一种在聚晶金刚石复合片表面生长金刚石膜的方法技术

本发明专利技术的一种在聚晶金刚石复合片表面生长金刚石膜的方法属于超硬材料技术领域。主要步骤包括：对聚晶层进行脱钴预处理、多晶金刚石膜的沉积、沉积后缓慢降至室温，得到具有三层结构的复合超硬材料。本发明专利技术通过在PDC表面使用CVD法沉积了一层无钴且致密的多晶金刚石膜，使PDC的聚晶金刚石层表面得到增强，减少了PDC的表面孔隙并进一步提高其耐磨性。PDC的表面孔隙并进一步提高其耐磨性。PDC的表面孔隙并进一步提高其耐磨性。

【技术实现步骤摘要】
一种在聚晶金刚石复合片表面生长金刚石膜的方法


[0001]本专利技术属于超硬材料
，特别涉及一种应用于石油钻井、地质勘探、煤田钻采钻头上和机械加工工具等行业的一种在聚晶金刚石复合片表面以CVD外延生长的方式沉积附着牢固的金刚石膜的方法。

技术介绍

[0002]聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)通常是将金刚石微粉在1400
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1700℃的温度和5
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7GPa的压力下烧结在碳化钨
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钴硬质合金基体表面上制备而成的，具有聚晶金刚石层与硬质合金层两层结构，兼有金刚石的超高硬度、耐磨性与硬质合金的冲击断裂韧性与可焊接性，作为成熟的超硬材料已被广泛用于精密机械加工工具制造，地质钻探，石油天然气开采等行业。
[0003]在PDC的高温高压合成条件下，熔融后的流体钴通过毛细作用不断向金刚石微粉层扩散，金刚石中的碳原子溶于钴液中并在PDC冷却时逐渐析出并以sp3键结合起来，离散的金刚石微粉就互相连接起来形成了金刚石骨架，而钴则夹杂在骨架中的空隙内呈岛状或脉状分布。PDC在钻探复杂硬质地层产生的高温下，空隙中的钴、金刚石与碳化钨硬质合金之间的热膨胀系数不匹配会造成热应力残存，且高温下钴对金刚石强烈的石墨催化作用会严重影响到PDC的机械性能与热稳定性。工业上通常对成品PDC进行脱钴预处理来减少高温下钴对金刚石的损坏，但作为粘结剂的钴被除去之后又会使金刚石骨架的空隙暴露出来造成机械性能的降低。聚晶金刚石层成品中钴含量越少、金刚石骨架越为致密其机械性能与热稳定性越接近于单晶金刚石。因此降低成品PDC中的钴含量与孔隙率可以提高其耐磨性与使用寿命，从而提高开挖性能、降低钻探成本。
[0004]随着切割技术的发展和应用领域的扩大，对PDC的质量，性能均匀性和批量稳定性提出了更高的要求。在石墨化和开裂方面，金刚石的耐热性均优于用钴烧结的金刚石。传统在碳化钨
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钴硬质合金刀具上通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)制备金刚石膜涂层进行表面增强，同样，将一层无钴且致密的金刚石膜沉积在脱钴后的PDC表面可进一步减少其表面孔隙、阻挡钴的扩散，从而在保持其热稳定性的前提下进一步提高其耐磨性、延长使用寿命。
[0005]通过CVD在PDC表面沉积金刚石膜进行表面增强的两个关键问题是金刚石的良好CVD生长温度高于PDC的最高耐受温度和膜在衬底表面的附着力。通常金刚石的良好CVD生长衬底温度区间为800℃
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1100℃，而PDC在750℃以上即会造成不可逆转的热损伤。在较低衬底温度下沉积金刚石膜，由于氢与碳源气体的分解效率较低、衬底表面反应速率较慢，所得的金刚石膜金刚石相含量较低，夹杂大量sp2相碳成分，膜的机械性能与附着力均较差。
[0006]对于非金刚石相表面金刚石膜的附着，通常使用沉积中间过渡层方式来减小膜层与衬底之间的参数失配，从而增加附着力减小膜层脱落的可能性；而对于表面材质金刚石骨架结构的PDC来说，可通过同质外延方式在PDC的聚晶层上生长金刚石膜来避免脱落。
[0007]金刚石在金刚石相上的生长模式主要分为同质外延模式生长和二维成核模式生
