一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片及其制备方法。所述聚晶金刚石复合片由下至上，由硬质合金衬底、多层结构的涟漪波状梯度层、聚晶金刚石层组成，所述涟漪波状梯度层中，聚晶金刚石的含量由下至上依次递增，硬质合金的含量由下至上依次递减；所述涟漪波状梯度层中，涟漪波状结构的振幅为0.2～0.6mm，波长为1～2mm，顶层中上下波纹间距由波峰至波谷设置(t/2～t)mm～tmm的渐变，其余各层上下波纹间距均为tmm，其中t为0.05～0.4。本发明专利技术由传统聚晶金刚石复合片的上下两层结构变为具有涟漪波状梯度层的多层结构，解决了聚晶金刚石复合片界面结合强度低和内部残余应力大的问题。应力大的问题。应力大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片及其制备方法


[0001]本专利技术属于聚晶金刚石复合片制备
，具体涉及一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片及其制备方法。

技术介绍

[0002]聚晶金刚石复合片是由金刚石层与硬质合金衬底在超高压高温条件下烧结而成，兼具有金刚石的高硬度、高耐磨等特性以及硬质合金的高强度、抗冲击韧性等特性，在石油钻井、地质钻探、工程钻探、机械加工等领域得到广泛应用。由于金刚石与硬质合金的热膨胀系数相差过大，在聚晶金刚石层(PCD层)与硬质合金衬底结合的界面处存在严重的残余应力，因此造成了聚晶金刚石层与硬质合金衬底之间的脱层等聚晶金刚石复合片失效现象。
[0003]目前增强PCD层与硬质合金衬底界面结合力的方法有两种途径。第一种是非平面连接技术，通过设计不规则的界面结构来提高界面结合力和结构抗剪切能力，常见有沟槽状，锯齿状等。第二种是增加梯度过渡层，利用梯度过渡的方式缓和两种材料的热膨胀系数差，以降低巨大的残余应力。
[0004]上述两种方法都有各自的缺陷与不足。改变界面结构虽然可以提高抗冲击性能和界面结合性能，但目前常见的不规则界面结构普遍存在局部的应力集中问题，而且无法有效降低界面处的残余应力。同样通过设置梯度过渡层可以有效降低残余应力，但常规梯度过渡层通常为平面连接式且层数较少，不仅无法有效提高界面的结合强度，而且残余应力的降低幅度有限。因此将两种方法结合起来，能大幅度降低复合片的失效风险。但目前传统制备PDC复合片的工艺方法难以制备结构复杂、梯度过渡层数较多的聚晶金刚石复合片。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题与不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片。通过设置涟漪波状梯度层，改善界面结合强度、降低复合片内部残余应力，解决了在实际使用过程中聚晶金刚石层与硬质合金衬底脱层的问题。
[0006]本专利技术的第二个目的在于提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备方法。利用熔融沉积成型(FDM)3D打印技术实现了具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片：所述聚晶金刚石复合片由下至上，由硬质合金衬底、多层结构的涟漪波状梯度层、聚晶金刚石层组成，所述涟漪波状梯度层中，聚晶金刚石的含量由下至上依次递增，硬质合金的含量由下至上依次递减；所述涟漪波状梯度层中，涟漪波状结构的振幅为0.2～0.6mm，波长为1～2mm，顶层中上下波纹间距由波峰至波谷设置(t/2～t)mm～tmm的渐变，其余各层上下波纹间距均为tmm，其中t为0.05～0.4。
[0009]本专利技术提供的聚晶金刚石复合片中间设置了截面形状为多层波纹形的涟漪波状梯度层，通过采用涟漪波状界面结构增大了界面的结合面积，此界面结构也使得聚晶金刚石复合片承受应力分布没有方向性，分散了界面应力并提升了抗冲击性能。同时与聚晶金刚石层结合的最上层梯度层的上下波纹间距随波峰至波谷渐变，改善了传统不规则界面结构常见的局部的应力集中现象。此外，多层梯度层的设置可以有效缓和由于聚晶金刚石层与硬质合金衬底之间的热胀系数差异导致的巨大残余应力，减少在实际使用过程中聚晶金刚石层与硬质合金衬底脱层的质量风险。
[0010]专利技术人发现，要使最终的聚晶金刚石复合片性能最优，需要有效控制上下波纹的间距，若任意一层上下波纹间距过大时会导致各层间应力变化过大造成复合片的强度降低，过小则会使得不规则特征不明显与传统平面结构相似，存在界面易开裂的缺陷。
[0011]优选的方案，所述硬质合金衬底以及涟漪波状梯度层中硬质合金为Co
‑
WC，其中Co的质量分数为5～25％，WC的质量分数为75～95％。
[0012]优选的方案，所述涟漪波状梯度层分为n层，所述n为3～16层。专利技术人发现，将层数控制在上述范围内，最终产品性能最优，而若层数过多会增加成本且优势提升不明显，过少则无法利用到梯度过度的优势。
[0013]优选的方案，所述涟漪波状梯度层中，聚晶金刚石在底层中的体积分数为5～15％，然后由次底层至顶层，每层增加5～30％的体积分数；聚晶金刚石在顶层中的体积分数为85～95％，硬质合金在底层中的体积分数为85～95％，然后由次底层至顶层，每层减少5～30％的体积分数。
[0014]专利技术人发现，涟漪波状梯度层中，按以上方式渐变，最终所得聚晶金刚石复合片的性能最优，而若是体积分数渐变不合理会导致无法实现材料的梯度过渡，在某一层中成分突然增加或减少，反而会使残余应力增大。
[0015]优选的方案，所述硬质合金衬底的顶面和聚晶金刚石层的底面均呈涟漪波状。
[0016]本专利技术还提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备方法，将金刚石粉末与粘结剂混练、造粒获得聚晶金刚石层粒料，按涟漪波状梯度层中各层的设计成份分别配取金刚石粉末、WC
