（油气井工程专业论文）耐高温聚晶金刚石复合片的研制.pdf

a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h e d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di n s y n t h e t i c c h a m b e ri sc a l c u l a t e dt h r o u g has e r i e so ft h e o r ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n i ti sp r e s e n t e dt h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ns y n t h e t i cc h a m b e rc a n b ea d j u s t e db yu s i n gc u r r e n t - l i m i t e dr i n g s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n st h ed i f f e r e n c ei nt h et e m p e r a t u r e f i e l di sr e d u c e df r o m17 8 t o4 5 b yu s i n gc u r r e n t - l i m i t e dr i n g s a t t h es a m et i m e t h es y n t h e t i cc u r r e n ti sr e d u c e db y10 t h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni n s y n t h e t i c c h a m b e ri sa l s od i s c u s s e d b y e s t a b l i s h i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a ti t c a nm a k e t h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h es y n t h e t i cc h a m b e r h o m o g e n o u s t of i tf o rt h e s y n t h e s i z i n gr e q u i r e m e n t sb ya d d i n gi n c r e m e n t a lb l o c k s o nt h eb a s i so ft h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s ，t h e e f f e c to f s y n t h e t i c v a r i a b l e ss u c ha sh e a t i n gp r e s s u r e ，p a u s ep r e s s u r e ，p r e h e a t i n gd u r a t i o n a n d a s s e m b l y f o r ma r e s t u d i e d f i n a l l y , t h e h e a t - r e s i s t a n tp d c sa r e m a n u f a c t u r e d b yi m p r o v i n g i t s a s s e m b l yd e s i g n a n d a d j u s t i n g t h e t e c h n i c a lv a r i a b l e s a n dt h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ti th a sh i g ht h e r m a l s t a b i l i t yw h i c hc a na c h i e v e10 0 0 k e yw o r d s ：p d c t e m p e r a t u r e f i e l ds t r e s s d i s t r i b u t i o n h e a t r e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也矸i 包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：型妊。御) 年y 月 1 5 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) z 删，年r 月 i 3 日 弘彬；年，月，j 日 4 i 汕人学( 华尔) 硕十论文 】ui 第1 章前言 随着人造金刚石工业的日益发展，金刚石工具的应用越柬越。