用于金属基复合材料工具的机械互锁增强颗粒的制作方法
背景技术：
在石油和天然气工业中使用各种各样的工具来形成井筒、完成钻好的井筒并从完成的井筒中生产烃类诸如石油和天然气。这些工具的实例包括：切割工具，诸如钻头、铰刀、稳定器和取芯钻头；钻探工具，诸如旋转导向装置和泥浆马达；以及其他工具，诸如开窗磨具、工具接头和其他易磨损工具。这些工具以及石油和天然气工业领域外的若干种其他类型的工具经常形成为金属基复合材料(mmc)，并且在本文中被称为“mmc工具”。
mmc工具通常通过用粘合剂材料(诸如金属合金)渗入粉末基质增强材料来制造，所述粘合剂材料提供更坚固的所得结构。更具体地，制造mmc工具包括将基质增强材料沉积到模具中来制造，所述模具被设计来形成mmc工具的各种外部和内部特征。模具腔的内表面例如可被成形来形成mmc工具的所需外部特征，并且临时置换材料诸如固结砂或石墨可被定位在模具腔的内部部分内以形成mmc工具的各种内部(或外部)特征。在渗透工艺之后，可以从模具中移除临时置换材料。然后将一定量的粘合剂材料添加到模具腔中，并且然后将模具放置在炉内，并且使模具的温度升高到使粘合剂材料液化的温度，从而使粘合剂渗入基质增强材料的增强颗粒之间的间隙空间。
尽管mmc钻头通常耐侵蚀且具有高冲击强度，但是钻探操作导致mmc钻头的外表面通过与下层地下地层的持续研磨接触而逐渐磨损和侵蚀。对于典型的基质材料，一旦达到增强颗粒的临界侵蚀深度，与钻探相关联的冲击事件就会使增强颗粒从其较软粘合剂材料内的位置脱离(即，提取)。由于增强颗粒通常比粘合剂材料更硬且更耐侵蚀，所以提高增强颗粒与粘合剂材料之间的粘合以提供更粘着的mmc材料并且由此降低增强颗粒从粘合剂材料脱离的倾向可能是有利的。
附图说明
以下图包括了用于说明本公开的特定方面，并且不应视作排他性实施方案。本公开的主题能够以不偏离本公开的范围的形式和功能进行相当多的修改、改变、结合和等效物。
图1是可结合本公开的原理的示例性钻头的透视图。
图2是图1的钻头的横截面图。
图3是用于形成图1的钻头的示例性模具组件的横截面侧视图。
图4a-4d示出嵌入粘合剂材料内的示例性增强颗粒的渐进示意性侧视图。
图5a-5d是可结合本公开的原理的示例性增强颗粒的视图。
图6是示出适合使用根据本公开的基质钻头的钻探组件的示意图。
具体实施方式
本公开涉及工具制造，并且更具体地涉及用提供不规则外表面特征结构的机械互锁增强颗粒增强的金属基复合材料工具。
本公开的实施方案描述了具有内芯和设置在内芯上的不规则外表面特征结构的增强颗粒。常规的增强颗粒具有内芯和单独地形成或沉积在内芯的外表面上的外壳。相比之下，目前描述的增强颗粒可以避免在内芯上施加外壳的需要。更具体地，目前描述的增强颗粒可以是单体结构，各自包括充当芯部的内部部分和由芯部形成的外表面特征结构。换言之，外表面特征结构构成并且以其他方式形成芯部及其材料构造的整体结构特性。因此，在目前描述的增强颗粒中，芯部与外表面特征结构之间不存在界面。
在一些实施方案中，目前公开的增强颗粒的外表面特征结构可以是在渗透工艺期间将粘合剂材料与相邻增强颗粒机械互锁的不规则外表面特征结构，并且因此可以被称为互锁表面特征结构。互锁表面特征结构的不规则形状增加了增强颗粒的保持力和拉出强度，这可以帮助防止增强材料在经历引起侵蚀的冲击事件时从粘合剂材料中过早提取出。
本公开的实施方案适用于作为金属基复合材料(mmc)形成的任何工具或零件。例如，本公开的原理可适用于制造石油和天然气工业中常用的工具或零件以勘探和开采烃类。此类工具和零件包括但不限于油田钻头或切割工具(例如，定角钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双心钻头、孕镶钻头、铰刀、稳定器、扩眼器、切割器)、不可回收钻探部件、与井筒的套管钻探相关的铝钻头体、钻柱稳定器、用于牙轮钻头的锥体、用于制造牙轮钻头的支撑臂、固定铰刀的臂、可张开铰刀的臂的锻模的模型、与可张开铰刀相关联的内部部件、附接到旋转钻头的井上端的套筒、旋转导向工具、随钻测井工具、随钻测量工具、井壁取芯工具、鱼叉、套洗工具、用于井下钻探马达的转子、定子和/外壳、用于井下涡轮机的刀片和外壳以及具有与形成井筒相关联的复杂构型和/或非对称几何形状的其他井下工具。
然而，将了解，本公开的原理可以同样形成为mmc。例如，本文所述的方法可以在不偏离本公开的范围的情况下适用于制造装甲板、机动车部件(例如，套筒、气缸套、传动轴、排气门、制动器转子)、自行车车架、制动器片、耐磨垫片、航空部件(例如，起落架部件、结构管、支杆、轴、连杆、管道、波导管、导流叶片、转子叶片套筒、后机身下翼、致动器、排气结构、壳体、机架、燃料喷嘴)、涡轮泵部件、滤网、过滤器以及多孔催化剂。本领域技术人员将容易了解的是，以上列表不是全面列表，而仅是示例性的。因此，零件和/或部件的以上列表不应限制本公开的范围。
参考图1，示出可以根据本公开的原理制造的示例性mmc工具100的透视图。mmc工具100在图1中大体上描绘为可以用于石油和天然气工业以钻探井筒的固定切割器钻头。因此，mmc工具100将在本文中称为“钻头100”，但如上文所指示，钻头100可以在不偏离本公开的范围的情况下可替代地使用石油和天然气工业或任何其他工业中所用的任何类型的mmc工具或零件替换。
如图1所示，钻头100可以包括或以其他方式限定沿着钻头头部104的圆周布置的多个切割器刀片102。钻头头部104连接到柄部106以形成钻头体108。柄部106可以通过焊接诸如使用激光电弧焊接连接到钻头头部104，所述焊接导致在焊缝坡口112内形成焊接部110。柄部106可以进一步包括或以其他方式连接到螺纹销114，诸如美国石油协会(api)钻杆螺纹。
