形成多晶复合片、切割元件和钻地工具的方法

形成多晶复合片、切割元件和钻地工具的方法
【专利摘要】使用至少一种金属盐作为烧结助剂来形成多晶复合片的方法。该方法可以包括形成至少一种金属盐和硬质材料的多个晶粒的混合物，并烧结该混合物以形成硬质多晶材料。在烧结过程中，该金属盐可以熔化或者与另外的化合物反应以形成液体，该液体充当润滑剂来促进硬质材料晶粒的重排和填装。因此，该金属盐允许形成具有提高的密度、耐磨性或强度的硬质多晶材料。该金属盐还可以在烧结过程中充当吸气剂以除去杂质(例如催化剂材料)。该方法还可以用于形成切割元件和钻地工具。
【专利说明】形成多晶复合片、切割元件和钻地工具的方法
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求2011年2月22日提交的名称为“形成多晶复合片、切割元件和钻地工 具的方法”的美国专利申请序列号13/032，192的提交日权益。
【技术领域】
[0003]本发明的实施方案涉及形成多晶复合片的方法，该多晶复合片可以例如作为切割 元件用于钻地工具，以及所形成的切割元件和包括该切割元件的钻地工具。
【背景技术】
[0004]用于在地下地层形成井筒的钻地工具通常包括多个固定在机身上的切割元件。例 如，固定切削刃钻地旋转钻头(也称作“刮刀钻头”)包括多个切割元件，其固定接合到钻头 的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包括牙轮，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承 销，以使得每个牙轮都能够绕着它安装到其上的轴承销旋转。多个切割元件可以安装到钻 头的每个牙轮。换句话说，钻地工具典型地包括切割元件连接到其上的钻头体。
[0005]用于这种钻地工具的切割元件经常包括多晶金刚石复合片(经常称作“roc”)，其 一个或多个表面可以充当切割元件的切割面。多晶金刚石材料是包含金刚石材料的相互键 合的晶粒或者晶体的材料。换句话说，多晶金刚石材料包含在金刚石材料的晶粒或者晶体 之间的直接的晶粒间键。术语“晶粒”和“晶体”在这里是同义和可互换使用的。
[0006]多晶金刚石复合片切割元件典型地是在催化剂(例如钴、铁、镍或者它们的合金 和混合物)存在下，在高温和高压条件下将相对小的金刚石晶粒烧结和结合在一起来形成 多晶金刚石材料在切割元件基底上的层(例如复合片或者“台”)而形成的。这些处理经常 称作高温/高压(HTHP)处理。例如，在将晶粒在HTHP处理中烧结到一起之前，可以讲粉末 化的催化剂材料与金刚石晶粒相混合。
[0007]通过使用HTHP处理形成金刚石台，催化剂材料可以保持在所形成的多晶金刚石 复合片中的金刚石晶粒之间的间隙中。金刚石台中存在催化剂材料会导致当切割元件在 使用过程中受热时金刚石台中的热损伤，这归因于在切割元件和地层之间的接触点处的摩擦。
[0008]虽然切割元件中的内应力在超过约350°C的温度会开始形成，但多晶金刚石复合 片切割元件(在其中催化剂材料保持在该多晶金刚石复合片中)通常在高到约750°C的温 度是热稳定的。这种内应力至少部分归因于金刚石台与它所结合到的切割元件基底之间的 热膨胀系数的差异。这种热膨胀系数差异会在金刚石台与基底之间的界面处产生相当大的 压应力和张应力，并且会导致金刚石台从基底上脱层。在约750°C和更高的温度，由于金刚 石台中金刚石材料与催化剂材料之间热膨胀系数的差异，金刚石台自身中的应力会明显增 力口。例如，钴的线性热膨胀系数会明显高于金刚石，这会导致在金刚石台发热时在该金刚石 台中裂纹形成和蔓延，最终导致金刚石台劣化和切割元件失效。
[0009]此外，在处于或高于约750°C的温度，多晶金刚石复合片中的一些金刚石晶体会与催化剂材料反应，导致金刚石晶体经历化学损坏或者转化回碳的另一种同素异形体或者另 一碳基材料。例如，该金刚石晶体可以在金刚石-晶体边界处石墨化，其会明显削弱该金刚 石台。另外在极高的温度，除了石墨，一些金刚石晶体也会转化成一氧化碳和/或二氧化 碳。
