CN117464010A - 一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片及其3d打印制备方法 - Google Patents

一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片及其3d打印制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片及其3D打印制备方法，所述聚晶金刚石复合片从上至下依次由聚晶金刚石层、连续梯度过渡层、硬质合金基体组成，其中连续梯度过渡层由金刚石与硬质合金组成，沿硬质合金基体至聚晶金刚石层的方向，连续梯度过渡层中硬质合金的含量由100％递减至0，金刚石的含量由0递增至100％。本发明通过设计连续梯度过渡层并结合3D打印技术，实现金刚石和硬质合金两种材料的连续变化，从而使金刚石复合片内部材料突变界面消失，达到缓和内部应力的目的，大幅提升聚晶金刚石复合片的使用性能及寿命。

Description

一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片及其3D打印制 备方法
技术领域
本发明涉及聚晶超硬材料制作领域，特别涉及一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片及其3D打印制备方法。
背景技术
聚晶金刚石复合片(PDC)由于同时兼具金刚石的高硬度及硬质合金的优异韧性，被广泛应用于切削刀具、石油钻头、有色金属材料加工等领域。但由于金刚石与硬质合金的热胀系数差异较大，工作过程中很容易在两种材料的分界处出现聚晶金刚石层剥落现象，其关键原因在于硬质合金基体和聚晶金刚石层间存在有一个物理性能突变的界面，这种材料成分的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，从而在该突变界面容易产生破坏。功能梯度材料可以实现材料组分在空间上的逐级变化，将功能梯度材料应用在聚晶金刚石复合片的制造中，可以将连续变化的组分连续梯度变化来代替突变界面以消除物理性能的突变，使聚晶金刚石复合片内部的层间应力降至最小，达到优化结构和整体使用性能的目的。
采用铺粉方式或者普通的层层堆叠3D打印方式制备梯度结构金刚石复合片的优点是粉末材料的成分容易控制，但由于混合粉末中各组分比例要预先设计好且充分混合，不能实时进行调控，难以实现梯度功能材料内部成分的连续均匀变化。因此制备周期长、工序复杂的传统制造技术难以满足可定制、材料连续变化的功能梯度材料的快速制备要求，需要一种更柔性、更高效的制造技术来实现具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制造，达到最大限度降低金刚石复合片内部残余应力的目的。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片，本发明提供的聚晶金刚石复合片，设置有连续梯度过渡层，位于硬质合金基体与聚晶金刚石层之间，可以减少硬质合金基体与聚晶金刚石层之间的残余应力，增加两种材料分界面处的结合强度，提高聚晶金刚石复合片的寿命。
本发明的第二个目的在于提供一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的3D打印制备方法，通过该工艺能够实现金刚石和硬质合金两种材料的连续变化，完成连续梯度过渡层的制造，不仅能够降低连续梯度材料的制造难度，而且能够优化产品的整体性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石复合片从上至下依次由聚晶金刚石层、连续梯度过渡层、硬质合金基体组成，其中连续梯度过渡层由金刚石与硬质合金组成，沿硬质合金基体至聚晶金刚石层的方向，连续梯度过渡层中硬质合金的含量由100％递减至0，金刚石的含量由0递增至100％。
本发明提供了一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片，所述聚晶金刚石层中，金刚石的含量为100％，所述硬质合金基体中，硬质合金成份的含量为100％；所述连续梯度过渡层由金刚石与硬质合金组成，沿硬质合金基体至聚晶金刚石层的方向，连续梯度过渡层中硬质合金的含量由100％递减至0，金刚石的含量由0递增至100％；通过连续地改变金刚石和硬质合金的比例，使聚晶金刚石层和硬质合金基体之间的突变界面消失，从而得到性能随材料组成和结构逐渐变化而呈现梯度变化的非均质材料，有效降低两种材料分界面处的残余应力，提高其使用性能和寿命。
