一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片及其制备方法

本发明属于聚晶金刚石复合片制备，具体涉及一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片及其制备方法。

背景技术：

1、聚晶金刚石复合片是由金刚石层与硬质合金衬底在超高压高温条件下烧结而成，兼具有金刚石的高硬度、高耐磨等特性以及硬质合金的高强度、抗冲击韧性等特性，在石油钻井、地质钻探、工程钻探、机械加工等领域得到广泛应用。由于金刚石与硬质合金的热膨胀系数相差过大，在聚晶金刚石层(pcd层)与硬质合金衬底结合的界面处存在严重的残余应力，因此造成了聚晶金刚石层与硬质合金衬底之间的脱层等聚晶金刚石复合片失效现象。

2、目前增强pcd层与硬质合金衬底界面结合力的方法有两种途径。第一种是非平面连接技术，通过设计不规则的界面结构来提高界面结合力和结构抗剪切能力，常见有沟槽状，锯齿状等。第二种是增加梯度过渡层，利用梯度过渡的方式缓和两种材料的热膨胀系数差，以降低巨大的残余应力。

3、上述两种方法都有各自的缺陷与不足。改变界面结构虽然可以提高抗冲击性能和界面结合性能，但目前常见的不规则界面结构普遍存在局部的应力集中问题，而且无法有效降低界面处的残余应力。同样通过设置梯度过渡层可以有效降低残余应力，但常规梯度过渡层通常为平面连接式且层数较少，不仅无法有效提高界面的结合强度，而且残余应力的降低幅度有限。因此将两种方法结合起来，能大幅度降低复合片的失效风险。但目前传统制备pdc复合片的工艺方法难以制备结构复杂、梯度过渡层数较多的聚晶金刚石复合片。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题与不足，本发明的第一个目的在于提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片。通过设置涟漪波状梯度层，改善界面结合强度、降低复合片内部残余应力，解决了在实际使用过程中聚晶金刚石层与硬质合金衬底脱层的问题。

2、本发明的第二个目的在于提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备方法。利用熔融沉积成型(fdm)3d打印技术实现了具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、本发明提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片：所述聚晶金刚石复合片由下至上，由硬质合金衬底、多层结构的涟漪波状梯度层、聚晶金刚石层组成，所述涟漪波状梯度层中，聚晶金刚石的含量由下至上依次递增，硬质合金的含量由下至上依次递减；所述涟漪波状梯度层中，涟漪波状结构的振幅为0.2～0.6mm，波长为1～2mm，顶层中上下波纹间距由波峰至波谷设置(t/2～t)mm～tmm的渐变，其余各层上下波纹间距均为tmm，其中t为0.05～0.4。

5、本发明提供的聚晶金刚石复合片中间设置了截面形状为多层波纹形的涟漪波状梯度层，通过采用涟漪波状界面结构增大了界面的结合面积，此界面结构也使得聚晶金刚石复合片承受应力分布没有方向性，分散了界面应力并提升了抗冲击性能。同时与聚晶金刚石层结合的最上层梯度层的上下波纹间距随波峰至波谷渐变，改善了传统不规则界面结构常见的局部的应力集中现象。此外，多层梯度层的设置可以有效缓和由于聚晶金刚石层与硬质合金衬底之间的热胀系数差异导致的巨大残余应力，减少在实际使用过程中聚晶金刚石层与硬质合金衬底脱层的质量风险。

6、发明人发现，要使最终的聚晶金刚石复合片性能最优，需要有效控制上下波纹的间距，若任意一层上下波纹间距过大时会导致各层间应力变化过大造成复合片的强度降低，过小则会使得不规则特征不明显与传统平面结构相似，存在界面易开裂的缺陷。

