（机械制造及其自动化专业论文）梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究.pdf

j ， -、 一 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：i 雠 日期： 。；年，月，夕日 一 ， 八 j - ， 分类号 u d c 博士学位论文 密级 编号 墓座用基歪出丛窒 贾志宏贝，兹 申请学位级别王堂墟专业名称扭越剑造厦墓自动焦 论文提交日期2 q q 鱼生! ! 且论文答辩日期2 q q 厶笙! 三日 学位授予单位和日期江蕴太堂生且 答辩委员会主席 评阅人 2 0 0 6 年坟月 c l a s s i f i e di n d e x - u d c ： p h d d i s s e r t a t i o n s t u d i e so np e r f o r m a n c ea n dm a n u f a c t u r eo fg r a d i e n t p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c ta n di t sa p p l i c a t i o nf u n d a m e n t b y - j i az h i h o n g m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o w a n gg u i c h e n g j i a n g s uu n i v e r s i t y n o v e m b e r , 2 0 0 6 摘要 摘要 梯度聚晶金刚石复合片( p d c ) 是由聚晶金刚石层、硬质合金层 及过渡层构成的一种新型超硬复合材料。它具有极高的硬度、耐磨性 和较高的强度，作为新兴工具( 刀具) 材料，在石油地质钻探和难加 工材料切削加工等领域有广阔的工程应用前景。 本研究主要致力于梯度聚晶金刚石复合片的理论设计、制备工 艺、性能分析及其应用基础研究，取得的主要成果及创新点为： ( 1 ) 提出了梯度聚晶金刚石复合片的设计新方法。建立出梯度 p d c 多层结构的几何模型和各层之间成分分布的指数模型，通过热应 力模拟计算与分析，以界面应力最小化原则确定出四层结构下的最优 化组分分布。 ( 2 ) 首次利用粉末层铺法成功开发出梯度聚晶金刚石复合片。 利用粉末层铺法制备出梯度p d c ，其聚晶金刚石层呈d - d 连接，过渡 层中呈金刚石一钴- w c 相的结合方式为主，其连接机制是由于重溶一析 出阶段的细金刚石相的析出及粗金刚石颗粒间的应力梯度作用，将钴 液膜挤出晶间而导致金刚石相的直接连接。并发现了过渡层l 在溶解一 析出阶段主要是析出碳化钨相，它是通过d c o w c - c o d 微观结构实 现金刚石相与硬质合金相的连接；而过渡层2 在溶解一析出阶段，w c 含量的提高也使其不能完全溶解于钴液中，最终金刚石颗粒间的形态 是部分原始w c + c o 颗粒与再结晶析出的小w c + c o 颗粒共存的组织。 ( 3 ) 深入研究了梯度p d c 的耐热性和磨损性能，给出了梯度复 合片磨损寿命预测公式。利用激冷法、热分析法系统研究了梯度p d c 的热稳定性和抗氧化性能( 或抗石墨化能力) 。通过磨耗比的测定， 研究了组装方式、加热保温等因素对磨耗比的影响，发现了用n a c i 传压衬管工艺能提高梯度p d c 工具的磨耗比；在相同的保温时间下， 江苏大学博士学位论文：梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究 聚晶金刚石复合片磨耗比随保温温度的升高而下降，但加热保温温度 在7 0 0 以内，对磨耗比影响不大；进而建立出基于体积磨损量的梯 度复合片的磨损寿命预测公式。 ( 4 ) 在抗冲击韧性方面，梯度化连接复合片的性能优于非梯度化 连接复合片。利用落锤法测定的结果表明，梯度化连接复合片的抗冲击 性有明显提高。这是因为采用梯度层的过渡连接，使得工件在受力时， 由于不同层间弹性模量的差异变小，界面处变形量相应减少，降低了内 部应力的大小。通过断口形貌特征分析表明，梯度p d c 中聚晶层以穿晶 解理断裂为主要特点，且细金刚石颗粒的断裂强度较高，能起到阻止裂 纹扩展，提高材料强度作用；过渡层1 中也以穿晶解理断裂为主，金刚 石颗粒间的金属粘结相的塑性变形机制是阻止裂纹扩展的主要原因；过 渡层2 则表现为穿晶及沿晶两种断裂形式。并运用维氏压痕法原理，通 过压痕裂纹大小测定获得梯度复合片的各层的断裂韧性值。 ( 5 ) 以石油地质钻探用钻头轮齿为应用背景，开展了梯度p d c 应用基础研究。