优选的方案，所述硬质合金为WC-Co，其中Co的质量分数为3～20％，WC的质量分数为80％～97％。
优选的方案，所述连续梯度过渡层厚度为0.1mm～3mm，优选为0.5～1mm。将连续梯度过渡层的厚度控制在上述范围内，性能最优，若连续梯度过渡层过薄，材料过渡区间较小，无法有效降低金刚石复合片内部的残余应力，若过厚会导致硬质合金基体和金刚石层的厚度则会相应降低，降低复合片的耐磨性能以及切削效率。
本发明还提供一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的3D打印制备方法，将金刚石微粉与粘结剂A依次进行混炼，造粒、拉丝获得金刚石聚合物复合丝材，将WC粉末、Co粉末与粘结剂B依次进行混炼，造粒、拉丝获得硬质合金聚合物复合丝材，将金刚石聚合物丝材与硬质合金聚合物丝材分别放入3D打印机的两个进料口中，根据聚晶金刚石复合片的模型，通过进料系统控制着两种丝材的进料速度，使两种丝材单独或按不同的比例进入混合腔中，然后经喷嘴挤出沉积打印，获得聚晶金刚石复合片生坯，聚晶金刚石复合片生坯经脱脂和高温高压合成得到梯度结构聚晶金刚石复合片。
本发明的制备方法，通过双进料单喷嘴FDM打印机的进料系统控制两种丝材的进料速度，在打印硬质合金基体，控制只进入硬质合金丝材，打印聚晶金刚石层时，控制只进入金刚石丝材，而打印连续梯度过渡层时，进料系统控制着两种丝材的不同的进料速度从而实现两种材料的百分比控制，使两种丝材在高温下熔化后，在挤压作用下经过引流腔流入混合腔混合，两种材料充分混合后，通过单喷嘴挤出沉积打印，实现金刚石和硬质合金两种材料的连续变化，完成连续梯度过渡层的制造。
优选的方案，所述金刚石微粉的粒径为1～100μm，所述WC粉末的粒径为100μm以细，所述Co粉末的粒径为100μm以细。
发明人发现，将金刚石微粉、硬质合金粉末的粒径控制在上述范围内，打印精度和成品性能最优。
优选的方案，所述金刚石微粉与粘结剂A的质量比为2:1～20:1。
优选的方案，所述粘结剂A，按质量百分比计，成份组成如下：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物20～65％、聚苯乙烯5～35％、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物5～35％、十二烷基三甲基氯化铵3～10％、油酸1～5％。
本发明的粘结剂A采用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物作为粘结剂中的骨架材料，由于在乙烯链中引入了具有极性的醋酸基团所形成的短支链，改变了原来的结晶状态，使得乙烯-醋酸乙烯酯共聚物较更富有柔韧性和弹性，因此能够赋予丝材较好的韧性。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物能承受高剂量填充剂，可以与不同的有机或无机化合物很好地进行共混，而且将合金粉末与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物混合，可以提高合金粉末的界面亲和力，提高自由成型度。聚苯乙烯具有质地坚硬、刚性大、流动性好、加工温度宽等优点，可以为复合丝材提供较高的强度。而且该聚合物在密炼转子和挤出螺杆中会受到剪切和和高温作用，能够保持着其固有的流动性能。苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物是一种高苯乙烯含量的抗冲击聚合物，其中少量的丁二烯以多嵌段的形式结合到分子链中，能够起到增韧的作用，赋予苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物较高的抗冲击性能和断裂伸长率。十二烷基三甲基氯化铵作为表面活性剂，这种表面活性剂可以有效调控金刚石颗粒的表面性质和颗粒间相互作用，在金刚石颗粒表面形成单分子膜，从而达到对粉体表面改性的作用并提高金刚石颗粒与其它聚合物材料的相容性。阴离子表面活性剂油酸通过吸附在颗粒表面使颗粒表面带静电并通过静电排斥作用阻止粉末颗粒团聚，使得原料粉末中各组分在聚合物中均匀分布，并提高混合料的成型性能。在上述粘结剂A成份的协同作用下，所得丝材具有较好柔韧性、流动性、均匀性，以便打印得到性能均一的生坯。
优选的方案，所述金刚石丝材的直径为1.65～1.85mm。
优选的方案，所述WC粉末与Co粉末的质量之和与粘结剂B的质量比为2:1～20:1。
