一種泥漿泵缸套用LaMgAl₁₁O₁₉-SiC-Al₂O₃復相陶瓷材料的製作方法

2023-10-05 11:02:59

專利名稱：一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料的製作方法
技術領域：
一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料，屬於特種陶瓷及耐磨材料技術領域。
背景技術：
隨著淺層易開採的油氣資源逐漸被採殆盡，油氣資源的開發向深井、超深井鑽探技術方向發展，勘探的難度以及成本也越來越大，同時對鑽探設備和井下機具的使用壽命也提出了更高的要求。泥漿泵是鑽井泥漿循環系統的關鍵設備，相當於鑽井設備的心臟。它的主要作用是向井底輸送高壓泥漿，以便冷卻鑽頭、衝洗井底，並帶走鑽探過程中產生的巖屑，進而輔助鑽頭鑽進。泥漿泵服役工況條件十分惡劣，在工作過程中，泥漿泵輸送的是一 種含砂、高壓，有一定粘度、密度和腐蝕性的鹼性鑽井液介質，其使用性能的好壞會對鑽井的速度和質量產生直接影響，一旦失效就得停鑽維修或更換零件，極大地影響了鑽進的效率，給油氣鑽探行業造成較大經濟效益。缸套是鑽井泵的關鍵易損件，泥漿泵通過活塞在缸套裡的往復運動將泥漿液輸送到井底，缸套和活塞是泵壓的直接承受部件。在工作過程中泥漿泵缸套一般要承受15MPa以上的壓力，泥沙含量高，pH值為10 12，缸套直接受到磨料磨損和介質腐蝕的雙重作用，當磨損量達O. 2 O. 3mm時，造成泥漿洩漏，泵壓下降，導致缸套損毀。。特別是現代泥漿泵發展到大功率、大排量、高壓力後，所輸送的泥漿液成分也變得複雜，因此，延長泥漿泵缸套等易損部件的使用壽命是提高鑽探設備工作穩定性和鑽探效率必須解決的技術難題。隨著我國經濟的快速發展和日益嚴峻的能源形勢，要求能源地質勘探工作量迅速增長，對鑽探設備的長使用壽命提出了更高的要求。缸套一活塞是鑽井設備中重要的摩擦密封副，泥漿泵缸套作為井下機具中較為容易失效的零部件之一，用作其滑動摩擦副的材料除了要有良好的力學性能，還要求耐高壓、耐腐蝕和耐磨損。目前，泥漿泵缸套主要採用高耐磨鑄鐵、耐磨合金鋼、硬質合金等金屬基材料,但金屬基材料抗磨損性能較差、耐腐蝕性差(特別在中高溫使用條件下)、使用壽命較短，已不能很好地滿足高效率鑽探的連續化生產要求。近年來以Al203、Zr02、Sialon等為代表的高硬度陶瓷材料由於具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕、耐高溫以及摩擦係數小等特點而引起了人們的關注。高硬度結構陶瓷材料在鑽探設備中耐磨材料領域的應用方面已取得了一定的進展，泥漿泵陶瓷缸套的使用壽命可達普通金屬缸套的2 5倍左右。在耐磨陶瓷材料中，Al2O3陶瓷是一種成本低廉且應用較為廣泛的耐磨損材料，具有機械強度高，抗腐蝕性好，耐磨損等優良性能，但用作油氣鑽探技術中的耐磨材料，其突出缺點是韌性低，硬度欠佳，抗衝擊性能差，容易產生脆性斷裂。因此,本發明通過在氧化鋁陶瓷基體中添加板片狀結構的LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體，通過LaMgAl11O19片狀晶和納米SiC粒子的協同作用以實現對Al2O3陶瓷的增韌補強，提高氧化鋁陶瓷材料的韌性和耐磨損性能，用作鑽探設備中泥漿泵缸套，是油氣鑽探技術領域一種新型的耐磨陶瓷材料。

