金属基复合材料工具所用的网状增强件

申请号 CN201580075044.3 申请日 2015-03-19 公开(公告)号 CN107206500A 公开(公告)日 2017-09-26
申请人 哈里伯顿能源服务公司; 发明人 D·B·沃格拉维地; G·O·库克; G·T·奥尔森;
摘要 本 发明 公开了一种模具组件系统,所述模具组件系统包括限定用于形成渗透金属基 复合材料 (MMC)工具的渗透室的模具组件。 增强材料 沉积在所述渗透室内,并且 粘合剂 材料用于渗透所述增强材料。至少一个预成型网状物 定位 在所述渗透室内并且嵌入在所述增强材料内。所述至少一个预成型网状物包括多孔本体并且在渗透后向所述渗透MMC工具提供骨架增强。
权利要求

1.一种模具组件系统,其包括:
模具组件,所述模具组件限定用于形成渗透金属基复合材料(MMC)工具的渗透室;
增强材料,所述增强材料沉积在所述渗透室内;
粘合剂材料,所述粘合剂材料渗透所述增强材料;以及
至少一个预成型网状物,所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内并且嵌入在所述增强材料内,所述至少一个预成型网状物包括多孔本体并且在渗透后向所述渗透MMC工具提供骨架增强。
2.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述渗透MMC工具为选自由以下各项组成的组的工具:油田钻头或切削工具;不可回收的钻井部件;与井筒套管钻井相关联的钻头体;钻柱稳定器;牙轮钻头的牙轮;用于锻造用于制造牙轮钻头的支撑臂的冲模的模型;固定扩孔器的臂;可扩张扩孔器的臂;与可扩张扩孔器相关联的内部部件;可附接到旋转钻头的井口端的套筒;旋转式转向工具;随钻测井工具;随钻测量工具;侧壁取芯工具;打捞矛;
套洗工具;用于井下钻井电机转子定子和/或壳体;用于井下涡轮机的叶片;以及它们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物还包括从所述多孔本体朝向所述渗透室的内壁延伸的一个或多个支座,并且其中所述一个或多个支座与所述渗透室的所述内壁啮合并且在所述多孔本体与所述渗透室的所述内壁之间提供偏移间距。
4.根据权利要求3所述的模具组件系统,其中所述偏移间距沿
所述渗透室的所述内壁的全部或一部分变化。
5.根据权利要求3所述的模具组件系统,其中所述一个或多个支座包括选自由以下各项组成的组的结构:杆、销、柱、垂直设置的翅片、平设置的板、它们的任意组合等等。
6.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述多孔本体呈现出选自由以下各项组成的组的截面形状:圆形、卵形、波状、齿形、椭圆形、规则多边形、不规则多边形、波状、雉堞状、具有锐的雉堞状、具有圆角的雉堞状、不对称几何形状以及它们的任意组合。
7.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物悬置在所述渗透室内。
8.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物包括选自由以下各项组成的组的材料:金属、金属合金、超级合金、金属间化合物、化物、化物、氮化物、化物、陶瓷、金刚石、金属泡沫以及它们的任意组合。
9.根据权利要求8所述的模具组件系统,其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的硬质金属:铍、铪、铱、铌、锇、铼、铑、钌、钽、、镍、铬、钼、钨、它们的任意组合;以及上述与所述粘合剂材料的任何合金。
10.根据权利要求8所述的模具组件系统,其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的延性金属:、铅、、铟、铋、锂、镁、、锑、金、锌以及它们的任意合金。
11.根据权利要求8所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物包括所述材料中的两种或更多种。
12.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物是使用以下至少一种方法制造的:增材制造烧结、粉末冶金铸造、机械织造、机械紧固、定位焊、钎焊、激光钻孔、物理气相沉积化学气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、化学溶液沉积、等离子体增强化学气相沉积、阴极电弧沉积、电流体学沉积、离子辅助电子束沉积、电解、无电电镀、热蒸发、将所述预成型网状物的部分浸渍在熔融金属熔池中以及它们的任意组合。
13.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物包括在所述渗透室内定位在选择位置处的一个或多个插入物。
14.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物包括多个三维多面体骨架元件,所述多个三维多面体骨架元件结合形成所述至少一个预成型网状物。
15.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述至少一个预成型网状物包括各自定位在所述渗透室内且以嵌套关系彼此偏移的第一预成型网状物和第二预成型网状物。
16.根据权利要求15所述的模具组件系统,还包括在所述第一预成型网状物与所述第二预成型网状物之间延伸的一个或多个支座。
17.根据权利要求15所述的模具组件系统,其中所述第一预成型网状物和所述第二预成型网状物包括不同的材料。
18.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述渗透MMC工具为具有多个刀片的钻头,并且所述至少一个预成型网状物包括沿着所述多个刀片之一的轮廓的一个或多个预成型网状物。
19.根据权利要求1所述的模具组件系统,其中所述渗透MMC工具为具有多个刀片的钻头,并且所述至少一个预成型网状物包括一个或多个预成型网状物,所述一个或多个预成型网状物平行于所述多个刀片之一的角度、垂直于所述多个刀片之一的所述角度或以平行于所述多个刀片之一的所述角度与垂直于所述多个刀片之一的所述角度之间的角度延伸。
20.一种用于制造渗透金属基复合材料(MMC)工具的方法,包括:
将至少一个预成型网状物定位在模具组件的渗透室内,所述至少一个预成型网状物包括多孔本体;
将增强材料沉积到所述渗透室中,由此将所述至少一个预成型网状物嵌入所述增强材料中;
用粘合剂材料渗透所述增强材料,由此提供所述渗透MMC工具;以及
将所述渗透MMC工具用所述至少一个预成型网状物在结构上增强。
21.根据权利要求20所述的方法,其中所述至少一个预成型网状物还包括从所述多孔本体朝向所述渗透室的内壁延伸的一个或多个支座,并且其中将所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内包括:
使所述渗透室的所述内壁与所述一个或多个支座啮合;以及
利用所述一个或多个支座在所述本体与所述渗透室的所述内壁之间提供偏移间距。
22.根据权利要求20所述的方法,其中将所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内包括使所述至少一个预成型网状物悬置在所述渗透室内。