长，该生长模式取决于沉积时反应气体中烃类物质过饱和度的大小。烃类物质过饱和度较低时为外延模式生长，新的金刚石由原有金刚石同质外延生长而成，即原有金刚石衬底的自我扩张，此时沉积的金刚石膜为柱状结构，与衬底连接紧密且附着性良好，可作为刀具表面良好的超硬涂层；而烃类物质过饱和度较高时为成核模式生长，新的金刚石在原有金刚石衬底表面产生二次成核堆积生长，此时沉积的金刚石膜为粒状结构，与衬底连接较为松散，界面处存在大量微裂隙，作为超硬涂层容易从基材表面脱落而造成保护失效，且脱落的金刚石膜碎屑容易在高速切削时对刀具产生损害。沉积时反应气体中烃类物质过饱和度的大小由衬底温度、气压、碳浓度、总气体流量等沉积条件共同调控，因此沉积条件的严格控制是决定金刚石膜涂层附着力的关键，只有金刚石膜牢固地附着在基材表面才能起到表面增强的作用，提高工件的耐磨性、延长其使用寿命并降低使用成本。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种全新的配方和工艺，通过精确地控制生长条件，在不损害PDC完整性的前提下使用CVD法在PDC的聚晶金刚石层上以外延生长的方式沉积一层无钴且致密的多晶金刚石膜，形成了具有三层结构的复合超硬材料。所述的复合超硬材料由CVD多晶金刚石薄膜、聚晶金刚石层和碳化钨
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钴硬质合金层组成，其中CVD多晶金刚石薄膜在PDC的聚晶金刚石层衬底表面由同质外延模式生长，与衬底之间具有极佳的附着力，减少了PDC的表面孔隙，可在严苛磨削工况下而不脱落失效并进一步提高其耐磨性，从而能使PDC表面得到增强。
[0009]上述的技术问题通过以下的技术方案实现：
[0010]一种在聚晶金刚石复合片表面生长金刚石膜的方法，包括以下步骤：
[0011](1)选取均匀完好的PDC，对聚晶层进行脱钴预处理，随后进行整体的超声清洗与烘干，得到经过预处理的PDC；
[0012](2)取预处理后的PDC置入CVD设备中作为衬底，在设备抽至真空后充入氢气、甲烷和乙醇气体至工作气压，开启电源以10℃/min的温度梯度升温，直至PDC的金刚石聚晶层侧面达到550℃～750℃后进行多晶金刚石膜的沉积；
[0013](3)沉积结束后以10℃/min的温度梯度缓慢降至室温，完成PDC表面金刚石膜的沉积，得到具有三层结构的复合超硬材料。
[0014]优选的，步骤(2)中所述的CVD可以但不限于使用热灯丝法、等离子增强热阴极法、微波等离子体法和微波等离子体炬法等本领域成熟的方法。
[0015]优选的，步骤(2)中所述的氢气的流量为100
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800sccm；甲烷相对于氢气的体积浓度为0.5％
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10％；乙醇相对于甲烷的体积浓度为50％
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200％。乙醇的加入是为了分解出活性含氧基团从而在相对较低的衬底温度下对大量生成的sp2相碳进行刻蚀以提高CVD金刚石膜的结晶度。
[0016]步骤(2)CVD设备中，所述的工作气压的优选压力范围为0.5kPa～10kPa，PDC聚晶层侧面温度范围为650℃～700℃，沉积时间小于24h。
[0017]步骤(3)中最终得到的复合超硬材料由CVD多晶金刚石薄膜、聚晶金刚石层和碳化钨
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钴硬质合金层组成，所述的CVD多晶金刚石薄膜以外延方式沉积在聚晶金刚石层上。
[0018]有益效果：
[0019]1、通过在PDC表面使用CVD法沉积了一层无钴且致密的多晶金刚石膜，使PDC的聚晶金刚石层表面得到增强，减少了PDC的表面孔隙并进一步提高其耐磨性。
[0020]2、通过严格控制衬底温度、沉积气压、气体配比和总进气量，使得PDC表面的金刚石以同质外延的方式在聚晶金刚石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在聚晶金刚石复合片表面生长金刚石膜的方法，包括以下步骤：(1)选取均匀完好的PDC，对聚晶层进行脱钴预处理，随后进行整体的超声清洗与烘干，得到经过预处理的PDC；(2)取预处理后的PDC置入CVD设备中作为衬底，在设备抽至真空后充入氢气、甲烷和乙醇气体至工作气压，开启电源以10℃/min的温度梯度升温，直至PDC的金刚石聚晶层侧面达到550℃～750℃后进行多晶金刚石膜的沉积；(3)沉积结束后以10℃/min的温度梯度缓慢降至室温，完成PDC表面金刚石膜的沉积，得到具有三层结构的复合超硬材料。2.根据权利要求1所述的一种在聚晶金刚石复合片表面生长金刚石膜的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的CVD是使...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕宪义，范赛飞，邹广田，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：