隔离的多材料金属基体复合工具的制作方法
背景
在石油和天然气工业中通常使用各种工具来形成井筒、使已钻探的井筒完井以及从已完成的井中生产烃类如石油和天然气。此类工具的实例包括：切削工具如钻头、扩孔器、稳定器和取芯钻头；钻孔工具如旋转导向装置和泥浆马达；以及其他井下工具如开窗铣刀、封隔器、钻具接头和其他易磨损工具。这些工具以及石油和天然气工业领域以外其他几种类型的工具通常形成为金属基体复合物(mmc)，且在本文中称为“mmc工具”。
通常通过将松散粉末增强材料放入模具中并用粘结剂材料如金属合金浸润粉末材料来制造mmc工具。可以通过使模腔成形和/或通过将临时置换材料定位在模腔的内部来提供所得mmc工具的各种特征。然后可以将一定量的增强材料与一定量的粘结剂材料放置在模腔内。随后将模具放在熔炉内并且使模具的温度增大到所需温度以允许粘结剂(例如，金属合金)液化并浸润基体增强材料。
mmc工具通常是抗侵蚀的并具有较高的冲击强度。mmc工具的外表面通常需要在极端条件下操作。因此，定制mmc工具的外表面的材料性质以延长给定mmc工具的操作寿命可能是有利的。
附图简述
以下图示被包括来说明本公开的某些方面，并且不应该被看作是排他性实施方案。所公开的主题能够在不脱离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。
图1是可以根据本公开的原理制造的示例性钻头的透视图。
图2是图1的钻头的横截面图。
图3是可用于制造图1和图2的钻头的模具组件的横截面侧视图。
图4a和图4b是另一个示例性模具组件的横截面侧视图并且包括示例性边界形式。
图5是包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件的横截面侧视图。
图6是包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件的横截面侧视图。
图7a和图7b描绘了包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件。
图8a和图8b描绘了包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件。
图9a和图9b描绘了包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件。
图10a和图10b描绘了包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件。
图11a和图11b描绘了可用于本文所述的任何模具组件的示例性边界形式的横截面顶视图。
图12是包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件的横截面侧视图。
图13a至图13d是上面示意性地覆盖有相应示例性边界形式的示例性钻头的顶端视图。
图14是包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件的横截面侧视图。
图15a至图15c描绘了图14的环形隔离件与心轴之间的各种界面构型。
图16是包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件的横截面侧视图。
图17是包括另一个示例性边界形式的另一个示例性模具组件的横截面侧视图。
详述
本公开涉及工具制造，并且更具体地讲，涉及使用浸润室内的边界形式制造的金属基体复合工具，以隔离开具有宏观不同性质的区域以及与此相关的相关联生产和使用方法。
本文所述的实施方案可用于制造具有至少两个带宏观不同性质的区的浸润的金属基体复合工具。这可通过使用位于浸润室内的一个或多个边界形式容纳至少两种类型的增强材料和/或粘结剂材料来实现。这可有利于允许将呈现不同宏观性质的特定增强材料选择性地放置在浸润的金属基体复合工具中，这可导致浸润的金属基体复合工具在期望的局部区域获得较高的刚度和/或耐腐蚀性。例如，在一个实例中，可以将耐腐蚀性或高性能材料选择性地放置在浸润的金属基体复合工具的外表面上，而浸润的金属基体复合工具的内部可由较坚韧且较低成本的材料制成。
本公开的实施方案适用于形成为金属基体复合物(mmc)的任何工具或装置。此类工具或装置在本文中称为“mmc工具”并且可以用于或可以不用于石油和天然气工业。然而，仅仅为了说明和描述的目的，以下描述涉及在石油和天然气工业中使用的mmc工具如钻头，但是应当理解，本公开的原理同样适用于在任何行业或领域中使用的任何类型的mmc，如装甲板、汽车部件(例如，套筒、汽缸衬垫、驱动轴、排气阀、制动转子)、自行车车架、制动肋板、航空航天部件(例如，起落架部件、结构管、支柱、轴、连杆、管道、波导、导向叶片、转子刀片套筒、腹翅、致动器、排气结构、壳体、框架)和涡轮泵部件，而不脱离本公开的范围。
参考图1，示出了可以根据本公开的原理制造的示例性mmc工具100的透视图。mmc工具100通常在图1中描绘为可在石油和天然气工业中用于钻井的固定切削器钻头。因此，mmc工具100在本文称为“钻头100”，但如上所述，也可以将钻头100另选地更换为在石油和天然气工业中或任何其他工业中所用的任何类型的mmc工具或装置，而不脱离本公开的范围。可以根据本公开的教导内容制造的用于石油和天然气工业的合适mmc工具包括但不限于：油田钻头或切削工具(例如，定角钻头、牙轮钻头、取芯钻头、双心钻头、孕镶钻头、扩孔器、稳定器、开孔器、切削器)、不可回收的钻井部件；与井筒套管钻井相关联的铝钻头本体；钻柱稳定器；牙轮钻头的牙轮；用于锻造制造用于牙轮钻头的支撑臂的冲模的模型；固定扩孔器的臂；可扩张扩孔器的臂；与可扩张扩孔器相关联的内部部件；附接到旋转钻头的井口端的套筒；旋转式转向工具；随钻测井工具；随钻测量工具；侧壁取芯工具；打捞矛；套洗工具；用于井下钻井马达的转子、定子和/或壳体；用于井下涡轮机的刀片和壳体；以及其他具有复杂构型和/或与形成井筒相关联的非对称几何形状的井下工具。
如图1所示，钻头100可包括或以其他方式限定沿钻头头部104的圆周布置的多个刀片102。钻头头部104连接到柄部106形成钻头本体108。柄部106可通过焊接诸如使用致使围绕焊接槽112形成焊缝110的激光电弧焊接而连接到钻头头部104。柄部106还可包括或以其他方式连接到螺纹销114，诸如美国石油协会(api)钻杆螺纹。
在所示实例中，钻头100包括五个刀片102，其中形成多个凹部或凹穴116。切削元件118可以固定地安装在每个凹部116内。这可以例如通过将每个切削元件118钎焊到对应凹部116中来完成。随着钻头100在使用时旋转，切削元件118接合岩石和底层土地材料，以挖掘、刮掉或磨去正被穿透的地层的材料。
在钻井操作期间，钻井流体或“泥浆”可以通过在螺纹销114处联接到钻头100的钻柱(未示出)在井下泵送。钻井流体循环通过钻头100并且在一个或多个喷嘴120处离开钻头100，一个或多个喷嘴120定位在限定于钻头头部104中的喷嘴开口122中。排泄槽124形成在每对相邻的刀片102之间。切屑、井下碎屑、地层流体、钻井流体等可以穿过排泄槽124并在钻柱的外部部分和正钻探的井筒的内壁之间形成的环形空间内循环回到井表面。
图2是图1的钻头100的横截面侧视图。图2中所用的来自图1的相似数字是指不再描述的类似部件。如图所示，柄部106可以在焊缝110处牢固地附接到金属坯料或心轴202，并且心轴202延伸到钻头本体108中。柄部106和心轴202是大致圆柱形结构，其分别限定相互流体连通的对应流体腔204a和204b。心轴202的流体腔204b可以进一步纵向地延伸到钻头本体108内。至少一个流动通道206(示出其中一个)可以从流体腔204b延伸到钻头本体108的外部部分。喷嘴开口122(在图2中示出其中一个)可以限定在流动通道206的端部处位于钻头本体108的外部部分。凹穴116形成在钻头本体108中并且被成形或以其他方式构造成接纳切削元件118(图1)。
