游 娜，樊春明，段樹軍，王德貴，左永強，惠坤亮

(1.國家油氣鉆井裝備工程技術中心，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；3.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500)

增材制造(additive manufacturing，AM)技術是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎，采用材料堆積的方式制造實體零件的技術。與傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)制造工藝不同，增材制造是一種“自下而上”材料累加的制造工藝[1-2]。當前，許多發(fā)達國家非常重視增材制造技術的發(fā)展及應用。在我國國家戰(zhàn)略《中國制造2025》中，亦圍繞制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)講到了增材制造技術。

增材制造技術通過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應用于航空航天、汽車、醫(yī)療等行業(yè)。通過對其他行業(yè)增材制造技術應用及研究成果的借鑒與行業(yè)特點的結合，一些國際知名石油公司、油服公司也對增材制造技術在石油天然氣行業(yè)的應用進行了積極的探索[3-6]。增材制造技術在石油井下工具的模具制造、關鍵零部件的再制造、金屬零件直接成型等方面的應用也取得了一定進展。

1 PDC鉆頭模具制造

1.1 結構特點

胎體PDC鉆頭的模具制造是增材制造技術在石油井下工具產(chǎn)品制造過程中模具方面的典型應用。PDC鉆頭的破巖機理不同于三牙輪鉆頭，結構設計無需軸承，具有使用壽命長、破巖效率高、生產(chǎn)制造周期短等特點，而且可針對不同地層對PDC鉆頭進行個性化設計。由于PDC鉆頭的結構較為復雜，燒結成型是胎體PDC鉆頭的主要生產(chǎn)方法。在進行胎體PDC鉆頭燒結時，首先將制作好的模具裝入石墨殼體中，然后裝入碳化鎢顆?；蚍勰?，一起裝入真空電阻爐中進行燒結，模具的成型準確度是實現(xiàn)PDC鉆頭設計的關鍵。寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械公司)作為我國主要鉆頭生產(chǎn)廠家，在胎體PDC鉆頭模具制作過程中探索應用了不同的增材制造技術。

1.2 SLA及SLS增材制造技術

SLA (Stereo lithography apparatus)是立體光固化成型技術，屬于最早出現(xiàn)的快速原型增材制造工藝，已在PDC鉆頭模具制造中應用多年。SLA技術在PDC鉆頭模具制造過程中的應用解決了復雜結構PDC鉆頭生產(chǎn)制造的難題，提高了胎體PDC鉆頭的制造精度及生產(chǎn)效率。SLA是利用計算機控制激光固化液態(tài)光敏樹脂，從而得到樹脂模具，成型精度可以達到±0.1 mm，成型表面光滑，能夠滿足PDC鉆頭生產(chǎn)制造對原始模具的精度要求。使用SLA技術制作鉆頭模具的流程通常是先通過SLA技術制作樹脂母模，然后使用成型的母模翻制出PDC鉆頭橡膠軟模，再使用橡膠軟模翻制出PDC鉆頭燒結模具主體，將石墨替代塊鑲嵌在模具內(nèi)后使用此模具進行胎體PDC鉆頭的燒結。圖1為使用SLA技術制作的PDC鉆頭模型。

圖1 SLA技術成型的PDC鉆頭模型

SLS(Selective laser sintering)選擇性激光燒結技術，常用于粉末狀材料成型，主要是利用粉末材料在激光照射下高溫燒結的基本原理，通過計算機控制光源定位裝置實現(xiàn)精確定位，然后逐層燒結堆積成形[7]。SLS不僅支持樹脂粉末，還可用于金屬粉末、陶瓷粉末等材料的成型。在制作PDC鉆頭模具時，選擇樹脂砂燒結成型，砂型燒結完成后，用軟毛刷清除未燒結的浮砂顆粒，然后加熱進行二次固化，即可得到用于胎體PDC鉆頭燒結的砂型，如圖2所示。

在PDC鉆頭模具制造時，使用SLA技術制作的模具還需要進行2次翻制才能得到用于燒結的PDC鉆頭模型，且SLA技術中使用的光敏樹脂有輕微毒性，對環(huán)境有污染。使用SLS技術以樹脂砂為材料燒結成型的模具，可以直接裝入石墨殼體中用于PDC鉆頭的燒結，如圖3所示。使用SLS技術有效地提高了生產(chǎn)效率，同時減少了模型翻制過程中人為不確定因素對模型質(zhì)量的影響，從而更好地保證燒制的PDC鉆頭本體與設計的一致性。