泛， 人造金刚石已经成为实现加工自动化、地质勘探及石油丌发技术现代 化和电气工业技术发展等方面所不可缺少的重要工程材料和功能材料 “3 。因此，如何提高金刚石工具的使用性能和寿命，成为目前迫切需 要解决的问题。在地质钻探工程中，特别是固体矿勘探中，金刚石钻 探工具得到了广泛应用。在市场经济条件下，金刚石工具在地质钻探、 工程勘察、石材加工、机械加工等行业的需求量日益增长。但是，由 于我国尚未找到大型天然金刚石矿床，而且人造金刚石的质量不断提 高，产量已供大于求，因此，在余刚石钻进和金刚石工具中主要使用 人造金刚石。钻探用会刚石钻头上的聚晶金刚石复合片的作用是切削 岩石，受力状况复杂，因此，对聚晶金刚石复合片的性能要求较高。 聚晶金刚石复合片的弱点是耐热性差”1 ，高温下易发生脱层而失效， 在油田钻井过程中，携带岩屑的钻井液对金刚石复合片具有冷去f j 作用， 从而掩盖了聚晶金刚石复合片耐温性能差的弱点。但地质钻探，特别 是山区的固体矿勘探，往往由于缺乏水资源，不能通过水冷却的方法 来带走钻头上金刚石复合片的切削热，而只能通过热传导和压缩空气 冷却复合片，这种冷却很不充分，使复合片在工作过程中温升较高， 大大降低了复合片的使用寿命。因此，研究耐高温聚晶金刚石复合片 具有重要的理论和实际意义。 据有关资料f 2 - 9 】显示，国内外许多科研人员对影响聚品会 9 4 石复 合片热稳定t 牛的因素以及提高其热稳定性的方法做了大量i ：作，但至 今尚未见到有己研制出一种耐高温的聚晶金刚石复合片的报道。传统 的会刚石复合片在空气中加热到7 0 0 以上性能急剧下降，到8 0 0 时 完全失效。本论文拟针对现有聚晶金刚石复合片的耐温性差这一一i 足 进行研究，研制出热稳定性达j o o o 。c 的聚晶金刚石复合片，希望研制 出的复合片经l o o o ，3 0 m in 加热后磨耗比下降小于2 0 。 t 油人学( 牛尔) 硕十论文国山外的研究现状 第2 章国内外的研究现状 自从1 9 5 4 年人工合成金刚石获得成功以来，在世界范围内，人造 金刚石经历了三个发展阶段”：( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代人造金刚石的合成， 使金刚石生产工业化成为现实；( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代金刚石聚晶的出现， 使人造会刚石进入全面代替天然金刚石制作工具的新时期；( 3 ) 2 0 世 纪8 0 年代成熟的低压气相生长金刚石薄膜( c v d ) 的成功开始了金刚 石作为功能性新材料应用的新时代。人造金刚石工具的用途很多。可 用作刀具、磨具、锯切工具、钻具、拉拔工具、修整工具和其他_ ，【= 具。 金刚石工具的使用，对切削加工业产生了革命性的影响，提高了加工 速度和生产率，延长了刀具的使用寿命，并且可获得满意的加工效果。 随着对加工质量要求的不断提高，以及对一些难加工材料的特殊要求， 人们对会刚石工具的质量和使用性能提出了更高的要求与期望。 作为金刚石工具重要性能指标之一，热稳定性( t h e r m a j s t a b i l i t y ) 的研究越来越受到各国金刚石工具生产制造者和使用者的 重视”。从生产到实际应用，金刚石均不可避免地要受到热作用，例 如，生产p d c ( p o ly e r y s t a l n ed i a m o n dc o m p a c t ) 钻头，聚晶余刚石 复合片要承受焊接加热时的高温，如果会刚石复合片的热稳定性差， 较高的焊接加热温度将会引起会刚石层损伤，从而影响钻头的使用。i 牛 能。对p d c 刀具而言，在生产过程中p d c 要承受焊接时的高温，在切 削加工过程中，切削刃要承受切削热，此时，如果复合片的热稳定性 差，刀具就会很快磨损，从而影响加工质量，降低刀具的使用寿命， 使生产效率下降，增加生产成本等。出此可见，热稳定性在很大程度 上限制了会刚石复合片的应用范围。因此，现在对聚晶金刚石复合片 性能的评定，不再局限于致密性、冲击韧性、耐磨性等，而是加入热 稳定性指标进行综合评定。 常f i i 下，金刚石是碳的亚稳态结构，温度升高时，会刚石有石器 2 j i 油人学( 华尔) 硕十论文国内外的研究现状 化的趋势。金刚石产品可分为单晶、聚品和聚晶金刚石复合片三种。 对于金刚石单晶来说，在空气中加热到6 5 0 以上，即有石墨化产生， 但在真空或保护气氛中加热，金刚石的石墨化可以推至较高的温度。 对会刚石聚晶来说，在活性气氛中其耐温可达1 0 0 0 以上。而聚晶会 刚石复合片在受热时，因中间相热膨胀系数较大，在受热时产生体积 膨胀，使复合片承受热应力。一般情况下，超过7 0 0 复合片将很快 失效。 国内外许多科研人员对影响聚晶金刚石复合片热稳定性的因素及 提高其热稳定性的方法做了大量的工作，比较有代表性的是： a 英国d e b e e r sc o 工业金刚石技术服务中心的p a b b x 与南非 d e b e e r sc o 金刚石研究试验室的g r s h a f t o 在1 9 8 4 年对加热温度及 加热时间对金刚石热稳定性的影响进行了研究。