图3是可用于形成图1和图2的钻头100的模具组件300的横截面侧视图。虽然模具组件300被示出并被讨论为用于帮助制造钻头100，但是本领域技术人员将容易地理解，可以使用模具组件300的变型来帮助制造上述任何浸润的井下工具，而不脱离本公开的范围。如图所示，模具组件300可以包括几个部件，例如模具302、量规环304和漏斗306。在一些实施方案中，漏斗306可以经由量规环304如通过对应的螺纹接合件可操作地联接到模具302，如图所示。在其他实施方案中，可以从模具组件300中省去量规环304，且取而代之的是可以将漏斗306诸如经由对应螺纹接合件直接联接到模具302，而不脱离本公开的范围。
在一些实施方案中，如图所示，模具组件300还可包括放置在漏斗306上方的粘结剂碗308和盖310。例如，模具302、量规环304、漏斗306、粘结剂碗308和盖310可以每个由石墨或氧化铝(al2o3)或其他合适的材料制成或以其他方式包括它们。浸润室312可以限定或以其他方式设置在模具组件300内。可以使用各种技术来制造模具组件300及其部件，包括但不限于机械加工石墨坯料以产生各种部件，且从而限定浸润室312以显示钻头100(图1和图2)的所需外部特征的反面轮廓或反相轮廓。
诸如固结砂或石墨的材料可以在所需位置处定位在模具组件300内，以形成钻头100(图1和图2)的各种特征。例如，可以将一个或多个喷嘴置换件314(示出其中一个)定位成对应于流动通道206(图2)及其各自的喷嘴开口122(图1和图2)的期望位置和构造。可以理解的是，从中心置换件316延伸的喷嘴置换件314的数量将取决于钻头100中的流动通道和对应喷嘴开口122的所需数量。圆柱形固结中心置换件316可以放置在支腿314上。此外，一个或多个排泄槽置换件315也可以定位在模具组件300内，以对应于排泄槽124(图1)。
在期望材料(例如，中心置换件316、喷嘴置换件314、排泄槽置换件315等)已经安装在模具组件300内之后，增强材料318然后可以放置在模具组件300内或以其他方式被引入模具组件300中。增强材料318可以包括例如各种类型的增强颗粒。合适的增强颗粒包括但不限于金属颗粒、金属合金颗粒、超合金颗粒、金属间化合物颗粒、硼化物颗粒、碳化物颗粒、氮化物颗粒、氧化物颗粒、陶瓷颗粒、金刚石颗粒等或它们的任意组合。
合适的增强颗粒的实例包括但不限于钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、铀、镍、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、烧结碳化物、球形碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方硼化碳、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨、粗晶碳化钨、铸造碳化钨、破碎的烧结碳化钨、渗碳的碳化钨、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、析出硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、钴合金、铬合金、
心轴202可以由增强材料318至少部分地支撑在浸润室312内。更具体地讲，在将足够体积的增强材料318加入到模具组件300中之后，然后可以将心轴202放置在模具组件300内。心轴202可以包括大于中心置换件316的外径322的内径320，并且可以使用各种夹具(未明确示出)来将心轴202定位在模具组件300内的期望位置处。然后可以将增强材料318在浸润室312内填充到期望水平。
然后可以将粘结剂材料324放置在增强材料318、心轴202和中心置换件316的顶部。合适的粘结剂材料324包括但不限于铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟、其任何混合物、其任何合金及其任何组合。粘结剂材料324的合金的非限制性实例可以包括铜-磷、铜-磷-银、铜-锰-磷、铜-镍、铜-锰-镍、铜-锰-锌、铜-锰-镍-锌、铜-镍-铟、铜-锡-锰-镍、铜-锡-锰-镍-铁、金-镍、金-钯-镍、金-铜-镍、银-铜-锌-镍、银-锰、银-铜-锌-镉、银-铜-锡、钻-硅-铬-镍-钨、钻-硅-铬-镍-钨-硼、锰-镍-钴-硼、镍-硅-铬、镍-铬-硅-锰、镍-铬-硅、镍-硅-硼、镍-硅-铬-硼-铁、镍-磷、镍-锰、铜-铝、铜-铝-镍、铜-铝-镍-铁、铜-铝-镍-锌-锡-铁等以及它们的任意组合。可商购粘结剂材料324的实例包括但不限于virgintm粘结剂453d(铜-锰-镍-锌，可从belmontmetals有限公司获得)和铜-锡-锰-镍和铜-锡-锰-镍-铁等级516、519、523、512、518和520，可从atifirthsterling获得，以及它们的任意组合。
在一些实施方案中，粘结剂材料324可以被焊剂层覆盖(未明确示出)。加入到浸润室312中的粘结剂材料324(和任选的焊剂材料)的量应至少足以在浸润过程期间浸润增强材料318。在一些情况下，粘结剂材料324中的一些或全部可以放置在粘结剂碗308中，粘结剂碗308可以用于经由穿过其中延伸的各种导管326将粘结剂材料324分配到浸润室312中。盖310(如果使用的话)然后可以放置在模具组件300上。然后可以将模具组件300和设置在其中的材料预热并随后放置在熔炉(未示出)中。当炉温达到粘结剂材料324的熔点时，粘结剂材料324将液化并进行浸润增强材料318。
在液化粘结剂材料324分配预定量的时间以浸润增强材料318之后，然后可以将模具组件300从熔炉中移除并以受控的速率冷却。一旦冷却，模具组件300可以被分离以露出钻头本体108(图1和图2)。然后可以使用根据公知技术的后续机加工和后处理来使钻头100(图1)完工。
根据本公开的实施方案，钻头100或本文提及的任何mmc工具可以通过在装载增强材料318之前(或当时)以及在浸润之前使用位于浸润室312中的一个或多个边界形式而被制造成具有至少两个带宏观不同性质的区域。如下文更详细描述，此类边界形式可以简化装载和浸润过程，并且允许浸润室312必要时容纳多种类型的增强材料318和/或粘结剂材料324，这可能导致隔离或分离的浸润。可以理解的是，这可以允许用户将呈现不同宏观性质的特定增强材料318选择性地放置在钻头本体108(图2)中，这可导致钻头本体108在期望的局部区域获得较高的刚度和/或耐腐蚀性。
现在参考图4a和图4b，同时继续参考图3，示出了根据一个或多个实施方案的示例性模具组件400的部分横截面侧视图。为了简单起见，仅示出模具组件400的一半，如沿着模具组件400的纵向轴线a所截取的。应该注意的是，连续图(图4至图10、图12、图14、图16至图17)中示出的模具组件是图3的模具组件300的简化近似图，允许对各种实施方案的更简单的示意图和简单的说明。此外，由于具有奇数个刀片的钻头的直通式横截面的不对称性质(图1至图3)，连续的横截面图限于半部分以示出简化的一般构型，该构型除了钻头的不同部分如刀片部分(例如，图2至图3的右半部分)和排泄槽部分(例如，图2至图3的左半部分)外，还适用于具有不同数量的刀片的钻头。可以理解的是，这些半部分中所示的实施方案可以通过简单地形成用于围绕喷嘴置换件314(图3)定位的孔从刀片区域转移到排泄槽区域。
模具组件400在某些方面可以类似于图3的模具组件300，并且因此通过参考图3可以得到最好的理解，其中相同的数字表示不再详细描述的相同的元件。例如，与模具组件300类似，模具组件400可以包括模具302、漏斗306、粘结剂碗308和盖310。虽然图4a和图4b中未示出，但在一些实施方案中，量规环304(图3)也可以包括在模具组件400中。模具组件400还可以包括心轴202、中心置换件316以及一个或多个喷嘴置换件或支腿314(图3)，如上文一般描述的那样。
然而，与图3的模具组件300不同，模具组件400还可以包括至少一个边界形式402，边界形式402可以在装载增强材料318(图3)之前或期间定位在浸润室312内。边界形式402可以用作隔离分区，该隔离分区至少通过增强材料318的装载过程而保持完好无损。在一些实施方案中，如图所示，边界形式402可以包括本体404和从本体404朝向浸润室312的内壁延伸的一个或多个支座或肋状物406。肋状物406可将本体404稳定或支撑在浸润室312内并且允许本体404从浸润室312的内壁大致偏移或插入(即，径向地和/或纵向地)到偏移间距410。在一些实施方案中，肋状物406可以支撑边界形式402，使得偏移间距410沿浸润室312的相邻部分的全部或一部分是恒定的或一致的。然而，在其他实施方案中，偏移间距410可围绕浸润室312的内壁变化，尤其是在刀片102(图1)和排泄槽124(图1)的位置处。
