MPCVD多晶金刚石片的研磨均匀性分析

在游离磨料研磨过程中,研磨的驱动方式及工艺参数等直接影响加工后工件的平面度和表面粗糙度。为了探究基于旋摆式驱动的游离磨料研磨工艺参数对MPCVD多晶金刚石片平整化的影响,建立旋摆式驱动平面研磨过程中的单磨粒运动学模型,根据实际研磨过程采用多磨粒随机分布模型进行计算机仿真计算,引入多磨粒轨迹的均匀性离散系数对磨粒轨迹均匀性进行分析。结果表明:当转速比取值等于0.5时,磨粒轨迹离散系数最大;当转速比小于等于0.5时,离散系数与转速比为正相关;研磨盘摆动弧线的弦长大于金刚石片直径时,磨粒相对于整个金刚石片表面的运动轨迹分布较为均匀;计算机仿真计算得到了研磨最优参数,并通过2英寸MPCVD多晶金刚石片研磨试验验证了仿真结果的有效性。研磨后金刚石片表面PV值为2.4μm,表面粗糙度Ra达到139 nm,材料去除率dMRR为10.1μm/h。

安全高效钻探用梯度结构金刚石复合片制备技术研究

在油气钻井、深部地层钻探中,聚晶金刚石钻头有着广泛的应用。聚晶金刚石复合片(PDC)由聚晶金刚石层与硬质合金基体所组成。由于聚晶金刚石层与硬质合金基体的热膨胀系数等性质差异,PDC在烧结冷却后内部会存在巨大的残余应力。为降低PDC内部的残余应力,本文提出了一种梯度结构金刚石复合片的制备技术。通过以熔融沉积成型加烧结的工艺方法,确定了梯度结构金刚石复合片的制备技术路线;对制备出的梯度结构金刚石复合片的微观形貌及残余应力的分布情况特征等进行分析;进行室内钻进试验验证了梯度结构金刚石复合片的钻进性能。结果表明,熔丝制造工艺制备的梯度结构金刚石复合片在聚晶金刚石层和梯度层界面处存在1.4 GPa的压应力,显著提高了层间结合能力,相比常规复合片钻进效率提升约36%且使用寿命更长。

添加二硼化铪提高聚晶金刚石复合片耐热性能的研究

聚晶金刚石复合片(PDC)被广泛应用于地质钻头及油气井钻头,改进耐热性对于提高其工作性能非常重要。本研究旨在探究添加二硼化铪(HfB_(2))对聚晶金刚石复合片耐热性能的影响,并通过X射线衍射和扫描电子显微镜对高温高压制备的PDC进行了物相和微观结构分析。研究结果表明,随着HfB_(2)添加量的增加,HfC相的比例逐渐增加。对PDC的热膨胀测试表明,添加0.1 wt.%HfB_(2)的PDC样品,其耐热性显著提高;但超过0.1 wt.%的添加量不会进一步增强其耐热性,而是减小了总体热膨胀值。因此,HfB_(2)的最优加量为0.1 wt.%。

钜鑫新材取得金刚石复合片夹具及金刚石复合片平面磨削装置套装专利

金融界2024年8月20日消息,天眼查知识产权信息显示,广东钜鑫新材料科技股份有限公司取得一项名为“金刚石复合片夹具及金刚石复合片平面磨削装置套装“,授权公告号CN202323314118.5,申请日期为2023年12月。

大尺寸低损耗金刚石窗片制备及微波窗口封接

为满足长脉冲大功率回旋管研制需求,采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法合成大尺寸低损耗金刚石厚膜窗片;通过表面金属化和钎焊工艺进行微波窗口的封接。采用法布里-玻罗(Fabry-Perot)开放激励腔、激光导热仪、三维轮廓仪、激光干涉仪等对金刚石窗片介电损耗、热导率、表面平坦度、粗糙度等性能参数进行了表征;采用氦质谱检漏仪、高功率长脉冲微波测试平台测试了窗口气密性和微波吸收特性。实验结果表明,抛光厚度1.36 mm的金刚石窗片具有高尺寸精度,热导率达到17.9~18.7 W·cm^(-1)·K^(-1);波导窗片介电损耗tanδ=1.76×10^(-4),回旋管窗片tanδ=2.6×10^(-4)。计算结果表明,在1 MW微波输入功率下波导窗损耗功率约2.34 kW,窗片中心热应力在安全数值内,相同损耗功率条件下回旋管窗口可承受至少680 kW的输出功率。

