吳晶晶　張紹和　曲飛龍　蘇舟　孔祥旺　何燾

關(guān)鍵詞 3D 打印；金剛石復(fù)合片；金剛石復(fù)合片鉆頭；模具成形；復(fù)雜結(jié)構(gòu)

中圖分類號 TG74; TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0014-09

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3003

收稿日期 2022-07-03 修回日期 2022-08-13

聚晶金剛石復(fù)合片（ polycrystalline diamond compact，PDC），是由聚晶金剛石與硬質(zhì)合金基體在高溫高壓條件下燒結(jié)而成的一種復(fù)合超硬材料[1]。采用PDC 作為切削齒的PDC 鉆頭，由于其在軟到中硬地層中具有鉆速快、壽命長、可靠性高、綜合效益顯著等優(yōu)點[2]，因而在石油、天然氣、地?zé)衢_發(fā)等領(lǐng)域的鉆井工程中得到廣泛的應(yīng)用。

目前，石油工業(yè)的發(fā)展十分迅速。隨著我國油氣開發(fā)的深入，油氣開采逐漸進(jìn)入隱蔽油氣藏的開發(fā)階段[3]，所鉆探的油井?dāng)?shù)目也在逐漸增加，未來鉆井將會鉆遇更多復(fù)雜地層[4]，且國家“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中強(qiáng)調(diào)將加強(qiáng)地球深部礦產(chǎn)資源、油氣勘探開發(fā)作為“深地深?！鼻把仡I(lǐng)域優(yōu)先突破方向，故此，對PDC 鉆頭的綜合性能尤其是鉆進(jìn)效率提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。為了應(yīng)對多樣化地層的提速問題，各大石油公司對常規(guī)PDC 鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)，其中鉆頭體、切削齒結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和創(chuàng)新是PDC 鉆頭提速的主攻方向，主要體現(xiàn)為創(chuàng)新形狀和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)切削齒多樣化。采用異形、薄壁、微型等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鉆頭體、切削齒以實現(xiàn)高效鉆進(jìn)，是PDC 鉆頭一個新的研究方向，但鉆頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度越高，其生產(chǎn)加工的難度也會隨之增大。

常規(guī)PDC 鉆頭的制造工藝主要有2 種[5]：一種是銑削成形工藝，主要將圓鋼進(jìn)行車削、三軸、五軸等加工鍛造成所需鉆頭體，再將切削齒鑲嵌在鉆頭體上；另一種是燒結(jié)成形工藝，即將粉末和鋼體在模具內(nèi)經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成鉆頭體，再鑲焊PDC 切削齒。但這2 種制造工藝均存在工序復(fù)雜、制作周期長、成本較高等問題，且第2 種方法在加工鉆頭模型時精度較低，導(dǎo)致難以在制造過程中有效體現(xiàn)鉆頭的設(shè)計水平[6]。對于追求高質(zhì)量要求的鉆頭行業(yè)來說，目前的制造工藝難以實現(xiàn)特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)鉆頭的生產(chǎn)，因此，應(yīng)用智能制造技術(shù)以縮短PDC 鉆頭制作周期，并提高其性能，成為了一個新的研究課題。

3D 打印技術(shù)，又稱為增材制造（additive manufacturing，AM）技術(shù)，是一種“自下而上”通過材料逐層累加的制造方法[7]，實現(xiàn)工件從無到近凈成形。它被美國“America Makes” 、歐盟“ Horizon 2020” 、德國“ 工業(yè)4.0”、“中國制造2025”等戰(zhàn)略計劃列為提升國家競爭力、應(yīng)對未來挑戰(zhàn)亟需發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)[8]。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工模式不同，3D 打印從原理上突破了傳統(tǒng)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造模式，不需要模具、刀具等工具，免除了傳統(tǒng)工藝需要多道加工程序的煩瑣過程，可將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚亩S加工，使成形精密和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件制造更加便捷[9-11]。因此，3D 打印技術(shù)可為具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PDC 鉆頭制造提供全新的思路。

本文將總結(jié)目前3D 打印技術(shù)在PDC 鉆頭制造行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要包括3D 打印金剛石復(fù)合片、金剛石復(fù)合片鉆頭模具及金剛石復(fù)合片鉆頭的制造工藝流程及實際應(yīng)用，并對3D 打印PDC 及其鉆頭未來的發(fā)展前景進(jìn)行展望，以期為PDC 鉆頭制備的發(fā)展方向提供參考。