在所示的实例中，钻头100包括其中形成多个凹部或凹处116的五个切割器刀片102。切割元件118可以固定地安装在每个凹部116内。这可以例如通过将每个切割元件118钎焊到对应凹部116中来进行。当钻头100在使用中旋转时，切割元件118接合岩石和下层土质材料，以挖掘、刮除或磨掉所穿透的地层材料。
在钻探操作期间，钻井液或“泥浆”可以通过在螺纹销114处耦接到钻头100的钻柱(未示出)向井下泵送。钻井液循环通过钻头100并且在定位于喷嘴开口122中的一个或多个喷嘴120处从钻头100排出，所述喷嘴开口122限定在钻头头部104中。排屑槽124形成在各自相邻的一对切割器刀片102之间。钻屑、井下碎片、地层流体、钻井液等可以穿过排屑槽124并循环返回至在钻柱的外部部分与所钻井筒的内壁之间形成的环形物内的井表面。
图2是图1的钻头100的横截面侧视图。图2中所使用的与图1类似的数字指示类似部件，所述部件将不再描述。如图所示，柄部106可以在焊接部110处牢固地附接到金属坯件(或心轴)202，并且金属坯件202延伸到钻头体108中。柄部106和金属坯件202通常是圆柱形结构，它们分别限定彼此流体连通的对应流体腔204a和204b。金属坯件202的流体腔204b可以纵向延伸到钻头体108中。至少一个流动通道206(示出一个)可以从流体腔204b延伸到钻头体108的外部部分。喷嘴开口122(图2中示出一个)可以限定在流动通道206的位于钻头体108的外部部分处的端部处。凹处116形成在钻头体108中并且被成形或以其他方式构造来接收切割元件118(图1)。根据本发明的教导，并且如下文更详细描述的，钻头体108可以包括硬质复合材料部分208，所述硬质复合材料部分208由用机械互锁增强颗粒增强的基质组成，所述机械互锁增强颗粒提供不规则外表面特征结构。
图3是可以用于形成图1和图2的钻头100的模具组件300的横截面侧视图。虽然模具组件300被示出和讨论为用于帮助制造钻头100，但是本领域技术人员将容易了解的是，在不偏离本公开的范围的情况下，模具组件300的不同构型可以用于制造本文所提及的任何mmc工具和零件。如图所示，模具组件300可以包括若干种部件诸如模具302、环规304和漏斗306。在一些实施方案中，如图所示，漏斗306可以经由环规304(诸如通过对应螺纹接合)可操作地耦接到模具302。在其他实施方案中，在不偏离本公开的范围的情况下，环规304可以从模具组件300中省略并且漏斗306反而可以诸如经由对应螺纹接合可操作地直接耦接到模具302。
在一些实施方案中，如图所示，模具组件300还可以包括放置在漏斗306上方的粘合剂钵308和盖310。模具302、环规304、漏斗306、粘合剂钵308以及盖310可以各自由例如石墨或氧化铝(al2o3)或其他合适材料制成或以其他方式包含石墨或氧化铝或其他合适材料。渗透室312可以被限定或以其他方式设置在模具组件300内。各种技术可以用于制造模具组件300及其部件，诸如机器加工石墨坯件以产生各种部件并由此限定渗透室312，以表现出钻头100(图1和图2)的所需外部特征结构的正或反轮廓。
诸如固结砂或石墨的材料可以被定位在模具组件300内的所需位置处，以形成钻头100(图1和图2)的各种特征结构。例如，一个或多个喷嘴置换件或支柱314(示出一个)可以被定位来与流动通道206(图2)及其相应喷嘴开口122(图1和图2)的所需位置和构型对应。一个或多个排屑槽置换件315也可以被定位在模具组件300内以与排屑槽124(图1)对应。此外，圆柱形中心置换件316可以放置在支柱314上。从中心置换件316延伸的支柱314的数目将取决于钻头100中的流动通道和对应喷嘴开口122的所需数目。此外，切割器凹处置换件(在图3中示出为模具302的一部分)可以被放置在模具302中以形成切割器凹处116。
在所需材料(包括中心置换件316和支柱314)已安装在模具组件300内之后，然后可以将增强材料318放置在模具组件300内或以其他方式引入到所述模具组件中。增强材料318可以包括各种类型和尺寸的增强颗粒。根据本公开，并且如下文更详细描述的，增强材料318中的一些或所有增强颗粒可以包括由实心内芯构成的具有不规则或可变外表面特征结构的单体颗粒结构。与具有内芯和单独形成或沉积在内芯的外表面上的外壳的常规增强颗粒相比，目前描述的增强颗粒的芯部和外表面特征结构可以包括由相同单体材料制成的单体结构。换言之，本公开的增强颗粒包括充当芯部的内部部分以及与芯部一体形成的外表面特征结构，使得外表面特征结构构成并且以其他方式形成芯部及其材料构造的整体结构特性。因此，在目前描述的增强颗粒中，芯部与外表面特征结构之间可能不存在限定的或清晰的界面。而实际上，芯部的材料可以径向地过渡到外表面特征结构，其中这种过渡可以包括由不规则外表面特征结构的产生(例如，基于扩散的步骤)导致的化学性质和/或组成物的功能分级，诸如在增强颗粒可以表现可识别的碳扩散深度的钢硬化的情况下。这与具有特定表面特征结构的一些多材料颗粒形成对比，其中芯部与具有伴随表面特征结构的外部材料之间的过渡可以被表征为通过将芯部和外部材料组合、接合、粘合等产生的不同材料构造。如本文所讨论的，此类增强颗粒在加强钻头体108(图1和图2)，特别是其硬质复合材料部分208(图2)方面证明是有利的。
合适的增强颗粒包括但不限于以下颗粒：金属、金属合金、超级合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石等或其任何组合。适合于与本文所述的实施方案结合的增强颗粒的实例可以包括颗粒，所述颗粒包括但不限于钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钻、铀、镍、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、烧结碳化物、球状碳化物、低合金烧结材料、铸态碳化物、碳化硅、碳化硼、立方碳化硼、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨、粗晶碳化钨、铸态碳化钨、破碎的烧结碳化钨、渗碳化碳化钨、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、钻合金、铬合金、
