热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，其中，聚晶金刚石层包括靠近硬质合金基体一侧的过渡层以及远离硬质合金基体一侧的表层，聚晶金刚石层的表层和过渡层由不同粒度金刚石粉料配方组成，表层粉料主粒度为5‑25微米，过渡层粉料主粒度为25‑45微米，表层与过渡层的厚度比为1:1‑1:3。本发明专利技术提出的热稳定型高抗冲击聚晶金刚石复合片，可提高钻进效率、缩短钻采周期、延长使用寿命并有效降低钻采成本。

【技术实现步骤摘要】
热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片及其制备方法
本专利技术涉及超硬材料
，尤其涉及一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片及其制备方法。
技术介绍
聚晶金刚石复合片(PDC)一般由两层材料——上层的聚晶金刚石层和下层的硬质合金基体组成。一般是由金刚石粉末与硬质合金基体在高温高压(HTHP)下烧结复合而成。金刚石复合片兼具金刚石层的高耐磨和硬质合金基体的高韧性，是石油天然气的钻采工具上非常重要的切削元件。随着油气开发行业的不断发展和对页岩气、页岩油等非常规能量的开发，开采条件以及对钻采工具的要求也变得越来越苛刻。对切削元件复合片的性能要求也由最初的耐磨性为主逐渐过渡到耐磨/抗冲性兼具，近几年在相当多的复杂难钻地层中对复合片的抗冲击性要求已占主导地位。同时钻采难度的提升使钻采成本日益增加，亟需提高复合片的使用寿命。而使用寿命除了与耐磨性和抗冲击性有关外，还与其热稳定性有着重要而直接的关系。然而，金刚石复合片的抗冲击性及热稳定性的提升却面临着以下三项技术难题。难题一，聚晶金刚石层与硬质合金基体在热膨胀系数和弹性模量上差异显著，如表1所示。这会导致在复合片烧结的冷却过程中硬质合金基体的收缩大于聚晶金刚石层，从而在聚晶金刚石层和硬质合金基体的结合界面处形成有害的残余拉应力，使聚晶金刚石层有脱层趋势，降低其抗冲击性能。表1聚晶金刚石层与硬质合金的物理性能对比材料种类热膨胀系数(10-6/℃)弹性模量(106PSI)聚晶金刚石层1.5-3.8132硬质合金4.5-8.572.5-101.5此外，金刚石粉料粒度配比也是影响复合片抗冲击性的重要因素之一。较粗的粉料虽可以保证其抗冲击性，但复合片的耐磨性、热稳定性均会显著下降，因此需要设计一种能提高抗冲击性并同时保证综合性能的配方。难题二，常规复合片聚晶金刚石层的钴含量在12-15％范围内。这部分钴是来自于复合片烧结过程中，硬质合金基体向聚晶金刚石层迁移和扫越的钴。钴是促进金刚石颗粒溶解-析出-成键的重要触媒，在金刚石复合片的烧结中起着不可或缺的重要作用。但同时较高的钴含量会降低聚晶金刚石层的热稳定性和耐磨性，因为钴与金刚石间热膨胀系数的较大差异会使金刚石晶粒的键合间在受热条件下产生微裂纹，从而导致聚晶金刚石层的碎裂和复合片的早期失效。因此，在保证金刚石晶粒成键完整的前提下，钴含量越少其热稳定性越好。难题三，复合片的使用寿命取决于其综合性能的优劣，归根结底取决于金刚石晶粒的烧结质量和D-D键合程度。金刚石粉料本身由于粒度较细，在混配料和组装过程中会不可避免地吸附各种气体及杂质，降低其表面洁净度和活化烧结性，最终影响烧结质量、D-D键合和产品综合性能。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片及其制备方法，旨在保证复合片的耐磨性前提下提升其抗冲击性。为实现上述目的，本专利技术提出一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近硬质合金基体一侧的过渡层以及远离硬质合金基体一侧的表层，聚晶金刚石层的表层和过渡层由不同粒度金刚石粉料配方组成，表层粉料主粒度为5-25微米，过渡层粉料主粒度为25-45微米，表层与过渡层的厚度比为1:1-1:3。优选地，聚晶金刚石层的表层加过渡层的总厚度为2-3mm。优选地，所述硬质合金基体为带平行沟槽状界面的硬质合金基体。优选地，所述聚晶金刚石层的脱触媒金属表层包括以下重量含量的组份：钴1-5％，金刚石95-99％。优选地，所述聚晶金刚石层的未脱触媒金属表层和过渡层均包括以下重量含量的组份：钴8-14％，金刚石86-92％。本专利技术进一步提出一种基于上述的热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：混配不同粒度的双层金刚石粉料；将混配好的双层金刚石粉料、带平行沟槽状界面的硬质合金基体以及各种组装元件进行内、外组装，形成外合成模；将外合成模放入六面顶压机，在高温高压下烧结成聚晶金刚石复合片；采用强酸对金刚石复合片的聚晶金刚石层进行脱触媒金属处理。优选地，混配不同粒度的双层金刚石粉料时，对混配好的粉料在氢气气氛下进行650-750℃，时长为30-90min的烧制。优选地，将双层金刚石粉料、硬质合金基体和金属料杯进行内组装时，将组装好的内合成模在氩气气氛下进行500-1200℃，时长为90-150min的热处理。优选地，压制金刚石复合片时所用的温度为1400-1600℃，压力为7.5-8.5GPa。优选地，所述强酸为盐酸、硝酸和氢氟酸的混合物，各酸的体积比为2:1:1-1:1:1。