铼的添加对多晶金刚石复合体磨损、抗冲击性和热稳定性的影响

《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》：Effect of rhenium addition on the wear, impact, and thermal stability of polycrystalline diamond compacts

　　

摘要

聚晶金刚石复合片（PDC）已广泛应用于石油和天然气钻探行业，但由于Co/金刚石热失配以及高温下Co催化的石墨化作用，磨损和崩碎退化是普遍存在的问题。本研究通过高压高温（HPHT）工艺，向金刚石粉末中添加不同质量分数的Re，制备了PDC样品。研究发现，Re主要分布在Co相中，形成连续的(W, Re)_XCo_1-X合金。Re的加入可以提高PDC的冲击韧性和热稳定性。在切削深度为0.6 mm的大理岩磨削测试中，Re-PDC的磨损面积与未添加Re的PDC样品（D-PDC）相比减少了50%以上，退化模式从脆性崩碎转变为以磨蚀磨损为主的磨损。即使与去钴PDC样品相比，Re5-PDC的磨损面积也降低了约20%。此外，裂纹萌生的临界冲击能从6 J提高到16 J，Re5-PDC的累积失效能增加了约180%。Re-PDC还表现出增强的热稳定性，热膨胀拐点延迟了约30°C。这些结果表明，添加Re是同时提高PDC热稳定性、耐磨性和冲击韧性的有效策略。

引言

聚晶金刚石复合片（PDC）是在高压高温（HPHT）条件下，将金刚石粉末层烧结在硬质合金基体上制成的[1]、[2]。其特点是超高速率（约60–90 GPa）、优异的耐磨性和良好的导热性[3]。自20世纪80年代引入以来，聚晶金刚石（PCD）在石油和天然气钻探、精密加工和地质勘探等行业中发挥了不可替代的作用[4]、[5]、[6]。所有这些优异性能都源于在HPHT条件下使用钴（Co）作为催化剂，在金刚石颗粒之间形成的共价键（D-D键）。耐磨性、冲击韧性和热稳定性直接决定了PDC在极端工况下的使用寿命和加工效率。

在实际应用中，Co在高温下充当石墨化催化剂，可将金刚石的石墨化起始温度从1700°C以上降低至约700°C[7]、[8]、[9]。这可能导致在高温重载条件下性能急剧退化，特别是在干切削或深井钻探中，摩擦热会使催化剂相软化并诱导金刚石石墨化，使磨损机制从理想的磨蚀磨损转变为严重的脆性崩碎[10]、[11]、[12]、[13]。此外，在循环动态冲击载荷下，裂纹容易在金刚石-Co弱界面处萌生和扩展，最终导致金刚石颗粒的崩碎[14]、[15]、[16]。另外，由于Co相和金刚石的热膨胀系数存在显著失配（钴约为12.5 × 10^?6/K，金刚石约为1.0 × 10^?6/K）[17]，热循环会引入很高的内部热应力，这可能会加速热损伤并最终导致PDC的分层和崩碎[8]、[14]。

为了提高热稳定性，"去钴化"PDC被广泛应用，通过消除Co并减少热失配来实现[18]、[19]、[20]。虽然这一策略可以提高热稳定性，但会在PCD层中留下孔隙，并消除了金属Co结合剂提供的机械支撑和能量耗散能力。这些结构变化使得在冲击载荷下容易发生应力集中和裂纹扩展，从而降低PDC的冲击韧性[21]。因此，迫切需要找到一种方法，既能有效抑制Co的催化效应，又能保留甚至增强其力学性能[9]、[21]、[22]、[23]、[24]。

先前的研究曾试图调节催化剂相或将增强相引入PDC中。例如，已使用SiC晶须、纳米NbC、Ta粉末和ZrB₂来提高耐磨性、硬度、冲击韧性或热稳定性[24]、[25]、[26]、[27]。这些研究表明，对结合剂相进行微观结构调控是提高PDC性能的有效途径。然而，同时实现耐磨性、冲击韧性和热稳定性的提升仍具有挑战性。