本文所述的增强颗粒可以表现出范围为25微米或50微米或100微米或250微米的下限至500微米或1000微米或2500微米或5000微米的上限的尺寸和总直径，其中增强颗粒的直径的范围可以为任何下限至任何上限，并且包括其间的任何子集。在一些实施方案中，尤其是在经由增材制造技术制造本文所述的增强颗粒的情况下，一些增强颗粒的尺寸和总直径可以大于1000微米，诸如直径为约2500微米或5000微米。
金属坯件202可以至少部分地由渗透室312内的增强材料318支撑。更具体地，在已将足够体积的增强材料318添加到模具组件300中之后，金属坯件202然后可以放置在模具组件300内。金属坯件202可以包括大于中心置换件316的外径322的内径320，并且各种固定件(未明确示出)可以用于将金属坯件202定位在模具组件300内的所需位置处。然后可以在渗透室312内将增强材料318填充到所需水平。
粘合剂材料324然后可以放置在增强材料318、金属坯件202和芯部316的顶部上。合适的粘合剂材料324包括但不限于铜、镍、钻、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、其任何混合物、其任何合金以及其任何组合。粘合剂材料324的非限制性实例可以包括铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-镍、铜-锰-锌、铜-锰-镍-锌、铜-镍-铟、铜-锡-锰-镍、铜-锡-锰-镍-铁、金-镍、金-钯-镍、金-铜-镍、银-铜-锌-镍、银-锰、银-铜-锌-镉、银-铜-锡、钻-硅-铬-镍-钨、钻-硅-铬-镍-钨-硼、锰-镍-钻-硼、镍-硅-铬、镍-铬-硅-锰、镍-铬-硅、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰、铜-铝、铜-铝-镍、铜-铝-镍-铁、铜-铝-镍-锌-锡-铁等以及其任何组合。可商购获得的粘合剂材料324的实例包括但不限于virgintm粘合剂453d(铜-锰-镍-锌，可获自belmontmetals，inc.)以及铜-锡-锰-镍和铜-锡-锰-镍-铁级别516、519、523、512、518以及520(可获自atifirthsterling)。
在一些实施方案中，粘合剂材料324可以用焊剂层(未明确示出)覆盖。添加到渗透室312中的粘合剂材料324(和任选的焊剂材料)的量应至少足以在渗透工艺期间渗透增强材料318。在一些情况下，一些或所有粘合剂材料324可以放置在粘合剂钵308中，所述粘合剂钵308可以用于经由延伸通过其中的各个导管326将粘合剂材料324分布到渗透室312中。然后可以将盖310(如果使用的话)放置在模具组件300之上。然后可以将模具组件300和设置在其中的材料预热，然后放置在炉(未示出)中。当炉内温度达到粘合剂材料324的熔点时，粘合剂材料324将液化并继续渗透增强材料318。
在对于液化粘合剂材料324渗透增强材料318所分配的预定时间量之后，然后可以从炉中移除模具组件300并且以受控速率冷却。一旦冷却，就可以将模具组件300断开以暴露包括硬质复合材料部分208(图2)的钻头体108(图1和图2)。可以使用根据公知技术的后续处理来完成钻头100(图1)。
根据本公开的实施方案，增强材料318中的一些或所有增强颗粒可以包括单体颗粒结构，其中每一颗粒包括实心芯部且具有与其整体形成的不规则外表面特征结构。如本文所使用的，适用于增强颗粒的外表面特征结构的术语“不规则”是指偏离基线增强颗粒的典型表面形状的可变特征结构，并且可以包括偏离光滑或甚至外表面的任何正或负表面特征结构。正外表面特征结构包括向外或远离增强颗粒的芯部延伸的任何特征结构。可以被表征为“不规则”的示例性正外表面特征结构包括但不限于突出部、凸起、凸块、突起、肋、翅片、旋钮、钩子、套结、台面、圆柱体、圆锥体、截头圆锥体、圆柱形基座顶部上的截头圆锥体、从圆柱形基座延伸的圆锥体、直径递减的两个或更多个堆叠的圆柱体、凸缘、工字梁部分、具有锥形或扁平头部的螺栓形状、以及向外延伸的任何其他特征结构。相比之下，负外表面特征结构包括向内延伸到芯部中的任何特征结构，或以其他方式限定在芯部中的特征结构。可以被表征为“不规则”的示例性负表面特征结构包括但不限于凹处、凹坑、孔、凹槽、裂缝、接缝、滚花、通道、工字梁形通道、螺栓形通道、或限定在芯部中以提供多孔的、半多孔的或互锁外壳或层的任何变体。
应注意，正和负外表面特征结构的上述实例仅仅出于说明的目的而提供，并且因此不应被认为是限制本公开的范围。而实际上，本领域技术人员将容易认识到，在不偏离本公开的范围的情况下，可以使用本文没有特别提及的正和负外表面特征结构的若干个其他实例。
增强颗粒的不规则外表面特征结构可以证明有利于加强增强颗粒与粘合剂材料324之间的粘合，并且由此提供更粘着且耐侵蚀的硬质复合材料部分208(图2)。加强的粘合可以通过不规则外表面特征结构与周围的粘合剂材料324和/或其他增强颗粒的材料的机械互锁来实现。因此，外表面特征结构在本文中也可以被称为“互锁”表面特征结构。归因于不规则外表面特征结构与粘合剂材料324的机械互锁的加强的粘合可以为增强颗粒提供提高的粘附力和拉出强度，由此产生更耐侵蚀的硬质复合材料部分208。
