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聚晶金刚石复合片(PDC)失效分析与残余应力有限元模拟

王建刚  
【摘要】:聚晶金刚石复合片(Polycrystalline diamond compact,简称PDC)由于其极高的耐磨性、硬度与良好的抗冲击性、可焊接性,已广泛应用于油气钻探、矿石开采以及有色金属加工等领域。然而在PDC由高温冷却至室温的过程中,由于金刚石层(Polycrystalline diamond layer,简称PCD层)与硬质合金衬底之间以及金刚石微粉与Co相之间热膨胀系数的差异,某些部位产生残余拉应力,导致PCD层产生微观裂纹,造成产品不合格。故残余应力分布与大小的优化是PDC制备的关键技术之一。本文先以PDC1613为研究对象,对PCD层表面边缘处裂纹的失效原因进行探究。再以PDC1913为研究对象,采用实验与模拟相结合的方法对PCD层表面残余应力的大小与分布进行分析,并对界面结构几何参数对残余应力大小与分布的影响进行探究,提出相关优化方法。实验方面,对采用钴扩散浸渍烧结法(亦称钻扫越式催化再结晶法,简称STCR)制备的PDC样品进行界面形态、组织形貌、成分分布、物相组成以及残余应力表征与测试。结果表明:PCD层与硬质合金衬底界面结合良好;烧结体较为致密,未出现石墨化现象;PDC1613A边缘裂纹处发现Co含量较无裂纹处偏高。数值模拟方面,建立了描述聚晶金刚石复合片冷却过程温度场、应力场的数学物理模型,采用三维"热-力"物理场顺序耦合模拟的方法,经ABAQUS软件模拟了 PDC1913样品的残余应力,实验结果与模拟结果吻合较好,说明模型符合实际情况。并进一步模拟分析了 PCD层厚度H、加强筋倾斜角度Y、加强筋两侧面夹角θ、边缘台阶深度D和宽度W等对PDC残余应力的影响。结果表明:伴随着PCD层厚度H的增加,中心区域的径向压应力减小,边缘区域部分由压应力转换为拉应力,拉应力区域扩大;加强筋倾斜角度Y越小,径向应力的变化越平稳,拉应力区域略微扩大,拉应力峰值几乎没有变化;加强筋两侧面夹角θ对径向应力与环向应力的大小均影响甚微;边缘台阶深度D的增加与边缘台阶宽度W的减小,可以减小边缘最大径向拉应力的数值,缩小拉应力区域。综上所述,通过实验分析和有限元模拟表明:Co含量的局部偏高与边缘径向拉应力结合,导致PCD上表面边缘出现裂纹风险加大。生产单位根据结果分析,适当降低了 Co含量,使产品的合格率有较大提高。


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