1 3D 打印技術(shù)的分類與特點

3D 打印技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興智能制造技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”[12-13]。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用離散材料液體和粉末等，通過逐層累加的方式來制造任意復(fù)雜形狀物體的技術(shù)。近年來，3D 打印技術(shù)作為一項前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)迅猛發(fā)展，并且正迅速改變著人們的生產(chǎn)生活方式，在工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、建筑制造、文化藝術(shù)等領(lǐng)域逐步發(fā)揮了重要的作用[11， 14]。

目前，3D 打印技術(shù)已有十余種成形工藝，不同的成形工藝有不同的特色。根據(jù)目前已有的報道，可用于制造PDC 及其鉆頭的3D 打印工藝方法主要有光固化成形技術(shù)（stereo lithography apparatus， SLA）、熔融沉積技術(shù)（ fused deposition modeling， FDM） 、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（selected laser sintering， SLS）、激光選區(qū)熔化技術(shù)（selective laser melting， SLM）、噴墨粘粉式制造技術(shù)（three dimensional printing， 3DP）等，而采用其它3D 打印技術(shù)來制造PDC 及其鉆頭的研究較少。所列舉的主要成形工藝的原理及特點如表1 所示[15-21]，均通過工作臺沿Z 向逐層向下而實現(xiàn)分層。

2 3D 打印金剛石復(fù)合片

2.1 電子束選區(qū)熔化3D 打印硬質(zhì)合金?金剛石復(fù)合材料

針對傳統(tǒng)WC-Co 硬質(zhì)合金的硬度與強(qiáng)韌性之間存在的相互制約問題，湖南伊澍智能制造有限公司[22]提出采用電子束選區(qū)熔化3D 打印工藝制備硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)合材料，以期提高材料的斷裂韌性、硬度和耐腐蝕性。該復(fù)合材料主要包含粒徑為45～105 μm的WC-Co 硬質(zhì)合金和粒徑為45～10⁵μm 的金剛石，且這2 種材料的質(zhì)量比為（420～430）：（3～4）。3D 打印成形過程中，先對WC-Co 硬質(zhì)合金進(jìn)行電子束熔化掃描，然后對金剛石進(jìn)行電子束熔化掃描，如此反復(fù)逐層疊加，最終形成厚度≤3 mm 的硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)合材料。其中，WC-Co 硬質(zhì)合金電子束熔化掃描過程中的工藝參數(shù)為：掃描速率為1.0 × 104～6.0 × 10⁴ mm/s，掃描電流為0.5～10 mA，熔化溫度為1 380～1 460 ℃；而對金剛石進(jìn)行電子束熔化掃描的掃描速率為1.0 × 10⁴～1.0 ×10⁵mm/s， 掃描電流為6～ 20 mA， 熔化溫度為1 400～1 450 ℃。

同時，湖南伊澍智能制造有限公司對不同材料質(zhì)量比和工藝參數(shù)條件下的硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)、摩擦系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和沖擊韌性值進(jìn)行了測試，如表2 所示。測試結(jié)果顯示，采用電子束選區(qū)熔化3D 打印工藝制備的硬質(zhì)合金-金剛石復(fù)合材料具有較好的硬度和斷裂韌性，且使用過程中能夠較好地避免涂層剝落。

2.2 3D 打印金剛石復(fù)合片

針對金剛石復(fù)合片存在的結(jié)構(gòu)單一、成形依賴成本高且制作周期長的模具等問題，研發(fā)機(jī)構(gòu)和單位嘗試在金剛石復(fù)合片的制造中引入3D 打印技術(shù)。倪培燊等[23] 以WC-Co 硬質(zhì)合金與金屬合金為材料，采用SLM及3DP 方法制備帶有三維骨架硬質(zhì)合金基體，然后將金剛石微粉填入硬質(zhì)合金基體的三維結(jié)構(gòu)空隙中，結(jié)合六面頂壓機(jī)高溫高壓燒結(jié)工藝得到三維骨架硬質(zhì)合金基體的聚晶金剛石復(fù)合片，如圖1 所示。同時，研究者對不同骨架材料和不同工藝條件下的聚晶金剛石復(fù)合片的平均落球沖擊次數(shù)進(jìn)行了測試，如表3 所示。測試結(jié)果表明，具備三維骨架硬質(zhì)合金基體的聚晶金剛石復(fù)合片，其抗沖擊性能明顯提高。

