具有带金属中间层的超硬材料切割元件及其制造方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年12月10日提交的美国临时专利申请号62/090063和于2015年12月03日提交的美国专利申请号14/957847的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术：

在地下钻井操作(比如用于将钻孔钻入地球以用于回收碳氢化合物(例如油和天然气)的操作)期间使用的切割工具和岩石钻孔工具通常包括钻头体和设置在钻头体上的多个切割元件。这些切割元件由于其良好的耐磨性和硬度特性而通常结合超硬材料，比如多晶金刚石(pcd)。另外，pcd体通常结合或以其它方式联接到基底。这些基底有助于将切割元件附接到钻头体上，比如通过钎焊。

传统上通过在高压和高温(hpht)下烧结与催化剂材料(比如选自周期表第viii族的金属催化剂)混合的金刚石颗粒来形成pcd体。在hpht烧结过程中，金刚石颗粒形成金刚石晶体的互连网络，并且催化剂材料渗透并占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔隙。然而，常规的pcd体易于发生热降解，因为催化剂材料具有比金刚石晶体更高的热膨胀系数。特别地，当切割元件经受升高的温度时(比如在钻井操作期间)，催化剂与金刚石晶体之间的热膨胀差异和间隙地设置在金刚石晶体之间的催化剂可以引起pcd体中的热应力和裂纹的形成。这些热应力可能最终导致pcd体中的裂纹的形成和切割元件的过早失效。

因此，已经开发了各种技术来产生热稳定的pcd(tsp)。用于形成tsp主体的常规方法包括在金刚石颗粒的hpht烧结过程中使用非金属催化剂，不使用催化剂的hpht烧结金刚石颗粒，或用酸浸出常规的pcd体以除去至少一部分形成在结合的金刚石晶体之间的间隙区域中的催化剂材料。

另外，预先形成的tsp主体可以通过将tsp主体放置在模具中然后用配置成在受到升高的温度时形成基底的材料填充模具的其余部分而与基底接合。配置成形成基底的材料通常包括基质材料(比如钨或碳化钨)和粘合剂材料(比如钴)。当模具被加热时，粘合剂材料配置成渗入基质材料，从而将基质颗粒结合在一起以形成基底。此外，粘合剂材料配置为通过润湿tsp主体与基底之间的交界面表面并沿着交界面表面填充tsp主体中的金刚石颗粒之间的孔而将基底接合到tsp主体。

技术实现要素：

本公开涉及将超硬体连接到基底并减轻在超硬体与基底之间形成高应力集中区域的各种方法。在一个实施例中，该方法包括用中间层覆盖超硬体的至少一部分，将至少部分地被所述中间层覆盖的超硬体放置在模具中，用基底材料填充所述模具的一部分，以及将所述基底材料加热到配置成形成联接到所述超硬体的基底的渗透温度。该方法还可以包括在模具中的位移上支撑超硬体。中间层可以是任何合适的材料，比如钴、镍、铜、其合金、或其任何组合。超硬体可以是任何合适类型的热稳定多晶金刚石(pcd)，比如浸出pcd、非金属催化剂pcd或无催化剂pcd。超硬体可以是热稳定多晶立方氮化硼(pcbn)体。超硬体可以具有大于约4000kg/mm²的硬度。基底材料可以由基质材料和粘合剂材料构成。

中间层的熔点可能超过渗透温度，使得中间层在形成基底的任务期间不熔化。中间层的杨氏模量可以小于tsp主体的杨氏模量并且小于基底的杨氏模量。此外，中间层的硬度可以小于超硬体的硬度并且小于基底的硬度。

超硬体的任何合适的部分可以被中间层覆盖。该方法可以包括用中间层完全覆盖超硬体。该方法还可以包括用具有第一厚度的第一中间层覆盖超硬体的第一部分，并且用具有不同于第一厚度的第二厚度的第二中间层覆盖超硬体的第二部分。在超硬体是圆柱形并且包括外表面、与外表面相对的内表面和在外表面与内表面之间延伸的圆柱形侧壁的实施例中，该方法可以包括用中间层覆盖超硬体的外表面、内表面和圆柱形侧壁中的每个的至少一部分。中间层可以沿着超硬体的外表面和/或内表面是不连续的。

超硬体可以通过任何合适的过程用中间层覆盖。该方法可以包括围绕超硬体的一部分缠绕薄金属带。该方法还可以包括涂覆超硬体，比如通过无电镀、电镀、气相沉积、溅射、喷涂或其任何组合。