[0010]为了减少与多晶金刚石复合片切割元件中的热膨胀系数差异和金刚石晶体的化 学损坏有关的问题，已经开发了所谓的“热稳定的”多晶金刚石复合片(也称作热稳定产品 或者“TSP”)。这种热稳定的多晶金刚石复合片可以通过使用例如酸或者酸组合物(例如 王水)，将催化剂材料(例如钴)从金刚石台中的相互键合的金刚石晶体之间的间隙中浸提 出来而形成。全部的催化剂材料可以从金刚石台中除去，或者催化剂材料可以仅从金刚石 台的一部分中除去。已经报道了热稳定的多晶金刚石复合片(在其中基本上全部的催化剂 材料已经从金刚石台中浸提出去)在高到约1200°C的温度是热稳定的。但是，也报道了与 非浸提的金刚石台相比，这种完全浸提的金刚石台相对更脆和易受到剪应力、压应力和张 应力损坏。另外，难以将完全浸提的金刚石台固定到载体基底上。

【发明内容】

[0011]在一些实施方案中，本发明包括形成多晶复合片的方法。该方法可以包括将多个 硬质粒子与金属盐合并以形成粉末混合物，并烧结该粉末混合物来形成该多晶复合片。例 如，可以模制粉末混合物来形成未烧结的预成形件。金属盐可以包括氟化锂、氟化镁、氟化 铍、氟化钙、氟化铝、氟化硅和氟化镓的至少一种。
[0012]该方法可以另外包括:通过形成包含金属盐和硬质材料的多个晶粒的粉末混合 物和将该粉末混合物置于容器中来形成未烧结的预成形件，将基底与该粉末混合物接触放 置，和烧结该未烧结的预成形件。
[0013]本发明另外的实施方案包括切割元件，该切割元件包括硬质材料的多晶复合片， 其中该硬质材料包含扩散到其晶粒中的金属。
[0014]另外的实施方案包括钻地工具，该钻地工具具有安装到其上的本发明实施方案的 切割元件。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]虽然说明书结束于具体指出和明确主张何为本发明实施方案的权利要求书，但是 当结合附图来阅读时，可以从下面对本发明实施方案的说明中更容易地确定本发明实施方 案的不同特征和优点，附图中:
[0016]图1是装置的简化图示，该装置能够用于形成根据本发明的一个实施方案的粉末 混合物；
[0017]图2是根据本发明一个任选的实施方案，用烧结助剂涂覆的硬质材料晶粒的简化 的截面图；
[0018]图3是能够用于形成根据本发明一个实施方案的未烧结的预成形件的组件的简 化的截面图；
[0019]图4是一个简化图，其显示了在烧结后图3的多晶金刚石台的一部分放大后的微 观结构，和示意了散布的硬质材料晶粒，其具有处于该硬质材料晶粒的间隙中的催化剂金属；
[0020]图5是一个部分截去透视图，其图示了包括本发明的多晶复合片的切割元件的一 个实施方案；和
[0021]图6是固定刀具钻地旋转钻头的一个实施方案的透视图，该钻头包括多个如图5 所示的切割元件。
【具体实施方式】
[0022]这里所提出的图示并不表示任何具体的切割元件、多晶复合片、多晶材料微观结 构、粒子或者钻头的实际视图，并且不是按照比例绘制的，而仅仅是理想化的表示，其用于 描述本发明。此外，图之间共同的元件能够保持相同的附图标记。
[0023]作为此处使用的，术语“硬质材料”表示和包括Knoop硬度值是约3，OOOKgf/ mm2(29,420MPa)或更高的任何材料。硬质材料包括例如金刚石和立方体氮化硼。
[0024]术语“多晶材料”表示和包括任何这样的材料，其包含通过晶粒间键直接结合到一 起的材料的多个晶粒(即，晶体)。该材料的单个晶粒的晶体结构可以在多晶材料的空间内 无规定向。
[0025]作为此处使用的，术语“晶粒间键”表示和包括在材料相邻晶粒中的原子之间的任 何直接原子键(例如共价键、金属键等)。