23.根据权利要求20所述的方法,其中所述至少一个预成型网状物包括选自由以下各项组成的组的材料:金属、金属合金、超级合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石、金属泡沫以及它们的任意组合。
24.根据权利要求20所述的方法,其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的硬质金属:铍、铪、铱、铌、锇、铼、铑、钌、钽、钒、镍、铬、钼、钨、它们的任意组合以及上述与所述粘合剂材料的任何合金。
25.根据权利要求20所述的方法,其中所述至少一个预成型网状物包括一个或多个插入物并且其中将所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内包括将所述一个或多个插入物定位在所述渗透室内的选择位置处。
26.根据权利要求20所述的方法,其中所述至少一个预成型网状物包括第一预成型网状物和第二预成型网状物并且其中将所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内包括将所述第一预成型网状物和所述第二预成型网状物彼此偏移地且以嵌套关系定位在所述渗透室内。
27.根据权利要求26所述的方法,其中所述第一预成型网状物和所述第二预成型网状物包括不同的材料并且其中将所述渗透MMC工具用所述至少一个预成型网状物在结构上增强包括:
将所述渗透MMC工具使用所述第一预成型网状物以刚度增强;以及
将所述渗透MMC工具使用所述第二预成型网状物以延性增强。
28.根据权利要求20所述的方法,其中所述渗透MMC工具为具有多个刀片的钻头,并且所述至少一个预成型网状物包括一个或多个预成型网状物,并且其中将所述一个或多个预成型网状物定位在限定于所述模具组件中的对应的一个或多个刀片腔中。

说明书全文

金属基复合材料工具所用的网状增强件

背景技术

[0001] 通常通过将松散粉末增强材料放入模具中并用粘合剂材料如金属合金渗透粉末材料来制造金属基复合材料(MMC)工具。可以通过使模腔成形和/或通过将临时置换材料定位在模腔的内部来提供所得MMC工具的各种特征。然后可以将一定量的增强材料利用一定量的粘合剂材料放置在模腔内。随后将模具放在熔炉内并且使模具的温度增加到所需温度以允许粘合剂(例如,金属合金)液化并渗透基体增强材料。
[0002] 在石油和天然气工业中通常使用各种MMC工具来形成井筒、使已钻探的井筒完井以及从已完成的井中生产类如石油和天然气。此类工具的实例包括:切削工具如钻头、扩孔器、稳定器和取芯钻头;钻孔工具如旋转导向装置和泥浆电机;以及其他井下工具如开窗铣刀、封隔器、钻具接头和其他易磨损工具。
[0003] 石油和天然气工业中使用的MMC钻头不断暴露于受泥浆压、穿透形式、钻压和扭矩影响的不同井下条件下。这些不断变化的变量可能导致出现MMC钻头不可修复地损坏的情况如刀片断裂的情况,这可能导致钻井公司和钻头提供商花费大量的时间和金钱。当MMC钻头的刀片断裂时,它们倾向于在类似的位置断裂,并且通常由于高转矩和/或高钻压而丢失。
[0004] 附图简述
[0005] 包括以下附图以说明本公开的某些方面,并且以下附图不应被视为排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下,所公开的主题能够在形式和功能上进行很多修改、改变、组合和等同变化。
[0006] 图1是可根据本公开的原理制造的示例性钻头的透视图。
[0007] 图2是图1的钻头的截面图。
[0008] 图3是可用于制造图1和图2的钻头的模具组件的截面侧视图。
[0009] 图4A和图4B是包括示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件的截面侧视图。
[0010] 图5A和图5B描绘了可用于形成预成型网状物的示例性单元或元件。
[0011] 图6是包括另一个示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件的截面侧视图。
[0012] 图7A和图7B描绘了包括另一个示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件。
[0013] 图8A和图8B描绘了可用于本文所述的任何模具组件的示例性预成型网状物的截面顶视图。
[0014] 图9是包括另一个示例性预成型网状物的另一个示例性模具组件的截面侧视图。
[0015] 图10A和图10B是上面示意性地覆盖有相应示例性预成型网状物的示例性钻头的顶端视图。

具体实施方式

[0016] 本公开涉及工具制造,并且更具体地讲,涉及金属基复合材料工具,金属基复合材料工具包括位于金属基复合材料工具本体内并用于在操作期间阻止裂纹扩展的预成型网状物;以及与此相关的生产和使用方法。
[0017] 本文描述的实施方案可以用于制造使用一个或多个预成型网状物增强的渗透金属基复合材料工具。预成型网状物可以选择性地定位在用于制造金属基复合材料工具并嵌入增强材料内的渗透室内。在液化的粘合剂材料渗透之后,预成型网状物可以用作金属基复合材料工具本体的骨架增强件。例如,在某些情况下,预成型网状物可以以类似于混凝土中的钢筋预制件的方式来阻止裂纹扩展。然而,除了提供增加的韧性和/或抗裂纹扩展性之外,预成型网状物还可以允许使用较低强度(并且可能较低成本的)粘合剂材料和/或增强材料以实现金属基复合材料工具的相同的宏观强度。
[0018] 本公开的实施方案适用于形成为金属基复合材料(MMC)的任何工具或装置。此类工具或装置在本文中称为“MMC工具”,并且可以或可以不用于石油和天然气工业。然而,仅仅为了说明和描述的目的,以下描述涉及可以在石油和天然气工业中使用的MMC工具如钻头,但是应当理解,本公开的原理同样适用于在任何行业或领域中使用的任何类型的MMC,例如装甲板、汽车部件(例如,套筒、汽缸衬垫驱动轴、排气制动转子)、自行车车架、制动肋板、航空航天部件(例如,起落架部件、结构管、支柱、轴、连杆、管道、波导导向叶片转子叶片套筒、腹翅、致动器、排气结构、壳体、框架)和涡轮部件,而不脱离本公开的范围。
[0019] 参考图1,示出了可以根据本公开的原理制造的示例性MMC工具100的透视图。MMC工具100通常在图1中显示为可在石油天然气工业中用于钻井的固定切削齿钻头。因此,MMC工具100在本文称为“钻头100”,但如上所述,也可以将钻头100另选地更换为在石油天然气工业中或任何其他工业中所用的任何类型的MMC工具或装置,而不脱离本公开的范围。可以根据本公开的教导内容制造的适用于石油天然气工业的MMC工具包括但不限于:油田钻头或切削工具(例如,固定钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双中心钻头、孕镶钻头、扩孔器、稳定器、开孔器、切削齿)、不可回收的钻井部件;与井筒套管钻井相关的钻头体;钻柱稳定器;牙轮钻头的牙轮;用于锻造用于制造牙轮钻头的支撑臂的冲模的模型;固定扩孔器的臂;可扩张扩孔器的臂;与可扩张扩孔器相关联的内部部件;可附接到旋转钻头的井口端的套筒;
旋转式转向工具;随钻测井工具;随钻测量工具;侧壁取芯工具;打捞矛;套洗工具;用于井下钻井电机的转子、定子和/或壳体;用于井下涡轮机的叶片和壳体;以及其他具有与形成井筒相关联的复杂构型和/或不对称几何形状的井下工具。
[0020] 如图1所示,钻头100可包括或以其他方式限定沿钻头头部104的圆周布置的多个刀片102。钻头头部104连接至柄106已形成钻头体108。柄106可通过焊接,诸如使用致使围绕焊接槽112形成焊缝110的激光电弧焊接而连接至钻头头部104。柄106还可包括或以其他方式连接至螺纹销114,诸如美国石油协会(API)钻杆螺纹。