在对钻头轮齿制造过程中的相关钎焊工艺等进行了深 入分析的基础上，结合钻头及p d c 钻齿的工作环境，给出了相关的几 何特征参数。同时，对p d c 钻齿的几何参数及受力特征等进行了深入 的探讨，为进一步优化梯度p d c 钻齿的切削用量、提高钻进效率和加 工质量提供了依据。 本论文是江苏省自然科学基金项目( 编号：b k 2 0 0 2 0 0 8 ) 的重要 组成部分，其主要成果已经通过江苏省科学技术厅鉴定( 苏科鉴字 2 0 0 5 第11 3 4 号) 。本研究工作进一步发展和丰富了梯度p d c 的设计 与制备理论，为进一步提高梯度p d c 的性能，拓宽其应用领域奠定坚 实的基础。 关键词：聚晶金刚石；复合片；梯度材料设计；制备工艺；性能；几 何参数 i i 一 a b s t r a c t a b s t r a c t g r a d i e n tp o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ( p d c ) ，w h i c hw a s c o n s i s t e do f p o l y c r y s t a l l i n el a y e r , h a r da l l o yl a y e ra n dt r a n s i t i o nl a y e r s ， w i t he x t r e m eh a r d n e s sa n dw e a r - r e s i s t a n c ea n dh i g hs t r e n g t h ，w a san e w k i n do fs u p e r - h a r dc o m p o s i t e s g r a d i e n tp d ch a dab r o a da p p l i c a t i o n f u t u r ei n d r i l l i n g o fo i la n dm i n i n gp r o d u c t i o na n dm a c h i n i n go f d i f f i c u l t t o m a c h i n em a t e r i a l sa san e wt o o lm a t e r i a l t h i sp a p e rw a se n g a g e di nt h e o r yd e s i g n ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , p e r f o r m a n c e t e s ta n di t s a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t f o l l o w i n gm a j o r i n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sa n dc o n t r i b u t i o nw e r em a d e ( 1 ) an e w d e s i g nm e t h o do fg r a d i e n tp d c w a s e s t a b l i s h e d f i r s t l y , g e o m e t r ym o d e lo fm u l t i l a y e r s s t r u c t u r ea n de x p o n e n t i a lm o d e lo f c o m p o n e n t sw e r em a d e t h e n ，u n d e rm i n i m u mi n t e r f a c e s t r e s sr u l e ， c o m p o n e n t s d i s t r i b u t i o no ff o u r - l a y e r ss t r u c t u r ew a s o p t i m i z e db y c a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gi n t e r f a c et h e r m a ls t r e s s ( 2 ) g r a d i e n tp o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tw a sm a n u f a c t u r e d w i t hp o w d e rm e t h