仿生耦合聚晶金刚石复合片钻头

基于仿生耦合理论设计了仿生耦合聚晶金刚石复合片(PDC),通过摩擦磨损实验研究其性能,制备出仿生耦合PDC钻头并将其用于现场试验。以自然界生物(竹子、人类牙齿、贝壳、树木年轮、蝼蛄等)为仿生原型,从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石-硬质合金交接面结构及聚晶金刚石表面非光滑形态3方面入手设计仿生耦合PDC,并开展室内摩擦磨损实验。结果表明:与同尺寸的常规PDC相比,仿生耦合PDC磨耗比提高约18.4%,磨损砂轮速度提高约1.67倍,耐磨性和切削效率都显著提高。现场钻井试验中,根据地层情况和井身结构设计制备了仿生耦合PDC钻头,并与邻井同层常规PDC钻头进行了对比。结果表明:仿生耦合PDC钻头的机械钻速约为常规PDC钻头的2.5倍,可大幅缩短钻井周期、节约钻井成本,经济效益显著。

纤维状聚晶金刚石复合片刀具的切削性能及刀具磨损机理

设计并制备一种纤维状聚晶金刚石复合片(Polycrystalline diamond compacts,PDC)刀具,制备的PDC刀具具有同时参与切削的刀刃多、刀刃间隔距离和切削角度可人为控制、刃口锋利平直等特点。开展了新型PDC刀具与金刚石砂轮在相同条件下加工WC/12Co涂层的对比试验。结果表明,制备的PDC刀具能获得与金刚石砂轮磨削相媲美的加工质量,实现WC/12Co涂层硬脆材料的精密加工;同时其具有良好的容屑空间,断续切削的结构特点使其更容易散热,因此,切削加工过程中又可以适当地提高切削参数实现材料的高效加工。PDC刀具在长时间的加工过程中,由于受到频繁的冲击作用,在PDC刀具的后刀面出现了小凹坑和轻微的磨粒磨损,随着切削的进行,在切刃处出现局部崩刃现象,须对其刃磨。

聚晶金刚石复合片电火花线切割加工电极丝损耗研究

采用电火花线切割方法对聚晶金刚石复合片(PDC)进行了线切割加工实验,利用带能谱分析的扫描电子显微镜(SEM)观察了电极丝表面的显微形貌。从微观角度研究了PDC超硬材料电火花线切割加工的电极丝损耗机理,探讨了电参数和冲液条件等因素对电极丝损耗的影响。实验研究发现,采用贴附式高压喷液方式在高电压、小脉宽、大峰值电流的加工条件下,PDC切割效率为19.35mm^2/min,电极丝损耗为1.5~2μm(10~4 mm^2切割量),较常压喷液方式切割效率提高51.6%,丝损降低15.2%。

聚晶金刚石复合片的电火花线切割精密加工试验

为了提高聚晶金刚石(PCD)刀具的生产效率,改进加工表面质量并减少刃磨余量,利用慢走丝电火花线切割机床(WEDM)对PCD复合片进行了加工工艺试验。对PCD复合片进行了5次切割,并分别测量了每次加工后的表面粗糙度、富钴界面层凹槽深度及宽度和PCD层刃口加工质量。试验结果表明:PCD复合片经慢走丝线切割多次加工,能够得到较好的表面质量,在众多影响因素中金刚石颗粒大小对加工质量影响较大;其中CTH025型号和CTB010型号的最终表面粗糙度分别为Ra=0.85μm和Ra=0.57μm,富钴界面层凹槽的深度分别为16.3μm和5.7μm,刃口处切口缺陷的尺寸也与金刚石颗粒的尺寸相当。经WEDM加工后的PCD复合片的刃磨余量可控制在4～15μm左右。

