¹科益展智能装备有限公司广州分公司，广东 广州

²华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州

³深圳大学机电工程学院，广东 深圳

收稿日期：2021年2月6日；录用日期：2021年3月2日；发布日期：2021年3月18日

摘要

室温大气环境下采用纳秒激光在聚晶金刚石基(PDC)复合片上加工两种不同深度的槽型织构。采用立体显微镜、光干涉轮廓仪、场发射扫描电镜、可见光拉曼光谱仪等手段表征了织构前后表面的形貌、组织结构和碳的键合结构变化。研究结果表明纳秒激光加工时PDC中金刚石相的烧蚀挥发速度比粘结剂Co相快。加工的织构表面发生金刚石相(sp³C-C)向石墨相(sp²C=C)。织构化后的表面呈现富石墨相的疏松结构。织构不同位置处的相转变有差异，这可能与槽型结构的深/宽比、金刚石及石墨相的导热系数差异等有关。

关键词

PDC复合片，表面织构，纳秒激光加工，组织结构，键合结构

Influence of PDC Surface Texturing Using Nanosecond-Laser on the Microstructure

Weiqiu Li¹, Guoli Zhang¹, Jiacheng Liao^1,2, Jihua Peng^2*, Yang Xiao², Yanjun Lu³

¹Smartgay Intelligent Equipment Co., Ltd., Guangzhou Guangdong

²School of Materials and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong

³School of Electronic and Machining Engineering, Shenzhen University, Shenzhen Guangdong

Received: Feb. 6^th, 2021; accepted: Mar. 2^nd, 2021; published: Mar. 18^th, 2021

ABSTRACT

At ambient atmosphere two kinds of groove textures with different depth on the surface of Polycrystalline Diamond Compacts (PDC) were fabricated by using nanosecond laser. The surface morphology, microstructure and bonding structure of carbon were characterized using stereo-optical microscope, light interference profile instrument, field emission scanning electron microscope and Raman spectroscope before and after texturing. It is found that during laser texturing the ablation rate of Co is slower than that of diamond, and a diamond phase on the PDC surface transforms to a graphite phase. After texturing, the PDC surface presents looser and graphite-rich. The transformation extent varies with the location of the texture, which is probably responsible for the geometry of the texture, as well as the thermal conductivity difference between the diamond and graphite.

Keywords:Polycrystalline Diamond Compact, Surface Texture, Nanosecond Laser, Microstructure, Bonding Structure

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

精密加工的表面微纳织构不仅可改变工件表面形貌，改善工件的光电性能 [1] [2]、亲/疏水性能，热传导性能等 [3] [4] [5]，还能够改善工件/工具等的表面摩擦磨损性能 [6] [7] [8] [9] [10]，从而广泛地应用于光电器件、密封器件、耐磨零部件、刀具和模具等诸多领域。微纳织构的加工已成为现代先进、绿色制造业的重要方向之一，近20年来获得了长足发展。在金属、硬质合金、陶瓷表面的主要织构加工包括激光加工、微电极放电加工、微细磨削加工、高能离子刻蚀等 [11] [12] [13]。微纳加工技术同涂层，固体润滑剂填充等其它技术的复合更使表面织构效能得以更大发挥 [14] [15] [16] [17]。

超硬材料是高速、精密机械切削刀具的主要用料。有报道表明激光加工的织构PCBN刀具有利于提高刀具寿命及改善加工工件表面质量 [18]。采用高温水汽处理在单晶金刚石颗粒表面获得的织构可以大幅度地提高其作为磨料的粘附力 [19]。激光加工CVD金刚石表面织构后获得的表面织构使其表面具有优异的光电性能，非常适合太阳能电池应用 [20]。激光加工金刚石基超硬材料表面织构时聚焦的高密度能量使表面碳挥发，高温影响区中必然导致碳杂化结构的变化，从而影响其作为刀具材料的某些基础性能。织构金刚石基超硬刀具具有巨大的发展前景。本文研究纳秒激光加工PDC试片表面槽型织构时，表面组织结构、碳化学结构的变化规律，对本领域的应用与发展具有积极的参考意义。