在一些实施方案中，如图所示，肋状物406中的一个或多个可包括杆、销、柱或从本体404朝向浸润室312的内壁延伸的其他支撑构件。在其他实施方案中，如下更详细描述，肋状物406中的一个或多个可以另选地包括从本体404延伸出来的纵向和/或径向延伸的翅片。在任一种情况下，肋状物406可以形成为边界形式402的整体部分，或以其他方式可以诸如通过定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、卡环等)、干涉配合件、它们的任意组合等联接到本体404。
在本体404相对于浸润室312的内壁以偏移间距410偏移的情况下，浸润室可以被有效地隔离成至少两个区，该至少两个区可以容纳增强材料318(图3)的至少两个不同组合物的装载。更具体地讲，图4a描绘了装载增强材料318之前的模具组件400，并且边界形式402示为将浸润室312隔离成至少第一区312a和第二区312b。第一区312a被定位在浸润室312的中心或芯部，并且第二区312b与第一区312a通过边界形式402隔开并且邻近浸润室312的内壁定位。
图4b描绘了增强材料318装载到浸润室312之后的模具组件400，示为第一组合物318a装载到第一区312a中且第二组合物318b装载到第二区312b中。因此，边界形式402可有利于促进隔离的区312a、312b，其可以装载不同组合物或不同类型的增强材料318，这可导致第一区312a和第二区312b在浸润后呈现不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。例如，为第一组合物318a选择的特定材料可导致钻头本体108(图1和图2)在浸润后具有延展性芯部，而为第二组合物318b选择的特定材料可导致钻头本体108在浸润后具有刚性的或坚硬的外壳。
在一些实施方案中，为了防止边界形式402在装载过程期间坍塌或变形，可以同时装载第一组合物318a和第二组合物318b。可以理解的是，这可以减少可从边界形式402的相对侧施加的不平衡力。替代地，可能希望边界形式402在从一侧装载的过程中经历一定程度的偏转，且由此导致边界形式402围绕本体404的圆周弯曲或起伏。在这样的实施方案中，可以首先将第一组合物318a或第二组合物318b之一装载到浸润室312中，以允许本体404向外弯曲并且另外产生起伏的圆周表面，随后可以将第一组合物318a或第二组合物318b中的另一个装载到浸润室312中。所得到的本体404的可变圆周表面可以有利于增大隔离开的第一区312a与第二区312b之间的粘合表面区域和拔出强度。
在装载过程期间，可以在浸润室312的特定区域中控制第一组合物318a和第二组合物318b的压实程度。这可以通过对第一组合物318a和第二组合物318b的一个或两个的装载过程进行适当排序来实现。可以理解的是，这可以允许更好地控制钻头本体108(图1和图2)的选择位置中的侵蚀和/或韧性。例如，钻头本体108的提供刀片102(图1)的区域可以在装载期间受到较高程度的压实，以减小颗粒间距离并提高耐腐蚀性或抗偏转性。然而，钻头本体108的中心区域或芯部区域可以接收减少的压实量或完全不压实，以增强在这些位置处的韧性性质。这可以通过首先装载第二区312b并压实部分装载的模具组件400，且然后装载第一区312a并将完全装载的模具组件400压实到较小程度(或不压实)来实现。
在一些实施方案中，边界形式402(即，本体404)可以包括固体结构，例如由一种或多种材料制成的刚性或半刚性箔或板。在这样的实施方案中，边界形式402可以是不透性构件，其基本上防止了第一和第二组合物318a在装载和压实过程期间的混合。边界形式402(即，本体404)以及本文所述的任何边界形式的厚度可以取决于应用和/或用于边界形式402的材料，并且可以在边界形式402的选择性部分或位置上变化。例如，本体404的厚度可以取决于用于边界形式402的特定材料的扩散速率和熔点。例如，由铜制成的边界形式402可以薄至约0.03125(1/32)英寸，且厚至约0.25(1/4)英寸。另一方面，由镍制成的边界形式402与铜相比具有较高的熔点和刚度，可能薄至约0.015625(1/64)英寸，且厚至约0.125(1/8)英寸，而不脱离本公开的范围。
在其他实施方案中，边界形式402可以包括多孔结构如渗透性或半透性网状物、格栅或穿孔板，其允许在装载过程和压实过程期间在第一组合物318a与第二组合物318b之间发生一定量的混合。在这样的实施方案中，本体404可由限定多个孔或单元的多个相交的细长构件(例如，杆、棒、竿等)制成。本体404可以另选地由选择性穿孔以形成多个孔或单元的箔或板制成。本体404中的孔的大小可被设计成允许在装载期间在边界形式402的相反侧上第一组合物318a和第二组合物318b发生一定程度的混合。例如，本体404中的孔可以大小设定成使得边界形式402用作筛子，筛子允许预定大小的增强颗粒穿过边界形式402，同时防止大于预定大小的增强颗粒穿过。在浸润期间，本体404中的孔可以进一步允许粘结剂材料324(图3)穿透边界形式402，并在边界形式402的任一侧上浸润第一组合物318a和第二组合物318b。在至少一个实施方案中，粘结剂材料324可以穿透边界形式402以在边界形式402的相对侧上与第二粘结剂材料混合。在任一种情况下，粘结剂材料324渗入渗透性或半透性网状物、格栅或穿孔板可以在边界形式402的任一侧上的区域之间提供增强的机械互锁，由此有助于防止内部区312a在操作期间从外部区312b拔出或扭曲。
在其他实施方案中，边界形式402可以包括一个或多个渗透性部分和一个或多个不透性部分，而不脱离本公开的范围。例如，本体404可以包括被构造成邻近一个或多个对应排泄槽124(图1)区域定位的一个或多个渗透性部分以及被构造成定位在一个或多个对应刀片102(图1)区域内的一个或多个不透性部分。
边界形式402可由各种材料制成，如本文列出的用于增强材料318(图3)和粘结剂材料324(图3)的任何材料。边界形式402的附加候选材料包括难熔金属和刚性金属如铍、铪、铱、铌、锇、铼、铑、钌、钽、钒和这些材料与先前针对粘结剂材料324所列的那些材料之间的任何组合或合金。在一些实施方案中，边界形式402的全部或一部分可以另选地由聚合物或泡沫(聚合的或金属的)制成。此外，边界形式402可包括多种材料。在这样的实施方案中，本体404可以包括一种或多种类型的材料，并且肋状物406可以包括一种或多种不同类型的材料，例如将溶解在粘结剂材料324中的材料。
用于制造边界形式402的特定材料的选择可以用于各种目的。例如，在一些实施方案中，可以选择边界形式402的材料使其成为mmc工具(例如，图1和图2的钻头100)的永久部件，使得在浸润期间由于扩散到粘结剂材料324(图3)中而较少地腐蚀或没有腐蚀。在这样的实施方案中，边界形式402的材料可以包括例如钨、铼、锇或钽，其可能不能溶解在粘结剂材料324中。边界形式402的材料可以替代地由金属基体复合材料或其他类似组合物制成，以防止边界形式402所占据的区域缺乏增强颗粒。
在其他实施方案中，可以选择边界形式402的材料使其成为mmc工具(例如，图1和图2的钻头100)的暂时部件，使得所述材料在浸润期间基本上或完全溶解到粘结剂材料324中。在这样的实施方案中，边界形式402的材料可以包括例如铜或镍，其大致可溶解于粘结剂材料324中。边界形式402可以替代地由暂时材料和永久材料的混合物制成，其中例如本体404可以包括不可溶材料或永久材料，并且肋状物406可以包括可溶材料或暂时材料。在这样的实施方案中，肋状物406可以包括类似于粘结剂材料324的材料，并且因此在浸润期间溶解到粘结剂材料324中。附加构型可以包括由可溶解的内层和外层组成的边界形式402，其包含设置在这些层之间的增强材料。这种构型可以允许通过可溶解的内层和外层输送增强颗粒，以在内部区312a和外部区312b与边界形式402之间产生更均匀或一致的增强。
