Lorsque les lecteurs demandent ce qu'est le diamant polycristallin, la première question est de savoir s'ils désignent le matériau lui-même ou un composant composite fabriqué à partir de celui-ci. Le PCD n'est pas un diamant monocristallin. C'est un matériau en diamant polycristallin obtenu en liant de nombreux grains de diamant entre eux. Il forme souvent la couche de travail d'un outil de coupe PDC, mais le PCD et l'outil complet ne sont pas le même objet.

Que signifient PCD et PDC ?

PCD signifie diamant polycristallin (Polycrystalline Diamond) et désigne principalement le matériau. PDC signifie généralement compact de diamant polycristallin (Polycrystalline Diamond Compact) et désigne un composite dans lequel une couche de diamant polycristallin est jointe à un substrat de support. Dans un outil de coupe PDC typique, la partie supérieure est la couche de travail en diamant, la partie inférieure est un substrat en carbure cémenté, et une interface de liaison les connecte.

La couche de diamant assure la fonction principale de coupe et de résistance à l'usure. Le substrat en carbure soutient la couche, absorbe une partie des chocs et sert de base à l'installation. L'interface de liaison transfère la charge appliquée. En d'autres termes, le PCD désigne le matériau en diamant polycristallin, tandis que le PDC désigne la structure composite complète constituée de la couche de diamant et du substrat. La table PCD, la table diamant et la couche de diamant désignent normalement la couche de travail en diamant polycristallin ; le substrat en carbure désigne le corps en carbure cémenté situé en dessous.

Comment la structure polycristalline affecte-t-elle les performances ?

La couche de travail en PCD est fabriquée à partir de grains de diamant synthétique de taille micrométrique ou plus fine. Les grains forment un réseau continu de liaisons diamant-diamant et ne sont généralement pas alignés selon une direction cristallographique. Cette orientation aléatoire réduit la tendance d'une fissure à traverser le matériau le long d'un plan de clivage. Cela ne signifie pas que le PCD ne peut pas se fissurer, ni que tout matériau polycristallin est parfaitement isotrope.

De petits espaces subsistent entre les grains et peuvent contenir du cobalt ou une autre phase métallique secondaire. La continuité de la liaison directe diamant-diamant, la teneur en phase métallique, les pores et les contraintes résiduelles influencent tous le comportement du matériau. La dureté, la résistance à l'usure, la ténacité à la rupture, la résistance aux chocs et la stabilité thermique sont des propriétés différentes. Une dureté élevée ne signifie pas automatiquement qu'un matériau ne s'écaillera pas, et une résistance élevée à l'usure ne garantit pas des performances fiables dans toutes les conditions de choc.

Comment le HPHT forme-t-il une couche de diamant polycristallin ?

La couche de diamant polycristallin d'un PDC de forage est généralement formée par HPHT, ou frittage à haute pression et haute température. Dans un procédé typique, une poudre de diamant sélectionnée est placée sur un substrat en carbure cémenté. Sous haute pression et haute température, le cobalt ou un autre solvant-catalyseur favorise la dissolution, le transport et la reprécipitation du carbone. Les grains adjacents forment alors des liaisons diamant-diamant tandis que la couche de diamant et le substrat deviennent une structure composite.

La pression, la température et le temps de maintien ne sont pas les mêmes pour chaque produit PDC. L'équipement, la cellule de synthèse, la formulation de la poudre, la taille du produit et la courbe de procédé affectent tous la fenêtre de procédé applicable. Un numéro de procédé doit donc être interprété avec le matériau spécifique et le parcours produit plutôt que comme un paramètre PDC universel.

Pourquoi les propriétés des matériaux ne sont-elles pas interchangeables ?

Le cobalt aide à former la structure polycristalline pendant le frittage. Après le frittage, le cobalt restant entre les grains peut contribuer à l'émoussement des fissures et au transfert de charge, mais il limite aussi la stabilité à haute température. À température élevée, le cobalt peut favoriser la conversion du diamant vers une structure de graphite, réduisant la dureté et la résistance à l'usure. Les procédés sans cobalt ou autres procédés thermiquement stables peuvent modifier le comportement thermique de la zone de travail, tandis que la profondeur et l'étendue du retrait du cobalt affectent également les pores, la résistance, le transfert de chaleur, les trajectoires de fissures et la résistance aux chocs.

Des exemples publics de dureté Vickers pour le PCD fritté classique contenant du cobalt peuvent être trouvés dans la plage d'environ 50 à 90 GPa. Le résultat dépend de l'indenteur, de la charge, de la préparation de surface, de la taille des grains, de la teneur en métal et de l'emplacement de mesure. Cette plage décrit des échantillons et des méthodes particuliers ; elle ne doit pas être réécrite comme un paramètre garanti pour un grade FIDE.

En quoi le PCD fritté par HPHT diffère-t-il du diamant polycristallin CVD ?

Le diamant polycristallin peut être formé par un procédé de frittage à haute pression et haute température ou par dépôt chimique en phase vapeur. Le PCD fritté par HPHT contient des grains de diamant, des liaisons diamant-diamant directes et des matériaux résiduels dans les espaces entre les grains. Le diamant polycristallin CVD croît couche par couche à partir d'espèces carbonées en phase gazeuse sur un substrat et peut être réalisé sous forme de film mince, de film épais ou d'une autre forme. La couche de diamant d'un PDC de forage est normalement du PCD fritté par HPHT.

Les deux procédés impliquent des structures et des objets de test différents. Lorsqu'une valeur de dureté, de conductivité thermique ou de stabilité thermique est citée, identifiez d'abord si elle décrit un PCD fritté par HPHT, un diamant polycristallin CVD, une couche de PCD ou un outil de coupe PDC complet. Les données provenant de différents objets matériels ne doivent pas être considérées comme directement interchangeables.

Pourquoi le PCD doit-il être compris comme faisant partie d'un outil de coupe PDC ?

Un élément de coupe PDC n'est pas une couche de diamant travaillant sans support. La couche de diamant entre en contact avec la roche et assure la coupe et la résistance à l'usure. Le substrat en carbure cémenté fournit le support et la base d'installation, tandis que l'interface de liaison transfère la charge appliquée. Dans un trépan PDC, plusieurs éléments de coupe sont disposés autour du trépan et enlèvent la roche par grattage et cisaillement lors de la rotation du trépan.

La qualité du matériau d'un seul élément de coupe ne peut pas déterminer indépendamment le taux de pénétration ou la durée de vie du trépan complet. La structure du trépan et les conditions de terrain affectent également le résultat final. La manière utile de comprendre le diamant polycristallin est donc d'identifier à la fois la couche de matériau et la structure composite dans laquelle cette couche travaille.