減少聚晶金剛石復(fù)合片殘余應(yīng)力的若干途徑

張 喆

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

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減少聚晶金剛石復(fù)合片殘余應(yīng)力的若干途徑

張 喆

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

聚晶金剛石復(fù)合片因具有硬度高、耐磨性佳、沖擊韌性好等特性，廣泛應(yīng)用于難加工材料的切削加工、石油開采與地質(zhì)勘探等多個領(lǐng)域。然而由于金剛石與硬質(zhì)合金的物理性能差異較大，冷卻時易在界面處產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金層脫離，這是聚晶金剛石復(fù)合片失效的主要原因。因此，文章對近年來減少聚晶金剛石復(fù)合片內(nèi)殘余應(yīng)力的各類途徑進行歸納總結(jié)，并對其未來發(fā)展進行展望。

聚晶金剛石復(fù)合片；殘余應(yīng)力；脫層

1 概述

聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)又名聚晶金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片，是由金剛石微粉、硬質(zhì)合金和粘結(jié)劑作為原材料在高溫高壓的條件下燒結(jié)而成的。該復(fù)合晶體材料兼具金剛石與硬質(zhì)合金的特性，既具有高硬度與耐磨性，也具有高沖擊韌性與可加工性。其制成的刀具與鉆頭主要應(yīng)用于難加工材料的切削與石油開采、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域[1-3]，有著其他材料難以替代的地位。

殘余應(yīng)力是造成聚晶金剛石復(fù)合片產(chǎn)品失效的重要因素之一，產(chǎn)生原因[4]一方面是由于聚晶金剛石層(Polycrystalline diamond,PCD)與硬質(zhì)合金襯底的熱膨脹系數(shù)及彈性模量差異較大，如表1所示，在冷卻的過程中結(jié)合界面處收縮不同步，其為宏觀內(nèi)應(yīng)力；另一方面為制備過程中聚晶金剛石層存在氣孔、夾雜等缺陷，應(yīng)力易集中于此，其為微觀內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)這兩類應(yīng)力得不到及時消除，產(chǎn)品就會在使用過程中PCD層與硬質(zhì)合金層出現(xiàn)脫層甚至有復(fù)合片整體斷裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具與鉆頭失效。因此，減少或消除殘余應(yīng)力在很大程度上能延長產(chǎn)品使用壽命，降低經(jīng)濟損失，提高工作效率及使用安全性，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

表1 聚晶金剛石復(fù)合片原材料的熱膨脹系數(shù)

2 殘余應(yīng)力的檢測手段

準(zhǔn)確測量殘余應(yīng)力值大小及分布既為衡量降低應(yīng)力方法是否有用，也為如何改進方法及工藝指明了方向。目前國內(nèi)外普遍運用的檢測方法主要為應(yīng)力釋放法、射線衍射法及拉曼光譜法三類。

2.1 應(yīng)力釋放法

應(yīng)力釋放法是不斷破壞應(yīng)力平衡而使應(yīng)力重新分布的測量過程。在該方法中，測量應(yīng)變量的電阻應(yīng)力片通常粘貼于PCD層表面中部，也有研究者[5]將其改進，同時粘貼于中部、1/2半徑和邊緣處提高檢測的準(zhǔn)確性。然后不斷切割復(fù)合片的硬質(zhì)合金層，并記錄不同硬質(zhì)合金厚度下的應(yīng)變量。由于將聚晶金剛石層視為無應(yīng)力狀態(tài)，因此測得的應(yīng)變量就是該處的殘余應(yīng)力值。

應(yīng)力釋放法是所有測量方法中最為簡單、直觀、廉價的，但在檢測過程中，人為切割的誤差會隨著切割次數(shù)的增加而不斷累加，從而造成測量結(jié)果的不準(zhǔn)確，并對產(chǎn)品造成不可逆的破壞。此外，由于尺寸較小，可粘貼的應(yīng)力片有限，難以獲得整個復(fù)合片的應(yīng)力分布，測量精準(zhǔn)度不夠。

