高韧性聚晶金刚石的制备与性能研究

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聚晶金刚石具有硬度高、耐磨性好、导热率高、使用寿命长和加工质量好等特点,在现代工业中发挥着越来越重要的作用。本课题采用高温高压法分别制备了以Si-Ti-B-Al体系和Si-SiC-B体系为结合剂的中介结合型聚晶金刚石,以及以Co-Ti-W体系为结合剂的烧结型聚晶金刚石,探究了烧结温度、结合剂体系及含量对聚晶金刚石性能的影响;以中介结合型聚晶金刚石为基础组分,引入增强相SiC晶须,探究了SiC晶须含量对聚晶金刚石机械性能的影响以及SiC晶须的增韧机理。中介结合型聚晶金刚石的致密度、抗弯强度和磨耗比随烧结温度的升高呈现出先增大后减小的趋势,当烧结温度为1450°C,结合剂含量为15 wt.%时,Si-Ti-B-Al型聚晶金刚石的综合性能最佳,此时样品的致密度为99.7%,抗弯强度为675 MPa,磨耗比为12.88,硬度为53.3 GPa,断裂韧性为4.50 MPa·m1/2;同条件下,Si-SiC-B型聚晶金刚石的致密度为99.75%,抗弯强度达到700 MPa,磨耗比为13.38,硬度为58.6 GPa,断裂韧性为5.23 MPa·m1/2。以Co-Ti-W体系为结合剂制备的烧结型聚晶金刚石的致密度、抗弯强度和磨耗比随烧结温度的升高呈现出先增大后减小的趋势,当烧结温度为1450°C,结合剂含量为13 wt.%时,聚晶金刚石的整体性能最佳,此时样品的致密度为99.65%,抗弯强度为637 MPa,磨耗比为11.80,硬度为63.2 GPa,断裂韧性为5.42 MPa·m1/2。该条件下Co-Ti-W型聚晶金刚石的初始氧化温度为764°C,相比较传统的烧结型聚晶金刚石(700°C)有所提高,但是其热稳定性仍远低于中介结合型聚晶金刚石(>900°C)。PCD-SiCw复合材料的断裂韧性随着SiC晶须含量的增加先增大后减小,当SiC晶须含量为10 wt.%时,PCD-SiCw复合材料的断裂韧性达到最大值,为7.3MPa·m1/2,远高于未添加SiC晶须的PCD(4.5 MPa·m1/2)。SiC晶须的增韧机制主要是裂纹偏转、晶须拔出和晶须桥连。
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