[0026]作为此处使用的，术语“钻地工具”表示和包括用于除去地下地层材料和通过经由 除去一部分的地层材料来形成穿过地层的孔(例如井筒)的任何工具。钻地工具包括例如 旋转钻头(例如固定刀具或“刮刀”钻头和牙轮或“凿岩”钻头)、混合式钻头(包括固定刀 具和牙轮元件二者)、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、套管铣和钻头、出口工具、扩眼钻头 (包括可膨胀扩眼钻头和固定翼扩眼钻头)和其他所谓的“开孔”工具。
[0027]作为此处使用的，术语“切割元件”表示和包括任何的钻地工具元件，当钻地工具 用于在地层中形成或者扩大孔时，其用于剪切、压碎、碾磨或以其他方式除去地层材料。
[0028]作为此处使用的，术语“催化剂材料”表示和包括任何这样的材料，其能够在HTHP 处理过程中充分催化形成硬质材料晶粒之间的晶粒间键。例如，适用于形成金刚石晶粒之 间的晶粒间键的催化剂材料包括钴、铁、镍、来自元素周期表第VIIIA族的其他元素和它们 的合金。
[0029]作为此处使用的，术语“研磨”当与研磨多个粒子相关来使用时，与使用机器工具 来从工件中除去材料而进行的常规研磨操作相反，表示将粒子与任何任选的添加剂混合在 一起来实现基本均匀的混合物的任何处理。
[0030]作为此处使用的，术语“烧结”表示和包括微粒组分(例如未烧结的预成形件)的 致密化，其包括通过收缩来实现除去起始粒子之间的至少一部分的孔，并结合相邻粒子之 间的聚结和结合。
[0031]作为此处使用的，术语“吸气剂”表示和包括一种材料，其吸收、吸附或者结合另一 不期望的材料。
[0032]作为此处使用的，术语“气溶胶”表示和包括在气体中的粒子或者液滴的悬浮物。
[0033]本发明的实施方案包括使用至少一种金属盐(例如氟化锂)作为烧结助剂，由硬 质粒子的晶粒形成多晶复合片的方法。未烧结的预成形件可以任选地由硬质材料晶粒和烧结助剂粒子形成。烧结助剂可以包括例如锂、镁和/或氟的盐。例如，合适的烧结助剂包括包含氟和选自元素周期表第I族或第II族的元素(例如钠、钾、铍、镁、I丐、银或钡)的任何组合。作为举例而非限制，烧结助剂可以包括金属氟化物和/或氟化锂、氟化镁、氟化钙、氟化钇、氟化镧和氟化铝的至少一种。硬质材料晶粒可以由多晶金刚石、多晶立方体氮化硼或任何其他硬质材料形成。
[0034]在烧结之前，烧结助剂可以与硬质材料的多个晶粒合并来形成粉末混合物，以增强或者改进烧结过程。例如，可以形成烧结助剂和硬质材料晶粒分散在液体溶剂中的浆料，并且可以经由干燥处理来由该浆料生成粉末混合物，该干燥处理除去了液体溶剂，留下前述材料的混合物。粉末混合物可以包括散布于硬质材料晶粒的烧结助剂。粉末混合物可以任选地包括催化剂材料(例如钴)，用于在烧结过程中催化形成晶粒间键。在HTHP处理过程中，随着温度升高，烧结助剂将熔化成液相。该液体可以充当烧结过程中的润滑剂，当通过硬质材料晶粒的晶粒间键形成多晶复合片时，促进在压实过程中硬质材料晶粒的重排和硬质材料晶粒更有效的填装。另外，烧结助剂可以用于促进从硬质材料晶粒中除去杂质，这是因为较高的温度会通过金属盐离子的解离来促进形成氢氟酸(HF)。
[0035]作为举例而非限制，烧结助剂可以包括包含金属盐的粒子的粉末。金属盐的粒子每个的平均直径(即粒度)可以小于硬质材料晶粒粒度的约10%。粒度会影响烧结助剂粒子在溶剂中的行为。例如，较小的烧结助剂粒子能够比较大的粒子更快和更完全地溶解。例如，烧结助剂可以包括粒度(即平均直径)为约0.05μπι至约5μπι的金属盐粒子(即金属氟化物粒子)。
[0036]在烧结晶粒来形成多晶复合片之前(即，在压缩或者压实来形成未烧结的预成形件之前)的任何时间点，可以将烧结助剂与硬质材料晶粒合并来形成粉末混合物。例如，可以使用本领域已知的操作(例如常规的研磨操作、喷雾干燥操作和溶胶-凝胶操作)，通过形成和混合浆料(其包括在液体溶剂中的烧结助剂和硬质材料晶粒)，将烧结助剂与硬质材料晶粒混合。
