金属基复合材料工具所用的网状增强件制造技术

本发明专利技术公开了一种模具组件系统，所述模具组件系统包括限定用于形成渗透金属基复合材料(MMC)工具的渗透室的模具组件。增强材料沉积在所述渗透室内，并且粘合剂材料用于渗透所述增强材料。至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内并且嵌入在所述增强材料内。所述至少一个预成型网状物包括多孔本体并且在渗透后向所述渗透MMC工具提供骨架增强。

Mesh reinforcement for metal matrix composite tools

The present invention discloses a mold assembly system comprising a die assembly defining a permeable chamber for forming a metal matrix composite (MMC) tool. The reinforcing material is deposited in the penetration chamber and the binder material is used to penetrate the reinforcing material. At least one preformed mesh is positioned in the penetration chamber and embedded within the reinforcing material. The at least one preformed mesh includes a porous body and provides a skeleton enhancement to the permeable MMC tool after penetration.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
通常通过将松散粉末增强材料放入模具中并用粘合剂材料如金属合金渗透粉末材料来制造金属基复合材料(MMC)工具。可以通过使模腔成形和/或通过将临时置换材料定位在模腔的内部来提供所得MMC工具的各种特征。然后可以将一定量的增强材料利用一定量的粘合剂材料放置在模腔内。随后将模具放在熔炉内并且使模具的温度增加到所需温度以允许粘合剂(例如，金属合金)液化并渗透基体增强材料。在石油和天然气工业中通常使用各种MMC工具来形成井筒、使已钻探的井筒完井以及从已完成的井中生产烃类如石油和天然气。此类工具的实例包括：切削工具如钻头、扩孔器、稳定器和取芯钻头；钻孔工具如旋转导向装置和泥浆电机；以及其他井下工具如开窗铣刀、封隔器、钻具接头和其他易磨损工具。石油和天然气工业中使用的MMC钻头不断暴露于受泥浆压力、穿透形式、钻压和扭矩影响的不同井下条件下。这些不断变化的变量可能导致出现MMC钻头不可修复地损坏的情况如刀片断裂的情况，这可能导致钻井公司和钻头提供商花费大量的时间和金钱。当MMC钻头的刀片断裂时，它们倾向于在类似的位置断裂，并且通常由于高转矩和/或高钻压而丢失。附图简述包括以下附图以说明本公开的某些方面，并且以下附图不应被视为排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的主题能够在形式和功能上进行很多修改、改变、组合和等同变化。图1是可根据本公开的原理制造的示例性钻头的透视图。图2是图1的钻头的截面图。图3是可用于制造图1和图2的钻头的模具组件的截面侧视图。图4A和图4B是包括示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件的截面侧视图。图5A和图5B描绘了可用于形成预成型网状物的示例性单元或元件。图6是包括另一个示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件的截面侧视图。图7A和图7B描绘了包括另一个示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件。图8A和图8B描绘了可用于本文所述的任何模具组件的示例性预成型网状物的截面顶视图。图9是包括另一个示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件的截面侧视图。图10A和图10B是上面示意性地覆盖有相应示例性预成型网状物的示例性钻头的顶端视图。具体实施方式本公开涉及工具制造，并且更具体地讲，涉及金属基复合材料工具，金属基复合材料工具包括位于金属基复合材料工具本体内并用于在操作期间阻止裂纹扩展的预成型网状物；以及与此相关的生产和使用方法。本文描述的实施方案可以用于制造使用一个或多个预成型网状物增强的渗透金属基复合材料工具。预成型网状物可以选择性地定位在用于制造金属基复合材料工具并嵌入增强材料内的渗透室内。在液化的粘合剂材料渗透之后，预成型网状物可以用作金属基复合材料工具本体的骨架增强件。