除了(或代替)化学相互作用和润湿性(即，表面粘附力)之外，还可以利用由于机械互锁引起的增强颗粒的加强的粘合的优点，通常依赖于所述化学相互作用和润湿性来在增强颗粒与粘合剂材料324之间生成较强的粘合。换言之，使用目前描述的具有常见(现有)粘合剂材料324的增强颗粒应增加增强颗粒的保持能力，并且同时增加所得硬质复合材料部分208(图2)的机械性质(例如，耐腐蚀性、横向断裂强度)。可替代地，由于目前描述的增强颗粒将由于机械互锁而表现出加强的粘合，因此操作者可以选择将粘合剂材料324改变成更便宜的组成物，所述组成物在增强颗粒上表现出较小的润湿程度和/或与增强颗粒的较少的化学相互作用。在此类实施方案中，可以依赖于增强颗粒的加强的粘合能力以弥补使用不同(更便宜的)粘合剂材料324时损失的粘附强度的差异。
图4a-4d示出嵌入粘合剂材料324内的示例性增强颗粒402的渐进示意性侧视图。虽然在图4a-4d中仅示出一个增强颗粒402，但增强颗粒402可以包括图3的增强材料318中的多个增强颗粒的一部分。因此，增强颗粒402可以由上文提及的任何材料制成。此外，增强颗粒402和粘合剂材料324可以结合以形成硬质复合部分208(图2)的一部分。
如图所示，增强颗粒402设置在粘合剂材料324的外表面404处或附近，或者换言之，设置在硬质复合材料部分208(图2)的外表面处或附近。增强颗粒402可以包括芯部406和围绕芯部406的全部或一部分设置的外表面特征结构408。在一些实施方案中，芯部406可以是实心结构。然而，在其他实施方案中，芯部406可以是多孔或半多孔的。此外，虽然增强颗粒402被描绘为大体球形或圆形结构，但是在不偏离本公开的范围的情况下，可替代地也可以表现出具有尖锐的、倒圆的或倒角的顶点的任何其他横截面形状，诸如卵形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、平行四边形、梯形、四边形、五边形、六边形、八边形、正多边形、不规则多边形或其任何组合。
芯部406和外表面特征结构408可以协作地限定单体颗粒结构，其中外表面特征结果408提供形成芯部406的整体结构特性的不规则特征结构。换言之，外表面特征结构408不是诸如在将外壳或另一材料层沉积、粘合或粘附在增强颗粒402的外表面上的常规情况下随后施加或沉积在芯部406的外表面上的结构部件或特征结构。而实际上，外表面特征结构408形成芯部406的整体表面特征结构延伸部或限定部。因此，在芯部406与外表面特征结构408之间可能没有限定的或清晰的界面(即，从一种材料或层到下一个的过渡)。
整体表面特征结构延伸部可以包括从芯部406径向向外延伸的芯部406的结构特性。在一些实施方案中，例如，通过对由生成外表面特征结构408的基于扩散的步骤导致的化学性质和/或组成物的功能分级，芯部406的材料可以径向地过渡到外表面特征结构408。整体表面特征结构限定部可以包括芯部406的被限定到芯部406的主体中的结构特性。在一些实施方案中，例如，芯部406与外表面特征结构408之间的过渡可以表现出由硬化处理产生的可识别的碳扩散深度。下文将结合图5a-5d进一步示出形成增强颗粒402的各种示例性方法。
外表面特征结构408可以为芯部406提供不规则的正和/或负表面特征结构。如上所述，此类不规则表面特征结构可以包括但不限于突出部、凸起、凸块、突起以及任何其他向外延伸的特征结构，但是也可以包括凹处、凹坑、孔、凹槽、裂缝、接缝、肋、翅片、旋钮、钩子、套结、台面、圆柱体、圆锥体、截头圆锥体、圆柱形基座顶部上的截头圆锥体、从圆柱形基座延伸的圆锥体、直径递减的两个或更多个堆叠的圆柱体、凸缘、工字梁部分、具有锥形或扁平头部的螺栓形状、或限定在增强颗粒402的主体中的可以导致围绕芯部406限定的多孔或半多孔层的任何不规则性。
增强颗粒402在图4a-4d中以渐进视图示出，所述视图示出在外表面404处的粘合剂材料324的逐渐侵蚀。粘合剂材料324上的侵蚀可能由相关联mmc工具(例如，图1和图2的钻头100)的操作引起。在图4a中，外表面404的侵蚀已经发展直到到达外表面特征结构408。在图4b中，外表面404的侵蚀已经进一步发展，直到外表面特征结构408的一部分也已经被侵蚀掉。在图4c中，外表面404的侵蚀已经进一步发展以暴露增强颗粒402的更大部分，并且同时从芯部406侵蚀外表面特征结构408的已暴露部分。
由于粘合剂材料324通常由比增强颗粒402的材料更软的材料制成，所以粘合剂材料324将以更快的速率侵蚀并且可以由此在更硬的增强颗粒402周围产生凹陷或凹槽410。当外表面特征结构408的不规则性或变化可能导致增强颗粒402在其紧邻外表面404处时的耐侵蚀性降低。这是因为与实心芯部406相比，外表面特征结构408的不规则形状的材料将更倾向于以更快的速率侵蚀。这可以在图4c中看出，其中外表面特征结构408相比于芯部406优先被侵蚀掉，芯部406基本保持完整，因为与外表面特征结构408相比，芯部能够抵抗更高速率的侵蚀。
然而，当围绕增强颗粒402的粘合剂材料324侵蚀到增强颗粒402的大部分暴露和/或部分侵蚀的点时，外表面特征结构408的不规则或可变特征结构可以证明是有利的。这可以在图4d中看出，其中增强颗粒402的大部分被暴露，并且芯部406的一些材料已经与外表面特征结构408的已暴露部分一起被侵蚀掉。在这种情况下，仍然粘合到下层粘合剂材料324或与其互锁的外表面特征结构408的不规则或可变的特征结构可以提供增加的保持力和拉出强度，从而有助于防止增强颗粒402的剩余部分在经历引起侵蚀的冲击事件时被过早地从粘合剂材料324中提取出来。