[0037]在一些实施方案中，在与硬质材料晶粒合并之前，可以将烧结助剂与液体溶剂合并(例如悬浮、溶解在其中等)来形成烧结助剂混合物。液体溶剂可以包括例如一种或多种有机溶剂(例如甲醇、乙醇、己烷等)、极性溶剂(例如去离子水)或者它们的组合。在烧结助剂包含金属氟化物粒子的实施方案中，金属氟化物粒子可以分散在有机溶剂中，以使得混合物包含金属氟化物晶粒在有机溶剂中的悬浮液。在烧结助剂包含金属氟化物粒子的实施方案中，金属氟化物粒子可以溶解在极性溶剂中，以使得混合物包含金属氟化物粒子的水溶液。可以将所形成的混合物或者溶液与硬质材料晶粒合并来形成烧结助剂和硬质材料晶粒在液体溶剂中的浆料。
[0038]液体溶剂可以蒸发或者以其他方式从浆料中除去，来形成包含分散在硬质材料晶粒中的烧结助剂的粉末混合物。例如，烧结助剂可以基本均匀的分散在硬质材料晶粒上。作为举例而非限制，可以使用常规的研磨处理(例如球磨处理或者棒磨处理)来形成粉末混合物。该处理可以使用例如球磨机、棒磨机或者立式球磨来进行。作为非限定性的例子，可以将包括处于液体溶剂中的硬质材料晶粒和烧结助剂的浆料提供在大致圆柱形的研磨容器(未示出)中。在一些方法中，研磨介质也可以与浆料一起提供在研磨容器中。研磨介质可以包括由硬质材料形成的离散球、小球、棒等，并且具有比待研磨的粒子(即，硬质粒子和含有基质材料的粒子)更大的粒度。研磨介质和/或研磨容器可以由与硬质粒子和/或烧结助剂粒子的材料基本上类似或等同的材料形成，其能够降低粉末混合物的污染。
[0039]然后，可以旋转研磨容器来使得浆料和任选的研磨介质一起在研磨容器中滚动或研磨。研磨处理会引起硬质粒子的晶粒和烧结助剂粒子二者中粒度的变化。研磨处理还会使硬质粒子的晶粒至少部分涂覆有烧结助剂粒子的层。
[0040]研磨后，可以将浆料从研磨容器中除去，并且与研磨介质分离。然后，可以将浆料中的固体粒子与液体溶剂分离。例如，浆料的液体溶剂可以蒸发，或者固体晶粒可以从浆料中过滤来形成粉末混合物。
[0041]如图1和2所示，还可以使用例如常规的喷雾干燥方法由浆料来生产粉末混合物，如于2009年5月5日公布的Villalobos等人的美国专利N0.7，528，086中所述。参见图1，可以使用雾化或喷嘴110来分散包含在液体溶剂中的烧结助剂和硬质材料晶粒的浆料(用箭头100表示)。在一些实施方案中，在通过喷嘴110分散之前，可以通过将烧结助剂与硬质粒子的晶粒混合来形成浆料100。在其他实施方案中，可以在喷雾干燥过程中，当烧结助剂和硬质材料晶粒各自和同时在干燥塔120内喷雾时形成浆料100。
[0042]加热的载气130可以作为来自喷嘴110的浆料100的流的并流和/或逆流传送，来开始和增强液体溶剂从浆料100的蒸发。浆料100可以分散到干燥塔120中来充当气溶胶以将液体溶剂从浆料100中蒸发。通过将浆料100穿过喷嘴110放射所形成的气溶胶可以包含基本均匀分散在硬质材料晶粒上的烧结助剂。可以加热干燥塔120来促进液体溶剂从浆料100中的蒸发。例如，可以通过一种或多种加热元件(未示出)来加热干燥塔120，加热元件例如电阻加热器或者热水套，其可以位于干燥塔120的周围或者沿着干燥塔120的壁布置。可以恒温控制加热元件来保持干燥塔120内所选择的温度曲线。可以使用加热的载气130或加热元件将干燥塔120加热到小于或等于液体溶剂沸点的温度。在一些实施方案中，可以配置干燥塔120来提供温度梯度，以使得干燥塔120的温度在气溶胶穿过干燥塔120时升高约100°C至约500°C。
[0043]在浆料100的气溶胶喷入干燥塔120后，气溶胶移动穿过干燥塔120或者如果干燥塔120垂直布置则在其中下降。也可以将一部分的气溶胶送入与干燥塔120互连的排气室150中。当气溶胶移动穿过干燥塔120和/或移入排气室150时，液体溶剂蒸发来形成粉末混合物(用箭头140表示)。可以从干燥塔120和/或排气室150中收集粉末混合物140。粉末混合物140可以包括分散在硬质材料晶粒中的烧结助剂和(如果存在的话)催化剂材料。过量的废气(用箭头160表示)可以从排气室150中排出，并且任选地可以再循环到干燥塔120。
