减少聚晶金刚石复合片残余应力的若干途径

张 喆

(桂林特邦新材料有限公司，广西 桂林 541004)



减少聚晶金刚石复合片残余应力的若干途径

张 喆

(桂林特邦新材料有限公司，广西 桂林 541004)

聚晶金刚石复合片因具有硬度高、耐磨性佳、冲击韧性好等特性，广泛应用于难加工材料的切削加工、石油开采与地质勘探等多个领域。然而由于金刚石与硬质合金的物理性能差异较大，冷却时易在界面处产生残余应力，从而导致聚晶金刚石层与硬质合金层脱离，这是聚晶金刚石复合片失效的主要原因。因此，文章对近年来减少聚晶金刚石复合片内残余应力的各类途径进行归纳总结，并对其未来发展进行展望。

聚晶金刚石复合片；残余应力；脱层

1 概述

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)又名聚晶金刚石-硬质合金复合片，是由金刚石微粉、硬质合金和粘结剂作为原材料在高温高压的条件下烧结而成的。该复合晶体材料兼具金刚石与硬质合金的特性，既具有高硬度与耐磨性，也具有高冲击韧性与可加工性。其制成的刀具与钻头主要应用于难加工材料的切削与石油开采、地质勘探等领域[1-3]，有着其他材料难以替代的地位。

残余应力是造成聚晶金刚石复合片产品失效的重要因素之一，产生原因[4]一方面是由于聚晶金刚石层(Polycrystalline diamond,PCD)与硬质合金衬底的热膨胀系数及弹性模量差异较大，如表1所示，在冷却的过程中结合界面处收缩不同步，其为宏观内应力；另一方面为制备过程中聚晶金刚石层存在气孔、夹杂等缺陷，应力易集中于此，其为微观内应力。当这两类应力得不到及时消除，产品就会在使用过程中PCD层与硬质合金层出现脱层甚至有复合片整体断裂的现象，导致刀具与钻头失效。因此，减少或消除残余应力在很大程度上能延长产品使用寿命，降低经济损失，提高工作效率及使用安全性，具有十分重要的现实意义。

表1 聚晶金刚石复合片原材料的热膨胀系数

2 残余应力的检测手段

准确测量残余应力值大小及分布既为衡量降低应力方法是否有用，也为如何改进方法及工艺指明了方向。目前国内外普遍运用的检测方法主要为应力释放法、射线衍射法及拉曼光谱法三类。

2.1 应力释放法

应力释放法是不断破坏应力平衡而使应力重新分布的测量过程。在该方法中，测量应变量的电阻应力片通常粘贴于PCD层表面中部，也有研究者[5]将其改进，同时粘贴于中部、1/2半径和边缘处提高检测的准确性。然后不断切割复合片的硬质合金层，并记录不同硬质合金厚度下的应变量。由于将聚晶金刚石层视为无应力状态，因此测得的应变量就是该处的残余应力值。

应力释放法是所有测量方法中最为简单、直观、廉价的，但在检测过程中，人为切割的误差会随着切割次数的增加而不断累加，从而造成测量结果的不准确，并对产品造成不可逆的破坏。此外，由于尺寸较小，可粘贴的应力片有限，难以获得整个复合片的应力分布，测量精准度不够。

2.2 射线衍射法

射线衍射法是通过测量结合界面处晶格间距的变化，进而计算出残余应力大小及其分布规律，其主要有X射线衍射法与中子衍射法两种方法。

2.2.1 X射线衍射法

对聚晶金刚石复合片进行轴向和径向扫描，通过反射得到的X射线强度及衍射峰位移变化来计算残余应力大小及应力分布。

为了减少测量误差，常选用高θ角的衍射面，但测量易受Co峰的干扰。此外，由于金刚石应力常数很大，测量一旦出现偏差，误差则成倍放大，造成测量不准，精确度较低。

2.2.2 中子衍射法

中子衍射法与X射线衍射法原理相似，穿透能力很强，可测量材料内部的残余应力，精确度很高。然而中子衍射强度较弱，离散性大，测量时间长，且对试样体积有所限制[6](≥1mm3)，制约了该方法的应用，但随着科技的进步，它会有更为广阔的发展空间。