优选的方案，所述粘结剂B，按质量百分比计，成份组成如下：苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物30～75％、聚氨酯5～35％、聚乙烯醇缩丁醛5～10％，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3～6％、偏苯三酸酯3～6％、硬脂酸1～5％。
发明人发现，苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物既有聚苯乙烯的溶解性和热塑性，又具有聚丁二烯的柔韧性和回弹性，可以作为硬质合金聚合物复合材料的主元，提供复合材料优异的柔韧性，而且苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物与很多聚合物相容，加入树脂和增黏剂可降低其熔融黏度。聚氨酯是一种有机高分子材料，其分子主链是由柔性的长链多元醇和刚性的异氰酸酯嵌段而成的，可以有效分散应力作用，极性和非极性链段的共存也提高了聚氨酯的化学稳定性，同时聚合物内广泛存在的氢键作用，也进一步提高了材料的机械性能，可以作为制备硬质合金聚合物复合材料的骨架材料，与主元苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物相辅相成。聚乙烯醇缩丁醛是热熔性高分子化合物，由于它具有良好的耐寒性和黏合性，对金属、陶瓷等材料有良好的粘接力，可以更好地促进合金粉与聚合物的粘结效果。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料，能够达到增强丝材性能的目的，为丝材提供强度制成，保证丝材能够顺利通过打印机挤出齿轮并送入挤出喷嘴中。偏苯三酸酯主要起到增塑作用，增塑剂分子插入聚合物分子链之间，削弱了聚合物分子链间的作用力，结果增大了聚合物分子链的移动性，降低了聚合物分子链的结晶度，从而使聚合物的塑性增加，因此加入偏苯三酸酯可以提高其他聚合物的可塑性。硬脂酸主要起到分散作用，可以提高硬质合金粉分布的均匀性。
优选的方案，所述硬质合金丝材的直径为1.65～1.85mm。
在实际操作过程中，在计算机三维建模软件中建立具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件直接对该文件进行切割，使其各片层厚度具有可加工性，将最终切片文件导入3D打印设备中；然后将两种丝材分别放入打印机的进料口，启动设备，打印获得具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片生坯。
优选的方案，根据聚晶金刚石复合片的模型，将硬质合金基体的厚度终点设置为渐变起点，将连续梯度过渡层的厚度终点设置为渐变终点，然后先控制进料系统，仅有硬质合金聚合物丝材进入混合腔中，当到达渐变起点时，根据连续梯度过渡层的厚度，使硬质合金聚合物丝材进入混合腔的比例均匀递减，金刚石聚合物丝材进入混合腔的比例均匀递增，直至达到渐变终点，仅有金刚石聚合物丝材进入混合腔中。
优选的方案，所述沉积打印时，渐变起点的位置为4～13mm，渐变终点的位置为4.1～16mm，打印层厚为0.05～0.3mm，打印速度为10～100mm/s。
优选的方案，所述脱脂在真空条件下进行，真空度为2.0×10-2Pa～8.0×10-4Pa；升温程序为：先由室温以5～15℃/min升至80℃～100℃，保温0.5～1h；然后以3～10℃/min升至180℃～230℃，保温1～2.5h；接着以1～5℃/min升至300℃～330℃，保温0.5～1.5h；再以1～5℃/min升至400℃～430℃，保温0.5～1.5h；最后以2～6℃/min升至550℃～620℃，保温0.5～1h，最后随炉冷却。
在本发明的热脱脂过程中，适配于本发明中的两种不同的粘结剂，同时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，避免出现鼓胀、开裂以及粘结剂残留量过高等脱脂问题。
优选的方案，所述高温高压合成的温度为1200℃～1800℃，合成的压力为4～8GPa，合成总时长为5～25min，保温保压时间为100s～900s。
在实际操作过程中，打印得到的聚晶金刚石复合坯体装入金属杯中，通过溶剂脱脂和高温脱脂的方式将生坯中的粘结剂脱除干净；然后将脱脂完成后的金属杯扣上盖杯，装入合成块中；再将合成块放入六面/四面/两面顶压机中在高温高压条件下进行烧结，合成结束后，缓慢卸压降温取出得到具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片。
有益效果：
