井下動(dòng)力鉆具關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件及其復(fù)合材料在高溫、高壓極端環(huán)境下的服役可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。金屬陶瓷復(fù)合材料結(jié)合了陶瓷的堅(jiān)硬與金屬的韌性，從而成為有力備選。

近日，位于四川劍閣的深地川科1井鉆探深度突破10000米，標(biāo)志著我國(guó)在地球深部能源探索領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所（寧波材料所）海洋關(guān)鍵材料全國(guó)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，開發(fā)了人工智能AI輔助的耐溫/耐磨蝕金屬陶瓷復(fù)合材料性能預(yù)測(cè)與成分設(shè)計(jì)模型（預(yù)測(cè)精度>90%），包含高通量預(yù)測(cè)、單點(diǎn)預(yù)測(cè)、成分優(yōu)化、3D可視化等多個(gè)功能模塊；基于該AI模型，篩選了滿足目標(biāo)性能的潛在成分區(qū)間，結(jié)合深鉆材料智能創(chuàng)制平臺(tái)開展的自動(dòng)化制備和高通量表征實(shí)驗(yàn)，成功研制出新型耐溫耐磨蝕多元金屬陶瓷復(fù)合材料，力學(xué)、摩擦學(xué)等關(guān)鍵性能指標(biāo)較現(xiàn)役三元材料體系提升15-30%，為耐高溫螺桿鉆具研發(fā)提供了關(guān)鍵材料支撐。

新型金屬陶瓷復(fù)合材料智能設(shè)計(jì)與深地重大工程應(yīng)用

鉆探萬米深井時(shí)，鉆具運(yùn)動(dòng)部件面臨的環(huán)境極為復(fù)雜——傳統(tǒng)硬質(zhì)合金很硬但太脆，高強(qiáng)度鋼韌性好卻不夠硬、不耐磨。而多元金屬陶瓷通過將堅(jiān)硬的陶瓷顆粒（如碳化鎢、碳化鈦）與韌性的金屬粘結(jié)相（如鈷、鎳合金）復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了性能上的互補(bǔ)，恰好能夠解決這個(gè)難題。這類材料并非孤例。受自然界珍珠母“磚-泥”結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料也顯示出高抗彎強(qiáng)度和高斷裂韌性的特點(diǎn)，這為未來研發(fā)性能更優(yōu)異的鉆具材料提供了新的思路和方向。

在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3706600）、中國(guó)科學(xué)院“智能科學(xué)家”、寧波市“科創(chuàng)甬江2035”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024Z138）、海洋關(guān)鍵材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目的支持下，寧波材料所和中石油北京石油機(jī)械有限公司（中國(guó)石油裝備制造創(chuàng)新中心）、濰坊珀琦石油機(jī)械有限公司深度合作，開展了新型金屬陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)化徑向軸承、插接式萬向軸等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究，形成發(fā)明專利10余件、制定標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。研制的系列耐高溫螺桿鉆具產(chǎn)品在深地川科1井7500~10000米井深段全面實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，有力支撐了我國(guó)萬米特深井重大鉆探工程的順利實(shí)施。

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