發明內容
本發明提出了在氧化鋁中添加板片狀結構的LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體製備出具有良好耐磨損性能的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料。通過調整LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體的加入量，產生較好的增韌補強作用，提高其耐磨粒磨損性能。一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料，其特徵在於以板片狀結構的LaMgAl11O19粉體、納米SiC粉體(粒徑為O. 01 O. 8 μ m)和氧化鋁粉體(純度彡99. 9%，粒徑< 5μπι)為原料，將三種原料按比例配料後先溼法球磨8h-30h，然後經乾燥處理得到混合料的粉體，採用幹壓或者注漿成型法得到坯體，再經過150-300MPa冷等靜壓處理得到生坯，生坯在1400°C -1700°C保溫2h-40h進行燒結，自然冷卻到室溫製得LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復相陶瓷材料。根據權利要求書I所述的泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料，其特徵在於所述的LaMgAl11O19粉體原料是以Mg(OH)2、Al (OH)3和La2O3為原料(均為化學 分析純)，採用高溫固相合成法在1400°C _1650°C保溫2h-20h合成得到的，其添加量為5-20wt% ;納米SiC粉體為市購獲得，其添加量為3-12wt%。採用本發明製備得到的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料抗彎強度最高可達680MPa，斷裂韌性最高可達5. 64MPa · m1/2，維氏硬度最高達12. 7GPa，其耐常溫液固兩相磨粒磨損性能明顯優於純氧化鋁陶瓷，可代替油氣鑽探行業中的耐磨鑄鐵、耐磨合金鋼及硬質合金等耐磨金屬材料用作鑽探設備中的泥漿泵缸套。
具體實施例方式實施例I :用分析純的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作為實驗原料，按LaMgAl11O19化學計量比設計配料，然後球磨12h取出並乾燥、分別在1550°C條件下保溫4h合成粉體，合成後的粉體經粉碎研磨製得板片狀結構的LaMgAl11O19粉體。以製備得到的LaMgAl11Oli^v體、納米SiC粉體和高純氧化鋁粉體為原料，按照LaMgAl11O19粉體納米SiC粉體，Al2O3粉體92wt%的配方進行配料,球磨8h,球磨混合後經乾燥處理得到粉體在25MPa條件下幹壓成型，在經過ISOMPa冷等靜壓處理得到生坯，生坯在1600°C的條件在保溫4 · h無壓燒結，自然冷卻到室溫，即可得到耐磨損的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復相陶瓷材料。所製得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料的主要性能指標抗彎強度356MPa，斷裂韌性最高可達4. 84MPa *m1/2 ;在MLS-225型溼式橡膠輪磨損試驗機上加載40N的砝碼，以40 70目的石英砂為磨料進行磨粒磨損實驗，經12800轉(橡膠輪直徑為17. 8cm)磨損後其磨損率為O. 46%。實施例2:用分析純的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作為實驗原料，按LaMgAl11O19化學計量比設計配料，然後球磨20h取出並乾燥、分別在1600°C條件下保溫IOh合成粉體，合成後的粉體經粉碎研磨製得板片狀結構的LaMgAl11O19粉體。以製備得到的LaMgAl11O19粉體、納米SiC粉體和高純氧化鋁粉體為原料，按照LaMgAl11O19粉體IOwt 5wt %納米SiC粉體，Al2O3粉體85wt %的配方進行配料，球磨12h，球磨混合後經乾燥處理得到粉體注漿成型，在經過250MPa冷等靜壓處理得到生坯，生坯在1550°C的條件在保溫IOh無壓燒結，自然冷卻到室溫，即可得到耐磨損的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復相陶瓷材料。所製得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料的主要性能指標抗彎強度472MPa，斷裂韌性最高可達5. 30MPa · m1/2，以在MLS-225型溼式橡膠輪磨損試驗機上加載40N的砝碼，以40 70目的石英砂為磨料進行磨粒磨損實驗，經12800轉(橡膠輪直徑為17. 8cm)磨損後其磨損率為O. 42%。實施例3:用分析純的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作為實驗原料，按LaMgAl11O19化學計量比設計配料，然後球磨6h取出並乾燥、分別在1500°C條件下保溫24h合成粉體，合成後的粉體經粉碎研磨製得板片狀結構的LaMgAl11O19粉體。 以製備得到的LaMgAl11O19粉體、納米SiC粉體和高純氧化鋁粉體為原料，按照LaMgAl11O19粉體15wt %, IOwt %納米SiC粉體，Al2O3粉體75wt %的配方進行配料，球磨16h，球磨混合後經乾燥處理得到粉體注漿成型，在經過275MPa冷等靜壓處理得到生坯，生坯在1700°C的條件在保溫6h無壓燒結，自然冷卻到室溫，即可得到耐耐磨損的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復相陶瓷材料。所製得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料的主要性能指標抗彎強度675MPa，斷裂韌性最高可達5. 64MPa ·πι1/2，在MLS-225型溼式橡膠輪磨損試驗機上加載40N的砝碼，以40 70目的石英砂為磨料進行磨粒磨損實驗，經12800轉(橡膠輪直徑為17. 8cm)磨損後其磨損率為0.37%。
權利要求
1.一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料，其特徵在於以板片狀結構的LaMgAl11O19粉體、納米SiC粉體(平均粒徑為O. 01 O. 8 μ η)和高純氧化鋁粉體(純度> 99. 9%，粒徑< 5μπι)為原料，將三種原料按比例配料後先溼法球磨8h-30h，然後經乾燥處理得到混合料的粉體，採用幹壓或者注漿成型法得到坯體，再經過150-300MPa冷等靜壓處理得到生坯，生坯在1400°C -1700°C保溫2h-40h進行燒結，自然冷卻到室溫，製得LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復相陶瓷材料。
2.根據權利要求書I所述的泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料，其特徵在於所述的板片狀結構的LaMgAl11O19粉體是以Mg (OH) 2、Al (OH) 3和La2O3為原料，採用高溫固相合成法在1400°C -1650°C保溫2h-20h合成得到的，其添加量為5_20wt% ;納米SiC粉體為市購獲得，其添加量為3-12wt%。
全文摘要
一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料，屬於特種陶瓷及耐磨材料技術領域。該材料通過在高純氧化鋁粉體中引入板片狀結構的LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體，經混料、成型和高溫燒結過程製備得到；通過調整LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體的加入量來實現對Al2O3陶瓷的增韌補強，改善Al2O3陶瓷材料的硬度和斷裂韌性，提高其耐磨損性能。所製得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復相陶瓷材料的耐常溫液固兩相磨粒磨損性能明顯優於純氧化鋁陶瓷，可用作鑽探設備中的泥漿泵缸套，提高缸套的耐磨損性能和使用壽命，滿足鑽井設備高效率鑽探的生產要求。
文檔編號C04B35/622GK102826838SQ20121033437
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者唐浩, 房明浩, 閔鑫, 黃朝暉, 劉豔改, 劉書躍, 文瑞龍, 唐潮 申請人:中國地質大學(北京)