金剛石含量對(duì)電子束選區(qū)熔化制備Ni-Cu/金剛石復(fù)合材料性能的影響

關(guān)鍵詞 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料；電子束選區(qū)熔化；抗沖蝕性；磨耗比中圖分類號(hào) TQ164;TG58;TG74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X(2025)03-0316-09DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0079收稿日期 2024-04-29 修回日期 2024-07-23

聚晶金剛石復(fù)合片（polycrystallinediamondcom-pact，PDC）鉆頭是指將聚晶金剛石復(fù)合片燒結(jié)或鑲嵌于鉆頭胎體里形成的鉆頭，其具有超高的耐磨性，鉆進(jìn)速度快、效率高，自問世以來便被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)鉆探、天然氣勘探和石油開采等領(lǐng)域，每年完成全球90% 以上的進(jìn)尺并且占據(jù)全球 80% 以上的市場(chǎng)1。PDC鉆頭根據(jù)其冠部基體材料的不同，可分為鋼體PDC鉆頭和胎體PDC鉆頭。與鋼體PDC鉆頭相比，胎體PDC鉆頭因其優(yōu)異的耐磨性和抗沖蝕性，以及在惡劣條件下更長(zhǎng)的壽命而受到鉆井行業(yè)工作者的青睞[2]。然而，胎體PDC鉆頭在極端惡劣的鉆探條件下的應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性，其胎體材料會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、沖蝕和脫落等損傷[3-5]，，從而需要頻繁更換鉆頭，不僅降低了鉆探效率，而且增加了施工成本。因此，對(duì)于胎體PDC鉆頭來說，胎體材料的選擇也是PDC能否在鉆進(jìn)過程中有效發(fā)揮破巖作用的關(guān)鍵，其性能對(duì)鉆頭的鉆進(jìn)效率、施工成本和服役壽命起到至關(guān)重要的作用。此外，隨著鉆探工程向著更深、更復(fù)雜和更高效的方向進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)PDC鉆頭胎體材料的制備及性能提出了更高的要求。

目前，應(yīng)用最廣泛的PDC鉆頭胎體材料制備工藝為燒結(jié)成形工藝。胎體材料通常由較硬的骨架材料（通常為難熔金屬碳化物，如WC、TiC和SiC等）和較軟的黏結(jié)合金（如 c_u 、Ni和Fe等）組成[6-8]，然后通過模具組裝、裝粉、燒結(jié)和PDC組裝等工序制備成完整的鉆頭。但燒結(jié)成形工序復(fù)雜，制備周期較長(zhǎng)且加工成本較高，在特種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度PDC鉆頭胎體材料制備中還存在一定的技術(shù)瓶頸[9-10]。因此，尋求一條全新的高效率、高精密的PDC鉆頭胎體材料制備路徑成為必然。

增材制造技術(shù)（即3D打印技術(shù)）經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，目前已憑借其快速成形、模型直觀以及近凈成形等優(yōu)勢(shì)成為新型制造技術(shù)中的突出代表[11-13]。其中的 EBSM技術(shù)具有掃描速度快、成形效率高和真空度較高等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)粉末的熔化成形溫度場(chǎng)較高，可有效降低成形件的熱應(yīng)力[1415]。該技術(shù)目前主要用于Ti-A1合金、高性能難熔合金、航空航天用復(fù)雜零部件和醫(yī)療植入體等的成形制備上[，且基于金屬的粉末床熔化技術(shù)生產(chǎn)的零部件具有更好的設(shè)計(jì)精度、表面質(zhì)量和近凈成形能力[17]。然而，目前尚未檢索到將EBSM技術(shù)應(yīng)用于PDC鉆頭胎體材料制備的文獻(xiàn)，故創(chuàng)新地將EBSM技術(shù)應(yīng)用于PDC鉆頭胎體材料的制備中，以期大大縮短產(chǎn)品制備開發(fā)周期，提高產(chǎn)品加工精度，克服傳統(tǒng)制備方法的一系列弊端，使PDC鉆頭胎體材料的生產(chǎn)制造更加便捷和高效[18]

