超硬结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及一种超硬结构和这种结构的制作方法，特别地但不唯一地涉及包括附接至基体的多晶金刚石(PCD)结构的结构以及包括这种结构的工具，特别地但不唯一地用在岩体破碎(rock degradat1n)或钻孔或用于钻探到地表中。
【背景技术】
[0002]诸如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)的多晶超硬材料可用在用于切害J、加工、钻孔或破碎诸如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的硬质材料或研磨材料的各种工具中。特别地，以包括PCD材料的切割元件形式的工具刀片被广泛地应用于钻入地表以开采石油或天然气的钻头。超硬工具刀片的工作寿命可受包括通过剥落和碎裂超硬材料的破裂或者工具刀片的磨损限制。
[0003]诸如在岩石钻头中使用的切割元件或其他切割工具通常具有呈基体形式的主体，其具有界面端/表面和超硬材料，及超硬材料，其形成切割层，切割层例如通过烧结工艺結合至基体的界面表面。基体通常由有时被称为钨硬质合金的碳化钨-钴合金构成，超硬材料层通常是多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或诸如热稳定多晶金刚石的热稳定产品TSP材料，結合至PCD刀具元件中的基体的超硬层通常具有从基体的界面至工作表面约为2mm的最大厚度。
[0004]多晶金刚石(PCD)是超硬材料的示例(也称为超硬磨料材料或极硬材料)，超硬材料包括大量基本上共生的金刚石晶粒，形成限定于金刚石晶粒之间的间隙的骨架块。PCD材料通常包括至少约80体积％的金刚石并且传统上通过例如使金刚石晶粒的聚集块经受大于约5GPa的超高压力和至少约1200°C的温度制成。全部或部分填充间隙的材料可被称为填料或粘合剂材料。
[0005]POT通常在促进金刚石晶粒的共生的诸如钴的烧结助剂的存在下形成。用于POT的合适的烧结助剂因为它们在一定程度上有溶解金刚石和催化其再沉淀的功能，通常也被称为用于金刚石的溶剂-催化剂材料。用于金刚石的溶剂-催化剂被理解为一种在金刚石处于热力学稳定时的压力和温度条件下能促进金刚石的生长或金刚石晶粒之间直接金刚石-金刚石共生的材料。因此，烧结的PCD产品内的间隙可全部或部分地填充有残余溶剂-催化剂材料。最典型地，PCD通常形成在钴钨硬质合金基体上，钴钨硬质合金基体为用于PCD的溶剂-催化剂提供钴源。不促进金刚石晶粒之间的实质性相干共生的材料可以自身与金刚石晶粒形成强力结合，而不是用于PCD烧结的合适的溶剂-催化剂。
[0006]可用于形成合适基体的钨硬质合金由分散在钴基质中的碳化物颗粒通过将碳化钨颗粒/晶粒和钴混合在一起然后加热至固化而形成。为了形成带有诸如PCD或PCBN的超硬材料层的切割元件，金刚石颗粒或晶粒或CBN晶粒被放置与诸如铌罩体的难熔金属罩体中的钨硬质合金主体相邻并且经受高压和高温使得金刚石晶粒或CBN晶粒之间发生晶间結合，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。
[0007]在一些情况下，基体可在附接至超硬材料层之前被完全固化，而在其他情况下，基体可以是未被处理，即未被完全固化。在后一种情况下，基体可在HTHP烧结处理期间完全固化。基体可以是粉末形式并且可在用于烧结超硬材料层的烧结处理期间固化。
[0008]随着用于在地表钻探现场提高的生产率的日益增加的驱动，对用于切割岩石的材料的需求日益增加。具体来说，需要具有提高的耐磨性和抗冲击性的PCD材料以实现更快的切割速度和更长的工具寿命。
[0009]包括P⑶材料的切割元件或工具刀片被广泛应用于石油和天然气开采工业中的地表钻探用钻头。岩石钻孔石和其他操作需要高的耐磨性和耐冲击性。限制多晶金刚石(PCD)研磨刀具的成功的因素之一是由于PCD和工作材料之间的摩擦产生热。这种热导致金刚石层的热降解。热降解通过增加的裂化和PCD层的剥落来增加刀具的磨损率以及金刚石至石墨的回转换导致磨损增加。
[0010]用于提高PCD复合材料的耐磨性的方法常常导致复合材料的耐冲击性的降低。
[0011]在刀具中使用的PCD和PCBN的最耐磨品级通常因为剥落而不合格，剥落在刀具已经磨损之前导致刀具的灾难性断裂。剥落被认为由从切割工具的工作区域扩展至顶部自由表面的裂纹引起。在使用这些刀具期间，裂纹扩展直到它们达到发生灾难性故障的临界长度，即当PCD或PCBN的大部分以脆化的方式断开。组件或结构的灾难性故障表明裂纹扩展以达到给定的结构材料的“临界裂纹长度”。“临界裂纹长度”是裂纹的可接受长度，超出其可接受长度，裂纹的扩展变得不可控制导致与组件的剩余非工作区无关的灾难性故障。因此，在使用传统烧结的PCD和PCBN期间遇到裂纹的快速扩展会导致工具寿命更短。
