聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

发布者：河南启元磨料磨具 | 发布时间：2024-11-03 | 阅读：10

摘要: 残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC 压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响，在ANSYS 中建立PDC 模型，运用热-结耦合法分析PDC 的残余热应力。计算表明，随着PCD 层与硬质合金层厚度比由0.067 增加到0.333，PCD 层表面中心的压应力由1.61 GPa 降低到380 MPa，PCD 层最大径向压应力由1.61 GPa 降低1.03 GPa 左右，而PCD 层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大；随着PDC 压制过程中烧结温度由1 000 ℃升高到1 500 ℃，PCD 层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为，在研究PDC 合成新工艺过程中，应在保证PDC 使用寿命的前提下尽量降低PCD 层与硬质合金层厚度比；必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。

关键词：聚晶金刚石复合片(PDC); 烧结温度; 残余热应力

聚晶金刚石复合片(简称PDC)钻头因具有极高层和软硬交错地层时，PDC 钻头的使用仍然受到较大的耐磨性、抗冲击韧性及锐利的切削刃，在地质和限制。这是因为PDC 是在高温、高压(1 300~1 500 ℃、石油钻探中被广泛应用。聚晶金刚石层(简称PCD 6 GPa) 条件下由金刚石微粉与硬质合金基体烧结而成层)能始终保持锐利的切削刃，因而广泛用于地质、的，而由于金刚石与硬质合金的热膨胀系数相差太大，石油及煤田钻探中，在软至中硬岩层中获得了非常在卸压冷却过程中, PDC 容易在界面产生很大的残余好的使用效果[1-2] 。随着PDC 工艺水平的不断提高，热应力，这种残余热应力的存在使复合片强度降低，PDC 钻头的适用领域和用量得到不断扩大。据统计，尤其在承受较强外力或温度变化较大时，金刚石层容PDC 钻头的进尺量占油田钻探总进尺比例已由10 a 易破损或从基体上剥落，导致它失去切削能力而失效。前的16%增加到了目前的约60%[3] 。而在钻进硬地因此，研究PDC 残余热应力具有非常重要的意义。

徐根[4] 等根据PDC 制造过程中的热力学工艺条件，对平面界面及几种典型不规则界面的PDC 残余热应力作了相应的数值计算和分析比较，亦对PDC 残余热应力的分布规律做了相关研究；曹品鲁[5] 等对梯度结构聚晶金刚石复合片与传统的双层结构金刚石-硬质合金复合片在制造过程中产生的残余热应力进行了分析，提出梯度结构的聚晶金刚石复合片有效降低了残余热应力；贾洪声[6] 等采用熔渗法成功制备了低残余应力的优质生长型聚晶金刚石复合片。

影响PDC 残余热应力的因素主要有聚晶PCD 层厚度、PDC 的烧结温度、界面结构、后处理方式以及后期热处理工艺等。其中PCD 层厚度和烧结温度对残余热应力的影响尤为明显。笔者通过有限元分析，讨论了PCD 层与硬质合金层厚度比和PDC 压制过程中烧结温度的波动对PDC 残余热应力的影响。

1.PCD 层与硬质合金层厚度比对PDC 残余热应力的影响

Lin Tze-Pin[7] 通过实验得出：PDC 硬质合金层的厚度与PCD 层的厚度比对PDC 的径向应力有很大影响。徐国平等[8]亦通过研究提出：PCD 层薄的PDC 抗冲击性应该更好,但较薄的PCD 层会影响PDC 的使用寿命，PCD 层与硬质合金层厚度比值应有一个最佳值。为进一步了解PCD 层与硬质合金层厚度比对PDC 残余热应力(主要是PCD 层厚度对PDC 垂直方向的应力影响)，笔者对不同PCD 层与硬质合金层厚度比值的PDC 进行了有限元分析。分析中采用的材料物理力学性能参数见表1。分析中选择常用的13 mm×8 mm 平面界面聚晶金刚石复合片，选择PCD 层厚度在0.5~2.0 mm 范围内的16 种PDC 。有限元网格划分过程中，PCD 层单元格为0.2 mm× 0.2 mm, 硬质合金层靠近界面部分网格较密，远离界面部分网格相对稀疏。设定1 000 ℃为PDC 应力松弛温度[7],在这一温度以上PDC 的残余热应力可忽略不计, 室温为20 ℃。由于PDC 的轴对称性, 有限元模拟过程中仅选用右半部分进行计算。通过有限元计算，可得到PCD 层和硬质合金层的残余应力二维分布云图(包括径向应力，轴向应力以及剪切应力)，以及 PCD 层表面的残余应力沿各方向的变化曲线。

运用ANSYS 软件，用热-结耦合法进行残余热应力分析，计算模型以及有限元网格划分见图1。PCD 层厚度为1 mm 的PDC 的残余热应力分布见图2。

图1 计算模(a)以及有限元网格划分(b) Fig. 1

由图2 见，PDC 最大应力集中分布在界面两侧临近界面处，而离界面较远的地方应力相对较小，分布相对较均匀。由于金刚石的热膨胀系数小于硬质合金，在加热后的卸压冷却过程中，PCD 层收缩比硬质合金慢，PCD 层形成压应力。当PCD 层厚度为1mm 时，PCD 层的最大径向压应力σxmax 出现在复合片界面结合处，高达1.20 GPa(多晶金刚石的抗压强度1.9~6.9 GPa) ；最大轴向拉应力σymax 位于复合片界面边缘处，达到850 MPa ，该拉应力容易产生垂直于界面的龟裂裂纹，导致PDC 层的碎裂或脱层；界面间最大剪应力同样位于界面边缘，该剪应力是导致PDC 整体断裂及PCD 层与硬质合金衬底之间脱层的主要原因，也是使用 PDC 钻头钻进过程中所遇到的最具破坏性的失效形式。