o d ( p m ) a tf i r s t d i a m o n d d i a m o n dl i n km o d e lw a s o b s e r v e di np o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dl a y e ro fs a m p l e sm a n u f a c t u r e db y p ma n dd i a m o n d c o b a l t w cb o n d i n gw a so b s e r v e di nt r a n s i t i o nl a y e r s ， b e c a u s es m a l ld i a m o n dp h a s ew a ss e p a r a t e da td i s s o l v e s e p a r a t i o ns t a g e a n dp r i m i t i v eb i gd i a m o n dp a r t i c l e sm e td i r e c t l yd u et oc o b a l tl i q u i df i l m e x t r u d e df r o mi n t e r - g r a i nb yi t ss t r e s sg r a d i e n t f u r t h e r m o r e ，w cw a s m a j o rs e p a r a t i o np h a s ei nf i r s tt r a n s i t i o nl a y e r , a n dd i a m o n dw a sb o n d e d w i t hh a r da l l o yb yd i a m o n d - - c o - w c - - c o - d i a m o n dm o d e l ；a n dp r i m i t i v e w c + c op a r t i c l e sa n ds e p a r a t i o ns m a l lw c + c op h a s ew e r el o c a t e d t o g e t h e rb e t w e e nd i a m o n dp h a s e ( 3 ) h e a ta n dw e a r - r e s i s t a n c eo fg r a d i e n tp d cw e r es t u d i e df i r s t l y , i i i 江苏大学博士学位论文：梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究 a n dp r e d i c t i o nf o r m u l ao fg r a d i e n tp d c w a sd e r i v a t e h e a t r e s i s t a n c ea n d o x i d a t i o n r e s i s t a n c e ( g r a p h i t i z a t i o n r e s i s t a n c e ) w e r es t u d i e db yq u e n c h i n g ， t gd s cm e t h o d e f f e c to fa s s e m b l ya n dt e m p e r a t u r eo nw e a r - r e s i s t a n c e w a ss t u d i e db ym e a s u r e m e n to f a b r a s i v er a t i o t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a t a b r a s i v er a t i ow a si m p r o v e de v i d e n t l yb yu s eo fn a c ls u b s t r a t ep i p ea n d a b r a s i v er a t i ow a sd e c l i n e db yh o l d i n gt i m ei n c r e a s e d ( 4 ) b e t t e rp e r f o r m a n c eo ft o u g h n e s s r e s i s t a n c eo fg r a d i e n tp d c w a sc o n f i r m