減少聚晶金剛石復合片殘余應力的若干途徑

張 喆

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

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減少聚晶金剛石復合片殘余應力的若干途徑

張 喆

(桂林特邦新材料有限公司，廣西 桂林 541004)

聚晶金剛石復合片因具有硬度高、耐磨性佳、沖擊韌性好等特性，廣泛應用于難加工材料的切削加工、石油開采與地質勘探等多個領域。然而由于金剛石與硬質合金的物理性能差異較大，冷卻時易在界面處產生殘余應力，從而導致聚晶金剛石層與硬質合金層脫離，這是聚晶金剛石復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合片內殘余應力的各類途徑進行歸納總結，并對其未來發展進行展望。

聚晶金剛石復合片；殘余應力；脫層

1 概述

聚晶金剛石復合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)又名聚晶金剛石-硬質合金復合片，是由金剛石微粉、硬質合金和粘結劑作為原材料在高溫高壓的條件下燒結而成的。該復合晶體材料兼具金剛石與硬質合金的特性，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用于難加工材料的切削與石油開采、地質勘探等領域[1-3]，有著其他材料難以替代的地位。

殘余應力是造成聚晶金剛石復合片產品失效的重要因素之一，產生原因[4]一方面是由于聚晶金剛石層(Polycrystalline diamond,PCD)與硬質合金襯底的熱膨脹系數及彈性模量差異較大，如表1所示，在冷卻的過程中結合界面處收縮不同步，其為宏觀內應力；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，應力易集中于此，其為微觀內應力。當這兩類應力得不到及時消除，產品就會在使用過程中PCD層與硬質合金層出現脫層甚至有復合片整體斷裂的現象，導致刀具與鉆頭失效。因此，減少或消除殘余應力在很大程度上能延長產品使用壽命，降低經濟損失，提高工作效率及使用安全性，具有十分重要的現實意義。

表1 聚晶金剛石復合片原材料的熱膨脹系數

2 殘余應力的檢測手段

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

2.1 應力釋放法

應力釋放法是不斷破壞應力平衡而使應力重新分布的測量過程。在該方法中，測量應變量的電阻應力片通常粘貼于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確性。然后不斷切割復合片的硬質合金層，并記錄不同硬質合金厚度下的應變量。由于將聚晶金剛石層視為無應力狀態，因此測得的應變量就是該處的殘余應力值。

應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的增加而不斷累加，從而造成測量結果的不準確，并對產品造成不可逆的破壞。此外，由于尺寸較小，可粘貼的應力片有限，難以獲得整個復合片的應力分布，測量精準度不夠。

2.2 射線衍射法

射線衍射法是通過測量結合界面處晶格間距的變化，進而計算出殘余應力大小及其分布規律，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力大小及應力分布。

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，由于金剛石應力常數很大，測量一旦出現偏差，誤差則成倍放大，造成測量不準，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，可測量材料內部的殘余應力，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)，制約了該方法的應用，但隨著科技的進步，它會有更為廣闊的發展空間。

2.3 拉曼光譜法

拉曼光譜與固體分子的振動相關，通過測量不同位置因應力而造成的拉曼光譜位移大小及方向來計算材料內部的殘余應力大小及種類，其應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構及結晶程度，側面反應材料內部燒結是否均勻。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。但與應力釋放法相比，成本較高，難以實現大規模應用。

3 消除殘余應力的途徑

為了減小結合界面及材料內部的殘余應力，人們通過減小金剛石粒徑、添加適宜的粘結劑、改變界面結構、調整聚晶金剛石層與硬質合金層厚度比、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力大小主要體現在燒結過程中。當粒徑較小時，由于金剛石顆粒間的間隙較小，熔融態粘結劑的進入可起到一定的排雜作用，減小非金剛石相的產生，降低了殘余應力。而隨著粒徑增大，顆粒間空隙變大，熔融的粘結劑一部分填充于金剛石顆粒內促進形成D-D鍵，獲得致密燒結體，而另一部分多余的金屬相[8]仍留在間隙內導致殘余應力的增大。雖說采用細粒度金剛石微粉燒結存在一定難度，如鈷難以滲透進入金剛石層，易產生金剛石表面雜質高等問題，但也有研究者通過添加更細粒度的鈷粉作為粘結劑[9]、采用兩種粒度分層組裝復合片[10]、減少粉料表面吸附的雜質等方法對其進行改善，從而既降低了PDC內部殘余應力，又提升了其沖擊韌性與耐磨性。

