摘要: 殘余熱應(yīng)力是影響聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)性能好壞的最重要因素之一。考慮聚晶金剛石層(PCD)與硬質(zhì)合金層厚度比以及PDC 壓制過程中燒結(jié)溫度的波動對聚晶金剛石復(fù)合片殘余熱應(yīng)力的影響，在ANSYS 中建立PDC 模型，運(yùn)用熱-結(jié)耦合法分析PDC 的殘余熱應(yīng)力。計(jì)算表明，隨著PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比由0.067 增加到0.333，PCD 層表面中心的壓應(yīng)力由1.61 GPa 降低到380 MPa，PCD 層最大徑向壓應(yīng)力由1.61 GPa 降低1.03 GPa 左右，而PCD 層邊緣靠近界面附近最大軸向拉應(yīng)力逐漸增大；隨著PDC 壓制過程中燒結(jié)溫度由1 000 ℃升高到1 500 ℃，PCD 層的最大徑向壓應(yīng)力、最大軸向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力等均逐漸增大。認(rèn)為，在研究PDC 合成新工藝過程中，應(yīng)在保證PDC 使用壽命的前提下盡量降低PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比；必須盡量切斷原材料以及人為操作對溫度的影響。

       關(guān)鍵詞：聚晶金剛石復(fù)合片(PDC); 燒結(jié)溫度; 殘余熱應(yīng)力

       聚晶金剛石復(fù)合片(簡稱PDC)鉆頭因具有極高層和軟硬交錯地層時，PDC 鉆頭的使用仍然受到較大的耐磨性、抗沖擊韌性及銳利的切削刃，在地質(zhì)和限制。這是因?yàn)镻DC 是在高溫、高壓(1 300~1 500 ℃、石油鉆探中被廣泛應(yīng)用。聚晶金剛石層(簡稱PCD 6 GPa) 條件下由金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成層)能始終保持銳利的切削刃，因而廣泛用于地質(zhì)、的，而由于金剛石與硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)相差太大，石油及煤田鉆探中，在軟至中硬巖層中獲得了非常在卸壓冷卻過程中, PDC 容易在界面產(chǎn)生很大的殘余好的使用效果[1-2] 。隨著PDC 工藝水平的不斷提高，熱應(yīng)力，這種殘余熱應(yīng)力的存在使復(fù)合片強(qiáng)度降低，PDC 鉆頭的適用領(lǐng)域和用量得到不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，尤其在承受較強(qiáng)外力或溫度變化較大時，金剛石層容PDC 鉆頭的進(jìn)尺量占油田鉆探總進(jìn)尺比例已由10 a 易破損或從基體上剝落，導(dǎo)致它失去切削能力而失效。前的16%增加到了目前的約60%[3] 。而在鉆進(jìn)硬地因此，研究PDC 殘余熱應(yīng)力具有非常重要的意義。

       徐根[4] 等根據(jù)PDC 制造過程中的熱力學(xué)工藝條件，對平面界面及幾種典型不規(guī)則界面的PDC 殘余熱應(yīng)力作了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算和分析比較，亦對PDC 殘余熱應(yīng)力的分布規(guī)律做了相關(guān)研究；曹品魯[5] 等對梯度結(jié)構(gòu)聚晶金剛石復(fù)合片與傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合片在制造過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出梯度結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片有效降低了殘余熱應(yīng)力；賈洪聲[6] 等采用熔滲法成功制備了低殘余應(yīng)力的優(yōu)質(zhì)生長型聚晶金剛石復(fù)合片。

       影響PDC 殘余熱應(yīng)力的因素主要有聚晶PCD 層厚度、PDC 的燒結(jié)溫度、界面結(jié)構(gòu)、后處理方式以及后期熱處理工藝等。其中PCD 層厚度和燒結(jié)溫度對殘余熱應(yīng)力的影響尤為明顯。筆者通過有限元分析，討論了PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比和PDC 壓制過程中燒結(jié)溫度的波動對PDC 殘余熱應(yīng)力的影響。

