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    寧波材料所在金屬陶瓷深鉆材料研發與應用方面取得重要進展

    文章來源:寧波材料技術與工程研究所  |  發布時間:2023-12-13  |  【打印】 【關閉

      

      我國深層油氣資源豐富,但開采難度較大,目前石油、天然氣對外依存度高達70%和45%,深層油氣的勘探開發是國家能源安全的重要保障。深海、深地鉆探過程中,高溫、磨損、腐蝕等多因素強耦合導致鉆探機具關鍵運動部件的服役壽命急劇衰減。金屬陶瓷是由難熔金屬化合物和粘結金屬由粉末冶金法燒結而成的一類復合材料,因兼具陶瓷的高強度、耐腐蝕和金屬的高韌性、抗沖擊等優點,被作為耐磨強化材料廣泛應用于徑向軸承、扶正器、萬向軸等部件的摩擦接觸面上。金屬陶瓷復合材料強韌、耐磨、耐蝕性能的協同提升是深海、深地鉆具運動部件延壽的關鍵。

      中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室金屬基復合材料AI創制團隊在??煽裳芯繂T的帶領下,采用耦合多尺度理論計算與關鍵實驗的集成計算材料工程方法,揭示了典型金屬粘結相與陶瓷硬質相在熱-力、力-電化學耦合條件下的相變規律與損傷機理(Acta Mater. 2021, 205, 116545; Int. J. Refract. Metal Hard Mater. 2024, 119, 106519);在此基礎上,基于自主構筑/開發的多元金屬基復合材料數據庫與材料智能設計軟件建立了成分-工藝-結構-性能的映射關系(Scripta Mater. 2022, 219, 114893; Mater. Res. Lett. 2023, 11(2), 152-158; Ceram. Int. 2022, 48(7), 10086-10097),實現了強韌、耐磨、耐蝕金屬陶瓷新體系的定向設計,其中高溫磨損率較傳統體系降低15%以上、海水環境腐蝕電流密度降低至少1個數量級(Compos. B Eng. 2023, 249, 110400; Wear 2023, 530, 205021; Int. J. Refract. Metal Hard Mater. 2023, 110, 106044)。

      進一步,中國科學院寧波材料技術與工程研究所與中國石油集團北京石油機械有限公司、濰坊珀琦石油機械有限公司合作開展了新型金屬陶瓷材料在鉆具軸承、萬向軸等關鍵部件上的集成應用研究。通過浸漬燒結焊料、溫度的理論設計與實驗驗證,研發團隊完成了172mm直徑鉆具上/下徑向軸承動/靜圈的研制,已交付并完成傳動軸總成裝配,將在大慶油田開展為期1個月的實地考核驗證。本次金屬陶瓷復合材料的集成應用標志著聯合攻關團隊在材料設計制備與部件加工制造方面邁出了重要一步,目前正在攻關數據驅動智能創制方法加速新材料迭代,助力我國萬米特深井重大鉆探工程的順利實施。

      上述工作得到了國家重點研發計劃(2022YFB3706600)、國家自然科學基金(52222507、52101108)、寧波市3315創新團隊等項目的支持。

    圖1 金屬陶瓷復合材料的耦合損傷機理、成分結構調控與加工制備工藝

    圖2 新型金屬陶瓷徑向軸承裝配至中石油螺桿鉆具傳動軸總成

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