2. 试验材料与方法

采用购自河南领科材料有限公司的1.2 mm厚PDC复合片作为基本表面织构加工素材。复合片的基体为1 mm厚硬质合金(YG6)；表面为粘结PDC正方形片，厚度为0.2 mm。复合片的尺寸为20 × 20 × 1.2 mm。PDC则由10 mm粒径的金刚石颗粒同9 wt%的钴复合烧结而成。设计了两种几何参数的等边槽型织构，如图1(a)/图1(b)，图1(c)表面织构化后的PDC复合片示意图，其中设计深度为50 mm织构的试片命名为DG 50，设计深度为150 mm织构的试片命名为DG 150。综合目前相关陶瓷及金刚石表面的激光织构制备报道 [21] [22] [23] [24]，本研究尝试了多种加工工艺后，加工PDC复合片织构制备的基本激光参数为：使用Smartguy Laser Machining Center (汇专，中国)，激光平均最大功率为100 W，脉冲宽度120 ns，重复频率为50 MHz，束斑尺寸为0.05 mm，扫速度为1000 mm/s；采用多道次扫描，每一道次的去除深度为0.006 mm。织构加工完成后实测的DG 50深度为57.74 mm，DG 150的实际深度为173.21 mm。

织构加工前后，样品的表面形貌、组织结构和化学键合结构等分别采用立体显微镜(GYENS，德国)、轮廓仪(BMT，德国)、带有EDS的场发射扫描电镜(Zeiss，德国)、拉曼光谱仪(激光波长为523 nm) (LabRAM ARAMIS，日本)进行表征。每种样片至少表征3个试样以验证测试结果的重复性。Raman谱的拟合采用双高斯模式，定义金刚石质量因子R，R = 金刚石峰高/石墨峰峰高。R值越大，表明金刚石含量越高，转化为石墨的量越少。

图1. 沟槽织构参数(a)/(b)及平面槽型织构示意图(c).

3. 试验结果与分析

3.1. 织构的表面形貌与成分

图2(a)是未经加工的PDC复合片表面形貌，白色衬度区域为粘结相Co。采用EDS扫描表面大尺寸区域，得到表面的化学成分，其中Co的质量含量为8.77 wt%，表面有氧化或吸附氧存在，氧含量为1.06 wt% (表1)。W元素信号来自于复合片基体硬质合金，表明PDC片存在针孔等类似缺陷。织构加工后，织构沟槽的表面变疏松，似有熔覆层存在，且在槽底及槽壁区域存在或多或少的表面裂纹(图2(b))。

图3是在同样放大倍数下DG 50及DG 150织构的表面相貌SEM图像。表1列出了织构后的表面化学成分。直观地看，DG150织构的表面比DG 50存在较光滑的平台，该平台区较致密。同原始PDC复合片的表面成分比较，织构后表面的C含量降低，Co含量及O/W含量增加，表明织构过程中C烧蚀挥发速度大于Co。织构加工过程中疏松、裂纹等缺陷的增加，基底W的信号也增强。加工过程在大气环境进行，表面O含量增加。

可见采用本文的激光加工参数并控制槽深时，当加工槽型织构时，随着槽深度增加，槽的深度/宽度比值变大；槽间距增加，表面C损失程度也相应增加。但因为槽间距变大，扫描中的覆盖叠加影响降低，可以保有较光滑、致密的平台。

图2. 原始复合PDC片表现形貌(a) )及织构加工后(DG 50) Raman测试点示意图(b))

图3. DG 50 (a)及DG 150(b)样品的表面织构形貌

表1. 不同处理样品表面的化学成分(wt%)

3.2. 织构的表面粗糙度

两种织构的表面白光干涉轮廓图像如图4。分析获得DG 50织构的平均表面粗糙度Ra为13.47 mm，DG 150织构的平均表面粗糙度Ra为38.57 mm。前面已经提及DG 150织构表面存在一定宽度的较光滑、致密平台。所以DG 150的高粗糙度来自槽底和槽壁的不平整度高于DG 50织构。因为C的挥发速度大于Co，一方面粘结相Co颗粒随着加工槽深的增加，其暴露程度增加，另一方面长时间聚焦的激光能量轰击，金刚石颗粒的表面发生相变使表面变得更为疏松。有关表面相变将在3.3节详细讨论。

图4. DG 50 (a) 及DG 150样品的表面织构轮廓图

3.3. 织构表面石墨化分析

未经织构加工的PDC复合片的Raman光谱示于图5。Raman光谱是研究碳基材料中C的化学结构非常有效的手段之一。以sp³C-C杂化为主的金刚石相的Raman特征振动峰T_2g为1332 cm⁻¹，以sp²C=C杂化为主的石墨相振动特征峰E_g在1580 cm⁻¹附近 [20]。受到内应力及材料内缺陷的影响，这些特征峰的位置会发生偏移，峰的半高宽也会随之变化。金刚石晶粒的晶界出现原子排列紊乱，通常会出现所谓的特征TAP峰，位于1140/1440 cm⁻¹附近。原始PDC复合片呈现典型的聚晶金刚石特征，T_2g峰位的偏离标准特征峰，可能来自于PDC制造过程烧结与焊接产生的内应力。PDC片内存在极少量的石墨相(E_g峰)，但存在大量晶界(TAP峰) [25]。