e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t so fd r o ph a m m e rm e t h o ds h o w e d t h a tt o u g h n e s so fg r a d i e n tp d ci n c r e a s e do b v i o u s l yt h a nn o n g r a d i e n t s a m p l e b e c a u s e i n t e m a ls t r e s sd e c r e a s e db yd i f f e r e n c eo fe l a s t i c m o d u l u sb e t w e e nd i f f e r e n tl a y e r s r e d u c i n g f a t i g u em i c r o g r a p h o f s a m p l e si n d i c a t e dt h a tt r a n s g r a i n u l a rc l e a v a g ef r a c t u r ew a sm a j o rf e a t u r e i np o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dl a y e ra n df i r s tt r a n s i t i o nl a y e r , b e c a u s es m a l l d i a m o n di n h i b i t e dc r a c ke x p a n s i o nd u et oi t sh i g h e rs t r e n g t h i n p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dl a y e ra n dm e t a lb o n d i n gp h a s ep l a y e dt h es a m e r o l ei nf i r s tt r a n s i t i o nl a y e r i n t e r g r a i n u l a ra n dt r a n s g r a i n u l a rf r a c t u r e w e r ea l s oo b s e r v e di ns e c o n dt r a n s i t i o nl a y e r m o r e o v e r , f r a c t u r ed u c t i l e w a sc a l c u l a t e db yv i c k e r sm e t h o d ( 5 ) f u n d a m e n tr e s e a r c ho nt h r e er o l l e rb i t so fg r a d i e n tp d cw a s s t u d i e df i r s t l y b a s e do nb r a z i n gt e c h n o l o g ya n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ， m a j o rg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fg r a d i e n tr o l l e rb i tw e r ed e t e r m i n e d t h e n s t r e s sa n a l y s i sw a ss t u d i e df o ro p t i m i z i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o je c to f j i a n g s up r o v i n c e ( n o ：b k 2 0 0 2 0 0 8 ) i t s r e s u l t sw e r ei d e n t i f i c a t i o nb y j i a n g s ua g e n c yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( n o ： 2 0 0 5 113 4 ) k e yw o r d s ：p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ；c o m p a c t ；g r a d i e n tm a t e r i a ld e s i g n ； m a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ；p e r f o r m a n c e ；g e o m e t r i cp a r a m e t e r i v 目录 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 目录 绪论1 研究背景1 梯度材料3 聚晶金刚石复合片6 1 3 1主要特点6 1 3 2 研究进展7 本研究的主要内容及意义1 0 本章小节1 l 梯度p d c 的设计。