金剛石燒結(jié)體殘余應(yīng)力的Raman表征①

賈洪聲，鄂元龍，華 中，賈曉鵬，馬紅安，李 季，李海波

（1.吉林師范大學(xué)功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 四平136000；2.吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130012）

1 引言

金剛石工具殘余應(yīng)力的大小是評(píng)價(jià)其性能品質(zhì)重要的參數(shù)之一，在實(shí)際應(yīng)用中由于存在較大的殘余應(yīng)力，致使金剛石工具出現(xiàn)崩刃、脫層等失效問題［1，2］，在深層地質(zhì)地礦開采等應(yīng)用中表現(xiàn)得尤為明顯，嚴(yán)重地影響其性能。殘余應(yīng)力（表現(xiàn)為金剛石的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力）的來源是由于金剛石與粘結(jié)劑之間的熱膨脹系數(shù)差別較大，同時(shí)合成金剛石材料經(jīng)過缷壓和停溫過程，應(yīng)力會(huì)殘留其中，致使金剛石工具強(qiáng)度降低，尤其在承受較強(qiáng)外力或溫度變化較大時(shí)，金剛石容易破損或從基體上剝落，導(dǎo)致它失去切削等能力而失效。Lin et al.［3］檢測(cè)到金剛石燒結(jié)體內(nèi)部有巨大的殘余應(yīng)力（1400MPa），Catledge et al.［4］測(cè)試金剛石層不同區(qū)域的殘余應(yīng)力為870～1300MPa。目前，在關(guān)于測(cè)試金剛石工具應(yīng)力的很多方法中［4－7］，由于Raman光譜測(cè)試應(yīng)力具有無損樣品、容易制樣、聚焦尺寸小（1μm）等優(yōu)勢(shì)，得到了人們廣泛的應(yīng)用。已經(jīng)成功地計(jì)算了CVD金剛石薄膜的殘余應(yīng)力［8－12］，可以測(cè)試不同物質(zhì)摻雜的金剛石膜，由于金剛石膜生長的不均質(zhì)性，可測(cè)試微區(qū)膜的殘余應(yīng)力，根據(jù)Raman峰的偏移或劈裂情況計(jì)算宏觀及微觀應(yīng)力，Raman測(cè)試金剛石膜應(yīng)力使用廣泛，計(jì)算模型較多。而對(duì)高壓燒結(jié)金剛石體材料的應(yīng)用還較少［13－15］。本文將采用微區(qū)拉曼光譜（micro－Raman spectroscopy）測(cè)試表征不同類型的金剛石燒結(jié)體的殘余應(yīng)力，揭示金剛石制品徑向的應(yīng)力分布規(guī)律。

2 測(cè)試及分析

2.1 Raman光譜測(cè)試殘余應(yīng)力的原理及方法

拉曼散射光譜與固體分子的振動(dòng)有關(guān)，并且只有當(dāng)分子的振動(dòng)伴有極化率變化時(shí)才能與激發(fā)光相互作用，產(chǎn)生拉曼散射。當(dāng)物體存在應(yīng)力時(shí)，某些對(duì)應(yīng)力敏感的譜帶會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)和變形。其中拉曼峰頻率偏移的改變與所受應(yīng)力成正比［16］，應(yīng)力的表現(xiàn)形式及特征如圖1所示。Raman峰形狀及強(qiáng)度，偏移情況體現(xiàn)了金剛石的燒結(jié)形態(tài)及結(jié)晶程度，因此學(xué)者們對(duì)碳的Raman頻率及形狀也做了廣泛的研究［17］。極低應(yīng)力狀態(tài)的金剛石單晶的Raman頻率為1332cm－1，峰型尖銳，強(qiáng)度高。而對(duì)于金剛石燒結(jié)制品，金剛石顆粒的Raman峰峰強(qiáng)較弱，結(jié)晶度不高，峰表現(xiàn)不尖銳，寬化，偏移。

圖1 拉曼峰頻移與材料應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系Fig.1 Relationship between the frequency shift of Raman peak and material stress state

因此，基于以上原理，Raman光譜可以用來計(jì)算各種類型的金剛石體材料的殘余應(yīng)力，同時(shí)判定其是壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。對(duì)于金剛石單晶、原料及工具的測(cè)試要選用適合的計(jì)算模型，在準(zhǔn)靜水壓的條件下可以客觀地測(cè)試應(yīng)力大小及形式；非靜水壓條件下如金剛石單晶及燒結(jié)復(fù)合材料可使用“雙軸模型”。另外，選擇的測(cè)試區(qū)域不同，使用的計(jì)算模型亦不同。對(duì)于不同類型金剛石制品的Raman光譜計(jì)算如公式1和公式2所示。