[0012]此外，尽管它们的强度高，但是多晶金刚石(PCD)和PCBN材料由于它们断裂韧性低通常易受冲击断裂的影响。提高断裂韧性而不对材料的高强度和耐磨性产生不利影响是具有挑战性的任务。
[0013]因此，需要具有良好或改进的耐磨性，耐断裂性和耐冲击性的超硬复合材料以及这种复合材料的形成方法。
【发明内容】
[0014]从第一方面看，提供一种超硬多晶结构，其包括:
[0015]多晶超硬材料的主体，其具有切割面；和
[0016]基体，其沿界面结合至多晶超硬材料的主体；
[0017]结构具有延伸穿过其中的中央纵轴和外围侧边缘；其中:
[0018]基体包括基体主体和形成界面的第一端表面，基体的第一端表面包括突出部，其从基体的主体朝切割面延伸至超硬材料的主体中，突出部具有外围外表面，多晶超硬材料的主体围绕突出部的外围外表面延伸；
[0019]其中多晶超硬材料的主体具有从沿外围侧边缘的切割面至与基体的界面至少约为4mm的厚度；和
[0020]其中突出部的至少部分具有在沿结构的纵轴延伸的平面中测量的至少约4mm的厚度。
[0021]从第二方面来看，提供一种多晶超硬结构的形成方法，其包括:
[0022]提供超硬材料的颗粒或晶粒的第一块；
[0023]将颗粒或晶粒的第一块与粘合剂材料混合以形成生坯；
[0024]使生坯与预成型的基体接触以形成预烧结组件，预成型的基体具有纵轴并且包括主体部和突出部，当在平行于基体的纵轴的平面中测量时，突出部从主体部至少部分地延伸大约4mm或更大；
[0025]在用于超硬晶粒的催化剂/溶剂材料的存在下，在约5.5GPa或更大的超高压力和将超硬材料晶粒一起烧结的温度下处理预烧结组件以形成包括具有切割面的多晶超硬材料的主体的多晶超硬结构；基体沿界面被结合至多晶超硬材料的主体；其中突出部从基体的主体朝切割面延伸至超硬材料的主体，多晶材料的主体延伸在突出部的周围；和其中多晶材料的主体具有从沿结构的外围侧边缘的切割面至与基体的界面至少约为4_的厚度。
[0026]从另一个方面来看，提供一种包括如以上限定的多晶超硬结构的工具，工具用于切割、铣削、磨削、钻孔、地表钻探、岩石钻孔或其他研磨应用。
[0027]工具可包括例如用于地表钻探或岩石钻孔的钻头、在石油和天然气钻探工业中使用的旋转固定刀片钻头或滚动锥形钻头、孔开口工具、可膨胀工具、铰刀或其它地表钻探工具。
[0028]从另一个方面来看，提供一种包括如以上限定的多晶超硬结构的钻头或刀具或用于钻头或刀具的组件。
【附图说明】
[0029]现在将以示例的方式并参照附图描述本发明，其中:
[0030]图1是用于地表钻探的钻头的示例性超硬刀具元件的透视图；
[0031]图2a-图2e是具有在超硬主体和附接至超硬主体的基体之间的不同界面的示例性超硬刀具元件的示意性横截面；
[0032]图3a和图3b是另一个示例性超硬刀具元件的示意性横截面，其中超硬主体由包括不同晶粒尺寸和/或组分的区域形成，基体和超硬主体之间的界面与两个示例中的刀具兀件的工作表面分隔开；
[0033]图4a和图4b是另一个示例性超硬刀具元件的示意性横截面，其中超硬主体由包括不同晶粒尺寸和/或组分的区域形成，基体和超硬主体之间的界面延伸至两个示例中的刀具元件的工作表面；
[0034]图5a_图5c是示出在附接至超硬层之前形成与超硬层的界面的基体的成形端的上述三个示例性基体部的透视图；
[0035]图6是示出通过超硬层的沥滤的部分和未沥滤的部分之间的边界的示例性超硬刀具元件的示意性横截面；
[0036]图7a是通过示出通过使用磨损基体的常规超硬刀具元件的示意性横截面；
[0037]图7b是通过示出在使用后保留在超硬主体中的磨损的示例性超硬刀具元件的示意性横截面；
[0038]图8是示出比较两种常规沥滤POT刀具元件和示例性POT刀具元件的立式钻具测试的结果的曲线图。
[0039]在所有附图中，相同的参考指相同的一般特征。
【具体实施方式】
[0040]如此处所使用的，“超硬材料”是具有至少约28GPa维氏硬度的材料。金刚石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的示例。
[0041 ] 如此处所使用的，“超硬结构”是指包括多晶超硬材料的主体的结构。在这种结构中，基体可以附接至其上。
[0042]如此处所使用的，多晶金刚石(PCD)是包括金刚石晶粒块的多晶超硬(PCS)材料的一种类型，其大部分是直接彼此互相結合，其中金刚石的含量是材料的至少约80体积％。在PCD材料的一个