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小腔体液压机合成13-13型PDC工艺研究及性能检测分析

作　者: 李端心
导　师: 黎明发
学　校: 武汉理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 高温高压 复合片 有限元分析 残余热应力
分类号: TG315.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007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，WC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。然而，由于国内合成复合片的高温高压设备都是从单晶金刚石合成设备转化而来，此类液压机腔体直径都在400mm以下，一般只能合成小尺寸的PDC。而小尺寸PDC中单质金属或合金都难以有效地润湿和粘结金刚石颗粒，界面结合弱，限制了其应用范围。因此，研究小腔体液压机上合成大尺寸复合片的合成机理及界面结合问题就具有特别重要的意义。本文从分析聚晶金刚石与金属基体间的界面结合问题及其复合机理出发，提出了对聚晶金刚石复合体的组成成分进行设计和对合成工艺进行优化，在国内首次采用6×8MN铰链式六面顶液压机进行合成Φ13-13型金刚石复合片的研究，同时采用SEM、FRS等研究方法，开展了以下几方面的研究：1．在六面顶液压机上高温高压合成Φ13-13mm聚晶金刚石复合片，并对合成复合片合成机理和过程进行了研究。2、对合成Φ13-13型复合片从宏观上检测了磨耗比、抗冲击性、耐热性，通过结果分析，Φ13-13mm型复合片完全达到了一般钻探用石油复合片的要求；微观上，通过扫描电镜观察和激光拉曼光谱分析，聚晶金刚石—硬质合金复合片在微观组织结构、元素成分分布方面的存在缺陷，结合对现有烧结工艺的分析，研讨了造成这些缺陷的机理。3、利用有限元方法对金刚石—硬质合金复合片的残余热应力进行了分析，并采用ANSYS软件对其进行有限元计算，得出了复合片内各方向上的残余热应力分布，提出了通过调整金刚石层与硬质合金的热膨胀系数差和厚度比可以调整复合片内的残余应力大小。通过对我们合成Φ13-13型复合片的性能检测和微观观察，其各项性能都达到了钻探用石油复合片片的应用标准，这为小腔体液压机的应用增加了新的方向。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-21
  1.1 金刚石复合片概述  9-10
  1.2 金刚石复合片的性能研究及应用  10-17
    1.2.1 金刚石复合片性能研究现状  10-16
    1.2.2 金刚石复合片应用  16-17
  1.3 金刚石复合片的发展现状和趋势  17-19
    1.3.1 国内外金刚石复合片的发展过程  17-18
    1.3.2 金刚石复合片发展趋势  18-19
  1.4 本课题研究的内容和目的  19-21
    1.4.1 本课题研究的背景与现状  19
    1.4.2 本课题研究内容与目的  19-21
第2章 金刚石复合片合成机理与制备过程  21-30
  2.1 PDC合成理论基础  21
  2.2 超高压合成技术与合成设备  21-25
    2.2.1 超高压合成技术  21-23
    2.2.2 超高压的获得及合成设备  23-25
  2.3 样品的制备  25-30
    2.3.1 PDC制造工艺简介  25
    2.3.2 实验原料及处理  25-26
    2.3.3 合成块的组装  26-27
    2.3.4 高温高压合成  27
    2.3.5 合成后处理  27-30
第3章 金刚石复合片性能检测与分析  30-44
  3.1 测试样品的准备  30
  3.2 样品性能测试方法与结果分析  30-42
    3.2.1 耐磨性性能测试  30-32
    3.2.2 抗冲击性性能测试  32-34
    3.2.3 耐热性性能测试  34-36
    3.2.4 扫描电镜分析测试  36-40
    3.2.5 激光拉曼光谱分析测试  40-42
  3.3 本章小结  42-44
第4章 13-13复合片残余热应力分析及有限元计算  44-57
  4.1 金刚石复合片残余热应力分析  44-50
  4.2 基于ANSYS的金刚石复合片残余热应力计算  50-56
    4.2.1 通用有限元分析软件ANSYS的概述  50-51
    4.2.2 有限元模型的建立  51-53
    4.2.3 材料的性能参数  53-54
    4.2.4 计算结果及分析  54-56
  4.3 本章小结  56-57
第5章 全文总结  57-58
参考文献  58-61
致谢  61-62
攻读硕士学位期间发表的论文  62

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属压力加工 > 锻造、锻压与锻工 > 锻造用机械与设备 > 液压机
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