V priemyselných oblastiach, ako je ťažba ropy a zemného plynu a geologický prieskum, sa polykryštalický diamantový výlisok (PDC) stal kľúčovým materiálom, ktorý podporuje extrémne pracovné podmienky vďaka svojej mimoriadne{0}}vysokej tvrdosti, odolnosti voči opotrebovaniu a nárazu. Globálne ropné a plynové polia majú ročný dopyt po PDC presahujúci 4,5 miliardy amerických dolárov a viac ako 90 % celkového záberu pri ťažbe ropy a zemného plynu je dokončených bitmi PDC. Problémy s hlbokými a zložitými vrstvami - vysokej-tvrdosti abrazívnych hornín, silné rázové zaťaženie a vysoké teploty - však posúvajú PDC do „úzkeho miesta“: nízka rýchlosť mechanického vŕtania (ROP) vrtáka, krátka životnosť, ľahká delaminácia a odlamovanie diamantovej vrstvy a dokonca zlyhanie tepelného opotrebovania a vŕtanie vážne ovplyvňujú jeho životnosť.
V reakcii na tento priemyselný bod bolesti bola preskúmaná technológia kryogénneho spracovania na použitie pri zvyšovaní výkonu PDC. Kryogénne spracovanie, ktoré zahŕňa vystavenie materiálov prostrediu pod -130 stupňov pre „ultranízkoteplotnú modifikáciu“, už predtým preukázalo významné účinky na oceľ, hliníkové zliatiny a nástroje z tvrdej zliatiny: precipitáciou spevňujúcich fáz a optimalizáciou zvyškového napätia výrazne zlepšila pevnosť a odolnosť materiálov voči opotrebovaniu. Takže pre PDC, kompozitný materiál „tvrdá zliatina + diamant“, môže kryogénna úprava prelomiť jeho výkonnostnú prekážku?
Nedávno sa objavila inovatívna metóda hĺbkovej kryogénnej úpravy kompozitných dosiek PDC. Táto metóda zahŕňa presné riadenie rýchlosti zmeny teploty, postupné ochladzovanie kompozitných dosiek PDC na -196 stupňov a ich udržiavanie pri tejto teplote počas 24 hodín, potom ich pomaly ohrievať späť na izbovú teplotu. Tento proces sa opakuje dvakrát, aby sa dokončilo hlboké kryogénne ošetrenie. Experimentálne údaje ukazujú, že po hlbokom kryogénnom spracovaní sa mikrotvrdosť PDC zvýši o 10,4 % (nárast o 5,3 GPa), odolnosť proti opotrebeniu (meraná pomerom opotrebenia) sa zlepší o 11,8 % a rázová húževnatosť sa zvýši o 79,4 % (z približne 234 J na 420 J). Tieto údaje priamo demonštrujú významné zlepšenie výkonu PDC spôsobené hlbokou kryogénnou úpravou.
Obr. 1. Schematický diagram vzorky PDC.
Obr. 2. Schematický diagram systému kryogénnej úpravy CDW-196.
Obr. 3. Proces kryogénnej úpravy.
Obr. 4. Schematický diagram testu VTL.
Obr. 5. Schematický diagram testu rázovej húževnatosti PDC.
Obr. 6. Schematický diagram pozícií Ramanovho testu na vrstve PCD.
Obr. 7. Obrázky vrtákov PDC (vľavo) a skúšobnej stolice vŕtania (vpravo).
Obr. 8. Mikrotvrdosť neupraveného a kryogénne upraveného PDC.
Obr. 9. Pomer opotrebenia neošetreného a kryogénne upraveného PDC.
Obr. 10. Po 30 prechodoch (a) neošetreného PDC a (b) kryogénne ošetreného PDC noste naplocho.
Obr. 11. Výsledky testu rázovej húževnatosti neupraveného a kryogénne upraveného PDC.
Obr. 12. Porovnanie priemernej ROP každej spiatočnej cesty.
Okrem toho sa pomocou testovacej metódy JB-T3235-1999 na pomer opotrebovania syntetických diamantových spekaných teliesok vykonal porovnávací test na PDC kompozitných listoch, ktoré prešli hlbokou kryogénnou úpravou, a na plechoch, ktoré nie. Výsledky ukázali, že pomer opotrebenia kompozitných plátov PDC po hlbokom kryogénnom ošetrení sa znížil o 42 %, čo naznačuje výrazné zlepšenie ich odolnosti proti opotrebeniu. Pri testoch vŕtania v teréne sa rýchlosť mechanického vŕtania vrtákov PDC s hlbokou kryogénnou úpravou zvýšila o 27,8 % a novosť pri výstupe z vrtu sa zvýšila o 35 %, čím sa ďalej overila účinnosť technológie hĺbkovej kryogénnej úpravy pri zlepšovaní výkonu vrtákov PDC.
Ako teda kryogénna liečba dosahuje tento výkonnostný skok? Skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM), energeticky disperzná spektroskopia (EDS) a röntgenová difrakcia (XRD) odhaľujú zmeny v jej mikroštruktúre: kryogénna úprava spúšťa precipitáciu väčšieho množstva η-Co (zosilňovacia fáza kobaltu) a WC (karbid volfrámu) fáz a hranice zŕn, ktoré chránia zrno, sa stávajú hustejším, hustejším materiálom sa stáva hustejšia zvyšuje jeho odolnosť proti opotrebovaniu a tepelnú stabilitu. Medzitým analýza Ramanovej spektroskopie ukazuje, že vnútorné tlakové napätie PDC sa po kryogénnej úprave výrazne zvyšuje, ťahové napätie klesá alebo sa dokonca „obráti na tlakové napätie“ a objavuje sa veľký počet „medzikryštalických trhlín“. Táto redistribúcia napätia a transformácia režimu lomu sú presne hlavnými mechanizmami skoku v nárazovej húževnatosti.
Hĺbková kryogénna úprava tekutým dusíkom nielenže výrazne zvyšuje tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu a rázovú húževnatosť PDC kompozitných dosiek, ale tiež optimalizuje ich mikroštruktúru, výrazne zlepšuje ich mechanické vlastnosti a výkon pri vŕtaní, čím prináša revolučné zmeny do oblasti ťažby ropy a zemného plynu. Dosiahla efektívnu transformáciu z laboratórneho výskumu na inžinierske aplikácie. Táto technológia vnáša novú vitalitu do tradičných materiálov a stala sa jedným z dôležitých spôsobov, ako prekonať prekážku efektívnosti hĺbkového vŕtania.