在一些实施方案中，嵌入粘合剂材料324内的增强颗粒402可以在形成硬质复合材料部分208(图2)时与相邻增强颗粒402互锁或以其他方式粘合。相邻增强颗粒402之间的这种相互机械互锁可以证明有利于在通过侵蚀去除了将增强颗粒保持在一起的粘合剂材料324的情况下帮助维持耦接到硬质复合材料部分208的增强颗粒402。在此类实施方案中，由于粘合剂材料324的侵蚀造成的增强颗粒402的损失可能被显著延迟。
图5a-5d示出根据本公开的实施方案的被示出为增强颗粒502a、502b、502c和502d的示例性增强颗粒502的视图。增强颗粒502a-d可以与图4a-4d的增强颗粒402相同或相似，并且因此可以嵌入粘合剂材料324内或以其他方式与粘合剂材料324(图4a-4d)结合，以便形成硬质复合材料部分208(图2)的一部分。所示增强颗粒502a-b提供了可以被表征为增强颗粒502a-b的芯部的整体结构特性的外表面特征结构504的实例。无论外表面特征结构504是否形成整体表面特征结构延伸部或整体表面特征结构限定部，在芯部与外表面特征结构504之间都可能没有限定的或清晰的界面(即，从一种材料或层到下一个的过渡)。应注意，增强颗粒502a-d仅仅是与本公开的原理相一致的增强颗粒的各种类型或构型的说明性实例，因此不应被认为限于本公开。
在不偏离本公开的范围的情况下，增强颗粒502a-d可以各种方式制造和以其他方式形成。在图5a和5b中，例如，增强颗粒502a和502b的制造可以导致形成多孔或半多孔的外表面特征结构504。这种外表面特征结构504可以由增强颗粒502a、b的材料的酸化或蚀刻处理产生。在此类实施方案中，例如，增强颗粒502a、b可以浸没在或穿过试剂(例如，酸)诸如电化学浴中，所述试剂以已知的速率腐蚀或消耗增强颗粒502a、b的外表面材料。试剂可以与增强颗粒502a、b的材料反应并且蚀刻高能量区域，从而在增强颗粒502a、b的表面上形成可以被表征为多孔或半多孔的外表面特征结构504的台阶和凹谷。在至少一个实施方案中，酸化处理可被配置来沿着增强颗粒502a、b的材料的晶界进行，并且由此导致形成多孔或半多孔的外表面特征结构504。更具体地，酸倾向于侵害自由能较高的材料区域，并且由于晶粒之间的取向不匹配，材料中的晶界具有较高的表面能量。
可以用于生成多孔或半多孔的外表面特征结构504的合适的试剂或蚀刻剂包括但不限于使用硫(例如，h2so3、h2so4等)、氯、碳、磷、氟、碘、溴、硼、氮、铬或锰的酸或碱。蚀刻剂可以用作化学浴或用在电化学电池中并且可以被组合以差异性地蚀刻或腐蚀外表面特征结构504。
可替代地，增强颗粒502a、b可以由任何贱金属或贱金属合金制成，所述贱金属或贱金属合金能够在经受适当条件后形成陶瓷(例如，碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硅化物)或金属间化合物，然后在随后的加工步骤期间酸化或蚀刻以形成多孔或半多孔的外表面特征结构504。碳化物可以通过使用以下各项来形成：铝、硼、钙、铈、铬、铒、铁、铪、镧、锂、镁、锰、钼、铌、镨、钪、硅、钽、钛、钒、钨、钇、镱以及锆。氮化物可以通过使用以下各项来形成：铝、硼、钙、铈、钻、铬、铁、镓、铪、铟、锂、镁、锰、钼、铌、镍，钪、硅、钽、钛、钒、钇以及锆。硼化物可以通过使用以下各项来形成：铝、钡、铍、钙、铈、钻、铬、镝、铒、铕、铁、钆、铪、钬、镧、锂、镥、镁、锰、钼、铌、钕、铑、钌、钪、钐、锶、钽、铽、钛、铥、钒、钨、钇、镱以及锆。氧化物可以通过使用以下各项来形成：铝、钡、铍、铋、钙、镉、铈、钻、铬、铯、铜、铒、铁、镓、锗、铪、铟、钾、镧、锂、镁、锰、钼、钠、铌、钕、镍、铅、镨、铷、锑、钪、硅、锡、锶、钽、铽、碲、钛、钒、钨、钇、锌以及锆。硅化物可以通过使用以下各项来形成：钡、硼、钙、铈、钻、铬、镝、铒、铁、钆、铪、钬、铱、镧、锂、镥、镁、锰、钼、铌、钕、锇、钯、镨、铂、铼，铑，钌、钪、钐、锶、钽、铽，碲、钛、铥、钒、钨、钇、镱以及锆。
金属间化合物通常分为两组：化学计量的和非化学计量的。化学计量的金属间化合物(诸如al3ni)具有固定组成物(例如，相图上的垂直线)，并且类似于陶瓷材料，通常是极硬、坚固且脆性的。非化学计量的金属间化合物(诸如alni)在一定的组成物范围内出现，并且通常比化学计量的金属间化合物更具延展性。因此，非化学计量的金属间化合物提供了陶瓷和化学计量的金属间化合物的性质与纯金属和固溶合体金的性质之间的中间性质。更具体地，与陶瓷类似，化学计量的金属间化合物结构提供加强的刚度和强度，而非化学计量的金属间化合物结构提供中间增强性质(例如，仍然比粘合剂或合金材料更坚硬，但与陶瓷和化学计量的金属间化合物材料相比具有一定延展性)。
金属间化合物(化学计量的和非化学计量的)可以通过使用形成金属间化合物的至少两种金属元素来形成。除了本文已列举的陶瓷材料之外，形成耐火铝基金属间化合物的元素的实例包括钻、铬、铜、铁、铪、铱、锰、钼、铌、镍、钯、铂、铼、钌、钪、钽、钛、钒、钨和锆。耐火金属间化合物体系的其他实例包括银-钛、银-锆、金-铪、金-锰、金-铌、金-钪、金-钽、金-钛、金-铥、金-钒、金-锆、铍-铜、铍-铁、铍-铌、铍-镍、铍-钯、铍-钛、铍-钒、铍-钨、铍-锆、其任何组合等。本领域的技术人员将容易了解的是，在不偏离本公开的范围的情况下，本公开的原理可以适用于本文未列出的若干种其他潜在的金属间化合物。
可以用于形成增强颗粒502a、b并随后形成陶瓷(例如，碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、硅化物)或金属间化合物的合适的贱金属包括但不限于来自上述列表中任一者的任何元素。可以用于形成增强颗粒502a、b并随后形成陶瓷或金属间化合物的合适的贱金属合金包括但不限于任何合金，其中当以重量测量时，最普遍的元素来自上述列表之一。