因此，本研究選用鍍Ni金剛石粉末為增強(qiáng)相，Ni-Cu合金為胎體材料的合金黏結(jié)相，用EBSM技術(shù)制備用作PDC鉆頭胎體的Ni-Cu/金剛石復(fù)合材料，研究原料中金剛石含量對(duì) Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料耐磨及抗沖蝕等性能的影響，確定最佳的金剛石含量，以最終提高 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的耐磨和抗沖蝕性能等。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)過程

針對(duì)PDC鉆頭胎體材料的特性，從胎體打印過程的良好成形性、金剛石顆粒充分發(fā)揮自身最大性能并提高PDC鉆頭胎體材料耐磨性和抗沖蝕性等要求的角度考慮，在選擇金剛石時(shí)，須考慮其顆粒大小、分布和表面狀況。金剛石顆粒大小要比較均勻且具有等積形結(jié)構(gòu)。對(duì)比國內(nèi)多家公司的產(chǎn)品后，選用開封貝斯科超硬材料有限公司生產(chǎn)的BMD40N30型鍍Ni金剛石，其顆粒尺寸范圍為 70～150μm ，鍍 ΔNi 后增重30% 。胎體PDC鉆頭的工作能力除了受到PDC鉆齒的影響外，還在很大程度上取決于鉆頭胎體的性質(zhì)，即胎體要有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和耐磨性、抗沖蝕能力和沖擊韌性等，特別是其硬度與耐磨性要與所鉆巖層性質(zhì)相適應(yīng)。

胎體里均勻包鑲金剛石顆粒的PDC鉆頭體，鉆進(jìn)時(shí)胎體不斷遭受周圍破碎巖石的磨損和泥槳的沖蝕，此時(shí)胎體中的金剛石顆粒能起到抵抗碎巖和泥漿等對(duì)胎體的磨損和沖蝕作用，且在整個(gè)鉆進(jìn)過程中胎體表面不斷露出金剛石，最終達(dá)到提高胎體耐磨及抗沖蝕性能的目的[19]。

由于Ni-Cu合金在還原性介質(zhì)中的耐蝕性優(yōu)于Ni，在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性又優(yōu)于Cu，因而其在無氧和有氧化劑的條件下，都是耐高溫和耐腐蝕的絕佳合金[20]。此外，Ni-Cu合金的磨削性能良好，其剛性好、強(qiáng)度高，能有效減少崩刃且具有良好的耐磨性。因此，采用中南大學(xué)粉末冶金研究院生產(chǎn)的Ni-Cu30合金粉末為前期基礎(chǔ)原料。表1是 Ni-Cu30 粉末的化學(xué)成分。

圖1分別顯示了掃描電鏡下鍍Ni金剛石顆粒和Ni-Cu30 合金的形貌和粒度分布。由圖1a可以看出：鍍Ni金剛石顆粒的粒徑大多集中在 70～150μm ，具有完全規(guī)整的外形，顆粒大小較均勻，符合要求。由圖1b可以看出： Ni-Cu30 粉末主要由近似于球形的顆粒組成，其大部分顆粒粒徑主要集中在 45～150μm ，因?yàn)樾蚊埠土６然痉锨捌趯?shí)驗(yàn)要求。

共制備6組試樣，其原料成分配比為：金剛石體積分?jǐn)?shù)分別是 10% 、 15% 、 20% 、 25% ！ 30% 和 35% ，其余為Ni-Cu30合金粉末。將配好的粉末原料分別放入三維渦流混料機(jī)（TD-6，鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司）中混合 600min ，將混合后的粉末裝人EBSM設(shè)備（S2，西安賽隆增材技術(shù)股份有限公司）中打印。打印試樣的基板采用 120mm×120mm×10mm 的316L不銹鋼，成形室真空度 ?5×10^-2Pa 。

具體操作時(shí)，首先通過電子束掃描將基板預(yù)熱至500^c ，隨后在基板上均勻鋪展厚約為 0.05mm 的一層混合粉末，最后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的打印模型和程序通過EBSM打印 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料。打印時(shí)的電流為19mA ，掃描速度為 5mm/s 。打印完當(dāng)前層后將基板下降 0.05mm ，重復(fù)上述過程繼續(xù)打印，如此循環(huán)往復(fù)，直至完成試樣的全部打印加工，最后隨爐冷卻至室溫取出試樣。

