钻探用聚晶金刚石复合片的显微组织及性能

采用上层为细粒度金刚石、下层与硬质合金接触的为粗细度金刚石的分层设计理念，制备钻探用多金刚石层的聚晶金刚石复合片（PDC），对比不同粒度的单层金刚石PDC与多层金刚石PDC的显微组织与性能的差异。利用超声波扫描、扫描电子显微镜（SEM）表征每种PDC的内部缺陷和表面形貌等，并分别对PDC的耐热性、抗冲击性和耐磨性进行测试。结果表明：多层金刚石PDC的综合性能良好，其表层耐磨，下层更耐冲击，且其具有更加均衡的耐热性、抗冲击性和耐磨性。细粒度金刚石层PDC的耐磨性更高，但耐热性和抗冲击性较低，而粗粒度金刚石层PDC的耐热性和抗冲击性能更好，但耐磨性较差。     

聚晶金刚石复合片脱Co增强性能研究

在制备普通聚晶金刚石复合片（PDC）的基础上,将一次合成的聚晶金刚石进行脱Co处理,再重新组装进行二次合成。新合成PDC的耐磨性、抗冲击性能和耐热性等有很大提高,其平均体积磨耗比达到5.20×106,比普通产品的磨耗比高约40%;金刚石层中Co的减少并未造成其抗冲击性能的下降;耐热性能也大幅度提高。脱Co处理能有效减少金刚石层中的Co含量,并改善其结合剂分布的均匀性,抑制结合剂的局部聚积,最终使金刚石层中D-D键数量明显增多,PDC的耐磨性提高。      

聚晶金刚石复合体的主要性能研究状况

主要从衡量聚晶金刚石复合体PDC质量好坏的三大指标--耐磨性、耐热性、抗冲击韧性着手,在国内外学者对PDC性能较完整的测试和研究结果的基础上,综述了聚晶金刚石复合体的性能及其影响因素,着重对PDC表面石墨化、氧化现象、粘接剂的选择、界面形态的改进、粒度范围、组装程序、烧结工艺等作了概述,概括了几种典型聚晶金刚石复合体机械性能,为金刚石复合片的合成工艺及其工业应用提供一些参考.     

影响聚晶金刚石复合片性能的因素及改进方法

聚晶金刚石复合片作为PDC钻头的切削元件，其质量的好坏直接影响着整个钻头的钻进速率及使用寿命。影响复合片质量和性能的主要因素是金刚石与粘接剂的配比、粘接剂的种类、金刚石的粒度、金刚石／硬质合金界面结构以及烧结工艺等。本文探讨了不同种类粘接剂的优、缺点；介绍了如何通过改变金刚石颗粒的粒度分布提高复合片的耐磨性和抗冲击性能；在金刚石，硬质合金界面处添加碳化物形成元素薄片以及采用金属镀层(如W等)实现界面的冶金结合，从而提高界面的结合强度；采用锯齿形界面并伴随成分梯度过渡、以及采用正弦曲线形界面结构可明显改善复合片的性能。这些方法可为工业上生产优质复合片提供参考。     

界面结构对PDC抗冲击性能的影响

本文采用重陀倾斜式方法测试了不同界面结构的PDC的抗冲击韧性,并对PDC冲击破坏机理进行了讨论,对界面结构以及其它因素对PDC抗冲击性能的影响进行了探讨和研究.结果表明:重陀倾斜式方法能够较好地反应PDC钻头工作时的实际受力情况;在同一工艺参数下,PDC层与硬质合金基体之间的界面结构对PDC的抗冲击性能影响很大;随着界...     

粗颗粒聚晶金刚石复合片显微结构的分析

利用扫描电镜、光学影像仪等分析检测仪器,在不损伤被检样品的物理性能、状态和内部结构的条件下,从聚晶金刚石层与基体的界面结构,微观的均匀性以及金刚石层D—D键的结合情况等方面定性判断PDC性能的优劣。研究发现：金刚石和硬质合金界面结构为非平面连接时,其性能优于传统的平面结合型;PDC材料聚晶金刚石层中金刚石在空间相连形成D-D结合立体网络状结构,这是PDC材料力学性能优异的主要原因,且D—D键越多,复合片性能越好。     

两面顶1916金刚石复合片研制

本文采用两面顶装备研制φ1916金刚石复合片,给出了金刚石复合片生产的工艺流程.通过两面顶高温高压腔体组装结构的研究,提出了两面顶金刚石复合片烧结时分层开裂的关键问题,即由于两面顶装备卸压时反应腔体内受到较大的剪切应力.通过对组装腔体结构优化设计,在金属/非金属界面涂附金属润滑剂,改变金刚石/硬质合金界面形状等改进,实现1916PDC的完整烧结.测试结果表明,两面顶金刚石复合片平均磨耗比为21*104,耐热温度750 ℃和冲击总能量大于300 J.     