例如，在某些情况下，预成型网状物可以以类似于钢筋混凝土中的钢筋预制件的方式来阻止裂纹扩展。然而，除了提供增加的韧性和/或抗裂纹扩展性之外，预成型网状物还可以允许使用较低强度(并且可能较低成本的)粘合剂材料和/或增强材料以实现金属基复合材料工具的相同的宏观强度。本公开的实施方案适用于形成为金属基复合材料(MMC)的任何工具或装置。此类工具或装置在本文中称为“MMC工具”，并且可以或可以不用于石油和天然气工业。然而，仅仅为了说明和描述的目的，以下描述涉及可以在石油和天然气工业中使用的MMC工具如钻头，但是应当理解，本公开的原理同样适用于在任何行业或领域中使用的任何类型的MMC，例如装甲板、汽车部件(例如，套筒、汽缸衬垫、驱动轴、排气阀、制动转子)、自行车车架、制动肋板、航空航天部件(例如，起落架部件、结构管、支柱、轴、连杆、管道、波导、导向叶片、转子叶片套筒、腹翅、致动器、排气结构、壳体、框架)和涡轮泵部件，而不脱离本公开的范围。参考图1，示出了可以根据本公开的原理制造的示例性MMC工具100的透视图。MMC工具100通常在图1中显示为可在石油天然气工业中用于钻井的固定切削齿钻头。因此，MMC工具100在本文称为“钻头100”，但如上所述，也可以将钻头100另选地更换为在石油天然气工业中或任何其他工业中所用的任何类型的MMC工具或装置，而不脱离本公开的范围。可以根据本公开的教导内容制造的适用于石油天然气工业的MMC工具包括但不限于：油田钻头或切削工具(例如，固定角钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双中心钻头、孕镶钻头、扩孔器、稳定器、开孔器、切削齿)、不可回收的钻井部件；与井筒套管钻井相关的铝钻头体；钻柱稳定器；牙轮钻头的牙轮；用于锻造用于制造牙轮钻头的支撑臂的冲模的模型；固定扩孔器的臂；可扩张扩孔器的臂；与可扩张扩孔器相关联的内部部件；可附接到旋转钻头的井口端的套筒；旋转式转向工具；随钻测井工具；随钻测量工具；侧壁取芯工具；打捞矛；套洗工具；用于井下钻井电机的转子、定子和/或壳体；用于井下涡轮机的叶片和壳体；以及其他具有与形成井筒相关联的复杂构型和/或不对称几何形状的井下工具。如图1所示，钻头100可包括或以其他方式限定沿钻头头部104的圆周布置的多个刀片102。钻头头部104连接至柄106已形成钻头体108。柄106可通过焊接，诸如使用致使围绕焊接槽112形成焊缝110的激光电弧焊接而连接至钻头头部104。柄106还可包括或以其他方式连接至螺纹销114，诸如美国石油协会(API)钻杆螺纹。在所描绘的实例中，钻头100包括其中形成多个凹陷或凹槽116的五个刀片102。切割元件118可以固定地安装在每个凹陷116内。这可以例如通过将每个切割元件118钎焊至相应的凹槽116中来完成。随着钻头100在使用时旋转，切割元件118啮合岩石和下面的土质材料，以挖掘、刮擦或研磨正被穿透的地层的材料。在钻井操作期间，可以通过在螺纹销114处耦接至钻头100的钻柱(未示出)向井下泵送钻井液或“泥浆”。钻井液在定位在喷嘴开口122中的一个或多个喷嘴120处循环通过并离开MMC钻头100，所述喷嘴开口限定在钻头头部104中。排屑槽124形成于每对相邻的刀片102之间。切屑、井下碎屑、地层流体、钻井液等可以穿过排屑槽124并且在形成于钻柱的外部和正在钻探的井筒的内壁之间的环形空间内循环回井表面。图2是图1的钻头100的截面侧视图。在图2中使用的图1中的类似数字是指不再描述的类似部件。如图所示，柄106可以在焊缝110处牢固地附接至金属坯料或芯轴202，并且芯轴202延伸至钻头体108中。柄106和芯轴202是大致圆柱形结构，其分别限定彼此流体连通的相应流体腔204a和204b。芯轴202的流体腔204b可以进一步纵向延伸至钻头体108中。至少一个流动通道206(示出其中一个)可以从流体腔204b延伸至钻头体108的外部。喷嘴开口122(在图2中示出其中一个)可以限定在钻头体108的外部处的流动通道206的端部处。凹槽116形成于钻头体108中，并且被成形或以其他方式构造成接纳切割元件118(图1)。钻头体108可以在很大程度上包括如下文所述形成和以其他方式制造的硬质复合材料部分208。图3是可用于形成图1和图2的钻头100的模具组件300的截面侧视图。虽然模具组件300被示出并被讨论为用于帮助制造钻头100，但是本领域技术人员将容易地理解，可以使用模具组件300的变型来帮助制造上述任何渗透的井下工具，而不脱离本公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模具组件系统，其包括：模具组件，所述模具组件限定用于形成渗透金属基复合材料(MMC)工具的渗透室；增强材料，所述增强材料沉积在所述渗透室内；粘合剂材料，所述粘合剂材料渗透所述增强材料；以及至少一个预成型网状物，所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内并且嵌入在所述增强材料内，所述至少一个预成型网状物包括多孔本体并且在渗透后向所述渗透MMC工具提供骨架增强。