中進(jìn)行機(jī)械合金化，其中Ni的質(zhì)量百分比為35%，采用高純氧化招磨球，球磨介質(zhì)為無水乙醇，球料比5:1,轉(zhuǎn)速400r/min,球磨時(shí)間20小時(shí)，然后取出漿料放入真空干燥箱中在60°C干燥24小時(shí)；將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐混料時(shí)間4小時(shí)，其中NiCr所占質(zhì)量百分比為25% ;取出填充在剛玉坩堝中，然后將填充好的坩堝表面封蓋再放入真空微波加熱爐中進(jìn)行加熱保溫，控制加熱溫度1000°C，加熱和保溫的整個(gè)時(shí)間為30分鐘,真空度為1.3 X IO^2Pa,圖1為上述預(yù)燒合金粉的EDS元素分析,可以看出合金粉主要有Cr、Ni及C元素組成；然后將上述混合粉料同Al2O3粉按照Al20390%，Cr3C2-NiCrlO%的體積百分比球磨2小時(shí)混料，然后放置在真空干燥箱干燥；再將所得到的混合粉料進(jìn)行造粒，造粒劑為5%的丁腈橡膠，加入量為混合粉料的1%，過100目篩，制得均勻混合粉體；采用真空熱壓燒結(jié)方法，按照階梯升溫方式，先在600°C保溫I小時(shí)，然后在1400°C保溫50分鐘，燒結(jié)壓力30MPa，然后隨爐冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
[0028]測(cè)試金屬陶瓷的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度為605MPa，斷裂韌性為5.35MPam1/2，摩擦系數(shù)為0.30 (同硬度為HRC62的GCrl5鋼球?qū)δ?，轉(zhuǎn)速300r/min，加載載荷500g)
[0029]實(shí)施例2[0030]氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料的制備:[0031]取N1、Cr粉適量放入行星球磨罐中進(jìn)行機(jī)械合金化，其中Ni的質(zhì)量百分比為45%，采用高純氧化招磨球，球磨介質(zhì)為無水乙醇，球料比5:1,轉(zhuǎn)速400r/min,球磨時(shí)間20小時(shí)，然后取出漿料放入真空干燥箱中在60°C干燥24小時(shí)；將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐混料時(shí)間4小時(shí)，其中NiCr所占質(zhì)量百分比為20% ;取出填充在剛玉坩堝中，然后將填充好的坩堝表面封蓋再放入真空微波加熱爐中進(jìn)行加熱保溫，控制加熱溫度1000°C，加熱和保溫的整個(gè)時(shí)間為30分鐘，真空度為1.3X 10? ;再將以上述混合粉料同Al2O3粉按照Al20380%，Cr3C2-NiCr20%的體積百分比球磨2小時(shí)混料，然后放置在真空干燥箱干燥；將混合粉料進(jìn)行造粒，造粒劑為5%的丁腈橡膠，加入量為混合粉料的2%，過100目篩，制得均勻混合粉體；采用真空熱壓燒結(jié)方法，按照階梯升溫方式，先在600°C保溫I小時(shí)，然后在1400°C保溫50分鐘，燒結(jié)壓力30MPa，然后隨爐冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
[0032]測(cè)試金屬陶瓷的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度為590MPa，斷裂韌性為5.5IMPam172,摩擦系數(shù)為0.25 (同硬度為HRC62的GCrl5鋼球?qū)δ?，轉(zhuǎn)速300r/min，加載載荷500g)
[0033]實(shí)施例3
[0034]氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料的制備:
