專利名稱：一種泥漿泵缸套用LaMgAl₁₁O₁₉-SiC-Al₂O₃復(fù)相陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料，屬于特種陶瓷及耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著淺層易開采的油氣資源逐漸被采殆盡，油氣資源的開發(fā)向深井、超深井鉆探技術(shù)方向發(fā)展，勘探的難度以及成本也越來越大，同時(shí)對(duì)鉆探設(shè)備和井下機(jī)具的使用壽命也提出了更高的要求。泥漿泵是鉆井泥漿循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，相當(dāng)于鉆井設(shè)備的心臟。它的主要作用是向井底輸送高壓泥漿，以便冷卻鉆頭、沖洗井底，并帶走鉆探過程中產(chǎn)生的巖屑，進(jìn)而輔助鉆頭鉆進(jìn)。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、密度和腐蝕性的堿性鉆井液介質(zhì)，其使用性能的好壞會(huì)對(duì)鉆井的速度和質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，一旦失效就得停鉆維修或更換零件，極大地影響了鉆進(jìn)的效率，給油氣鉆探行業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)效益。缸套是鉆井泵的關(guān)鍵易損件，泥漿泵通過活塞在缸套里的往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(zhì)腐蝕的雙重作用，當(dāng)磨損量達(dá)O. 2 O. 3mm時(shí)，造成泥漿泄漏，泵壓下降，導(dǎo)致缸套損毀。。特別是現(xiàn)代泥漿泵發(fā)展到大功率、大排量、高壓力后，所輸送的泥漿液成分也變得復(fù)雜，因此，延長泥漿泵缸套等易損部件的使用壽命是提高鉆探設(shè)備工作穩(wěn)定性和鉆探效率必須解決的技術(shù)難題。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和日益嚴(yán)峻的能源形勢，要求能源地質(zhì)勘探工作量迅速增長，對(duì)鉆探設(shè)備的長使用壽命提出了更高的要求。缸套一活塞是鉆井設(shè)備中重要的摩擦密封副，泥漿泵缸套作為井下機(jī)具中較為容易失效的零部件之一，用作其滑動(dòng)摩擦副的材料除了要有良好的力學(xué)性能，還要求耐高壓、耐腐蝕和耐磨損。目前，泥漿泵缸套主要采用高耐磨鑄鐵、耐磨合金鋼、硬質(zhì)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鉆探的連續(xù)化生產(chǎn)要求。近年來以Al203、Zr02、Sialon等為代表的高硬度陶瓷材料由于具有硬度高、耐磨性好、耐腐蝕、耐高溫以及摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)而引起了人們的關(guān)注。高硬度結(jié)構(gòu)陶瓷材料在鉆探設(shè)備中耐磨材料領(lǐng)域的應(yīng)用方面已取得了一定的進(jìn)展，泥漿泵陶瓷缸套的使用壽命可達(dá)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(yīng)用較為廣泛的耐磨損材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高，抗腐蝕性好，耐磨損等優(yōu)良性能，但用作油氣鉆探技術(shù)中的耐磨材料，其突出缺點(diǎn)是韌性低，硬度欠佳，抗沖擊性能差，容易產(chǎn)生脆性斷裂。因此,本發(fā)明通過在氧化鋁陶瓷基體中添加板片狀結(jié)構(gòu)的LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體，通過LaMgAl11O19片狀晶和納米SiC粒子的協(xié)同作用以實(shí)現(xiàn)對(duì)Al2O3陶瓷的增韌補(bǔ)強(qiáng)，提高氧化鋁陶瓷材料的韌性和耐磨損性能，用作鉆探設(shè)備中泥漿泵缸套，是油氣鉆探技術(shù)領(lǐng)域一種新型的耐磨陶瓷材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了在氧化鋁中添加板片狀結(jié)構(gòu)的LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體制備出具有良好耐磨損性能的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料。通過調(diào)整LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體的加入量，產(chǎn)生較好的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用，提高其耐磨粒磨損性能。一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料，其特征在于以板片狀結(jié)構(gòu)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后先濕法球磨8h-30h，然后經(jīng)干燥處理得到混合料的粉體，采用干壓或者注漿成型法得到坯體，再經(jīng)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(jìn)行燒結(jié)，自然冷卻到室溫制得LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復(fù)相陶瓷材料。根據(jù)權(quán)利要求書I所述的泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料，其特征在于所述的LaMgAl11O19粉體原料是以Mg(OH)2、Al (OH)3和La2O3為原料(均為化學(xué) 分析純)，采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%。采用本發(fā)明制備得到的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)680MPa，斷裂韌性最高可達(dá)5. 64MPa · m1/2，維氏硬度最高達(dá)12. 7GPa，其耐常溫液固兩相磨粒磨損性能明顯優(yōu)于純氧化鋁陶瓷，可代替油氣鉆探行業(yè)中的耐磨鑄鐵、耐磨合金鋼及硬質(zhì)合金等耐磨金屬材料用作鉆探設(shè)備中的泥漿泵缸套。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :用分析純的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作為實(shí)驗(yàn)原料，按LaMgAl11O19化學(xué)計(jì)量比設(shè)計(jì)配料，然后球磨12h取出并干燥、分別在1550°C條件下保溫4h合成粉體，合成后的粉體經(jīng)粉碎研磨制得板片狀結(jié)構(gòu)的LaMgAl11O19粉體。