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Título: Obtaining triple layer polycrystalline diamond compact by HPHT method
Autor(es): Mashhadikarimi, Meysam
Palavras-chave: Compacto de diamante policristalino;PDC;Alta pressão e alta temperatura;Diamante;Interface;Substrato de WC/Co
Data do documento: 10-Jul-2017
Citação: MASHHADIKARIMI, Meysam. Obtaining triple layer polycrystalline diamond compact by HPHT method. 2017. 127f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
Resumo: The primary objective of this thesis was to obtain a triple layer polycrystalline diamond compact (PDC) containing a polycrystalline diamond as top layer, a WC 10 wt% Co substrate, and a WC 20 wt% Nb/Ni interface to bond these two layers via high pressure high temperature (HPHT) sintering. To achieve this objective, the project has been done in three different stages. The first stage was producing diamond sintered body with a suitable binder, and finding the best sintering parameters. The second stage of project was done to study the WC 10 wt% Co hardmetal substrate at different sintering conditions, and the third and last stage was done according to the results achieved from previous stages to obtain a triple layer PDC. At the first stage, four different binders were used to sinter diamond under HPHT condition. Binders were Nb/Fe, Nb/Co, Nb/Ni and pure Nb and 10 wt% binder was used. Sintering was carried out at different temperature and under different pressure and holding time. Obtained samples were studies according to relative density, microstructure, and hardness to find the optimum binder and sintering parameters. Studies at this stage showed that Nb is the best binder and T=1750 °C, 7.7 GPa with holding time more than 6 minutes are the best sintering parameters. At the second stage a powder mixture of WC 10 wt% Co was sintered via HPHT at 1500, 1600, 1700, 1800, and 1900°C under 7.7 GPa pressure for 2 and 3 minutes. Microstructural/structural analyses were performed by SEM/EDS and XRD and hardness, Indentation Fracture Toughness (ITF) and compression tests were also carried out to understand effects of different sintering parameters. At this stage, it was found that full density can achieved for high sintering temperature along with abnormal grain growth. High hardness was observed in range starting from 1250 up to 1650 HV. At the third stage, to obtain PDC, a thin layer of WC 20 wt% Nb/Ni was used as an interface between top layer of diamond with pure Nb binder and WC 10 wt% Co substrate. Sintering was done via HPHT method at 1750°C under 7.7 GPa of pressure. Two different holding time of 6 (three successive 2 minutes) and 9 (three successive 3 minutes) were used. Hardness was measured and microstructural/structural studies were done via SEM/EDS. The overall results showed that this new kind of PDC can successfully produce using a new pure Niobium binder for diamond without any graphitization. It was also found that using an interface having the resemblance to both substrate and sintered diamond body caused good adhesion between layers that can results in enhanced performance and improving durability of PDC.
metadata.dc.description.resumo: Neste trabalho de pesquisa, foi obtido um compacto de diamante policristalino (PDC), constituído de uma camada superior de diamante policristalino sob um substrato de WC-10% em peso de Co e uma interface de WC-20% em peso de Nb/Ni entre as camadas, através de método de sinterização de alta pressão e alta temperatura (HPHT). Para alcançar esse objetivo, foram realizadas três etapas distintas. Na primeira etapa, foi sinterizado o corpo de diamante com um ligante adequado, e foram obtidos os melhores parâmetros de sinterização. Na segunda etapa, foi realizado o estudo de diferentes condições de sinterização para o substrato de metal duro WC-10% p.Co. E, na terceira e última etapa, foi produzido, de acordo com os resultados alcançados nas etapas anteriores, o compacto de diamante policristalino de camada tripla (PDC). Na primeira etapa, quatro ligantes diferentes foram usados para sinterizar o diamante através do método HPHT. Os ligantes utilizados foram o Nb/Fe, Nb/Co, Nb/Ni e Nb puro, sendo 10% em peso de ligante utilizado para cada composição. A sinterização foi realizada a diferentes temperaturas e sob diferentes pressões e tempos. As amostras obtidas foram analisadas através das medidas de densidade relativa e dureza, além das imagens eletrônicas de varredura, para encontrar os melhores parâmetros de sinterização e ligante. Os estudos mostraram que o Nb apresentou o melhor comportamento, e que os melhores parâmetros de sinterização foram: T = 1750 °C, P = 7,7 GPa, t = 6 minutos. Na segunda etapa, uma mistura em pó de WC-10% em peso de Co foi sinterizado através de HPHT sob pressão de 7,7 GPa, variando temperatura (1500 ºC, 1600 ºC, 1700 ºC, 1800 ºC, 1900 ºC) e tempo (2 e 3 minutos). As análises microestruturais e estruturais foram realizadas através de MEV/EDS e DRX. Ensaios de dureza, tenacidade (ITF) e de resistência à compressão, também, foram realizados para entender os efeitos de diferentes parâmetros de sinterização nas propriedades dos sinterizados, verificando-se densificação total das amostras sinterizadas a altas temperaturas. Entretanto, foi observado um crescimento anormal de grãos para estas mesmas temperaturas. Altos valores de dureza foram observados, aproximadamente, entre 1250 a 1650 HV para todas as amostras sinterizadas. Na terceira etapa, para a obtenção do PDC, uma camada fina de WC-20% em peso de Nb/Ni foi utilizada para a formação da interface entre a camada superior de diamante com ligante de Nb pura e o substrato de WC 10% em peso de Co. A sinterização foi feita através do método HPHT à temperatura de 1750 °C sob 7,7 GPa de pressão. Foram utilizados dois tempos diferentes, de 6 min. (três sucessivos 2 minutos) e 9 min. (três sucessivos 3 minutos). A dureza foi medida e os estudos estruturais/microestruturais foram realizados através de análises de MEV/EDS. Em suma, os resultados mostraram que este novo tipo de PDC pode ser produzido com sucesso, usando um novo ligante, o niobio puro, para o diamante, sem qualquer presença de grafitização. Verificou-se também que o uso de uma interface com os mesmos elementos constituintes do substrato e do corpo de diamante sinterizado resultou numa boa adesão entre as camadas, o que pode resultar em melhor desempenho e melhorar a durabilidade do PDC.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/23749
Aparece nas coleções:PPGCEM - Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais

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