另一方面，在制造金剛石復(fù)合片時，目前大多采用Co 作為黏合劑，但因其比金剛石具有更大的熱膨脹系數(shù)，會對最終制備的金剛石復(fù)合片的耐磨性、抗沖擊韌性和壽命產(chǎn)生較大的影響。為此，梁家昌等[24-25]提出了2 種無需添加Co 作為粘結(jié)相的高品質(zhì)金剛石復(fù)合片的制備方法。第一種為漸變層結(jié)構(gòu)的金剛石復(fù)合片，包括由下而上依次設(shè)置的基體、基體-金剛石漸變過渡層、金剛石層、金剛石-鎳漸變過渡層、鎳層，不含鈷類粘合劑（如圖2）。該結(jié)構(gòu)的復(fù)合片采用雙束3D 打印設(shè)備實現(xiàn)，即采用熱加工的大功率連續(xù)激光束與冷加工的超快脈沖激光束交替加工的雙束3D 打印設(shè)備制得，這樣可使得漸變層結(jié)構(gòu)各界面上無熱學(xué)與力學(xué)性質(zhì)的突變，最終形成一種高品質(zhì)金剛石復(fù)合片。第二種則以鉻鉬合金作為金剛石復(fù)合片的基體材料，加工金剛石復(fù)合片基體；同時采用冷熱交替的3D 打印工藝完成金剛石復(fù)合片層的制備，最終按照預(yù)先的設(shè)計將金剛石粉末打印在金剛石復(fù)合片基體上，得到金剛石復(fù)合片，該工藝流程如圖3 所示。采用此工藝獲得的金剛石復(fù)合片具有高耐磨、高耐熱、高抗沖、高壽命的優(yōu)良特性。

3 3D 打印金剛石復(fù)合片鉆頭

將3D 打印技術(shù)引入PDC 鉆頭的生產(chǎn)制造中，一方面可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)PDC 鉆頭的成形，提高鉆頭的加工精度；另外，可以大大縮短PDC 鉆頭的制作周期，加快鉆頭制造商對市場的反應(yīng)。目前，3D 打印技術(shù)在PDC 鉆頭中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在PDC 鉆頭的模具制造，再結(jié)合軟膜成形工藝或熔模鑄造法等完成PDC 鉆頭的制造，即間接3D 打印PDC 鉆頭；也有部分鉆頭公司和研究者已經(jīng)開始著手采用3D 打印技術(shù)實現(xiàn)PDC 鉆頭的一體化成形方面的研究。

3.1 3D 打印金剛石復(fù)合片鉆頭模具

模具成形是燒結(jié)式PDC 鉆頭制造中的一個重要環(huán)節(jié)，也是準(zhǔn)確實施鉆頭設(shè)計的關(guān)鍵，模具成形精度及質(zhì)量直接影響成品PDC 鉆頭的性能[26]。傳統(tǒng)PDC 鉆頭制造過程中大多采用手工刻模，存在成形精度較低、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品開發(fā)周期長等問題，且難于形成復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)。因此，將3D 打印技術(shù)引入PDC 鉆頭的模具制造中是3D 打印技術(shù)在石油井下工具產(chǎn)品制造過程中模具方面的典型應(yīng)用。

為了提高鉆頭母模的制作精度與效率，史密斯國際公司的Southland[27] 最早提出通過三維鉆頭幾何形狀的計算機(jī)輔助設(shè)計，將設(shè)計的幾何數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒謱釉O(shè)備，而分層逐次使用蠟或其他材料構(gòu)建鉆頭模具。模具成形后，將鋼或碳化鎢粉末倒入模具中，并通過壓磨成形或用粘合劑滲透固化成形鉆頭體。國內(nèi)學(xué)者們也相繼提出采用SLA 技術(shù)制造PDC 鉆頭模具，其打印流程通常是先采用SLA 技術(shù)制作PDC 鉆頭的陰模及模襯（或稱母模），并將其裝配在一起翻制出橡膠公模（圖4a）[28]，再利用該公模制造出加工鉆頭的陶瓷燒結(jié)模具（圖4b）。周龍昌等[29-30] 將采用SLA 技術(shù)加工的燒結(jié)模具與傳統(tǒng)壓模成形與銑模成形加工的模具進(jìn)行加工誤差和周期對比，發(fā)現(xiàn)新工藝加工的模具精度大幅度提高，且開發(fā)周期和批量生產(chǎn)周期均大大縮短?，F(xiàn)場使用證明，利用該新工藝生產(chǎn)的PDC 鉆頭比壓模工藝生產(chǎn)的鉆頭平均進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速分別提高16.85% 和11.66%。李鎖智等[26] 采用SLA 工藝制造了Φ113 燒結(jié)式PDC 鉆頭基礎(chǔ)模具（圖5a），打印模型與設(shè)計模型尺寸誤差≤0.1 mm，同時按照軟模成形工藝試制了2 只鉆頭，且在現(xiàn)場試驗中，試制鉆頭的使用壽命與鉆進(jìn)效率均較高。

