我國(guó)深層油氣資源豐富，但開采難度較大，目前石油、天然氣對(duì)外依存度高達(dá)70%和45%，深層油氣的勘探開發(fā)是國(guó)家能源安全的重要保障。深海、深地鉆探過程中，高溫、磨損、腐蝕等多因素強(qiáng)耦合導(dǎo)致鉆探機(jī)具關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的服役壽命急劇衰減。金屬陶瓷是由難熔金屬化合物和粘結(jié)金屬由粉末冶金法燒結(jié)而成的一類復(fù)合材料，因兼具陶瓷的高強(qiáng)度、耐腐蝕和金屬的高韌性、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，被作為耐磨強(qiáng)化材料廣泛應(yīng)用于徑向軸承、扶正器、萬向軸等部件的摩擦接觸面上。金屬陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)韌、耐磨、耐蝕性能的協(xié)同提升是深海、深地鉆具運(yùn)動(dòng)部件延壽的關(guān)鍵。

　　中國(guó)科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金屬基復(fù)合材料AI創(chuàng)制團(tuán)隊(duì)在常可可研究員的帶領(lǐng)下，采用耦合多尺度理論計(jì)算與關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)的集成計(jì)算材料工程方法，揭示了典型金屬粘結(jié)相與陶瓷硬質(zhì)相在熱-力、力-電化學(xué)耦合條件下的相變規(guī)律與損傷機(jī)理（Acta Mater. 2021, 205, 116545; Int. J. Refract. Metal Hard Mater. 2024, 119, 106519）；在此基礎(chǔ)上，基于自主構(gòu)筑/開發(fā)的多元金屬基復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫與材料智能設(shè)計(jì)軟件建立了成分-工藝-結(jié)構(gòu)-性能的映射關(guān)系（Scripta Mater. 2022, 219, 114893; Mater. Res. Lett. 2023, 11(2), 152-158; Ceram. Int. 2022, 48(7), 10086-10097），實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)韌、耐磨、耐蝕金屬陶瓷新體系的定向設(shè)計(jì)，其中高溫磨損率較傳統(tǒng)體系降低15%以上、海水環(huán)境腐蝕電流密度降低至少1個(gè)數(shù)量級(jí)（Compos. B Eng. 2023, 249, 110400; Wear 2023, 530, 205021; Int. J. Refract. Metal Hard Mater. 2023, 110, 106044）。

　　進(jìn)一步，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所與中國(guó)石油集團(tuán)北京石油機(jī)械有限公司、濰坊珀琦石油機(jī)械有限公司合作開展了新型金屬陶瓷材料在鉆具軸承、萬向軸等關(guān)鍵部件上的集成應(yīng)用研究。通過浸漬燒結(jié)焊料、溫度的理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研發(fā)團(tuán)隊(duì)完成了172mm直徑鉆具上/下徑向軸承動(dòng)/靜圈的研制，已交付并完成傳動(dòng)軸總成裝配，將在大慶油田開展為期1個(gè)月的實(shí)地考核驗(yàn)證。本次金屬陶瓷復(fù)合材料的集成應(yīng)用標(biāo)志著聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在材料設(shè)計(jì)制備與部件加工制造方面邁出了重要一步，目前正在攻關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能創(chuàng)制方法加速新材料迭代，助力我國(guó)萬米特深井重大鉆探工程的順利實(shí)施。

　　上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3706600）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52222507、52101108）、寧波市3315創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的支持。

圖1 金屬陶瓷復(fù)合材料的耦合損傷機(jī)理、成分結(jié)構(gòu)調(diào)控與加工制備工藝

圖2 新型金屬陶瓷徑向軸承裝配至中石油螺桿鉆具傳動(dòng)軸總成

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