本公开还涉及超硬切割元件的各种实施例。在一个实施例中，超硬切割元件包括超硬体、联接到所述超硬体的基底、以及至少一个中间层，其超硬体与基底之间并且沿所述超硬体与基底之间的成角度交界面的至少一部分延伸。超硬体可以是圆柱形的，并且包括外表面、与外表面相对的内表面、以及在外表面与内表面之间延伸的圆柱形侧壁。中间层可以覆盖超硬体的外表面、内表面和圆柱形侧壁中的每一个的至少一部分。基底可以覆盖超硬体的外表面、内表面和圆柱形侧壁中的每一个的至少一部分。中间层可以沿着超硬体的外表面和内表面中的至少一个是不连续的。中间层可以包括具有第一厚度的第一中间层和具有不同于第一厚度的第二厚度的第二中间层。

中间层的杨氏模量可以小于超硬体的杨氏模量并且小于基底的杨氏模量。中间层的硬度可以小于超硬体的硬度并且小于基底的硬度。中间层可以是任何合适的材料，比如钴、镍、铜、其合金、或其任何组合。超硬体可以是任何合适类型的热稳定多晶金刚石(pcd)，比如浸出pcd、非金属催化剂pcd或无催化剂pcd。中间层可以具有任何合适的厚度，比如约0.001英寸(25.4μm)至约0.005英寸(127μm)。

本公开还涉及制造具有联接到基底的超硬体的切割元件的方法。在一个实施例中，该方法包括将超硬体放置在模具中，用基底材料填充模具的一部分，将基底材料加热至配置成形成基底并将基底联接到超硬体的渗透温度，以及去除超硬体的石墨化区域。基底材料可以由基质材料和液化温度为约982℃(约1800°f)或更低的粘合剂材料组成。渗透温度可以约为982℃(约1800°f)或更低，或者可以大于约982℃(约1800°f)。去除超硬体的石墨化区域可以包括去除具有从约0.001英寸(25.4μm)到约0.03英寸(762μm)的深度的超硬体层。另外，去除超硬体的石墨化区域可以包括任何合适的过程，比如碾磨、研磨或其组合。超硬体可以是任何合适类型的热稳定多晶金刚石(pcd)，比如浸出pcd、非金属催化剂pcd或无催化剂pcd。

提供了本发明内容以便介绍在以下详细描述中被进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

当结合以下附图考虑时，参考下面的详细描述，本公开的实施例的这些及其它特征和优点将变得更加明显。在附图中，所有图中使用相同的附图标记来引用相似的特征和部件。附图不一定按比例绘制。

图1是示出根据本公开的一个实施例的在位移上支撑热稳定多晶金刚石(tsp)体的任务的透视图；

图2是示出根据本公开的一个实施例的插入tsp主体和图1的位移进入模具的任务和用基底材料填充模具的任务的剖视图；

图3是根据本公开的一种方法形成的超硬切割元件的透视图；

图4是描绘在竖直转塔车床(vtl)测试中五种不同tsp主体的性能结果的图；以及

图5是根据本公开的一种方法形成的包含超硬切割元件的钻头的透视图。

具体实施方式

本公开涉及超硬切割元件的各种实施例以及将超硬体(例如热稳定多晶金刚石体)联接到基底以形成超硬切割元件的方法。本公开的实施例还涉及用于在将超硬体联接到基底的过程中减轻在超硬体与基底之间形成高应力集中区域的各种方法。根据本公开的方法形成的超硬切割元件可以结合到任何合适的工业工具中，其中期望利用超硬体的耐磨性和硬度特性，例如比如在钻头(例如固定切削刀头或滚子锥头钻头)或用于地下钻井或采矿操作的铰刀中。

下面参照图1和图3，将描述根据本公开的一个实施例的将热稳定多晶金刚石(tsp)体100联接到基底101以形成超硬切割元件102的方法。在一个实施例中，该方法包括形成tsp主体100。该方法可以包括形成任何合适类型的tsp主体100，例如比如非金属催化剂多晶金刚石(pcd)、无粘合剂pcd或者浸出或部分浸出的pcd。在一个实施例中，形成非金属催化剂型的tsp主体100包括将与非金属催化剂(例如热相容的碳化硅或碳酸盐)混合的金刚石粉末经受高压高温(hpht)烧结过程，例如比如施加约70kbar或更大的压力和从约2000℃(约3632°f)至约2500℃(约4532°f)的温度。在一个实施例中，形成无粘合剂型tsp主体100包括在不存在催化剂材料的情况下将碳(例如石墨、巴克球或其它碳结构)经受hpht烧结过程，例如比如通过施加约100-160kbar的压力和从约1800℃(约3272°f)至约2500℃(约4532°f)的温度。在一个实施例中，形成浸出型tsp主体100包括将与催化剂混合的金刚石粉末经受hpht烧结过程，以形成具有金刚石晶体的互连网络的传统pcd体以及占据金刚石晶体之间的间隙空间或孔的催化剂材料。形成浸出型tsp主体100还包括处理常规pcd体以从互连的金刚石晶体之间的间隙孔中除去催化剂材料的任务，比如通过将pcd体在酸溶液中浸没达必要的时间段。在一个或多个替代实施例中，占据金刚石晶体之间的孔的催化剂材料可以通过任何其它合适过程例如比如热分解来去除。