1 3 聚晶金刚石复合片热应力分析1 3 2 1 1理论分析1 3 2 1 2 平面连接复合片的热应力模拟计算1 5 2 1 3 非平面连接的复合片的热应力分析1 7 梯度聚晶金刚石复合片的设计1 8 2 2 1几何模型18 2 2 2 物性参数的确定1 9 2 2 3 梯度化复合片材料层数的确定1 9 2 2 4 梯度聚晶金刚石复合片过渡层成分的确定2 0 本章小节2 2 梯度p d c 制各工艺及微观组织2 3 制备方法及原理概述2 3 3 1 1生长聚晶2 3 3 1 2 烧结聚晶2 3 3 1 3 结合2 4 制备工艺2 5 3 2 1 烧结设备2 5 3 2 2 成分2 5 3 2 3 组装工艺2 6 v 江苏大学博士学位论文：梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究 3 4 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 第六章 3 2 4 烧结工艺_ 一2 8 3 2 5 试样修整2 9 梯度聚晶金刚石复合片的组织分析。2 9 3 3 1成分分析2 9 3 3 2 硬度3 2 3 3 3 梯度聚晶金刚石复合片组织的微观分析3 3 本章小节3 5 梯度p d c 的烧结机理3 7 钴元素与金刚石的作用机理o 。3 7 4 1 1晶格对应3 7 4 1 2 定向成键3 7 4 1 3 钴熔体对金刚石的润湿性：3 7 聚晶金刚石层的烧结：3 8 4 2 1 颗粒重排阶段3 9 4 2 2 溶解析出阶段4 0 4 2 3 固相烧结阶段4 3 过渡层及基体层的烧结4 4 本章小节4 7 梯度p d c 的耐热性4 9 耐热性的评价4 9 5 1 1 耐热性的含义4 9 5 1 2 耐热性的常用测定方法5 0 5 1 3 耐热性的评价指标5 1 激冷法5 2 热分析法5 2 5 3 1 不同加热速度的影响5 3 5 3 2 金刚石微粉与聚晶金刚石热稳定性的比较5 5 5 3 3 不同气氛环境对热稳定性能的影响5 5 加热温度对磨耗比的影响5 6 本章小节5 8 梯度p d c 的断裂特性5 9 v i 目录 6 1 梯度p d c 的断口形貌5 9 6 1 1 试样制备方法5 9 6 1 2 断口形貌分析5 9 6 2 冲击韧性测试结果与分析6 l 6 2 1 冲击测试方法6 1 6 2 2 冲击韧性测试一6 2 6 3 梯度p d c 断裂强度和韧性的理论计算6 3 6 3 1断裂强度6 3 6 3 2 断裂韧性6 4 6 4 本章小节6 6 第七章梯度p d c 的磨损特性6 7 7 1 耐磨性评价6 7 7 1 1 耐磨性评价方法6 7 7 1 2 磨耗比测定6 8 7 2 体积磨损量6 9 7 2 1 体积磨损量的定义6 9 7 2 1p d c 钻头轮齿的磨损7 0 7 - 3 梯度p d c 复合片的磨损机理7 1 7 3 1 梯度p d c 的切削磨损及失效机理7 1 7 3 2 研磨磨损7 3 7 4 本章小节7 6 第八章梯度p d c 钻头轮齿及应用。7 7 8 1 梯度p d c 的工具的制造7 8 8 1 1 基体材料的选择及槽形设计7 8 8 1 2 梯度p d c 的钎焊工艺8 0 8 2 梯度p d c 钻齿的几何参数8 1 8 2 1 切削理论中的相关基本概念8 2 8 2 2 钻头轮齿工作时的参考平面8 2 8 2 3 钻头轮齿的安装参数8 3 8 2 4 钻头轮齿几何角度的定义及计算8 3 8 3 钻进过程的基本规律8 4 v i i 江苏大学博士学位论文：梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究 8 3 1钻压( p ，) 8 4 8 3 2 切削速度( v ) 8 4 8 3 3切削面积8 4 8 3 4 岩石破碎体积8 6 8 3 5 切削力8 6 8 4 本章小节8 8 第九章研究总结与展望8 9 9 1 本研究主要结论及创新成果8 9 9 2 发展展望9 l 参考文献：9 3 致谢9 9 攻读博士期间发表的论文及成果1 0 0 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】阐述了聚晶金刚石复合片应用的工程背景及功能梯度工程材料的 发展概况。