3D打印金刚石复合片及其钻头的研究进展

吴晶晶　张绍和　曲飞龙　苏舟　孔祥旺　何焘

关键词 3D 打印；金刚石复合片；金刚石复合片钻头；模具成形；复杂结构

中图分类号 TG74; TQ164 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0014-09

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.3003

收稿日期 2022-07-03 修回日期 2022-08-13

聚晶金刚石复合片（ polycrystalline diamond compact，PDC），是由聚晶金刚石与硬质合金基体在高温高压条件下烧结而成的一种复合超硬材料[1]。采用PDC 作为切削齿的PDC 钻头，由于其在软到中硬地层中具有钻速快、寿命长、可靠性高、综合效益显著等优点[2]，因而在石油、天然气、地热开发等领域的钻井工程中得到广泛的应用。

目前，石油工业的发展十分迅速。随着我国油气开发的深入，油气开采逐渐进入隐蔽油气藏的开发阶段[3]，所钻探的油井数目也在逐渐增加，未来钻井将会钻遇更多复杂地层[4]，且国家“十四五”规划和2035 年远景目标纲要中强调将加强地球深部矿产资源、油气勘探开发作为“深地深海”前沿领域优先突破方向，故此，对PDC 钻头的综合性能尤其是钻进效率提出了更高的要求和标准。为了应对多样化地层的提速问题，各大石油公司对常规PDC 钻头进行了改进，其中钻头体、切削齿结构的改进和创新是PDC 钻头提速的主攻方向，主要体现为创新形状和结构，实现切削齿多样化。采用异形、薄壁、微型等复杂结构的钻头体、切削齿以实现高效钻进，是PDC 钻头一个新的研究方向，但钻头结构的复杂程度越高，其生产加工的难度也会随之增大。

常规PDC 钻头的制造工艺主要有2 种[5]：一种是铣削成形工艺，主要将圆钢进行车削、三轴、五轴等加工锻造成所需钻头体，再将切削齿镶嵌在钻头体上；另一种是烧结成形工艺，即将粉末和钢体在模具内经高温烧结而成钻头体，再镶焊PDC 切削齿。但这2 种制造工艺均存在工序复杂、制作周期长、成本较高等问题，且第2 种方法在加工钻头模型时精度较低，导致难以在制造过程中有效体现钻头的设计水平[6]。对于追求高质量要求的钻头行业来说，目前的制造工艺难以实现特殊复杂结构钻头的生产，因此，应用智能制造技术以缩短PDC 钻头制作周期，并提高其性能，成为了一个新的研究课题。

3D 打印技术，又称为增材制造（additive manufacturing，AM）技术，是一种“自下而上”通过材料逐层累加的制造方法[7]，实现工件从无到近净成形。它被美国“America Makes” 、欧盟“ Horizon 2020” 、德国“ 工业4.0”、“中国制造2025”等战略计划列为提升国家竞争力、应对未来挑战亟需发展的先进制造技术[8]。与传统的机械加工模式不同，3D 打印从原理上突破了传统构件的结构设计和制造模式，不需要模具、刀具等工具，免除了传统工艺需要多道加工程序的烦琐过程，可将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，使成形精密和具有复杂结构的零部件制造更加便捷[9-11]。因此，3D 打印技术可为具有复杂结构的PDC 钻头制造提供全新的思路。

本文将总结目前3D 打印技术在PDC 钻头制造行业的应用现状，主要包括3D 打印金刚石复合片、金刚石复合片钻头模具及金刚石复合片钻头的制造工艺流程及实际应用，并对3D 打印PDC 及其钻头未来的发展前景进行展望，以期为PDC 钻头制备的发展方向提供参考。

1 3D 打印技术的分类与特点

3D 打印技术是制造業领域正在迅速发展的一项新兴智能制造技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”[12-13]。它是一种以数字模型文件为基础，采用离散材料液体和粉末等，通过逐层累加的方式来制造任意复杂形状物体的技术。近年来，3D 打印技术作为一项前沿性的先进制造技术迅猛发展，并且正迅速改变着人们的生产生活方式，在工业制造、生物医学、建筑制造、文化艺术等领域逐步发挥了重要的作用[11， 14]。