图5. PDC白片的拉曼光谱

PDC复合片表面沟槽织构化以后，DG 50及DG 150织构不同位置处的Raman谱分别示于图6(a)~(c)、图6(d)~(e)。采用高斯拟合，获得T_2g及E_2g峰，其峰强度的比值定义为织构表面金刚石相的相对含量，R = I_T2g /I_Eg [25]。各位置处的拟合计算R值列于表2。未处理PDC复合片的表面R值为11.27。表面织构化后，表面金刚石含量急剧减少，1580 cm⁻¹附近的、代表石墨相的峰则急剧加强，表明激光加工织构化过程时表面金刚石转变为石墨相，即sp³C-C®sp²C=C。R值的结果同样表明，本文研究的DG 150织构沟槽顶部石墨化程度略弱于槽底(zone 1)和槽壁(zone 2)，这与SEM的观察结果一致。

表2. 织构PDC片不同区域处的金刚石含量峰强比R值

3.4. 讨论

采用高效环保的激光加工手段已成为各种材料表面制备的重要手段，激光的波长、脉冲宽度、重复频率、平均最大功率、束斑尺寸、扫描速度等诸多因素影响着织构质量 [21] [22] [23] [24]，同时束斑覆盖、被加工材质的特性，如导热性、组成相的稳定性等同样影响着织构的质量。金刚石材料本身是亚稳态物质，其热力学稳定的同素异构态是石墨相。激光束斑集聚的高密度能量使束斑中心的C气化挥发；中心的局部超高温向外扩散，导致临近区域的金刚石相石墨化，高温下的金刚石相或石墨相暴露于大气环境，为环境介质(尤其氧)的化学吸附创造了条件。因此，激光织构化后的PDC表面富石墨相及氧，如表1所示。

表面发生sp³C-C®sp²C=C的转变(表2所示)，即表面层密度和体积发生变化，金刚石相的密度为3.2 g/cm³，而石墨相的密度仅为2.4 g/cm³，大面积的体积变化及束斑附近巨大的温度梯度导致织构表面疏松，并萌生裂纹，如图1(b)。虽然还缺乏深入的研究，但从表1及图1，图2的结果来看，槽型织构的深/宽比值对表面石墨化具有一定的影响 [5] [8] [9] [18]，这可能与金刚石相及石墨相导热性差异、表面疏松化程度等有关。

PDC/MCD刀具作为高速、精密加工的主要工具之一，既要保持高硬耐磨，又要保持低摩擦系数。但从本文的研究结果来看，激光加工无疑降低表面硬度，但富sp²C的表面层则可能具有极佳的固体润滑效果，因此，后续将继续研究采用脉冲宽度更短的激光源、及适当去除疏松层等手段，开发使用的织构化金刚石基织构刀具。

图6. DG 50 (a-c))及DG 150 (d-f)) PDC织构片在不同区域的 Raman光谱

4. 结论

室温大气环境下采用纳秒激光在金刚石基PDC复合片上加工槽型织构，较系统地研究了织构化表面的形貌和表面组织结构变化。采用Raman光谱拟合的金刚石峰(T_2g)及石墨相峰(E_g)的强度比值R表征表面金刚石相的相对含量。研究发现纳秒激光加工中PDC中金刚石相的烧蚀挥发速度比粘结剂Co相快。加工的织构表面发生金刚石相(sp³C-C)向石墨相(sp²C=C)，原始PDC片的表面R值为11.27，织构化后表面R值小于1.0。织构化后的表面呈现负石墨相的疏松结构。织构不同位置处的转变有差异，这与槽型结构的深/宽比、金刚石及石墨相的导热系数差异等有关。

基金项目

本文得到广州市科技计划项目(201902010018)的支持。

文章引用

李伟秋,张国立,廖嘉诚,彭继华,肖 扬,鲁艳军. 纳秒激光加工PDC织构对表面微观组织的影响
Influence of PDC Surface Texturing Using Nanosecond-Laser on the Microstructure[J]. 材料科学, 2021, 11(03): 194-200. https://doi.org/10.12677/MS.2021.113025

参考文献