Élaboration de carbures cémentés à gradient de propriétés par procédé d’imbibition réactive : Application aux inserts WC-Co et aux taillants en diamant polycristallin pour le forage pétrolier en conditions sévères

Functionally graded cemented carbides elaboration by reactive imbibition process : Application for WC-Co inserts and PDC cutters for oil drilling in harsh conditions

• Auteur / Autrice : Olivier Ther
• Direction : Yves Bienvenu, Christophe Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean Denape
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bienvenu, Christophe Colin, Vincent Ji, Angéline Poulon, Alfazazi Dourfaye
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilbert Fantozzi, Sabine Lay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Trépans (forage)

Abrasifs

Carbures

Mots clés libres

Carbure cémenté

Diamant polycristallin

Gradient de composition

Imbibition

Revêtement réactif

Imbibition réactive

Cemented carbide

Polycrystalin Diamond

Functionally graded material

Imbibition

Reactive coating

Reactive imbibition

Résumé

Dans l'industrie du forage pétrolier, les conditions de travail de plus en plus sévères requièrent sans cesse de nouveaux outils plus résistants à l'usure abrasive et à l'impact. Afin de répondre à ce défi, les travaux présentés ici, ont pour but l'élaboration de matériaux en carbure cémenté à gradient de composition par le procédé d'imbibition réactive. Ce procédé peut être décomposé en deux procédés de gradation, à savoir : l'imbibition et le revêtement réactif. L'imbibition a pour rôle d'enrichir graduellement, en phase liante, le coeur d'une pièce en carbure cémenté dense et repose sur le principe de migration de phase liquide dans un corps solide-liquide. Le revêtement réactif est un procédé qui s'applique également sur un carbure cémenté dense sur lequel est déposé un revêtement de nitrure de bore. Après avoir atteint le liquidus de la phase liante du carbure cémenté, une précipitation de borures ternaires prend place à la surface du matériau et s'étend graduellement sur des distances millimétriques. Dans le cas de pièces industrielles (inserts tricône et supports de taillants PDC (Polycrystalline Diamond Compact)), le traitement d'imbibition réactive permet de générer des gradients de dureté pouvant atteindre 450 HV sur 25 mm. L'élaboration de tels gradients a nécessité une meilleure compréhension des cinétiques ainsi que des phénomènes mis en jeu durant l'imbibition et le revêtement réactif. Dans le cas des taillants PDC, l'influence des paramètres du procédé HPHT de synthèse de la plaquette diamantée, sur le gradient de composition présent dans le support WC-Co après imbibition réactive, a été étudiée. Ces travaux se sont également intéressés à l'effet de ces gradients de composition sur les propriétés des plaquettes diamantées ainsi obtenues. A la suite d'essais mécaniques, les inserts WC-Co et taillants PDC gradués montrent une augmentation significative de leur résistance à l'abrasion (de 30 à 100%) et de leur tenue à l'impact (de 20 à 40%).

In oil drilling industry, harsher working conditions require ever new and more abrasive wear and impact resistant tools. To meet this challenge, the work presented here, is to develop graded cemented carbide materials by reactive imbibition process. This method can be divided into two gradation processes, namely, reactive coating and imbibition. Imbibition gradually enriches the core of dense cemented carbide with binder phase and is based on the principle of liquid phase migration in a solid-liquid body. Reactive coating also takes place in dense cemented carbide on which a boron nitride coating is deposited. After reaction with the WC-Co liquid binder, some ternary boride precipitations take place from surface to several millimeters deep. For industrial parts (inserts for roller cone bits and PDC (Polycrystalline Diamond Compact) cutters substrates), hardness gradients obtained can reach 450 HV on 25 mm. Such gradients development is passed through a better understanding of kinetics and phenomena occurring during imbibition and reactive coating. In case of PDC cutters, influence of HPHT process parameters, allowing diamond table synthesis, on the WC-Co substrate gradient, generated by reactive imbibition, was studied. This work was also interested in gradient effect on the obtained diamond tables properties. After mechanical tests, graded WC-Co inserts and graded PDC cutters show a significant increase of both wear resistance (from 30 to 100%) and impact resistance (from 20 to 40%).