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聚晶金刚石复合片（PDC）残余应力与锚杆钻头失效机制

作　者: 王海耀
导　师: 孙振亚
学　校: 武汉理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 聚晶金刚石复合片 (PDC) 热残余应力 锚杆钻头 失效机制
分类号: TQ163
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


聚晶金刚石复合片是以金刚石微粉为原料,碳化钨硬质合金作为基体,通过特定的合成工艺在高温高压条件下烧结而成的一种超硬复合材料。复合片兼具金刚石硬度高、耐磨性好以及硬质合金抗冲击性能强的优点,现已从深井钻探的使用扩大到矿床勘探及机械加工等各个领域,复合片也逐渐取代单晶金刚石成为超硬材料家族中最重要的一员。聚晶金刚石复合片作为新型的超硬复合材料,代替传统合金材料使用在锚杆钻头上,应用已经十分广泛。论文主要内容和结论如下：1.简单介绍了聚晶金刚石复合片高温高压合成的机理。本次实验的样品选用的是在铰链式六面顶液压机不同合成压力下合成的1308系和1304系的不同界面形态的聚晶金刚石复合片。2.利用JXA-8230型电子探针仪分析了所选的聚晶金刚石复合片在微观组织结构、组成成分分布和粒径分布几方面的特征,以及对残余应力的影响,结合现有的合成工艺,对相关影响因素进行了探讨。3、采用INVIA型显微共焦激光拉曼光谱仪对样品进行石墨化及残余应力的测试分析。通过拉曼特征峰分析样品是否出现石墨化,内部残余应力性质,并利用公式计算出了残余应力大小。4、通过分析得知,界面形貌不同的1308系样品,合成压力大使钴出现了明显的富集现象,造成钴在中间和边缘的分布存在较大差异,粒径分布也不均匀。钴的富集也造成残余应力增大,且沿径向分布极不均匀,甚至出现了拉应力；不同形貌的1304系样品,合成压力的不同没有造成钴的明显富集,钴在中间和边缘的分布均匀,小的合成压力使粒径分布更佳均匀,虽然内部也有残余应力存在,但是却沿径向均匀分布。在原材料相同的情况下,界面形貌与合成压力的差异会引起较大的残余应力,使复合片的性能降低。5、设计锚杆钻头微钻台实验,对锚杆钻头的失效进行分析,得出失效的机制,并提出相应的改进方法。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-18
  1.1 研究背景及意义  9
  1.2 聚晶金刚石复合片(PDC)锚杆钻头概述  9-14
    1.2.1 聚晶金刚石复合片概述  9-12
    1.2.2 PDC的发展趋势  12-13
    1.2.3 PDC使用领域的扩展  13-14
  1.3 PDC锚杆钻头概述  14-16
    1.3.1 锚杆钻头  14-15
    1.3.2 PDC锚杆钻头的研究进展  15-16
  1.4 研究的内容和目的  16-18
    1.4.1 研究的目的及意义  16
    1.4.2 研究的内容  16-18
第二章 实验方法与实验设备  18-28
  2.1 实验技术路线  18-19
  2.2 聚晶金刚石锚杆钻头的制备  19-21
    2.2.1 PDC的制备  19-21
      2.2.1.1 高压技术与高压设备  19-20
      2.2.1.2 PDC的合成方法  20-21
  2.3 PDC的机械性能检测  21-25
    2.3.1 抗冲击测试  22-23
    2.3.2 耐磨性能测试  23-24
    2.3.3 热稳定性测试  24-25
  2.4 SEM检测  25
  2.5 拉曼检测  25
  2.6 PDC的加工  25-28
第三章 聚晶金刚石复合片的制备及检测  28-45
  3.1 PDC制备  28-32
    3.1.1 PDC制造工艺简介  28
    3.1.2 合成原料及试剂  28-30
    3.1.3 PDC高温高压合成实验  30-32
    3.1.4 合成后处理  32
  3.2 PDC的SEM检测  32-36
    3.2.1 PDC显微结构分析  33-34
    3.2.2 PDC表面粒径分析  34-35
    3.2.3 显微结构与PDC性能的关系  35-36
  3.3 PDC的拉曼测试  36-40
    3.3.1 石墨化分析  36-39
    3.3.2 残余应力分析  39-40
  3.4 基于有限元的PDC残余应力分析  40-45
    3.4.1 有限元模型的建立  41-42
    3.4.2 PDC合成过程中合成温度的波动对残余热应力的影响  42-45
第四章 聚晶金刚石复合片锚杆钻头抗冲击性实验  45-51
  4.1 实验方案  45-46
  4.2 实验数据  46-49
    4.2.1 实验现象描述  46-48
    4.2.2 数据分析  48-49
  4.3 小结  49-51
第五章 结果总结及展望  51-53
  5.1 结论  51
  5.2 存在的问题与展望  51-53
致谢  53-54
参考文献  54-58
攻读硕士期间发表论文情况  58

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 电热工业、高温制品工业 > 人造超硬度材料的生产
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