并且对s y n d il e 与 s y n d r i l l 作了热稳定性试验，测定了聚晶金刚石复合片的耐热极限。 b 英国d eb e e r s 公司和美国g e 公司近年来加大了对其金刚石 产品热稳定性能的测试”，进行了诸多方面的研究来改进金刚石工具 的热稳定性，并不断推出热稳定性更好的产品“。其中s y n d a x 3 就是 英国d eb e e r s 公司推出的耐热性较好的产品，它是以陶瓷材料b s 】( ： 作为粘结剂的，该粘结剂化学稳定性好，且其热膨胀系数与金刚石接 近。因此，在惰性气氛中，其热稳定性允诌：加热到1 2 0 0 。 从现有的资料分析，已经研究出的提高复合片的热稳定性的方法 主要有两种：一是用化学的方法去除c o 中介相。但这种方法费时费事 且不容易在较厚的材料上实现。另一种方法是选用添加剂硅，烧结后 形成s i c 中问相。这种复合片在1 2 0 0 。c 时仍不会发生石墨化。如d e b e e r s 公司的s y n d a x 。当然，在以s i c 作中间相的复合片中，金刚石 颗粒之间不是直接键合，而是通过s i c 作中介连接在一起。这种结合 方式其强度要较c o 中介复合片低3 5 左右，断裂韧性也有所降低。 聚品金刚石复合片的热稳定性主要是通过试验的方法测定，国外 测定的方法主要有三种“：( 1 ) 将聚晶会刚f i 复合片置于还原气氛 3 i f 油人学( 华东) 硕十论文国内外的研究现状 ( 9 5 h ：+ 5 n ：) 中用马i 弗炉加热到某一温度，并保温一段时j 口j ，然后测 定其失重、耐磨性、石墨化程度和抗冲击性能：( 2 ) 用差热热重分析 仪测定其初始氧化温度，以此来确定其耐热性；( 3 ) 将加热过的烧结体， 用扫描电镜作断广1 分析或进行车削试验。国内测定金刚石热稳定性的 方法有”“：( 1 ) 光学显微镜观察法，即将聚晶会刚石复合片加热到彳i 同温度并保温一定时日j ，观察其石墨化程度；( 2 ) 用x 一射线衍射分析 来测定石墨含量：( 3 ) 差热一热重法，用差热一热重曲线确定聚晶金刚 石复台片的起始氧化温度和起始石墨化温度。另外也可以通过扫描电 镜分析、磨耗比试验和抗冲击韧性试验等方法来评定聚晶会刚石复合 片的热稳定性。 4 4 i 油人学( 华尔) 硕士论文 聚晶金刚“复合片的合成理论 第3 章聚晶金刚石复合片的合成理论 为了较好地用理论指导研究过程，本文以石墨转变为金刚石的 些经典理论为研究基础。本章对用到的1 些相关理论1 进行简要的阐 述。 3 1 碳的相图 图3 1 是碳的经验相图。图 中横坐标为绝对温度，纵坐标为 压力。图中i 区是石墨稳定区， 金刚石的亚稳定区。金刚石形成 以后，也可以在这个区域所表示 的温度压力条件下存在，但不如 石墨在这样的条件下那么稳定， 故称为金刚石的亚稳区。l l 区是 金刚石稳定区和石墨的亚稳区。 在第区中只有石墨能存在。在 第v 区中只有金刚石能存在。第 区是碳的固i i i 相，比金刚石致 密1 5 2 0 ，具有金属性质。“碳 温度( k ) 图3 - 1 碳的棚图 l i l 楣”的密度较液体大，其熔融温度随着压力增大而增高。第1 i i 区是 触媒反应区，石墨在触媒的作用下，在这个区域所示的温度压力条件 下可转变成金刚石。 5 f i 油大学( 华东) 硕十论文聚晶金刚f i 复合片的合成理论 3 2 金刚石的合成条件 从碳的相图可以看出，石墨转化成金刚石，必须在高温高压下进 行。目i j ，绝大部分人造金刚石是用金刚石压机合成的。静压卜合成 金刚石，只是在创造了能保持5 1 0 万大气压的压力和l0 0 0 2 0 0 0 。c 的装置的条件下，并在金属触媒的作用下，才获得成功。 金刚石合成的温度和压力 因触媒会属的种类不同而异。 图3 2 是几种触媒金属在问接 加热时合成金刚石的温度和压 力范围。由图可以看出，v 字形 合成区的高温侧分界线与石墨 金刚石分界线的走向一致，低 温侧分界线则因触媒种类不同 而不同，它是触媒金属与石墨 原料的共晶温度。 v 字形区域的下端表示合 成金刚石所必需的最低温度和 压力条件。 3 3 金刚石成核的临界半径 一 翌 农 惘 图3 - 2 几种触媒金属在间接加热时合 成金刚石的温度和压力范围 在高温高压和触媒的作用下，由石墨变成会刚石是一个受着很多 因素影响的晶体结构转变过程。为了掌握人造金刚石晶体的生长规律 和获得晶粒尺寸大、抗压强度高的人造金刚石晶体，就必须控制晶粒 的形成数目和生长速度。 任何新相的产生，都包含两个性质完全不同的阶段，一个是品粒 的形成，一个是晶粒长大。全面分析这个问题是比较复杂的，以下h 6 z i 油大学( 华东) 硕+ 论文聚晶金刚f i 复合片的合成理论 作一些很粗略的定性分析。 晶粒的形成可能有多种途径。不管何种途径，晶粒形成后，若小 考虑应变能，系统自由能的变化可用式( 3 一1 ) 表示( 为了便于计算和讨 论，假定晶粒为球形) ： g = n ( ；一3 ) 告( 9 2 _ 9 1 ) 棚( 4 矿p ( 3 - 1 ) 式中，g ：为金刚石的摩尔自由能；g ，为石墨的摩尔自由能；p 为 晶粒密度：n 为晶粒数目：r 为晶粒半径：o 为形成金刚石后增加的表 面自由能：m 为摩尔量。 