粘结剂钴对于聚晶金刚石复合片热稳定性的作用机制

热稳定性是聚晶金刚石复合片(PDC)的一个重要性能指标。利用车削花岗岩法测定了PDC刀具的热稳定性能,采用热分析法、工具显微镜和扫描电子显微镜观测了PDC刀具中粘接剂钴的分布与形貌以及热损伤情况。研究表明:粘接剂Co热胀冷缩和氧化产生了热龟裂裂纹,导致PDC刀具机械性能降低,这是PDC刀具热稳定性下降的主要因素;PDC刀具中Co存在3种分布形式,分别是金刚石间的球粒状Co颗粒、"Co岛"和叶脉状的Co分布,其中以叶脉状分布的Co对PDC刀具的热稳定性影响最大。讨论了控制粘接剂Co分布与形貌以提高PDC热稳定性的方法。

激光拉曼光谱法测定金刚石复合片残余应力

采用显微拉曼光谱仪对直径为25.4 mm、总厚度为3.2 mm的刀具用金刚石复合片(PDC)层表面和侧面不同位置的残余应力进行测试,获得PDC金刚石层表面径向及侧面的应力分布。然后,用电火花切掉PDC的硬质合金基体,再测定金刚石层表面的拉曼光谱,从而得出金刚石层的微观残余应力。研究结果表明:PDC表面中间部分的应力为压缩应力,最大值约600 MPa,从中心到边缘逐渐降低,在离边缘2 mm左右变为拉应力;边沿拉应力的产生是基体的厚度较小,PDC朝金刚石层方向弯曲造成的;金刚石层侧面的应力为拉应力,最大值达580 MPa,位置靠近PDC界面,这是PDC出现金刚石脱层的主要原因之一;实验测得的PDC微观应力为62.5 MPa。

金刚石层厚度对复合片(PDC)残余应力的影响

通过X射线应力测试和有限元分析相结合的方法,研究了金刚石层厚度对聚晶金刚石复合片(PDC)残余应力的影响,并根据实验测试结果推导出了PDC表面中心与边缘的应力随金刚石层厚度变化的关系式。随着金刚石层厚度由0.5 mm增加到2.0 mm,PDC表面中心的压应力从1800 MPa下降至700 MPa左右,而边缘部分的应力逐渐由压应力转为拉应力。金刚石层加厚虽然对边缘部分的最大拉应力影响不大,但使PDC边缘拉应力区宽度由0.76 mm增加到了2.85 mm。金刚石层厚度的增加还使得PDC边缘界面附近y方向的最大拉应力和位于界面边缘处的最大剪应力显著加大,这是金刚石层较厚的PDC界面容易产生裂纹的主要原因。

聚晶金刚石复合片激光切割工艺研究

聚晶金刚石(PCD)复合片因其硬度高、耐磨性好等性能在刀具行业应用广泛,为了探究PCD复合片的激光切割工艺特性,获取最优的切割质量和加工效率,减少磨削余量,采用Nd∶YAG激光器对1.6 mm厚PCD复合片进行切割工艺试验。利用数字显微镜和光学轮廓仪对材料切割表面及断面进行观测分析,系统研究了激光功率、切割速度、脉冲频率及离焦量等工艺参数对切割质量的影响。通过正交试验的直观分析与方差分析对工艺参数进行分析与优化设计,同时探究不同参数下激光能量对材料的作用机理。结果表明:材料表面能量密度的大小决定着激光切割质量,选用激光功率80 W,切割速度80 mm/min,脉冲频率60 Hz,零离焦量的切割参数,获得了切缝宽度为173.10μm,切缝单边锥度为5.90°,表面粗糙度Ra=0.65μm的优良PCD复合片激光切割质量。

聚晶金刚石复合片(PDC)钻头的失效分析

对PDC钻井钻头的失效形式进行了分析 ,并对每种失效形式的形成机理进行了研究 .结果表明 ,PDC钻头切削齿的微断屑、宏观破裂及剥离失效形式是造成PDC钻头早期失效的主要形式和原因 .预防PDC钻头的早期失效 ,应从设计。