为了解PDC 残余热应力随PCD 层与硬质合金层厚度比的变化规律，采用热-结构耦合法对PCD层厚度为0.5~2.0 mm 的16 种PDC 进行了分析，计算结果见表2 (表中拉应力为正，压应力为负)。由表2 可知，随PCD 层厚度由0.5 mm 增加到2.0 mm，即PCD 层与硬质合金层厚度比由0.067 增加到0.333，PCD 层最大径向压应力逐渐降低，由1.61 GPa 降低到1.03 GPa；PCD 表面中心压应力也逐渐降低，由1.61 GPa 下降到380 MPa ；轴向拉应力云图显示，随着PCD 层与硬质合金层厚度比值的增加，PCD 层界面边缘的最大轴向拉应力由 697 MPa 增加到了1.01 GPa；位于界面边缘处的最大剪应力则从106 MPa 增加到136 MPa 。在模拟计算中，PDC 总高度为8 mm，因此，PCD 层加厚，一方面使硬质合金基体相对变薄，同时PCD 层与硬质合金层厚度比值逐渐增加。图3、图4、图5 是PCD 层与硬质合金层厚度比分别对应PCD 层最大径向应力、PCD 层最大轴向应力及PCD 层表面中心压应力的影响关系。由图可见，随着PCD 层与硬质合金层厚度比的增加，PCD 层最大径向压应力和PCD 层表面中心的压应力均明显下降(图3、图5)；同时PCD 层最大轴向拉应力逐渐增大(图4)，最大径向应力出现在界面结合处，最大轴向应力出现在PDC 边缘靠近界面处。Bertagnolli 等人的研究表明，PCD 层表面具有较大压缩应力的PDC 在达到金刚石抗拉极限前能够承受更大的载荷[9] 。压应力的存在不会引起复合片龟裂和脱层,对复合片在钻进时抵抗外力也是有利的，而较大的轴向拉应力的存在对脆性材料是非常有害的。但PCD 层太薄会严重影响PDC 的使用寿命。因此，应该在保证PDC 使用寿命的前提下尽量降低PCD 层与硬质合金层厚度比值。

2.PDC 压制过程中烧结温度的波动对残余热应力的影响

利用六面顶压机, 在高温高压条件下(1 300~ 1 500 ℃，6 GPa) 压制PDC 的过程中，温度的控制是一个非常重要的很难控制，也很难解释其出现的原因。复合片的烧结温度范围一般在1 300~1 500 ℃, 钴-碳液相共晶温度为1 320 ℃。在生产过程中，主要是原材料个体差异以及操作原因，烧结温度常常不能较准确地控制在有效温度范围内，且烧结过程中温度的测量非常困难，很难直接通过实验的方法研究烧结温度对PDC 应力的影响。

为研究PDC 烧结温度的波动对残余热应力的影响，对不同烧结温度条件下的PDC 进行了有限元分析。分析中采用的材料物理力学性能参数见表1；计算模型及模型有限元网格划分见图1；对烧结温度在1 000~1 500℃范围内的11 种烧结温度条件下的PDC 的残余应力进行了数值模拟，模拟过程中的室温为20 ℃。图6 是烧结温度对PCD 层的残余应力的影响关系。由图6 可知，随着PDC 烧结温度的不断增加，PCD 层的最大径向压应力也不断增加。最大径向压应力由烧结温度为1 000 ℃时的1.2 GPa 增加到1 500 ℃时的1.81 GPa，这种压应力的存在对提高界面结合力是有利的；在最大径向压应力逐渐增加的同时，PCD 层最大轴向应力由烧结温度为1 000 ℃ 时的850 MPa 增加到1.28 GPa，且出现在PDC 靠近界面的边缘位置，这种PCD 层较大的轴向拉应力容易导致PCD 层从基体上剥落；PCD 层表面中心压应力同样也随烧结温度的增加而增加。由此可见，烧结温度对PDC 残余热应力确实有较大影响。在PDC 压制过程中，若烧结温度太高，虽然PCD 层的压应力增大，有利于界面结合，但同时PCD 层最大剪应力以及边缘位置的拉应力也越大，使得PDC 边缘越容易产生裂纹或其它缺陷；若烧结温度过低，PCD 层的压应力太小，界面结合力不强，PCD 层容易从基体上脱落。可见，PDC 的压制过程对温度是十分敏感的，在生产过程中，除了进一步研究新的合成工艺外，必须确保每道工序的有效执行，尽量切断原材料对温度的影响，合理操作，使温度严格控制在最佳范围内。

3.结论

有限元分析结果表明，随着PCD 层与硬质合金层厚度比的增加，PCD 层表面中心的压应力明显下降，PCD 层最大径向压应力逐渐降低，而最大轴向拉应力逐渐增大；随着PDC 压制过程中烧结温度的不断升高，PCD 层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。因此，在保证PDC 使用寿命的前提下，应尽量降低PCD 层与硬质合金层厚度比值，尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。

参考文献

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聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

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