《Diamond and Related Materials》：Additive manufacturing of stepwise functionally graded impregnated diamond bits with radially alternating diamond concentrations for enhanced drilling efficiency
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•FDM工艺可实现浸渍式钻头工作层的分层金刚石浓度梯度。•分层钻头将钻速提高56–65%，并将轴向力降低27%。•梯度设计诱导沟槽-脊形图案，促进岩石快速破碎。引言浸渍式金刚石钻头是一种金属结合剂金刚石复合材料工具，其钻进性能取决于金刚石颗粒、金属基体和磨削层结构之间的协调相
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FDM工艺可实现浸渍式钻头工作层的分层金刚石浓度梯度。
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分层钻头将钻速提高56–65%，并将轴向力降低27%。
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梯度设计诱导沟槽-脊形图案，促进岩石快速破碎。
引言
浸渍式金刚石钻头是一种金属结合剂金刚石复合材料工具，其钻进性能取决于金刚石颗粒、金属基体和磨削层结构之间的协调相互作用[1]、[2]。金刚石颗粒直接切削和破碎岩石，而基体则必须提供足够的固持力、耐磨性和抗冲击性。受控的基体磨损必须与金刚石磨损协调，持续暴露新鲜金刚石[2]。随着深部资源勘探和高温地热开发不断深入更硬、更磨蚀、更不可钻地层，钻头服役条件日趋恶劣[3]、[4]。传统浸渍式金刚石钻头因此容易出现基体异常磨损、金刚石暴露不充分以及自锐性差等问题[1]、[5]、[6]、[7]。这些问题降低了钻速和使用寿命。在保持足够基体耐磨性和金刚石固持力的同时改善钻头-岩石接触状态，对于高效硬岩钻进至关重要。
现有研究主要通过材料体系设计和磨削层结构优化来实现性能提升。在易发生钻头滑移的地层中，材料设计已从单纯提高基体硬度转向平衡金刚石固持与暴露。传统基体配方主要旨在提高强度、耐磨性和抗冲击韧性，从而确保钻头的基本服役性能[8]。研究人员还研究了基体-金刚石界面行为和烧结过程。例如，金刚石表面镀钛可形成多层梯度界面并增强化学键合，该处理可提高金刚石复合材料的密度、硬度、弯曲强度和耐磨性[6]。铁基预合金粉末的合金化程度也会影响烧结致密化和金刚石颗粒的有效固持[9]。在实现足够强度和界面键合后，核心挑战在于平衡基体耐磨性与金刚石暴露。近期方法包括高熵合金粘结相[10]、纳米碳化钽增强碳化钨-铜复合材料[11]，以及碳纤维与钛酸钾晶须的混合增强[12]。这些方法通过在基体中引入局部弱化区域或功能梯度，超越了单纯提高基体耐磨性的范畴。适度降低局部耐磨性可促进金刚石及时暴露，并在基体磨损与金刚石暴露之间建立动态平衡[13]。总之，这些研究为提高基体耐磨性、金刚石固持力和整体钻进可靠性奠定了基础。然而，这些研究主要关注均匀材料改性，对直接控制钻头-岩石接触和载荷状态关注较少。
优化磨削层结构是定制钻头-岩石接触和载荷状态的直接途径。传统阶梯或齿形表面可增强压痕诱导的破碎效果，然而，这些主动切削刃在钻进过程中会逐渐钝化和磨耗，急剧降低效率。因此，研究人员通过仿生非光滑面和其他结构设计改进了钻头表面构型[14]。例如，Li等人制造了一种高基体仿生型面钻头[15]，Zhao等人设计了爪趾结构以在岩石中诱导拉应力集中[16]。Gao等人随后开发了一种仿生一体化高磨削层设计，将最大切削齿应力降低了62.8%[17]。现场试验证明了这些结构设计的有效性[15]、[16]、[17]。此外，其他研究还通过优化水通道几何形状和冷却性能提高了钻进效率，取得了满意的结果[18]、[19]、[20]。总体而言，大多数现有研究采用非均匀磨削层设计来延缓结构失效和改善破岩效果。然而，传统粉末装填和烧结工艺设计灵活性有限，阻碍了在钻头中精确形成小尺度复杂结构[21]。