[0044]在一些实施方案中，在喷雾干燥过程中形成的粉末混合物140可以包含粒子聚集体。作为举例而非限制，粒子聚集体(未示出)可以包含约10至约500个原始粉末混合物的粒子(即，硬质材料晶粒、烧结助剂和/或催化剂材料的粒子)。聚集体所含粒子的数目和因此聚集体的尺寸可以是原始起始粒度、浆料化学和喷雾干燥过程中所用条件(例如温度)的函数。
[0045]在其他实施方案中，液体溶剂的蒸发会导致形成包含涂覆的硬质材料晶粒200的粉末混合物140，如图2所示。例如，可以在硬质材料的每个晶粒220上形成金属盐(即氟化锂)的涂层210。在喷雾干燥过程中，硬质材料晶粒220的气态膨胀会使一部分的涂层210被除去。因此，虽然图2所示的涂覆的硬质材料晶粒200完全被涂层210包围，但是硬质材料晶粒220可以是不完全涂覆的。规定的另一方式，涂层210可以是连续的、基本连续的或者不连续的。金属盐的涂层210的厚度可以是约Inm至约500 μ m，和更具体的是约IOnm至约500nm。虽然该硬质材料晶粒220在图2中表示为具有球形横截面轮廓,但是该硬质材料晶粒220可以具有任何形状。
[0046]如图3所示，在烧结处理之前，粉末混合物140可以任选地用于形成未烧结的预成形件300。例如，粉末混合物140可以位于容器310内，或者粉末混合物形成未烧结的预成形件300，然后置于容器310内。粉末混合物140或者未烧结的预成形件300可以任选地提供在容器310中，与切割元件基底320接触。如将要描述的，粉末混合物140或者未烧结的预成形件300根据情况被用于形成多晶复合片的硬质多晶材料。作为本领域中已知的，在烧结硬质材料的一个或多个晶粒220的过程中，刺激硬质材料晶粒220之间的晶粒间键的催化剂可以提供在粉末混合物140或者未烧结的预成形件300中，切割元件基底320 (如果使用的话)中，或者二者中。该催化剂可以包括例如元素周期表第VIII族的金属元素(例如铁、钴、镍和钌)。该催化剂还可以包括非金属元素例如磷、碳酸盐(例如Li2C03、Na2C03、MgCO3、CaCO3、SrCO3 和 K2CO3)、硫酸盐(例如 Na2S04、MgS04 和 CaSO4)、氢氧化物(例如 Mg (OH) 2和Ca(OH)2)和富勒烯。
[0047]容器310可以包括一个或多个大致杯形的元件,例如杯形元件312、杯形元件314和杯形元件316，其可以组装和型锻和/或焊接在一起来形成容器310。粉末混合物140或者未烧结的预成形件300和任选的切割元件基底320可以位于内杯形元件314中，如图3所示，其具有环形端壁和从环形端壁垂直延伸的大致圆柱形的侧壁，以使得内杯形元件314大致为圆柱形，并且包括第一封闭端和第二、相对的开放端。
[0048]任选地，在其中布置粉末混合物140或者未烧结的预成形件300之前，可以在容器310中提供硅材料330 (以虚线表示，厚度为了清楚起见进行了明显放大)。硅材料330可以包括一种或多种的各种形式的硅，例如粉末、细粒、小片、棒、膜、分层形式，其中分层材料性质上可以是单晶或者多晶。
[0049]例如，硅材料330可以包括在容器310和粉末混合物140或者未烧结的预成形件300之间的界面上的硅层。如将要描述的，可以包括硅材料330作为吸气剂，除了液体催化剂之外，其可以在烧结过程中与过量的烧结助剂反应。
[0050]如果不使用预成型的未烧结的预成形件，在向容器310中提供粉末混合物140和切割元件基底320 (如果存在的话)和硅材料330之后，可以任选使组件进行冷压过程来压实粉末混合物140以形成未烧结的预成形件300。此外，在HPHT烧结之前，可以进行真空热处理方法来除去一些烧结助剂。例如，可以将容器310和它的内容物加热到约1100°C的温度保持约15分钟或更少的时间。