目前，3D 打印技术已有十余种成形工艺，不同的成形工艺有不同的特色。根据目前已有的报道，可用于制造PDC 及其钻头的3D 打印工艺方法主要有光固化成形技术（stereo lithography apparatus， SLA）、熔融沉积技术（ fused deposition modeling， FDM） 、激光选区烧结技术（selected laser sintering， SLS）、激光选区熔化技术（selective laser melting， SLM）、喷墨粘粉式制造技术（three dimensional printing， 3DP）等，而采用其它3D 打印技术来制造PDC 及其钻头的研究较少。所列举的主要成形工艺的原理及特点如表1 所示[15-21]，均通过工作台沿Z 向逐层向下而实现分层。

2 3D 打印金刚石复合片

2.1 电子束选区熔化3D 打印硬质合金?金刚石复合材料

针对传统WC-Co 硬质合金的硬度与强韧性之间存在的相互制约问题，湖南伊澍智能制造有限公司[22]提出采用电子束选区熔化3D 打印工艺制备硬质合金-金刚石复合材料，以期提高材料的断裂韧性、硬度和耐腐蚀性。该复合材料主要包含粒径为45～105 μm的WC-Co 硬质合金和粒径为45～10⁵μm 的金刚石，且这2 种材料的质量比为（420～430）：（3～4）。3D 打印成形过程中，先对WC-Co 硬质合金进行电子束熔化扫描，然后对金刚石进行电子束熔化扫描，如此反复逐层叠加，最终形成厚度≤3 mm 的硬质合金-金刚石复合材料。其中，WC-Co 硬质合金电子束熔化扫描过程中的工艺参数为：扫描速率为1.0 × 104～6.0 × 10⁴ mm/s，扫描电流为0.5～10 mA，熔化温度为1 380～1 460 ℃；而对金刚石进行电子束熔化扫描的扫描速率为1.0 × 10⁴～1.0 ×10⁵mm/s， 扫描电流为6～ 20 mA， 熔化温度为1 400～1 450 ℃。

同时，湖南伊澍智能制造有限公司对不同材料质量比和工艺参数条件下的硬质合金-金刚石复合材料的导热系数、摩擦系数、热膨胀系数和冲击韧性值进行了测试，如表2 所示。测试结果显示，采用电子束选区熔化3D 打印工艺制备的硬质合金-金刚石复合材料具有较好的硬度和断裂韧性，且使用过程中能够较好地避免涂层剥落。

2.2 3D 打印金刚石复合片

针对金刚石复合片存在的结构单一、成形依赖成本高且制作周期长的模具等问题，研发机构和单位尝试在金刚石复合片的制造中引入3D 打印技术。倪培燊等[23] 以WC-Co 硬质合金与金属合金为材料，采用SLM及3DP 方法制备带有三维骨架硬质合金基体，然后将金刚石微粉填入硬质合金基体的三维结构空隙中，结合六面顶压机高温高压烧结工艺得到三维骨架硬质合金基体的聚晶金刚石复合片，如图1 所示。同时，研究者对不同骨架材料和不同工艺条件下的聚晶金刚石复合片的平均落球冲击次数进行了测试，如表3 所示。测试结果表明，具备三维骨架硬质合金基体的聚晶金刚石复合片，其抗冲击性能明显提高。

另一方面，在制造金刚石复合片时，目前大多采用Co 作为黏合剂，但因其比金刚石具有更大的热膨胀系数，会对最终制备的金刚石复合片的耐磨性、抗冲击韧性和寿命产生较大的影响。为此，梁家昌等[24-25]提出了2 种无需添加Co 作为粘结相的高品质金刚石复合片的制备方法。第一种为渐变层结构的金刚石复合片，包括由下而上依次设置的基体、基体-金刚石渐变过渡层、金刚石层、金刚石-镍渐变过渡层、镍层，不含钴类粘合剂（如图2）。该结构的复合片采用双束3D 打印设备实现，即采用热加工的大功率连续激光束与冷加工的超快脉冲激光束交替加工的双束3D 打印设备制得，这样可使得渐变层结构各界面上无热学与力学性质的突变，最终形成一种高品质金刚石复合片。第二种则以铬钼合金作为金刚石复合片的基体材料，加工金刚石复合片基体；同时采用冷热交替的3D 打印工艺完成金刚石复合片层的制备，最终按照预先的设计将金刚石粉末打印在金刚石复合片基体上，得到金刚石复合片，该工艺流程如图3 所示。采用此工艺获得的金刚石复合片具有高耐磨、高耐热、高抗冲、高寿命的优良特性。