在其他实施方案中，可以选择边界形式402的材料使其成为mmc工具的半永久部件，使得所述材料在浸润期间可观地(但不是全部地)扩散到粘结剂材料324中。在这样的实施方案中，边界形式402的材料可以包括例如铜-铌合金，其在粘结剂材料324中是半可溶的。因此，在存在多种粘结剂材料324的应用中，可以至少在边界形式402的一侧上产生功能梯度。边界形式402的本体404可以替代地包括涂覆有第二材料的第一材料，第二材料在浸润期间优先随粘结剂材料324扩散。第二材料可以包括例如镍，其可以扩散到粘结剂材料324中，但也增加了强度。
在另外的实施方案中，边界形式402可以使用沉积在边界形式402的相对侧上的多种材料如分层的箔、涂层或镀层来生产或制造，以便于在每个区312a、312b中进行某些关键反应。在这样的实施方案中，边界形式402的本体404可以由例如钨制成，并且在面向第一区312a的一侧上涂覆有铜，且在面向第二区312b的相对侧上涂覆有镍。铜可以扩散到浸润第一区312a的第一粘结剂材料中，且从而增加mmc工具的芯部的延展性，同时镍可以扩散到浸润第二区312b的第二粘结剂材料中，且从而增加mmc工具的外部部分的强度或刚性。随着涂层的扩散或溶解，钨本体404可能会暴露，这在至少一个实施方案中可能与第一粘结剂材料和第二粘结剂材料中的一种或两种产生另一关键反应并促进扩散、局部增强等。
在一个或多个实施方案中，上述材料和材料组合物中的任何一种可以形成、机加工和以其他方式制造成用于边界形式402的所需形状和大小。在至少一个实施方案中，边界形式402的全部或一部分可经由添加剂制造也称为“3d印刷”来制造。可用于制造或“印刷”边界形式402的合适的添加剂制造技术包括但不限于：激光烧结(ls)[例如，选择性激光烧结(sls)、直接金属激光烧结(dmls)]；激光熔化(lm)[例如，选择性激光熔化(slm)、激光切割]；电子束熔化(ebm)；激光金属沉积[例如，直接金属沉积(dmd)、激光工程化净成形(lens)、定向光制造(dlf)、直接激光沉积(dld)、直接激光制造(dlf)、激光快速成形(lrf)、激光熔化沉积(lmd)]；熔融沉积成型(fdm)；熔丝制造(fff)；选择性激光烧结(sls)；立体光刻(sl或sla)；分层实体制造(lom)；喷射；它们的任意组合；等等。在这样的实施方案中，边界形式402可以使用两个或更多个所选材料进行印刷。
在其他实施方案中，边界形式402可以由以最低程度的烧结援助结合或烧结在一起或者完全封装在陶瓷或有机粘结剂材料中的增强颗粒或粘结剂材料制成和以其他方式形成。在这样的实施方案中，增强颗粒可以包括本文相对于增强材料318(图3)所提及的任何增强颗粒或本文相对于粘结剂材料324(图3)所提及的任何粘结剂材料或它们的任意组合。在浸润期间，边界形式402随后可被粘结剂材料324(图3)浸润并且成为mmc工具(例如，图1的钻头100)的永久的一部分或在区312a、312b之间提供互锁。
因此，边界形式402可以被构造成不仅在装载期间将增强材料318隔离成至少第一区312a和第二区312b，而且还可以被构造成在浸润后为mmc工具(例如，图1的钻头100)提供增强。可以理解的是，这可以取决于应用和所使用的材料来提高mmc工具的各种机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质如韧性和刚性。此外，在制造边界形式402时使用不同类型的增强颗粒和/或粘结剂材料合金可能会影响mmc工具内的局部残余应力的形成。可以理解的是，这可对操作期间mmc工具的机械性能具有重要影响。例如，通过定制增强材料和/或粘结剂材料合金的位置、类型和/或分布，可以针对具体应用调整mmc工具的所得和/或净残余应力分布。每个区312a、312b中的局部应力场也可能会影响mmc工具的整体失效模式。例如，内部区312a或边界形式402可以充分收缩以在外部区312b中产生压缩应力。因此，通过明智地选择增强材料和/或粘结剂材料组合，可以优化mmc工具的性能。
现在参考图5，同时继续参考图4a和图4b，示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件500的部分横截面侧视图。模具组件500在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同数字表示将不再描述的相同的元件。模具组件500可以包括边界形式502，边界形式502在某些方面可以类似于图4a和图4b的边界形式402，诸如由相似的材料制成且经由任何上述工艺和方法制造而成。然而，与边界形式402不同，边界形式502不包括肋状物406。相反，边界形式502可以悬置在浸润室312内以提供偏移间距410，且由此限定至少第一区312a和第二区312b，其被构造成接纳增强材料318(图3)的第一组合物318a和第二组合物318b。
在一些实施方案中，如图所示，边界形式502可以诸如经由定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、卡环等)、干涉配合件、它们的任意组合等联接到心轴202。然而，在其他实施方案中，边界形式502可以替代地联接到设置在心轴202上方的特征，诸如仅在装载过程期间使用的定心夹具(未示出)。一旦装载过程完成，并且在浸润过程之前，将从模具组件500中除去定心夹具。边界形式502的几何形状可垂直地升高以如图5所示接触心轴202的外径，或它可如图4a和图4b所述向内倾斜(例如，朝向纵向轴线a)。在这样的情况下，边界形式502可在完成操作之后(例如，图2)与钻头的最终后斜表面重合。应当注意的是，图2示出了已完工钻头的横截面，其中心轴202的一些外部材料已被移除。
在所示实施方案中，边界形式502可以包括不透性结构，其基本上防止了第一和第二组合物318a在装载过程期间混合。然而，在其他实施方案中，边界形式502可以另选地如上所述包括渗透性结构或混合的渗透性/不透性结构。此外，边界形式502可以呈现与图4a和图4b的边界形式402相比更大的厚度504。边界形式502的厚度可以取决于应用和/或用于制造边界形式502的特定材料。在一些实施方案中，厚度504可以在边界形式502的选择性部分或位置上变化，以便与钻头本体108(图1和图2)的选择性区域重合。
图6是根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件600的部分横截面侧视图。模具组件600在某些方面还可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同数字表示将不再描述的相同的元件。模具组件600可以包括可以在某些方面与图4a至图4b的边界形式402和图5的边界形式502类似的边界形式602。例如，与边界形式502类似，边界形式602可以悬置在浸润室312内以提供偏移间距410，且由此限定至少第一区312a和第二区312b。在所示实施方案中，边界形式602描绘为联接到心轴202，但同样可如上所述自其他特征悬置。
然而，与边界形式502不同，边界形式602可以包括多孔结构如渗透性或半透性网状物、格栅或穿孔板，其允许在装载过程和压实过程期间在第一组合物318a与第二组合物318b之间发生一定量的混合。此外，在一些实施方案中，在装载和压实过程后，在浸润过程的准备中，边界形式602可以从心轴202脱离。然而，应当理解，图5的边界形式502也可以在浸润过程的准备中从心轴202脱离，且本文所述的与心轴202相互作用的任何其他边界形式同样如此。
图7a和图7b描绘了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件700。更具体地讲，图7a示出了模具组件700的部分横截面侧视图，且图7b示出了沿图7a所示的线截取的模具组件700的横截面顶视图。模具组件700在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示将不再描述的相同的元件。模具组件700可以包括在某些方面可以与图4a和图4b的边界形式402类似的边界形式702。例如，与边界形式402类似，边界形式702可以包括本体704和从本体704朝向浸润室312的内壁延伸的一个或多个肋状物706。肋状物706可将本体704稳定或支撑在浸润室312内并且允许本体704从浸润室312的内壁大致偏移或插入(即，径向地和/或纵向地)偏移间距410。