在替代实施例中，该方法可以包括获得或提供上述任何类型的预先形成的tsp主体100。另外，在替代实施例中，该方法可以包括形成热稳定多晶立方氮化硼(pcbn)体，或者获得或提供预先形成的pcbn体而不是tsp主体100。另外，在一个实施例中，该方法可以包括形成、获得或提供任何其他合适类型或种类的超硬体，而不是tsp或pcbn体。例如，在一个实施例中，超硬体可以由硬度超过约4000kg/mm²的任何合适的材料形成。另外，在一个实施例中，该方法可以包括形成或获得仅tsp主体的一部分是热稳定的tsp主体100。例如，催化剂可以仅从pcd体的一部分去除(例如通过浸出或热分解)，并且pcd体的其余部分可以是常规pcd。如本文所使用，术语“超硬”被理解为本领域已知的具有约4000维氏金字塔数(hv)或更大的晶粒硬度的材料。这样的超硬材料可以包括能够在高于约750℃(约1382°f)的温度下显示物理稳定性的那些，并且对于某些应用来说高于约1000℃(约1832°f)，它们由固结材料形成。这种超硬材料可以包括但不限于金刚石、立方氮化硼(cbn)、类金刚石碳、低氧化硼、硼化铝锰以及硬度值高于4000hv的硼-氮-碳相图中的其它材料。

在图1所示的示例性实施例中，tsp主体100是圆柱形的，并且包括外工作表面103、与工作表面103相对的内交界面表面104、在工作表面103与交界面表面104之间延伸的圆柱形侧壁105、其中圆柱形侧壁105与工作表面103相接触所限定的切割边缘106以及其中圆柱形侧壁105与交界面表面104相接触所限定的交界面边缘107。切割边缘106是tsp主体100的一部分，其配置为当tsp主体100被并入到其中于钻头上的超硬切割元件102时在地下钻井或采矿操作期间接合土层。交界面表面104是tsp主体100的一部分，其在tsp主体100联接到基底101以形成超硬切割元件102时邻接基底101，例如如图3所示。虽然所示实施例中的tsp主体100是圆柱形的，但是在一个或多个替代实施例中，tsp主体100可以具有任何其他合适的形状，这取决于tsp主体100被并入其中的超硬切割元件102的预期应用。另外，尽管所示实施例中的tsp主体100包括平面交界面表面104，但是在一个或多个替代实施例中，tsp主体100的交界面表面104可以是非平面的。例如，tsp主体100的交界面表面104可以包括配置为将tsp主体100连接到基底101的一个或多个特征，例如比如配置为接合基底101上的互补特征的凹陷(例如凹槽或通道)或突起(例如肋)。

继续参考图1所示的实施例，该方法还包括在位移108上支撑tsp主体100的任务。位移108配置成防止基底101围绕接触位移108的tsp主体100的那些部分形成(例如，接触位移108的tsp主体100的部分在将tsp主体100联接到基底101之后保持暴露)。在所示的实施例中，位移108是具有较厚区域109、较薄区域110和限定在较厚区域109与较薄区域110之间的台阶111的圆柱形盘。较厚区域109的内表面112配置为支撑tsp主体100的外工作表面103的至少一部分。较薄区域110的内表面113配置成与tsp主体100的外工作表面103间隔开，使得间隙或空腔114形成在tsp主体100的外工作表面103与位移108的较薄区域110之间。位移108还包括延伸超过较厚区域109的一对相对的三角形突起115、116。三角形突起115、116配置成邻接tsp主体100的圆柱形侧壁105。

如下面更详细地描述，基底101通过用基底材料121填充含有tsp主体100的模具120而形成并联接到tsp主体100。如图2所示，位移108配置成防止基底101围绕与位移108的较厚区域109的内表面112接触的tsp主体100的外工作表面103的部分形成。位移108还配置成防止基底101围绕支撑在位移108的较厚区域109上并且在位移108的三角形突起115、116之间延伸的tsp主体100的圆柱形侧壁105的部分形成。因此，如图3所示，tsp主体100的切割边缘106的一部分在tsp主体100接合到基底101之后保持暴露。另外，如图1和图3所示，位移108的三角形突起115、116配置成在基底101与tsp主体100的圆柱形侧壁105之间限定成角度的边缘或交界面122。位移108可以具有任何其他合适的形状，这取决于tsp主体100的期望的暴露区域和包含tsp主体100的超硬切割元件102的预期应用。