固体渗碳制备粗晶功能梯度硬质合金及其组织与性能研究

粗晶硬质合金由于高导热率、高强度及耐冲击等性能而被广泛应用于采掘钻探等。本文通过固体渗碳制备粗晶功能梯度硬质合金,研究制备粗晶功能梯度硬质合金的不同渗碳参数,探索渗碳工艺与合金显微组织及力学性能的关系。研究发现,在不同的渗碳温度下,粗晶硬质合金渗碳效率均较低,梯度层形成缓慢;低于1 440℃,渗碳反应及扩散较慢,难以制备获得功能梯度硬质合金。超过1 450℃,可以通过固体渗碳获得功能梯度硬质合金。当温度达到1 450℃后,继续提高温度对合金梯度层的形成影响不大;而延长时间却可以使其渗碳反应得到充分进行,梯度层提高明显。同时,稀土Y_2O_3在粗晶功能梯度硬质合金中对梯度层形成、晶粒抑制作用及其力学性能的影响均较为有限;随渗碳温度升高,其添加效果减弱。     

PDC表面加工的探讨

1 引言 PDC即金刚石硬质合金复合片,是由0.5～1mm厚的多晶金刚石层与1～数mm厚的硬质合金衬底层在超高压(60GPa)、高温(1500℃)条件下烧结而成,是一种超硬工具材料,主要用于制做超硬刀具及石油钻头。 用超高压设备烧结成的PDC表面凹凸     

钴的脱除工艺对聚晶金刚石复合片性能的影响

聚晶金刚石复合片(PDC)是一种用于油气钻采、矿物开采的超硬复合材料，需要通过脱除金刚石层中的钴来提高耐磨性和抗冲击性能。本文以盐酸、硫酸和路易斯酸(FeCl₃)作为脱钴试剂，使用加压化学沉淀法对金刚石复合片进行脱钴，研究脱钴试剂的原料配比、脱钴反应压力、脱钴反应时间对金刚石复合片脱钴效率及性能的影响。结果表明，使用加压化学沉淀法可以高效脱除PDC中的钴。将1片PDC和60 mL脱钴试剂进行反应，脱钴试剂中HCl浓度为6 mol/L，硫酸加入量为60 mL/L、路易斯酸加入量为50 g/L，反应温度为160℃，反应压力控制在0.8 MPa为最优脱钴工艺条件，反应时间72 h，脱钴深度可达580μm，达到了1.2 mm金刚石复合片脱钴要求(脱钴深度>0.5 mm)。使用加压化学沉淀法比常规酸浸出法脱钴效率更高，脱钴后金刚石复合片耐磨性更高，抗冲击韧性更好。     

金刚石复合片的界面形态及性能特点

聚晶金刚石复合片的失效主要发生在金刚石与基体之间的界面处,改变界面的化学组分和形状可以改善复合片的使用性能。本文介绍了几种优质复合片的界面形态及其性能特点。在金刚石层与基体之间添加镀碳的钨片,或在金刚石层外镀上几层金属,可以改善金刚石与基体的不匹配问题;在基体上加工出沟槽或锯齿,使复合片抗冲击性能显著提高;为了避免直线型沟槽的方向性以及降低在尖端出现的应力集中,将沟槽或锯齿做成环形并使其尖角改成光滑的圆角;降低锯齿尖端粘结剂的含量,可使基体与金刚石的膨胀系数和弹性模量更接近而提高热稳定性;把界面做成波浪形,并且使界面与复合片的轴线不垂直,以此来分散应力。     

用感应加热摩擦法在屏蔽金刚石表面涂覆Ti涂层

提出一种在金刚石表面制备Ti涂层的新方法，将感应加热到一定温度的Ti棒，在电磁屏蔽保护下的聚晶金刚石表面以旋转挤压的方式进行摩擦涂覆，实现了金刚石表面的金属化。通过红外测温仪测试聚晶金刚石表面温度，利用扫描电子显微镜观察Ti涂层的界面形貌、内表面形貌以及聚晶金刚石/硬质合金之间的界面形貌，采用X射线衍射仪检测Ti涂层内表面物相组成，通过能谱分析仪对Ti涂层界面和内表面进行元素分析。研究结果发现:高温Ti棒与聚晶金刚石表面进行摩擦涂覆，在聚晶金刚石与Ti涂层界面处发生了C、Ti元素的相互扩散，且在界面处产生有点状碳化物TiC。将聚晶金刚石置于具有电磁屏蔽的装置中，可有效避免聚晶金刚石/硬质合金界面处的热损伤。Ti涂层的形成过程可分为三个阶段:新鲜表面相互接触、初始扩散、扩散带形成。本文提出的感应加热摩擦法工艺简便，能够显著提高涂覆效率，可以有效避免金刚石热损伤。     

