Широке застосування інструментів з полікристалічного алмазного композиту (PDC) у бурінні нафтових свердловин, геологічній розвідці та обробці з високою-зносостійкістю-походить від об’єднаних переваг високої твердості, високої зносостійкості та хорошої ударостійкості завдяки їхній унікальній композитній структурі. Однак реалізація цієї переваги залежить, перш за все, від наукового вибору матеріалів. Склад матеріалу, характеристики фази склеювання та мікроструктура поверхневого шару та матриці інструменту безпосередньо визначають його продуктивність та термін служби за різних умов роботи. Таким чином, точна відповідність матеріалу на основі вимог застосування є необхідною умовою для розкриття потенціалу інструментів PDC.
Основна структура інструменту PDC складається з шару поверхневого полікристалічного алмазу (PCD) і нижньої матриці з цементованого карбіду. Властивості матеріалу та синергічний ефект цих двох шарів визначають загальну ефективність. Поверхневий шар PCD виконує основні завдання різання та-руйнування породи, а основою вибору матеріалу для нього є якість і розподіл частинок алмазного порошку за розміром. Високо{4}}монокристалічний алмазний порошок-забезпечує утворення міцної мережі ковалентного зв’язку між зернами, завдяки чому досягається твердість і зносостійкість, близька до твердості природного алмазу. Розподіл зерен за розміром повинен збалансувати макроскопічну міцність і мікроскопічну гостроту різання; дрібно{7}}алмазні шари забезпечують кращу зносостійкість і підходять для обробки високоабразивних утворень або матеріалів, тоді як грубо{8}}алмазні шари мають переваги в ударостійкості та підходять для умов, що містять тверді частки або періодичні удари.
Матеріал фази склеювання є ключовим фактором, що впливає на термічну стабільність і довговічність шару PCD. Звичайні інструменти PCD часто використовують перехідні метали, такі як кобальт і нікель, як каталізатори та сполучні речовини. Ці метали каталізують перетворення алмазу в графіт при високих температурах, що обмежує робочу температуру та термін служби інструменту. Для умов високої-температури, високої-швидкості або сильного термічного удару слід віддавати перевагу низько{5}}каталітичній-активності або не-металевим зв’язуючим фазам (таким як силіциди, бориди та карбіди). Ці матеріали можуть ефективно пригнічувати графітизацію, підвищуючи температуру термічного розкладання вище 700 градусів, зберігаючи при цьому достатню міцність зв’язку між межами зерен, що дозволяє інструменту підтримувати ефективність різання навіть у екстремальних умовах.
Вибір матеріалу для базової матриці з цементованого сплаву надає перевагу міцності та надійності затиску. Зазвичай використовувані вольфрам-кобальтові сплави (такі як WC-Co) забезпечують чудову ударну міцність, в’язкість і оброблюваність, забезпечуючи міцну механічну опору для шару PCD, поглинаючи та розсіюючи ударні навантаження, що виникають під час різання, і запобігаючи руйнуванню алмазного шару через надмірну крихкість. Вміст кобальту в матриці можна регулювати, щоб досягти балансу між твердістю та в’язкістю: високий вміст кобальту підвищує в’язкість, але трохи зменшує твердість, що підходить для -удароздатності; низький вміст кобальту забезпечує більш високу твердість, придатну для стійкості до зношування при стабільних навантаженнях. Крім того, однорідність щільності та щільність спікання матриці також впливають на загальну міцність і повинні бути забезпечені шляхом суворого контролю виробничого процесу.
Вибір матеріалу вимагає цілеспрямованої оптимізації для різних сценаріїв застосування. Наприклад, при бурінні нафтових і газових свердловин у високоабразивних пісковикових і вапнякових пластах перевагу надають дрібно{1}}шару алмазу з низьким-фазою каталітичного зв’язування (PCD) у поєднанні з цементованою карбідною матрицею із середнім вмістом кобальту, щоб збалансувати зносостійкість і ударостійкість. Під час геологорозвідувальних операцій по відбору керна, коли зустрічається гравій або проміжний шар, розмір алмазного зерна можна відповідно збільшити, а міцність матриці покращити, щоб зменшити ризик поломки зубів. У системах точної обробки, таких як алюмінієві сплави з високим вмістом-кремнію, крім зносостійкості необхідно враховувати низький коефіцієнт тертя та хімічну інертність матеріалу, щоб зменшити адгезію інструменту та пошкодження поверхні.
Підсумовуючи, вибір матеріалу для інструментів PDC є систематичним завданням, яке об’єднує якість алмазного порошку, характеристики зв’язуючої фази та продуктивність твердосплавної матриці. Лише шляхом наукового підбору матеріалу та структурних параметрів кожного шару відповідно до твердості, абразивності, ударостійкості та температурних умов конкретних робочих умов можна забезпечити відмінну стабільність і довговічність інструменту, одночасно досягаючи ефективного різання та руйнування породи, забезпечуючи таким чином надійну технічну підтримку для складних робочих середовищ.