继续参考图1，该方法还包括用一个或多个中间层覆盖tsp主体100的至少一部分的任务。在所示实施例中，tsp主体100被两个中间层117、118覆盖，尽管在一个或多个替代实施例中，tsp主体100的部分可以被任何其他合适数量的中间层覆盖，例如比如从1到10个中间层。如下面更详细地描述，中间层117、118配置为减轻在tsp主体100与基底101之间形成应力集中区域，否则这种应力集中区域会由于tsp主体100中的金刚石晶体与基底101中的基质材料之间的热膨胀差异系数而在将tsp主体100接合到基底101的过程中产生。在一个实施例中，中间层117、118还配置成增加超硬切割元件的韧性以及在钻井或采矿操作期间超硬切割元件102的切割动力学。用中间层117、118覆盖tsp主体100的至少一部分的任务可以通过任何合适的过程来执行，例如比如在tsp主体100周围包裹一个或多个薄金属带(例如箔)、电镀、无电镀、气相沉积(例如化学气相沉积或物理气相沉积)、溅射、喷涂或其任何组合。此外，可以在将tsp主体100支撑在位移108上的任务之前执行用中间层117、118覆盖tsp主体100的至少一部分的任务。

一般而言，较高的应力集中通常会发生在基底101与tsp主体100之间的接触面积是不规则的、含有相对尖锐的角度(例如边缘或角部)或包含复杂几何形状的地方。因此，在一个实施例中，基于tsp主体与基底101之间的接触面积的几何形状，该方法可以包括仅使用一个或多个中间层117、118覆盖tsp主体100上可能发生高应力集中的那些部分。另外，该方法可以包括仅覆盖tsp主体100中可能经历超过阈值的应力集中的那些部分，例如比如应力集中足够高，使得它们可能沉淀形成裂纹或以其他方式损坏tsp主体100、基底101或超硬切割元件102中的至少一个的结构完整性。在一个或多个替代实施例中，tsp主体100的任何其它合适的部分可被一个或多个中间层117、118覆盖。

在图1所示的实施例中，中间层117、118是两个薄金属带(例如箔)，并且该方法包括围绕tsp主体100的圆柱形侧壁105的靠近位移108上的三角形突起115、116的部分缠绕金属带中间层117、118。tsp主体100上的金属带中间层117、118可以位于位移108上的三角形突起115、116附近，因为三角形突起115、116配置成在基底101与tsp主体100之间限定成角度的边缘或交界面122(参见图3)，并且在将tsp主体100连接到基底101的过程中和/或在钻孔操作中使用超硬切割元件102期间，可能在这些成角度的交界面122中产生高应力集中。

另外，在图1的所示实施例中，金属带中间层117、118分别围绕tsp主体100的交界面边缘107和切割边缘106缠绕并且到交界面表面104和工作表面103上。中间层117、118可以缠绕tsp主体100的边缘106、107缠绕，因为边缘106、107限定了相对尖锐的角度，其中在将tsp主体100连接到基底101的过程中和/或在钻孔操作中使用超硬切割元件102的过程中可能会产生高应力集中。此外，在所示实施例中，金属带中间层117、118的端部123、124分别沿着tsp主体100的内交界面表面104和外工作表面103间隔开(即中间层117、118沿着tsp主体100的内交界面表面104和外工作表面103是不连续的)。金属带中间层117、118的端部123、124可以沿着tsp主体100的外表面103和内表面104间隔开，因为在所示实施例中，这些表面103、104在tsp主体100与基底101之间限定平坦的交界面，因此与沿着tsp主体100的更复杂的几何区域(例如圆柱形侧壁105、切割边缘106和交界面边缘107)发生的应力相比，tsp主体100的这些区域可能经历相对较低的应力。中间层117、118可具有任何合适的厚度，例如比如约0.001英寸(25.4μm)至约0.005英寸(127μm)。在一个实施例中，中间层117、118可具有约0.002英寸至约0.003英寸的厚度，例如约0.0025英寸。