增强颗粒502a、b可以经受基于扩散的工艺，以便将增强颗粒502a、b的至少一部分转化成陶瓷或金属间化合物。合适的基于扩散的工艺包括但不限于渗碳、氮化、硼化和氧化，所有这些工艺都可以将增强颗粒502a、b至少部分地(例如，沿着表面)转化成所需的陶瓷或金属间化合物。在基于扩散的工艺期间，一些或所有增强颗粒502a、b可以经受包含任何有能力的介质的反应气氛，所述介质可以导致陶瓷(例如，氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物)或金属间化合物材料(例如，alni、tial)的产生。合适的介质包括但不限于甲烷、空气、氧气、吸热型气体、放热型气体、氮气、氨气、木炭、碳、石墨、氮化盐、硼、硅、汽化金属(即，气体)、熔融金属或其任何组合。
例如，基于扩散的工艺可以在炉内在高温下进行。用于进行基于扩散的工艺的炉可以包括能够与反应气氛的所需介质一起操作的连续炉或间歇炉。合适的炉包括但不限于带式炉、真空炉、马弗炉、蒸馏炉、其任何组合等。
在一些实施方案中，基于扩散的工艺可以结合使用液体-金属浴。更具体地，液态-金属浴可以用于使成分反应以产生陶瓷或金属间化合物。在此类实施方案中，增强颗粒502a、b可以浸入液体-金属浴中以产生陶瓷或金属间化合物。作为实例，在增强颗粒502a、b由镍基金属制成的实施方案中，镍基工件可以浸入铝浴中以产生金属间化合物，诸如alni3、alni、al3ni2或al3ni。
在生成陶瓷或金属间化合物增强颗粒502a、b之后，增强颗粒502a、b随后可以在随后的处理步骤中被酸化或蚀刻以形成多孔或半多孔或互锁的外表面特征结构504。因为陶瓷或金属间化合物增强颗粒502a、b的形成可能已部分完成，并且由此保持了颗粒芯部的原始组成物、形态等，所以转变的外部陶瓷或金属间化合物特征结构或材料可以优先被酸化或蚀刻以保留原来的颗粒芯部。
在一些实施方案中，可以使用增材制造工艺(例如，3d打印)来制造任何增强颗粒502a-d。合适的增材制造工艺包括但不限于激光烧结(ls)[例如，选择性激光烧结(sls)、直接金属激光烧结(dmls)]、激光熔化(lm)[例如，选择性激光熔化(slm)、激光熔融]、电子束熔化(ebm)、激光金属沉积[例如，直接金属沉积(dmd)、激光工程净成形(lens)、直接光制造(dlf)、直接激光沉积(dld)、直接激光制造(dlf)、激光快速成形(lrf)、激光熔化沉积(lmd)]、其任何组合等。
增强颗粒502a-d可以被印刷成与特定或所需外表面特征结构504对应的任何所需形状、构型、设计或尺寸。在图5c中，例如，增强颗粒502c的外表面特征结构504包括圆锥形突出部。在其他实施方案中，外表面特征结构504可以包括其他正表面特征结构，诸如多边形突出部、结晶(即，多面体)突出部、指状突出部、散热器翅片、城堡形状、拼图块、肋、翅片、旋钮、钩子、套结、台面、圆柱体、圆锥体、截头圆锥体、圆柱形基座顶部上的截头圆锥体、从圆柱形基座延伸的圆锥体、直径递减的两个或更多个堆叠的圆柱体、凸缘、工字梁部分、具有锥形或扁平头部的螺栓形状、其任何组合等。可替代地，如图5d的增强颗粒502d所示，外表面特征结构504可以包括负表面特征结构，诸如裂缝、接缝或凹槽。额外的潜在的外表面特征结构504包括凹处、凹坑、孔、滚花、通道、工字梁形通道或螺栓形通道。在其他实施方案中，外表面特征结构504可以包括正和负面表面特征结构，诸如图5b的增强微粒502b所示的小块和孔。本领域的技术人员将容易了解的是，在不偏离本公开的范围的情况下，增材制造可以允许操作者以对于外表面特征结构504具有几乎无限的设计构型来印刷增强颗粒502a-d。
在一些实施方案中，可以使用增材制造工艺来印刷三维金属增强颗粒502a-d，并且金属增强颗粒502a-d随后可以经受基于扩散的工艺以将金属增强颗粒502a-d中的至少一部分转化为陶瓷或金属间化合物材料。基于扩散的工艺可以包括本文描述或提及的任何扩散工艺。
在一些实施方案中，诸如图5d所示，外表面特征结构504可以包括负特征结构，诸如裂缝或凹槽。尽管如上所指示的可以经由增材制造获得或以其他方式生成此类特征，但是可以替代地通过适当地处理增强颗粒502d的外表面来获得此类特征。更具体地，在此类实施方案中，可以在适当的环境(类似于渗碳)中涂覆或处理增强颗粒502d的外表面，使得处理介质扩散到增强颗粒502d的外表面上的材料中并且以其他方式与所述材料反应，以便形成具有不同热膨胀系数(cte)的不同化合物。在增强颗粒502d的外表面上形成不同的化合物可能会促使在外表面上形成裂缝、空隙、孔隙等。可替代地，此类负外表面特征结构504可以通过使增强颗粒502d经受热处理来获得，诸如在适当的介质(诸如水或油)中淬火加热的颗粒，其将趋向于使增强颗粒502d的外表面裂开。通过控制适当的工艺参数(例如，时间、温度等)，此类工艺可以限制在增强颗粒502d的外表面上。
在一些实施方案中，增强颗粒502a-d可以用所需的外表面特征结构504制造、印刷或以其他方式形成，然后被粉碎。使增强颗粒502a-d粉碎可能导致形成较小的颗粒，所述颗粒可能类似于半球、八分体、球形体等，从而在一个或多个侧面但不是在所有侧面上表现出所需的不规则外表面特征结构504。在此类情况下，所得颗粒部分将在至少一个侧面上保持互锁的外壳或层，同时还在至少另一侧面上保持与实心边缘或表面相关联的提高的抗侵蚀性。
在一些实施方案中，增强颗粒502a-d可以从较大的结构(诸如板或其他三维结构)获得。例如，可以用所需的外表面特征结构504制造、印刷或以其他方式形成板，然后将所述板粉碎，以形成多个增强颗粒502a-d。取决于如何剪切板，所得增强颗粒502a-d可以是立方体形或结晶形，并且可以表现出类似于上述粉碎颗粒的益处。
