摘要
在高温高压环境下进行硬岩钻探时，多晶金刚石复合片切割工具常常会出现倒角剥落现象，这会导致钻进速度降低约20%，同时还会引发较大的扭矩波动。我们提出了一种具有表面梯度结构的倒角设计，该结构包括一层厚度约为0.7微米的碳化硅中间层，以及一层厚度约为5微米、晶粒尺寸约为100纳米的纳米金刚石顶层，同时还结合了较浅深度的钴元素渗出层（深度约为100微米）。该结构通过显微镜和光谱分析进行了验证，并通过刮擦粘附性测试、SEVNB韧性测试、冲击试验、热冲击试验、400摄氏度下的销盘磨损试验，以及在振动和扭矩监测条件下的花岗岩钻探试验对其性能进行了评估。此外，还利用经过拉曼应力图和温度测量数据校准的热机械有限元模型来分析失效趋势。与未经处理的切割工具相比，这种梯度设计可使峰值拉伸残余应力降低约45%，同时还能减少高温下的磨损量约40%。在当前的冲击试验数据中（每种条件下使用的切割工具数量有限），在1.0焦耳的冲击能量作用下，未经处理的切割工具出现剥落现象的概率为2/3，而经过梯度处理的切割工具这一概率则降至1/5。短时间的钻探试验表明，健康状态与即将发生剥落状态之间的差异更为明显（使用留一法评估时的ROC-AUC值约为0.85，而未经处理的切割工具这一数值约为0.65）；不过由于使用的切割工具数量有限，这些试验结果只能作为趋势性的参考依据。这些改进得益于倒角结构能够有效减轻热不匹配现象及残余应力带来的影响。