尽管在所示实施例中，该方法包括围绕tsp主体100缠绕金属带中间层117、118，但在一个或多个替代实施例中，中间层可以通过任何其它合适的过程施加到tsp主体100。例如在一个实施例中，该方法可以包括遮蔽tsp主体100的部分，然后将一个或多个中间层117、118沉积到tsp主体100的未遮蔽部分上，比如通过电镀、无电镀、气相沉积、溅射、喷涂或浸渍。在另一实施例中，该方法可以包括围绕tsp主体100连续且完全地缠绕单个连续的金属带(例如箔)(即中间层可以是沿着tsp主体100的平坦外内表面103、104不间断的薄金属带)。在另一实施例中，该方法可以包括用中间层覆盖将与基底101接触的tsp主体100的整个部分。在另一实施例中，一个或多个中间层可以完全覆盖整个tsp主体100。

继续参考图1，该方法还可以包括根据在将tsp主体100连接到基底101的任务期间在tsp主体100与基底101之间将产生的预期的应力集中用一个或多个相对较厚的中间层和一个或多个相对较薄的中间层来覆盖tsp主体100的任务(例如，该方法可以包括用具有不同厚度的两个或多个中间层覆盖tsp主体100)。通常，较厚的中间层配置为减轻形成比相对较薄的中间层更高的应力集中水平。例如，在一个实施例中，任务可以包括用一个或多个具有第一厚度的薄金属带覆盖tsp主体100的一部分并且用一个或多个具有大于第一厚度的第二厚度的薄金属带覆盖tsp主体100的不同部分。例如，在一个实施例中，一个或多个较厚的中间层可具有约0.003英寸至约0.005英寸(127μm)的厚度，并且一个或多个较薄的中间层可具有约0.001英寸(25.4μm)的厚度至约0.003英寸的厚度。

在一个实施例中，可以沿着tsp主体100的更尖锐或更复杂的几何形状(例如圆柱形侧壁105、切割边缘106和/或交界面边缘107)提供一个或多个较厚的中间层，并且可以沿着tsp主体100的较平坦几何形状(例如外工作表面103和/或内交界面表面104)提供一个或多个较薄的中间层。在中间层沉积到tsp主体100上(例如通过物理气相沉积)的实施例中，该方法可以包括将具有第一厚度的第一中间层沉积到tsp主体100的至少一部分上、遮蔽第一中间层的区域和/或tsp主体100的未涂覆区域、然后进行第二沉积以形成具有大于第一中间层的第一厚度的第二厚度的第二中间层的任务(例如，在第二次沉积期间tsp主体100的未遮蔽区域将被覆盖在比在第一沉积期间被第一中间层覆盖的tsp主体100的区域更厚的中间层中)。尽管上面仅参考两个不同的中间层描述了该方法，但是在一个或多个替代实施例中，该方法可以包括用任何其它合适数量的不同中间层(例如比如从三到十个不同的中间层)覆盖tsp主体100的部分，这取决于tsp主体100在将tsp主体100连接到基底101的过程期间将经历的不同应力集中水平的数量。

现在参考图2，该方法还包括将位移108和至少部分地被一个或多个中间层117、118覆盖的tsp主体108放置到由模具120限定的空腔119中的任务。在替代实施例中，该方法可以包括首先将位移108放置到模具120的空腔119中，然后将至少部分地被中间层117、118覆盖的tsp主体100放置到模具120的空腔119中并且放到位移108上的任务。在另一替代实施例中，位移108的特征可以一体地形成在模具120的空腔119中，使得可以根据将tsp主体100连接到基底101的一种方法而不使用单独的位移108。此外，在一实施例中，该方法可以包括在将tsp主体100和位移108一起插入模具120的空腔119之前临时将tsp主体100附接到位移108。临时将tsp主体100附接到位移108配置为在将tsp主体100连接到基底101的后续任务期间保持tsp主体100与位移108之间的适当对准。tsp主体100可以通过任何合适的过程临时附接到位移108，例如比如采用可移除的粘合剂。

继续参考图2，该方法还包括用配置成形成基底101的基底材料121填充空腔119的剩余部分的任务。在一个实施例中，基底材料121由基质粉末(例如碳化钨(wc)粉末或钨(w)粉末)和粘合剂材料构成。在一个实施方案中，粘合剂材料可以是任何合适的金属，例如比如铁、钴、镍、铜、锰、锌、锡、它们的合金(例如镍合金)或其任何合适的组合。金属粘合剂材料可以作为单独的粉末或作为放置在基质粉末顶部上的固体(例如粘合剂材料盘)而被提供。在另一实施例中，金属粘合剂粉末可以与基质粉末混合。另外，在一个或多个实施例中，该方法可以包括将有机溶剂(例如醇)与金属粘合剂粉末和基质粉末混合以形成浆料或糊料的任务。将有机溶剂混合到基质粉末和粘合剂粉末中可以有助于在用基底材料121填充模具120的空腔119的任务期间容易地处理基底材料121。有机溶剂可以选择为不影响基质材料的化学特性。