2.3 拉曼光谱法

拉曼光谱与固体分子的振动相关，通过测量不同位置因应力而造成的拉曼光谱位移大小及方向来计算材料内部的残余应力大小及种类，其应力值与峰值偏移成正比[7]。此外，通过拉曼光谱中峰的强度和形状还可表征金刚石的组织结构及结晶程度，侧面反应材料内部烧结是否均匀。与其他测量方法相比，拉曼光谱法精度高，且能同时获得材料的多种信息。但与应力释放法相比，成本较高，难以实现大规模应用。

3 消除残余应力的途径

为了减小结合界面及材料内部的残余应力，人们通过减小金刚石粒径、添加适宜的粘结剂、改变界面结构、调整聚晶金刚石层与硬质合金层厚度比、改进工艺等途径进行研究。

3.1 金刚石粒径

金刚石微粉粒径对残余应力大小主要体现在烧结过程中。当粒径较小时，由于金刚石颗粒间的间隙较小，熔融态粘结剂的进入可起到一定的排杂作用，减小非金刚石相的产生，降低了残余应力。而随着粒径增大，颗粒间空隙变大，熔融的粘结剂一部分填充于金刚石颗粒内促进形成D-D键，获得致密烧结体，而另一部分多余的金属相[8]仍留在间隙内导致残余应力的增大。虽说采用细粒度金刚石微粉烧结存在一定难度，如钴难以渗透进入金刚石层，易产生金刚石表面杂质高等问题，但也有研究者通过添加更细粒度的钴粉作为粘结剂[9]、采用两种粒度分层组装复合片[10]、减少粉料表面吸附的杂质等方法对其进行改善，从而既降低了PDC内部残余应力，又提升了其冲击韧性与耐磨性。

3.2 粘结剂

由于金刚石与碳化钨的物理性能差异较大，若单纯进行烧结，不仅烧结困难，还难以在界面处实现有效结合，造成内应力较大易脱层的困扰。因此，人们往往加入与二者润湿性较好的物质作为粘结剂，加强两种材料的结合，并缩小其物理性能差异，减小复合片内部的残余应力。

自PDC面世以来，钴是最早应用且最为常用的粘结剂。在高温高压下，熔融态的钴以中间化合物的形式[11]点状或线状分布于相邻金刚石颗粒空隙之间，促进D-D键的结合，在一定程度上加强了聚晶层与硬质合金的结合。但这前提是钴在聚晶金刚石层中均匀分布，一旦钴在某一区域成块状富集，将对产品的制备及性能造成不利。

近年来，也有研究者开始采用与碳化物润湿性好的金属如Ni和Fe等作为粘结剂[12-13]，与钴相比，这类粘结剂有着较好的力学性能和可烧结性，可抑制烧结过程中晶粒的异常长大现象，易获得均匀致密的烧结体，与此同时还改善了制品脆性大的问题，提高了金刚石与硬质合金界面处的结合强度，减小了界面处的残余应力。

此外，研究者还在金刚石与硬质合金基体之间加入梯度过渡层，实现成分连续过渡，将二者之间的机械式结合改进为冶金式结合[14]，增大界面结合强度，提升产品综合性能。而加入的过渡层不仅限于单种材料，还可进行不同材料相互组合叠加。如林峰[15]等人分别将钛粉、钴粉、cBN粉、铝粉、镍片、铝片等作为过渡层进行PDC合成，研究发现当选取cBN+铝+钛作为过渡层时，既能有效抑制钨和钴的渗透，又可减小内部残余应力，改善脱层问题。结合曹品鲁[16]等人对梯度与常规结构的PDC内部残余应力的模拟计算的结果，可以看出，与普通PDC相比，梯度结构PDC材料结合界面处应力可降低2倍，能有效改善PDC中的应力分布，减小残余应力。

3.3 界面结构

除了上述方法增强聚晶层与硬质合金层之间的结合外，研究者还通过界面设计，即将原始的平面改进成槽齿面、简单凹凸面或波纹面等非平面连接，增大二者接触面积，分散应力集中，降低残余应力。