本发明提供了一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片，具有连续梯度的过渡层可以消除传统金刚石复合片内部的突变界面，使聚晶金刚石复合片内部的层间应力降至最小，增加两种材料分界面处的结合强度，达到优化结构和整体使用性能的目的。
本发明提供一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的3D打印制备方法，借助该技术可以打破传统工艺制作复杂结构工具存在的局限性，通过打印机的进料系统控制两种丝材的进料速度，实现金刚石和硬质合金两种材料的连续变化，完成连续梯度过渡层的制造，能提高大幅提高连续梯度材料的生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1为具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片示意图；
图1中，1-聚晶金刚石层，2-连续梯度过渡层，3-硬质合金基体。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施方式对本发明做出进一步详细说明。
实施例1
设计聚晶金刚石层厚2mm，连续梯度过渡层厚1mm，硬质合金基体11mm；所用硬质合金粉末由10％Co粉末和90％WC粉末组成；所用金刚石微粉的粒径为30μm，WC粉末和Co粉末粒径为10μm以细；金刚石微粉和所述专用粘结剂A的质量比为3:1；所述硬质合金粉末与专用粘结剂B的质量比为3:1；所述专用粘结剂A的成分包括50％乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、25％聚苯乙烯、15％苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、6％十二烷基三甲基氯化铵和4％油酸；所述专用粘结剂B的成分包括55％苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、25％聚氨酯、7％聚乙烯醇缩丁醛，5％丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、4％偏苯三酸酯和4％硬脂酸。
本实例提供一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的3D打印制作工艺，包括以下步骤：
1)打印丝材制备：将金刚石微粉与专用粘结剂A按比例放入密炼机中进行混合，制得金刚石与聚合物混合喂料；将硬质合金粉和专用粘结剂B分别按比例放入密炼机中进行混合，制得硬质合金与聚合物混合喂料；再将两种喂料分批放入造粒机造粒，再将两种颗粒料放入拉丝机中分别挤出得到直径为1.75mm±0.10mm的金刚石聚合物复合丝材和硬质合金聚合物复合丝材；
2)打印模型及参数设计：在计算机中绘制梯具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的模型，将模型导入切片软件中设置打印参数，然后导出打印文件；所述打印参数为渐变起点位置11mm，渐变终点位置12mm，打印层厚0.2mm，打印速度50mm/s；
3)生坯打印：将打印文件导入打印机中，随后将两种丝材分别放入打印机的进料口中，启动打印机打印得到具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片生坯；
4)生坯脱脂：将得到的生坯装入金属杯中，通过溶剂脱脂和高温脱脂的方式将生坯中的专用粘结剂脱除干净；利用真空脱脂工艺脱除专用粘结剂；将生坯放入真空脱脂炉进行热脱脂，真空度3.0×10-3Pa；脱脂升温程序：先由25℃以10℃/min升至100℃，在100℃下保温0.5h；然后从100℃以5℃/min升至200℃，在200℃下保温1h；接着从200℃以3℃/min升至300℃，在300℃下保温0.5h；再从300℃以3℃/min升至400℃，在400℃下保温0.5h；最后从400℃以3℃/min升至550℃，在550℃下保温0.5h，最后随炉冷却，取出试样。
5)组装：将脱脂完成后的金属杯扣上盖杯，装入合成块中；
6)高温高压合成：将合成块放入六面顶压机中在高温高压条件下进行烧结，合成过程中合成温度为1450℃，合成压力为5.5GPa，合成总时长为15min，保温保压时间为200s，结束后从合成块中取出得到具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片。
