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，同時添加Cr3C2和NiCr作為補強增韌相，經機械合金化、微波預燒和熱壓燒結而成，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合金粉的質量百分比為15-25%，在所述NiCr合金粉中，Ni的質量百分比為33-50%。本發明將機械合金化和微波預燒結合起來，制得的噴嘴材料性能優良，適用性好，且原料便宜易得，儲量廣泛，制備工藝原理可靠，操作簡便，具有廣闊的市場前景。
【專利說明】一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及陶瓷材料領域中一種金屬陶瓷噴嘴材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在石油鉆井和地質鉆探的工藝過程中，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不同以及鉆井目的和要求不同，在鉆井過程中會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，能夠適應軟、中、硬等各類復雜地層。牙輪鉆頭的牙輪內側都裝有噴嘴部件，這些噴嘴的內孔是鉆井液必經之處，鉆井液通過噴嘴的內孔，循環鉆井液，冷卻及潤滑鉆頭、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，噴嘴在長期接觸鉆井液及泥漿的過程中，要經受沖蝕磨損、磨粒磨損、銹蝕、高溫、熱沖擊及機械損傷等破壞，導致該部件更換頻繁，這給全自動化生產系統帶來麻煩，容易形成不可預見性的設備故障，造成很大的經濟損失。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量和生產效率。
[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，在進行放噴、排液、測試等試油工序時，為了能準確知道當時的開井度，并為油氣井下一步的開發生產提供可靠的資料數據，還會使用各種放噴噴嘴。此外，在其他諸如化工、汽車、冶金和表面處理等領域，噴嘴的應用也十分廣泛。
[0005]目前，國內外廣泛應用的噴嘴材料主要有三類，分別是金屬材料、硬質合金和陶瓷材料。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，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，用作噴嘴磨損嚴重，使用壽命短。硬質合金是由難熔金屬硬質化合物(WC、TiC、TaC等)和金屬粘結相(Co等)經粉末冶金方法制成，具有高硬度、高模量以及耐磨、耐腐蝕等特點。在實際應用中，通常把硬質合金作為內襯鑲嵌粘結在噴嘴磨損嚴重的部位，然而，由于鉆井效率的日益提高以及鉆井工況的復雜性，硬質合金的耐磨性能和熱穩定性仍難于滿足需要。同時，制作硬質合金的原料如W、Co等稀有金屬，多為價格昂貴的戰略性資源，不僅成本較高，而且儲量有限，這些勢必會制約其在石油鉆探領域的廣泛應用。
[0006]同金屬材料、硬質合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、耐磨性和熱穩定性，理論上作為噴嘴用基礎材料，使用壽命應當更長。如Al2O3陶瓷，除具備基本的陶瓷特點外，還具有成本低廉、儲量廣泛等價格優勢。但是傳統的、單相的Al2O3陶瓷材料又具有高的脆性和低的彎曲強度等先天缺陷，在高能量頻繁沖擊的使用工況條件下，很容易出現因大塊結構剝落并導致噴嘴短期失效的問題，同樣阻礙了其在油田的大規模使用。
[0007]為了改善Al2O3陶瓷的韌性，人們采取多種方法，以B、C纖維等長纖維增韌的Al2O3基復合材料固然有較優越的性能，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性能下降等因素，使得制備工藝復雜，工藝技術難度大，質量不易控制，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聚、分散困難，反而造成燒結體材料致密度下降，性能惡化。另外，晶須對人體有害。相比而言，通過引入一種或多種第二相粒子作為補強增韌劑，制備多相粒子協同強韌化的Al2O3基金屬陶瓷復合材料，其原料混合均勻化及燒結致密化程度都比短纖維及晶須復合材料更高，工藝過程簡便易行且經濟安全。因此，盡管摻入顆粒的強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，仍會帶來較好的韌化、強化效果，同時會帶來高溫強度、高溫蠕變性能的改善。
[0008]針對油田噴嘴材料的使用工況，通過比較幾種補強增韌相的彈性模量、熱膨脹系數等力學和物性參數，選取以Cr3C2為增強相，Ni和Cr為金屬延性相制備出Al2O3基金屬陶瓷體系。其中Cr3C2硬質相可以對裂紋起釘扎作用，使裂紋發生偏轉、繞道，耗散裂紋的前進動力。另外，Cr3C2抗氧化能力很強，在高溫條件下依然保持相當高的硬度，同時具有很強的耐蝕性。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則具有較強的耐酸、鹽腐蝕性能，且與Al2O3的潤濕性較好，能夠抑制晶粒的長大，可以提高Al2O3的燒結活性，降低燒結溫度。近年來，相關的研究集中在把Cr3C2和Ni，Cr作為噴涂材料進行金屬及合金表面改性方面，取得了一定的進展，而把Cr3C2和Ni，Cr協同作為Al2O3陶瓷的補強增韌體，制備噴嘴材料還未見報道。