增材制造为克服这些问题提供了有前景的途径[21]。通过逐层构建零件，它减少了对模具和加工路径的依赖，能够实现复杂结构的精确制造。包括激光粉末床熔融（L-PBF）[22]、光固化（SLA/DLP）[23]、[24]和熔丝沉积制造（FDM）[25]在内的增材制造技术已成功应用于金刚石砂轮和工具，实现了复杂多孔结构（如旋转面、TPMS和蜂窝结构）的形成，从而改善排屑和冷却效果[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。在浸渍式钻头领域，目前仅报道了初步尝试，主要集中于网格基体结构[32]、[33]，对于通过优化磨削层架构来提高破岩效率的研究仍然有待深入。
值得注意的是，使用激光或电子束进行直接增材制造会使金刚石暴露于高温加工环境中，可能导致热损伤、微裂纹和残余应力[34]、[35]。熔池中的金刚石颗粒还可能促进飞溅、球化和气孔形成[36]。在选区电子束熔化过程中，过高的金刚石含量可能导致颗粒团聚并削弱界面键合[37]。因此，直接增材制造仍然限制了浸渍式金刚石钻头可加工的金刚石含量和成形质量[38]。相比之下，FDM等间接方法先挤出金属粉末和金刚石粘结剂丝材，然后再进行脱脂和烧结[27]、[39]。由于该方法避免了金刚石直接受激光辐照，避免了制造过程中激光诱导的快速热降解。在本研究中，我们采用FDM工艺构建了一种FG-浸渍式钻头，其磨削层内金刚石浓度呈径向交替分布。采用实验与数值模拟相结合的方法研究其钻进效率及相关磨损机理。该梯度架构旨在触发差异磨损以实现持续自锐，为突破浸渍式钻头中钻速与刀具寿命长期难以平衡的难题提供了有前景的策略。
章节摘要
钻头结构设计
FG钻头具有阶梯式功能梯度磨削段，其金刚石浓度呈径向交替分布，此外还包括非磨削段和钢体。其宏观几何形状与传统浸渍式金刚石钻头相同。磨削层内高金刚石体积分数区域和低金刚石体积分数区域径向交替排列，内径和外径边缘处均为高浓度层。该设计利用不同浓度区域之间的差异磨损
FDM成形与试样完整性
图3中的打印素坯保留了设计的环形区域和分段轮廓。经脱脂和热压烧结后（图4），获得了IDB-C1、IDB-5L和IDB-7L试样，如图5(a)所示，未出现明显的宏观裂纹或层间剥离。这些结果证明了采用不同金刚石浓度丝材和预设切片路径创建径向区域的试样级可行性。
结论
本研究提出了一种金刚石浓度高低交替分布的浸渍式金刚石钻头。系统研究了其FDM制造工艺、实验室钻进效率、磨损特性及模拟破岩响应。主要结论如下：
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在浸渍式钻头试样尺度上验证了基于FDM的丝材制备、打印、脱脂和烧结工艺流程。该工艺通过采用不同金刚石浓度
CRediT作者贡献声明
吴东宇：论文写作—审阅与编辑、验证、监督、资源支持、项目管理、方法论、概念化。邵中旺：监督、调查、正式分析、数据整理。李俊平：正式分析、数据整理。张少和：监督、资源支持、方法论。孔向旺：论文写作—审阅与编辑、调查。荣隆隆：论文写作—审阅与编辑、调查。项林宇：论文写作—审阅与编辑、方法论、调查。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究受深地探测与矿产资源勘探—国家重点研发计划（编号：2024ZD1003100）资助。
吴东宇|邵中旺|李俊平|张少和|孔向旺|荣隆隆|项林宇
