聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

    根据pdc 制造过程中的热力学工艺条件，对平面界面及几种典型不规则界面的pdc 残余热应力作了相应的数值计算和分析比较，亦对pdc 残余热应力的分布规律做了相关研究；对梯度结构聚晶金刚石复合片与传统的双层结构金刚石-硬质合金复合片在制造过程中产生的残余热应力进行了分析，提出梯度结构的聚晶金刚石复合片有效降低了残余热应力；采用熔渗法成功制备了低残余应力的优质生长型聚晶金刚石复合片。

    影响pdc 残余热应力的因素主要有聚晶pcd 层厚度、pdc 的烧结温度、界面结构、后处理方式以及后期热处理工艺等。其中pcd 层厚度和烧结温度对残余热应力的影响尤为明显。笔者通过有限元分析，讨论了pcd 层与硬质合金层厚度比和pdc 压制过程中烧结温度的波动对pdc 残余热应力的影响。

    1.pcd 层与硬质合金层厚度比对pdc 残余热应力的影响

    通过实验得出：pdc 硬质合金层的厚度与pcd 层的厚度比对pdc 的径向应力有很大影响。亦通过研究提出：pcd 层薄的pdc 抗冲击性应该更好，但较薄的pcd 层会影响pdc 的使用寿命，pcd 层与硬质合金层厚度比值应有一个***佳值。为进一步了解pcd 层与硬质合金层厚度比对pdc 残余热应力（主要是pcd 层厚度对pdc 垂直方向的应力影响），笔者对不同pcd 层与硬质合金层厚度比值的pdc 进行了有限元分析。分析中采用的材料物理力学性能参数见表1.分析中选择常用的13 mm×8 mm 平面界面聚晶金刚石复合片，选择pcd 层厚度在0.5~2.0 mm 范围内的16 种pdc .有限元网格划分过程中，pcd 层单元格为0.2 mm× 0.2 mm, 硬质合金层靠近界面部分网格较密，远离界面部分网格相对稀疏。设定1 000 ℃为pdc 应力松弛温度[7],在这一温度以上pdc 的残余热应力可忽略不计， 室温为20 ℃。由于pdc 的轴对称性， 有限元模拟过程中仅选用右半部分进行计算。通过有限元计算，可得到pcd 层和硬质合金层的残余应力二维分布云图（包括径向应力，轴向应力以及剪切应力），以及 pcd 层表面的残余应力沿各方向的变化曲线。

运用ansys 软件，用热-结耦合法进行残余热应力分析，计算模型以及有限元网格划分pcd 层厚度为1 mm 的pdc 的残余热应力分布。

    pdc ***大应力集中分布在界面两侧临近界面处，而离界面较远的地方应力相对较小，分布相对较均匀。由于金刚石的热膨胀系数小于硬质合金，在加热后的卸压冷却过程中，pcd 层收缩比硬质合金慢，pcd 层形成压应力。当pcd 层厚度为1mm 时，pcd 层的***大径向压应力σxmax 出现在复合片界面结合处，高达1.20 gpa（多晶金刚石的抗压强度1.9~6.9 gpa） ;***大轴向拉应力σymax 位于复合片界面边缘处，达到850 mpa ,该拉应力容易产生垂直于界面的龟裂裂纹，导致pdc 层的碎裂或脱层；界面间***大剪应力同样位于界面边缘，该剪应力是导致pdc 整体断裂及pcd 层与硬质合金衬底之间脱层的主要原因，也是使用 pdc 钻头钻进过程中所遇到的***具破坏性的失效形式。