油田射孔彈彈體粉末冶金材料制備及成形工藝研究.pdf

1、油田射孔彈是一種為提高油田采油效率而使用的井下射孔工具。彈體是射孔彈的關(guān)鍵部件，主要作用是增強射孔彈側(cè)向爆轟波沖量，提高金屬射流的動能，延緩并降低稀疏波對金屬射流的干擾，保證射孔深度。實踐表明，彈體強度越高射孔彈穿深值越大，因此提高彈體強度是提高射孔彈穿深有效途徑之一。由于彈體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，機械加工成本極高，采用冷擠壓技術(shù)雖然提高了生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)成本相對降低，但彈體材料選擇受到很大限制，目前只能用20鋼通過冷擠壓制造彈體，而20鋼彈體

2、爆炸后碎片尺寸較大，極易發(fā)生卡井事故，增加打撈作業(yè)成本。近年出現(xiàn)的斜井和水平井開采技術(shù)以及無槍身射孔器和全通徑射孔技術(shù)都對彈體提出了新的更高的技術(shù)要求，開發(fā)新的彈體材料和制造工藝是當(dāng)前急需研究的課題。本文通過對材料組織和性能及成形工藝的研究，探索采用粉末冶金材料及工藝方法制備新型射孔彈彈體的可行性，為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，以滿足快速發(fā)展的石油工業(yè)對新型射孔彈的需求。
　　依據(jù)熱力學(xué)原理和粉末冶金燒結(jié)合金化機理，優(yōu)化設(shè)計

3、了Fe-Cu-C系、Fe-Ni-C系和Fe-Ni-Cu-C系三種合金材料，研究了不同含量的Ni、Cu、C合金元素對彈體用不同合金系組織和性能的影響規(guī)律，分析了合金元素強化機理。研究表明:Cu對合金材料的組織和性能強化效果十分明顯，Cu促進珠光體組織形成，細(xì)化珠光體層片間距，隨著Cu含量的增加，合金抗拉強度和硬度增大，基體組織孔隙率增加，延伸率降低;Cu熔化后形成的孔隙均勻分布在基體組織中，在Cu含量大于2％緩慢冷卻時，組織中出現(xiàn)游離Cu

4、和富Cu相。Ni也促進珠光體組織形成，Ni含量增加使合金組織中鐵素體含量減少而珠光體含量明顯增多，合金的抗拉強度和硬度呈增大趨勢變化;在C含量不變的情況下，合金延伸率隨著Ni含量的增加，出現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，在Ni含量為3％時，延伸率達到極值后逐漸減小;當(dāng)Ni含量為2％時，在顆粒晶界出現(xiàn)富Ni奧氏體層，并且隨著Ni含量的增加奧氏體層有逐漸增厚的趨勢。材料性能試驗結(jié)果表明:對于鐵基粉末冶金材料，Cu和Ni共同使用對性能的強化效果遠(yuǎn)大

5、于單個元素的強化效果，起到優(yōu)勢互補作用。比較而言，F(xiàn)e-Ni-Cu-C系合金綜合力學(xué)性能優(yōu)于Fe-Ni-C系和Fe-Cu-C系合金。
　　對壓制成形方式、初壓壓力、復(fù)壓壓力和保壓時間等成形工藝參數(shù)對壓坯組織結(jié)構(gòu)及密度分布的影響規(guī)律進行了深入研究。通過對不同的壓制成形方式理論分析和工藝試驗，確定了彈體壓制成形方式;對彈體結(jié)構(gòu)、彈體初壓和復(fù)壓成形模具進行了優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果表明:初壓壓力和復(fù)壓壓力對初壓密度和復(fù)壓密度影響很大，當(dāng)初壓坯

6、密度接近7.1 g/cm3以及復(fù)壓壓坯密度達到7.4g/cm3時，繼續(xù)提高壓力壓坯密度也不會增加，即復(fù)壓密度不超過理論密度的95％。彈體初壓密度過高或過低都對復(fù)壓產(chǎn)生不利影響，初壓壓力在600MPa，復(fù)壓壓力在800MPa時，壓坯組織及密度較為適宜。常規(guī)的初壓和復(fù)壓方式很難使彈體獲得較高的密度及均勻的密度分布，本文采用補償擠壓強化致密的工藝方法獲得了具有一定密度梯度分布的高密度粉末冶金彈體，彈體平均密度達到7.3g/cm3。該項技術(shù)對獲

7、得高密度粉末冶金制品具有重要的作用與意義。彈體材料性能試驗表明:密度對力學(xué)性能有很大影響。當(dāng)壓坯燒結(jié)密度超過6.9g/cm3時，抗拉強度和延伸率增加的幅度變大，而硬度隨材料密度的變化幅度則相對平穩(wěn)。當(dāng)彈體密度為7.3g/cm3時，F(xiàn)e-Ni-Cu-C系合金抗拉強度和延伸率分別達到647MPa和3.78％。
　　對彈體燒結(jié)過程進行了系統(tǒng)研究，分析探討了燒結(jié)強化機理和燒結(jié)動力學(xué)。燒結(jié)動力學(xué)分析表明:粉末的燒結(jié)速度主要取決于燒結(jié)溫度。燒

8、結(jié)溫度對彈體的組織、密度和性能均有較大影響。隨著燒結(jié)溫度的提高，彈體材料的密度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢變化，當(dāng)溫度達到1200℃時密度增加變緩趨于穩(wěn)定;組織中的孔隙數(shù)量隨著燒結(jié)溫度的提高逐漸減少，形狀由不規(guī)則逐漸變成橢圓形或球形，且獨立分布;隨著燒結(jié)溫度的提高，燒結(jié)體的抗拉強度、硬度、延伸率都隨之提高。實驗表明:Cu和Ni對燒結(jié)過程均有強化燒結(jié)作用。Cu在燒結(jié)溫度大于1083℃時會產(chǎn)生液相燒結(jié)，對合金元素的擴散起到強化作用，但Cu熔化形成

9、的孔隙，會使彈體燒結(jié)體積膨脹、密度降低，產(chǎn)生反致密化;Ni與Fe晶粒形成的富Ni奧氏體層為Fe原子和合金元素提供了快速擴散通道，使彈體燒結(jié)體積產(chǎn)生收縮，產(chǎn)生致密化燒結(jié)作用，可有效彌補Cu反致密化產(chǎn)生的不利影響。Cu一方面起到強化燒結(jié)的作用，另一方面Cu熔化后形成一定數(shù)量的孔隙，通過對燒結(jié)工藝參數(shù)的調(diào)整控制基體組織的孔隙形態(tài)，使彈體爆炸后更易形成小的碎片，從而使彈體具有優(yōu)異的低碎屑。試驗結(jié)果表明:初燒溫度在850℃，保溫1小時，復(fù)燒溫度在

10、1100℃-1150℃，保溫1.5小時的燒結(jié)工藝燒結(jié)效果最佳。
　　本文還利用有限元模擬深入分析了不同工藝參數(shù)對彈體粉末坯料冷擠壓成形時塑性變形規(guī)律、流動行為、應(yīng)力狀態(tài)等的影響。研究結(jié)果表明:在圓柱形坯料成形中，軸向拉應(yīng)力的峰值顯著高于其它方案，而采用端部帶凹坑的錐臺形坯料成形時，除整體的變形流動均勻性顯著提高外，成形所需擠壓力和模具的有效應(yīng)力值最小，可實現(xiàn)一次擠壓成形，為制定合理的工藝方案提供設(shè)計依據(jù)。對開辟彈體新的制備工藝途徑