当石墨变成金刚石后，自由能降低。晶粒愈大，自由能减少得愈 多，如图3 - 3 中曲线a 所示。但同时也产生了表面能。晶粒愈大晶 粒的表面积愈大，表面能增大也愈多，如曲线b 所示。所以，石墨转 变为金刚石时，晶粒半径r 与体系自由能的总变化g 之间，有如图 3 - 3 中曲线c 所示的关系。 从图3 3 可以看出，不足所有瞬问出现的晶粒都能稳定存在和长 大，只有那些g r 。的晶粒爿有可能稳定存在并继续长大。 我们把f = r 。，a g = 0 的晶粒称为“临界晶粒”，其半径r 。称为“l 临 界半径”。 当i - = r 。，g = 0 时，出式( 3 一1 ) 可得 ：一! 丝一3 m a ( 3 2 )一而一a g o u 叫 在相边界线上g = gz g 。= 0 ， r 。非常大。由此可知，在靠近相边 界线附近的情况下合成会刚石，金 刚石的晶粒数较少，临界半径r 。比 较大，合成出的金刚石也就可能比 较大。 7 图3 - 3 晶粒半径与g 的关系 4 瑚人学( 华东) 硕士论文聚晶金刚石复合片的合成理论 3 4 金刚石的三种生长区 虽然在金刚石的触煤反应区，但温度、压力不同，合成出的金h 0 石有很大差异。如图3 4 所示，若把温度分为i 、i i 、i i l 三个区域， 分别称为高温区、中温区、低温区。由图可见，在i 区( 高温区) 及i i i 区( 低温区) ，临界晶粒 的形成率比较小，生妊 速度慢。在i l 区( 中温 区) ，临界晶粒的形成 率比较大，生长速度比 较快。因此，我们可以 将在金刚石稳定区内 金刚石晶体的实际生 长范围，粗略地分成i 区、l j 区和i i j 区”“。 在这三个区域中晶 体生成的情况分别如 下： 图3 - 4 晶粒形成率与温度压力变化的区分图 l 区( 高温区) ：该区由于靠近相分界线，g 小，r 。大，生长 速度慢，形成的晶粒少，可产生大颗粒晶粒。由于温度高，杂质易排 除，品形好，抗压强度高，可称为“优晶区”。 i i 区( 中温区) ：该区由于远离相分界线，g 大，r 。小，生长速 度快，形成的细晶粒多。由于石墨转变成金刚石太快，大石墨不易全 部转变，粗颗粒少。由于细晶粒多，容易产生连生现象，一般强度不 会高，这一区域称为“富晶区”。 川区( 低温度) ：该区由于温度低，生长速度慢，形成的晶粒少， 品粒容易长大，杂质不易排除，晶体容易夹杂杂质，抗压强度很低。 故这区域称为“劣晶区”。 8 _ i 油人学( 华尔) 颈十论文聚晶金刚于i 复台片的合成理论 根据以上的比较可以看出，要想获得晶形完整、晶粒尺i j 火、抗 压强度高的会刚石晶体，就要尽可能利用i 区( 优晶区) 的条件来合成 金刚石。因为这一区靠近相边界线，晶粒形成的速度慢临界半径f 。 也比较大，只有晶粒半径大的石墨4 有可能转变成金刚石。而晶粒小 的石墨不能转变成金刚石，生成的金刚石粒度较大。如果再延长利f a j ， 则溶解了的游离碳原子或未转化的小石墨晶片可沉淀在已形成的晶粒 上，使晶粒长大，同时晶粒与晶粒还可相互合并成大晶粒。出于这 区域的温度比较高，容易排除杂质，故生成的金刚石杂质少，比较透 明，易生成晶形完整的晶粒，强度自然较高。 3 5 粘结剂的选择 单晶金刚石颗粒较小，应用范围有限。为了扩大金刚石的应用范 围，就必须设想将小颗粒单晶制成尺寸较大的块状体使用。采用粕结 的方法将单晶制成块状聚晶是一种最常用的方法。为此，如何选择粘 结剂将是获得高质量聚晶的关键。因此，本节将从碳原子的电子结构 j ：始讨论选择粘结剂的原则。 3 5 1 金刚石晶体结构的原子杂化轨道理论 碳原子的电子层 结构是1 s 2 2 s2 2p 2 。即它 的外层电子有四个电 子，有两个是2 s 电子， 有两个是2 p 电子。2 s 层只有一个轨道，这两 个2 s 电子都在2 s 轨道 上，自旋相反。2 p 层 有三个轨道，可分别记 z 沓t 鼍l 篙 图3 - 5 碳原子最外层的电子轨道形状 9 毒 一丫 i t 油人学( 华尔) 硕十论文聚晶金刚t i 复台片的合成理论 为2 p 。，2 p ，2 p 。因此碳原予的外层有四个轨道，即2 s ，2 p 。，2 p ， 2 p 。这四个轨道的形状如图3 - 5 所示。2 s 轨道是球形对称的，2 p 轨 道有点像哑铃形状。2 p 。，2 p ，2 p ，的形状样，只是分布的方向不同， 它们分别顺着x ，y ，z 三轴的方向分布。 两个电子由于相互排斥，在2 p 层上运动时，要尽可能分配在两个 不同的p 轨道上。因此碳原子的电子层结构为l s 2 2 s 2 2 p ，1 2 p 其中只 有两个未成对的价电子2 p 。与2 p ，对外联系只能形成两个共价键。如 果把一个2 s 态电子激发到2 p 。轨道，使结构变成1 s 2 2 s 1 2 p 。1 2 p ，2 p ：。， 则就有四个未成对的价电子，与外界联系可以形成四个共价键。2 s 电 子激发到2 r 虽然要花费能量i 但这样多形成两个共价键，可以得到 更多的结合能。