槽齿面与简单凹凸面是较早设计出来的一种界面结构，槽齿面式界面通过增加聚晶金刚石层与硬质合金基底结合面积，加强其之间结合力，如图1(a)～(c)。凹凸面式界面则是通过增加PDC中金刚石含量来减小残余应力，如图1(d)～(e)所示。但这两种界面形式大多为尖角式连接，容易造成应力在连接处集中，抗冲击力较弱。因此，研究者开始采用圆角式连接代替尖角式以提升复合片的抗冲击性。此外，在此基础上，研究者还设计出以波纹式连接的界面结构，如图1(f)～(g)，该种结构可对应力的分布位置及方向起有效调整作用，分散应力，避免应力集中带来的脱层现象。然而目前设计的界面结构虽解决了边缘处剪切应力集中的问题，但仍难以均匀内部应力分布，还需辅以大量的模拟计算不断对界面结构进行细化调整[17]，以获得应力最为均匀的界面结构。

图1 聚晶金刚石复合片界面结构Fig.1 the interface structure of PDC

3.4 厚度比

在金刚石复合片的使用过程中，应力主要集中在界面结合和边缘处，其中拉应力和剪应力主要对PDC起破坏作用，使金刚石层断裂或脱层，而压应力则对PDC有利，使界面结合力提高并能抵抗较大的外部载荷。

从金刚石层厚度t(单位为mm)与PDC表面中心与边缘处的应力(单位为MPa)方程可以看出[18]。 PDC表面中心处

σφ,C=758t-2294.5

(1)

PDC边缘处

σφ,E=253.8t-366

(2)

随着金刚石厚度增大，即金刚石层与硬质合金层厚度比增加，表面中心处的压应力不断减小，而边缘处的应力则由原本的压应力转变为拉应力和剪应力，压应力减小而拉应力和剪应力随之增加，与此同时拉应力的影响范围也逐渐扩大。因此，在保证PDC使用寿命的前提下，结合加工对象及工作环境，应尽可能采用较小的厚度比，以避免PDC脱层或断裂现象的发生。

3.5 工艺

工艺对PDC中应力的影响主要体现在温度上，这包括合成温度和后期热处理。图2[19]为不同烧结温度下PDC中残余应力的有限元分析图。可见，随着烧结温度的升高，压应力和拉应力随之增大。其中压应力的增加，有助于界面处的结合，而拉应力的增加，加速了PDC边缘处的PCD层与硬质合金层之间的剥离。因此，在正常合成的条件下，应尽可能采用较低的烧结温度，这不仅节约能耗，还可避免PDC边缘处脱层。

图2 烧结温度与残余应力的关系Fig.2 Relationship between sintering temperature and residual stress

与上述途径不同，热处理是通过消除制备过程中PCD层中的缺陷，从而减少PDC中的微观残余内应力，其中最为常见的处理手段为退火处理。即在一定温度和时间下，对合成后的PDC进行一系列的升温、保温和降温处理，这一方面可消除或减少PCD层中的气孔，提高PDC致密度，另一方面又可使其内部成分均匀化，避免元素富集产生不利影响。刘芳[20]等人对不同制备过程的PDC内部残余应力进行测试，其中A过程为合成-退火-后加工-退火，B为合成-退火-后加工，C为合成-后加工。研究发现，三种制备方法得到的PDC内部残余应力大小顺序为C>B>A，且经后续跟踪使用发现，残余应力越小的PDC综合性能越优。

4 结束语

聚晶金刚石复合片的脱层或断裂是其在使用过程中所面临的最大隐患。研究者虽采用多种途径使PDC内部残余应力从整体上有所减少，但仍难以完全消除或是使其有效均匀化，存在部分应力集中现象。而在使用的过程中，外力的施加将加剧这一现象，从而导致从界面处脱层，聚晶金刚石复合片失效。由于残余应力的不可见性，人们难以观察使用过程中内部应力的变化，使得该问题一直悬而未决。随着近年来有限元分析在其他领域的大量应用，研究者将这一技术引入，不但可详尽地观察到应力在使用过程中的变化规律，还可根据其受力情况，采用多种手段对PDC不同位置上应力分布进行调整，削弱外力对PDC的破坏性。此外，该技术还具有一定的预见性，不仅为研究PDC提供了一定的理论支撑，还可大大减少时间及经济上的浪费，对推动PDC的广泛应用具有重要意义。

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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

张喆(1988-)，女，广西桂林人，研究生，工学硕士学位，主要从事超硬材料相关研究。

张 喆.减少聚晶金刚石复合片残余应力的若干途径[J].超硬材料工程，2016，28(5)：49-53.

TQ164

A

1673-1433(2016)05-0049-05