[0021] 在所描绘的实例中,钻头100包括其中形成多个凹陷或凹槽116的五个刀片102。切割元件118可以固定地安装在每个凹陷116内。这可以例如通过将每个切割元件118钎焊至相应的凹槽116中来完成。随着钻头100在使用时旋转,切割元件118啮合岩石和下面的土质材料,以挖掘、刮擦或研磨正被穿透的地层的材料。
[0022] 在钻井操作期间,可以通过在螺纹销114处耦接至钻头100的钻柱(未示出)向井下泵送钻井液或“泥浆”。钻井液在定位在喷嘴开口122中的一个或多个喷嘴120处循环通过并离开MMC钻头100,所述喷嘴开口限定在钻头头部104中。排屑槽124形成于每对相邻的刀片102之间。切屑、井下碎屑、地层流体、钻井液等可以穿过排屑槽124并且在形成于钻柱的外部和正在钻探的井筒的内壁之间的环形空间内循环回井表面。
[0023] 图2是图1的钻头100的截面侧视图。在图2中使用的图1中的类似数字是指不再描述的类似部件。如图所示,柄106可以在焊缝110处牢固地附接至金属坯料或芯轴202,并且芯轴202延伸至钻头体108中。柄106和芯轴202是大致圆柱形结构,其分别限定彼此流体连通的相应流体腔204a和204b。芯轴202的流体腔204b可以进一步纵向延伸至钻头体108中。至少一个流动通道206(示出其中一个)可以从流体腔204b延伸至钻头体108的外部。喷嘴开口122(在图2中示出其中一个)可以限定在钻头体108的外部处的流动通道206的端部处。凹槽116形成于钻头体108中,并且被成形或以其他方式构造成接纳切割元件118(图1)。钻头体108可以在很大程度上包括如下文所述形成和以其他方式制造的硬质复合材料部分208。
[0024] 图3是可用于形成图1和图2的钻头100的模具组件300的截面侧视图。虽然模具组件300被示出并被讨论为用于帮助制造钻头100,但是本领域技术人员将容易地理解,可以使用模具组件300的变型来帮助制造上述任何渗透的井下工具,而不脱离本公开的范围。如图所示,模具组件300可以包括几个部件,例如模具302、保径环304和漏斗306。在一些实施方案中,漏斗306可诸如通过相应的螺纹啮合经由保径环304可操作地耦接至模具302,如图所示。在其他实施方案中,在不脱离本公开的范围的情况下,保径环304可从模具组件300中省略,并且漏斗306可反而诸如经由相应的螺纹啮合直接地耦接至模具302。
[0025] 在一些实施方案中,如图所示,模具组件300还可包括放置在漏斗306上方的粘合剂碗308和盖310。例如,模具302、保径环304、漏斗306、粘合剂碗308和盖310可以各自由石墨化铝(Al2O3)或其他合适的材料制成,或以其他方式包括这些材料。渗透室312可被限定或以其他方式设置在模具组件300内。可使用各种技术来制造模具组件300及其部件,包括但不限于机械加工石墨坯料以生产各种部件,从而限定渗透室312以表现钻头100的所需外部特征的负面或反向轮廓(图1和图2)。
[0026] 诸如固结砂或石墨的材料可以在所需位置处定位在模具组件300内,以形成钻头100的各种特征(图1和图2)。例如,可以将一个或多个喷嘴置换装置314(示出其中一个)定位成对应于流动通道206(图2)及其各自的喷嘴开口122(图1和图2)的期望位置和构造。可以理解的是,从中心置换装置316延伸的喷嘴置换装置314的数量将取决于钻头100中的流动通道和相应喷嘴开口122的所需数量。圆柱形中心置换装置316可以放置在支腿314上。此外,一个或多个排屑槽置换装置315(示出其中一个)也可以定位在模具组件300内,以对应于排屑槽124(图1)。
[0027] 在期望的置换材料已经适当地安装在模具组件300内之后,增强材料318然后可以放置在模具组件300内或以其他方式被引入模具组件300中。增强材料318可以包括例如各种类型的增强颗粒。合适的增强颗粒包括但不限于金属颗粒、金属合金颗粒、超级合金颗粒、金属间化合物颗粒、化物颗粒、化物颗粒、氮化物颗粒、氧化物颗粒、陶瓷颗粒、金刚石颗粒等或它们的任意组合。
[0028] 合适的增强颗粒的实例包括但不限于钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、、铬、铑、、钴、、镍、氮化物、氮化、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、烧结碳化物、球形碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方硼化碳、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化、碳化铁、碳化钨、粗晶碳化钨、铸造碳化钨、破碎的烧结碳化钨、渗碳碳化钨、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、氏体钢、析出硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、钴合金、铬合金、 合金(即,含镍铬合金,可从Haynes International获得)、 合金(即,可从Special Metals Corporation获得的含
镍铬的奥氏体超级合金)、 (即,奥氏体镍基超级合金)、 合金
(即,含镍铬合金,可从Altemp Alloys,Inc.获得)、 合金(即,含镍铬的超级合
金,可从Haynes International获得)、 合金(即,含铁镍的超级合金,可从
Mega Mex获得)、MP98T(即,镍--铬超级合金,可从SPS Technologies获得)、TMS合金、合金(即,镍基超级合金,可从C-M Group获得)、钴合金6B(即,钴基超级合金,可从HPA获得)、N-155合金、其任何混合物以及它们的任意组合。在一些实施方案中,可以涂覆增强颗粒,例如用钛涂覆的金刚石。
[0029] 芯轴202可至少部分地由渗透室312内的增强材料318支撑。更具体而言,在将足够体积的增强材料318添加至模具组件300中之后,芯轴202然后可放置在模具组件300内。芯轴202可包括大于中心置换装置316的外径322的内径320,并且可使用各种夹具(未明确示出)来在期望位置处将芯轴202定位在模具组件300内。然后可将增强材料318填充至渗透室312内的期望平。
[0030] 然后可以将粘合剂材料324放置在增强材料318、芯轴202和中心置换装置316的顶部。合适的粘合剂材料324包括但不限于铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、、钯、铟、其任何混合物、其任何合金及其任何组合。粘合剂材料324的合金的非限制性实例可以包括铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-镍、铜-锰-锌、铜-锰-镍-锌、铜-镍-铟、铜-锡-锰-镍、铜-锡-锰-镍-铁、金-镍、金-钯-镍、金-铜-镍、银-铜-锌-镍、银-锰、银-铜-锌-镉、银-铜-锡、钴-硅-铬-镍-钨、钴-硅-铬-镍-钨-硼、锰-镍-钴-硼、镍-硅-铬、镍-铬-硅-锰、镍-铬-硅、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰、铜-铝、铜-铝-镍、铜-铝-镍-铁、铜-铝-镍-锌-锡-铁等以及它们的任意组合。可商购粘合剂材料324的实例包括但不限于VIRGINTM粘合剂453D(铜-锰-镍-锌,可从Belmont Metals有限公司获得)和铜-锡-锰-镍和铜-锡-锰-镍-铁等级516、519、523、512、518和520,可从ATI Firth Sterling获得,以及它们的任意组合。
