CN110054184B - 一种提高金刚石复合片耐用寿命的方法及金刚石复合片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超硬复合材料技术领域，具体涉及一种提高金刚石复合片耐用寿命的方法及金刚石复合片。本发明提高金刚石复合片耐用寿命的方法，包括以下步骤：采用超快脉冲激光束对基体与金刚石层间的界面及金刚石层表面进行辐照，之后对金刚石层表面进行抛光处理。采用超快脉冲激光束制造金刚石复合片，在层间生成渐变过渡层，使基体与金刚石结合牢固且在层间界面上没有热学量与力学量的突变；采用超快脉冲激光束辐照金刚石层表面(冷退火)，能消除金刚石层热应力集中与晶格缺陷，也能使金刚石层表面D‑D键合牢固，把钴原子“挤出”至金刚石层表面，再通过抛光去除富钴层同时实现超高的表面光洁度，提高金刚石复合片的耐高温能力和使用寿命。

Description

一种提高金刚石复合片耐用寿命的方法及金刚石复合片
技术领域
本发明涉及超硬复合材料技术领域，具体涉及一种提高金刚石复合片耐用寿命的方法及金刚石复合片。
背景技术
目前，国际上在制造金刚石复合片时，都采用金属钴(Co)等作为粘合剂，现有技术中的金刚石复合片如图1所示，包括基体1和含有Co粘合剂的金刚石层2。由于Co的热膨胀系数比金刚石颗粒的热膨胀系数要大，在700～760℃时，Co的膨胀会使得金刚石颗粒间的键合发生分离，严重降低金刚石的耐磨性，所以通常采用酸腐蚀方法使Co从金刚石颗粒间析出，其腐蚀深度可达0.1～0.5mm左右，这种脱Co方法，在一定程度上可以恢复金刚石的耐磨性，但是它会使得金刚石层出现更多孔隙，从而降低了金刚石复合片的机械结构强度及使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高金刚石复合片耐用寿命的方法，能够明显提高金刚石复合片的耐磨性、耐热性及耐用寿命。
本发明的第二个目的在于提供一种金刚石复合片。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种提高金刚石复合片耐用寿命的方法，所述金刚石复合片包括基体和含有粘合剂的金刚石层，包括以下步骤：
1)在惰性气体保护下，采用超快脉冲激光束对基体与金刚石层之间的界面以及金刚石层的表面进行辐照，在基体与金刚石层之间的界面形成基体-金刚石渐变过渡层；
2)对金刚石层表面进行抛光处理。
所述辐照的单脉冲能量密度d由下式得到：d＝P/(f×S)，式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为超快脉冲激光束聚焦面积，单位mm2。
所述辐照的总能量密度D由下式得到：D＝d×f×t，式中，D为超快脉冲激光束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
步骤1)中超快脉冲激光束的辐照时间为10-3sec～102sec，辐照面积为10-6mm2～102mm2，频率为1～106/sec，单脉冲的脉宽为10-15sec～10-12sec，单脉冲的能量密度为0.1mJ/mm2～10J/mm2，超快脉冲激光束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2。
步骤2)中抛光去除的厚度为10-7m～10-4m。
步骤2)中抛光后金刚石层表面的粗糙度为0.1μm～10μm。
所述粘合剂为含钴粘合剂。步骤1)中采用超快脉冲激光束对金刚石层的表面进行辐照，以在金刚石层表面形成富钴层。
步骤2)中抛光以去除金刚石层表面的富钴层。
步骤1)中的惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙、氡气中的任意一种。
一种金刚石复合片，采用上述提高金刚石复合片耐用寿命的方法对含粘合剂的金刚石复合片加工得到。
上述金刚石复合片，包括由下而上依次设置的基体、基体-金刚石渐变过渡层、金刚石层。
所述基体为铬钼合金或钨合金。
本发明的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，采用超快脉冲激光束对基体与金刚石层之间的界面进行辐照，在该界面处形成基体-金刚石渐变过渡层，消除了基体与金刚石层之间的界面效应，进而消除了两者界面上热学与力学性质的突变，可以避免高温高压下金刚石层从基体上脱落；对金刚石层的表面进行超快脉冲激光束的辐照(冷退火)，一方面消除了热应力集中，避免金刚石表面产生裂纹；另一方面消除了金刚石晶格缺陷，提高了耐磨性和耐用寿命；再一方面加强了金刚石D-D键合，由于钴原子的半径比C大，金刚石颗粒间的D-D键比C-Co键强，金刚石D-D键合的增强把钴原子挤出到金刚石层表面，在金刚石层的表面形成富钴层，之后对金刚石层进行表面抛光去除富钴层，避免高温时钴的膨胀使得金刚石颗粒间键合分离进而降低金刚石的耐磨性，同时超高的表面光洁度减少了金刚石表面的切削阻力以及泥浆腐蚀，不易粘附岩粉。