成形后試樣的原始形貌如圖2所示。從圖2可見：不同金剛石體積分?jǐn)?shù)制備的 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣，均能按照預(yù)設(shè)模型完整成形。

1.2性能表征和測(cè)試方法

使用掃描電子顯微鏡（MIRA3XMH，TESCAN）觀察原料及試樣的微觀形貌特征。使用激光粒度分析儀（MasterSizer20oo，MalvernPanalytical）對(duì)金剛石及合金粉末的粒度分布進(jìn)行分析。通過阿基米德排水法測(cè)量并計(jì)算 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣的致密度，測(cè)試前用無水乙醇將待測(cè)試樣超聲清洗干凈，然后用阿基米德原理測(cè)量，最終計(jì)算出試樣的致密度，每個(gè)試樣重復(fù)測(cè)試3次，求算術(shù)平均值。利用方能材料試驗(yàn)機(jī)（AG-XPLUS，SHIMADZU），采用三點(diǎn)彎曲法對(duì)3個(gè)完全相同的 Ni-Cu 金剛石復(fù)合材料試樣的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行重復(fù)測(cè)試并對(duì)結(jié)果求算術(shù)平均值，測(cè)試時(shí)行進(jìn)速度為 0.5mm/min ，試樣尺寸為 5mm×5mm×30mm 。采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（MMW-2，濟(jì)南舜茂試驗(yàn)儀器有限公司），使用 ?4.78mm 的 Si₃N₄ 銷進(jìn)行銷盤干摩擦試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)載荷為 100N Si₃N₄ 銷轉(zhuǎn)速為 100r/min ，時(shí)間為 60min ，用試樣與 Si₃N₄ 銷的磨耗比衡量 Ni-Cu 金剛石復(fù)合材料的耐磨性，重復(fù)測(cè)試3次，求算術(shù)平均值。采用沖蝕腐蝕試驗(yàn)機(jī)（MCF-30，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司）對(duì) Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的抗沖蝕性能進(jìn)行測(cè)試，沖蝕時(shí)間設(shè)置為 ^100h ，試樣轉(zhuǎn)速設(shè)置為 200r/min 。沖蝕試驗(yàn)時(shí)沙和水的質(zhì)量按照 1:9 的比例配制砂漿，將試樣通過夾具固定后完全浸入砂漿中后開啟設(shè)備，再通過上述設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)試樣測(cè)試3次，求算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1復(fù)合材料致密度隨金剛石含量的變化

致密度對(duì) Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的力學(xué)性能具有至關(guān)重要的影響，制備的試樣致密度隨金剛石體積分?jǐn)?shù)的變化如圖3所示。從圖3可以看出：隨著金剛石體積分?jǐn)?shù)增加， Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣的致密度整體呈下降趨勢(shì)；在金剛石體積分?jǐn)?shù)為 10% 時(shí)，致密度達(dá)到最大值 86.15% ；當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)增加至 35% 時(shí)，

致密度下降至 73.87% 。

試樣表面的SEM形貌如圖4所示。由圖4可觀察到：隨著金剛石含量增加， Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣表面的孔隙（圖中的藍(lán)色虛線圈）明顯增多；且當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)增加至 30% 和 35% 時(shí)，試樣表面出現(xiàn)明顯的球化現(xiàn)象（圖4e和圖4f中的綠色虛線圈），導(dǎo)致試樣的致密度下降，這與圖3的結(jié)果對(duì)應(yīng)。