重点讨论了聚晶金刚石复合片研究与开发中存在的主要问题及其发展 趋势。最后，介绍了本论文主要研究内容及其意义。 1 1 研究背景 随着制造科学与技术的迅速发展，各种新型材料、功能材料和复合材料不断 涌现，其应用领域不断扩大，所产生经济和社会效益也显著增加。聚晶金刚石复 合片( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ，p d c ) 是由聚晶金刚石层( p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d ，p c d ) 与硬质合金层构成的超硬复合材料。它作为一种重要的工具材 料不仅具有极高的硬度和耐磨性，而且又具有_ 定的强度，广泛应用于难加工材 料的切削加工、石油地质钻头等诸多领域【1 3 1 。 从2 0 世纪8 0 年代初p d c 钻头投入实际应用以来，随着钻头设计及材料本身 的改进，越来越多地应用于石油及天然气的开采中。例如，在英美等国的海上油 田钻进中，有一半以上的都采用p d c 钻头。在采矿领域，p d c 材料也是必不可少 的，特别适用于多应用于软至中等研磨性的岩层( 通常是与煤炭和钾盐开采有关 的岩层) 地区。随着热稳定聚晶金刚石钻头的发展，使得该材料也能适应在硬地 层中的钻进。图1 1 表明了该材料作为钻头材料在石油及采矿钻探中的优越性【4 】。 二二二二= 钻进成本低 图卜1p d c 钻头的优越性 l 江苏大学博士学位论文：梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究 另外，p d c 刀具在加工一些耐磨、热传导性差的非金属材料及各种有色合金， 特别是含有硬质点相的有色合金材料，以及在陶瓷或纤维增强金属基复合材料等 性能优良的新型复合材料应用的逐渐推广，显示出了它具有提高刀具寿命、改善 尺寸精度、降低表面粗糙度等优势。可应用于汽车、航空等工业中的铝及铝合金、 铜及铜合金、硬质合金及其它有色合金，木材、增强塑料、橡胶、陶瓷等非金属 材料的加工中( 图卜2 ) 。表卜l 列出了世界主要p d c 刀片的供应牌号。 木材加 业 航空航天 工业 汽车工业 图卜2p d c 刀具的主要应用领域5 1 表卜1 世界上主要p d c 刀片的供应牌号及平均粒径们 公司名称国别牌号 平均粒径岬 c o m p a x l 6 0 0 5 c o m p a x l 3 0 0 1 0 g e 公司美国 c o m p a x l 5 0 0 2 5 c o m p a x l 7 0 0 4 0 s y n d i t e 2 d e b e e r s英国 s y n d i t e 1 0 s y n d i t e 2 5 d a 2 0 0o 5 d a l 5 05 住友电工日本 d a l 0 02 0 d a 9 05 0 t d c - 雕 ； o 3 t d c - s m 8 东名日本 t d c 一删1 2 t d c - e m5 0 k p d 0 0 22 京瓷电子日本k p d 0 1 0 1 0 k p d 0 2 52 5 m e g a p a x l 0 0 2 m e g a p a x 3 0 0 8 m e g a d i a m o n d 美国 m e g a p a x 5 0 0 2 0 m e g a p a x 7 0 0 4 5 2 第一章绪论 在加工过程中，普通的刀具( 如金属刀具、硬质合金刀片) 都有相当的局限， 而基于p d c 材料的切削工具就具有很好的适应性，例如在a l s i 颗粒增强的金属 基复合材料、纤维增强塑料等材料的加工。图卜3 列出了硬质合金刀具及p d c 刀 具在切削纤维增强材料时的磨损情况对比图。 i 1 1 0 5 磨 损 量 、 暑 i 0 1 0 0 5 01 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 0 切削深度，m 图卜3p d c 和碳化钨硬质合金工具切削纤维增强材料时的磨损情况 1 目前，p d c 工具材料的发展趋势是向高性能及大尺寸两个方向发展。一方 面，p d c 复合片刀坯的供货最大尺寸国外已经达到7 4 r a m ，可以满足大型刀具 和木工铣刀对大块刀坯材料的要求。