2.2 射線衍射法

射線衍射法是通過測量結(jié)合界面處晶格間距的變化，進而計算出殘余應(yīng)力大小及其分布規(guī)律，其主要有X射線衍射法與中子衍射法兩種方法。

2.2.1 X射線衍射法

對聚晶金剛石復(fù)合片進行軸向和徑向掃描，通過反射得到的X射線強度及衍射峰位移變化來計算殘余應(yīng)力大小及應(yīng)力分布。

為了減少測量誤差，常選用高θ角的衍射面，但測量易受Co峰的干擾。此外，由于金剛石應(yīng)力常數(shù)很大，測量一旦出現(xiàn)偏差，誤差則成倍放大，造成測量不準(zhǔn)，精確度較低。

2.2.2 中子衍射法

中子衍射法與X射線衍射法原理相似，穿透能力很強，可測量材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，精確度很高。然而中子衍射強度較弱，離散性大，測量時間長，且對試樣體積有所限制[6](≥1mm3)，制約了該方法的應(yīng)用，但隨著科技的進步，它會有更為廣闊的發(fā)展空間。

2.3 拉曼光譜法

拉曼光譜與固體分子的振動相關(guān)，通過測量不同位置因應(yīng)力而造成的拉曼光譜位移大小及方向來計算材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力大小及種類，其應(yīng)力值與峰值偏移成正比[7]。此外，通過拉曼光譜中峰的強度和形狀還可表征金剛石的組織結(jié)構(gòu)及結(jié)晶程度，側(cè)面反應(yīng)材料內(nèi)部燒結(jié)是否均勻。與其他測量方法相比，拉曼光譜法精度高，且能同時獲得材料的多種信息。但與應(yīng)力釋放法相比，成本較高，難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

3 消除殘余應(yīng)力的途徑

為了減小結(jié)合界面及材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，人們通過減小金剛石粒徑、添加適宜的粘結(jié)劑、改變界面結(jié)構(gòu)、調(diào)整聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金層厚度比、改進工藝等途徑進行研究。

3.1 金剛石粒徑

金剛石微粉粒徑對殘余應(yīng)力大小主要體現(xiàn)在燒結(jié)過程中。當(dāng)粒徑較小時，由于金剛石顆粒間的間隙較小，熔融態(tài)粘結(jié)劑的進入可起到一定的排雜作用，減小非金剛石相的產(chǎn)生，降低了殘余應(yīng)力。而隨著粒徑增大，顆粒間空隙變大，熔融的粘結(jié)劑一部分填充于金剛石顆粒內(nèi)促進形成D-D鍵，獲得致密燒結(jié)體，而另一部分多余的金屬相[8]仍留在間隙內(nèi)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的增大。雖說采用細(xì)粒度金剛石微粉燒結(jié)存在一定難度，如鈷難以滲透進入金剛石層，易產(chǎn)生金剛石表面雜質(zhì)高等問題，但也有研究者通過添加更細(xì)粒度的鈷粉作為粘結(jié)劑[9]、采用兩種粒度分層組裝復(fù)合片[10]、減少粉料表面吸附的雜質(zhì)等方法對其進行改善，從而既降低了PDC內(nèi)部殘余應(yīng)力，又提升了其沖擊韌性與耐磨性。

3.2 粘結(jié)劑

由于金剛石與碳化鎢的物理性能差異較大，若單純進行燒結(jié)，不僅燒結(jié)困難，還難以在界面處實現(xiàn)有效結(jié)合，造成內(nèi)應(yīng)力較大易脫層的困擾。因此，人們往往加入與二者潤濕性較好的物質(zhì)作為粘結(jié)劑，加強兩種材料的結(jié)合，并縮小其物理性能差異，減小復(fù)合片內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

自PDC面世以來，鈷是最早應(yīng)用且最為常用的粘結(jié)劑。在高溫高壓下，熔融態(tài)的鈷以中間化合物的形式[11]點狀或線狀分布于相鄰金剛石顆?？障吨g，促進D-D鍵的結(jié)合，在一定程度上加強了聚晶層與硬質(zhì)合金的結(jié)合。但這前提是鈷在聚晶金剛石層中均勻分布，一旦鈷在某一區(qū)域成塊狀富集，將對產(chǎn)品的制備及性能造成不利。

近年來，也有研究者開始采用與碳化物潤濕性好的金屬如Ni和Fe等作為粘結(jié)劑[12-13]，與鈷相比，這類粘結(jié)劑有著較好的力學(xué)性能和可燒結(jié)性，可抑制燒結(jié)過程中晶粒的異常長大現(xiàn)象，易獲得均勻致密的燒結(jié)體，與此同時還改善了制品脆性大的問題，提高了金剛石與硬質(zhì)合金界面處的結(jié)合強度，減小了界面處的殘余應(yīng)力。