金剛石是一種非常硬的材料，由于其與Ni-Cu合金基體之間存在較大的性能差異，金剛石顆粒填充到Ni-Cu合金中制備的Ni-Cu/金剛石復(fù)合材料試樣相比于純合金時(shí)的試樣，整體致密度下降。當(dāng)金剛石含量增加時(shí)，金剛石顆粒的填充效應(yīng)會(huì)對(duì) Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的整體致密度產(chǎn)生負(fù)面影響，即隨著金剛石含量增加，金剛石顆粒在復(fù)合材料中的分散性發(fā)生變化。當(dāng)金剛石顆粒較少時(shí)，其在金屬基體中的分布較為稀疏，金屬基體占據(jù)主導(dǎo)地位，金剛石填充對(duì)復(fù)合材料整體致密度的影響較小，故此時(shí)致密度較高。然而，當(dāng)金剛石顆粒過多時(shí)，一方面金剛石顆粒會(huì)聚集在一起形成團(tuán)塊；另一方面金剛石的加入使得混合粉體的導(dǎo)電性變差，在電子束打印過程中，混合粉體上積累電荷，粉末顆粒之間以及粉末和入射的電子束間存在電荷斥力，粉末發(fā)生飛濺，導(dǎo)致試樣中出現(xiàn)孔隙，通過逐層打印，最終在試樣表面形成大小不一的孔洞。試樣表面除了出現(xiàn)連續(xù)的孔隙，還出現(xiàn)大量的凸起球狀物。這是由于金剛石含量較高時(shí)，物理混粉不能做到完全的均勻混合，且打印穩(wěn)定性變差，粉末被電子束熔化后形成的掃描道不連續(xù)；由于張力作用，分離為一連串球形顆粒而發(fā)生表面球化現(xiàn)象。球化的區(qū)域在接下來的成形過程中不斷長(zhǎng)大，導(dǎo)致 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的整體致密度減小，故 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的致密度隨金剛石含量增大呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)。

2.2復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度隨金剛石含量的變化

材料在抵抗外力作用下發(fā)生變形與破壞的能力稱為強(qiáng)度。對(duì)于金剛石復(fù)合材料來說，主要將抗彎強(qiáng)度作為其力學(xué)性能檢測(cè)指標(biāo)。抗彎強(qiáng)度是試樣在彎曲載荷作用下所能承受的最大應(yīng)力，反映了材料抵抗彎曲變形的能力，也可反映材料的相對(duì)韌性。 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度隨著金剛石體積分?jǐn)?shù)變化的趨勢(shì)如圖5所示。

由圖5可知：當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)為 10% 時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度達(dá)到了 127.64MPa ；當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)增加至 15% 1 20% 和 25% 時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度分別為92.30、95.32和 88.03MPa ，基本沒有發(fā)生變化，呈現(xiàn)出一個(gè)平臺(tái)期（圖5中的紅色虛線框）；而當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至 30% 和 35% 時(shí)，抗彎強(qiáng)度迅速減小至62.30和 33.02MPa 。故試樣的抗彎強(qiáng)度隨金剛石含量的增大，整體呈現(xiàn)出先減小、后出現(xiàn)一個(gè)基本保持不變的平臺(tái)期、隨后再迅速減小的趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步說明圖5中 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度隨金剛石含量變化趨勢(shì)產(chǎn)生的原因，對(duì)彎曲試驗(yàn)后的試樣斷口形貌進(jìn)行SEM觀察，得到不同金剛石體積分?jǐn)?shù)試樣的彎曲斷口形貌，如圖6所示。

如圖6a所示：當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)為 10% 時(shí)，金屬基體在整個(gè) Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料中占絕大多數(shù)體積（藍(lán)色虛線圈），金剛石顆粒間距較遠(yuǎn)，對(duì)試樣的整體性能影響很小，金剛石顆粒周圍金屬基體受到的約束較?。欢饘倩w由于具有更高的韌性可以承受更多的應(yīng)力，所以 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度較高。

如圖6b、圖6c和圖6d所示：當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)從 15% 增加到 25% 時(shí)，金屬基體的主導(dǎo)地位逐漸減弱，出現(xiàn)了金剛石輕微團(tuán)聚（黃色虛線圈）以及局部金剛石直接連接（紅色虛線圈）現(xiàn)象，而金剛石顆粒本身的高硬脆性對(duì)試樣整體的抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生消極作用，使試樣的抗彎強(qiáng)度增加;同時(shí)，金屬基體的韌性對(duì)試樣整體抗彎強(qiáng)度降低帶來的積極作用減弱。在此階段內(nèi)兩者形成平衡，從而使復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定而基本維持不變，印證了圖5中出現(xiàn)的紅色虛線框現(xiàn)象。