在一实施例中，该方法还包括通过任何合适的过程将基底材料121紧密地装在模具120的空腔119中的任务，例如比如摇动模具120以将基底材料121沉降在空腔119中和/或将基底材料121压入模具120的空腔119中。在所示实施例中，当基底材料121紧密地装在模具120的空腔119中时，基底材料进入并填充限定在tsp主体100的外工作表面103与位移108的较薄区域110的内表面113之间的间隙114，包围在位移108的三角形突起115、116之间延伸的tsp主体100的圆柱形侧壁105的部分，并且在tsp主体100的内交界面表面104之上形成圆柱形柱。在替代实施例中，该方法可以包括用第一基底材料填充限定在tsp主体100的工作表面103与位移108的较薄区域110的内表面113之间的间隙114并且然后用与第一基底材料不同的第二基底材料填充空腔119的其余部分的任务。在一实施例中，可以选择第一基底材料，具有比第二基底材料更低的热膨胀系数，以减轻在基底101与tsp主体100之间形成应力集中区域。另外，在一实施例中，在将tsp主体100插入模具120的空腔119之前，基底材料121可以预先装入到限定在tsp主体100的工作表面103与位移108的较薄区域110的内表面113之间的间隙114中，然后在将tsp主体100插入模具120中之后，可以将剩余的基底材料121装入模具120的空腔119中。

仍然参考图2，该方法还包括关闭模具120的空腔119并将模具120和空腔119中的基底材料121加热到等于或超过粘合剂材料的熔点(即粘合剂材料的渗透温度)的温度的任务。在一实施例中，加热模具120的任务包括将模具120放置在产生约1204℃(约2200°f)的温度的炉中，尽管炉可以配置为根据所选择的金属粘合剂材料的熔点产生任何其它合适的温度。例如，在一实施例中，任务可以包括将模具120放置在产生约982℃(约1800°f)或更低的温度的炉中。该方法还可以包括以等于或高于粘合剂材料的渗透温度加热模具120达足够的持续时间以使液化的粘合剂材料充分渗透到基质材料中的任务。由于毛细管作用，液化的粘合剂材料可以通过基质材料而被吸收。在将基质材料和粘合剂材料与有机溶剂混合以形成浆料的实施例中，有机溶剂配置为在加热模具120的任务期间燃烧。

在一个实施例中，基底121中的基质材料的热膨胀系数高于tsp主体100中的金刚石晶体的热膨胀系数。例如，在一实施例中，基质材料具有的热膨胀系数约为5^-5/k，tsp主体100中的金刚石晶体具有的热膨胀系数约为2^-6/k。因此，在加热模具120的任务期间，基质材料以比tsp主体100更快的速率缩小或收缩。基底101与tsp主体100之间的这种不同的收缩速率通常倾向于在基底101与tsp主体100之间产生高应力集中区域，特别是在基底101与tsp主体100之间的接触面积不规则的情况下，包含相对尖锐的角度(例如边缘或角部)，或者包含复杂的几何形状。然而，位于tsp主体100与基底101之间的一个或多个中间层117、118配置成塑性变形，从而防止或减轻在tsp主体100与基底101之间形成产生如此高的应力集中的硬接触点(即一个或多个中间层117、118配置为响应于基底101与tsp主体100之间的不同收缩速率而塑性变形，从而减轻在基底101与tsp主体100之间形成高应力集中区域)。因此，中间层117、118配置为用作缓冲层，其变形以防止tsp主体100与基底101之间的硬接触区域。

该方法还包括在低于粘合剂材料的渗透温度的温度下(例如在室温下)冷却模具120的任务，直到粘合剂材料固化，从而将基质颗粒结合在一起以以基底101的所需尺寸和形状形成固体基质。另外，在冷却模具120的任务期间，固化的基底101机械地连接到tsp主体100(即基底101配置为机械地锁定或互锁tsp主体100就位)。

图3示出了根据本公开的方法形成的超硬切割元件102。超硬切割元件102包括机械地连接到基底101的tsp主体100和设置在tsp主体100与基底101之间的中间层117、118。在所示的实施例中，基底101从tsp主体100的交界面表面104延伸，围绕tsp主体100的圆柱形侧壁105的一部分，并且覆盖tsp主体100的外工作表面103的一部分。以这种方式，基底101夹到tsp主体100上，以将tsp主体100机械地连接到基底101。