以制備得到的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(jìn)行配料,球磨8h,球磨混合后經(jīng)干燥處理得到粉體在25MPa條件下干壓成型，在經(jīng)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(jié)，自然冷卻到室溫，即可得到耐磨損的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復(fù)相陶瓷材料。所制得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料的主要性能指標(biāo)抗彎強(qiáng)度356MPa，斷裂韌性最高可達(dá)4. 84MPa *m1/2 ;在MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)上加載40N的砝碼，以40 70目的石英砂為磨料進(jìn)行磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，經(jīng)12800轉(zhuǎn)(橡膠輪直徑為17. 8cm)磨損后其磨損率為O. 46%。實(shí)施例2:用分析純的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作為實(shí)驗(yàn)原料，按LaMgAl11O19化學(xué)計(jì)量比設(shè)計(jì)配料，然后球磨20h取出并干燥、分別在1600°C條件下保溫IOh合成粉體，合成后的粉體經(jīng)粉碎研磨制得板片狀結(jié)構(gòu)的LaMgAl11O19粉體。以制備得到的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(jìn)行配料，球磨12h，球磨混合后經(jīng)干燥處理得到粉體注漿成型，在經(jīng)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(jié)，自然冷卻到室溫，即可得到耐磨損的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復(fù)相陶瓷材料。所制得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料的主要性能指標(biāo)抗彎強(qiáng)度472MPa，斷裂韌性最高可達(dá)5. 30MPa · m1/2，以在MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)上加載40N的砝碼，以40 70目的石英砂為磨料進(jìn)行磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，經(jīng)12800轉(zhuǎn)(橡膠輪直徑為17. 8cm)磨損后其磨損率為O. 42%。實(shí)施例3:用分析純的Al (OH) 3、Mg (OH) 2、La2O3作為實(shí)驗(yàn)原料，按LaMgAl11O19化學(xué)計(jì)量比設(shè)計(jì)配料，然后球磨6h取出并干燥、分別在1500°C條件下保溫24h合成粉體，合成后的粉體經(jīng)粉碎研磨制得板片狀結(jié)構(gòu)的LaMgAl11O19粉體。 以制備得到的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(jìn)行配料，球磨16h，球磨混合后經(jīng)干燥處理得到粉體注漿成型，在經(jīng)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(jié)，自然冷卻到室溫，即可得到耐耐磨損的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復(fù)相陶瓷材料。所制得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料的主要性能指標(biāo)抗彎強(qiáng)度675MPa，斷裂韌性最高可達(dá)5. 64MPa ·πι1/2，在MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)上加載40N的砝碼，以40 70目的石英砂為磨料進(jìn)行磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，經(jīng)12800轉(zhuǎn)(橡膠輪直徑為17. 8cm)磨損后其磨損率為0.37%。
權(quán)利要求
1.一種泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料，其特征在于以板片狀結(jié)構(gòu)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后先濕法球磨8h-30h，然后經(jīng)干燥處理得到混合料的粉體，采用干壓或者注漿成型法得到坯體，再經(jīng)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(jìn)行燒結(jié)，自然冷卻到室溫，制得LaMgAl11O19-SiC-Al2O3 復(fù)相陶瓷材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的泥漿泵缸套用LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料，其特征在于所述的板片狀結(jié)構(gòu)的LaMgAl11O19粉體是以Mg (OH) 2、Al (OH) 3和La2O3為原料，采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(fù)相陶瓷材料，屬于特種陶瓷及耐磨材料技術(shù)領(lǐng)域。該材料通過在高純氧化鋁粉體中引入板片狀結(jié)構(gòu)的LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體，經(jīng)混料、成型和高溫?zé)Y(jié)過程制備得到；通過調(diào)整LaMgAl11O19粉體和納米SiC粉體的加入量來實(shí)現(xiàn)對(duì)Al2O3陶瓷的增韌補(bǔ)強(qiáng)，改善Al2O3陶瓷材料的硬度和斷裂韌性，提高其耐磨損性能。所制得的LaMgAl11O19-SiC-Al2O3復(fù)相陶瓷材料的耐常溫液固兩相磨粒磨損性能明顯優(yōu)于純氧化鋁陶瓷，可用作鉆探設(shè)備中的泥漿泵缸套，提高缸套的耐磨損性能和使用壽命，滿足鉆井設(shè)備高效率鉆探的生產(chǎn)要求。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102826838SQ20121033437
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者唐浩, 房明浩, 閔鑫, 黃朝暉, 劉艷改, 劉書躍, 文瑞龍, 唐潮 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)