然而，与边界形式402不同，边界形式702的一个或多个肋状物706可以包括沿本体704的一部分朝向浸润室312的内壁纵向地延伸的垂直设置的翅片或板。肋状物706可以形成为边界形式702的整体部分，或以其他方式可以诸如通过定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、卡环等)、干涉配合件、它们的任意组合等联接到本体704。在所示实施方案中，翅片形肋状物706可以沿本体704纵向地延伸到中间点。
如图7b所示，边界形式702可包括从本体704径向地延伸的多个肋状物706(示出六个)。一些肋状物706可以如上所述是翅片形的，而另一些可以是朝向浸润室312的内壁延伸的简单的支撑构件如杆、销或柱。图7b所示横截面的潜在实施方案可以是六刀片式钻头，其中六个肋状物对应于六个排泄槽124(图1)或六个刀片102(图1)。可以理解的是，可以采用多于或少于六个肋状物706，而不脱离本公开的范围。此外，虽然肋状物706在图7b中描绘为围绕本体704的圆周彼此等距离隔开，但肋状物706可以另选地彼此随意隔开。
在所示实施方案中，本体704描绘为呈现大致圆形横截面形状。然而，应当理解的是，本体704可以另选地呈现各种其他横截面形状如卵形、多边形(例如，三角形、方形、五角形、六角形等)、椭圆形、规则多边形(例如，三角形、方形、五角形、六角形等)、不规则多边形、波状、齿形或它们的任意组合，包括不对称几何形状、锐角、圆角顶点或倒角顶点和倒棱顶点。在其他实施方案中，可以修改本体704的横截面形状使其符合刀片102(图1)的形状，如相对于mmc工具(例如，图1和图2的钻头100)的外表面具有恒定的偏移间距。在这样的实施方案中，本体704的横截面形状可以是大致齿形的，如本文参照图11b所述。
在其他实施方案中，本体704的横截面形状可以包括图案化的或变化的起伏或围绕其圆周限定的其他类似结构。可以理解的是，本体704的波状或可变外圆周可以有利于增大第一区312a与第二区312b之间的表面区域，并且增大表面区域可以促进粘合并且提高第一区312a和第二区312b的宏观区域之间的剪切强度。此外，本体704的可变外圆周可以有利于帮助防止第二组合物318b在浸润后以及在mmc工具(例如，图1和图2的钻头100)的操作使用期间与第一组合物318a脱接合。
图8a和图8b描绘了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件800。图8a示出了模具组件800的部分横截面侧视图，且图8b示出了沿图8a所示的线截取的模具组件800的横截面顶视图。模具组件800在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示将不再描述的相同的元件。模具组件800可以包括在某些方面与图7a和图7b的边界形式702类似的边界形式802。例如，与边界形式702类似，边界形式802可以包括本体804和从本体804朝向浸润室312的内壁延伸的一个或多个垂直设置的且翅片形状的肋状物806。然而，边界形式802的肋状物806可以沿本体804纵向地延伸到几乎纵向轴线a。
如图8b所示，边界形式802可包括围绕本体804的圆周彼此等距离隔开的六个肋状物806。一些肋状物806可以如上所述是翅片形的，而另一些可以是朝向浸润室312的内壁延伸的简单的支撑构件如杆、销或柱。可以理解的是，可以采用多于或少于六个肋状物806，而不脱离本公开的范围。此外，虽然肋状物806在图8b中描绘为围绕本体804的圆周彼此等距离隔开，但肋状物806可以另选地彼此随意隔开。
图9a和图9b描绘了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件900。图9a示出了模具组件900的部分横截面侧视图，且图9b示出了沿图9a所示的线截取的模具组件900的横截面顶视图。模具组件900在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示将不再描述的相同的元件。模具组件900可以包括在某些方面与图8a和图8b的边界形式802类似的边界形式902。例如，与边界形式802类似，边界形式902可以包括本体904和从本体904朝向浸润室312的内壁延伸的一个或多个翅片形肋状物906。然而，边界形式902的肋状物906可以沿本体904纵向地延伸并且以其他方式离散地定位在纵向轴线a处或附近。
如图9b所示，本体904描绘为呈现大致圆形横截面形状。然而，应当理解的是，本体904可以另选地呈现其他横截面形状如卵形、多边形(例如，三角形、方形、五角形、六角形等)、椭圆形、规则多边形(例如，三角形、方形、五角形、六角形等)、不规则多边形、波状、齿形或它们的任意组合，包括不对称几何形状、锐角、圆角顶点或倒角顶点和倒棱顶点以及它们的任意组合，而不脱离本公开的范围。
图10a和图10b描绘了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件1000。图10a示出了模具组件1000的部分横截面侧视图，且图10b示出了沿图9a所示的线截取的模具组件1000的横截面顶视图。模具组件1000在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示不再描述的相同的元件。
模具组件1000可以包括在某些方面与图8a和图8b的边界形式802类似的边界形式1002。例如，与边界形式802类似，边界形式1002可以包括本体1004和从本体1004朝向浸润室312的内壁延伸的一个或多个翅片形肋状物1006。然而，边界形式1002的肋状物1006可以在离散的位置处沿本体1004纵向地延伸。例如，一些肋状物1006可以从本体1004并且沿着浸润室312的内壁纵向地延伸到中间点，并且其他肋状物1006可以位于纵向轴线a处或附近。如图10b所示，边界形式1002可以包括围绕本体1004的圆周彼此等距离隔开的三个肋状物1006，但是也可以包括多于或少于三个肋状物1006，肋状物1006可以另选地彼此随意间隔开，而不脱离本公开的范围。各种其他肋状物1006可以定位在纵向轴线a处或附近(图10a)。
图11a和图11b描绘了可用于本文所述的任何模具组件的示例性边界形式1102a和1102b的横截面顶视图。如图所示，边界形式1102a、1102b可每个包括本体1104。在图11a中，第一边界形式1102a的本体1104可呈现围绕其圆周包括起伏的横截面形状。在其他实施方案中，起伏可以是方形化褶皱，而不脱离本公开的范围。此外，第一边界形式1102a可包括围绕本体1104的圆周彼此等距离隔开的四个肋状物1106，但同样可以包括可以另选地彼此随意间隔开的多于或少于四个肋状物1106。肋状物1106可以是翅片形或杆状肋状物，如本文一般所述。
在图11b中，第二边界形式1102b的本体1104可呈现呈大致齿形的横截面形状。更具体地讲，本体1104可以提供或以其他方式限定多个齿叶1108，并且每个齿叶1108均可被配置成定位在对应刀片102(图1)内且以其他方式与对应刀片相对应。在图11b中，可以省去肋状物1106或将其根据需要定位在其他位置处以有助于使边界形式与浸润室312(图3)的内壁保持偏移。在其他实施方案中，或者除了波状和/或齿形本体1104外，边界形式1102a、1102b可进一步变得粗糙以在隔离开的区312a、312b之间提供额外的粘合力(图4a至图4b、图5、图6、图7a、图8a、图9a和图10a)。
在一些实施方案中，第二边界形式1102b还可以包括在浸润室内定位在选择位置处的一个或多个边界套筒或管1110。边界管1110可由任何材料且经由本文参考任何边界形式所述的任何工艺制成。因此，边界管1110可以是永久构件，半永久构件，或暂时构件。此外，边界管1110可以与本文所述的任何边界形式结合使用或独立地使用。因此，在至少一个实施方案中，可以从第二边界形式1102b中省去本体1104，并且边界管1110可仅包括第二边界形式1102b的组成部分。