在一些实施方案中，增强颗粒502a-d可以耦接到次要材料以表现出所需的材料性质，诸如磁性。将增强颗粒502a-d磁化可以证明有利的是，能够将增强颗粒502a-d分离成所得mmc工具上的局部区域。更具体地，在mmc工具的制造工艺期间，可以使用磁体或磁场来将磁化的增强颗粒502a-d沿着模具(例如，图3的模具组件300)的关键区域(诸如沿着其内部表面的选定区域)选择性地定位，以便形成mmc工具。模具的空的内部区域然后可以用典型的增强材料318(图3)或替代材料回填以提供韧性，从而将磁化的增强颗粒502a-d保持在适当位置以用于随后的渗透工艺。在完成装载之后，可以从模具中移除磁体或磁场。磁场可以通过任何已知的方法产生，诸如物理磁铁(例如铁、稀土)或电线圈(以产生感应磁场)。
可耦接以磁化增强颗粒502a-d的磁性材料(包括铁磁体和亚铁磁体)的实例包括但不限于co、cofe、fe、fe2b、smco、ni3fe、fe2o3、nife2o4、fe3o4、znfe2o4、ni3mn、fe3al、cufe2o4、mgfe2o4、fepd3、cofe2o4、mnbi，cu2mna1、ni、fe3s4、fe7s8、mnsb、crpt3、mnb、mnfe2o4、y3fe5o12、cu2mnin、cro2、zncmn3、mnpt3、mnas、gd、alcmn3、tb、au2mna1、dy、euo、tbn、au4v、crbr3、dyn、tm、ho、eus、er、sc3in、gdcl3、其任何合金、以及其任何组合。合金体系的附加实例是铁素体钢、碳钢、马氏体时效钢、不锈钢、合金钢、工具钢、fe-p、fe-si、fe-si-al、ni-fe、fe-ni-mo、fe-cr、fe-co、fe-nd-b、ni-al-cu、co-ni-al-cu、co-ni-al-cu-ti、co-sm、尖晶石铁氧体(例如，mn0.5zn0.5fe2o4、ni0.3zn0.7fe2o4)以及稀土铁石榴石。
图6示出可以采用本公开的一个或多个原理的示例性钻探系统600。钻孔可以通过使用钻探系统600钻入地球602而形成。钻探系统600可以被构造来驱动定位或以其他方式布置在钻柱606的底部处的井底钻具总成(bha)604，所述钻柱606从布置在地面610处的井架608延伸到地球602中。井架608包括方钻杆612和用于降低和升高方钻杆612和钻柱606的游车613。
bha604可以包括可操作地耦接到工具管柱616的钻头614，其可以在附接到钻柱606时在钻出的井筒618内轴向地移动。钻头614可以根据本公开的原理制造和以其他方式创建，并且更具体地，带有具有不规则外表面特征结构的增强颗粒。在操作期间，钻头614穿透地球602并由此形成井筒618。当钻头614前进到地球602中时，bha604提供钻头614的定向控制。工具管柱616可以利用诸如但不限于随钻测量(mwd)和随钻测井(lwd)工具的各种测量工具(未示出)半永久地安装，所述测量工具可以被配置来进行钻探条件的井下测量。在其他实施方案中，如图6所示，测量工具可以自包含在工具管柱616内。
可以使用由相邻动力源诸如原动机或马达624提供动力的泥浆泵622将来自泥浆罐620的流体或“泥浆”泵送到井下。泥浆可以通过立管626从泥浆罐620泵送，所述立管626将泥浆馈送入钻柱606并将其输送到钻头614。泥浆离开布置在钻头614中的一个或多个喷嘴，并且在所述过程中冷却钻头614。在离开钻头614之后，泥浆经由限定在井筒618与钻柱606之间的环形空间循环回到地面610，并且在所述过程中将钻屑和碎屑返回到地面。钻屑和泥浆混合物通过流动管线628并被处理，使得清洁的泥浆再次通过立管626返回到井下。
虽然钻探系统600相对于图6中的旋转式钻探系统被示出和描述，但是本领域技术人员将容易了解的是，可以采用许多类型的钻探系统来实施本公开的实施方案。例如，本公开的实施方案中所使用的钻孔器和钻机可以在陆上(如图6所示)或海上(未示出)使用。根据本公开的实施方案可以使用的海上石油钻机包括例如浮体、固定平台、基于重力的结构、钻探船、半潜式平台、自升式钻机、张力腿平台等。应理解，本公开的实施方案可以适用于从小尺寸和便携式到大体积和永久性的任何范围的钻机。
此外，尽管本文关于石油钻探进行描述，本公开的各种实施方案可以用于许多其他应用中。例如，所公开的方法可以用于钻探矿物勘探、环境调查、天然气开采、地下安装、采矿作业、水井、地热井等。此外，在不偏离本公开的范围的情况下，本公开的实施方案可以用在包装机组件、运行衬管悬挂器、运行完井管柱等中。
本文所公开的实施方案包括：
a.一种金属基复合材料(mmc)工具，其包括硬质复合材料部分，所述硬质复合材料部分包括分散在粘合剂材料中的增强颗粒，其中所述增强颗粒中的至少一些包括单体颗粒结构，所述单体颗粒结构包括芯部，所述芯部具有与所述芯部成整体并且与所述粘合剂材料机械互锁的不规则外表面特征结构。
b.一种钻头，其包括：钻头体；以及多个切割元件，所述多个切割元件耦接到所述钻头体的外部，其中所述钻头体的至少一部分包括硬质复合材料部分，所述硬质复合材料部分包括分散在粘合剂材料中的增强颗粒，其中所述增强颗粒中的至少一些包括单体颗粒结构，所述单体颗粒结构包括芯部，所述芯部具有与所述芯部成整体并且与所述粘合剂材料机械互锁的不规则外表面特征结构。
c.一种钻头组件，其包括：钻柱，所述钻柱从钻探平台可扩展并且进入井筒；钻头，所述钻头钻头附接到所述钻柱的端部；以及泵，所述泵流体连接到所述钻柱并且被配置来使钻井液循环到所述钻头并且通过所述井筒，其中所述钻头包括：钻头体；以及多个切割元件，所述多个切割元件耦接到所述钻头体的外部，其中所述钻头体的至少一部分包括硬质复合材料部分，所述硬质复合材料部分包括分散在粘合剂材料中的增强颗粒，其中所述增强颗粒中的至少一些包括单体颗粒结构，所述单体颗粒结构包括芯部，所述芯部具有与所述芯部成整体并且与所述粘合剂材料机械互锁的不规则外表面特征结构。