如圖6e和圖6f所示：當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加達(dá)到或超過 30% 時(shí)，試樣中過多的金剛石顆粒導(dǎo)致其出現(xiàn)越來越多的大規(guī)模團(tuán)聚現(xiàn)象（黃色虛線圈），且金剛石顆粒之間距離過近，缺少了具有韌性的金屬基體的橋梁作用，導(dǎo)致試樣彎曲時(shí)的外力無法傳遞而產(chǎn)生裂紋并加速其斷裂；此外，金屬基體所有的韌性對(duì) Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料整體抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生的積極作用進(jìn)一步降低，并小于金剛石顆粒過多引起的消極作用，從而導(dǎo)致試樣抗彎強(qiáng)度迅速降低。

2.3復(fù)合材料磨耗比隨金剛石含量的變化

PDC鉆頭胎體材料的耐磨性能是評(píng)價(jià)鉆頭性能的重要指標(biāo)，通常用磨耗比表示，即為對(duì)磨材料去除質(zhì)量與試樣質(zhì)量損失間的比值。試驗(yàn)得到的 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的磨耗比隨金剛石體積分?jǐn)?shù)變化的趨勢(shì)如圖7所示。由圖7可以看出：隨金剛石體積分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的磨耗比呈先增加后迅速下降的趨勢(shì)，在金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)達(dá)到最大值 1.09

在初始階段，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)從 10% 增加到 20% 時(shí)，試樣磨耗比從0.74增加到 0.98 。這主要是因?yàn)榻饎偸哂袠O高的硬度和耐磨性，金剛石顆粒數(shù)量的增加提供了更多抵抗磨損的增強(qiáng)相；隨著金剛石含量增加，其在金屬基體中的分布由稀疏變?yōu)榫鶆颍饎偸w粒之間的距離逐漸適合，與金屬基體結(jié)合形成更為緊密的結(jié)構(gòu)，提供更好的耐磨性能。因此，當(dāng)金剛石含量在此范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)， Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣的耐磨性會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)。

當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)增加至 25% 時(shí)，試樣的磨耗比達(dá)到最大值1.09，此時(shí)的金剛石顆粒分布最均勻，與NiCu合金基體的結(jié)合最為合理且達(dá)到最佳，故試樣的耐磨性達(dá)到最佳。

然而，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至 30% 和 35% 時(shí)，試樣磨耗比迅速降低至0.93和 0.57，Ni.Cu/_÷^′ 金剛石復(fù)合材料試樣的耐磨性大幅度降低。雖然金剛石顆粒本身具有極高的硬度和耐磨性，但其含量超過臨界閥值時(shí)會(huì)導(dǎo)致金屬基體中金剛石顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚和堆積不均勻現(xiàn)象；且由于缺少金屬基體的固結(jié)和把持作用，在磨損測(cè)試時(shí)試樣會(huì)直接整體剝落，從而出現(xiàn)磨耗比迅速減小的現(xiàn)象，導(dǎo)致 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣整體的耐磨性大幅度降低。此外，結(jié)合圖3分析可知：隨著金剛石含量增大，試樣致密度降低，孔隙率增加，同樣會(huì)進(jìn)一步使試樣的耐磨性變差。

圖8顯示了不同金剛石體積分?jǐn)?shù)試樣通過摩擦磨損測(cè)試后的表面形貌。如圖8a、圖8b和圖8c所示：當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)從 10% 增加到 20% 時(shí)，試樣磨損表面較為平整，金剛石顆粒的磨損機(jī)制為斷裂（綠色箭頭所示），尚未觀察到顆粒整體脫落的情況，此時(shí)的金剛石顆粒對(duì) Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料整體耐磨性能起到增強(qiáng)作用。

如圖8d所示：當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)，金剛石顆粒分布均勻， ΔNi-Cu 合金能夠填充至金剛石顆粒之間，對(duì)其形成強(qiáng)力把持，充分發(fā)揮金剛石顆粒的優(yōu)良耐磨性能，此時(shí)對(duì)應(yīng)了圖7中試樣的最佳耐磨性。