[0031] 在一些实施方案中,粘合剂材料324可以被焊剂层覆盖(未明确示出)。加入到渗透室312中的粘合剂材料324(和任选的焊剂材料)的量应至少足以在渗透过程中渗透增强材料318。在一些情况下,粘合剂材料324中的一些或全部可以放置在粘合剂碗308中,粘合剂碗308可以用于经由穿过其中延伸的各种导管326将粘合剂材料324分配到渗透室312中。盖310(如果使用的话)然后可以放置在模具组件300上。然后可以将模具组件300和设置在其中的材料预热并随后放置在熔炉(未示出)中。当炉温达到粘合剂材料324的熔点时,粘合剂材料324将液化并进行渗透增强材料318。
[0032] 在分配给液化粘合剂材料324用于渗透增强材料318的预定量的时间之后,可以将模具组件300从熔炉中移除并以受控的速度冷却。一旦冷却,模具组件300可以被分离以露出钻头体108(图1和图2)。然后可以使用根据公知技术的后续加工和后处理来使钻头100(图1)完工。
[0033] 根据本公开的实施方案,钻头100或本文提及的任何MMC工具可以制造成具有用于向给定MMC工具的本体添加增强作用的预成型网状物。更具体地讲,一个或多个预成型网状物可以在装载增强材料318之前或当时以及在渗透之前选择性地定位在渗透室312中。如下面更详细描述的那样,预成型网状物为给定的MMC工具提供了三维骨架结构,其加强了MMC工具的某些部分,例如MMC钻头的刀片区域(例如,图1的钻头100)。可以理解的是,这可以允许使用者在刀片(例如,图1的刀片102)处获得期望的延性,从而有助于在操作期间分散应变,这可以减轻灾变性损伤。此外,预成型网状物可以帮助在给定的MMC工具中的关键区域阻止裂纹扩展。
[0034] 现在参考图4A和图4B,同时继续参考图3,示出了根据一个或多个实施方案的示例性模具组件400的部分截面侧视图。模具组件400在某些方面可以类似于图3的模具组件300,并且因此通过参考图3可以得到最好地理解,在图3中,相同的数字表示不再详细描述的相同的元件。为了简单起见,仅示出模具组件400的一半,如沿着模具组件400的纵向轴线A所截取的。模具组件400和在随后的连续图6、图7A和图9中示出的模具组件是图3的模具组件300的简化近似图,允许对各种实施方案的更简单的示意图和简单的说明。此外,由于具有奇数个刀片的钻头的直通式截面的不对称性质(图1至图3),连续的截面图限于半部分以示出适用于具有不同数量的刀片的钻头的简化的一般构型,钻头的不同部分如刀片部分(例如,图2至图3的右半部分)和排屑槽部分(例如,图2至图3的左半部分)除外。可以理解的是,这些半部分中所示的实施方案可以通过简单地形成用于围绕喷嘴置换装置314(图3)定位的孔从刀片区域可转移到排屑槽区域。
[0035] 与图3的模具组件300类似,模具组件400可以包括模具302、漏斗306、粘合剂碗308和盖310。虽然图4A和图4B中未示出,但在一些实施方案中,保径环304(图3)也可以包括在模具组件400中。此外,模具组件400还可以包括芯轴202、中心置换装置316以及一个或多个喷嘴置换装置或支腿314(图3),如上文一般描述的那样。
[0036] 然而,与图3的模具组件300不同,模具组件400还可以包括至少一个预成型网状物402,预成型网状物402可以在装载增强材料318(图3)之前或期间定位在渗透室312内。图4A描绘了增强材料装载到渗透室312中之前的模具组件400,并且图4B描绘了增强材料318已装载后的模具组件400。预成型网状物402可包括用作正制造的MMC工具的本体的骨架增强件的本体404。在一些实施方案中,如图所示,预成型网状物402可以包括从本体404朝向渗透室312的内壁延伸的一个或多个支座406。支座406可将本体404稳定或支撑在渗透室312内并且允许本体404相对于渗透室312的内壁大致偏移或插入(即,径向地和/或纵向地)到期望的偏移间距410。在一些实施方案中,支座406可以支撑预成型网状物402,使得偏移间距410沿渗透室312的内壁的全部或一部分是恒定的或一致的。然而,在其他实施方案中,偏移间距410可围绕渗透室312的内壁变化,尤其是在刀片102(图1)和排屑槽124(图1)的位置处。
[0037] 在一些实施方案中,如图所示,支座406中的一个或多个可包括杆、销、柱或从本体404朝向渗透室312的内壁延伸的其他支撑构件。在其他实施方案中,如下所述,支座406中的一个或多个可以另选地包括从本体404延伸出来的纵向和/或径向延伸的翅片。在任一种情况下,支座406可以形成为预成型网状物402的整体部分,或以其他方式可以耦接到本体
404,诸如通过定位焊、粘合剂、一个或多个机械固件(例如,螺钉、螺栓、销、卡环等)、干涉配合件、它们的任意组合等。在其他实施方案中,可以省去支座406,并且如果预成型网状物
402被定位在渗透室312内,那么这不是必要的,使得预成型网状物402位于增强材料318的一部分的顶部或由增强材料318支撑。
[0038] 预成型网状物402可以包括在渗透过程中能够与粘合剂材料324(图3)粘结的任何可渗透的或多孔的介质或材料。在一些实施方案中,预成型网状物的本体404可由限定多个孔或单元的多个相交的细长构件(例如,杆、棒、竿等)制成。本体404可以另选地由选择性穿孔以形成多个孔或单元的箔或板制成。本体404中的孔的尺寸可被设计成允许在装载和压实过程中在预成型网状物402的任一侧上发生增强材料318的一定程度的混合。例如,本体404中的孔可以尺寸设定成使得预成型网状物402用作筛子,筛子允许预定尺寸的增强颗粒穿过预成型网状物402,同时防止大于预定尺寸的增强颗粒穿过。在渗透期间,本体404中的孔可以进一步允许粘合剂材料324穿透预成型网状物402,从而能够在预成型网状物402的任一侧上渗透增强材料318。粘合剂材料324穿过多孔预成型网状物402的渗透可以有利于在预成型网状物402的任一侧上的区域之间提供增强的机械互连。
[0039] 预成型网状物402可以由各种材料制成,例如本文列出的用于增强材料318和粘合剂材料324(图3)的任何材料。例如,预成型网状物402可包括金属(即,纯金属)、金属合金、超级合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石、金属泡沫等以及它们的任意组合。用于预成型网状物402的特定候选材料包括共价键合的材料,以及难熔金属和刚性金属,例如铍、铪、铱、铌、锇、铼、铑、钌、钽、钒、镍、铬、钼、钨和这些材料之间的任何组合或合金与先前针对粘合剂材料324所列的那些之间的任何组合或合金。可以理解的是,用于预成型网状物402的硬质材料或刚性材料可以有利于为MMC工具提供高强度增强,这可以帮助钻头的区域(例如,刀片区域)增加其刚度或刚性。
[0040] 预成型网状物402可以另选地由延性金属制成,延性金属包括但不限于铜、银、铅、锡、铟、铋、锂、镁、硅、锑、金、锌以及它们的合金。用于预成型网状物402的延性材料可以在MMC工具的操作期间有助于应变分散。更具体地讲,延性材料可以通过分散扩展裂纹的应变来阻止MMC工具内的裂纹。因此,MMC工具的各部分,例如刀片(即,图1的刀片102),不太可能在操作期间突变失效。在MMC钻头上由高扭矩或高重量引起的裂纹可能被延性预成型网状物402完全减慢或停止,因此将保持刀片完好无损。