在所示实施方案中，边界管1110描绘为布置在齿叶1108内，或布置在其中随后形成对应刀片102(图1)的区域内。边界管1110可以沿着刀片102的全部或一部分区域纵向地延伸，使得可以在这些位置处进行局部材料变化。因此，边界管1110可以有利于提供一种隔离结构，该隔离结构允许将增强材料318(图3)的较坚韧区域装载到刀片102的中间，同时允许将较刚性或较坚硬的增强材料318装载并以其他方式定位在刀片102的外表面上。
虽然在图11b中描绘为呈现大致圆形横截面形状，但边界管1110可以另选地呈现不同横截面形状，诸如卵形、椭圆形、规则多边形(例如，三角形、方形、五角形、六角形等)、不规则多边形、波状、齿形或它们的任意组合，包括不对称几何形状、锐角、圆角顶点或倒角顶点和倒棱顶点以及它们的任意组合。可以理解的是，边界管1110的横截面形状可以至少部分取决于mmc工具的几何设计。边界管1110可以表征为分支构件，导致内部材料的原地“骨架”框架具有期望的机械性质，如改进的刚性或更高的材料韧性。
现在参考图12，同时继续参考先前的图，示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件1200的横截面侧视图。模具组件1200在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示不再描述的相同的元件。模具组件1200可以包括在某些方面可以与图5的边界形式502类似的边界形式1202。在至少一个实施方案中，如图所示，边界形式1202可以例如通过联接到心轴202或另一特征而悬置在浸润室312内。
边界形式1202还可以包括本体1204和从本体1204朝向浸润室312的内壁延伸的一个或多个肋状物1206(其中的两个示出为第一肋状物1206a和第二肋状物1206b)。肋状物1206可以每个包括水平设置的环形板或翅片，这些环形板或翅片从本体1204以基本上垂直于纵向轴线a的角度径向地延伸。在所示实施实施方案中，边界形式1202和肋状物1206可以用于将浸润室312隔离开并以其他方式分离成多个区。更具体地讲，第一区312a位于浸润室312的中心或芯部处，第二区312b与第一区312a通过边界形式1202隔开并且在模具组件300的底部邻近浸润室312的内壁定位，第三区312c与第一区312a和第二区312b通过本体1204和第一肋状物1206a隔开，且第四区312d与第一区312a和第三区312c通过本体1204和第二肋状物1206b隔开。
因此，第一肋状物1206a和第二肋状物1206b可用于沿纵向轴线a分开或隔开第二区、第三区和第四区312a至312c。此外，应当理解得是，可以存在超过两个肋状物1206a、1206b而不脱离本公开的范围，且由此产生超过四个区312a至312d。此外，在一些实施方案中，肋状物1206a、1206b可以从边界形式1202以与垂直于纵向轴线a偏离的角度延伸，而不脱离本公开的范围。
在一些实施方案中，可以使不同类型的增强材料318(图3)沉积在每个区312a至312d中，以定制沿mmc工具(例如，图1和图2的钻头100)的纵向轴线的材料特性。例如，在所示实施方案中，第一组合物318a可以被装载到第一区312a中，第二组合物318b可以被装载到第二区312b中，第三组合物318c可以被装载到第三区312c中，且第四组合物318d可以被装载到第四区312d中。因此，边界形式1202可有利于促进隔离的区312a至312d可以装载不同类型的增强材料组合物318a至318d，这可导致各个区312a至312d在浸润后沿纵向轴线a呈现相同或不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。
在一些实施方案中，边界形式1202可以包括不透性结构，其基本上防止了组合物318a至318d在装载过程期间混合。在这样的实施方案中，肋状物1206a、1206b可以包括边界形式1202的可以在装载和压实过程期间依次安装的单独的组成部分。例如，可以在第二组合物318b被装载到第二区312b中后，将第一肋状物1206a安装在浸润室312中。类似地，可以在第三组合物318c被装载到第三区312c中后，将第二肋状物1206b安装在浸润室312中。
然而，在其他实施方案中，边界形式1202可以如上所述包括大致渗透性结构。在这样的情况下，环形板状肋状物1206a、1206b也可以是渗透性的并且可以形成为边界形式1202的整体部分，或以其他方式可以通过定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、卡环等)、干涉配合件、它们的任意组合等联接到本体1204。此外，在这样的实施方案中，限定在渗透性肋状物1206a、1206b中的孔或单元可大小设定为允许预定大小的增强颗粒穿过肋状物1206a、1206b以将第二组合物312b和第三组合物312c分别沉积在第二区312b和第三区312c中。因此，在至少一个实施方案中，边界形式1202可以在装载和压实过程期间作为筛子操作。
现在参考图13a至图13d，示出了根据一个或多个实施方案的上面示意性地覆盖有相应示例性内部边界形式横截面的钻头1300的顶端视图。更具体地讲，图13a描绘了示意性地覆盖在钻头1300上的第一边界形式1302a，图13b描绘了示意性地覆盖在钻头1300上的第二边界形式1302b，图13c描绘了示意性地覆盖在钻头1300上的第三边界形式1302c，且图13d描绘了示意性地覆盖在钻头1300上的第四边界形式1302d。如图所示，每个边界形式1302a至1302d可以包括本体1304和从本体1304径向延伸的一个或多个肋状物1306。一些肋状物1306可以如上所述是垂直设置的翅片，而另一些可以是朝向浸润室312(图3)的内壁延伸并为本体1304提供支撑的简单的支撑构件如杆、销或柱。每个边界形式1302a至1302d的本体1304描绘为呈现大致圆形横截面形状，但应当理解的是，任何边界形式1302a至1302d的本体1304可以另选地呈现其他横截面形状，诸如椭圆形、规则多边形(例如，三角形、方形、五角形、六角形等)、不规则多边形、波状、齿形或它们的任意组合，包括不对称几何形状、锐角、圆角顶点或倒角顶点和倒棱顶点，而不脱离本公开的范围。此外，应当理解的是，本体1304的横截面形状可沿本体1304的高度变化并且可以其他方式包括多个上述横截面形状，以符合本公开。
在图13a中，边界形式1302a描绘为具有在钻头1300的刀片1308之间等距间隔开的六个肋状物1306。如图所示，每个肋状物1306均可径向地延伸，直到例如到达对应排泄槽1310的外表面。在其他实施方案中，一个或多个肋状物1306可以从本体1304延伸，但在不到排泄槽1310的外表面处停住，而不脱离本公开的范围。
在图13b中，第二边界形式1302b的肋状物1306可从本体1304延伸并伸入刀片1308中。在一些实施方案中，一个或多个肋状物1306可以延伸以接触对应一个或多个刀片1308的外表面。然而，在其他实施方案中，肋状物1306可以如图所示延伸到刀片的区域中，而不接触刀片1308的外侧。第二边界形式1302b可以在钻头1300内的其他关键位置(例如在排泄槽1310内)中使用其他肋状物(未示出)，以使边界形式1302b最小程度地暴露于刀片1308的外表面。可以理解的是，将肋状物1306定位在刀片1308的区域中可以有利于在浸润之后提供刀片1308内钻头1300的结构增强。在这样的情况下，超过一个肋状物1306可以伸入每个刀片1308中。
在图13c中，第三边界形式1302c的肋状物1306描绘为将刀片1308与排泄槽1310和钻头1300的中心部分大致隔开。在这样的实施方案中，增强材料318(图3)的不同组合物可以设置在刀片1308、排泄槽1310和钻头1300的中心部分中，从而选择性地修改和优化每个隔离区域中的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。例如，为刀片1308选择的增强材料318可以在浸润之后在刀片1308处产生刚性的耐腐蚀材料。然而，为排泄槽1310选择的增强材料318可能在浸润之后形成具有优化的表面特性的刚性材料，并且为钻头1300的中心部分选择的增强材料318可在浸润之后产生抵抗裂纹形成和/或传播的延展性和韧性材料。