制得具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片后对其进行性能测试。采用落锤法检测PDC试样的抗冲击性，测得其抗冲击韧性为10.8KJ；采用激光拉曼光谱法检测其残余应力，测得聚晶金刚石层与过渡层界面之间的残余应力值为395MPa；采用热膨胀仪测试其失效温度，测得其热膨胀失效温度为850℃。以上数据说明了采用本发明制备的具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片具有良好的性能。
实施例2
设计聚晶金刚石层厚2mm，连续梯度过渡层厚0.5mm，硬质合金基体11mm；所用硬质合金粉末由10％Co粉末和90％WC粉末组成；所用金刚石微粉的粒径为30μm，WC粉和Co粉粒径为15μm以细；金刚石微粉和所述专用粘结剂A的质量比为3:1；所述硬质合金粉末与专用粘结剂B的质量比为3:1；所述专用粘结剂A的成分包括50％乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、25％聚苯乙烯、15％苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、6％十二烷基三甲基氯化铵和4％油酸；所述专用粘结剂B的成分包括55％苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、25％聚氨酯、7％聚乙烯醇缩丁醛，5％丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、4％偏苯三酸酯和4％硬脂酸。
本实例提供一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的3D打印制作工艺，包括以下步骤：
1)打印丝材制备：将金刚石微粉与专用粘结剂A按比例放入密炼机中进行混合，制得金刚石聚合物复合喂料；将硬质合金粉和专用粘结剂B分别按比例放入密炼机中进行混合，制得硬质合金聚合物复合喂料；再将两种喂料分批放入造粒机造粒，再将两种颗粒料放入拉丝机中分别挤出得到直径为1.75mm±0.10mm的金刚石聚合物复合丝材和硬质合金聚合物复合丝材；
2)打印模型及参数设计：在计算机中绘制梯具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的模型，将模型导入切片软件中设置打印参数，然后导出打印文件；所述打印参数为渐变起点位置11mm，渐变终点位置13mm，打印层厚0.2mm，打印速度50mm/s；
3)生坯打印：将打印文件导入打印机中，随后将两种丝材分别放入打印机的进料口中，启动打印机打印得到具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片生坯；
4)生坯脱脂：将得到的生坯装入金属杯中，通过溶剂脱脂和高温脱脂的方式将生坯中的专用粘结剂脱除干净；利用真空脱脂工艺脱除专用粘结剂；将生坯放入真空脱脂炉进行热脱脂，真空度3.0×10-3Pa；脱脂升温程序：先由25℃以10℃/min升至100℃，在100℃下保温0.5h；然后从100℃以5℃/min升至200℃，在200℃下保温1h；接着从200℃以3℃/min升至300℃，在300℃下保温0.5h；再从300℃以3℃/min升至400℃，在400℃下保温0.5h；最后从400℃以3℃/min升至550℃，在550℃下保温0.5h，最后随炉冷却，取出试样。
5)组装：将脱脂完成后的金属杯扣上盖杯，装入合成块中；
6)高温高压合成：将合成块放入六面顶压机中在高温高压条件下进行烧结，合成过程中合成温度为1450℃，合成压力为5.5GPa，合成总时长为15min，保温保压时间为200s，结束后从合成块中取出得到具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片。
制得具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片后对其进行性能测试。采用落锤法检测PDC试样的抗冲击性，测得其抗冲击韧性为11.8KJ；采用激光拉曼光谱法检测其残余应力，测得聚晶金刚石层与过渡层界面之间的残余应力值为215MPa；采用热膨胀仪测试其失效温度，测得其热膨胀失效温度为865℃。以上数据说明了采用本发明制备的具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片具有良好的性能。
实施例3
