油田射孔弹弹体粉末冶金材料制备及成形工艺研究

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1、工学博士学位论文油田射孔弹弹体粉末冶金材料制备及成形工艺研究戴建东哈尔滨理工大学国内图书分类号：TFl25工学博士学位论文油田射孑L弹弹体粉末冶金材料制备及成形工艺研究博士研究生：导师：寸}，llJ：申请学位级别：学科、专业：所在单位：答辩日期：授予学位单位：戴建东李大勇工学博士材料科学与工程材料科学与工程学院2013年8月哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TP125DissertationfortheD。ctoralDegreeinEngineeringPreparati。nandF。rmingPr。cess。fP。wderMetallurgyMate

2、rialsforOilFieldPerforatingBulletBodyCandidate：Supervisor：AcademicDegreeAppliedfor：Specialty：Unit：DateofOralExamination：University：DaiJiandongL1DayongDoctorofEngineeringMaterialsScienceandEngineeringSchoolofMaterialsScienceandEngineeringAugust，2013HarbinUniversityofScience&Technology哈尔

3、滨理工大学博士学位论文原创性声明作者签名窃侈锄，嗍沙／；年留月切日哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书作者虢豸概／日期：痧班汐月刀日翮签鸯队蓼蹶刎眸护日摘要油田射孔弹弹体粉末冶金材料制备及成形工艺研究油田射孔弹是一种为提高油田采油效率而使用的井下射孔工具。弹体是射孔弹的关键部件，主要作用是增强射孔弹侧向爆轰波冲量，提高金属射流的动能，延缓并降低稀疏波对金属射流的干扰，保证射孔深度。实践表明，弹体强度越高射孔弹穿深值越大，因此提高弹体强度是提高射孔弹穿深有效途径之一。由于弹体结构比较复杂，机械加工成本极高，采用冷挤压技术虽然提高了生产效率，使生产成本相对降低，但弹体材

4、料选择受到很大限制，目前只能用20钢通过冷挤压制造弹体，而20钢弹体爆炸后碎片尺寸较大，极易发生卡井事故，增加打捞作业成本。近年出现的斜井和水平井开采技术以及无枪身射孔器和全通径射孔技术都对弹体提出了新的更高的技术要求，开发新的弹体材料和制造工艺是当前急需研究的课题。本文通过对材料组织和性能及成形工艺的研究，探索采用粉末冶金材料及工艺方法制备新型射孔弹弹体的可行性，为实现产业化提供理论基础和技术支撑，以满足快速发展的石油工业对新型射孔弹的需求。依据热力学原理和粉末冶金烧结合金化机理，优化设计了Fe．Cu．C系、Fe．Ni—C系和Fe．Ni．Cu．C系三种合金材料，研

5、究了不同含量的Ni、Cu、C合金元素对弹体用不同合金系组织和性能的影响规律，分析了合金元素强化机理。研究表明：Cu对合金材料的组织和性能强化效果十分明显，Cu促进珠光体组织形成，细化珠光体层片间距，随着Cu含量的增加，合金抗拉强度和硬度增大，基体组织孔隙率增加，延伸率降低；Cu熔化后形成的孔隙均匀分布在基体组织中，在Cu含量大于2％缓慢冷却时，组织中出现游离Cu和富Cu相。Ni也促进珠光体组织形成，Ni含量增加使合金组织中铁素体含量减少而珠光体含量明显增多，合金的抗拉强度和硬度呈增大趋势变化；在C含量不变的情况下，合金延伸率随着Ni含量的增加，出现先增加后降低的变化

6、趋势，在Ni含量为3％时，延伸率达到极值后逐渐减小；当Ni含量为2％时，在颗粒晶界出现富Ni奥氏体层，并且随着Ni含量的增加奥氏体层有逐渐增厚的趋势。材料性能试验结果表明：对于铁基粉末冶金材料，Cu和Ni共同使用对性能的强化效果远大于单个元素的强化效果，起到优势互补作用。比较而言，Fe．Ni．Cu．C系合金综合力学性能优于Fe．Ni．C系和Fe．Cu．C系合金。哈尔滨理工大学工学博卜学位论文对压制成形方式、初压压力、复压压力和保压时间等成形工艺参数对压坯组织结构及密度分布的影响规律进行了深入研究。通过对不同的压制成形方式理论分析和工艺试验，确定了弹体压制成形方式；对

7、弹体结构、弹体初压和复压成形模具进行了优化设计。研究结果表明：初压压力和复压压力对初压密度和复压密度影响很大，当初压坯密度接近7．19／cm3以及复压压坯密度达到7．49／cm3时，继续提高压力压坯密度也不会增加，即复压密度不超过理论密度的95％。弹体初压密度过高或过低都对复压产生不利影响，初压压力在600MPa，复压压力在800MPa时，压坯组织及密度较为适宜。常规的初压和复压方式很难使弹体获得较高的密度及均匀的密度分布，本文采用补偿挤压强化致密的工艺方法获得了具有一定密度梯度分布的高密度粉末冶金弹体，弹体平均密度达到7．39／cm3。该项技术对获得高密度粉末