本发明的金刚石复合片，包括由下而上依次设置的基体、基体-金刚石渐变过渡层、金刚石层，基体-金刚石渐变过渡层的存在，消除了基体与金刚石层之间的界面效应，进而消除了两者界面上热学与力学性质的突变，可以避免高温高压下金刚石层从基体上脱落；且金刚石层D-D键合牢固、缺陷少、具有高耐磨性、高抗冲击性，且耐用寿命得到明显提高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为背景技术中金刚石复合片的结构示意简图；
图2为本发明实施例中采用超快脉冲激光束辐照后所得具有富钴层的金刚石复合片的结构示意简图；
图3为本发明实施例中进行抛光处理后的金刚石复合片的结构示意简图；
图中：
1、基体，2、金刚石层，3、基体-金刚石渐变过渡层，4、富钴层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明提高金刚石复合片耐用寿命的方法，所述金刚石复合片包括基体和含有钴粘合剂的金刚石层，包括以下步骤：
1)采用所述超快脉冲激光束对基体与金刚石层之间的界面、以及金刚石层的表面进行辐照，在基体与金刚石层之间的界面形成基体-金刚石渐变过渡层；
2)对金刚石层表面进行抛光处理。
所述辐照的单脉冲能量密度d由下式得到：d＝P/(f×S)，式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为超快脉冲激光束聚焦面积，单位mm2。
所述辐照的总能量密度D由下式得到：D＝d×f×t，式中，D为超快脉冲激光束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
步骤1)中超快脉冲激光束的辐照时间为10-3sec～102sec，辐照面积为10-6mm2～102mm2，频率为1～106/sec，单脉冲的脉宽为10-15sec～10-12sec，单脉冲的能量密度为0.1mJ/mm2～10J/mm2，超快脉冲激光束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2。
步骤2)中抛光去除的厚度为10-7m～10-4m。
步骤2)中抛光后金刚石层表面的粗糙度为0.1μm～10μm。
所述粘合剂为含钴粘合剂。
本发明的金刚石复合片，采用上述提高金刚石复合片耐用寿命的方法对含粘合剂的金刚石复合片加工得到。
上述金刚石复合片，包括由下而上依次设置的基体、基体-金刚石渐变过渡层、金刚石层。
所述基体为铬钼合金或钨合金。
实施例
本实施例的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，包括以下步骤：
1)在惰性气体保护下，采用超快脉冲激光束对基体1与金刚石层2之间的界面以及金刚石层2的表面进行辐照，在基体1与金刚石层2之间的界面处形成基体-金刚石渐变过渡层3，在金刚石层表面形成富钴层4，如图2所示；所述超快脉冲激光束的辐照时间为1sec，辐照面积为1×10-4mm2，频率为1×103/sec，单脉冲的脉宽为1×10-13sec，单脉冲的能量密度为1mJ/mm2，超快脉冲激光束的总能量密度为1J/mm2；
2)对金刚石层2表面的富钴层4进行抛光去除表面的富钴层4即得本实施例的金刚石复合片；抛光去除的厚度为1×10-5m，抛光后金刚石层表面粗糙度为0.5μm。
本实施例的金刚石复合片，采用上述提高金刚石复合片耐用寿命的方法加工得到，其结构如图3所示，从下至上依次包括基体1、基体-金刚石渐变过渡层3、金刚石层2。
本实施例中的基体1为铬钼合金或钨合金。
本实施例步骤1)中的惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙、氡气中的任意一种。
在本发明的其他实施例中，超快脉冲激光束的辐照时间还可以为10-3sec或102sec。
在本发明的其他实施例中，超快脉冲激光束的辐照面积还可以为10-6mm2或102mm2。
在本发明的其他实施例中，超快脉冲激光束的频率还可以为1/sec或106/sec。
在本发明的其他实施例中，单脉冲的脉宽还可以为10-15sec或10-12sec。
在本发明的其他实施例中，单脉冲的能量密度还可以为0.1mJ/mm2或10J/mm2。
在本发明的其他实施例中，超快脉冲激光束的总能量密度还可以为0.1J/mm2或10J/mm2。
在本发明的其他实施例中，抛光去除的厚度还可以为1×10-7m或1×10-4m，抛光后金刚石层表面粗糙度还可以为0.1μm或10μm。
将采用本实施例提高金刚石复合片耐用寿命的方法加工前后的金刚石复合片进行对比，发现：
