強(qiáng)韌化孕鑲金剛石鉆頭鐵基胎體材料對(duì)地質(zhì)鉆頭的壽命和鉆探效率的提升有著重要的作用。本文采用在鐵基胎體中摻入碳納米管的強(qiáng)化方法,通過熱壓燒結(jié)制備碳納米管-鐵基復(fù)合胎體材料。首先研究比較了手動(dòng)攪拌、機(jī)械球磨和活性劑方法對(duì)碳納米管的分散作用。繼而重點(diǎn)研究了不同碳納米管濃度對(duì)胎體的密度、硬度、抗彎強(qiáng)度、孔隙率和磨耗比等性能的影響規(guī)律。進(jìn)而在優(yōu)化的碳納米管濃度基礎(chǔ)上,考察評(píng)價(jià)了該碳納米管-鐵基胎體金剛石微鉆頭的鉆進(jìn)效果。為拓展該碳納米管-鐵基復(fù)合胎體材料的應(yīng)用潛力,進(jìn)一步研究了其激光表面重熔的可行性乃至激光高能束輻照對(duì)碳納米管和鐵基復(fù)合材料的影響。碳納米管-鐵基復(fù)合胎體材料的研究表明,活性劑分散方法可有效地分散碳納米管,從而顯著降低摻入的碳納米管濃度,但同時(shí)明顯提升該復(fù)合材料的性能。在碳納米管濃度為0.01-0.15 wt.%的范圍內(nèi),其硬度和抗彎強(qiáng)度隨碳納米管濃度的增加而先升高后下降;其中含量為0.05wt.%碳納米管對(duì)鐵基胎體的強(qiáng)韌化效果最佳。相比于無碳納米管摻入的鐵基胎體材料,其洛氏硬度提升10%,抗彎強(qiáng)度提高220%。碳納米管的有效彌散和與胎體組織的良好結(jié)合,是其發(fā)揮橋聯(lián)、拔出和裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)所致增韌作用之重要因素。而較高的碳納米管含量會(huì)導(dǎo)致材料晶界聚集過多的碳納米管而影響組織的結(jié)合,這是抗彎強(qiáng)度下降的主要原因。0.05%碳納米管-鐵基復(fù)合胎體相比于原始鐵基胎體,無金剛石復(fù)合胎體的磨耗比提升31%,而含金剛石復(fù)合胎體的磨耗比提升110%。研究亦表明,在本試驗(yàn)條件下,碳納米管對(duì)鐵基胎體材料密度、孔隙率和晶粒度的影響不明顯。鐵基胎體材料的高硬度主要與(γFe,Ni)和(αFe,Cr)組織中彌散分布的細(xì)小的Fe_2B金屬間化合物顆粒有關(guān)。微鉆試驗(yàn)表明,含0.05 wt.%碳納米管的孕鑲金剛石鉆頭,相對(duì)于無碳納米管強(qiáng)化的鉆頭,胎體內(nèi)外工作層磨損量較少。進(jìn)一步展示出碳納米管對(duì)鉆頭胎體的強(qiáng)韌化作用。激光表面重熔研究表明,0.05%碳納米管-鐵基胎體材料的激光重熔區(qū)為枝晶(γFe,Ni)相和枝晶間(αFe,Cr)相組成的密實(shí)的重熔層和部分熔化區(qū)的顯微組織;800 W激光功率產(chǎn)生了較厚的重熔層和部分熔化區(qū)、粗大的樹枝狀結(jié)構(gòu)和較硬的重熔微結(jié)構(gòu),使碳納米管和基體的連接由機(jī)械摻雜轉(zhuǎn)變?yōu)樘技{米管被枝晶間組分包裹的冶金結(jié)合;重熔過程中激光輻照和熱退火作用使得碳納米管的外壁粗化和崩解;相對(duì)于枝晶,較硬的枝晶間結(jié)構(gòu)歸因于其中分散的碳納米管和合金成分;在部分熔化區(qū)粗顆粒硬度低,細(xì)顆粒硬度上升主要是粒狀晶的尺寸效應(yīng);800 W重熔層的硬度可與母材基體相當(dāng),這是由于碳納米管強(qiáng)化、合金成分和致密重熔組織中的枝晶尺寸大小所產(chǎn)生的綜合效應(yīng)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;P634.31
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論常被稱為“超級(jí)纖維”。將碳納米管強(qiáng)度、彈性、韌性和抗疲勞性[43]。屬基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體[44]，近化機(jī)理料的強(qiáng)化作用主要有三種方式：拔遇到碳納米管后，由于碳納米管抗出。在拔出的過程中，碳納米管與礙裂紋繼續(xù)擴(kuò)展（如圖 1.1）。

納米管從基體中拔出。在拔出的過程中，碳納米管與基體之間產(chǎn)生切裂紋擴(kuò)展能量，阻礙裂紋繼續(xù)擴(kuò)展（如圖 1.1）。圖 1.1 碳納米管的拔出作用裂紋橋聯(lián)碳納米管存在于裂紋擴(kuò)展路徑中，把裂紋連接起來，并在裂紋的表面施力,阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。金屬基質(zhì)中的碳納米管裂紋橋聯(lián)作用，是由塑變形帶的形成而引起的（如圖 1.2）。

（a） （b）圖 1.3 碳納米管的裂紋偏轉(zhuǎn)作用: （a）裂紋沿碳納米管軸向擴(kuò)展；（b）裂紋碳納米管徑向擴(kuò)展。1.2.3 碳納米管強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料碳納米管在材料中起著載體的作用，與其結(jié)合，可以增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械能，得到性能優(yōu)異的復(fù)合材料。所以碳納米管是增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的一個(gè)很的選擇[43，48]。最初碳納米管用來增強(qiáng)高分子聚合物的長度。后來，碳納米管用強(qiáng)化陶瓷基復(fù)合材料的韌性、硬度和強(qiáng)度。近些年來，碳納米管強(qiáng)化金屬材料的應(yīng)用也在逐步增加。在航空航天，汽和體育產(chǎn)業(yè)，碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有潛在的應(yīng)用。如鋁基復(fù)合材碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可以提高其彈性模量、強(qiáng)度性能、顯微硬度和摩擦損性能[49-52]。鎂基復(fù)合材料：與原來的相比，添加少量的碳納米管可以大大提鎂基復(fù)合材料的拉伸和壓縮性[53-56]。并且 WC 作為應(yīng)用于鉆頭胎體的材料，碳
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2850250