此外，梅筱琴等[31-32] 還對FDM 工藝在PDC 鉆頭基礎(chǔ)模具制作過程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。該工藝過程與采用SLA 技術(shù)加工PDC 鉆頭模具的工藝過程類似，主要利用FDM 技術(shù)制造PDC 鉆頭基礎(chǔ)母模，再將其經(jīng)過翻制得到可燒制的鉆頭模具。圖6 為采用FDM 3D 打印技術(shù)制造的鉆頭基礎(chǔ)模具及其硅膠模。CHOU 等[33]則嘗試?yán)脽崃娚鋵嶓w打印機(jī)打印蠟?zāi)＞撸俳Y(jié)合熔模鑄造法完成PDC 鉆頭的制造。圖7 為熔模鑄造工藝流程圖，其中圖7a 為采用3D 打印技術(shù)制作的蠟?zāi)＞摺?/p>

采用上述3D 打印技術(shù)制作的PDC 鉆頭模具，一方面需要經(jīng)過2 次翻制或熔模鑄造才能得到用于燒結(jié)的模具，工藝相對煩瑣，且翻制過程中存在的人為不確定因素會對最終的成形模具質(zhì)量產(chǎn)生影響；另一方面，軟膜成形工藝轉(zhuǎn)化模具的過程中，采用的橡膠有彈性收縮性，對模具精度有較大影響。針對上述問題，姚建林等[34] 采用3D 打印技術(shù)直接打印用于胎體鉆頭生產(chǎn)的燒結(jié)模具。3D 打印的材料為覆膜砂，成形的模具可以直接燒結(jié)鉆頭成形，鉆頭制作精度高且制造周期短。然而，覆膜砂的導(dǎo)熱系數(shù)低且熱膨脹系數(shù)大，以其為原料的成形模具在1 000 ℃～1 300 ℃ 高溫下進(jìn)行長時間燒結(jié)，容易出現(xiàn)開裂甚至潰散等問題，導(dǎo)致最終制備的PDC 鉆頭質(zhì)量和精度降低。為此， 王秋濤等[35] 將15～ 30 份耐火材料和5～ 10 份粘結(jié)劑加入60～ 80 份石墨粉末中制備3D 打印用石墨復(fù)合材料，采用粘結(jié)劑噴射成形或選區(qū)激光燒結(jié)成形等3D 打印工藝制備PDC 鉆頭石墨模具，同時結(jié)合瀝青浸漬后處理方法，不僅有效解決了以覆膜砂為原料的模具在燒結(jié)過程中易開裂、易氧化等問題，且3D 打印模具的致密度和機(jī)械強(qiáng)度也大幅度提高。另外，游娜等[28] 提出使用SLS 技術(shù)以樹脂砂為材料燒結(jié)成形的模具，經(jīng)二次固化后可以直接裝入石墨殼體中用于PDC 鉆頭的燒結(jié)，如圖8所示。賀波等[36] 利用陶瓷砂或樹脂砂作為燒結(jié)材料，通過激光快速成形打印PDC 鉆頭模具，成形過程中的工藝參數(shù)：激光功率為40～60 W，預(yù)熱溫度為40～85 ℃，鋪砂厚度0.15～0.35 mm，掃描速度2 500～3 500 mm/s。采用該方法制造的PDC 鉆頭的精度大大提高，工期也大大縮短。

