Dalam bidang perindustrian seperti penggerudian minyak dan gas dan penerokaan geologi, polycrystalline diamond compact (PDC) telah menjadi bahan utama yang menyokong keadaan kerja yang melampau disebabkan kekerasan ultra-tinggi, rintangan haus dan rintangan hentamannya. Medan minyak dan gas global mempunyai permintaan tahunan untuk PDC melebihi 4.5 bilion dolar AS, dan lebih 90% daripada jumlah rakaman dalam penggerudian minyak dan gas disiapkan oleh bit PDC. Walau bagaimanapun, cabaran strata - tinggi-kekerasan batuan yang mendalam dan kompleks, beban hentaman kuat dan suhu tinggi - mendorong PDC ke dalam "bottleneck": kadar penggerudian mekanikal rendah (ROP) mata gerudi, hayat perkhidmatan yang singkat, penembusan mudah dan serpihan lapisan berlian, dan juga kecekapan kehausan terma menjejaskan hayat perkhidmatannya secara serius, yang menjejaskan hayat perkhidmatan kehausan terma yang serius.
Sebagai tindak balas kepada titik kesakitan industri ini, teknologi rawatan kriogenik telah diterokai untuk aplikasi dalam meningkatkan prestasi PDC. Rawatan kriogenik, yang melibatkan bahan tertakluk kepada persekitaran di bawah -130 darjah untuk "pengubahsuaian suhu ultra-rendah", sebelum ini telah menunjukkan kesan ketara pada keluli, aloi aluminium dan alatan aloi keras: dengan memendakan fasa pengukuhan dan mengoptimumkan tegasan baki, ia telah meningkatkan kekuatan dan rintangan haus bahan dengan ketara. Jadi, untuk PDC, bahan komposit "aloi keras + berlian", bolehkah rawatan kriogenik menembusi kesesakan prestasinya?
Baru-baru ini, kaedah rawatan kriogenik mendalam yang inovatif untuk plat komposit PDC telah muncul. Kaedah ini melibatkan kawalan tepat kadar perubahan suhu, secara beransur-ansur menyejukkan plat komposit PDC kepada -196 darjah dan menahannya pada suhu ini selama 24 jam, kemudian perlahan-lahan memanaskannya kembali ke suhu bilik. Proses ini diulang dua kali untuk melengkapkan rawatan kriogenik yang mendalam. Data eksperimen menunjukkan bahawa selepas rawatan kriogenik dalam, kekerasan mikro PDC meningkat sebanyak 10.4% (peningkatan 5.3 GPa), rintangan haus (diukur mengikut nisbah haus) bertambah baik sebanyak 11.8%, dan keliatan impak melonjak sebanyak 79.4% (dari kira-kira 234 J hingga 420 J). Data ini secara langsung menunjukkan peningkatan ketara dalam prestasi PDC yang disebabkan oleh rawatan kriogenik yang mendalam.
Rajah. 1. Gambarajah skematik sampel PDC.
Rajah. 2. Gambarajah skematik sistem rawatan kriogenik CDW-196.
Rajah. 3. Proses rawatan kriogenik.
Rajah. 4. Gambar rajah skema ujian VTL.
Rajah. 5. Gambar rajah skema ujian keliatan kesan PDC.
Rajah. 6. Gambar rajah skema kedudukan ujian Raman pada lapisan PCD.
Rajah. 7. Gambar bit PDC (kiri) dan bangku ujian penggerudian (kanan).
Rajah. 8. Kekerasan mikro PDC yang tidak dirawat dan dirawat secara kriogenik.
Rajah. 9. Nisbah pakai PDC yang tidak dirawat dan dirawat secara kriogenik.
Rajah. 10. Pakai rata selepas 30 pas (a) PDC yang tidak dirawat dan (b) PDC yang dirawat secara kriogenik.
Rajah. 11. Keputusan ujian keliatan kesan bagi PDC yang tidak dirawat dan dirawat secara kriogenik.
Rajah. 12. Perbandingan purata ROP bagi setiap perjalanan pergi dan balik.
Tambahan pula, melalui kaedah ujian JB-T3235-1999 untuk nisbah haus badan tersinter berlian sintetik, ujian perbandingan telah dijalankan pada helaian komposit PDC yang telah menjalani rawatan kriogenik dalam dan yang tidak. Keputusan menunjukkan bahawa nisbah haus helaian komposit PDC selepas rawatan kriogenik dalam menurun sebanyak 42%, menunjukkan peningkatan ketara dalam rintangan hausnya. Dalam ujian penggerudian lapangan, kadar penggerudian mekanikal bit gerudi PDC dengan rawatan kriogenik dalam meningkat sebanyak 27.8%, dan kebaharuan apabila keluar dari telaga meningkat sebanyak 35%, seterusnya mengesahkan keberkesanan teknologi rawatan kriogenik dalam dalam meningkatkan prestasi bit gerudi PDC.
Jadi, bagaimanakah rawatan kriogenik mencapai lonjakan prestasi ini? Pengimbasan mikroskop elektron (SEM), spektroskopi penyebaran tenaga (EDS) dan analisis pembelauan sinar-X (XRD) mendedahkan perubahan dalam struktur mikronya: rawatan kriogenik mencetuskan pemendakan lebih banyak η-Co (fasa pengukuhan kobalt) dan WC (tungsten karbida) fasa jernih, dan membentuk fasa jernih yang lebih sempit "jaring pelindung" yang lebih padat dalam bahan, meningkatkan rintangan haus dan kestabilan haba. Sementara itu, analisis spektroskopi Raman menunjukkan bahawa tegasan mampatan dalaman PDC meningkat dengan ketara selepas rawatan kriogenik, tegasan tegangan berkurangan atau malah "berbalik kepada tegasan mampatan", dan sebilangan besar "retak intergranular" muncul. Pengagihan semula tegasan dan transformasi mod patah ini adalah mekanisme teras lonjakan dalam keliatan impak.
Rawatan kriogenik dalam nitrogen cecair bukan sahaja meningkatkan kekerasan, rintangan haus dan keliatan hentaman plat komposit PDC dengan ketara, tetapi juga mengoptimumkan struktur mikronya, meningkatkan sifat mekanikal dan prestasi penggerudian dengan ketara, membawa perubahan revolusioner kepada medan penggerudian minyak dan gas. Ia telah mencapai transformasi yang berkesan daripada penyelidikan makmal kepada aplikasi kejuruteraan. Teknologi ini menyuntik tenaga baharu ke dalam bahan tradisional dan telah menjadi salah satu cara penting untuk menembusi kesesakan kecekapan penggerudian dalam.
