Mewn meysydd diwydiannol fel drilio olew a nwy ac archwilio daearegol, mae compact diemwnt polycrystalline (PDC) wedi dod yn ddeunydd allweddol sy'n cefnogi amodau gwaith eithafol oherwydd ei galedwch uchel iawn, ei wrthwynebiad gwisgo a'i wrthwynebiad effaith. Mae gan y meysydd olew a nwy byd-eang alw blynyddol am PDC sy'n fwy na 4.5 biliwn o ddoleri'r UD, ac mae dros 90% o gyfanswm y ffilm mewn drilio olew a nwy yn cael ei gwblhau gan ddarnau PDC. Fodd bynnag, mae heriau haenau dwfn a chymhleth - caledwch uchel-creigiau sgraffiniol, llwythi effaith cryf a thymheredd uchel - yn gwthio PDC i mewn i "dagfa": cyfradd drilio mecanyddol isel (ROP) y darn dril, bywyd gwasanaeth byr, dadlaminiad hawdd a naddu'r haen diemwnt, a hyd yn oed methiant gwisgo thermol, sy'n effeithio'n ddifrifol ar ei fywyd gwasanaeth drilio, sy'n effeithio'n ddifrifol.
Mewn ymateb i'r pwynt poen diwydiannol hwn, mae technoleg triniaeth cryogenig wedi'i harchwilio i'w chymhwyso i wella perfformiad PDC. Mae triniaeth cryogenig, sy'n cynnwys gosod deunyddiau i amgylchedd islaw - gradd 130 ar gyfer "addasu tymheredd uwch-isel", yn flaenorol wedi dangos effeithiau sylweddol ar ddur, aloion alwminiwm, ac offer aloi caled: trwy waddodi cyfnodau cryfhau a gwneud y gorau o straen gweddilliol, mae wedi gwella cryfder a gwrthiant gwisgo'r deunyddiau yn sylweddol. Felly, ar gyfer PDC, deunydd cyfansawdd o "aloi caled + diemwnt", a all triniaeth cryogenig dorri trwy ei dagfa perfformiad?
Yn ddiweddar, mae dull trin cryogenig dwfn arloesol ar gyfer platiau cyfansawdd PDC wedi dod i'r amlwg. Mae'r dull hwn yn cynnwys rheoli'r gyfradd newid tymheredd yn union, gan oeri'r platiau cyfansawdd PDC yn raddol i -196 gradd a'u dal ar y tymheredd hwn am 24 awr, yna eu cynhesu'n araf yn ôl i dymheredd yr ystafell. Mae'r broses hon yn cael ei hailadrodd ddwywaith i gwblhau'r driniaeth cryogenig dwfn. Mae data arbrofol yn dangos, ar ôl triniaeth cryogenig dwfn, bod micro-galedwch PDC yn cynyddu 10.4% (cynnydd o 5.3 GPa), mae'r ymwrthedd gwisgo (wedi'i fesur gan y gymhareb gwisgo) yn gwella 11.8%, ac mae'r caledwch effaith yn cynyddu 79.4% (o tua 234 J i 420 J). Mae'r data hyn yn dangos yn uniongyrchol y gwelliant sylweddol mewn perfformiad PDC a ddaeth yn sgil triniaeth cryogenig dwfn.
Ffig. 1. Diagram sgematig o sampl PDC.
Ffig{0}} Diagram sgematig o system trin cryogenig CDW-196.
Ffig. 3. Proses trin cryogenig.
Ffig. 4. Diagram sgematig o brawf VTL.
Ffig{0}} Diagram sgematig o brawf caledwch effaith PDC.
Ffig. 6. Diagram sgematig o leoliadau prawf Raman ar haen PCD.
Ffig. 7. Lluniau o'r darnau PDC (chwith) a'r fainc prawf drilio (dde).
Ffig. 8. Micro-galedwch PDC heb ei drin a'i drin yn cryogenig.
Ffig. 9. Cymhareb gwisgo PDC heb ei drin a'i drin yn cryogenig.
Ffig. 10. Gwisgwch yn fflat ar ôl 30 pas o (a) PDC heb ei drin a (b) PDC wedi'i drin yn cryogenig.
Ffig{0}} Effaith canlyniadau profion caledwch PDC heb ei drin a'i drin yn cryogenig.
Ffig. 12. Cymhariaeth o ROP cyfartalog pob taith gron.
At hynny, trwy ddull prawf JB-T3235-1999 ar gyfer cymhareb traul cyrff sintered diemwnt synthetig, cynhaliwyd prawf cymharol ar ddalennau cyfansawdd PDC a oedd wedi cael triniaeth cryogenig ddwfn a'r rhai nad oedd wedi cael triniaeth cryogenig ddofn. Dangosodd y canlyniadau fod cymhareb gwisgo'r taflenni cyfansawdd PDC ar ôl triniaeth cryogenig dwfn wedi gostwng 42%, gan nodi gwelliant sylweddol yn eu gwrthiant gwisgo. Mewn profion drilio maes, cynyddodd cyfradd drilio mecanyddol darnau dril PDC â thriniaeth cryogenig ddwfn 27.8%, a chynyddodd y newydd-deb wrth adael y ffynnon 35%, gan wirio ymhellach effeithiolrwydd technoleg trin cryogenig dwfn wrth wella perfformiad darnau dril PDC.
Felly, sut mae triniaeth cryogenig yn cyflawni'r naid perfformiad hwn? Mae dadansoddiadau microsgopeg electron sganio (SEM), sbectrosgopeg gwasgaredig ynni (EDS), a dadansoddiadau diffreithiant pelydr X (XRD) yn datgelu'r newidiadau yn ei ficrostrwythur: mae triniaeth cryogenig yn sbarduno dyddodiad mwy o η-Co (cyfnod cryfhau cobalt) a WC (twngsten carbide) yn dod yn gul, ac mae'r ffiniau "gweynydd neter" a'r "netser" yn gulach yn dod yn gulach deunydd, gan wella ei wrthwynebiad gwisgo a sefydlogrwydd thermol. Yn y cyfamser, mae dadansoddiad sbectrosgopeg Raman yn dangos bod straen cywasgol mewnol PDC yn cynyddu'n sylweddol ar ôl triniaeth cryogenig, mae straen tynnol yn lleihau neu hyd yn oed yn "gwrthdroi straen cywasgol", ac mae nifer fawr o "graciau rhynggroenynnol" yn ymddangos. Yr ailddosbarthu straen hwn a thrawsnewid modd torri asgwrn yw union fecanweithiau craidd y naid mewn caledwch effaith.
Mae triniaeth cryogenig dwfn nitrogen hylif nid yn unig yn gwella'n sylweddol caledwch, ymwrthedd gwisgo a chaledwch effaith platiau cyfansawdd PDC, ond hefyd yn gwneud y gorau o'u microstrwythur, gan wella'n sylweddol eu priodweddau mecanyddol a'u perfformiad drilio, gan ddod â newidiadau chwyldroadol i'r maes drilio olew a nwy. Mae wedi cyflawni trawsnewidiad effeithiol o ymchwil labordy i gymhwysiad peirianneg. Mae'r dechnoleg hon yn chwistrellu bywiogrwydd newydd i ddeunyddiau traddodiadol ac mae wedi dod yn un o'r ffyrdd pwysig o dorri trwy dagfa effeithlonrwydd drilio dwfn.
