金刚石-WC-Co复合材料的高温高压合成及性能研究

【摘要】：金刚石复合片被广泛应用于石油和天然气钻探等领域。由于聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金衬底的热膨胀系数相差较多,界面处产生的残余应力使金刚石复合片工具在工作中出现PCD层与硬质合金层脱层或者复合片整体断裂现象,从而影响工具寿命,降低生产效率。为了延长金刚石复合片工具的寿命,一种由过渡层与金刚石复合片结合的梯度材料成为当前研究热点。因此本实验以金刚石、WC、Co为初始原料,利用高温高压法可以降低材料烧结温度,缩短保温时间,抑制晶粒长大,避免金刚石石墨化等优点,通过改变钴的含量制备力学性能优异的纯WC块和金刚石-WC-Co复合材料。实验结果表明:(1)在5.5 GPa、1300℃、保温300s条件下得到的纯WC块体材料的硬度最高为30.7 GPa。X射线衍射分析结果表明,合成的无粘结相WC块体的特征峰与初始粉末的各峰一致,没有其他杂峰出现。根据扫描电镜图,1300℃条件下所得到的样品的晶粒大小及晶粒分布均匀,晶粒尺寸较小,晶界较多,所以硬度最大。(2)在压力5.5 GPa、温度1100～1500℃条件下成功制备得到了致密的金刚石-WC-Co复合块体。通过X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜和维氏硬度计对掺杂比例不同的烧结样品进行性能表征,分析发现,制备得到的样品的最优实验条件均为1250℃、保温2 min。其中制备的金刚石-90wt%WC-5wt%Co复合块硬度最高为23.6 GPa,相对密度达96%。金刚石-90wt%WC-5wt%Co复合块体的最高硬度比大多数牌号商用硬质合金高。同时,金刚石颗粒在金刚石-硬质合金复合材料中起到了增韧作用。与传统烧结方法相比,在钴含量小于等于5wt%时,高温高压法不用对金刚石表面涂层就可以避免其发生石墨化,也可以降低烧结温度,促进烧结致密化,提高材料的力学性能。研究结果为制备金刚石层与硬质合金层的过渡层提供了数据,为改善矿产资源深部采矿困难的局面提供了解决方法。