故在可能的情况下，2 s 电子要激发到2 p 。轨道，构成 四个价电子，可对外形成四个其价键。c 原予中的四个价电子，有一 个2 s 电子是球形对称的，另外三个2 p 电子是互相垂直的。当c 原子 与外界形成四个共价键时，它外层的四个轨道( 2 s ，2 p 。，2 p ，2 p 。) 要 相互混合，重新组成四个等同的新轨道，称为杂化轨道s p 3 。这四个杂 化轨道的方向是指向f 四面体的四个角。事实上，四个h 原子与c 原 子结合成甲烷分子c 儿时，就是沿着正四面体的角到中心的方向与c 原予形成四个共价键的，如图3 6 所示。这说明c 原子的四个s p 3 杂 化轨道，其电子云分布是集中在四面体中心与四个顶角之间，分成四 个相同的分支。这样的杂化轨道称为四面体杂化轨道，与外界联系时， 要尽可能按四面体结构来成键。由此可见，当很多c 原予按s p 3 杂化 图3 - 6s p 3 杂化轨道 o 图3 7 金刚石结构 i i 油人学( 华尔) 硕士论文聚品金刚i i 复合片的合成理论 轨道来互榍成键时，每个c 原于要与四个相邻的c 原子形成四个共价 键，因而就很自然地形成了如图3 7 所示的金刚石结构。这说明了c 原于之所以能形成金刚石结构，是与c 原子的外层电子结构和它们的 相互作用成键的状况有关。共价键是饱和健，具有很强的方向性，因 而使得金刚石具有很大的硬度”。 35 2 金刚石聚晶的粘结机理 金刚石聚晶一般采用几种粒度的金刚石混合粉，加入适量结合剂， 在高温高压下烧结而成。下面以c o 作粘结剂来加以说明。在高压高温 下，c o 以面心立方结构的形式存在，并且熔化后，在高压作用下，它 的流动性很好，要尽可能渗透到各金刚石晶粒之间，使其密排面( 1 1 1 ) 面与金刚石的密排面( 1 l1 ) 面相互挤压接触得很好。c o 密排面上的原 子间距为2 5 1 h ，金刚石密排面上的原子间距为2 5 2 h ，两者很接近。 因此它们两者接触的密排面之问有很好的结构对应关系，c 。原子与 碳原子对得很准。由于会刚石表面上的c 原子还有一个未成键的价电 子，而c o 原子的3 d 层缺电子，能吸引外来电子成键。因此，接触面 二对准的c o 原子与c 原子可以相互联结成键，产生粘结作用。这就是 c o 在高温高压作用下，能渗透到金刚石晶粒之间，产生卡占结作用的机 珲。 353 粘结剂的选择原则 在合成聚晶会刚石复合片时，会刚石原料的质量固然对其性能有 重要的影响。而金刚石晶粒间的结合状态( 即界面组织结构) ，具有更 重要的作用。试验表明，在合成聚晶金刚石复合片时，粘结剂对其性 能的影响起决定性作用，所以粘结剂的选择使用，就成为关键性问题 之一。通过选用与金刚石晶界能形成稳定性好、强度高和硬度大的碳 化物以及对金刚石浸润角小的粘结剂材料，会明显使聚晶金刚石复合 i i 油人学( 华尔) 硕十论文聚品金刚f i 复合片的合成理论 片的物理和化学等综合性质得到改善和提高i ”1 。 一般来说，粘结剂的选择应遵循下列原则15 】： ( 1 ) 结构对应原则 粘结剂密排晶面上的原子排列情况与金剐石f 1 1 1 ) 面上的原子排 列情况要有一定的对应关系，且原子间距要等于或接近于金刚石f l l l ) 面上碳原子之间的距离，即2 5 1 7a 。这就是说，要使粘结剂原子与c 原于对准或呈周期性地对准。当金刚石型结构的( 1 1 1 ) 面、面心立方结 构的( 1 1 1 ) 面以及密排六方结构的( o 0 0 1 ) 面上的原子间距等于或接近于 2 1 5 7 a ( 或1 5 2 5 1 7 h ：2 2 5 1 7 a 等) 时，都符合这条原则。若粘结剂 是面心立方结构，其晶胞常数等于或接近于金剐石的晶胞常数时，也 符合这条原则。 ( 2 ) 定向成键原则 粘结剂密排面上的原子与金刚石表面上对应的c 原子要能相互联 结成键，成健能力较强的，粘结效果就更好一些。若以铁族元素为粘 结剂，其原子的d 电子轨道中都没有完全填满电子，因而能吸收金刚 石表面上c 原子的一个价电子与它成键，d 电子轨道中缺电子较多的， 吸收电子成键的能力就可能较强。 1 2 i i 油人学( 华尔) 硕士论文聚品金剐干i 复合片合成腔内压力场的计算 第4 章聚晶金刚石复合片合成腔内压力场的计算 前而的讨论知道，压力和温度是影响聚晶金刚石复合片合成质 量的两个关键参数”。就实际而占，复合片的合成是在一定的空削进 行的，因此，仅讨论压力和温度两个具体的数值是不够的，必须讨论 合成空问内的压力场和温度场j 能与实际吻合。本章讨论聚品会刚 石复合片合成腔的压力场问题，温度场问题在下一章中讨论。根据金 刚石的合成理论，合成金刚石必须在金剐石生长区。为了使复合片整 个界面都在金刚石生长区，则温度场与压力场必须有良好的匹配。 般而言，要求合成区的压力要高于一个下限值，并且温度高的地方要 求压力高，温度低的地方压力低。对于合成腔内的压力状况，一般都 是通过经验判断。一般认为，由于传压介质的摩擦作用，在合成腔内 存在着压力降，它与介质的内摩擦系数和离顶锤顶面的距离成正比。 因此，合成腔内的压力分布是不均匀的，外部高，中间低，从外部到 中心存在着压力梯度。