3.2 粘結劑

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，不僅燒結困難，還難以在界面處實現有效結合，造成內應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作為粘結劑，加強兩種材料的結合，并縮小其物理性能差異，減小復合片內部的殘余應力。

自PDC面世以來，鈷是最早應用且最為常用的粘結劑。在高溫高壓下，熔融態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鍵的結合，在一定程度上加強了聚晶層與硬質合金的結合。但這前提是鈷在聚晶金剛石層中均勻分布，一旦鈷在某一區域成塊狀富集，將對產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等作為粘結劑[12-13]，與鈷相比，這類粘結劑有著較好的力學性能和可燒結性，可抑制燒結過程中晶粒的異常長大現象，易獲得均勻致密的燒結體，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合金界面處的結合強度，減小了界面處的殘余應力。

此外，研究者還在金剛石與硬質合金基體之間加入梯度過渡層，實現成分連續過渡，將二者之間的機械式結合改進為冶金式結合[14]，增大界面結合強度，提升產品綜合性能。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，研究發現當選取cBN+鋁+鈦作為過渡層時，既能有效抑制鎢和鈷的滲透，又可減小內部殘余應力，改善脫層問題。結合曹品魯[16]等人對梯度與常規結構的PDC內部殘余應力的模擬計算的結果，可以看出，與普通PDC相比，梯度結構PDC材料結合界面處應力可降低2倍，能有效改善PDC中的應力分布，減小殘余應力。

3.3 界面結構

除了上述方法增強聚晶層與硬質合金層之間的結合外，研究者還通過界面設計，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，分散應力集中，降低殘余應力。

槽齒面與簡單凹凸面是較早設計出來的一種界面結構，槽齒面式界面通過增加聚晶金剛石層與硬質合金基底結合面積，加強其之間結合力，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合片的抗沖擊性。此外，在此基礎上，研究者還設計出以波紋式連接的界面結構，如圖1(f)～(g)，該種結構可對應力的分布位置及方向起有效調整作用，分散應力，避免應力集中帶來的脫層現象。然而目前設計的界面結構雖解決了邊緣處剪切應力集中的問題，但仍難以均勻內部應力分布，還需輔以大量的模擬計算不斷對界面結構進行細化調整[17]，以獲得應力最為均勻的界面結構。

圖1 聚晶金剛石復合片界面結構Fig.1 the interface structure of PDC

3.4 厚度比

在金剛石復合片的使用過程中，應力主要集中在界面結合和邊緣處，其中拉應力和剪應力主要對PDC起破壞作用，使金剛石層斷裂或脫層，而壓應力則對PDC有利，使界面結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，即金剛石層與硬質合金層厚度比增加，表面中心處的壓應力不斷減小，而邊緣處的應力則由原本的壓應力轉變為拉應力和剪應力，壓應力減小而拉應力和剪應力隨之增加，與此同時拉應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，結合加工對象及工作環境，應盡可能采用較小的厚度比，以避免PDC脫層或斷裂現象的發生。

3.5 工藝

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

圖2 燒結溫度與殘余應力的關系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中的微觀殘余內應力，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部成分均勻化，避免元素富集產生不利影響。劉芳[20]等人對不同制備過程的PDC內部殘余應力進行測試，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。研究發現，三種制備方法得到的PDC內部殘余應力大小順序為C>B>A，且經后續跟蹤使用發現，殘余應力越小的PDC綜合性能越優。

4 結束語

聚晶金剛石復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內部殘余應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，存在部分應力集中現象。而在使用的過程中，外力的施加將加劇這一現象，從而導致從界面處脫層，聚晶金剛石復合片失效。由于殘余應力的不可見性，人們難以觀察使用過程中內部應力的變化，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域的大量應用，研究者將這一技術引入，不但可詳盡地觀察到應力在使用過程中的變化規律，還可根據其受力情況，采用多種手段對PDC不同位置上應力分布進行調整，削弱外力對PDC的破壞性。此外，該技術還具有一定的預見性，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濟上的浪費，對推動PDC的廣泛應用具有重要意義。

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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，工學碩士學位，主要從事超硬材料相關研究。

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

TQ164

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1673-1433(2016)05-0049-05