设计聚晶金刚石层厚2mm，连续梯度过渡层厚1mm，硬质合金基体11mm；所用硬质合金粉末由10％Co粉末和90％WC粉末组成；所用金刚石微粉的粒径为30μm，WC粉末和Co粉末粒径为20μm以细；金刚石微粉和所述专用粘结剂A的质量比为4:1；所述硬质合金粉末与专用粘结剂B的质量比为4:1；所述专用粘结剂A的成分包括50％乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、25％聚苯乙烯、15％苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、6％十二烷基三甲基氯化铵和4％油酸；所述专用粘结剂B的成分包括55％苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、25％聚氨酯、7％聚乙烯醇缩丁醛，5％丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、4％偏苯三酸酯和4％硬脂酸。
本实例提供一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的3D打印制作工艺，包括以下步骤：
1)打印丝材制备：将金刚石微粉与专用粘结剂A按比例放入密炼机中进行混合，制得金刚石聚合物复合喂料；将硬质合金粉和专用粘结剂B分别按比例放入密炼机中进行混合，制得硬质合金聚合物复合喂料；再将两种喂料分批放入造粒机造粒，再将两种颗粒料放入拉丝机中分别挤出得到直径为1.75mm±0.10mm的金刚石聚合物复合丝材和硬质合金聚合物复合丝材；
2)打印模型及参数设计：在计算机中绘制梯具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的模型，将模型导入切片软件中设置打印参数，然后导出打印文件；所述打印参数为渐变起点位置11mm，渐变终点位置13mm，打印层厚0.2mm，打印速度50mm/s；
3)生坯打印：将打印文件导入打印机中，随后将两种丝材分别放入打印机的进料口中，启动打印机打印得到具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片生坯；
4)生坯脱脂：将得到的生坯装入金属杯中，通过溶剂脱脂和高温脱脂的方式将生坯中的专用粘结剂脱除干净；利用真空脱脂工艺脱除专用粘结剂；将生坯放入真空脱脂炉进行热脱脂，真空度3.0×10-3Pa；脱脂升温程序：先由25℃以10℃/min升至100℃，在100℃下保温0.5h；然后从100℃以5℃/min升至200℃，在200℃下保温1h；接着从200℃以3℃/min升至300℃，在300℃下保温0.5h；再从300℃以3℃/min升至400℃，在400℃下保温0.5h；最后从400℃以3℃/min升至550℃，在550℃下保温0.5h，最后随炉冷却，取出试样。
5)组装：将脱脂完成后的金属杯扣上盖杯，装入合成块中；
6)高温高压合成：将合成块放入六面顶压机中在高温高压条件下进行烧结，合成过程中合成温度为1550℃，合成压力为6GPa，合成总时长为18min，保温保压时间为200s，结束后从合成块中取出得到具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片。
制得具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片后对其进行性能测试。采用落锤法检测PDC试样的抗冲击性，测得其抗冲击韧性为12.1KJ；采用激光拉曼光谱法检测其残余应力，测得聚晶金刚石层与过渡层界面之间的残余应力值为185MPa；采用热膨胀仪测试其失效温度，测得其热膨胀失效温度为872℃。以上数据说明了采用本发明制备的具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片具有良好的性能。
对比例1
其他条件均与实施例1相同，将连续梯度过渡层设计为0.05mm厚。由于连续梯度过渡层过薄，材料过渡区间较小，无法有效降低金刚石复合片内部的残余应力，残余应力值达到了795MPa。
对比例2
其他条件均与实施例2相同，但在脱脂过程中真空度为-0.08MPa，取出的脱脂坯明显出现了氧化现象，这会直接影响金刚石复合片的合成效果，合成后的聚晶金刚石复合片出现凹坑和掉边的问题。
对比例3
其他条件均与实施例3相同，但将合成压力和温度设置为3.5GPa。由于烧结压力过低，导致聚晶金刚石层未完成烧结，取出试样进行喷砂处理后聚晶金刚石层直接脱落，无法得到质量合格的聚晶金刚石复合片。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片从上至下依次由聚晶金刚石层、连续梯度过渡层、硬质合金基体组成，其中连续梯度过渡层由金刚石与硬质合金组成，沿硬质合金基体至聚晶金刚石层的方向，连续梯度过渡层中硬质合金的含量由100％递减至0，金刚石的含量由0递增至100％。