在图13d中，与边界形式1302c类似，边界形式1302d的肋状物1306将刀片1308与排泄槽1310和钻头1300的中心部分大致隔开。然而，边界形式1302d还可以包括位于每个刀片1308中的分离器1312。分离器1312可以是柱形结构，其将刀片1308与钻头1300的其他区域隔离并以其他方式分离。在一些实施方案中，如图所示，分离器1312可以呈现卵形横截面形状，但可以替代呈现适合于特定应用所需的任何横截面形状。在所示实施方案中，增强材料318(图3)的不同组合物可以设置在刀片1308、排泄槽1310和钻头1300的中心部分中，从而选择性地修改和优化每个隔离区域中的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。例如，选择成装载到分离器1312中的增强材料318可在浸润后在刀片1308处产生刚性材料，而选择成装载到分离器1312外部刀片1308处的增强材料318可产生更耐腐蚀材料。为排泄槽1310选择的增强材料318可在浸润之后形成具有优化的表面特性(例如，防泥包)的刚性材料，并且为钻头1300的中心部分选择的增强材料318可在浸润之后产生抵抗裂纹形成和/或传播的延展性和韧性材料。为钻头1300的中心部分选择的增强材料318也可用于联锁所有的内部刀片区。
在图13a至图13d的任何实施方案中，应当理解的是，单一类型的粘结剂材料324(图3)可以用于浸润由四个边界形式1302a至1302d隔开的每个区。然而，在至少一个实施方案中，可以使用两种或更多种类型的粘结剂材料324来选择性地浸润隔开的区，而不脱离本公开的范围。
此外，在图13a至图13d的任何实施方案中，应当理解的是，在任何边界形式1302a至1302d中可以包括水平延伸的肋状物如图12的边界形式1202的肋状物1206a、1206b。在这样的实施方案中，可以在整个钻头1300上产生任意大小和形状的随机或预定数量的区域。实施方案可以包括沿刀片1308的整个高度的一种材料组合物和沿排泄槽1310的高度的三种(垂直)材料组合物。另一个实施方案可能是相反的，其中排泄槽1310包括一种材料组合物，并且刀片1308沿其高度变化。第三实施方案可能包括具有垂直材料组合物的刀片1308，这些垂直材料组合物独立于排泄槽1310中的不同组合物或连同这些不同组合物，在厚度上抛物线地发生变化[例如，第一深度(最接近顶点)一英寸，第二深度二英寸，第三深度四英寸]。本领域技术人员将容易地认识到可以实现的其他几个实施方案和变型，而不脱离本公开的范围。
现在参考图14，同时继续参考先前的图，示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件1400的横截面侧视图。模具组件1400在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示不再描述的相同的元件。模具组件1400可以包括在某些方面可以与图5的边界形式502类似的边界形式1402。在至少一个实施方案中，如图所示，边界形式1402可以例如通过联接到心轴202或另一合适特征而悬置在浸润室312内。然而，在其他实施方案中，边界形式1402可以替代地(或除此之外)包括将边界形式1402支撑在浸润室312内的一个或多个肋状物(未示出)。如图所示，边界形式1402可以与浸润室的内壁以偏移间距410偏移，且由此限定至少第一区312a和第二区312b，其被构造成接纳增强材料318(图3)的第一组合物318a和第二组合物318b。
在一些实施方案中，边界形式1402可以包括不透性结构，其基本上防止了组合物318a、318b在装载和压实过程期间混合。然而，在其他实施方案中，边界形式1402可以如上所述包括渗透性或半透性结构，且因此能够允许在装载过程和压实过程期间组合物318a、318b发生一定量的混合。在其他实施方案中，边界形式1402可以包括渗透性的部分和不透性的其他部分，而不脱离本公开的范围。
模具组件1400中的碗308可以被分区以限定至少第一粘结剂腔1404a和第二粘结剂腔1404b。一个或多个第一导管326a和一个或多个第二导管326b可以限定通过碗308，以便于分别促进浸润室312与第一粘结剂腔1404a和第二粘结剂腔1404b之间的连通。在操作中，第一粘结剂材料324a可以定位在第一粘结剂腔1404a中，并且第二粘结剂材料324b可以定位在第二粘结剂腔1404b中。在浸润过程期间，第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b可以液化并分别经由第一导管326a和第二导管326b流入第一区312a和第二区312b中。因此，第一粘结剂材料324a可被配置成浸润第一组合物318a并且第二粘结剂材料324b可被配置成浸润第二组合物318b。
在一些实施方案中，环形隔离件1406可以定位在浸润室312中以防止液化的第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b在分别浸润第一组合物318a和第二组合物318b之前混合。如图14所示，环形隔离件1406可以搁置在心轴202上和否则从心轴202延伸以分开浸润室312。在一些实施方案中，不是将粘结剂材料324a、324b放置在粘结剂碗308中，而是相反可以使粘结剂材料324a、324b在环形隔离件1406的相对侧上沉积在浸润室312中，并且浸润过程可以如上所述进行。
第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b可以包括本文列出的适合于图3的粘结剂材料324的任何材料。然而，在一些实施方案中，第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b可以包括不同的材料组合物，这可导致第一区312a和第二区312b在浸润后呈现不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。例如，为第一组合物318a和第一粘结剂材料324a选择的特定材料可导致钻头本体108(图1和图2)在浸润后具有延展性芯部，而为第二组合物318b和第一粘结剂材料324b选择的特定材料可导致钻头本体108在浸润后具有刚性的或坚硬的外壳。在这样的实施方案中，第一粘结剂材料324a可以呈现高的铜浓度，这将导致更高的延展性，而第二粘结剂材料324b可以呈现高的镍浓度，这将导致更刚性的复合材料。
图15a至图15c描绘了在分开浸润室312时环形隔离件1406与心轴202之间的各种界面构型。例如，在图15a中，心轴202可以限定和以其他方式提供凹槽1502，并且环形隔离件1406的端部可以被接纳在凹槽1502内。凹槽1502可以有利于防止环形隔离件1406与心轴202脱接合。环形隔离件1406以搁置在凹槽内，或者可以另选地诸如通过焊接、粘合剂、机械紧固件、干涉配合件或它们的任意组合联接到凹槽。
在图15b中，环形隔离件1406可以联接到心轴202，其可以提供或以其他方式限定成角度的上表面1504，其有助于防止环形隔离件1406相对于心轴202横向地平移并且在操作期间与其分离。环形隔离件1406可以经由定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、卡环等)、它们的任意组合等联接到成角度的上表面1504。将环形隔离件1406联接到心轴202可以防止环形隔离件1406在操作期间与心轴202分离，且从而确保浸润室312保持分开。
在图15c中，环形隔离件1406可以定位在由心轴202限定或以其他方式提供的双角度上表面1506上。在一些实施方案中，环形隔离件1406可以搁置在双角度上表面1506上，这可以提供倾斜底座，倾斜底座进一步有助于防止环形隔离件1406相对于心轴202横向地平移并且在操作期间与其分离。然而，在其他实施方案中，环形隔离件1406可以经由定位焊、粘合剂、一个或多个机械紧固件(例如，螺钉、螺栓、销、卡环等)、它们的任意组合等联接到双角度上表面1506。