此外，研究者還在金剛石與硬質(zhì)合金基體之間加入梯度過渡層，實現(xiàn)成分連續(xù)過渡，將二者之間的機械式結(jié)合改進為冶金式結(jié)合[14]，增大界面結(jié)合強度，提升產(chǎn)品綜合性能。而加入的過渡層不僅限于單種材料，還可進行不同材料相互組合疊加。如林峰[15]等人分別將鈦粉、鈷粉、cBN粉、鋁粉、鎳片、鋁片等作為過渡層進行PDC合成，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)選取cBN+鋁+鈦作為過渡層時，既能有效抑制鎢和鈷的滲透，又可減小內(nèi)部殘余應(yīng)力，改善脫層問題。結(jié)合曹品魯[16]等人對梯度與常規(guī)結(jié)構(gòu)的PDC內(nèi)部殘余應(yīng)力的模擬計算的結(jié)果，可以看出，與普通PDC相比，梯度結(jié)構(gòu)PDC材料結(jié)合界面處應(yīng)力可降低2倍，能有效改善PDC中的應(yīng)力分布，減小殘余應(yīng)力。

3.3 界面結(jié)構(gòu)

除了上述方法增強聚晶層與硬質(zhì)合金層之間的結(jié)合外，研究者還通過界面設(shè)計，即將原始的平面改進成槽齒面、簡單凹凸面或波紋面等非平面連接，增大二者接觸面積，分散應(yīng)力集中，降低殘余應(yīng)力。

槽齒面與簡單凹凸面是較早設(shè)計出來的一種界面結(jié)構(gòu)，槽齒面式界面通過增加聚晶金剛石層與硬質(zhì)合金基底結(jié)合面積，加強其之間結(jié)合力，如圖1(a)～(c)。凹凸面式界面則是通過增加PDC中金剛石含量來減小殘余應(yīng)力，如圖1(d)～(e)所示。但這兩種界面形式大多為尖角式連接，容易造成應(yīng)力在連接處集中，抗沖擊力較弱。因此，研究者開始采用圓角式連接代替尖角式以提升復(fù)合片的抗沖擊性。此外，在此基礎(chǔ)上，研究者還設(shè)計出以波紋式連接的界面結(jié)構(gòu)，如圖1(f)～(g)，該種結(jié)構(gòu)可對應(yīng)力的分布位置及方向起有效調(diào)整作用，分散應(yīng)力，避免應(yīng)力集中帶來的脫層現(xiàn)象。然而目前設(shè)計的界面結(jié)構(gòu)雖解決了邊緣處剪切應(yīng)力集中的問題，但仍難以均勻內(nèi)部應(yīng)力分布，還需輔以大量的模擬計算不斷對界面結(jié)構(gòu)進行細(xì)化調(diào)整[17]，以獲得應(yīng)力最為均勻的界面結(jié)構(gòu)。

圖1 聚晶金剛石復(fù)合片界面結(jié)構(gòu)Fig.1 the interface structure of PDC

3.4 厚度比

在金剛石復(fù)合片的使用過程中，應(yīng)力主要集中在界面結(jié)合和邊緣處，其中拉應(yīng)力和剪應(yīng)力主要對PDC起破壞作用，使金剛石層斷裂或脫層，而壓應(yīng)力則對PDC有利，使界面結(jié)合力提高并能抵抗較大的外部載荷。

從金剛石層厚度t(單位為mm)與PDC表面中心與邊緣處的應(yīng)力(單位為MPa)方程可以看出[18]。 PDC表面中心處

σφ,C=758t-2294.5

(1)

PDC邊緣處

σφ,E=253.8t-366

(2)

隨著金剛石厚度增大，即金剛石層與硬質(zhì)合金層厚度比增加，表面中心處的壓應(yīng)力不斷減小，而邊緣處的應(yīng)力則由原本的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力和剪應(yīng)力，壓應(yīng)力減小而拉應(yīng)力和剪應(yīng)力隨之增加，與此同時拉應(yīng)力的影響范圍也逐漸擴大。因此，在保證PDC使用壽命的前提下，結(jié)合加工對象及工作環(huán)境，應(yīng)盡可能采用較小的厚度比，以避免PDC脫層或斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