因加工前的金刚石复合片含有钴作为粘合剂，钴的热膨胀导致金刚石中某一些D-D键断裂，使金刚石复合片的耐磨性较差；又因为热应力导致金刚石层出现热裂纹，使其抗冲击韧性下降，加工前金刚石复合片热稳定性的耐热温度较低，在750℃左右。
本实施例采用超快脉冲激光冷退火对金刚石复合片进行处理，一方面消除了热应力集中，避免了表面产生裂纹；另一方面消除了晶格缺陷，提高了耐磨性和耐用寿命；再一方面使得金刚石层的D-D键牢固，使复合片耐磨性提高，另外金刚石D-D键合牢固对钴原子有挤出效应，会在金刚石表面形成富含钴层，之后再通过抛光去除富钴层，另外表面抛光会大大减少切削阻力和泥浆腐蚀，进而提高金刚石复合片的使用寿命。另外，采用本实施例方法处理后在基体与金刚石层之间的界面生成基体-金刚石渐变过渡层，层间渐变过渡层的生成使层间结合牢固，进一步提高了抗冲击韧性。此外，由于金刚石层内部经过冷退火，减少了热缺陷，进而提高热稳定性的耐热温度，这样就提高了复合片的耐用寿命。本实施例得到的金刚石复合片可用于高效开采页岩气等。
本发明的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，用特定的超快脉冲激光束对基体与金刚石层之间的界面进行辐照冷退火，界面处的原子瞬间相互扩散、熔融并固化形成渐变过渡层，消除了界面上热学与力学性质的突变，以及热加工产生的热应力与晶格缺陷，可以避免高温高压下金刚石层从基体上脱落；采用超快脉冲激光束对金刚石层表面进行冷退火，一方面消除了热应力集中，避免金刚石表面产生裂纹；另一方面消除了晶格缺陷，提高了耐磨性和耐用寿命；再一方面加强D-D键合使复合片耐磨性提高，同时对钴原子进行挤出，使钴原子聚合到金刚石表面，再通过抛光方法去除金刚石层表面的钴原子，减少钴原子因高温膨胀而导致的金刚石层开裂；采用表面抛光把金刚石复合片表面抛光至微米、亚微米、甚至更高量级粗糙度，可以大幅减少切削阻力和泥浆腐蚀，提高金刚石复合片的寿命。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种提高金刚石复合片耐用寿命的方法，所述金刚石复合片包括基体和含有含钴粘合剂的金刚石层，其特征在于，包括以下步骤：
1)在惰性气体保护下，采用超快脉冲激光束对基体与金刚石层之间的界面以及金刚石层的表面进行辐照，在基体与金刚石层之间的界面形成基体-金刚石渐变过渡层，所述超快脉冲激光束的单脉冲的能量密度为0.1mJ/mm2～10J/mm2，所述超快脉冲激光束的总能量密度为0.1J/mm2～10J/mm2；
2)对金刚石层表面进行抛光处理。
2.根据权利要求1所述的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，其特征在于，所述辐照的单脉冲能量密度d由下式得到：d＝P/(f×S)，式中d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；P为功率，单位W或J/sec；f为频率，单位为脉冲数/sec；S为超快脉冲激光束聚焦面积，单位mm2。
3.根据权利要求1所述的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，其特征在于，所述辐照的总能量密度D由下式得到：D＝d×f×t，式中，D为超快脉冲激光束总能量密度，单位J/mm2；d为单脉冲能量密度，单位J/mm2；f为频率，单位为脉冲数/sec；t为辐照时间，单位为sec。
4.根据权利要求1所述的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，其特征在于，步骤1)中超快脉冲激光束的辐照时间为10-3sec～102sec，辐照面积为10-6mm2～102mm2，频率为1～106/sec，单脉冲的脉宽为10-15sec～10-12sec。
5.根据权利要求1所述的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，其特征在于，步骤2)中抛光去除的厚度为10-7m～10-4m。
6.根据权利要求1所述的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，其特征在于，步骤2)中抛光后金刚石层表面的粗糙度为0.1μm～10μm。
7.根据权利要求1所述的提高金刚石复合片耐用寿命的方法，其特征在于，步骤1)中的惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙、氡气中的任意一种。
8.一种金刚石复合片，其特征在于，采用权利要求1所述的提高金刚石复合片耐用寿命的方法对含钴粘合剂的金刚石复合片加工得到。
9.根据权利要求8所述的金刚石复合片，其特征在于，包括由下而上依次设置的基体、基体-金刚石渐变过渡层、金刚石层。
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