一个或多个中间层117、118可以由任何合适的硬和耐久的材料形成，例如比如第i族金属(例如铜)、第ⅷ族金属(例如铁、钴、镍)、第ix族金属、第x族金属、金属合金(例如镍合金)或其任何组合。在一实施例中，一个或多个中间层117、118的材料可被选择成使得一个或多个中间层117、118的杨氏模量(eil)分别低于tsp主体100和基底100的杨氏模量etsp、es。例如，在一个实施例中，tsp主体100的杨氏模量etsp为约1200gpa，并且可以选择钴作为一个或多个中间层117、118的材料，使得一个或多个中间层117、118的杨氏模量eil在室温下约为209gpa。在一个实施例中，一个或多个中间层117、118可以具有两个或更多个不同的杨氏模量。例如，与基底101接触的中间层117、118的一个或多个部分可以具有比不与基底101接触的中间层117、118的一个或多个部分更高的杨氏模量(例如，与基底101接触的中间层117、118的部分可以具有比仅与tsp主体100接触的中间层117、118的部分更高的杨氏模量)。在一个实施例中，中间层117、118的两个不同的杨氏模量可以分别低于tsp主体100和基底100的杨氏模量etsp、es。此外，在加热模具120以形成基底101的任务期间，一个或多个中间层117、118的杨氏模量eil将降低。

在一个实施例中，沿着tsp主体100的更尖锐或更复杂的几何形状(例如圆柱形侧壁105、切割边缘106和/或交界面边缘107)延伸的每个中间层117、118的部分比沿着tsp主体100的更平坦几何形状(例如外工作表面103和/或内交界面表面104)延伸的中间层117、118的部分更厚。如上所述，通常，中间层117、118的较厚部分配置为减轻形成比中间层117、118的相对较薄部分更高的应力集中水平。在一个实施例中，中间层117、118的一个或多个较厚的部分可以具有从约0.003英寸到约0.005英寸(127μm)的厚度，并且中间层117、118的一个或多个较薄部分可以具有从约0.001英寸(25.4μm)到约0.003英寸的厚度。

此外，在一个实施例中，一个或多个中间层117、118的材料可被选择成使得一个或多个中间层117、118各自具有小于tsp主体100和基底101的硬度。例如，在一个实施例中，中间层117、118可具有约500kg/mm²至约1000kg/mm²的硬度。因此，由于一个或多个中间层117、118的相对较低的硬度和杨氏模量，一个或多个中间层117、118各自配置成在加热模具120以将tsp主体100连接到基底101的任务期间变形。中间层117、118的变形配置为防止在tsp主体100与基底101之间形成硬接触点或区域，从而减轻在tsp主体100与基底101之间发展高应力集中区域。另外，一个或多个中间层117、118也可以配置成在钻井或采矿操作期间塑性变形，以在钻井或采矿操作期间减轻可能发展在tsp主体101与基底100之间的高应力集中区域的形成。

在一个实施例中，一个或多个中间层117、118的材料可被选择成使得一个或多个中间层117、118的熔点超过粘合剂材料的渗透温度和在形成基底101并将tsp主体100连接到基底101的任务期间模具120被加热到的温度。例如，在一个实施例中，可以选择钴作为一个或多个中间层117、118的材料，使得一个或多个中间层117、118的熔化温度约为1495℃(约2723°f)。因此，在一个实施例中，一个或多个中间层117、118在加热模具120的任务期间将不会熔化，这使得一个或多个中间层117、118能够塑性变形，从而减轻在tsp主体100与基底101之间形成高应力集中区域，如上所述。在替代实施例中，中间层117、118的材料可被选择成使得中间层117、118在加热模具120的任务期间熔化。另外，在一个或多个实施例中，中间层117、118可以在加热模具120的任务期间与基底材料121反应，并且形成熔点低于粘合剂材料的渗透温度的合金。因此，在一个实施例中，由于中间层117、118与基底材料121之间的反应，中间层117、118可能在加热模具120的任务期间熔化。

在一个实施例中，将模具120和空腔119中的基底材料121加热到等于或超过粘合剂材料的熔点的温度的任务可能导致tsp主体100的一部分石墨化(即tsp主体100中的金刚石晶体可以在用于形成基底101的升高的温度下石墨化)。通常，石墨化是对tsp主体100的性能特性产生不利影响的热降解形式(例如石墨化可降低tsp主体100在切割操作中的耐磨性)。因此，在一个实施例中，该方法可以包括完成或后处理tsp主体100以去除tsp主体100的石墨化区域的任务，从而改善tsp主体100的性能特性。去除tsp主体100的石墨化部分的任务可以通过任何合适的过程进行，例如比如碾磨、研磨或其组合。