本专利技术提出的热稳定型高抗冲击聚晶金刚石复合片，由于具有双层不同粒度的金刚石粉料配方，可以在保证复合片的耐磨性前提下提升其抗冲击性；较厚的金刚石层可提升复合片的抗冲击性和抗崩坏能力；带平行沟槽界面的硬质合金基体能有效降低界面有害残余应力，提高复合片的抗冲击性。本专利技术提出的热稳定型高抗冲击聚晶金刚石复合片，可提高钻进效率、缩短钻采周期、延长使用寿命并有效降低钻采成本。附图说明图1为本专利技术热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片的结构示意图；图2为本专利技术热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片中硬质合金基体的平行沟槽界面的结构示意图；图3为本专利技术热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片的制备方法的流程示意图。图中，100-聚晶金刚石层，101-脱触媒金属表层，102-未脱触媒金属表层，103-过渡层，200-硬质合金基体。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提出一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片。参照图1和图2，本专利技术提供一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，包括硬质合金基体200和聚晶金刚石层100，其中，聚晶金刚石层100包括靠近硬质合金基体200一侧的过渡层103以及远离硬质合金基体200一侧的表层，聚晶金刚石层100的表层和过渡层103由不同粒度金刚石粉料配方组成，表层粉料主粒度为5-25微米，过渡层103粉料主粒度为25-45微米，表层与过渡层103的厚度比为1:1-1:3。表层包括脱触媒金属表层101和未脱触媒金属表层102。进一步地，聚晶金刚石层100的表层加过渡层103的总厚度为2-3mm。常见的聚晶金刚石层100总厚度为1.5-2.0mm；本聚晶金刚石复合片根据性能需求优选的总厚度为2.0-3.0mm。大量试验数据证明较厚的金刚石层也可明显地提升复合片的抗冲击性和抗崩坏能力。进一步地，硬质合金基体200为带平行沟槽状界面的硬质合金基体。通过采用带平行沟槽状界面的硬质合金基体，能有效降低聚晶金刚石层100与硬质合金基体200结合界面处有害的残余拉应力，降低聚晶金刚石层100的脱层风险，提高复合片的抗冲击性。表2对比了3种常见的硬质合金基体界面处的拉应力值，其中平行沟槽界面的拉应力值最低。表23种常见界面结构的拉应力分布及最大拉应力结果对比界面结构名称蜂巢界面平行沟槽界面圆台界面最大拉应力1764MPa1277MPa1395MPa进一步地，聚晶金刚石层100的脱触媒金属表层101包括以下重量含量的组份：钴1-5％，金刚石95-99％。进一步地，聚晶金刚石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近硬质合金基体一侧的过渡层以及远离硬质合金基体一侧的表层，聚晶金刚石层的表层和过渡层由不同粒度金刚石粉料配方组成，表层粉料主粒度为5‑25微米，过渡层粉料主粒度为25‑45微米，表层与过渡层的厚度比为1:1‑1:3。

【技术特征摘要】
1.一种热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，其特征在于，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，其中，所述聚晶金刚石层包括靠近硬质合金基体一侧的过渡层以及远离硬质合金基体一侧的表层，聚晶金刚石层的表层和过渡层由不同粒度金刚石粉料配方组成，表层粉料主粒度为5-25微米，过渡层粉料主粒度为25-45微米，表层与过渡层的厚度比为1:1-1:3。2.如权利要求1所述的热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，其特征在于，聚晶金刚石层的表层加过渡层的总厚度为2-3mm。3.如权利要求1所述的热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述硬质合金基体为带平行沟槽状界面的硬质合金基体。4.如权利要求1所述的热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层的脱触媒金属表层包括以下重量含量的组份：钴1-5％，金刚石95-99％。5.如权利要求1所述的热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片，其特征在于，所述聚晶金刚石层的未脱触媒金属表层和过渡层均包括以下重量含量的组份：钴8-14％，金刚石86-92％。6.一种基于权利要求1至5中任意一项所述的热稳定型高抗冲击的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：田红平，陈文婷，徐磊，张烈华，刘洋，
申请(专利权)人：中石化江钻石油机械有限公司，中石化石油机械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42