已知Re可以 improve 钴基和钨基合金的高温强度、冲击韧性和结构稳定性[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。此外，Re还能抑制元素间的扩散并提高合金涂层的高温抗氧化性[34]。基于这些特性，本研究决定选用Re作为合金化元素来改性PDC中的Co基结合剂相。提出Re的加入可以促进形成连续的Co-W-Re合金化结合剂，从而增强金刚石/结合剂界面、提高催化剂相的热稳定性并减少Co催化石墨化的倾向。

本研究通过HPHT烧结制备了不同Re含量的PDC样品。Re作为合金化添加剂引入，而非作为独立的结合剂相。因此，选择1–5 wt%的范围来逐步改性浸渗的Co基催化剂相，同时限制金刚石分数降低和可能形成的过多含Re次生相。通过XRD、SEM、EDS、TEM、大理岩磨削测试、落锤冲击测试、TG-DSC和热膨胀分析，系统地研究了Re添加对相演变、界面微观结构、磨损行为、冲击韧性和热稳定性的影响。研究结果阐明了Re在调节结合剂相中的作用，并为提高PDC在苛刻机械和热工况下的综合性能提供了一种可行的策略。

章节要点

样品制备

采用金刚石粉末（粒径：0.25–25 μm，河南联合精密材料有限公司）和Re粉末（平均粒径：50 nm，纯度：99.9%）作为原材料。通过调节Re在金刚石/Re粉末混合物总质量中的名义质量分数为1、2、3、4和5 wt%来制备金刚石/Re粉末混合物。Re粉末在干燥条件下通过三辊研磨/混料工艺与金刚石粉末均匀混合24 h。纯金刚石粉末未添加Re

PDC的微观结构

背散射电子（BSE）图像中观察到的对比度主要取决于局部区域的平均原子序数，可用于直观反映催化剂相组成的变化。如图4(a)所示，在相同成像条件下，D-PDC中的高亮区域主要归因于离散分布的W元素，对应于Co浸渗过程中捕获的WC颗粒。随着Re添加量的增加，整体

讨论

上述结果表明，Re的添加同时提高了PDC的耐磨性、冲击韧性和热稳定性。这些改善与催化剂相和金刚石与结合剂之间界面结构的改性密切相关。先前的关于WC-Co-Re硬质合金的研究表明，Re可以溶解到Co基结合剂相中，并通过固溶合金化和结合剂相

结论

本研究通过HPHT烧结制备了含0–5 wt% Re的PDC，并研究了Re对微观结构、力学性能和热稳定性的影响。主要结论如下：

• (1)
  Re的添加促进了HPHT烧结过程中Co、W和Re的合金化，形成了连续的(W, Re)_XCo_1-X三元固溶体结合剂，并增强了金刚石/结合剂界面。
• (2)
  Re的添加提高了PDC的耐磨性。失效

CRediT作者贡献声明

郭孟源：撰写 – 初稿，方法学，调查，获取经费，形式分析，数据整理，概念化。翟新茹：调查。邓立芬：撰写 – 审阅与编辑。崔西伟：方法学。马祥恩：形式分析。李小玲：概念化。侯帅：数据整理。西村和仁：监督指导。蒋楠：监督指导。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金-联合企业创新基金（U25B6007）、国家重点研发计划（2024YFB3816600）、中国科学院科学仪器研制项目（PTYQ2024YZ0007）、宁波市科技重大专项（2022Z191）、宁波市永强人才引智项目（2021A-037-C）、宁波先进海洋材料重点实验室重大专项

郭孟源|翟新茹|邓立芬|崔西伟|马祥恩|李小玲|侯帅|西村和仁|蒋楠

中国科学院宁波材料技术与工程研究所，先进海洋材料国家重点实验室，极端环境材料表面与界面浙江省重点实验室，中国宁波 315201