实际上，合成腔中的压力分布是很复杂的，必 须通过理论计算进行定量分析，才能制定出合理的工艺规范，本章拟 通过数值模拟的方法，了解合成腔中压力分布的情况，并通过调整材 料的组装方式，改变合成腔中压力的分布，使其趋于合理，以此提高 聚晶金刚石复合片的质量。 奉章咀巾1 8 的腔体( 叶蜡石的外形尺寸为3 2 5 3 2 5 3 2 5 m m ) 为例，采用a n s y s 软件进行分析计算，研究出的计算方法可推广到其 它尺寸的腔体。 4 i 油人学( 华东) 硕士论文聚品金刚4 i 曼台”台成腔内限力场的计算 4 1 创建有限元模型 41 1 建立几何模型 由于会刚石复合片的合成腔体是对称的，为计算方便，取合成块 的i 4 建立几何模型，模型结构如图4 一l 所不。 在试验中发现，在 紧邻金刚石层处放置 不同材料对金刚石层 处的压力场分布影响 较大。因此，在计算研 究中需调整紧邻金刚 石层处材料的性能。为 调整模型结构的方便， 减少重复建立几何模 型的工作量，在模型合 成腔中金刚石层附近 部分按l m m 厚度划分 图4 一l计算合成腔压力场的模型 出4 个小层；这样在需 要调整模型结构时只需对材料属性重新定义，而不用进行建立模型、 划分网格等重复性工作，减小了工作量。 41 2 划分网格 为提高模拟计算精度，使模拟结果更接近实际情况，应对模型网 格进行细划。但考虑到减小计算量，以及时计算机配置的要求，应减 少网格划分。综合考虑以上情况，实行刈合成腔内部进行网格细划， 列合成腔外部适当粗划的方法。网格划分结果如图42 所示。 1 4 石油人学( 华东) 硕士论文聚晶金刚石复合片合成腔内压力场的计算 4 1 3 定义材料属性 图4 - 2 模型网格图 由于缺乏材料物性随温度变化的数据，在计算过程中不考虑温度 对材料性质的影响，如能获得材料物性随温度变化的数据，也可把温 度特性考虑进去。因此，使用各种材料在常温下的属性进行计算。 4 2 施加边界条件并求解 由于取合成块的1 4 建立模型，因此对两剖面选择对称加载，加 载的大小取试验过程中实际施加的载荷。在试验条件下( 以t i 为粘结 剂) ，当系统压力为5 9 3 m p a ( 单缸推力为5 9 3 吨) 时，能合成出聚晶 金刚石复合片，因此，将金刚石压机的单缸推力定为5 9 3 吨。 在单缸推力为5 9 3 吨的条件下，改变紧邻金刚石层的材料l 、2 、 3 、4 ( 图4 一1 ) 的属性，考察金刚石层处压力的变化情况。 ( 1 ) 当材料l 、2 、3 、4 均定义为石墨时，会刚石层( 2 m m 厚) 处 1 5 石油大学( 华东) 硕士论文聚晶金刚石复合片合成腔内压力场的汁算 的压力分布情况见图4 3 ，最高压力在中心为6 5 6 0 m p a ，最低压力在边 缘，为2 5 9 0 m p a ，分布规律是中心处压力高，四周压力低，压力沿径 向减小，在轴向方向，与复合片硬质合金结合处压力高，靠材料处的 压力低。 般而言，合成金刚石复合片压力要求在5 5 0 0 m p a 以上，计算出 的金刚石层的边缘处压力为2 5 9 0 m p a ，与要求相差较大，致使浚处金 刚石石墨反倾向大。事实上，在这种状态下合成出的金刚石复合片边 缘处磨耗比低。为此，改变材料1 、2 、3 、4 的属性，观察金刚石层边 缘处的压力变化。 图4 3 未加增压块时金刚石层处的压力场分布 ( 2 ) 当材料4 定义为硬质合金，材料1 、2 、3 定义为石墨时，计 算结果见图4 4 ，中心部分压力变化不大，边缘处由2 8 9 0 m p a 上升到 2 9 0 0 m p a 。 1 6 石油大学( 华东) 硕士论文 聚晶金刚右复合片合成腔内压力场的计算 图4 4 增压块厚度为l m 时金刚石层处的压力场分布 ( 3 ) 当材料3 、4 定义为硬质合金，材料l 、2 定义为石墨时，计 算结果见图4 5 ，中心处变化不大，边缘处压力升至3 3 2 0 m p a 。 图4 - 5 增压块厚度为2 n 时金刚石层处的压力场分布 1 7 右油大学( 华东) 硕十论文聚晶金刚石复合片合成腔内压力场的计算 ( 4 ) 当材料2 、3 、4 定义为硬质合金，材料l 定义为石墨时，边 缘处压力升至3 9 2 0 m p a ，见图4 6 。 圈4 - 6 增压块厚度为3 r a m 时金剐石层处的压力场分布 ( 5 ) 当材料1 、2 、3 、4 均定义为硬质合金时，中心处为6 5 4 0 m p a ， 边缘处升至5 8 7 0 m p a ，见图4 7 。 圈4 7 增压块厚度为4 u 时金刚石层处的压力场分布 1 8 4 i 汕人学( 华东) 硕士论文聚晶金刚4 i 复合片合成腔内压力场的计算 4 3 结果分析 由以上分析可以看出，金刚石层边缘处的压力随紧邻金刚石层处 的材质不同而不同。把紧邻金刚石层的材料l 4 中某一种定义为强度 较高的硬质合金，金刚石层边缘处的压力增加，硬质合金起到一个增 压作用，我们把它叫做增压块。在未加增压块时，金刚石层中心处的 压强达到6 5 6 0 i 1 p a ，满足聚晶金刚石复合片合成的需要；但是四周压 强太小，仅为2 5 9 0 m p a 左右，小于5 5 0 0 m p a 不能满足聚晶金刚石复合 片合成的需要。 