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种模具组件系统，其包括：模具组件，所述模具组件限定用于形成渗透金属基复合材料(MMC)工具的渗透室；增强材料，所述增强材料沉积在所述渗透室内；粘合剂材料，所述粘合剂材料渗透所述增强材料；以及至少一个预成型网状物，所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内并且嵌入在所述增强材料内，所述至少一个预成型网状物包括多孔本体并且在渗透后向所述渗透MMC工具提供骨架增强。2.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述渗透MMC工具为选自由以下各项组成的组的工具：油田钻头或切削工具；不可回收的钻井部件；与井筒套管钻井相关联的铝钻头体；钻柱稳定器；牙轮钻头的牙轮；用于锻造用于制造牙轮钻头的支撑臂的冲模的模型；固定扩孔器的臂；可扩张扩孔器的臂；与可扩张扩孔器相关联的内部部件；可附接到旋转钻头的井口端的套筒；旋转式转向工具；随钻测井工具；随钻测量工具；侧壁取芯工具；打捞矛；套洗工具；用于井下钻井电机的转子、定子和/或壳体；用于井下涡轮机的叶片；以及它们的任意组合。3.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述至少一个预成型网状物还包括从所述多孔本体朝向所述渗透室的内壁延伸的一个或多个支座，并且其中所述一个或多个支座与所述渗透室的所述内壁啮合并且在所述多孔本体与所述渗透室的所述内壁之间提供偏移间距。4.根据权利要求3所述的模具组件系统，其中所述偏移间距沿所述渗透室的所述内壁的全部或一部分变化。5.根据权利要求3所述的模具组件系统，其中所述一个或多个支座包括选自由以下各项组成的组的结构：杆、销、柱、垂直设置的翅片、水平设置的板、它们的任意组合等等。6.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述多孔本体呈现出选自由以下各项组成的组的截面形状：圆形、卵形、波状、齿形、椭圆形、规则多边形、不规则多边形、波状、雉堞状、具有锐角的雉堞状、具有圆角的雉堞状、不对称几何形状以及它们的任意组合。7.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述至少一个预成型网状物悬置在所述渗透室内。8.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述至少一个预成型网状物包括选自由以下各项组成的组的材料：金属、金属合金、超级合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石、金属泡沫以及它们的任意组合。9.根据权利要求8所述的模具组件系统，其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的硬质金属：铍、铪、铱、铌、锇、铼、铑、钌、钽、钒、镍、铬、钼、钨、它们的任意组合；以及上述与所述粘合剂材料的任何合金。10.根据权利要求8所述的模具组件系统，其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的延性金属：铜、银、铅、锡、铟、铋、锂、镁、硅、锑、金、锌以及它们的任意合金。11.根据权利要求8所述的模具组件系统，其中所述至少一个预成型网状物包括所述材料中的两种或更多种。12.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述至少一个预成型网状物是使用以下至少一种方法制造的：增材制造、烧结、粉末冶金、铸造、机械织造、机械紧固、定位焊、钎焊、激光钻孔、物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、化学溶液沉积、等离子体增强化学气相沉积、阴极电弧沉积、电流体力学沉积、离子辅助电子束沉积、电解电镀、无电电镀、热蒸发、将所述预成型网状物的部分浸渍在熔融金属熔池中以及它们的任意组合。13.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述至少一个预成型网状物包括在所述渗透室内定位在选择位置处的一个或多个插入物。14.根据权利要求1所述的模具组件系统，其中所述至少一个预成型网状物包括多个三维多面体骨架元件，所述多个三维多面体骨架元件结合形成所述至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·B·沃格拉维地，G·O·库克，G·T·奥尔森，
申请(专利权)人：哈里伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US