7、优选的方案，所述硬质合金衬底以及涟漪波状梯度层中硬质合金为co-wc，其中co的质量分数为5～25％，wc的质量分数为75～95％。

8、优选的方案，所述涟漪波状梯度层分为n层，所述n为3～16层。发明人发现，将层数控制在上述范围内，最终产品性能最优，而若层数过多会增加成本且优势提升不明显，过少则无法利用到梯度过度的优势。

9、优选的方案，所述涟漪波状梯度层中，聚晶金刚石在底层中的体积分数为5～15％，然后由次底层至顶层，每层增加5～30％的体积分数；聚晶金刚石在顶层中的体积分数为85～95％，硬质合金在底层中的体积分数为85～95％，然后由次底层至顶层，每层减少5～30％的体积分数。

10、发明人发现，涟漪波状梯度层中，按以上方式渐变，最终所得聚晶金刚石复合片的性能最优，而若是体积分数渐变不合理会导致无法实现材料的梯度过渡，在某一层中成分突然增加或减少，反而会使残余应力增大。

11、优选的方案，所述硬质合金衬底的顶面和聚晶金刚石层的底面均呈涟漪波状。

12、本发明还提供一种具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备方法，将金刚石粉末与粘结剂混练、造粒获得聚晶金刚石层粒料，按涟漪波状梯度层中各层的设计成份分别配取金刚石粉末、wc-co合金粉与粘结剂混练、造粒获得n组涟漪波状梯度层粒料，然后将聚晶金刚石层粒料经3d打印获得聚晶金刚石层生坯，以pva(聚乙烯醇)作为支撑层材料，将pva(聚乙烯醇)与n组涟漪波状梯度层粒料交替逐层打印获得带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯a，将带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯去除支撑结构获得涟漪波状梯度层生坯b，将涟漪波状梯度层生坯b、聚晶金刚石层生坯组装一体获得复合生坯，复合生坯经脱脂获得脱脂复合生坯、脱脂复合生坯与硬质合金衬底组装后经高温高压合成获得聚晶金刚石复合片。

13、优选的方案，所述金刚石粉末的粒径为0.5～100μm，所述wc-co合金粉的粒径为0.5～150μm。

14、优选的方案，所述聚晶金刚石层粒料、n组涟漪波状梯度层粒料中的粘结剂，按质量百分比计，组成均如下：石蜡(pw)8～35％、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)20～26％、乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)20～26％、聚乙烯(ldpe)18～24％、环氧大豆油(eso)3～8％、硬脂酸1～3％。

15、本发明的粘结剂，是以石蜡(pw)、环氧大豆油(eso)作填充相、调节润湿性，添加硬脂酸作为表面活化剂，添加聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、低密度聚乙烯(ldpe)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)以调节粘结剂的强度与粘性，并通过大量的实验确认了各组分的范围，采用上述粘结剂成分，可使本发明中的成型粒料能够保证硬质合金和金刚石粉末分布的均匀性，减少团聚现象，保证成型的质量。发明人发现，粘结剂各组分含量应控制在给定范围内，否则将影响颗粒状材料的打印性能。

16、优选的方案，所述聚晶金刚石层粒料中，按质量比计，粘结剂：金刚石粉末＝1：2～20。

17、优选的方案，所述n组涟漪波状梯度层粒料中，按质量比计，粘结剂：(金刚石粉末+wc-co合金粉)＝1：2～20。

18、优选的方案，将金刚石粉末与粘结剂于150℃～350℃混练60～120min、造粒获得聚晶金刚石层粒料。

19、发明人发现，先制得聚晶金刚石层粒料，然后再采用进行熔融沉积打印成型是至关重要的，若是制成丝材料，由于丝材料中粘结剂含量高于颗粒料，在成型生坯的脱脂过程中会由于粘结剂含量高导致产品的涟漪波状结构破坏，而浆料直写更是无法成型。

20、优选的方案，按涟漪波状梯度层中各层的设计成份分别配取金刚石粉末、wc-co合金粉与粘结剂于150℃～350℃混练60～120min、造粒获得n组涟漪波状梯度层粒料。