3 3D 打印金刚石复合片钻头

将3D 打印技术引入PDC 钻头的生产制造中，一方面可以实现复杂结构PDC 钻头的成形，提高钻头的加工精度；另外，可以大大缩短PDC 钻头的制作周期，加快钻头制造商对市场的反应。目前，3D 打印技术在PDC 钻头中的应用主要体现在PDC 钻头的模具制造，再结合软膜成形工艺或熔模铸造法等完成PDC 钻头的制造，即间接3D 打印PDC 钻头；也有部分钻头公司和研究者已经开始着手采用3D 打印技术实现PDC 钻头的一体化成形方面的研究。

3.1 3D 打印金刚石复合片钻头模具

模具成形是烧结式PDC 钻头制造中的一个重要环节，也是准确实施钻头设计的关键，模具成形精度及质量直接影响成品PDC 钻头的性能[26]。传统PDC 钻头制造过程中大多采用手工刻模，存在成形精度较低、生产效率低、产品开发周期长等问题，且难于形成复杂的模具结构。因此，将3D 打印技术引入PDC 钻头的模具制造中是3D 打印技术在石油井下工具产品制造过程中模具方面的典型应用。

为了提高钻头母模的制作精度与效率，史密斯国际公司的Southland[27] 最早提出通过三维钻头几何形状的计算机辅助设计，将设计的几何数据传输到分层设备，而分层逐次使用蜡或其他材料构建钻头模具。模具成形后，将钢或碳化钨粉末倒入模具中，并通过压磨成形或用粘合剂渗透固化成形钻头体。国内学者们也相继提出采用SLA 技术制造PDC 钻头模具，其打印流程通常是先采用SLA 技术制作PDC 钻头的阴模及模衬（或称母模），并将其装配在一起翻制出橡胶公模（图4a）[28]，再利用该公模制造出加工钻头的陶瓷烧结模具（图4b）。周龙昌等[29-30] 将采用SLA 技術加工的烧结模具与传统压模成形与铣模成形加工的模具进行加工误差和周期对比，发现新工艺加工的模具精度大幅度提高，且开发周期和批量生产周期均大大缩短。现场使用证明，利用该新工艺生产的PDC 钻头比压模工艺生产的钻头平均进尺和平均机械钻速分别提高16.85% 和11.66%。李锁智等[26] 采用SLA 工艺制造了Φ113 烧结式PDC 钻头基础模具（图5a），打印模型与设计模型尺寸误差≤0.1 mm，同时按照软模成形工艺试制了2 只钻头，且在现场试验中，试制钻头的使用寿命与钻进效率均较高。

此外，梅筱琴等[31-32] 还对FDM 工艺在PDC 钻头基础模具制作过程中的应用进行了研究。该工艺过程与采用SLA 技术加工PDC 钻头模具的工艺过程类似，主要利用FDM 技术制造PDC 钻头基础母模，再将其经过翻制得到可烧制的钻头模具。图6 为采用FDM 3D 打印技术制造的钻头基础模具及其硅胶模。CHOU 等[33]则尝试利用热力喷射实体打印机打印蜡模具，再结合熔模铸造法完成PDC 钻头的制造。图7 为熔模铸造工艺流程图，其中图7a 为采用3D 打印技术制作的蜡模具。

采用上述3D 打印技术制作的PDC 钻头模具，一方面需要经过2 次翻制或熔模铸造才能得到用于烧结的模具，工艺相对烦琐，且翻制过程中存在的人为不确定因素会对最终的成形模具质量产生影响；另一方面，软膜成形工艺转化模具的过程中，采用的橡胶有弹性收缩性，对模具精度有较大影响。针对上述问题，姚建林等[34] 采用3D 打印技术直接打印用于胎体钻头生产的烧结模具。3D 打印的材料为覆膜砂，成形的模具可以直接烧结钻头成形，钻头制作精度高且制造周期短。然而，覆膜砂的导热系数低且热膨胀系数大，以其为原料的成形模具在1 000 ℃～1 300 ℃ 高温下进行长时间烧结，容易出现开裂甚至溃散等问题，导致最终制备的PDC 钻头质量和精度降低。为此， 王秋涛等[35] 将15～ 30 份耐火材料和5～ 10 份粘结剂加入60～ 80 份石墨粉末中制备3D 打印用石墨复合材料，采用粘结剂喷射成形或选区激光烧结成形等3D 打印工艺制备PDC 钻头石墨模具，同时结合沥青浸渍后处理方法，不仅有效解决了以覆膜砂为原料的模具在烧结过程中易开裂、易氧化等问题，且3D 打印模具的致密度和机械强度也大幅度提高。另外，游娜等[28] 提出使用SLS 技术以树脂砂为材料烧结成形的模具，经二次固化后可以直接装入石墨壳体中用于PDC 钻头的烧结，如图8所示。贺波等[36] 利用陶瓷砂或树脂砂作为烧结材料，通过激光快速成形打印PDC 钻头模具，成形过程中的工艺参数：激光功率为40～60 W，预热温度为40～85 ℃，铺砂厚度0.15～0.35 mm，扫描速度2 500～3 500 mm/s。采用该方法制造的PDC 钻头的精度大大提高，工期也大大缩短。