另一方面，则利用粘结剂、粒度、分层等各 种技术来获得高耐磨、高寿命、高抗冲击性能、高导热性等，以适应不同的加工 需求。 1 2梯度材料 功能梯度材料( f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l s 简称f g m s ) ，又称梯度 材料，是通过两种或两种以上性质不同的材料连续改变其组成、组织和结构等要 素，使其内部界面消失，得到性能呈现连续平稳变化的新型非均质复合材料阻1 。 功能梯度材料区别于传统复合材料的是其组织、性能是非均一的，它有明显的梯 度变化。这就使功能梯度材料不同组分的性能有可能独立地发挥出来，以提高其 使用性能及适应环境的能力。 梯度构造这一概念最早是由m b b e v e r 等人于2 0 世纪7 0 年代提出。但具体 江苏大学博士学位论文：梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究 对功能梯度材料的设计合成研究是从1 9 8 5 年日本为开发航天飞机用的超高温热 屏蔽材料开始的。在近十年来，功能梯度材料的研究受到了各国从事材料研究人 员的重视，开展了大量的工作 训。 目前，f g m s 已从热屏蔽材料拓宽到材料学科的各个领域，生物材料、电子 材料、光学材料、化工材料及结构材料等。其主要应用领域及特点为： ( 1 ) 主要应用于航天工业、核能源等领域的耐热功能梯度材料，以金属一 陶瓷组合为主； ( 2 ) 在材料表面要求极好的生物相容性、耐磨性、耐蚀性来避免或减弱不 良排异反应，而材料内部则需要极好的强度和韧性的生物功能梯度材料。以生物 陶瓷一生物金属梯度体系为主，即从材料表面生物相容性和生物活性好的生物陶 瓷( 包括磷灰石和生物活性玻璃) 渐变到材料内部强度韧性好的金属( 包括钛合 金、钛、不锈钢以及钴铬合金等) ； ( 3 ) 主要用于化学工业中的高性能分离膜和催化剂以及耐腐蚀的反应容器 的化工功能梯度材料； ( 4 ) 应用于压电材料、异质结半导体材料、高温超导材料等领域的电子工 程功能梯度材料； ( 5 ) 在梯度折射率光导纤维、无机键合玻璃材料等方面应用的光学工程功 能梯度材料。 目前，有关梯度材料的制备工艺也是种类繁多，从其以制取过程中原料的状 态可分液相工艺、气相工艺、固相工艺；以制取过程的温度分高温工艺、低温工 艺；以制备材料的尺度分，有低维材料( 薄膜或涂层) 工艺和块状材料工艺；以 制备块状材料中由所得材料的组织构成，可以分为准连续梯度和连续梯度分布工 艺。 制备梯度化薄膜或涂层的工艺有气相沉积( 包括物理气相沉积和化学气相沉 积) 、电镀、等离子喷涂( p s ) 、自蔓延高温合成( s h s ) 、激光熔覆( l p ) 及电泳 沉积( e p d ) 等方法。 块状材料的梯度制备中主要有层状干粉成型、注浆成型、离心法及沉降法等 工艺，前两种能得到准连续梯度材料，后两种工艺则可以获得连续梯度分布的材 料。 4 r ， 第一章绪论 层状干粉成型是将不同比例的混合粉末分别压制成形，再将这些有梯度变化 的预制层用干压( 或热压、等静压等) 成型，进行烧结。山东工业大学赵军等n 们 人用该方法实现了a l 。0 。- t i c 梯度刀具。在此基础上开发的颗粒排布法，用计算 机控制不同的粉末的混合比，采用喷雾法进行排铺，使成分渐变性更好，而且可 以做到成分梯度沿厚度和宽度两维的变化，可适合大规模生产，但受限于产品的 形状及特殊的设备n 。 注浆成型( s l i d i n gc a s t i n g ) 可以将不同成分比的混合浆料依次注入，也 可得到准连续梯度分布的素坯。用该方法成功制取的有a 1 ：0 。- z r o ：、z r o 。一n i 等梯 度材料n 刳。但该成型工艺的最大不足是素坯干燥过程的尺寸收缩，对此a j r u y s 等n 3 1 提出了触变成型以减小收缩，制备了h a p 3 1 6 不锈钢f g m 并对工艺参数进行 讨论。 离心工艺利用两组分的密度差，在离心力的作用下，使其生成连续梯度分布 的组织。主要有两方面的应用：一是对熔融的金属或熔融的金属和陶瓷颗粒，采 用离心铸造法生成梯度材料；一是粉末冶金法中对粉料采用离心成型，然后进行 烧结。该工艺对组分间的密度差较敏感，一般要求两组分间密度有差别但此差别 有必须小，这就限制了离心法的应用范围。哈尔滨工业大学张宝生等n 明研究了用 离心铸造法制备的a i - f e 、a 1 - t i 等金属间化合物功能梯度材料和内生强化的 a i “n i - a i 功能梯度材料，华中理工大学杨光照等n 5 1 利用离心铸造法生成的a 1 - f e 功能梯度材料。 