2.根据权利要求1所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述硬质合金为WC-Co，其中Co的质量分数为3～20％，WC的质量分数为80％～97％。
3.根据权利要求1所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片，其特征在于：所述连续梯度过渡层厚度为0.1mm～3mm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：将金刚石微粉与粘结剂A依次进行混炼，造粒、拉丝获得金刚石聚合物复合丝材，将WC粉末、Co粉末与粘结剂B依次进行混炼，造粒、拉丝获得硬质合金聚合物复合丝材，将金刚石聚合物复合丝材与硬质合金聚合物复合丝材分别放入3D打印机的两个进料口中，根据聚晶金刚石复合片的模型，通过进料系统控制着两种丝材的进料速度，使两种丝材单独或按不同的比例进入混合腔中，然后经喷嘴挤出沉积打印，获得聚晶金刚石复合片生坯，聚晶金刚石复合片生坯经脱脂和高温高压合成得到梯度结构聚晶金刚石复合片。
5.根据权利要求4所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：
所述金刚石微粉与粘结剂A的质量比为2:1～20:1；
所述粘结剂A，按质量百分比计，成份组成如下：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物20～65％、聚苯乙烯5～35％、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、5～35％，十二烷基三甲基氯化铵3～10％、油酸1～5％；
所述金刚石丝材的直径为1.65～1.85mm。
6.根据权利要求4所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：
所述WC粉末与Co粉末的质量之和与粘结剂B的质量比为2:1～20:1；
所述粘结剂B，按质量百分比计，成份组成如下：苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物30～75％、聚氨酯5～35％、聚乙烯醇缩丁醛5～10％、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物3～6％、偏苯三酸酯3～6％、硬脂酸1～5％；
所述硬质合金丝材的直径为1.65～1.85mm。
7.根据权利要求4所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：根据聚晶金刚石复合片的模型，将硬质合金基体的厚度终点设置为渐变起点，将连续梯度过渡层的厚度终点设置为渐变终点，然后先控制进料系统，仅有硬质合金聚合物丝材进入混合腔中，当到达渐变起点时，根据连续梯度过渡层的厚度，使硬质合金聚合物丝材进入混合腔的比例均匀递减，金刚石聚合物丝材进入混合腔的比例均匀递增，直至达到渐变终点，仅有金刚石聚合物丝材进入混合腔中。
8.根据权利要求4或7所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：所述沉积打印时，渐变起点的位置为4～13mm，渐变终点的位置为4.1～16mm，打印层厚为0.05～0.3mm，打印速度为10～100mm/s。
9.根据权利要求4所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：所述脱脂在真空条件下进行，真空度为2.0×10-2Pa～8.0×10-4Pa；升温程序为：先由室温以5～15℃/min升至80℃～100℃，保温0.5～1h；然后以3～10℃/min升至180℃～230℃，保温1～2.5h；接着以1～5℃/min升至300℃～330℃，保温0.5～1.5h；再以1～5℃/min升至400℃～430℃，保温0.5～1.5h；最后以2～6℃/min升至550℃～620℃，保温0.5～1h，最后随炉冷却。
10.根据权利要求4所述的一种具有连续梯度过渡层的聚晶金刚石复合片的制备方法，其特征在于：所述高温高压合成的温度为1200℃～1800℃，合成的压力为4～8GPa，合成总时长为5～25min，保温保压时间为100s～900s。
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