[0041] 预成型网状物402可以另选地由经历同素异形相变的材料制成。例如,氧化锆(例如,二氧化锆)在低于1170℃的冷却后经历从四角形到单斜晶体的同素异形相变。这种转变导致大体积膨胀,从而使得形成的部件破裂。可以向氧化锆中加入某些材料如钇氧化物(氧化钇)、铈氧化物、镁氧化物和氧化物,以抑制这种相变(例如,氧化钇稳定的氧化锆)。然后,在使用期间,当裂纹形成并传播通过预成型网状物402周围时,由这些裂纹引起的应变场可能引起局部的同素异形相变,这增加了局部尺度上的体积。这种局部扩张可能会钝化或停止裂纹扩展,从而增加钻头寿命。
[0042] 在一些实施方案中,预成型网状物402可以由多种材料或材料类型组成,使得预成型网状物402由刚性部分和延性部分制成。此外,支座406(如果使用的话)可以包括一种或多种不同类型的材料,例如在渗透过程中溶解在粘合剂材料324中的材料。然而,在其他实施方案中,支座406可以包括在存在粘合剂材料324的情况下不溶解或仅部分溶解的材料。在至少一个实施方案中,支座406可以由与钻头体108(图1和图2)的硬复合部分208(图2)相同的材料形成,以便最小化所得MMC工具中的非增强区域的量。
[0043] 上述材料和材料组合物中的任何一种可以被形成、加工或以其他方式制造成用于预成形网状物402的所需形状和尺寸。适用于制造预成型网状物402的技术包括但不限于:增材制造、烧结、粉末冶金、铸造、机械织造、机械紧固、定位焊、钎焊、激光钻孔、物理气相沉积化学气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、化学溶液沉积、等离子体增强化学气相沉积、阴极电弧沉积、电流体力学沉积(即,电喷雾沉积)、离子辅助电子束沉积、电解、无电电镀、热蒸发、将预成型网状物402的部分浸渍在熔融金属熔池中以及它们的任意组合。
[0044] 在至少一个实施方案中,预成型网状物402的全部或一部分可经由增材制造也称为“3D印刷”来制造。可用于制造或“印刷”预成型网状物402的合适的增材制造技术包括但不限于:激光烧结(LS)[例如,选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)];激光熔化(LM)[例如,选择性激光熔化(SLM)、激光切割];电子束熔化(EBM);激光金属沉积[例如,直接金属沉积(DMD)、激光工程化净成形(LENS)、定向光制造(DLF)、直接激光沉积(DLD)、直接激光制造(DLF)、激光快速成形(LRF)、激光熔化沉积(LMD)];熔融沉积成型(FDM);熔丝制造(FFF);选择性激光烧结(SLS);立体光刻(SL或SLA);分层实体制造(LOM);喷射;它们的任意组合;等等。在这样的实施方案中,预成型网状物402可使用两种或更多种选择的材料来印刷。
[0045] 在另一个实施方案中,预成型网状物402可由至少一种材料制成或以其他方式形成,之后,可将预成型网状物402使用合适的涂覆或沉积工艺而用至少另一种材料涂覆。所得的制造成的混合预成型网状物402可提供增强的性质如刚性芯以抵抗变形,同时涂覆的材料在预成型网状物402与粘合剂材料324或增强材料318之间提供延性或粘合性。
[0046] 在其他实施方案中,预成型网状物402可以由以最低程度的烧结援助结合或烧结在一起或者完全封装在陶瓷或有机粘合剂材料中的增强颗粒或与粘合剂材料制成或以其他方式形成。在这样的实施方案中,增强颗粒可以包括本文相对于增强材料318(图3)所提及的任何增强颗粒或本文相对于粘合剂材料324(图3)所提及的任何粘合剂材料或它们的任意组合。在渗透期间,预成型网状物402随后可被粘合剂材料324(图3)渗透并且成为MMC工具(例如,图1的钻头100)的永久的一部分或在预成型网状物402的任一侧上提供互连啮合。
[0047] 预成型网状物402可以成形或以其他方式制造成多种图案或构型且在渗透室312内放置在不同的选择位置处以提供选择性增强。例如,一种形式的预成型网状物402可包括被构造成配合到模具组件400内的刀片腔中的嵌入式插入物。增强材料318随后可被装载到刀片腔中以将预成型网状物402定到适当位置。可以理解的是,预成型网状物402插入物可以被定位在刀片腔的一些或全部中以在刀片(图1)处提供期望量的结构性增强。在其他实施方案中,预成型网状物402可以构造成使得其预成型为适合整个模具组件400,因而为刀片102和流动通道206(图2)提供增强。在这样的实施方案中,预成型网状物402可在固定置换支腿314(图3)之前定位在渗透室312中。
[0048] 现在参考图5A和图5B,示出了根据本公开的一个或多个实施方案的可用于形成预成型网状物402的示例性单元或元件。更具体地讲,图5A描绘了可形成预成型网状物402的一部分的第一元件502a的等距视图,并且图5B示出了可形成预成型网状物402的第二元件502b的等距视图。第一元件502a包括立方形骨架结构,并且第二元件502b包括角锥状骨架结构。然而,应当理解,元件502a、502b可以另选地包括任何可实现三维多面体的骨架结构,诸如但不限于富勒烯、八面体、立方八面体、菱形四面体、菱形十二碳五烯、菱形三多面体、它们的任意组合等等。额外的可接受多面体包括棱柱组(例如,三角棱柱、五角棱柱、十角棱柱)、截顶多面体组(例如,截顶四面体、截顶立方体、截顶三十二面体)、反棱柱组(例如,四角反棱柱、六角反棱柱、十角反棱柱、五角反棱柱)、具有凸面的均匀星形多面体组(例如,八面半八面体、四面半六面体、大二十面体)、星形多面体组(例如,星形八面体、星形十二面体、星形截顶六面体)、半正多面体组(例如,半正立方体、半正十二面体)、非凸多面体组(例如,大十二合六面体、大三十二面体)、它们的任意组合等,而不脱离本公开的范围。如图5A和图5B所示,单独的元件502a、502b可组合且以其他方式结合形成较大的预成型网状物402。在一些实施方案中,可使用两种或更多种类型的元件502a、502b形成预成型网状物
402。
[0049] 作为骨架三维多面体,每个元件502a、502b均可限定延伸穿过元件502a、502b的本体且以其他方式位于相邻结构元件之间的多个开口或路径。在一些实施方案中,开口尺寸(例如,直径、长度、宽度等)可被控制成作为增强材料318(图4A和图4B)的某些粒度的筛子。例如,预成型网状物402可以被构造成相对于渗透室312的内壁偏移短距离,并且可以限定尺寸设定成增强材料318的大颗粒保持在渗透室312的壁之处或附近的开口,同时允许较小的颗粒穿过预成型网状物402并向MMC工具的核心迁移。可以理解的是,这可能有利于MMC工具的耐腐蚀性,因为较大的颗粒将在渗透后保留在MMC工具的周边附近。在其他实施方案中,开口的尺寸可以足够大以允许增强材料318的所有粒度自由流动穿过预成型网状物
402。在其他实施方案中,这些开口可基于MMC工具内(即,图4A和图4B的渗透室312内)的可预见的位置放置来自定义。
[0050] 由于预成型网状物402可由多个元件502a、502b制成,所以预成型网状物402可以是模化的,因为可以选择预成型网状物402的期望形状,然后依次添加各个元件502a、502b以使形状完整,这不同于儿童的积木。元件502a、502b可以相互连接以保持其相对位置,直到增强材料318(图4A和图4B)被装载到渗透腔312(图4A和图4B)中,然后将元件502a、
502b锁定在适当位置以供渗透。因此,可以将预成型网状物402构造成适合模具组件400内的所需位置(图4A和图4B),从而以高自定义水平为MMC工具提供增强。