实施方案a、b和c中的每一个可以以任何组合具有以下附加要素中的一个或多个：要素1：其中所述不规则外表面特征结构包括从所述芯部向外延伸的正外表面特征结构。要素2：其中所述不规则外表面特征结构包括向内延伸到所述芯部中或限定在所述芯部上的负外表面特征结构。要素3：其中所述芯部是实心结构。要素4：其中所述芯部是多孔或半多孔的。要素5：其中所述增强颗粒中的所述至少一些呈现选自由以下各项组成的具有尖锐的、倒圆的或倒角的顶点以及其任何组合的横截面形状：圆形、卵形体、卵形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、平行四边形、梯形、四边形、五边形、六边形、八边形、正多边形、不规则多边形或其任何组合。要素6：其中所述不规则外表面特征结构包括由蚀刻处理产生的多孔或半多孔的外表面特征结构。要素7：其中所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部经受基于扩散的工艺，所述工艺将每个增强颗粒的至少一部分转化为陶瓷或金属间化合物。要素8：其中所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部经由增材制造工艺印刷。要素9：其中所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部被印刷并且随后经受基于扩散的工艺，所述工艺将每个增强颗粒的至少一部分转化为陶瓷或金属间化合物。要素10：其中所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部被处理，使得每个增强颗粒的外表面表现出与所述芯部不同的热膨胀系数，并且其中所述不规则外表面特征结构是由于所述芯部与所述外表面之间的热膨胀系数不匹配而形成的负特征结构。要素11：其中所述负特征结构在使所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部经受热处理之后形成。要素12：其中所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部由较大的三维结构形成，所述三维结构被粉碎以形成所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部。要素13：其中所述不规则外表面特征结构包括从所述芯部向外延伸的正表面特征结构和向内延伸到所述芯部中或限定在所述芯部上的负外表面特征结构中的至少一者。要素14：其中所述不规则外表面特征结构包括由蚀刻处理产生的多孔或半多孔的外表面特征结构。要素15：其中所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部经由增材制造工艺印刷。要素16：其中所述增强颗粒中的所述至少一些的一些或全部被处理，使得每个增强颗粒的外表面表现出与所述芯部不同的热膨胀系数，并且其中所述不规则外表面特征结构是由于所述芯部与所述外表面之间的热膨胀系数不匹配而形成的负特征结构。
通过非限制性实例的方式，适用于a、b和c的示意性组合包括：要素6与要素7；要素8与要素9；以及要素10与要素11。
因此，本公开的系统和方法非常适合于达到所提及的目的和优势以及自身固有的目的和优势。上文所公开的具体实施方案仅仅是说明性的，因为本公开可以以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，旨在不限制本文所示的构造或设计的细节，除了如所附权利要求书中所述。因此，明显的是，上文所公开的特定说明性实施方案可改变、组合或修改，并且所有此类变化被视为在本公开的范围内。本文所公开的说明性系统和方法适当地可在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以实践。虽然按照“包含、”“含有、”或“包括”各种组分或步骤描述了组合物和方法，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文所公开的值的每个范围(形式为“从约a至约b，”或等效地“从大约a至b”，或等效地“从大约a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权所有人另外明确地并且清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有它们简单的、普遍的意义。此外，如权利要求书中使用的不定冠词“一个”或“一个，”在本文中定义为意指其引入的一个或一个以上的元件。如果本说明书和可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件中存在词语或术语用法的任何矛盾，那么应采用与本说明书一致的定义。
如本文所用，在一系列项目之前的短语“至少一个”，以及用于分开所述项目中的任何一个的术语“和”或“或”整体地修改列表，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项目)。短语“至少一个”允许包括项目中任何一个的至少一个、和/或项目的任何组合的至少一个、和/或项目中每一个的至少一个的意义。以举例的方式，短语“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一个”各自指只有a、只有b、或只有c；a、b和c的任何组合；和/或a、b和c中的每一个的至少一个。
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