随着增压块厚度的增加，金网0 石层中心处的压强变化很小，但是 外围压强由2 9 0 0 m p a 逐渐增加到5 8 7 0 m p a ，从计算结果来看，只有当 增压块厚度为4 m m 时，金刚石层中心处和外围压强才能满足金刚石复 合片的合成要求( 即压强大于5 5 0 0 m p a ) ，而且其最大压强为6 5 4 0 m p a ， 最小压强为5 8 7 0 m p a ，压力梯度比较小，有利于合成出高磨耗比和高 抗冲击性的聚晶金刚石复合片。 4 4 小结 本章利用a n s y s 软件计算聚品金刚石复合片合成腔压力场，计算 结果表明： ( 1 )传统理论对合成腔压力场的分布规律的定性分析不准确。传 统理论认为，合成腔的压力分布为四周高，中问低。计算结果为中心 高，四周低。 ( 2 ) 利用增压块可以改变合成区的压力场分布，在给定试验条件 不增加外载的情况下，可使合成区边缘的压力由2 5 9 0 m p a 增加到 5 8 7 0 m p a ，不仅使边缘区的压力达到合成要求，还使压力分布趋丁均匀。 9 4 i 油人学( 华东) 硕十论文聚品会刚i i 复合片合成腔内温度场的计算 第5 章聚晶金刚石复合片合成腔内温度场的计算 与压力场样，合成区的温度分布是否合理也直接关系到复合片 的质量，本章用差分法计算了合成腔内的温度场。在计算过程中，遇 到了确定电流密度分布的问题。在试验条件下，合成腔内的导电直径 定为1 8 毫米，电流密度如果按均匀分布考虑，则计算上比较容易，但 计算结果与实际偏差较大。本章设计了一个离散物理模型，运用基尔 霍夫定律建立了一个大型方程组，计算出了合成腔内的电流密度分布。 通过计算，发现传统的复合片组装方式在金刚石合成区的温度场分布 不理想，使合成时施加电流的范围窄，工艺不稳。为此，本章在计算 机上进行模拟试验，改变组装方式，利用限流结构调整温度场，解决 了施加电流范围窄的问题。根据计算机计算结果，进行复合片合成试 验，得到了预期效果。 5 1 合成腔中电流密度分布的计算 在合成聚晶金刚石复合片时，合成腔是由多个组装件组装而成的， 它们的导电性能相差很大，对电流密度的分布影响很大。合成腔的热 源来源于合成腔组装件的电阻热，电流密度是计算温度场的关键数据， 如果把电流看成是均匀流过合成腔将会使电阻热热源数值产生很大的 误差，从而使计算出的温度场与实际情况严重不符。为了减小误差， 需计算出合成腔电流密度的实际分布状况。 5 1 1 电阻网络模型的建立 本文以巾1 8 腔体合成l3 0 8 的复合片为例建立模型进行研究，研 究结果对其它尺寸的腔体同样适用。图5 一l ( a ) 是常规合成腔示意图， 图5 一l ( b ) 是加限流圈的合成腔示意图。 2 0 f i 油人学( 华东) 顶十论文聚品金刚_ i 复台片合成腔内温度场的计算 叶蜡石环 钢圈 叶蜡石 石墨片 硬质合会 合成材料 增压块 石墨杯 叶蜡石块 ( a )( b ) 图5 一l 聚晶金刚石复合片台成腔示意图 叶蜡石环 钢圈 叶蜡石 限流圈 石墨片 硬质合金 合成材料 增压块 石墨杯 叶蜡石块 在合成时，电流先流过合成腔体两端的钢圈，在钢圈中的电流可 近似认为均匀流过。合成腔的直径为巾18 m m ，除钢圈部分外合成腔的 高度为2 0 m m ，此巾1 8 2 0 圆柱体部分是由几种导电性能不同的材料组 成的。将中间巾18 2 0 圆柱部分沿纵向以l m m 的等间距z ( 也可以 采用不等问距) 划分成2 0 个等厚的圆片，再将每个圆片沿半径以1 m m 的等间距r ( 也可以采用不等问距) 划分成9 个等宽的圆环，这样就 得到9 2 0 个l m m 厚、l m m 宽的圆环。把每一个圆环都看成是一个独 立的小电阻，并假定在特定的圆环中电流密度处处相等。由于合成腔 中的组装件都是轴对称的，假定圆环中电流密度沿坏向相等在理论上 不会产生误差。圆坏的宽度为l f i l m ，在划分圆环时已注意到使每一个币 独的圆环都是由同一种材料组成，这样假定圆环中电流密度沿径向相 等产生的误差较小，结果表明进步降低圆环的宽度对计算结果影响 不大。因此，本文将合成腔离散成由】8 0 个电阻通过串并的方式组成 的电阻网络模型。该1 8 0 个电阻以9 列、2 0 行的排列方式组成一个阵 列，在沿轴向方向上，电阻之自j 以串联的方式连接。在沿径向方向e ， 若无径向电流，径向相邻的两电阻之间不需连接。实际上电流在合成 腔中有径向电流存在，径向流动的电流将受到个横向电阻的作片j 。 t i 油大：学( 华东) 硕十论文聚晶金刚4 i 复合片合成腔内温度场的计算 就径向两相邻电阻而言，流经这两个电阻问的径向电流受到的电阻值 应为径向电流流经的实际区域的计算值。为方便起见，将每一个电阻 r 与径向连接产生的电阻离散成4 个径向电阻：叭眠，、r 1 、 贮如图5 2 ( 8 ) 所示。4 个径向电阻的阻值通过对电流实际流经区 域进行计算求得。对图5 2 ( a ) 进行简化司演变为图5 2 ( b ) 所示的电阻 网络模型。