【發明內容】
[0009]本發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為補強增韌相，通過機械合金化、微波預燒、混料、造粒和熱壓燒結工藝，制得的噴嘴材料性能優良，適用性好，且原料便宜易得，儲量廣泛，制備工藝原理可靠，操作簡便，具有廣闊的市場前景。
[0010]為實現上述技術目的，本發明提供以下技術方案。
[0011]一種氧化鋁基金屬陶瓷噴嘴材`料，以a -Al2O3陶瓷為基體，同時添加Cr3C2和NiCr作為補強增韌相，經機械合金化、微波預燒和熱壓燒結而成。
[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合金粉的質量百分比為15-25%，在所述NiCr合金粉中，Ni的質量百分比為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中進行機械合金化，其中Ni所占質量百分比為33-50%，采用高純氧化鋁磨球，球磨介質為無水乙醇，球料比5:1，球磨時間15-20小時，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行混料2_4小時，其中NiCr所占質量百分比為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時間控制在10-30分鐘，真空度為1.3X 10_2Pa，獲得Cr3C2粉與NiCr的預燒合金粉；
[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強添加相，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球磨2小時，放置在真空干燥箱烘干，得到混合粉體；
[0017](4)將上述混合粉體進行造粒，過100目篩，得到均勻混合粉體，造粒劑為5質量％的丁腈橡膠，加入量為混合粉體的1-3質量％ ；
[0018](5)采用真空熱壓燒結方法，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，然后在1380-1420°C保溫40-60分鐘，燒結壓力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為補強增韌相，通過機械合金化、微波預燒、混料、造粒和熱壓燒結工藝制得。a -Al2O3陶瓷熱學、化學穩定性好，機械強度高、導熱率低且成本低廉、儲量廣泛。Cr3C2硬度高，耐高溫，耐腐蝕且熱穩定性好，NiCr合金具有良好的塑性，且Ni與a -Al2O3的浸潤性好，選用該體系可獲得性能優良的Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料，適用于對耐磨性、硬度要求較高的噴嘴、軸承等零件。
[0021]與現有技術相比，本發明將機械合金化和微波預燒結合起來，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、易團聚的問題，而且增強顆粒與Al2O3陶瓷粉的浸潤性好，可以形成適宜的界面結合強度，降低陶瓷的燒結溫度，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混料微波預燒后的EDS元素分析圖【具體實施方式】
[0023]下面根據附圖和實施例進一步說明本發明。
[0024]本發明使用的試劑及藥品均為市售。
[0025]實施例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行機械合金化，其中Ni的質量百分比為35%，采用高純氧化招磨球，球磨介質為無水乙醇，球料比5:1,轉速400r/min,球磨時間20小時，然后取出漿料放入真空干燥箱中在60°C干燥24小時；將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐混料時間4小時，其中NiCr所占質量百分比為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行加熱保溫，控制加熱溫度1000°C，加熱和保溫的整個時間為30分鐘,真空度為1.3 X IO^2Pa,圖1為上述預燒合金粉的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；采用真空熱壓燒結方法，按照階梯升溫方式，先在600°C保溫I小時，然后在1400°C保溫50分鐘，燒結壓力30MPa，然后隨爐冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
[0028]測試金屬陶瓷的力學性能，其抗彎強度為605MPa，斷裂韌性為5.35MPam1/2，摩擦系數為0.30 (同硬度為HRC62的GCrl5鋼球對磨，轉速300r/min，加載載荷500g)