[0051]图4是一个放大图，示意了在烧结过程中，图3的粉末混合物140或者未烧结的预成形件300放大后的微观结构。如图4所示，在烧结过程中，烧结助剂的成分可以离解和分别熔化或者与容器310内的其他组分(例如硬质材料、或硅材料330 (如果存在的话)、或催化剂材料)反应。
[0052]例如，金属成分可以熔化和形成液体400，其占据了硬质材料晶粒220之间的间隙410。液体400可以润湿硬质材料晶粒220，充当润滑剂，在硬质材料晶粒220之间形成晶粒间键之前使得硬质材料晶粒220能够重排和填装以形成多晶材料。当硬质材料晶粒220重排时，硬质材料晶粒220之间的空间会降低，这使硬质粒子的晶粒220的密度增加。在烧结过程中提高硬质粒子的晶粒220的密度可以赋予所形成的多晶材料改进的性能，例如改进的强度和硬度、更大的均匀性和降低的缺陷。
[0053]烧结助剂另一成分可以用于减少晶粒间界处的化学杂质，该杂质会阻碍烧结处理。例如，在烧结助剂包含金属氟化物(例如氟化锂)的实施方案中，金属氟化物可以离解，与氢(也可以存在于杂质、金刚石表面污染物中或者作为催化剂金属的成分)混合，并且形成氢氟酸。作为本领域已知的，氢氟酸是强酸，其与杂质如金属杂质反应。在烧结过程中，氟可以与金属组分(例如催化剂材料)反应，直到氟被消耗，这有效除去催化剂材料和促进由烧结处理所形成的多晶复合片的热稳定性。离解的金属例如锂容易在烧结过程中扩散到硬质粒子的晶粒220中。在烧结助剂包含锂盐的实施方案中，锂盐可以离解和锂可以扩散入间隙410中或者可以挥发来形成惰性杂质，其不会不利地影响所形成的多晶材料的硬度或强度。
[0054]在烧结过程中，如果存在硅材料330 (图3)，也可以充当吸气剂，这有助于除去多余的烧结助剂。在烧结助剂包含金属氟化物(例如氟化锂)的实施方案中，硅材料330可以与氟反应来除去间隙410中的氟。因为在烧结过程中硅材料330可以吸收过量的氟(即，不与金属、催化剂等反应的氟)，因此硅材料330可以抽出残留的氟，否则这些氟将保留于间隙410中。
[0055]例如，可以根据本领域已知的程序使用HTHP处理来烧结如图3所示的所形成的组件以形成切割元件500，如图5所示。切割元件500可以包括硬质多晶材料510，其任选地提供在(例如形成于或者固定到)切割元件基底320的表面。在一些实施方案中，硬质多晶材料510包括多晶金刚石。在其他实施方案中，硬多晶材料510可以包括多晶立方体氣化硼。切割元件基底320可以包括金属陶瓷材料例如钴烧结碳化钨。
[0056]虽然HTHP处理精确的运行参数将根据被烧结的不同材料的具体组成和量而变化，但是加热的压机中的压力可以大于约5GPa和温度可以大于约1，500°C。在一些实施方案中，加热的压机中的压力可以大于约6.5GPa(例如约6.7GPa)。此外，被烧结的材料可以在这样的温度和压力保持约30秒至约20分钟。
[0057]虽然烧结过程(即HTHP处理)中所存在的烧结助剂精确的量将根据被烧结的不同材料的具体组成和量而变化，但是烧结助剂可以占混合物的约0.01重量％(wt%)至约20wt%，和更具体地占混合物的约0.1wt%至约lwt%。可以在烧结过程中控制烧结助剂的量。
[0058]如图5所示，切割元件500具有大致圆柱形或者圆盘形的构造。硬质多晶材料510暴露的主平面(可以是或者可以不是所示的平坦的)限定了切割元件500的切割面502。硬质多晶材料510的侧表面504从硬质多晶材料510的切割面502延伸到切割元件500侧面上的切割元件基底320。虽然在硬质多晶材料510与切割元件基底320之间显示了平坦界面，但是不同构造和复杂度的非平坦界面是常规的，并且处于本发明的范围内。在图5所示的实施方案中，硬质多晶材料510可以包括大致平坦的台，其延伸到和暴露于切割元件500的侧表面504。例如，硬质多晶材料510的侧表面504的下部分可以具有大致圆柱形状，并且邻近切割面502的多晶复合片的侧表面504的上部分可以具有成角度的、截头圆锥体形状，并且可以限定或包括例如切割元件500的一个或多个倒角表面508。