[0035]取N1、Cr粉適量放入行星球磨罐中進(jìn)行機(jī)械合金化，其中Ni的質(zhì)量百分比為50%，采用高純氧化招磨球，球磨介質(zhì)為無水乙醇，球料比5:1,轉(zhuǎn)速400r/min,球磨時(shí)間20小時(shí)，然后取出漿料放入真空干燥箱中在60°C干燥24小時(shí)；將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐混料時(shí)間4小時(shí)，其中NiCr所占質(zhì)量百分比為15%;取出填充在剛玉坩堝中，然后將填充好的坩堝表面封蓋再放入真空微波加熱爐中進(jìn)行加熱保溫，控制加熱溫度1000°C，加熱和保溫的整個(gè)時(shí)間為30分鐘，真空度為1.3X 10? ;再將以上述混合粉料同Al2O3粉按照Al20370%，Cr3C2-NiCr30%的體積百分比球磨2小時(shí)混料，完后放置在真空干燥箱干燥；將混合粉料進(jìn)行造粒，造粒劑為5%的丁腈橡膠，加入量為混合粉料的1%，過100目篩，制得均勻混合粉體；采用真空熱壓燒結(jié)方法，按照階梯升溫方式，先在600°C保溫I小時(shí)，然后在1400°C保溫60分鐘，燒結(jié)壓力30MPa，然后冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
[0036]測(cè)試金屬陶瓷的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度為560MPa，斷裂韌性為6.15MPam1/2，摩擦系數(shù)為0.22 (同硬度為HRC62的GCrl5鋼球?qū)δィD(zhuǎn)速300r/min，加載載荷500g)
[0037]本實(shí)施例在以發(fā)明方案前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述的實(shí)施例。本領(lǐng)域人員通過借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改變?cè)稀⒐に噮?shù)及操作步驟等實(shí)現(xiàn)本
【發(fā)明內(nèi)容】
，都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料，其特征在于，該金屬陶瓷噴嘴材料由以下組分按體積百分比組成:Cr3C2-NiCr 為 5_30%，a -Al2O3 為 70-95%，所述 Cr3C2-NiCr 為 Cr3C2 粉與NiCr合金粉的混合粉料，在所述混合粉料中，NiCr合金粉的質(zhì)量百分比為15_25%，在所述NiCr合金粉中，Ni的質(zhì)量百分比為33-50%。
2.如權(quán)利要求1所述的一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料的制備方法，依次包括以下步驟: (1)將N1、Cr金屬粉放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械合金化，其中Ni所占質(zhì)量百分比為33-50%，采用高純氧化鋁磨球，球磨介質(zhì)為無水乙醇，球料比5:1，球磨時(shí)間15-20小時(shí)，完后取出漿料放入真空干燥箱中烘干； (2)將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐進(jìn)行混料2_4小時(shí)，其中NiCr所占質(zhì)量百分比為15-25%，取出填充在剛玉坩堝中，然后將坩堝表面封蓋再放入真空微波加熱爐中進(jìn)行加熱保溫，控制加熱溫度在900°C -1OOO0C，加熱和保溫過程的整個(gè)時(shí)間控制在10-30分鐘，真空度為1.3X 10_2Pa，獲得Cr3C2粉與NiCr的預(yù)燒合金粉； (3)以Al2O3粉為基體材料，取上述Cr3C2 與NiCr的混合粉料為增韌補(bǔ)強(qiáng)添加相，按照Al20370-95%，Cr3C2-NiCr5-30%的體積百分比稱取粉料，混合后以無水乙醇為介質(zhì)球磨2小時(shí)，放置在真空干燥箱烘干，得到混合粉體； (4)將上述混合粉體進(jìn)行造粒，過100目篩，得到均勻混合粉體，造粒劑為5質(zhì)量％的丁腈橡膠,加入量為混合粉體的1-3質(zhì)量％ ； (5)采用真空熱壓燒結(jié)方法，按照階梯升溫方式，將上步制得的均勻混合粉體先在500-600°C保溫I小時(shí)，然后在1380-1420°C保溫40-60分鐘，燒結(jié)壓力28_35MPa，然后冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK103484744SQ201310385977
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】張進(jìn), 薛屺, 董朋朋, 高加明, 楊萬桃, 陳軍君 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)