圖2 SLS技術成型得到的砂型

圖3 SLS技術成型的砂型直接用于PDC鉆頭燒結

1.3 其他增材制造技術

此外，梅筱琴[8]、賀子延[9]等人還對FDM工藝在PDC鉆頭基礎模具制作過程中的應用進行了研究。FDM(Fused deposition molding)熔融沉積制造技術，一般使用材料為ABS線材，絲狀的材料通過噴頭加熱熔化，熔融狀態(tài)下的液狀材料從噴嘴擠出并快速凝固，通過逐層堆積形成最終成品。FDM技術無需層層鋪粉，設備成本及使用成本均相對較低，但是也存在成型表面較粗糙的缺點，在進行某些結構成型時需要加支撐。

2 關鍵零部件再制造

2.1 再制造的基本概念

再制造工程是廢舊產(chǎn)品的高技術修復、改造的產(chǎn)業(yè)化，其重要特征是再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能不低于新品，成本只有新品的50%，節(jié)能60%，節(jié)材70%[10]，激光熔覆技術是一種金屬及其復合材料的增材制造技術，是再制造工程的重要支撐技術。

激光熔覆技術利用激光束為熱源將合金粉末熔化，在基體合金表面形成一種冶金結合表面涂層，是一種復雜的物理、化學冶金過程[11]。作為材料表面改性技術的一種有效手段，基體熱影響區(qū)小的前提下，可以實現(xiàn)熔覆層與基體材料之間的冶金結合，且熔覆材料的稀釋率較低，可以顯著改善基體金屬材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕等性能，從而延長材料的使用壽命。

2.2 井下工具的再制造實例

在石油天然氣鉆井過程中，井下工具在整個鉆井周期中大部分時間都在環(huán)境苛刻，受力復雜的惡劣工況下工作，加之井下工具長時間旋轉(zhuǎn)、頻繁起下，許多井下工具特別容易發(fā)生磨損破壞。提高井下工具的耐磨性從而提高工具的使用壽命是鉆井裝備行業(yè)一直在積極探索的問題，寶石機械公司在產(chǎn)品制造過程中利用激光熔覆技術來進行某些井下工具無磁外筒及垂直鉆井工具執(zhí)行機構推靠巴掌的修復等。

2.2.1 無磁外筒修復

隨著隨鉆測量技術廣泛應用于定向井和水平井鉆井過程中，為保證磁性測量儀器測量數(shù)據(jù)的準確性，相對磁導率低的蒙乃爾合金、SMFI無磁鋼等無磁材料在井下鉆具中得到了普遍應用。與普通鉆具相比，無磁鉆具硬度低、耐磨性差，無磁鉆具在鉆進時受到地層巖石、泥漿、巖屑的摩擦、沖蝕作用，加之使用頻率較高，無磁鉆具的磨損速度遠高于普通鉆具。然而，無磁鉆具的生產(chǎn)制造成本較高，為降低成本，對磨損后厚度不均的無磁鉆具進行激光熔覆修復，或在新的無磁鉆具表面激光熔覆一層耐磨無磁材料進行強化。目前，激光熔覆已經(jīng)廣泛應用在無磁鉆鋌、無磁加重鉆桿、無磁穩(wěn)定器等無磁鉆具中，圖4是激光熔覆的某井下工具產(chǎn)品無磁外筒表面。

2.2.2 垂直鉆井工具推靠巴掌修復

目前，旋轉(zhuǎn)導向工具及垂直鉆井工具在鉆井現(xiàn)場獲得了大規(guī)模商業(yè)化應用，推靠式旋轉(zhuǎn)導向工具的工作原理是推靠巴掌在液壓力的作用下從工具本體中伸出，從而給鉆頭施加側(cè)向反作用力來實現(xiàn)導向。在井下工作時，側(cè)向推靠力必須足夠大，實際鉆井時鉆柱又始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，推靠巴掌長時間在井下作業(yè)時產(chǎn)生較大的磨損，當磨損量過大時，旋轉(zhuǎn)導向工具的使用效果亦會受到影響。根據(jù)推靠巴掌的磨損情況，采用激光熔覆工藝熔覆一層Ni基合金粉末與WC的混合材料，從而提高推靠巴掌的表面硬度，增強耐磨性。再制造零件在耐磨、耐蝕、抗疲勞等性能方面能夠達到新品水平，推靠巴掌本體可以多次使用，降低了工具的使用及維護成本。

