Reactive imbibition of WC-Co substrate for PDC cutters used in oil and gas and mining drilling

International audienceCemented carbides are used in rock drilling for mining tools and wear resistant parts. These composite materials possess an excellent compromise between hardness and toughness. Nowadays, the concept of graded structure is widely studied to improve these two properties simultaneously, and so to increase the service life of drilling tools. A continuous composition gradient on several millimetres is generated in commercial WC-Co substrate for PDC cutters by using Reactive Imbibition method. The effects of this process are analysed in terms of microhardness, cobalt concentration and WC grain size. A continuous gradient of about 300HV on 8mm-height substrate is obtained in one-step by imbibition process into combination with a boron-rich coating deposed on its free surface. In part, this gradient of hardness and its shape are preserved after HPHT (high pressure-high temperature) process that is used for the diamond table deposition on the WC-Co substrate. Such gradient must significantly increase the cutter service life

Wear mechanisms of WC-Co drill bit inserts against alumina counterface under dry friction: Part 2 — Graded WC-Co inserts

The tribological behaviour of innovative graded cemented carbide inserts were studied by using a rotary tribometer and abrasive alumina counterfaces. This work completes the study made on commercial inserts with homogeneous cobalt content. Inserts with three types of graduation processes were considered: inserts with borides WCoB phases, imbibed inserts and inserts combining both processes (i.e. inserts with reactive imbibition). Physicochemical and mechanical measurements show that the WCoB phases increase the hardness towards the active surface and the imbibition increases the insert core fracture toughness. The wear tests indicate that the boride phases lower the friction coefficient. In addition, as for the commercial inserts, cemented carbide volumes with higher cobalt content also reduce the friction coefficient. Concerning the wear results, the boride phases improve the abrasion resistance. By applying a third body approach, the WCoB phases limit the introduction of cobalt binder in the source flow, the cohesion of alumina particles in the internal flow and the formation of an abrasive paste in the contact. The imbibition process, where the cobalt migration is controlled, does not affect the wear resistance by avoiding a cobalt enrichment of the cemented carbide near the active surface

Elaboration de carbures cémentés à gradient de propriétés par imbibition réactive : Application aux inserts d’outils tricône pour le forage pétrolier et minier

Les carbures cémentés sont très utilisés dans l’industrie du forage pétrolier et minier, et dans l’usinage en tant que pièces résistantes à l’abrasion et à l’impact. En effet, ces matériaux possèdent un excellent compromis entre dureté et ténacité. Cependant, des conditions de plus en plus sévères, comme le forage profond pour l’industrie pétrolière et haute température pour la géothermie, rendent nécessaire le développement de tels matériaux encore plus performants. Ils doivent être à la fois plus tenaces mais également résister à des usures abrasives toujours plus sévères. Afin d’améliorer ces deux propriétés antagonistes, l’idée la plus simple est de conserver les mêmes constituants dont les propriétés intrinsèques restent intéressantes puis d’introduire dans ce matériau un gradient de composition, i.e. un gradient de phase liante. Dans le domaine des carbures cémentés, l’intérêt de ce concept a été démontré dès les années 70, avant même le foisonnement d’études dix ans après pour les matériaux FGMs (Functionally Graded Materials) impulsé par le Japon. Depuis, de nombreux travaux ont concerné l’élaboration et la caractérisation de tels matériaux FGMs qui dépassent largement le cadre des carbures cémentés mais sont le plus souvent issus de la famille des cermets et des alliages lourds (Heavy alloys). Toutefois, peu de matériaux à gradient de composition ont été industrialisés. Les principales limitations des premiers procédés de gradation des carbures cémentés étaient la formation de structures graduelles sur de trop faibles distances (inférieures au mm), leur mise en œuvre délicate par certaines techniques issues du frittage conventionnel ou encore la formation de défauts métallurgiques (présence de phases η-M6C) compromettant le bénéfice apporté par la gradation. Les travaux présentés ici concernent le procédé d’imbibition réactive actuellement développé par Armines/Centre des Matériaux Mines-ParisTech et la société Varel Europe qui est l’un des derniers outilleurs français installé près de Tarbes. Ce procédé peut être décomposé en deux procédés de gradation, à savoir : l’imbibition et le revêtement réactif. Le rôle de l’imbibition est d’enrichir graduellement en phase liante et en volume le cœur d’une pièce en carbure cémenté dense. Quant au revêtement réactif, son rôle est de venir durcir graduellement la surface de ce même matériau à l’aide d’une fine précipitation de borures ternaires, aux dépens de la phase liante et des carbures WC, sur également des profondeurs millimétriques. Le procédé d’imbibition réactive décrit ci-dessus est le seul procédé de gradation connu à ce jour permettant de générer des gradients continus de plusieurs centaines de HV sur des dizaines de millimètres. Dans le cas de pièces industrielles (inserts tricône et taillants PDC (Polycrystalline Diamond Compact)), les gradients de dureté obtenus sont de l’ordre de 450 HV sur 25 mm. Ces différentes parties actives des deux principaux outils de forage (tricône et PDC) ont montré une hausse très significative de leurs performances en laboratoire après traitement par imbibition réactive. Leurs résistances à l’abrasion présentent une augmentation de l’ordre de 30 à 100% par rapport à des outils non gradués. De même, leurs résistances à l’impact s’avèrent supérieures en moyenne à 20% mais peuvent être au maximum de 40% pour certaines configurations. Des essais chantiers sont en cours et les premiers résultats sont encourageants