3.5 工藝

工藝對PDC中應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)在溫度上，這包括合成溫度和后期熱處理。圖2[19]為不同燒結(jié)溫度下PDC中殘余應(yīng)力的有限元分析圖?？梢姡S著燒結(jié)溫度的升高，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力隨之增大。其中壓應(yīng)力的增加，有助于界面處的結(jié)合，而拉應(yīng)力的增加，加速了PDC邊緣處的PCD層與硬質(zhì)合金層之間的剝離。因此，在正常合成的條件下，應(yīng)盡可能采用較低的燒結(jié)溫度，這不僅節(jié)約能耗，還可避免PDC邊緣處脫層。

圖2 燒結(jié)溫度與殘余應(yīng)力的關(guān)系Fig.2 Relationship between sintering temperature and residual stress

與上述途徑不同，熱處理是通過消除制備過程中PCD層中的缺陷，從而減少PDC中的微觀殘余內(nèi)應(yīng)力，其中最為常見的處理手段為退火處理。即在一定溫度和時間下，對合成后的PDC進行一系列的升溫、保溫和降溫處理，這一方面可消除或減少PCD層中的氣孔，提高PDC致密度，另一方面又可使其內(nèi)部成分均勻化，避免元素富集產(chǎn)生不利影響。劉芳[20]等人對不同制備過程的PDC內(nèi)部殘余應(yīng)力進行測試，其中A過程為合成-退火-后加工-退火，B為合成-退火-后加工，C為合成-后加工。研究發(fā)現(xiàn)，三種制備方法得到的PDC內(nèi)部殘余應(yīng)力大小順序為C>B>A，且經(jīng)后續(xù)跟蹤使用發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力越小的PDC綜合性能越優(yōu)。

4 結(jié)束語

聚晶金剛石復(fù)合片的脫層或斷裂是其在使用過程中所面臨的最大隱患。研究者雖采用多種途徑使PDC內(nèi)部殘余應(yīng)力從整體上有所減少，但仍難以完全消除或是使其有效均勻化，存在部分應(yīng)力集中現(xiàn)象。而在使用的過程中，外力的施加將加劇這一現(xiàn)象，從而導(dǎo)致從界面處脫層，聚晶金剛石復(fù)合片失效。由于殘余應(yīng)力的不可見性，人們難以觀察使用過程中內(nèi)部應(yīng)力的變化，使得該問題一直懸而未決。隨著近年來有限元分析在其他領(lǐng)域的大量應(yīng)用，研究者將這一技術(shù)引入，不但可詳盡地觀察到應(yīng)力在使用過程中的變化規(guī)律，還可根據(jù)其受力情況，采用多種手段對PDC不同位置上應(yīng)力分布進行調(diào)整，削弱外力對PDC的破壞性。此外，該技術(shù)還具有一定的預(yù)見性，不僅為研究PDC提供了一定的理論支撐，還可大大減少時間及經(jīng)濟上的浪費，對推動PDC的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

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Ways of Decreasing the Residual Stress in Polycrystalline Diamond Compacts

ZHANG Zhe

(GuilinTebonSuperhardMaterialCo.,Ltd.,Guilin,Guangxi541004,China)

Due to the characteristics of high hardness, wear resistance and impact toughness, polycrystalline diamond compacts are widely used in fields such as difficult-to-cut material machining, oil exploration, geological exploration etc. However, because of the huge difference of physical property between diamond and cemented carbide, residual stress is easily to be generated at the interfaces during cooling procedure. This tends to cause the delamination of polycrystalline diamond layer and cemented carbide layer, which is the main reason for failure of polycrystalline diamond compacts. This article will summarize different kinds of ways to decrease the residual stress in polycrystalline diamond compacts in recent years, and provide an outlook of its future development.

polycrystalline diamond compacts; residual stress; delamination

2016-07-10

張喆(1988-)，女，廣西桂林人，研究生，工學(xué)碩士學(xué)位，主要從事超硬材料相關(guān)研究。

張 喆.減少聚晶金剛石復(fù)合片殘余應(yīng)力的若干途徑[J].超硬材料工程，2016，28(5)：49-53.

TQ164

A

1673-1433(2016)05-0049-05