Ключ к превосходным характеристикам термостабильного поликристаллического алмаза (PCD) в суровых условиях, таких как высокие температуры и высокие нагрузки, заключается в уникальном составе материала и конструкции микроструктуры. По сравнению с обычным PCD, в термостойкой версии улучшены выбор сырья, оптимизация фазы соединения и пост-обработка, что значительно повышает ее термостойкость и срок службы, сохраняя при этом чрезвычайно высокую твердость алмаза.
Базовая структура PCD состоит из алмазных частиц размером от микронного- до субмикронного-, спеченных вместе со связующей фазой. В термически стабильном ПКА размер частиц и кристаллическая форма алмазного порошка строго выбираются, обычно используется монокристаллический алмазный порошок -высокой чистоты-, чтобы обеспечить прочную связь между зернами и общую механическую консистенцию. Контроль распределения частиц по размерам особенно важен; чрезмерно крупный размер частиц может создать зоны слабого соединения, а чрезмерно мелкий размер частиц снижает макроскопическую прочность режущей кромки. Разумное соотношение позволяет достичь баланса между износостойкостью и ударопрочностью.
Фаза соединения является решающим фактором, определяющим термическую стабильность. В традиционном ПКА в качестве катализаторов и связующих обычно используются такие металлы, как кобальт и никель. Эти металлы могут способствовать превращению алмаза в графит при высоких температурах, ограничивая его рабочую температуру. В термически стабильном PCD используется модифицированная система связующих, которая эффективно подавляет реакции фазового превращения при высоких температурах за счет снижения содержания каталитического металла или введения неметаллических связующих фаз на основе керамики или карбидов-на-основе. Например, в некоторых составах в качестве мостиковых фаз используются силициды или бориды, поддерживающие металлургическую связь между частицами и одновременно снижающие активность каталитической графитизации, что позволяет материалу сохранять стабильность алмазной фазы выше 700 градусов.
На этапе пост-обработки термически стабильный PCD подвергается отжигу в условиях высокотемпературного-вакуума или защиты атмосферы, в результате чего каталитическая фаза остаточного металла дезактивируется или мигрирует в не-критические области на границах зерен, тем самым дополнительно повышая температуру термического разложения и стойкость к окислению. Этот процесс значительно улучшает сопротивление термической усталости материала без существенного снижения твердости, что делает его менее склонным к распространению микротрещин при переменных тепловых нагрузках.
Кроме того, к поверхности ПКА можно применять функционализирующую обработку для удовлетворения различных требований применения, например, для формирования чрезвычайно тонкого защитного слоя посредством осаждения из паровой фазы для дальнейшего улучшения коррозионной стойкости или контроля коэффициента трения. Выбор данного типа поверхностного материала тесно связан с прочностью связи с матрицей, и необходимо обеспечить согласование решетки с алмазными зернами для предотвращения межслоевого расслоения, вызванного концентрацией термических напряжений.
В целом, превосходные характеристики термостабильного PCD обусловлены синергетическим эффектом тщательно подобранного алмазного порошка, оптимизированной конструкции связующей фазы и специализированных процессов термообработки. Глубокое понимание основных материалов не только помогает выбирать материалы для решения задач обработки, но также закладывает прочную основу для последующих инноваций в процессах и улучшения производительности.