圖4 無磁外筒的修復表面

2.3 激光熔覆材料及工藝研究

在其他井下工具應用方面，于繼斌[12]利用激光熔覆技術在牙輪鉆頭金屬密封環(huán)20CrNiMo基體表面熔覆鐵基合金，通過試驗驗證熔覆層的顯微硬度、耐磨性獲得了顯著提高。國內(nèi)部分鉆頭廠家與高校結合，開展了使用激光熔覆技術在鋼齒鉆頭表面熔覆WC的研究應用，也取得了一定的進展。

為更好地應用激光熔覆技術，以獲得良好的熔覆層性能，避免產(chǎn)生裂紋、脫落等缺陷，國內(nèi)外許多專家學者針對不同熔覆材料的工藝參數(shù)對組織性能的影響進行了大量的研究。程偉[13]等人采用正交試驗法開展了高強度合金結構鋼激光熔覆工藝的研究，通過試驗結果對比得出了最優(yōu)工藝參數(shù)。Cheng[14]等人研究了激光能量密度和掃描速度對42CrMo合金表面單道熔覆鐵基粉末涂層截面顯微組織和顯微硬度的影響。江吉彬[15]等人通過正交試驗法開展了45鋼表面激光熔覆WC增強Ni基涂層性能的研究。激光熔覆技術目前已經(jīng)形成了比較完備的熔覆材料體系，激光熔覆工藝庫也在不斷完善之中，這些研究成果對激光熔覆技術在井下工具的拓展應用具有重要的指導意義。

3 金屬零部件3D打印

金屬零部件的3D打印在石油天然氣領域的應用正在不斷拓寬，已經(jīng)有多種技術可以用于金屬零部件3D打印，例如選擇性激光熔融(Selective laser melting, SLM)、電子束熔絲沉積(Electron beam formation, EBF)、電子束選區(qū)熔化成形(Electron beam melting, EBM)、電弧增材制造技術(Wire and arc additive manufacturing, WAAM)等。金屬零部件的3D打印在井下工具的應用主要有以下幾個方面。

3.1 原型制造

井下工具產(chǎn)品在設計驗證及改進階段，通常進行樣機試驗，反復測試驗證其功能。使用金屬3D打印技術可以縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，快速迭代，從而加速新產(chǎn)品投入現(xiàn)場應用。為解決裸眼封隔器在坐封壓力下膠筒的褶皺或流變而導致密封失效的問題，Baker Hughes設計了一種使用金屬3D打印的多層花瓣式支承環(huán)[16-17]，如圖5所示。

a 裝配AM支承環(huán)的封隔器

b 3D打印完成的支承環(huán)

使用金屬3D打印方法制造該零件并組裝后，模擬井底高溫高壓環(huán)境進行試驗測試，該零件的功能及裸眼封隔器的密封效果得到了有效的驗證。目前，使用金屬3D打印技術制造的該類零件已規(guī)模應用于Baker Hughes系列超高壓封隔器產(chǎn)品。

3.2 復雜結構制造

在油氣鉆完井過程中，為完成不同工況及地質(zhì)條件下的各類作業(yè)，需要使用多種類型的井下工具。井下工具在工作時，通常是靠壓差驅(qū)動，實現(xiàn)不同功能的關鍵在于受限空間內(nèi)的流道及結構設計，因此井下工具產(chǎn)品的內(nèi)部流道結構復雜。圖6a為某井下工具產(chǎn)品中流道結構零件的三維模型，如果采用熔模鑄造方法鑄造，小批量生產(chǎn)模式下鑄造模型成本較高，且中間3個流道直接鑄造較難實現(xiàn)。如果采用打工藝孔的常規(guī)方法加工流道，在高壓工況下，這些工藝孔又可能成為整個工具的薄弱環(huán)節(jié)，可見此零件使用等材制造技術及減材制造技術不僅較難實現(xiàn)，且成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定。為了驗證增材制造技術生產(chǎn)此類零件的可行性，首先使用FDM成型方法制作了如圖6b所示樣件。在使用金屬3D打印技術時，使用不銹鋼粉末材料，零件打印時層厚設定為40 μm，打印完成后需進行后處理，主要包括去支撐，打磨、拋光、噴砂等，然后還需對打印完成的零件進行去應力退火處理。圖6c是使用金屬3D打印方法最終成型的不銹鋼材質(zhì)的零件，成型零件的端面跳動及圓跳動僅0.01 mm。打印完成后，通過地面試驗驗證了零部件能夠滿足設計要求。通過使用金屬3D打印方法，整個打印過程只需要十幾小時，零件再經(jīng)不同的熱處理工藝，不僅保證了增材制造零部件的質(zhì)量及性能，同時大幅縮短了零部件的生產(chǎn)周期。