3.2 3D 打印金刚石复合片钻头

随着3D 打印技术的快速发展，为了进一步优化PDC 钻头的设计与制造，多家单位开始尝试应用3D 打印技术直接实现PDC 钻头一体化成形。石一先[37] 提供了一种采用3D 打印技术直接打印PDC 钻头体的方法，即利用高能激光或电子束按照扫描路径直接打印金属材质的PDC 钻头体。但该方法所制造的钻头体强度无法满足井下复杂的环境状况，不能应用于实际的石油天然气钻井。美国BlueFire Equipment 公司[38-40]尝试采用3D 打印技术制造PDC 钻头，利用Solid Works软件开发设计出高度复杂的钻头，将其交给得克萨斯的3D 打印公司进行制造。为了使钻头在多种岩层中都具有較高的破岩效率，设计了较大的PDC 切削面，并在钻头体上设计横向水眼，以提高钻头的清洁和冷却效率。试验证实，这些设计使切削结构表面的温度降低30% 以上，大大减少了切削片的热磨损，延长了钻头寿命。另外，谭小红[5] 公开了一种SLM 3D 打印制备PDC 钻头工艺。该工艺涉及的成形材料按其重量份包括碳化钨粉100 份、钴粉4.8 份、镍粉1.8 份和预处理炭粉1.2 份。与传统工艺制造的PDC 钻头进行对比，3D 打印工艺制备PDC 钻头的工期缩短了64%，PDC 胎体价格降低40% 以上，且PDC 钻头的强度增强了50%，抗侵蚀性增长400%。

此外，西迪技术股份有限公司[40-42] 采用具有自主知识产权的金属3D 打印技术，创造性地实现了PDC钻头接头结构和胎体的快速成形以及材料性能的改进，同时为了规范和引导3D 打印PDC 钻头的生产与研发，制定了3D 打印PDC 钻头企业标准。虽然该企业标准是基于西迪公司自主研发的3D 打印PDC 钻头工艺为前提提出，适用范围有限，但该企标的提出可为未来3D 打印PDC 钻头的企标和国标的统一提供借鉴。

4 结语及展望

3D 打印技术代表了一种不同于传统加工技术的加工方式，国内外学者将其引入PDC 及其钻头的制造中。文中介绍了目前用于制造PDC 及其钻头的3D 打印技术的基本原理及其在PDC 及其钻头制备方面的研究进展。虽然近年来开展了相关研究，但在工业生产中，使用远不如研究所进行的状况，主要体现在：

（1）PDC 钻头的高性能要求，使得目前3D 打印技术在PDC 钻头制造中的应用主要集中在PDC 钻头基础模具制造领域。根据目标地层，开发适用于PDC钻头的高性能材料，实现个性化定制的PDC 钻头一体化成形是未来发展的重要方向。

（2）采用高能激光或电子束进行扫描熔化过程中，金刚石容易产生石墨化现象，继而影响钻头的质量，未来应重点面向高能激光打印技术研发适温的结合剂以及金刚石热防护技术，提高金刚石热稳定性，同时优化激光参数，提高金刚石与金属间的界面结合强度。

（3）3D 打印制造过程中的高冷却速率和高温等条件，不可避免地会在材料中形成残余应力，需要通过优化工艺和材料梯度结构设计来缓解残余应力，提高材料和钻头的服役性能。

（4）虽已有相应的3D 打印PDC 钻头企业标准，但针对3D 打印过程中涉及的仪器设备、材料及制造的PDC 钻头性能评价等缺乏相应的标准，为了保证规范性，对其相应设备、材料、性能评价、安全等多个方面进行规范也是未来需要重点关注的问题之一。