由此得到计算电流密度分布的全部电阻网络模型( 图5 3 ) ， 图5 3 中的i 。是合成电流。 图5 - 2电阻阵列模型演变图 ( b ) 在图5 - 2 中： r 2 p i , j 鼎2 pl 南( j = 1 ，2 2 0 皆1 ，2 9 ) ( 5 _ 1 ) 雕i 地i j2p i , j 毒 z ， r i j2r 4 2 p 礤a z 2 ( 5 - ， 2 2 _ i 油人学( 华尔) 硕十论文聚晶金刚i i 复合片台成腔内渝度场的计算 = j 一 r 矗。j + r 3 ，1 ，j + l 1 r i ，j + r ：j + 1 i一j1一 l ， 电流由钢圈流入合成腔体 电流由钢嗣流出合成腔体 图5 3 电阻阵列及电流流向图 5 1 2 计算电阻网络中的电流值 利用电阻网络及电流流向图( 图5 3 ) ，借助于基尔霍夫第一定律 即流入节点的电流之和必等于从该点流出的电流之和，可以得到： 2 3 f i 油人学( 华尔) 硕士论文聚品金刚t i 复合片合成腔内温度场的计算 ，。，+ ，j ，一，一，i ，l = 0 ( i 2 i ，2 2 1 ；j 2 1 ，2 9 )( 5 5 ) 根据基尔霍夫第二定律，即沿电路任一回路绕行一周，回路中各 电位升之和必等于各电位降之和，可以得出： ，i ，月i ，+ ，u r 叫一，+ 1 月w + 1 0 i ，月j ，+ = 0 ( 滓1 ，2 2 0 ：j = 1 ，2 8 ) ( 5 6 ) 将j 、j 的值代入( 5 5 ) 式和( 5 6 ) 式方程可得出方程个数等于未知 数个数的一个方程组： 亿一，= 0 h 。+ 0 2 一1 2 = 0 ；i ：1 ：；：2 z ，2 r ：一i ，一，：r ：，：cs一，i,2r 0 1 1 + u 一1 2 一e i = ”。 i f , 2 月i 2 + 1 1 , 2 r 一1 1 , 3 r 一e 2 r ；。2 = 0 ，知8 r 知8 + 1 2 0 , 8 r 2 0 ，8 1 2 0 , 9 r 2 0 ，9 一e i g 尺；1 8 = 0 求解方程组( 57 ) 即可得出流过各电阻的电流值，从而也得到了合 成腔中的电流密度分布。 5 2 合成腔中温度场的计算 5 2 1 建立热传导数学模型 合成复合片的组装件全部装在外形为难方形、中间为一圆柱通孔 的叶蜡石块中，影响复合片质量的主要是叶蜡石中间圆柱孔中的温度 场。因此，采用拄坐标建立热传导微分方程。根据复合片的合成工艺 特点，合成腔中的温度场为非稳态轴对称温度场。在合成腔中的材料 有叶蜡石、石墨、硬质合金、钢等，这些材料可根据其是否导电分成 导电材料和绝缘材料。在导电材料中，采用有内源热传导方程，在绝 石油大学( 华东) 硕士论文聚晶金刚石复合片合成腔内温度场的计算 缘材料中，采用无内热源热传导方程。另外，假定材料的物性是常量， 不随温度上升而变化。因此，可以建立合成腔中热传导数学模型。设 合成腔是上下加热，则沿合成腔中心向上方向为柱坐标的z 轴，水平 方向为柱坐标的r 轴，对于常物性有内热源的材料，如石墨、硬质合 金、钢等，其热传导方程为“”： a2 t1a ta2 t q 10 t 矿+ 7 石+ 矿+ i 2i 百( 5 - 8 ) 令( 5 - 8 ) 式中的q = o 可得常物性无内热源材料中的热传导方程 为： a 2 tla 了1a 2 rla r r 矿+ 7 i + 可2 i 百 5 9 式中：q 一一内热源的热流密度， w m ：； t 一一温度，； t 一加热时间， s ； p 一一材料密度，蚝，m 3 ； a 一一导温系数， 2 s 初始条件： 当t = 0 时，t t = 0 | - x o( t 。为室温)( 5 - 1 0 ) 边界条件： ( 1 ) 设，= 0 时，合成腔中心处为绝热边界条件，即第二类边界 条件： 到：o( 5 ) 西i ，= o ( 2 )设除r = 0 外的三个边界为恒温边界，即第一类边界条r ： 界= ( 5 1 2 ) i i 油人学( 华东) 硕士论文聚品金刚干i 复合片合成腔内温度场的训算 式( 5 - 8 ) ( 5 一1 2 ) 即为所求的合成腔热传导方程。 52 2 建立差分方程 本文用差分法计算聚晶金刚石复合片合成腔的温度场，具体方法 是用差商来代替微商，用二二阶中心差商代替温度对空间坐标的二阶微 商，用一阶向前差商代替温度对时问的一阶微商。差分网格的划分间 隔( 节点位置) 与建立电阻网络模型采用的间隔( 节点位置) 相同，可直 接将电流密度计算结果代入差分方程中的热源项进行计算。节点编号 按如图5 - 4 所示编排，可得出显式差分方程“。 等 。= 寄 ( 乳= 譬 强譬。+ t l 江) 2 ( i i + 1 ) ( i - 1 i )r i ；、( i + 1 i ) ( i i 1 ) 0 t 。 r 图5 - 4 差分节点编号图 ( 51 4 ) ( 51 6 ) 将式( 5 一l3 ) 至( 5 一】6 ) 代入式( 5 8 ) 得常物性有内热源的差分方社! 旦 学 、l 王 塑髟翔，l， f i 油火学( 华尔) 硕t 论文聚品金刚打复合片合成腔内温度场的训算 z ：i ? 一2 f 7