3.2 3D 打印金剛石復(fù)合片鉆頭

隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，為了進(jìn)一步優(yōu)化PDC 鉆頭的設(shè)計與制造，多家單位開始嘗試應(yīng)用3D 打印技術(shù)直接實現(xiàn)PDC 鉆頭一體化成形。石一先[37] 提供了一種采用3D 打印技術(shù)直接打印PDC 鉆頭體的方法，即利用高能激光或電子束按照掃描路徑直接打印金屬材質(zhì)的PDC 鉆頭體。但該方法所制造的鉆頭體強(qiáng)度無法滿足井下復(fù)雜的環(huán)境狀況，不能應(yīng)用于實際的石油天然氣鉆井。美國BlueFire Equipment 公司[38-40]嘗試采用3D 打印技術(shù)制造PDC 鉆頭，利用Solid Works軟件開發(fā)設(shè)計出高度復(fù)雜的鉆頭，將其交給得克薩斯的3D 打印公司進(jìn)行制造。為了使鉆頭在多種巖層中都具有較高的破巖效率，設(shè)計了較大的PDC 切削面，并在鉆頭體上設(shè)計橫向水眼，以提高鉆頭的清潔和冷卻效率。試驗證實，這些設(shè)計使切削結(jié)構(gòu)表面的溫度降低30% 以上，大大減少了切削片的熱磨損，延長了鉆頭壽命。另外，譚小紅[5] 公開了一種SLM 3D 打印制備PDC 鉆頭工藝。該工藝涉及的成形材料按其重量份包括碳化鎢粉100 份、鈷粉4.8 份、鎳粉1.8 份和預(yù)處理炭粉1.2 份。與傳統(tǒng)工藝制造的PDC 鉆頭進(jìn)行對比，3D 打印工藝制備PDC 鉆頭的工期縮短了64%，PDC 胎體價格降低40% 以上，且PDC 鉆頭的強(qiáng)度增強(qiáng)了50%，抗侵蝕性增長400%。

此外，西迪技術(shù)股份有限公司[40-42] 采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金屬3D 打印技術(shù)，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了PDC鉆頭接頭結(jié)構(gòu)和胎體的快速成形以及材料性能的改進(jìn)，同時為了規(guī)范和引導(dǎo)3D 打印PDC 鉆頭的生產(chǎn)與研發(fā)，制定了3D 打印PDC 鉆頭企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。雖然該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是基于西迪公司自主研發(fā)的3D 打印PDC 鉆頭工藝為前提提出，適用范圍有限，但該企標(biāo)的提出可為未來3D 打印PDC 鉆頭的企標(biāo)和國標(biāo)的統(tǒng)一提供借鑒。

4 結(jié)語及展望

3D 打印技術(shù)代表了一種不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)的加工方式，國內(nèi)外學(xué)者將其引入PDC 及其鉆頭的制造中。文中介紹了目前用于制造PDC 及其鉆頭的3D 打印技術(shù)的基本原理及其在PDC 及其鉆頭制備方面的研究進(jìn)展。雖然近年來開展了相關(guān)研究，但在工業(yè)生產(chǎn)中，使用遠(yuǎn)不如研究所進(jìn)行的狀況，主要體現(xiàn)在：

（1）PDC 鉆頭的高性能要求，使得目前3D 打印技術(shù)在PDC 鉆頭制造中的應(yīng)用主要集中在PDC 鉆頭基礎(chǔ)模具制造領(lǐng)域。根據(jù)目標(biāo)地層，開發(fā)適用于PDC鉆頭的高性能材料，實現(xiàn)個性化定制的PDC 鉆頭一體化成形是未來發(fā)展的重要方向。

（2）采用高能激光或電子束進(jìn)行掃描熔化過程中，金剛石容易產(chǎn)生石墨化現(xiàn)象，繼而影響鉆頭的質(zhì)量，未來應(yīng)重點面向高能激光打印技術(shù)研發(fā)適溫的結(jié)合劑以及金剛石熱防護(hù)技術(shù)，提高金剛石熱穩(wěn)定性，同時優(yōu)化激光參數(shù)，提高金剛石與金屬間的界面結(jié)合強(qiáng)度。

（3）3D 打印制造過程中的高冷卻速率和高溫等條件，不可避免地會在材料中形成殘余應(yīng)力，需要通過優(yōu)化工藝和材料梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計來緩解殘余應(yīng)力，提高材料和鉆頭的服役性能。

（4）雖已有相應(yīng)的3D 打印PDC 鉆頭企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但針對3D 打印過程中涉及的儀器設(shè)備、材料及制造的PDC 鉆頭性能評價等缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為了保證規(guī)范性，對其相應(yīng)設(shè)備、材料、性能評價、安全等多個方面進(jìn)行規(guī)范也是未來需要重點關(guān)注的問題之一。