[0059]任选地，在烧结后，切割元件500可以进行常规酸浸提处理，来从硬质多晶材料510中除去基本上全部的金属催化剂和剩余的烧结助剂。具体地，作为本领域中已知的和在美国专利N0.5，127，923和美国专利N0.4，224，380中更充分描述的，王水(浓硝酸(HNO3)和浓盐酸(HCl)的混合物)可以用于从硬质多晶材料510的金刚石晶粒之间的间隙中至少基本上除去催化剂材料。还已知的是使用沸腾盐酸(HCl)和沸腾氢氟酸(HF)作为浸提剂。一种特别合适的浸提剂是温度高于110°C的盐酸(HCl)，根据包含硬质多晶材料510的体的尺寸，其可以提供与硬质多晶材料510的暴露表面接触约2小时至约60小时的时间。除了待浸提的那些表面之外，切割元件500的表面例如切割元件基底320的表面可以覆盖(例如涂覆)有保护材料如聚合物材料，该聚合物材料耐来自浸提剂的浸蚀或者其他损坏。然后，可以通过例如将切割元件500的硬质多晶材料510的至少一部分浸溃或者浸入到浸提流体中，使待浸提的表面暴露于并与浸提流体接触。
[0060]浸提流体将从切割元件500的暴露表面渗入其硬质多晶材料510中。浸提流体从暴露表面进入硬质多晶材料510所达到的深度或距离将是硬质多晶材料510暴露于浸提流体的时间(即浸提时间)的函数。在暴露于浸提流体的过程中，可以将过量的烧结助剂和/或催化剂材料从硬质多晶材料510的间隙中浸提出来。在浸提硬质多晶材料510之后，硬质多晶材料510中硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙可以至少基本上没有烧结助剂和催化剂材料。
[0061]本发明的切割元件和多晶材料(例如复合片)的实施方案，例如参见图5所述的切割元件500和硬质多晶材料510，可以形成和固定于钻地工具，用于在地下地层中形成井筒。作为非限定性的例子，图6示意了固定刀具类型的钻地旋转钻头600，其包括此处所述的多个切割元件500。旋转钻头600包括钻头体602，和切割元件500固定于钻头体602。切割兀件500可以钎焊(或者以其他方式固定)在钻头体602的多个刀片606每个的外表面中形成的凹处604内。
[0062]此处所述的切割元件和多晶复合片可以固定于和用于其他类型的钻地工具上，包括例如牙轮钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩眼钻头、可膨胀扩眼钻头、研磨机、混合式钻头和本领域已知的其他钻探钻头和工具。
[0063]虽然已经在此参考某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将会认可和理解它不限于此。而是可以对此处所述的实施方案进行许多的增加、删除和改变，而不脱离下文所要求的本发明的范围，包括其法律等价物。另外，来自一个实施方案的特征可以与另一实施方案的特征进行组合，而仍然包括在本发明人所预期的本发明范围内。
【权利要求】
1.一种形成多晶复合片的方法，该方法包括:将多个硬质粒子与金属盐合并以形成粉末混合物；和烧结该粉末混合物。
2.权利要求1的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并包括将该多个硬质粒子与包括氟化锂、氟化镁、氟化钙、氟化钇、氟化镧和氟化铝的至少一种的金属盐合并。
3.权利要求1的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并包括将该多个硬质粒子与由氟化锂组成的金属盐合并。
4.权利要求1或2的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并包括将该多个硬质粒子与分散在有机溶剂中的金属盐合并。
5.权利要求1或3的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并包括用有机溶剂中的氟化锂粒子分散该多个硬质粒子。