[0029]實施例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行機械合金化，其中Ni的質量百分比為45%，采用高純氧化招磨球，球磨介質為無水乙醇，球料比5:1,轉速400r/min,球磨時間20小時，然后取出漿料放入真空干燥箱中在60°C干燥24小時；將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐混料時間4小時，其中NiCr所占質量百分比為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行加熱保溫，控制加熱溫度1000°C，加熱和保溫的整個時間為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小時混料，然后放置在真空干燥箱干燥；將混合粉料進行造粒，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；采用真空熱壓燒結方法，按照階梯升溫方式，先在600°C保溫I小時，然后在1400°C保溫50分鐘，燒結壓力30MPa，然后隨爐冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
[0032]測試金屬陶瓷的力學性能，其抗彎強度為590MPa，斷裂韌性為5.5IMPam172,摩擦系數為0.25 (同硬度為HRC62的GCrl5鋼球對磨，轉速300r/min，加載載荷500g)
[0033]實施例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行機械合金化，其中Ni的質量百分比為50%，采用高純氧化招磨球，球磨介質為無水乙醇，球料比5:1,轉速400r/min,球磨時間20小時，然后取出漿料放入真空干燥箱中在60°C干燥24小時；將Cr3C2粉與NiCr合金粉裝入球磨罐混料時間4小時，其中NiCr所占質量百分比為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行加熱保溫，控制加熱溫度1000°C，加熱和保溫的整個時間為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小時混料，完后放置在真空干燥箱干燥；將混合粉料進行造粒，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；采用真空熱壓燒結方法，按照階梯升溫方式，先在600°C保溫I小時，然后在1400°C保溫60分鐘，燒結壓力30MPa，然后冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
[0036]測試金屬陶瓷的力學性能，其抗彎強度為560MPa，斷裂韌性為6.15MPam1/2，摩擦系數為0.22 (同硬度為HRC62的GCrl5鋼球對磨，轉速300r/min，加載載荷500g)
[0037]本實施例在以發明方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于上述的實施例。本領域人員通過借鑒本文內容，適當改變原料、工藝參數及操作步驟等實現本
【發明內容】
，都被視為包括在本發明精神、范圍和內容中。
【權利要求】
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合金粉的質量百分比為15_25%，在所述NiCr合金粉中，Ni的質量百分比為33-50%。
2.如權利要求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中進行機械合金化，其中Ni所占質量百分比為33-50%，采用高純氧化鋁磨球，球磨介質為無水乙醇，球料比5:1，球磨時間15-20小時，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行混料2_4小時，其中NiCr所占質量百分比為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時間控制在10-30分鐘，真空度為1.3X 10_2Pa，獲得Cr3C2粉與NiCr的預燒合金粉； (3)以Al2O3粉為基體材料，取上述Cr3C2 與NiCr的混合粉料為增韌補強添加相，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球磨2小時，放置在真空干燥箱烘干，得到混合粉體； (4)將上述混合粉體進行造粒，過100目篩，得到均勻混合粉體，造粒劑為5質量％的丁腈橡膠,加入量為混合粉體的1-3質量％ ； (5)采用真空熱壓燒結方法，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，然后在1380-1420°C保溫40-60分鐘，燒結壓力28_35MPa，然后冷至室溫，獲得Al2O3基金屬陶瓷噴嘴材料。
【文檔編號】C22C1/05GK103484744SQ201310385977
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】張進, 薛屺, 董朋朋, 高加明, 楊萬桃, 陳軍君 申請人:西南石油大學