非靜水壓條件下金剛石殘余應(yīng)力的計(jì)算公式（雙軸模型）：

準(zhǔn)靜水壓條件下金剛石殘余應(yīng)力的計(jì)算公式：σ是殘余應(yīng)力，γo是沒有應(yīng)力下的金剛石的頻率（1332cm－1），γ是被測(cè)區(qū)域匯中金剛石各點(diǎn)的頻率。針對(duì)不同類型的材料，這兩種模型可以進(jìn)行獨(dú)立分析，并能夠得到具體的應(yīng)力形式及數(shù)值。對(duì)于測(cè)試金剛石燒結(jié)體的殘余應(yīng)力，傳統(tǒng)混合粉末燒結(jié)法制備的金剛石表面區(qū)域?yàn)榉庆o水壓環(huán)境，使用“雙軸模型”，而其內(nèi)層可以近似為準(zhǔn)靜水壓條件。因此，以下金剛石燒結(jié)制品的應(yīng)力均采用（1）進(jìn)行測(cè)試計(jì)算。

2.2 金剛石燒結(jié)體的Raman應(yīng)力分析

基于計(jì)算式（1），采用Raman光譜表征對(duì)不同類型的金剛石工具制品進(jìn)行了測(cè)試及表征，測(cè)試區(qū)域均為聚晶金剛石燒結(jié)體表層，將給出各種制品的徑向各個(gè)位置的殘余應(yīng)力分布形式及數(shù)值大小。Raman光譜設(shè)備型號(hào)為RENISHAE invia Raman Microscope，514nm 1kseries Ar＋laser，所有測(cè)試的Raman數(shù)據(jù)均采用a×50物鏡，20mW激光能量，60s采樣時(shí)間，掃描光斑直徑為1μm。如圖2a－d所示，依次為（a）國內(nèi)某廠家Ф13mm金剛石復(fù)合片；（b）實(shí)驗(yàn)室原位燒結(jié)Ф15mm金剛石復(fù)合片；（c）日本某品牌Ф52mm金剛石復(fù)合片；（d）國內(nèi)Ф12.5mm金剛石球齒。其橫坐標(biāo)表示為金剛石被測(cè)的區(qū)域，縱坐標(biāo)分別為Raman測(cè)試所得的峰值及對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力。應(yīng)力分布規(guī)律見圖2中各點(diǎn)標(biāo)示。

圖2 金剛石制品殘余應(yīng)力的Raman分析Fig.2 The Raman analysis of the residual stress of diamond products

如圖2（a），表征了國內(nèi)的Ф13mm尺寸的金剛石復(fù)合片，徑向從邊緣依次取a、b、c三個(gè)微區(qū)，給出了其Raman峰的形貌及數(shù)值，Raman峰強(qiáng)度較弱，寬化較嚴(yán)重。根據(jù)公式1得到了其殘余應(yīng)力形式，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，數(shù)值達(dá)到1750MPa以上，中心的應(yīng)力略高于邊緣。

如圖2（b），原位燒結(jié)法制備的金剛石復(fù)合片，即采用硬質(zhì)合金基體中Co熔滲的方法燒結(jié)金剛石復(fù)合片。也出現(xiàn)中心部位的應(yīng)力高于邊緣的現(xiàn)象，且邊緣應(yīng)力為拉應(yīng)力，最高為700MPa；中心區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，其最高應(yīng)力值約為900MPa。

如圖2（c），國外大尺寸的Ф52mm金剛石復(fù)合片應(yīng)力平均值為530MPa，其規(guī)律表現(xiàn)為中心的應(yīng)力較高，邊緣低，高應(yīng)力的位置表現(xiàn)為壓應(yīng)力形式，而邊緣為拉應(yīng)力，數(shù)值較小。由于金剛石燒結(jié)制品中心部分所處的燒結(jié)溫度高于邊緣，特別是大尺寸金剛石制品的燒結(jié)腔體內(nèi)溫度不均勻性更為明顯，致使在金剛石復(fù)合片不同區(qū)域性能差別較大；雖然國外產(chǎn)品尺寸遠(yuǎn)大于國內(nèi)制品，然而其在控制改善應(yīng)力方面有其優(yōu)勢(shì)。

如圖2（d），除了表征金剛石復(fù)合片外，也測(cè)試了國內(nèi)Ф12.5mm的金剛石球齒。在半球形金剛石層表面取了4個(gè)測(cè)試微區(qū)進(jìn)行了Raman測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其也存在兩種應(yīng)力形式，且應(yīng)力與位置對(duì)應(yīng)關(guān)系的規(guī)律不明顯，即表明非平面型的金剛石燒結(jié)體在各個(gè)區(qū)域殘余應(yīng)力差別較大，分析認(rèn)為這也是由于燒結(jié)過程中各區(qū)域存在溫度梯度所致。

3 結(jié)束語

對(duì)于平面型的金剛石燒結(jié)體表層存在不同形式的殘余應(yīng)力（壓應(yīng)力和拉應(yīng)力），徑向各區(qū)域的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為中心高，邊緣低；而對(duì)于球型金剛石的燒結(jié)制品，各區(qū)域應(yīng)力規(guī)律不明顯，數(shù)值差別巨大。殘余應(yīng)力分布不均勻主要是由于金剛石燒結(jié)過程中存在溫度梯度所致。

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