[0051] 现在参考图6,同时继续参考图4A和图4B,示出了根据一个或多个实施方案的另一示例性模具组件600的部分截面侧视图。模具组件600在某些方面可以类似于图4A和图4B的模具组件400,并且因此通过参考图4A和图4B可以得到最好地理解,在图4A和图4B中,相同的数字表示不再描述的相同的元件。模具组件600可包括预成型网状物602,预成型网状物602在某些方面可以类似于图4A和图4B的预成型网状物402,诸如由相似的材料制成且经由任何上述工艺和方法制造而成。
[0052] 然而,与预成型网状物402不同,预成型网状物602不包括支座406。相反,预成型网状物602可以另选地悬置在渗透室312内。例如,在一些实施方案中,预成型网状物602可以耦接到芯轴202,诸如通过定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如,螺钉、螺栓、销、卡环等)、干涉配合件、它们的任意组合等。然而,在其他实施方案中,增强材料318的一部分可以被装载到渗透室312中达到期望的深度,并且预成型网状物602然后可以被放置在已装载的增强材料318上,并且随后可以将剩余的增强材料318装载在预成型网状物的顶部。在其他实施方案中,预成型网状物602可以替代地耦接至设置在芯轴202上方或周围的特征,诸如仅在装载过程中使用的定心夹具(未示出)。一旦装载过程完成,并且在渗透过程之前,将从模具组件600中除去定心夹具。
[0053] 图7A和图7B描绘了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件700。更具体地讲,图7A示出了模具组件700的部分截面侧视图,并且图7B示出了模具组件700沿图7A所示线截取的截面顶视图。模具组件700在某些方面可以类似于图4A和图4B的模具组件400,并且因此通过参考图4A和图4B可以得到最好地理解,在图4A和图4B中,相同的数字表示不再描述的相同的元件。模具组件700可包括预成型网状物702,预成型网状物702在某些方面可以类似于图4A和图4B的预成型网状物402,诸如由相似的材料制成且经由任何上述工艺和方法制造而成。
[0054] 此外,与预成型网状物402类似,预成型网状物702可以包括本体704和从本体704朝向渗透室312的内壁延伸的一个或多个支座706。支座706可以稳定或支撑渗透室312内的本体704并允许本体704与渗透室312的内壁大体偏移或嵌入(即,径向地和/或纵向地)。然而,与预成型网状物402不同,预成型网状物702的一个或多个支座706可以包括垂直设置的翅片或板,其沿本体704的一部分朝向渗透室312的内壁纵向地延伸。支座706可以形成为预成型网状物702的整体部分,或以其他方式可以耦接到本体704,诸如通过定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如,螺钉、螺栓、销、卡环等)、干涉配合件、它们的任意组合等。在所示实施方案中,翅片状支座706可以沿本体704纵向延伸到中间点。
[0055] 虽然支座706在图7A中显示为定位在特定位置,但应当理解,支座706的位置可取决于应用发生变化。例如,在一些实施方案中,支座706中的一个或多个可以沿本体704纵向几乎延伸到纵向轴线A。在其他实施方案中,支座706中的一个或多个可以沿本体704纵向地延伸并且以其他方式离散地定位在纵向轴线A之处或附近。在其他实施方案中,支座706中的一个或多个可在两个或更多个离散位置处沿本体704纵向地延伸。例如,其中一些支座706可从本体704且沿着渗透室312的内壁纵向地延伸到中间点,并且其他支座706可以定位在纵向轴线A之处或附近。
[0056] 如图7B所示,预成型网状物702可以包括从本体704径向延伸的多个支座706(示出六个)。其中一些支座706如上所述可以是翅片状的,而其他支座可以是简单的支撑构件,如朝向渗透室312的内壁延伸的杆、销或柱。图7B所示截面的潜在实施方案可以是六刀片式钻头,其中六个支座706对应于六个排屑槽124(图1)或六个刀片102(图1)。可以理解的是,可以采用多于或少于六个支座706,而不脱离本公开的范围。此外,虽然支座706在图7B中描绘为围绕本体704的圆周彼此等距离地间隔开,但支座706可以另选地彼此随意间隔开。
[0057] 在所示实施方案中,本体704被显示为呈现大致圆形截面形状。然而,可以理解的是,本体704可以另选地呈现各种其他截面形状,诸如卵形、多边形(例如,三角形、方形、五角形、六角形等)、椭圆形、规则多边形(例如,三角形、方形、五角形、六角形等)、不规则多边形、波状、齿形或它们的任意组合,包括不对称几何形状、锐角、圆角顶点倒角顶点和倒棱顶点。在其他实施方案中,本体704的截面形状可以被调整为例如符合刀片102(图1)的形状,诸如相对于MMC工具(例如,图1和图2的钻头100)的外表面具有恒定的偏移间距。在这样的实施方案中,本体704的截面形状可呈大致齿轮形状,如下文参考图8B所述。
[0058] 在其他实施方案中,本体704的截面形状可包括图案化的或变化的起伏或者围绕其圆周限定的其他类似结构。可以理解的是,本体704的起伏或可变外圆周可有利于增大预成型网状物702的相对侧之间的表面积,并且增大表面积可以促进预成型网状物702的任一侧上的区域之间的粘合力并增强他们之间的剪切强度。
[0059] 图8A和图8B描绘了可用于本文所述的任一模具组件的示例性预成型网状物802a和802b的截面顶视图。如图所示,预成型网状物802a和802b可各自包括本体804。在图8A中,第一预成型网状物802a的本体804可呈现围绕其圆周包括起伏的截面形状。在其他实施方案中,起伏可以是方形化褶皱,而不脱离本公开的范围。此外,第一预成型网状物802a可包括围绕本体804的圆周等距离地间隔开的四个支座806,但同样可以包括可以另选地彼此随意间隔开的多于或少于四个支座806。支座806可以是翅片状或杆状支座,如本文一般所述。
[0060] 在图8B中,第二预成型网状物802b的本体804可以呈现呈大致齿形的截面形状。更具体地讲,本体804可以提供或以其他方式限定多个齿叶808,并且每个齿叶808均可被配置成定位在对应刀片102(图1)内且以其他方式与对应刀片相对应。在图8B中,可以根据需要省去支座806或将其定位在其他位置处以有助于使预成型网状物802b与渗透室312(图3)的内壁保持偏移。
[0061] 在一些实施方案中,第二预成型网状物802b还可包括在渗透室内定位在选择位置处的一个或多个预成型网状物插入物810。预成型网状物插入物810可由任何材料且经由本文参考任何预成型网状物所述的任何工艺制造。在所示实施方案中,预成型网状物插入物810被描绘为布置在齿叶808内,或布置在其中随后形成对应刀片102(图1)的区域内。预成型网状物插入物810可以沿着刀片102的全部或一部分区域纵向地延伸,使得可以在这些位置处提供局部增强。此外,预成型网状物插入物810可以结合本文所述的任何预成型网状物或独立地使用。因此,在至少一个实施方案中,可以从第二预成型网状物802b中省去本体
804,并且预成型网状物插入物810可仅包括第二预成型网状物802b的组成部分。
[0062] 虽然在图8B中示为呈现大致圆形截面形状,但预成型网状物插入物810可以另选地呈现另一种截面形状,诸如卵形、椭圆形、规则多边形(例如,三角形、方形、五角形、六角形等)、不规则多边形、波状、齿形或它们的任意组合,包括不对称几何形状、锐角、圆角顶点或倒角顶点和倒棱顶点以及它们的任意组合。可以理解的是,预成型网状物插入物810的截面形状可以至少部分地取决于MMC工具的几何设计。