沉降法( s d i m e n t a t i o nf o r m i n g ) 利用在两组分或多组分悬浮液系统中，每 一组分的实际密度的差异及它们颗粒的大小造成沉降速度的快慢，形成连续梯度 分布的材料。该方法要求不同组分之间的密度要有显著的差别，理论上能制备任 意大小、任意厚度的梯度层。对确定的粉末，可通过调节粉末的粒度及粒度分布 和沉降介质的粘度、密度及沉降距离来控制梯度层的形成。如在有机悬浮液中沉 降形成连续的a l 。0 。n i a i 梯度材料n 引，黄继华等口7 1 用共沉降法制备成功 s u s 3l6 3 y p s z 功能梯度材料。 在梯度工具材料方面，目前主要的领域是梯度陶瓷刀具材料及梯度硬质合金 工具材料。对于梯度结构硬质合金工具的发展，最引人注目的是瑞典山特维克 ( s a n d v i k ) 公司率先采用低成本的缺碳硬质合金渗碳技术开发出中心区域富钴的 江苏大学博士学位论文：梯度聚晶金刚石复合片的性能、制备及其应用基础研究 d p ( d u a lp r o p e r t y ) 合金n 引，d p 合金技术主要包括两个方面，首先制得含均匀细 小且体积分数可控的脱碳相的w c + 入+ r l 三相合金，然后对此合金进行渗碳处理， 并对合金内各梯度层的厚度进行有效控制。它的实质是在制取含有均匀分布的缺 碳i l 相硬质合金的基础上，通过渗碳处理来改变合金中粘结相的分布，赋予合 金不同部位以不同的性能。经渗碳处理后制品表层的相被消除，c o 向中心部位 迁移，使表层c o 含量偏低而心部仍有相存在且c o 含量高。这种钴含量梯度分布 的硬质合金表层硬度高，耐磨性好，心部具有良好的冲击韧性，合金的耐磨性和 韧性得到了很好的协调，使用效果较传统制品有显著提高。其它的诸如 z a c k r i s s o n n 钔等对硬质合金表面利用氮化处理技术，使c o 的含量沿深度形成梯 度化变化，来提高硬质合金刀片的耐磨性和耐用度。t o s h i o 脚1 等，先将t i c n ， w c ，c o ，n i 粉末混合球磨2 4h ，9 8m p a 压力下将球磨粉料压制成1 0m m x1 0m m x 5 m m 试块，在1 4 0 0 下进行真空烧结，再在氮气中保温1 h 后，在合适的速度下冷 却，制成具有c o 含量梯度分布的梯度结构硬质合金。f r y k h o l m 瞳k2 2 1 等在脱氮气 氛下，用梯度烧结的方法制备w c - t i ( c ，n ) 一c o 硬质合金材料。 1 3聚晶金刚石复合片 1 3 1主要特点 目前，在聚晶金刚石产品的生产中，一是以形成强碳化物的元素( 如硅、钛 等) 为添加剂，目前国内生产的p d c 产品绝大多数属于此类；另一类是以合成金 刚石用的触媒金属( 如镍、钴、铁等) 为添加剂，以美国g e 公司的c o m p a x 产品 和d eb e e r s 公司的s y n d i t e 产品为代表。就结构看，前一类中金刚石晶粒主要 通过中间粘结剂及其碳化物间接地联结( 即d m d 型) ，后者使金刚石颗粒间实 现直接结合( d - d 型) 。就耐磨性等性能而言，d - d 型联结的聚晶金刚石要优于 d m - d 型。 一般地，在使用中聚晶金刚石层作为工作层，硬质合金层主要起支撑及与基 体连接作用。但在高温高压烧结过程中，由于聚晶金刚石层与硬质合金基体的热 膨胀系数相差太大，造成了严重的残余应力【9 3 】，在该类工具使用中可造成金刚石 层的剥落，导致失效。另外由于两者弹性模量的不匹配，在钻进或切削时在外力 作用下，易形成微裂纹，也导致失效。为提高该类产品的抗冲击性，改善两相界 6 广 产 第一章绪论 面的结合，对目前p d c 材料的优化与改进是必需的，对提高材料的性能，更好 地推广其应用都有十分积极的意义。 对d d 结合型聚晶金刚石晶界结构及其生长机制的研究报道还不多，文献3 1 提出了存在两种不同的界面结构及及晶界生长模式：其一是再结晶金刚石搭接生 长模式，金刚石晶体不断地从钴一碳熔体析出长大，最终使其生长面与相邻原始 金刚石表面相遇从而搭接生长在一起；其二是原始金刚石接触面沉积生长模式， 在钴液扩散在金刚石晶体周围时，在相邻两金刚石的接触面处形成类似于单晶金 刚石生长膜，使得表层晶体以二维形式生长并形成聚晶境界。这还需对不同工艺 条件下的p d c 材料中金刚石的直接聚合界面进行深入的分析，以便进行深入理论 探讨。同时不同金属粘结剂在高温高压( h i g hp r e s sh i g ht e m p e r a t u r e ，h p h t ) 烧结条件下作用的方式和机制，及其对p d c 材料性能( 如磨损特性) 的影响等还 需从理论上进一步阐明。 ： 1 3 2 研究进展 (