       1.PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比對PDC 殘余熱應(yīng)力的影響

       Lin Tze-Pin[7] 通過實(shí)驗(yàn)得出：PDC 硬質(zhì)合金層的厚度與PCD 層的厚度比對PDC 的徑向應(yīng)力有很大影響。徐國平等[8]亦通過研究提出：PCD 層薄的PDC 抗沖擊性應(yīng)該更好,但較薄的PCD 層會影響PDC 的使用壽命，PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比值應(yīng)有一個最佳值。為進(jìn)一步了解PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比對PDC 殘余熱應(yīng)力(主要是PCD 層厚度對PDC 垂直方向的應(yīng)力影響)，筆者對不同PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比值的PDC 進(jìn)行了有限元分析。分析中采用的材料物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。分析中選擇常用的13 mm×8 mm 平面界面聚晶金剛石復(fù)合片，選擇PCD 層厚度在0.5~2.0 mm 范圍內(nèi)的16 種PDC 。有限元網(wǎng)格劃分過程中，PCD 層單元格為0.2 mm× 0.2 mm, 硬質(zhì)合金層靠近界面部分網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離界面部分網(wǎng)格相對稀疏。設(shè)定1 000 ℃為PDC 應(yīng)力松弛溫度[7],在這一溫度以上PDC 的殘余熱應(yīng)力可忽略不計(jì), 室溫為20 ℃。由于PDC 的軸對稱性, 有限元模擬過程中僅選用右半部分進(jìn)行計(jì)算。通過有限元計(jì)算，可得到PCD 層和硬質(zhì)合金層的殘余應(yīng)力二維分布云圖(包括徑向應(yīng)力，軸向應(yīng)力以及剪切應(yīng)力)，以及 PCD 層表面的殘余應(yīng)力沿各方向的變化曲線。

       運(yùn)用ANSYS 軟件，用熱-結(jié)耦合法進(jìn)行殘余熱應(yīng)力分析，計(jì)算模型以及有限元網(wǎng)格劃分見圖1。PCD 層厚度為1 mm 的PDC 的殘余熱應(yīng)力分布見圖2。

圖1 計(jì)算模(a)以及有限元網(wǎng)格劃分(b) Fig. 1

       由圖2 見，PDC 最大應(yīng)力集中分布在界面兩側(cè)臨近界面處，而離界面較遠(yuǎn)的地方應(yīng)力相對較小，分布相對較均勻。由于金剛石的熱膨脹系數(shù)小于硬質(zhì)合金，在加熱后的卸壓冷卻過程中，PCD 層收縮比硬質(zhì)合金慢，PCD 層形成壓應(yīng)力。當(dāng)PCD 層厚度為1mm 時，PCD 層的最大徑向壓應(yīng)力σxmax 出現(xiàn)在復(fù)合片界面結(jié)合處，高達(dá)1.20 GPa(多晶金剛石的抗壓強(qiáng)度1.9~6.9 GPa) ；最大軸向拉應(yīng)力σymax 位于復(fù)合片界面邊緣處，達(dá)到850 MPa ，該拉應(yīng)力容易產(chǎn)生垂直于界面的龜裂裂紋，導(dǎo)致PDC 層的碎裂或脫層；界面間最大剪應(yīng)力同樣位于界面邊緣，該剪應(yīng)力是導(dǎo)致PDC 整體斷裂及PCD 層與硬質(zhì)合金襯底之間脫層的主要原因，也是使用 PDC 鉆頭鉆進(jìn)過程中所遇到的最具破壞性的失效形式。

       為了解PDC 殘余熱應(yīng)力隨PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比的變化規(guī)律，采用熱-結(jié)構(gòu)耦合法對PCD層厚度為0.5~2.0 mm 的16 種PDC 進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果見表2 (表中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。由表2 可知，隨PCD 層厚度由0.5 mm 增加到2.0 mm， 即PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比由0.067 增加到0.333，PCD 層最大徑向壓應(yīng)力逐漸降低，由1.61 GPa 降低到1.03 GPa；PCD 表面中心壓應(yīng)力也逐漸降低，由1.61 GPa 下降到380 MPa ；軸向拉應(yīng)力云圖顯示，隨著PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比值的增加，PCD 層界面邊緣的最大軸向拉應(yīng)力由 697 MPa 增加到了1.01 GPa；位于界面邊緣處的最大剪應(yīng)力則從106 MPa 增加到136 MPa 。在模擬計(jì)算中，PDC 總高度為8 mm，因此，PCD 層加厚，一方面使硬質(zhì)合金基體相對變薄，同時PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比值逐漸增加。圖3、圖4、圖5 是PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比分別對應(yīng)PCD 層最大徑向應(yīng)力、PCD 層最大軸向應(yīng)力及PCD 層表面中心壓應(yīng)力的影響關(guān)系。由圖可見，隨著PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比的增加，PCD 層最大徑向壓應(yīng)力和PCD 層表面中心的壓應(yīng)力均明顯下降(圖3、圖5)；同時PCD 層最大軸向拉應(yīng)力逐漸增大(圖4)， 最大徑向應(yīng)力出現(xiàn)在界面結(jié)合處，最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在PDC 邊緣靠近界面處。Bertagnolli 等人的研究表明，PCD 層表面具有較大壓縮應(yīng)力的PDC 在達(dá)到金剛石抗拉極限前能夠承受更大的載荷[9] 。壓應(yīng)力的存在不會引起復(fù)合片龜裂和脫層,對復(fù)合片在鉆進(jìn)時抵抗外力也是有利的，而較大的軸向拉應(yīng)力的存在對脆性材料是非常有害的。但PCD 層太薄會嚴(yán)重影響PDC 的使用壽命。因此，應(yīng)該在保證PDC 使用壽命的前提下盡量降低PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比值。