[0063] 现在参考图9,示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件900的截面侧视图。模具组件900在某些方面可以类似于图4A和图4B的模具组件400,并且因此通过参考图4A和图4B可以得到最好地理解,在图4A和图4B中,相同的数字表示不再描述的相同的元件。然而,与模具组件400不同,模具组件900可包括两个或更多个预成型网状物,示为定位在渗透室312内且以嵌套关系彼此偏移(即,径向地和/或纵向地)的第一预成型网状物902a和第二预成型网状物902b。第一预成型网状物902a和第二预成型网状物902b可以类似于图A和图4B的预成型网状物402,诸如由相似的材料制成且经由任何上述工艺和方法制造而成。虽然在图9中仅显示两个预成型网状物902a、902b,但应当理解的是,可以采用超过两个预成型网状物,而不脱离本公开的范围。
[0064] 在一些实施方案中,一个或多个支座904可使渗透室312内的第一预成型网状物902a和第二预成型网状物902b隔开。虽然未示出,可使用一个或多个附加的支座来将第一预成型网状物902a支撑在渗透室312内。在其他实施方案中,预成型网状物902a和902b中的一个或两个可以替代地耦接至设置在芯轴202上方或周围的特征,诸如仅在装载过程中使用的定心夹具(未示出)。在其他实施方案中,增强材料318可以依次装载有第一预成型网状物902a、902b,由此允许预成型网状物902a、902b至少部分地由增强材料318支撑。
[0065] 在至少一个实施方案中,第一预成型网状物902a和第二预成型网状物902b可以包括不同的材料。例如,第一预成型网状物902a可由较硬材料制成,而第二预成型网状物902b可由更具延性的材料制成。可以理解的是,这可有利于在渗透后为MMC工具在其周边或附近提供更多的刚度,同时在其中心或核心提供更具延性的增强。然而,在其他实施方案中,第一预成型网状物902a和第二预成型网状物902b可各自由刚性材料制成,而支座904可由延性材料制成。在这样的实施方案中,渗透后的所得MMC工具可在某些方向上具有刚性增强,而延性支座904的使用可产生或提高精确定位和/或在刚性增强构件之间形成耦接。
[0066] 现在参考图10A和图10B,示出了根据一个或多个实施方案的上面示意性地覆盖有相应示例性预成型网状物截面的钻头1000的顶端视图。在图10A中,钻头1000可具有嵌套的第一预成型网状物1002a和第二预成型网状物1002b,与图9的预成型网状物902a、902b类似。此外,虽然在图10A中仅描绘两个预成型网状物1002a、1002b,但应当理解的是,可以采用超过两个预成型网状物,而不脱离本公开的范围。
[0067] 在一些实施方案中,一个或多个支座1004可在第一预成型网状物1002a与第二预成型网状物1002b之间延伸,并且以其他方式用于使预成型网状物1002a、1002b保持彼此偏移。其中一些支座1004如上所述可以是垂直设置的翅片,而其他支座可以简单的支撑构件如在第一预成型网状物1002a与第二预成型网状物1002b之间延伸的杆、销或柱。另选地或除此之外,支座1004中的一个或多个可从渗透室312(图3)的内壁延伸出来,并为第一预成型网状物1002a提供支撑。此外,应当指出的是,支座1004在图10A中描绘为彼此不规则地间隔开,并且以其他方式不与钻头1000的刀片对准。然而,在其他实施方案中,支座1004可以彼此等距离地隔开和/或与刀片对齐,而不脱离本公开的范围。
[0068] 虽然每个预成型网状物1002a、1002b被描绘为呈现大致圆形的截面形状,但应当理解的是,预成型网状物1002a、1002b中的任一个可以可替代地呈现其他截面形状,如椭圆形、规则多边形(例如,三角形、方形、五角形、六角形等)、不规则多边形、波状、齿形或它们的任意组合,包括不对称几何形状、锐角、圆角顶点或倒角顶点和倒棱顶点,而不脱离本公开的范围。此外,应当理解的是,预成型网状物1002a、1002b中的任一个的截面形状可沿钻头1000的高度变化并且可以其他方式包括多个上述截面形状,以符合本公开。
[0069] 图10B描绘了定位在钻头1000的几个刀片1006内的预成型网状物的几种不同构型。例如,在一些刀片1006中,一个或多个预成型网状物1008a可大体沿着刀片的轮廓并且在刀片1006内部以其他方式弯曲。在存在超过一个预成型网状物的情况下,预成型网状物1008a可以呈嵌套关系。在其他刀片1006中,一个或多个附加的预成型网状物1008b可以是大致平坦的且平行于对应刀片1006的角度延伸。在其他刀片1006中,一个或多个其他预成型网状物1008c可以是大致平坦的且垂直于对应刀片1006的角度延伸。可以理解的是,预成型网状物可以替代地以平行于刀片1006的角度与垂直于刀片1006的角度之间的任意角度,或垂直于截面(如图10B所示)与平行于截面之间的任意角度或它们的任意组合延伸,或它们可能成形为沿着MMC工具中的关键特征的轮廓,诸如围绕喷嘴替代装置314(图3)延伸。预成型网状物1008a至1008c可具有任何厚度和变化的厚度,以最优化所得MMC工具的关键方向上的增强性质和/或特征。
[0070] 本文所公开的实施方案包括:
[0071] A.一种模具组件系统,所述模具组件系统包括:模具组件,所述模具组件限定用于形成渗透金属基复合材料(MMC)工具的渗透室;增强材料,所述增强材料沉积在所述渗透室内;粘合剂材料,所述粘合剂材料渗透所述增强材料;以及至少一个预成型网状物,所述至少一个预成型网状物被定位在所述渗透室内并且嵌入在所述增强材料内,所述至少一个预成型网状物包括多孔本体并且在渗透后向所述渗透MMC工具提供骨架增强。
[0072] B.一种用于制造渗透金属基复合材料(MMC)工具的方法,所述方法包括:将至少一个预成型网状物定位在模具组件的渗透室内,所述至少一个预成型网状物包括多孔本体;将增强材料沉积到所述渗透室中,由此将所述至少一个预成型网状物嵌入所述增强材料中;用粘合剂材料渗透所述增强材料,由此提供所述渗透MMC工具;以及将所述渗透MMC工具用所述至少一个预成型网状物在结构上增强。
[0073] 实施方案A和B可以各自具有以下附加要素中的一个或多个的任意组合:要素1:其中所述渗透MMC工具为选自由以下各项组成的组的工具:油田钻头或切削工具;不可回收的钻井部件;与井筒套管钻井相关联的铝钻头体;钻柱稳定器;牙轮钻头的牙轮;用于锻造用于制造牙轮钻头的支撑臂的冲模的模型;固定扩孔器的臂;可扩张扩孔器的臂;与可扩张扩孔器相关联的内部部件;可附接到旋转钻头的井口端的套筒;旋转式转向工具;随钻测井工具;随钻测量工具;侧壁取芯工具;打捞矛;套洗工具;用于井下钻井电机的转子、定子和/或壳体;用于井下涡轮机的叶片;以及它们的任意组合。要素2:其中所述至少一个预成型网状物还包括从所述多孔本体朝向所述渗透室的内壁延伸的一个或多个支座,并且其中所述一个或多个支座与所述渗透室的所述内壁啮合并且在所述多孔本体与所述渗透室的所述内壁之间提供偏移间距。要素3:其中所述偏移间距沿所述渗透室的所述内壁的全部或一部分变化。要素4:其中所述一个或多个支座包括选自由以下各项组成的组的结构:杆、销、柱、垂直设置的翅片、水平设置的板、它们的任意组合等等。要素5:其中所述多孔本体呈现出选自由以下各项组成的组的截面形状:圆形、卵形、波状、齿形、椭圆形、规则多边形、不规则多边形、波状、雉堞状、具有锐角的雉堞状、具有圆角的雉堞状、不对称几何形状以及它们的任意组合。要素6:其中所述至少一个预成型网状物悬置在所述渗透室内。要素7:其中所述至少一个预成型网状物包括选自由以下各项组成的组的材料:金属、金属合金、超级合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石、金属泡沫以及它们的任意组合。要素8:其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的硬质金属:铍、铪、铱、铌、锇、铼、铑、钌、钽、钒、镍、铬、钼、钨、它们的任意组合;以及上述与所述粘合剂材料的任何合金。要素9:
其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的延性金属:铜、银、铅、锡、铟、铋、锂、镁、硅、锑、金、锌以及它们的任意合金。要素10:其中所述至少一个预成型网状物包括所述材料中的两种或更多种。要素11:其中所述至少一个预成型网状物是使用以下至少一种方法制造的:增材制造、烧结、粉末冶金、铸造、机械织造、机械紧固、定位焊、钎焊、激光钻孔、物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、化学溶液沉积、等离子体增强化学气相沉积、阴极电弧沉积、电流体力学沉积、离子辅助电子束沉积、电解电镀、无电电镀、热蒸发、将所述预成型网状物的部分浸渍在熔融金属熔池中以及它们的任意组合。要素12:其中所述至少一个预成型网状物包括在所述渗透室内定位在选择位置处的一个或多个插入物。要素
13:其中所述至少一个预成型网状物包括多个三维多面体骨架元件,所述多个三维多面体骨架元件结合形成所述至少一个预成型网状物。要素14:其中所述至少一个预成型网状物包括各自定位在所述渗透室内且以嵌套关系彼此偏移的第一预成型网状物和第二预成型网状物。要素15:还包括在所述第一预成型网状物与所述第二预成型网状物之间延伸的一个或多个支座。要素16:其中所述第一预成型网状物和所述第二预成型网状物包括不同的材料。要素17:其中所述渗透MMC工具为具有多个刀片的钻头,并且所述至少一个预成型网状物包括沿着所述多个刀片之一的轮廓的一个或多个预成型网状物。要素18:其中所述渗透MMC工具为具有多个刀片的钻头,并且所述至少一个预成型网状物包括一个或多个预成型网状物,所述一个或多个预成型网状物平行于所述多个刀片之一的角度、垂直于所述多个刀片之一的所述角度或以平行于所述多个刀片之一的所述角度与垂直于所述多个刀片之一的所述角度之间的角度延伸。
[0074] 要素19:其中所述至少一个预成型网状物还包括从所述多孔本体朝向所述渗透室的内壁延伸的一个或多个支座,并且其中所述一个或多个支座与所述渗透室的所述内壁啮合并且在所述多孔本体与所述渗透室的所述内壁之间提供偏移间距。要素20:其中将所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内包括使所述至少一个预成型网状物悬置在所述渗透室内。要素21:其中所述至少一个预成型网状物包括选自由以下各项组成的组的材料:金属、金属合金、超级合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、陶瓷、金刚石、金属泡沫以及它们的任意组合。要素22:其中所述金属包括选自由以下各项组成的组的硬质金属:铍、铪、铱、铌、锇、铼、铑、钌、钽、钒、镍、铬、钼、钨、它们的任意组合;以及上述与所述粘合剂材料的任何合金。要素23:其中所述至少一个预成型网状物包括一个或多个插入物并且其中将所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内包括将所述一个或多个插入物在所述渗透室内定位在选择位置处。要素24:其中所述至少一个预成型网状物包括第一预成型网状物和第二预成型网状物并且其中将所述至少一个预成型网状物定位在所述渗透室内包括将所述第一预成型网状物和所述第二预成型网状物彼此偏移地且以嵌套关系定位在所述渗透室内。要素25:其中所述第一预成型网状物和所述第二预成型网状物包括不同的材料并且其中将所述渗透MMC工具用所述至少一个预成型网状物在结构上增强包括:将所述渗透MMC工具使用所述第一预成型网状物以刚度增强;以及将所述渗透MMC工具使用所述第二预成型网状物以延性增强。要素26:其中所述渗透MMC工具为具有多个刀片的钻头,并且所述至少一个预成型网状物包括一个或多个预成型网状物,并且其中将所述一个或多个预成型网状物定位在限定于所述模具组件中的对应的一个或多个刀片腔中。
[0075] 通过非限制性实例的方式,适用于A、B和C的示例性组合包括:要素2与要素3;要素2与要素4;要素7与要素8;要素7与要素9;要素7与要素10;要素14与要素15;要素14与要素
16;以及要素24与要素25。
[0076] 因此,所公开系统及方法良好适合于获得所提到的目标和优点以及本发明固有的那些目标和优点。以上公开的特定实施方案只是说明性的,因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技术人员显而易知的不同但等效的方式来修改和实践。另外,并不意在限于本文所示的构造或设计的细节,而是限于随附权利要求书中所述内容。因此明显的是以上公开的特定例示性实施方案可被改变、结合、或修改,并且所有的此类变化被认为在本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可以合适地在不存在本文未具体公开的任何要素和/或本文公开的任何可选要素的情况下实施。虽然组成和方法已在“包含”、“含有”或“包括”各种部件或步骤方面进行了描述,但是组成和方法还可以“基本上由各种组部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可以变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时,就明确公开了落在范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地讲,本文所公开的每个范围的值(其形式为,“约a至约b”,或相当地,“约a至b”,或相当地,“约a–b”)应当被理解为是阐述较广泛范围的值内所包含的每个数字和范围。另外,除非专利权所有人另外明确地和清楚地定义,否则权利要求书中的术语具有其一般的普通含义。此外,如权利要求书中所用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中定义为意指引入的一个或一个以上的要素。如果本说明书和可能以引用的方式并入本文中的一个或多个专利或其它文件中词或术语的使用存在任何冲突,应采用与本说明书一致的定义。
[0077] 如本文所使用的,在一系列项之前的短语“至少一个”,以及用于分开所述项中的任何一个的术语“和”或“或”作为整体修改列表,而不是所述列表中的每一个成员(即,每个项)。短语“至少一个”允许意指包括项中的任一个的至少一个,和/或项的任何组合的至少一个,和/或项中的每一个的至少一个。以举例的方式,短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自指代仅A、仅B、或仅C;A、B和C的任何组合;和/或A、B和C中的每一个的至少一个。
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