基于钎焊涂覆的树脂结合剂金刚石砂轮及性能研究

利用钎焊方法对单晶RVD和多晶PDGF1 2种金刚石磨料表面进行涂覆,制备涂覆前后4种磨料的树脂结合剂金刚石砂轮。研究钎焊过程对金刚石磨粒表面形貌和力学性能的影响,并测试不同砂轮加工硬质合金时的磨削性能。结果表明:钎焊涂覆方法可以在金刚石磨料表面有效包覆一层钎料合金涂层,涂层与金刚石磨粒间形成TiC界面结合。与涂覆前磨粒相比,涂覆后RVD磨粒的冲击韧性(TI)值减小了6%,PDGF1磨粒的TI值增大了42%。用钎焊涂覆PDGF1磨料制作的树脂结合剂金刚石砂轮拥有更低的磨削力和更高的磨削比, 但用钎焊涂覆RVD磨料制作的树脂结合剂金刚石砂轮的结果则相反。在相同加工参数下,4种砂轮磨削硬质合金的表面形貌相似,其表面粗糙度在0.50～0.68 μm。      

Effect of cobalt content on the performance of polycrystalline diamond compacts

Cobalt was an indispensable role in the damage of a PDC cutter due to its inevitable adverse thermal effect like thermal catalysis, thermal expansion and thermal oxidation in the welding and drilling process, while the quantitative studies on its serial thermal damage effect were still seldom reported. In order to understand the damage mechanism of a PDC cutter and therefore design better products, it was quite necessary to study the roles of cobalt in the PDC cutter by a quantitative means. In present study, the total cobalt content of the PCD layer of polycrystalline diamond compacts were adjusted by blending different amount of microsized cobalt powder in the mixed diamond grains and the infiltrated cobalt from the cemented carbide cylinder during the HTHP sintering process. The sintered PDC cutters were examined by XRD, SEM, EDX, vertical lathe tests, and impact tests, and it was found that the abrasive ratios of the fabricated PDC cutters were strongly dependent on the cobalt content of sintered diamond layers. The PDC cutter without adding cobalt powder exhibited the best resistance to the abrasion, while the PDC cutters sintered by adding 4% mass of cobalt powder demonstrated the worst abrasive ratio, which was the direct proof confirming that by decreasing the content of residual cobalt in the PCD layer the resistance of the PDC cutter to the abrasion would be improved significantly. A non-destructive characterization method was adopted based on the statistical calculation was proposed by using Matlab and Image-J software to quantitatively explore the relationship between the cobalt content as well as the average size of residual cobalt in the PCD layer and the abrasion performance, which opened a new technical route for the disclosure of cobalt-dependent abrasion resistance for the PDC cutter analysis. Moreover, a cobalt-rich narrow zone was found to appear in the interface of PCD/cemented carbide, which was deduced to be the main reason to cause the delamination of PCD layer from the cemented carbide. It was also interesting to find that the percentage of added cobalt powders seemed no adverse effect on the impact performance of the PDC cutters. The conclusion of present study about the cobalt role in the PDC performance was quite good for understanding the PDC damage modes and helped for the better design and fabrication of PDC.     

Thermal residual stress of polycrystalline diamond compacts

Thermal residual stresses in polycrystalline diamond compact(PDC)cutter arising from the difference in thermal expansion between the polycrystalline diamond(PCD)and the supporting tungsten carbide substrate after sintering at high pressure and high temperature were investigated using finite element simulation,laboratory tests and theoretical analysis.The obtained results show that although compressive residual stresses exist both in the interface of PCD table and in the most region of PCD table surface, the...     

含硼聚晶金刚石复合片(B-PDC)的研究

利用国产六面顶压机,在高温高压的条件下,采用黏结剂Co熔渗催化方法合成含硼聚晶金刚石复合片。对加入不同体积分数的含硼金刚石合成的样品进行性能测试,最后对样品的性能测试结果进行讨论分析,并对聚晶金刚石层微观结构做了扫描电镜观察和XRD物相分析。结果表明:样品的抗冲击韧性和耐热性比普通金刚石复合片有显著提高,当添加含硼金刚石微粉体积分数为2a%～3a%时综合性能最好。     

铜基钎料焊接金刚石的界面结构与强度

选用Cu-Sn-Ti活性钎料在钢基体上焊接金刚石磨粒,研究钎料合金与金刚石焊接界面的组织形貌与物相组成,分析不同钎焊温度对焊接界面结构及结合强度的影响.结果表明,钎料合金元素与金刚石在钎焊过程中发生化学反应,生成化合物TiC,CuTi和CuSn等,实现了铜基钎料、金刚石颗粒与钢基体之间的化学冶金结合.当钎焊温度为880～930℃时,均可获得连接良好的钎焊接头;钎焊温度900℃时,焊接界面形成的化合物层均匀连续且界面致密,此时在相同磨削条件下,钎焊金刚石试件的磨损失重很小,达到了焊接界面的强力结合.