聚晶金刚石复合片残余热应力的影响因素

残余热应力是影响聚晶金刚石复合片(PDC)性能好坏的最重要因素之一。考虑聚晶金刚石层(PCD)与硬质合金层厚度比以及PDC压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的影响,在ANSYS中建立PDC模型,运用热-结耦合法分析PDC的残余热应力。计算表明,随着PCD层与硬质合金层厚度比由0.067增加到0.333,PCD层表面中心的压应力由1.61 GPa降低到380 MPa,PCD层最大径向压应力由1.61 GPa降低1.03 GPa左右,而PCD层边缘靠近界面附近最大轴向拉应力逐渐增大;随着PDC压制过程中烧结温度由1 000℃升高到1 500℃,PCD层的最大径向压应力、最大轴向拉应力以及最大剪应力等均逐渐增大。认为,在研究PDC合成新工艺过程中,应在保证PDC使用寿命的前提下尽量降低PCD层与硬质合金层厚度比;必须尽量切断原材料以及人为操作对温度的影响。

聚晶金刚石复合片的电火花线切割机理与形貌

开展了聚晶金刚石复合片(PDC)的电火花线切割实验,提出了PDC的电火花线切割模型。通过扫描电镜与拉曼光谱仪对切割试件进行显微观察与成分分析,发现聚晶金刚石层表面存在明显石墨化现象,而且聚晶金刚石层与硬质合金层之间的富钴界面层存在严重过量去除现象。按聚晶金刚石层、富钴界面层与硬质合金层三个部分剖析了PDC放电蚀除机理,并对PDC的电火花线切割热损伤进行了分析。研究表明,解决富钴界面层的过量去除问题是提高PDC电火花线切割加工质量的关键。

聚晶金刚石复合片耐磨性的表征

耐磨性是聚晶金刚石复合片(PDC)的一个重要性能指标,现有的烧结体质量磨耗比实验和称量方法存在明显的缺陷,为此建立了PDC体积磨耗比的计算方法,能够用它评测PDC耐磨性的优劣。PDC车削花岗岩时的磨损过程可以分为初始磨损阶段、快速磨损阶段和稳定磨损阶段。PDC车削花岗岩过程中,刀具的磨损是由于冲击与磨削同时作用的结果,且以"磨为主,冲为辅"。

金刚石丸片与固结磨料抛光垫研磨硅片的比较研究

采用金刚石丸片和固结磨料抛光垫两种方式研磨加工硅片,以硅片的材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Sa)为指标对金刚石丸片和固结磨料抛光垫的研磨性能进行了评价。结果表明:固结磨料抛光垫研磨硅片的材料去除率高于金刚石丸片;研磨后硅片的表面粗糙度也优于金刚石丸片,且表面粗糙度(Sa)在中部和边缘相差不大。最后分析了研磨硅片的产物-磨屑的形状特征,得出固结磨料抛光垫研磨硅片时的塑性去除量远高于金刚石丸片。

铁基合金助剂制备金刚石复合片结构及物性研究

在高温高压条件下(5.6GPa,1400℃),以Fe55Ni26Co19合金(KOV)为烧结助剂,采用高压熔渗技术制备了生长型金刚石复合片(PDC)。采用SEM、XRD、EDS等观察了PDC的组织形貌、物相成分;Ra-man光谱计算了金刚石的残余应力;测试了金刚石烧结体的耐磨性及耐热性。实验结果表明,KOV均匀渗透金刚石层,与金刚石颗粒形成了致密交错的网状结构,PDC结合界面复合牢固;PDC物相包括金刚石、WC、CoCx、α-Co、FeNi等;PDC烧结体的磨耗比为2.8×104,热失重温度为800℃,且具有较小的残余压应力,数值为0.08GPa。

不同界面形态聚晶金刚石复合片热残余应力分析

聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称PDC)钻头因具有极高的耐磨性、抗冲击韧性以及锐利的切削刃,在地质和石油钻探中受到了广泛的应用。但目前国内外油田钻探中所使用的复合片有80%的非正常失效断裂是由于PDC的残余应力致裂及界面结构问题引起的,热残余应力是造成PDC非正常失效的主要因素。文章根据PDC制造过程中的热力学工艺条件,对平面界面及其他几种典型不规则界面的PDC热残余应力作详尽的数值计算和分析比较,对PDC热残余应力的分布规律作深入研究。研究结果表明,界面形态与热残余应力的大小及其分布规律密切相关,不同界面形态热残余应力大小和分布均不相同,并提出了优化PDC界面结构、有效降低界面残余应力的措施。这对提高PDC生产合格率及使用寿命具有重要意义。