Registration Number
0825U003625, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
30-10-2025
popup.evolution
.
Title
The effect of titanium surface coating on diamond powder particles on the formation of wear-resistant diamond composites sintered under high pressure
Author
Vienikov Vladyslav O.,
popup.head Oleksandr O. Bochechka
popup.opponent Alexander D. Rud
popup.opponent Yaroslav G. Tymoshenko
popup.review Valentyn V. Lysakovskyi
popup.review Igor A. Petrusha
popup.rada
V. Bakul Institute of superhard material of the National Academy of Sciences of Ukraine
Description
Алмазні композиційні матеріали широко використовуються в промисловості з середини минулого століття, на кшталт бурового та лезового інструментів. Сучасні надтверді полікристалічні матеріали на основі алмазу належать до важливих матеріалів інструментального призначення завдяки своїм фізико-механічним властивостям. Проте алмазні композиційні матеріали мають низку властивостей, які обмежують їх застосування як матеріалу інструментального призначення, одним з яких є низька термостабільність і відповідно, низька зносостійкість за підвищених температур.
Виготовлення алмазних порошків з яких формують алмазні полікристали, в промислових масштабах відбувається в присутності розчинників вуглецю, а саме металів та сплавів на основі елементів групи заліза, на кшталт нікелю, кобальту та заліза. Проте, за умов роботи на повітрі, наприклад руйнування породи буровим інструментом, де присутнє нагрівання вище 700°С, такі порошки та сформовані з них композити втрачають свої фізико-механічні властивості.
Робочі елементи бурового інструмента зазвичай складаються з частинок алмазного порошку та металевої матриці, в якій вони знаходяться. Одним з призначень матриці є утримання алмазних частинок в інструменті до їх повного зношування. Міцність утримання частинок алмазу визначається хімічною взаємодією матеріалу матриці з алмазними зернами та їхніми фізико-механічними властивостями.
В разі формування каркасу з частинок алмазного порошку металева добавка має сприяти ущільненню алмазних полікристалів шляхом зменшення тертя між алмазними зернами та їх кращому проковзуванню одне відносно одного.
Перспективним напрямком у вдосконаленні композиційних матеріалів та інструментів на основі алмазу є формування на поверхні алмазних частинок покриттів з карбідоутворюючих елементів, які можуть при подальшому спіканні під дією високого тиску та високої температури утворювати стійкі сполуки з атомами карбону, що має підвищувати термостабільність та ступінь зв’язку між алмазними зернами. Одним з таких карбідоутворюючих елементів є титан, який окрім формування хімічного зв’язку з поверхнею алмазного порошку, є сорбентом кисню, що до певних температур запобігає графітизації алмазних частинок, оскільки він зв’язує себе основну його частину, в системі алмаз-титан-кисень.
В цій праці досліджується ступінь подрібнення алмазного порошку під час навантаження в апараті високого тиску в залежності від розміру порошку, що стискається за кімнатної температури, та його вплив на густину та пористість зразків. Встановлено, що зі збільшенням розміру порошків підвищується ступінь їх подрібнення, відтак наявність крупних фракцій під час спікання алмазних композитів збільшує їх густину в порівнянні зі спіканням аналогічних композитів за відсутності крупних частинок алмазних порошків.
Досліджено закономірності впливу титанового покриття, нанесеного методом CVT на поверхні частинок алмазних порошків систем росту Mg-Zn-B-C та Mg-Zn-C, оптимального зернового складу порошків, температури та тривалості спікання з них композитів, на формування структури та фізико-механічних властивостей алмазних композитів, спечених за високого тиску. Показано, що оптимальним зерновим складом для досягнення максимального ступеня ущільнення є суміщі крупних та дрібних фракцій алмазних порошків, на кшталт несортованого продукту перекристалізації, який після хімічної очистки складається з набору зернистостей. Крупні частинки в полікристалах, спечених з таких порошків, формують каркасоподібну структуру, з дрібнішими або дробленими зернами, які знаходяться в просторі між частинками каркасу, водночас титан виконує роль прошарку між частинками порошку, заповнюючи порожнини що лишились.
Наявність CVT покриття титану на зернах алмазу збільшує густину як за кімнатної температури, на етапі навантаження апарата високого тиску, так і на стадії високотемпературного спікання, підвищуючи ущільнення до ступеня, за якого густина композитів становить 98% від густини монокристала алмазу. Проведені теоретичні розрахунки показали що титан виконує роль сорбента в системі алмаз-титан-кисень до температури 1000 К за атмосферного тиску, навіть за наявності оксидів титану, що запобігає графітизації алмазу в присутності кисню та подальшій втраті фізико-механічних властивостей композитів. Крім цього, титан зменшує оптимальну температуру спікання композитів, за якої досягається максимальний ступінь ущільнення з 1800°С для порошків без просочуючого матеріалу, до 1500°С для порошків з титановим покриттям.
Показано, що за формування композитів з рівнем ущільнення, близьким до 100 % наявність неконтрольованих домішок та обробка вільним абразивом завдяки сукупній дії можуть призводити до формування тріщин в композиті та спричиняти розколювання частинок алмазного порошку.
Registration Date
2025-08-29
popup.nrat_date
2025-08-29 / 2026-07-01