如圖8e和圖8f所示：當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加至 30% 和 35% 時(shí)，可以觀察到明顯的金剛石團(tuán)聚現(xiàn)象（黃色虛線圈），大量金剛石團(tuán)聚導(dǎo)致其與基體間的結(jié)合力驟降，并且團(tuán)聚體間直接連接形成大量間隙（紅色虛線圈），進(jìn)一步使金剛石顆粒在磨損時(shí)尚未發(fā)揮正向促進(jìn)作用而提前成團(tuán)脫落，大大降低了Ni-Cu 金剛石復(fù)合材料整體的耐磨性。

因此， Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的耐磨性是由合適含量的金剛石顆粒的積極貢獻(xiàn)和過高含量的金剛石顆粒所導(dǎo)致的團(tuán)聚等副作用的綜合因素決定的。綜合起來，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)， Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料的耐磨性能最佳。

2.4復(fù)合材料抗沖蝕性能隨金剛石含量的變化

在PDC鉆頭的實(shí)際應(yīng)用中，在深地鉆探時(shí)會(huì)頻繁遇到砂漿沖蝕的工況，故鉆頭胎體材料的抗沖蝕性能對(duì)鉆頭在服役過程中的壽命以及進(jìn)給效率會(huì)產(chǎn)生重要影響。復(fù)合材料沖蝕磨損的質(zhì)量損失隨金剛石體積分?jǐn)?shù)的變化如圖9所示。由圖9可知：隨著金剛石體積分?jǐn)?shù)增加，試樣沖蝕后的質(zhì)量損失先減小后顯著增大，在金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)達(dá)到最小值；且當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)從 10% 增加到 25% 時(shí)，質(zhì)量損失從 18.7mg 逐步降低至最小值 7.15mg 。

胎體的沖蝕過程通常伴隨著高速流體夾雜的硬質(zhì)顆粒流，這會(huì)導(dǎo)致鉆頭體胎體材料表面與之發(fā)生摩擦和磨損，而金剛石的硬度和耐磨性使其在沖蝕條件下的抗沖蝕性能表現(xiàn)出色。當(dāng)金剛石的體積分?jǐn)?shù)在10%～20% 時(shí)，金屬基體中的金剛石顆粒較少并且分布較為稀疏，能夠發(fā)揮其一定的超高硬度和耐磨性優(yōu)勢(shì)；且隨金剛石含量增加，其對(duì)復(fù)合材料整體抗沖蝕性的貢獻(xiàn)增強(qiáng)，使 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料更具抵抗磨損和沖蝕的能力，從而降低試樣的沖蝕質(zhì)量損失。

當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)，試樣沖蝕后的質(zhì)量損失達(dá)到最小值。此時(shí)的金剛石顆粒分布最均勻，金屬基體有效填充于金剛石顆粒之間，對(duì)其形成強(qiáng)力的把持與包覆，從而使金剛石對(duì)復(fù)合材料試樣整體性能的積極貢獻(xiàn)最大化，即此時(shí)試樣獲得最優(yōu)的抗沖蝕性能。

當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到 30% 和 35% 時(shí)，試樣的質(zhì)量損失迅速增大，分別達(dá)到 14.8mg 和 29.8mg 。此時(shí)金剛石顆粒間的間隙減少甚至直接連接，部分金剛石顆粒失去了金屬基體的連接和把持作用；另外，金剛石顆粒還出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象（圖6e和圖6f），導(dǎo)致流體和硬質(zhì)顆粒在 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料表面產(chǎn)生更大的沖蝕作用，且金剛石顆粒失去金屬基體的把持后成團(tuán)剝落，從而產(chǎn)生更大的質(zhì)量損失。由此得出，Ni-Cu 金剛石復(fù)合材料試樣在金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)具有最佳的抗沖蝕性能。

