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

       關鍵詞：聚晶金剛石復合片(PDC); 燒結溫度; 殘余熱應力

       聚晶金剛石復合片(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，在地質和限制。這是因為PDC 是在高溫、高壓(1 300~1 500 ℃、石油鉆探中被廣泛應用。聚晶金剛石層(簡稱PCD 6 GPa) 條件下由金剛石微粉與硬質合金基體燒結而成層)能始終保持銳利的切削刃，因而廣泛用于地質、的，而由于金剛石與硬質合金的熱膨脹系數相差太大，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，熱應力，這種殘余熱應力的存在使復合片強度降低，PDC 鉆頭的適用領域和用量得到不斷擴大。據統計，尤其在承受較強外力或溫度變化較大時，金剛石層容PDC 鉆頭的進尺量占油田鉆探總進尺比例已由10 a 易破損或從基體上剝落，導致它失去切削能力而失效。前的16%增加到了目前的約60%[3] 。而在鉆進硬地因此，研究PDC 殘余熱應力具有非常重要的意義。

       徐根[4] 等根據PDC 制造過程中的熱力學工藝條件，對平面界面及幾種典型不規則界面的PDC 殘余熱應力作了相應的數值計算和分析比較，亦對PDC 殘余熱應力的分布規律做了相關研究；曹品魯[5] 等對梯度結構聚晶金剛石復合片與傳統的雙層結構金剛石-硬質合金復合片在制造過程中產生的殘余熱應力進行了分析，提出梯度結構的聚晶金剛石復合片有效降低了殘余熱應力；賈洪聲[6] 等采用熔滲法成功制備了低殘余應力的優質生長型聚晶金剛石復合片。

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

       1.PCD 層與硬質合金層厚度比對PDC 殘余熱應力的影響

       Lin Tze-Pin[7] 通過實驗得出：PDC 硬質合金層的厚度與PCD 層的厚度比對PDC 的徑向應力有很大影響。徐國平等[8]亦通過研究提出：PCD 層薄的PDC 抗沖擊性應該更好,但較薄的PCD 層會影響PDC 的使用壽命，PCD 層與硬質合金層厚度比值應有一個最佳值。為進一步了解PCD 層與硬質合金層厚度比對PDC 殘余熱應力(主要是PCD 層厚度對PDC 垂直方向的應力影響)，筆者對不同PCD 層與硬質合金層厚度比值的PDC 進行了有限元分析。分析中采用的材料物理力學性能參數見表1。分析中選擇常用的13 mm×8 mm 平面界面聚晶金剛石復合片，選擇PCD 層厚度在0.5~2.0 mm 范圍內的16 種PDC 。有限元網格劃分過程中，PCD 層單元格為0.2 mm× 0.2 mm, 硬質合金層靠近界面部分網格較密，遠離界面部分網格相對稀疏。設定1 000 ℃為PDC 應力松弛溫度[7],在這一溫度以上PDC 的殘余熱應力可忽略不計, 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行計算。通過有限元計算，可得到PCD 層和硬質合金層的殘余應力二維分布云圖(包括徑向應力，軸向應力以及剪切應力)，以及 PCD 層表面的殘余應力沿各方向的變化曲線。

       運用ANSYS 軟件，用熱-結耦合法進行殘余熱應力分析，計算模型以及有限元網格劃分見圖1。PCD 層厚度為1 mm 的PDC 的殘余熱應力分布見圖2。

圖1 計算模(a)以及有限元網格劃分(b) Fig. 1

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

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

       2.PDC 壓制過程中燒結溫度的波動對殘余熱應力的影響

       利用六面頂壓機, 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，也很難解釋其出現的原因。復合片的燒結溫度范圍一般在1 300~1 500 ℃, 鈷-碳液相共晶溫度為1 320 ℃。在生產過程中，主要是原材料個體差異以及操作原因，燒結溫度常常不能較準確地控制在有效溫度范圍內，且燒結過程中溫度的測量非常困難，很難直接通過實驗的方法研究燒結溫度對PDC 應力的影響。

       為研究PDC 燒結溫度的波動對殘余熱應力的影響，對不同燒結溫度條件下的PDC 進行了有限元分析。分析中采用的材料物理力學性能參數見表1；計算模型及模型有限元網格劃分見圖1；對燒結溫度在1 000~1 500℃范圍內的11 種燒結溫度條件下的PDC 的殘余應力進行了數值模擬，模擬過程中的室溫為20 ℃。圖6 是燒結溫度對PCD 層的殘余應力的影響關系。由圖6 可知，隨著PDC 燒結溫度的不斷增加，PCD 層的最大徑向壓應力也不斷增加。最大徑向壓應力由燒結溫度為1 000 ℃時的1.2 GPa 增加到1 500 ℃時的1.81 GPa，這種壓應力的存在對提高界面結合力是有利的；在最大徑向壓應力逐漸增加的同時，PCD 層最大軸向應力由燒結溫度為1 000 ℃ 時的850 MPa 增加到1.28 GPa，且出現在PDC 靠近界面的邊緣位置，這種PCD 層較大的軸向拉應力容易導致PCD 層從基體上剝落；PCD 層表面中心壓應力同樣也隨燒結溫度的增加而增加。由此可見，燒結溫度對PDC 殘余熱應力確實有較大影響。在PDC 壓制過程中，若燒結溫度太高，雖然PCD 層的壓應力增大，有利于界面結合，但同時PCD 層最大剪應力以及邊緣位置的拉應力也越大，使得PDC 邊緣越容易產生裂紋或其它缺陷；若燒結溫度過低，PCD 層的壓應力太小，界面結合力不強，PCD 層容易從基體上脫落。可見，PDC 的壓制過程對溫度是十分敏感的，在生產過程中，除了進一步研究新的合成工藝外，必須確保每道工序的有效執行，盡量切斷原材料對溫度的影響，合理操作，使溫度嚴格控制在最佳范圍內。

       3.結論

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