圖7為Halliburton使用金屬3D打印制作的行星齒輪組件[6]，對于這種整體式的結構組件，通過常規(guī)生產(chǎn)制造方法根本沒有辦法實現(xiàn)，而3D打印是唯一的實現(xiàn)手段，將多個零件組合為一個零件進行制造亦是增材制造技術的優(yōu)勢。

4 問題分析

目前，增材制造技術及激光熔覆技術在模具制造行業(yè)應用已經(jīng)比較成熟。金屬3D打印是未來增材制造技術發(fā)展的一個重點方向。雖然金屬3D打印技術已經(jīng)在井下工具制造中獲得一些應用，但是仍存在一些制約大規(guī)模推廣應用的因素。

a 零件三維模型

b FDM成型模型零件

c 金屬3D打印成型零件

a 行星齒輪組件半剖模型

b 3D打印成型的行星齒輪組件

1) 制造成本。雖然隨著各種增材制造技術的不斷發(fā)展及完善，使用成本已經(jīng)大幅降低，但是金屬3D打印零件的單位質(zhì)量成本仍高于常規(guī)制造方法。

2) 材料體系。金屬零件3D打印應用最廣泛的行業(yè)依然是航空航天業(yè)，針對油氣行業(yè)特定工況開發(fā)能夠用于金屬3D打印的材料亟待進行。

3) 切片軟件。如果增材制造設備配套的切片軟件數(shù)據(jù)處理能力不足、誤差過大，成形件的質(zhì)量也就無法保證。

4) 標準。油氣行業(yè)是高度依賴標準降低風險的行業(yè)，API標準涵蓋了油氣行業(yè)很多產(chǎn)品種類。目前ASTM、ISO，包括全國增材制造標準化技術委員會等對增材制造已經(jīng)制定了多項標準。但是，油氣行業(yè)作為此領域的追趕者，油氣行業(yè)增材制造標準基本處于空白階段，制定適合油氣行業(yè)增材制造方面的標準有助于增材制造技術在油氣行業(yè)的推廣應用。

5) 設計思維。設計人員在進行產(chǎn)品設計時首先要考慮產(chǎn)品是否可以實現(xiàn)，這一定程度上束縛了設計人員的思維。隨著設計人員對增材制造技術理解的不斷深入，增材制造技術將在推動油氣行業(yè)的創(chuàng)新中發(fā)揮重要作用。

5 結語

國際著名油服公司W(wǎng)eatherford、Baker Hughes、Schlumberger目前均已開展了對增材制造Innocel 718合金的研究工作[18-20]，研究表明增材制造的Innocel 718合金零件的常規(guī)力學性能可以達到鍛件水平，成型方向?qū)υ霾闹圃炝慵阅苡幸欢ǖ挠绊懀铱梢酝ㄟ^合適的熱處理手段來改善。對增材制造零件的腐蝕特性的研究將對3D打印關鍵零部件在井下工況的長期服役可靠性具有重要意義。此外，行業(yè)內(nèi)外某些專家學者已經(jīng)開展了增材制造零件疲勞裂紋擴展特性的研究[21-22]，這對增材制造技術在實際工程結構的安全應用具有非常重要的意義。

增材制造技術作為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮闹圃旒夹g，可以和等材制造及減材制造互補，共同推進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。目前，以DMG為代表的國內(nèi)外多家機床制造廠商已經(jīng)研制成功了增減材復合機床，可以實現(xiàn)零部件從材料到成品的完整過程。增材制造技術在油氣行業(yè)具有巨大的應用潛力，隨著增材制造材料及工藝體系的不斷完善和成熟，增材制造將會成為推動產(chǎn)業(yè)變革升級的重要技術，增材制造技術在油氣行業(yè)的應用將會越來越廣。