‑
Co合金粉与粘结剂混练、造粒获得N组涟漪波状梯度层粒料，然后将聚晶金刚石层粒料经3D打印获得聚晶金刚石层生坯，以PVA(聚乙烯醇)作为支撑层材料，将PVA(聚乙烯醇)与N组涟漪波状梯度层粒料交替逐层打印获得带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯A，将带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯去除支撑结构获得涟漪波状梯度层生坯B，将涟漪波状梯度层生坯B、聚晶金刚石层生坯组装一体获得复合生坯，复合生坯经脱脂获得脱脂复合生坯、脱脂复合生坯与硬质合金衬底组装后经高温高压合成获得聚晶金刚石复合片。
[0017]优选的方案，所述金刚石粉末的粒径为0.5～100μm，所述WC
‑
Co合金粉的粒径为0.5～150μm。
[0018]优选的方案，所述聚晶金刚石层粒料、N组涟漪波状梯度层粒料中的粘结剂，按质量百分比计，组成均如下：石蜡(PW)8～35％、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)20～26％、乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物(EVA)20～26％、聚乙烯(LDPE)18～24％、环氧大豆油(ESO)3～8％、硬脂酸1～3％。
[0019]本专利技术的粘结剂，是以石蜡(PW)、环氧大豆油(ESO)作填充相、调节润湿性，添加硬
脂酸作为表面活化剂，添加聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、低密度聚乙烯(LDPE)、乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物(EVA)以调节粘结剂的强度与粘性，并通过大量的实验确认了各组分的范围，采用上述粘结剂成分，可使本专利技术中的成型粒料能够保证硬质合金和金刚石粉末分布的均匀性，减少团聚现象，保证成型的质量。专利技术人发现，粘结剂各组分含量应控制在给定范围内，否则将影响颗粒状材料的打印性能。
[0020]优选的方案，所述聚晶金刚石层粒料中，按质量比计，粘结剂：金刚石粉末＝1：2～20。
[0021]优选的方案，所述N组涟漪波状梯度层粒料中，按质量比计，粘结剂：(金刚石粉末+WC
‑
Co合金粉)＝1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片由下至上，由硬质合金衬底、多层结构的涟漪波状梯度层、聚晶金刚石层组成，所述涟漪波状梯度层中，聚晶金刚石的含量由下至上依次递增，硬质合金的含量由下至上依次递减；所述涟漪波状梯度层中，涟漪波状结构的振幅为0.2～0.6mm，波长为1～2mm，顶层中上下波纹间距由波峰至波谷设置(t/2～t)mm～tmm的渐变，其余各层上下波纹间距均为tmm，其中t为0.05～0.4。2.根据权利要求1所述的一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述硬质合金衬底以及涟漪波状梯度层中硬质合金为Co
‑
WC，其中Co的质量分数为5～25％，WC的质量分数为75～95％。3.根据权利要求1所述的一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述涟漪波状梯度层分为n层，所述n为3～16层。4.根据权利要求1所述的一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述涟漪波状梯度层中，聚晶金刚石在底层中的体积分数为5～15％，然后由次底层至顶层，每层增加5～30％的体积分数；聚晶金刚石在顶层中的体积分数为85～95％，硬质合金在底层中的体积分数为85～95％，然后由次底层至顶层，每层减少5～30％的体积分数。5.根据权利要求1所述的一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述硬质合金衬底的顶面和聚晶金刚石层的底面均呈涟漪波状。6.根据权利要求1
‑
5任意一项所述的一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：将金刚石粉末与粘结剂混练、造粒获得聚晶金刚石层粒料，按涟漪波状梯度层中各层的设计成份分别配取金刚石粉末、WC
‑
Co合金粉与粘结剂混练、造粒获得N组涟漪波状梯度层粒料，然后将聚晶金刚石层粒料经3D打印获得聚晶金刚石层生坯，以PVA作为支撑层材料，将PVA与N组涟漪波状梯度层粒料交替逐层打印获得带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯A，将带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯去除支撑结构获得涟漪波状梯度层生坯B，将涟漪波状梯度层生坯B、聚晶金刚石层生坯组装一体获得复合生坯，复合生坯经脱脂获得脱脂复合生坯、脱脂复合生坯与硬质合金衬底组装后经高温高压合成获得聚晶金刚石复合片。7.根据权利要求6所述的一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：所述金刚石粉末的粒径为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：张绍和，荣令龙，孔祥旺，赵东鹏，李锦程，高华，吴晶晶，方海江，张昊旸，
申请(专利权)人：河南四方达超硬材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：