Quality and wear behavior of graded polycrystalline diamond compact cutters.

The wear behavior of conventional and graded polycrystalline diamond compact cutters was studied using a vertical lathe with mortar counterfaces. Different cutters were considered regarding to their diamond grain size and the high pressure and the high temperature conditions of the manufacturing process (HPHT). On the base of these cutters, a cobalt graduation process was performed on the WC–Co substrates by reactive imbibition. A quality factor developed in previous studies was calculated to evaluate cutters wear performances. The results showed that a controlled HPHT process can act on the wear resistance certainly by improving the diamond grain boundary cohesion. Unexpectedly, the diamond granulometry appeared to be a secondary factor influencing the wear resistance. The reactive imbibition clearly increased the wear resistance, even for cutters with coarse diamond grains (i.e. potentially impact resistant). Finally, a third body approach describes that the quartz particles detached from the mortar rock realizes abrasive scratches on the cutters wear flat. When the wear flat reaches the substrate, the formation of voids in the contact, associated with the trapping of abrasive particles, rises the wear kinetic. As a secondary mechanism, Raman spectroscopy measurements highlighted tribological transformed structures by the formation of graphite and amorphous carbon on the diamond worn surfaces

Sea surface temperature in the Indian sector of the Southern Ocean over the Late Glacial and Holocene

Centennial- and millennial-scale variability of Southern Ocean temperature over the Holocene is poorly known, due to both short instrumental records and sparsely distributed high-resolution temperature reconstructions, with evidence for past temperature variations in the region coming mainly from ice core records. Here we present a high-resolution (similar to 60 year), diatom-based sea surface temperature (SST) reconstruction from the western Indian sector of the Southern Ocean that spans the interval 14.2 to 1.0 ka (calibrated kiloyears before present). During the late deglaciation, the new SST record shows cool temperatures at 14.2-12.9 ka and gradual warming between 12.9 and 11.6 ka in phase with atmospheric temperature evolution. This supports the evolution of the Southern Ocean SST during the deglaciation being linked with a complex combination of processes and drivers associated with reorganisations of atmospheric and oceanic circulation patterns. Specifically, we suggest that Southern Ocean surface warming coincided, within the dating uncertainties, with the reconstructed slowdown of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), rising atmospheric CO2 levels, changes in the southern westerly winds and enhanced upwelling. During the Holocene the record shows warm and stable temperatures from 11.6 to 8.7 ka followed by a slight cooling and greater variability from 8.7 to 1 ka, with a quasi-periodic variability of 200-260 years identified by spectral analysis. We suggest that the increased variability during the mid- to late Holocene reflects the establishment of centennial variability in SST connected with changes in the high-latitude atmospheric circulation and Southern Ocean convection.Peer reviewe

Elaboration de carbures cémentés à gradient de propriétés par imbibition réactive : application au forage pétrolier