3結(jié)論

（1）隨著金剛石含量增加， Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣的致密度整體呈下降趨勢(shì)。（2） Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料試樣的抗彎強(qiáng)度隨金剛石含量的增大，整體呈先減小、后出現(xiàn)一個(gè)基本保持不變的平臺(tái)期、隨后再迅速減小的趨勢(shì)。（3）隨著金剛石體積分?jǐn)?shù)從 10% 增加到 35% 試樣的磨耗比先逐步增加，在 25% 時(shí)達(dá)到最大值1.09，后迅速減小。（4）試樣在抗沖蝕試驗(yàn)中的質(zhì)量損失隨金剛石體積分?jǐn)?shù)的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，在金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)獲得最小值 7.15mg 。（5）綜合復(fù)合材料試樣磨耗比和沖蝕試驗(yàn)質(zhì)量損失結(jié)果可得出，當(dāng)金剛石體積分?jǐn)?shù)為 25% 時(shí)，通過EBSM制備的 Ni-Cu/ 金剛石復(fù)合材料耐磨和抗沖蝕性能最佳。

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作者簡(jiǎn)介

范永剛，男，1989年生，副教授、博士。主要研究方向：金屬基超硬復(fù)合材料的研發(fā)及應(yīng)用。

E-mail: fanyonggang@smm.neu.edu.cn

（編輯：周萬里）

Effect of diamond content on properties of Ni-Cu/diamond composites prepared by electron beam selective melting

LI Haodong， WANG Haishan， FAN Yonggang(SchoolofMetallurgy，NortheasternUniversity，Shenyang11o819，China）

AbstractObjectives: Polyerystaline diamond composite (PDC) drillbits are formed by sintering or inlaying polycrystalline diamond compositeintothematrix of thedrillbits，andare widelyused in theengineering fielddue to their excelent performance.Compared withstee-bodyPDC bits，matrix-body PDC bits have superiorabrasion resistance and erosion resistance.However，under extremely severe working conditions，the matrix-body PDCdrillbodymaterial stillfaceschalenges inpractical applications，and the preparation procssof thedrillmatrixmaterial iscomplicatedand cumbersome.Therefore，it has become an inevitable trend to prepare drillmatrix materials with excellent performance through more eficient preparation methods.Methods: Ni-Cu/diamondcomposites，aspotential PDCdrillbit matrix，are successfully prepared by electron beam selective melting (EBSM).The effects of diamond content on the wear resistance and erosion resistance of Ni-Cu/diamond composites changes are systematicall investigated.Results: The results showthathe wearratioofthe specimens first increases andthen decreases as the volume fractionof diamond increases from 10% to 35% ，while the erosion resistance shows an opposite trend. When the volume fraction of diamond is below 25% ，thelower content of diamond is sparsely distributed in the metal matrix.At this time，the advantages of its high hardness contribute less to the overallabrasion resistance and erosion resistance of the composite specimens， with the metal matrix occupying the main position.Inthis diamondcontentrange，the wearratioof thesampleis relativelysmall butincreases withtheincreaseofdiamondcontent，whilethe weightlossafter theerosion testislargebutdecreases with the increase of diamond content. When the volume fraction of diamond reaches 25% ，the diamond particles are uniformlydistributed inthe metal matrix andtightly bondedto it，significantly enhancing the wear and erosion resistance of the sample.Meanwhile，the wear ratio reaches the maximum valueof1.09，while the weight lossafter the erosion test reaches the minimum value of 7.15mg .However， when the volume fraction of diamond increases to 30% and 35% ，excesive diamond particles in the matrix exhibit large-scale agglomeration and directconnection. Due to the lo of the metal matrix'sabilitytobindand hold them，thediamond particles falloff inclumps during wearanderosion tests，resulting inasignificant decrease inwearresistanceand erosionresistanceofthe specimens.Conclusions:The wearresistance and erosion resistance of PDC bit matrix materials are key factors determining the overall performance of PDC bits，as expressedbytheabove wearrate and weightlossafter erosion tests.Therefore，itcanbeconcluded that when the diamond volume fraction is 25% ，the overall wear resistance of the Ni-Cu/diamond composite material reaches its best level.

Key wordsNi-Cu/diamond composites; electron beam selective melting; erosion resistance; wear ratio