       2.PDC 壓制過程中燒結(jié)溫度的波動對殘余熱應(yīng)力的影響

       利用六面頂壓機(jī), 在高溫高壓條件下(1 300~ 1 500 ℃，6 GPa) 壓制PDC 的過程中，溫度的控制是一個非常重要的很難控制，也很難解釋其出現(xiàn)的原因。復(fù)合片的燒結(jié)溫度范圍一般在1 300~1 500 ℃, 鈷-碳液相共晶溫度為1 320 ℃。在生產(chǎn)過程中，主要是原材料個體差異以及操作原因，燒結(jié)溫度常常不能較準(zhǔn)確地控制在有效溫度范圍內(nèi)，且燒結(jié)過程中溫度的測量非常困難，很難直接通過實(shí)驗(yàn)的方法研究燒結(jié)溫度對PDC 應(yīng)力的影響。

       為研究PDC 燒結(jié)溫度的波動對殘余熱應(yīng)力的影響，對不同燒結(jié)溫度條件下的PDC 進(jìn)行了有限元分析。分析中采用的材料物理力學(xué)性能參數(shù)見表1；計(jì)算模型及模型有限元網(wǎng)格劃分見圖1；對燒結(jié)溫度在1 000~1 500℃范圍內(nèi)的11 種燒結(jié)溫度條件下的PDC 的殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬過程中的室溫為20 ℃。圖6 是燒結(jié)溫度對PCD 層的殘余應(yīng)力的影響關(guān)系。由圖6 可知，隨著PDC 燒結(jié)溫度的不斷增加，PCD 層的最大徑向壓應(yīng)力也不斷增加。最大徑向壓應(yīng)力由燒結(jié)溫度為1 000 ℃時的1.2 GPa 增加到1 500 ℃時的1.81 GPa，這種壓應(yīng)力的存在對提高界面結(jié)合力是有利的；在最大徑向壓應(yīng)力逐漸增加的同時，PCD 層最大軸向應(yīng)力由燒結(jié)溫度為1 000 ℃ 時的850 MPa 增加到1.28 GPa，且出現(xiàn)在PDC 靠近界面的邊緣位置，這種PCD 層較大的軸向拉應(yīng)力容易導(dǎo)致PCD 層從基體上剝落；PCD 層表面中心壓應(yīng)力同樣也隨燒結(jié)溫度的增加而增加。由此可見，燒結(jié)溫度對PDC 殘余熱應(yīng)力確實(shí)有較大影響。在PDC 壓制過程中，若燒結(jié)溫度太高，雖然PCD 層的壓應(yīng)力增大，有利于界面結(jié)合，但同時PCD 層最大剪應(yīng)力以及邊緣位置的拉應(yīng)力也越大，使得PDC 邊緣越容易產(chǎn)生裂紋或其它缺陷；若燒結(jié)溫度過低，PCD 層的壓應(yīng)力太小，界面結(jié)合力不強(qiáng)，PCD 層容易從基體上脫落?？梢姡琍DC 的壓制過程對溫度是十分敏感的，在生產(chǎn)過程中，除了進(jìn)一步研究新的合成工藝外，必須確保每道工序的有效執(zhí)行，盡量切斷原材料對溫度的影響，合理操作，使溫度嚴(yán)格控制在最佳范圍內(nèi)。

       3.結(jié)論

       有限元分析結(jié)果表明，隨著PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比的增加，PCD 層表面中心的壓應(yīng)力明顯下降，PCD 層最大徑向壓應(yīng)力逐漸降低，而最大軸向拉應(yīng)力逐漸增大；隨著PDC 壓制過程中燒結(jié)溫度的不斷升高，PCD 層的最大徑向壓應(yīng)力、最大軸向拉應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力等均逐漸增大。因此，在保證PDC 使用壽命的前提下，應(yīng)盡量降低PCD 層與硬質(zhì)合金層厚度比值，盡量切斷原材料以及人為操作對溫度的影響。