Les carbures cémentés sont très utilisés dans l’industrie du forage pétrolier et minier, et dans l’usinage en tant que pièces résistantes à l’abrasion et à l’impact. En effet, ces matériaux possèdent un excellent compromis entre dureté et ténacité. Cependant, des conditions de plus en plus sévères, comme le forage profond pour l’industrie pétrolière et haute température pour la géothermie, rendent nécessaire le développement de tels matériaux encore plus performants. Ils doivent être à la fois plus tenaces mais également résister à des usures abrasives toujours plus sévères. Afin d’améliorer ces deux propriétés antagonistes, l’idée la plus simple est de conserver les mêmes constituants dont les propriétés intrinsèques restent intéressantes puis d’introduire dans ce matériau un gradient de composition, i.e. un gradient de phase liante. Dans le domaine des carbures cémentés, l’intérêt de ce concept a été démontré dès les années 70, avant même le foisonnement d’études dix ans après pour les matériaux FGMs (Functionally Graded Materials) impulsé par le Japon. Depuis, de nombreux travaux ont concerné l’élaboration et la caractérisation de tels matériaux FGMs qui dépassent largement le cadre des carbures cémentés mais sont le plus souvent issus de la famille des cermets et des alliages lourds (Heavy alloys). Toutefois, peu de matériaux à gradient de composition ont été industrialisés. Les principales limitations des premiers procédés de gradation des carbures cémentés étaient la formation de structures graduelles sur de trop faibles distances (inférieures au mm), leur mise en oeuvre délicate par certaines techniques issues du frittage conventionnel ou encore la formation de défauts métallurgiques (présence de phases η-M6C) compromettant le bénéfice apporté par la gradation. Les travaux présentés ici concernent le procédé d’imbibition réactive actuellement développé par Armines/Centre des Matériaux Mines-ParisTech et la société Varel Europe qui est l’un des derniers outilleurs français installé près de Tarbes. Ce procédé peut être décomposé en deux procédés de gradation, à savoir : l’imbibition et le revêtement réactif. Le rôle de l’imbibition est d’enrichir graduellement en phase liante et en volume le coeur d’une pièce en carbure cémenté dense. Quant au revêtement réactif, son rôle est de venir durcir graduellement la surface de ce même matériau à l’aide d’une fine précipitation de borures ternaires, aux dépens de la phase liante et des carbures WC, sur également des profondeurs millimétriques. Le procédé d’imbibition réactive décrit ci-dessus est le seul procédé de gradation connu à ce jour permettant de générer des gradients continus de plusieurs centaines de HV sur des dizaines de millimètres. Dans le cas de pièces industrielles (inserts tricône et taillants PDC (Polycrystalline Diamond Compact)), les gradients de dureté obtenus sont de l’ordre de 450 HV sur 25 mm. Ces différentes parties actives des deux principaux outils de forage (tricône et PDC) ont montré une hausse très significative de leurs performances en laboratoire après traitement par imbibition réactive. Leurs résistances à l’abrasion présentent une augmentation de l’ordre de 30 à 100% par rapport à des outils non gradués. De même, leurs résistances à l’impact s’avèrent supérieures en moyenne à 20% mais peuvent être au maximum de 40% pour certaines configurations. Des essais chantiers sont en cours et les premiers résultats sont encourageants

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

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%).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%)

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

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%)

Functionally graded cemented carbides elaboration by imbibition process—Better understanding of liquid migration and homogenization mechanisms for an improved process

International audienceCemented carbides are used in rock drilling, for mining tools and other wear-resistant parts. These composite materials possess an excellent compromise between hardness and toughness. Currently, the concept of graded structure (FGM) is widely studied to improve these two properties simultaneously, and thus to increase the service life of drilling tools. This paper focuses on the imbibition process. The imbibition process 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. FGM generated by such techniques shows interesting mechanical properties gradient, such as 400 HV on 20 mm hardness gradient. Hardness gradient development is achieved through a better understanding of kinetics and other phenomena occurring during imbibition. The goal is to select suitable process parameter for each grade of carbide

Relative abundances of sea ice-related abundances in sediment core NBP01-01-JPC24

Micropaleontological and biomarker data from two high-accumulation marine sites from the Coastal and Continental Shelf Zone (CCSZ) off East Antarctica (Adélie Land at w140°E and eastern Prydz Bay at w77°E) are used to reconstruct Holocene changes in sea ice and wind stress at the basin-wide scale. These data demonstrate congruent increase in sea-ice concentration/persistence and wind stress-related sea-surface turbulence in the two regions since 7 cal ka BP, with a particularly strong signal since 4.5 - 3.5 cal ka BP. Comparison of these high latitude records with sea ice and turbulence records from the southern mid-latitudes highlights distinctive climatic evolutions according to the different latitudinal bands. Sea-ice persistence and turbulence increase in East Antarctica CCSZ are opposite to sea-surface warming and sea-ice retreat recorded after 4.5 - 3.5 cal ka BP in the East Atlantic and Indian sector between 55 and 45°S. At the same period, paleodata suggest SST cooling in all major coastal upwelling systems of the southern hemisphere, caused by the northward transport of subpolar surface waters as a response to southern Westerlies reinforcement. We therefore propose, as suggested for the northern hemisphere, that Holocene changes in the latitudinal insolation gradient, primarily forced by obliquity and precession and amplified by sea-ice and glacial-ice expansions in the Antarctic realm, are responsible for the observed contrasted latitudinal patterns of southern latitudes