21、在本发明的实际操作过程中，于密炼机中进行混炼，获得密炼喂料送入造粒机中造粒。通过造粒获得聚晶金刚石层粒料、n组涟漪波状梯度层粒料后，于在计算机中分别建立涟漪波状梯度层、用于支撑涟漪波状梯度层的支撑层、聚晶金刚石层的模型，将模型导入切片软件中进行装配及切片设置、打印参数设置，设置完成后将文件导入粒料fdm打印机中；然后以pva(聚乙烯醇)作为支撑层材料，将pva(聚乙烯醇)、n组涟漪波状梯度层粒料、聚晶金刚石层粒料分别置于双挤出双喷嘴粒料fdm打印机的进料系统中，将pva(聚乙烯醇)与n组涟漪波状梯度层粒料交替逐层打印获得带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯a，聚晶金刚石层粒料打印获得聚晶金刚石层生坯。

22、优选的方案，将聚晶金刚石层粒料经3d打印获得聚晶金刚石层生坯的过程中，所用喷嘴直径为0.2～4mm，层高为0.05～2mm，挤出速率为2～200mm/s，挤出流量为100～180％。

23、优选的方案，将pva(聚乙烯醇)与n组涟漪波状梯度层粒料交替逐层打印获得带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯a的过程中，pva打印时，所用喷嘴直径为0.4～0.8mm，层高为0.2～0.4mm，挤出速率为100～200mm/s，挤出流量为120～180％，n组涟漪波状梯度层粒料打印时，所用喷嘴直径为0.2～4mm，层高为0.05～2mm，挤出速率为2～200mm/s，挤出流量为100～180％。

24、优选的方案，将带有支撑结构的涟漪波状梯度层生坯置于在75～90℃通过水浴去除支撑结构获得涟漪波状梯度层生坯b。

25、优选的方案，所述脱脂在氢气气氛下进行，脱脂时的氢气流量为3～5l/min，脱脂时的升温程序为：先以5～10℃/min的升温速率由室温升温至100～150℃，保温75～100min；然后以2～6℃/min的升温速率升温至350～400℃，保温45～60min；再以1～5℃/min的升温速率升温至500～550℃，保温90～120min。

26、在本发明的热脱脂过程中，基于粘结剂不同组元热解温度范围的差异，采用梯度升温的模式进行分步脱脂，能够有效保证生坯的完整性以及生坯中粘结剂的排除效果，避免产生脱脂缺陷。

27、优选的方案，所述高温高压合成的压力为2～8.5gpa，高温高压合成的温度为1200～1850℃，高温高压合成的时间为300～1000s。

28、有益效果

29、本发明提供了一种涟漪波状梯度结构聚晶金刚石复合片。该聚晶金刚石复合片通过采用涟漪波状界面结构增大了界面的结合面积，此界面结构也使得聚晶金刚石复合片承受应力分布没有方向性，分散了界面应力并提升了抗冲击性能。同时与聚晶金刚石层结合的最上层梯度层的上下波纹间距随波峰至波谷渐变，改善了传统不规则界面结构常见的局部的应力集中现象。此外，多层梯度层的设置可以有效缓和由于聚晶金刚石层与硬质合金衬底之间的热胀系数差异导致的巨大残余应力，减少在实际使用过程中聚晶金刚石层与硬质合金衬底脱层的质量风险。

30、本发明采用fdm熔融沉积成型3d打印技术，打破了传统工艺制备复杂界面及多层梯度层结构聚晶金刚石复合片的局限性，实现了具有涟漪波状梯度层的聚晶金刚石复合片的制备。采用多台颗粒fdm打印机分别打印不同结构层生坯，对不同生坯质量检查合格后，进行组装和脱脂烧结，实现流水线生产和质量精准把控，大大提高了聚晶金刚石复合片的生产效率与产品合格率。