在一个实施例中，tsp主体100的石墨化区域可以沿着tsp主体100的外工作表面103和圆柱形侧壁105定位。tsp主体100的石墨化区域的深度可以根据用于形成基底101并将基底101连接到tsp主体100的温度而改变。通常，更高的温度导致石墨化区域具有更大的深度。在一个实施例中，tsp主体100的石墨化区域可以具有从约0.001英寸(25.4μm)到约0.03英寸(762μm)的深度。因此，在一个实施例中，后处理tsp主体100以去除石墨化区域的任务可以包括从tsp主体100的外工作表面103和圆柱形侧壁105去除约0.001英寸(25.4μm)至约0.03英寸(762μm)。在一个或多个替代实施例中，该方法可以包括后处理tsp主体100，以从tsp主体100的外工作表面103和圆柱形侧壁105去除任何其它合适的材料深度，例如比如大于0.03英寸(762μm)的材料深度。

另外，在一个实施例中，tsp主体100的石墨化区域是导电的，并且tsp主体100的非石墨化区域不是导电的。因此，在一个实施例中，该方法可以包括去除tsp主体100的部分的任务，直到tsp主体100不再导电(例如，该方法可以包括连续地去除tsp主体100的一部分并测量tsp主体100的导电，直到tsp主体100的导电石墨化区域被完全或基本完全去除)。

图4中的曲线图描绘了竖直转塔车床(vtl)测试中五种不同tsp主体的性能结果。测试的四个tsp主体进行后处理，以在进行vtl测试之前去除所有或基本上所有的石墨化区域，并且tsp主体之一未经后处理以去除tsp主体的石墨化区域。如图4所示，未经后处理以去除tsp主体的石墨化区域的tsp主体在vtl测试90次通过后失败，而经后处理以去除tsp主体的石墨化区域的每个tsp主体都存活于vtl测试120次通过。

另外，在一个实施例中，该方法可以包括选择具有低于常规粘合剂材料的熔点(即液化温度)的粘合剂材料的任务(即该方法可以包括选择配置成在比常规粘合剂材料低的温度下熔化和渗透基质材料的粘合剂材料)。降低粘合剂材料的液化温度有助于降低施加到模具120上的热源(例如炉)的温度，以形成并连接基底101到tsp主体100。通常，降低用于形成并连接基底101到tsp主体100的热源的温度减少了石墨化的tsp主体100的区域的深度(即降低施加到模具120的温度以形成并连接基底101到tsp主体100降低tsp主体100的热降解)。在一个实施例中，该方法可以包括选择具有约982℃(约1800°f)或更低的熔点(即液化温度)的粘合剂材料。在另一实施例中，该方法可以包括选择熔点约为816℃(约1500°f)或更低的粘合剂材料。例如，在一个实施例中，该方法包括选择由锌(zn)和锡(sn)组成的低温粘合剂，其总％重量为约26.5％至约30.5％，其中zn为至少约12％，sn至少约6.5％，镍(ni)至少约4.5至约6.5％重量，锰(mn)至少约11至约26％重量和铜(cu)至少约40至约55％重量。

根据本公开的方法形成的超硬切割元件102可以结合到任何合适的工业工具中，其中期望利用tsp主体100的耐磨性和硬度特性，例如比如在钻头(例如固定切割器钻头或滚子锥头钻头)或用于地下钻井或采矿操作的铰刀中。例如，在图5所示的实施例中，拖曳钻头200包括钻头体201、从钻头体201的一端延伸的圆柱形柄202和从圆柱形柄202的与钻头体201相对的一侧延伸的锥形销203。锥形销203包括用于将钻头200联接到钻柱组件的外螺纹204，所述钻柱组件配置成将钻头200可旋转地推进到地下地层中以形成钻孔。钻头200还包括围绕钻头体201周向设置的多个叶片206。每个叶片206限定多个切割器凹穴207。切割器凹穴207配置成接纳和支撑根据本公开的方法形成的超硬切割元件102。在图5中省略了超硬切割元件102之一，以露出切割器凹穴之一。超硬切割元件102可以通过任何合适的过程固定在切割器凹穴207中，例如比如通过将超硬切割元件102的基底101钎焊到叶片206。

虽然已经具体参考本发明的实施例对本发明进行了详细描述，但是本文所描述的实施例并不旨在是穷尽的或将本发明的范围限制为所公开的确切形式。本发明所属技术领域的技术人员将理解的是，可以在不意图脱离本发明的原理、精神和范围的情况下实施所描述的组件和操作的结构和方法的替代和改变。此外，如本文所使用，术语“基本上”和类似术语用作近似术语而不是程度术语，并且旨在解释将由本领域普通技术人员识别的测量值或计算值的固有偏差。此外，如本文所使用，当部件被称为“在”或“联接到”另一部件上时，其可以直接在另一部件上或附接到另一部件，或者可以在其之间存在中间部件。