6.权利要求1或2的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并包括将多个硬质粒子与包含溶解在极性溶剂中的金属盐的溶液合并。
7.权利要求1或2的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并包括将包含金刚石的多个硬质粒子与金属盐合并。
8.权利要求1的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并以形成粉末混合物包括: 将该多个硬质粒子与在至少一种溶剂中的金属盐合并以形成浆料；和将该浆料进行喷雾干燥处理以形成粉末混合物。
9.权利要求1的方法，其中将多个硬质粒子与金属盐合并以形成粉末混合物包括将该多个硬质粒子和金属盐的多个粒子进行研磨处理。
10.权利要求1的方法，其中烧结该粉末混合物包括完全烧结该粉末混合物，以形成包含多个相互键合的硬质粒子的硬质多晶材料。
11.权利要求10的方法， 其进一步包括将至少一部分的金属盐留在相互键合的硬质粒子的间隙内。
12.权利要求1的方法，其中烧结该粉末混合物包括从相互键合的硬质粒子之间的间隙中除去至少一部分的金属盐。
13.权利要求12的方法，其中从相互键合的硬质粒子之间的间隙中除去至少一部分的金属盐包括使该金属盐的成分和与该粉末混合物接触的至少一种催化剂材料进行反应。
14.权利要求1的方法，其中烧结该粉末混合物包括加热该粉末混合物以形成在多个硬质粒子之间的金属盐的成分的液体。
15.权利要求1的方法，其进一步包括模制该粉末混合物以形成未烧结的预成形件。
16.权利要求16的方法,其中烧结该粉末混合物包括使娃材料与该粉末混合物的金属盐的成分反应。
17.一种形成多晶复合片的方法，该方法包括:形成未烧结的复合片预成形件，其包括:形成包含金属盐和硬质材料的多个晶粒的粉末混合物；和将该粉末混合物置于容器内；将切割元件基底放置在容器中与粉末混合物接触；和烧结该未烧结的复合片预成形件。
18.权利要求17的方法，其中形成包含金属盐和硬质材料的多个晶粒的粉末混合物包括将至少一种金属氟化物与硬质材料的多个晶粒合并。
19.权利要求17的方法，其中形成包含金属盐和硬质材料的多个晶粒的粉末混合物包括将包含氟化锂的多个粒子与硬质材料的多个晶粒混合。
20.权利要求19的方法，其进一步包括选择包含氟化锂的多个粒子以使其粒度为硬质材料的多个晶粒的粒度的约10%。
21.权利要求17的方法，其中形成包含金属盐和硬质材料的多个晶粒的粉末混合物包括形成这样的粉末混合物，其包含与硬质材料的多个晶粒基本上均匀分散的金属盐粒子。
22.权利要求17的方法，其进一步包括在真空压力下将多晶复合片暴露于足以挥发金属盐的温度，以从多晶复合片中除去金属盐的残留部分。
23.权利要求17的方法，其中将该粉末混合物置于容器内包括将该粉末混合物与容器内表面邻近的硅材料接触放置。
24.权利要求17的方法，其中烧结该未烧结的复合片预成形件包括加热该未烧结的复合片预成形件以使金属盐的金属成分熔化为占据硬质材料晶粒之间的间隙的液体。
25.权利要求24的方法，其中加热该未烧结的复合片预成形件以使金属盐的成分熔化成占据硬质材料晶粒之间的空间的液体包括润滑硬质材料晶粒之间的空间，以促进硬质材料晶粒的重排。
26.一种切割元件，其包含相互键合的金刚石晶粒，该晶粒具有扩散到其中的金属。
27.权利要求26的切割元件，其中金属包括锂。
28.—种钻地工具，其包括:体；和至少一个切割元件，其 包含相互键合的金刚石晶粒，该晶粒具有扩散到其中的金属。
29.权利要求28的钻地工具，其中金属包括锂。
【文档编号】B24D3/10GK103459752SQ201280017647
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年2月15日 优先权日:2011年2月22日
【发明者】A·A·迪乔瓦尼 申请人:贝克休斯公司