现在参考图16，同时继续参考先前的图，示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件1600的横截面侧视图。模具组件1600在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示不再描述的相同的元件。模具组件1600可以包括类似于图14的边界形式1402的边界形式1602，边界形式1602限定至少第一区312a和第二区312b，其接纳增强材料318(图3)的第一组合物318a和第二组合物318b。
然而，模具组件1600的漏斗306可以提供且以其他方式限定被构造成接纳第二粘结剂材料324b的漏斗粘结剂腔1604。可以在漏斗306中限定一个或多个导管1608，以便于在漏斗粘结剂腔1604与浸润室312之间，以及更具体地讲，在漏斗粘结剂腔1604与第二区312b之间进行连通。在操作中，第一粘结剂材料324a可以放置在浸润室312中或以其他方式置于粘结剂碗308中，并且第二粘结剂材料324b可以沉积在漏斗粘结剂腔1604中。在浸润过程期间，粘结剂材料324a、324b可以液化并流入浸润室312中且更具体地讲分别流入第一区312a和第二区312b中。漏斗306还可以限定径向突出物1610，其延伸到浸润室312中并且通常防止第一粘结剂材料324a进入第二区312b。因此，第一粘结剂材料324a可被配置成浸润第一组合物318a并且第二粘结剂材料324b可被配置成浸润第二组合物318b。
第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b可以包括本文列出的适合于图3的粘结剂材料324的任何材料。然而，在一些实施方案中，粘结剂材料324a、324b可以包括不同的材料组合物，这可导致第一区312a和第二区312b在浸润后呈现不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。在这样的实施方案中，第一组合物318a和第二组合物318b可以包括或可以不包括相同的材料组合物(例如，增强颗粒)。
现在参考图17，同时继续参考先前的图，示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性模具组件1700的横截面侧视图。模具组件1700在某些方面可以类似于图4a和图4b的模具组件400，且因此参考图4a和图4b可以得到最好的理解，其中相同的数字表示不再描述的相同的元件。模具组件1700在某些方面也可以类似于图14和图16的模具组件1400和1600。例如，与模具组件1400类似，模具组件1700可以包括碗308，碗308被分区以限定至少第一粘结剂腔1404a和第二粘结剂腔1404b以及对应的第一导管326a和第二导管326b，以便于分别在浸润室312与第一粘结剂腔1404a和第二粘结剂腔1404b之间进行连通。此外，模具组件1700还可以包括环形隔离件1406，以防止液化的第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b在分别浸润第一组合物318a和第二组合物318b之前混合。与模具组件1600类似，模具组件1700还可以包括漏斗306，漏斗306限定漏斗粘结剂腔1604和导管1608，导管1608便于在漏斗粘结剂腔1604与浸润室312之间进行连通。漏斗粘结剂腔1604可被构造成接纳第三粘结剂材料324c。
然而，与模具组件1400和1600不同，模具组件1700可包括第一边界形式1702a和第二边界形式1702b，该第一边界形式和该第二边界形式被定位在浸润室312内并将浸润室312隔离成至少第一区312a、第二区312b和第三区312c。第一区312a被定位在浸润室312的中心或芯部，第二区312b与第一区312a通过第一边界形式1702a隔开，并且第三区312c与第二区312b通过第二边界形式1702b隔开并且邻近浸润室312的内壁定位。因此，第一边界形式1702a和第二边界形式1702b可以在浸润室312内以一种类型的嵌套关系彼此偏移，并且第二区312b可以大致插入第一区312a与第三区312c之间。
在装载和压实过程期间，第一组合物318a可以被装载到第一区312a中，第二组合物318b可以被装载到第二区312b中，且第三组合物318c可以被装载到第三区312c中。因此，边界形式1702a、1702b可有利于促进隔离的区312a至312c可以装载相同或不同的组合物或类型的增强材料318(图3)，这可导致第一区、第二区和第三区312a至312c在浸润后呈现不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。
在至少一个实施方案中，如图所示，边界形式1702a、1702b可以例如通过联接到心轴202或浸润室312的侧壁而悬置在浸润室312内。然而，在其他实施方案中，边界形式1702a、1702b中的一个或两个可以替代地(或除此之外)包括将边界形式1702a、1702b支撑在浸润室312内的一个或多个肋状物(未示出)。在一些实施方案中，边界形式1702a、1702b中的一个或两个可以包括不透性结构，其基本上防止了组合物318a至318c在装载和压实过程期间混合。然而，在其他实施方案中，边界形式1702a、1702b中的一个或两个可以如上所述包括大致渗透性结构，且因此能够允许在装载过程和压实过程期间组合物318a至318c发生一定量的混合。
在操作中，第一粘结剂材料324a可以定位在第一粘结剂腔1404a中，第二粘结剂材料324b可以定位在第二粘结剂腔1404b中，并且第三粘结剂材料324c可以定位在漏斗粘结剂腔1604中。另选地，第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b可以在环形隔离件1406的相对侧上放置在浸润室312内。在浸润过程期间，第一粘结剂材料324a和第二粘结剂材料324b可以液化并流入浸润室312中且更具体地讲分别流入第一区312a和第二区312b中。此外，第三粘结剂材料324c可以液化并通过导管1608流入第三区312c中。因此，第一粘结剂材料324a可被配置成浸润第一组合物318a，第二粘结剂材料324b可被配置成浸润第二组合物318b，并且第三粘结剂材料324c可以被配置成浸润第三组合物318c。
粘结剂材料324a至324c可以包括本文列出的适合于图3的粘结剂材料324的任何材料。然而，在一些实施方案中，粘结剂材料324a至324c中的一种或多种可以包括不同的材料，这可导致区312a至312c在浸润后呈现不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。在这样的实施方案中，组合物318a至318c中的一种或多种可以不同于其他组合物且另外不包括相同类型的增强颗粒。这个实施方案可有利于允许操作员将特定材料选择性地放置在钻头本体108(图1和图2)内和周围的期望位置处，且由此获得优化的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。例如，第三区312c可以包含钻头本体108的包括刀片102(图1)的区域。因此，将特定组合物318c放置在第三区312c中以便由特定粘结剂材料324c浸润产生具有高耐腐蚀性或硬度的材料可能是有利的。此外，将特定组合物318a放置在第一区312a中以便由特定粘结剂材料324a浸润产生具有高延展性的材料可能是有利的。此外，将特定组合物318b放置在可能邻近排泄槽124(图1)的第二区312b中以便由特定粘结剂材料324b浸润产生具有有利的残余压缩应力的材料可能是有利的。
虽然在图17中仅描绘两个边界形式1702a、1702b，但应当理解的是，可以采用超过两个边界形式，而不脱离本公开的范围。可以理解的是，可以使用各种边界形式，并且这些边界形式以大致水平或嵌套的方式定位，使得所得mmc工具的底部(例如，切削区域)是使用耐腐蚀材料制成的，并且心轴202附近的材料可以包括更具韧性和/或与心轴202的材料更相容的材料。多个水平或嵌套的边界形式可以从通常需要高耐腐蚀性的切削器区域转移到可以容易地加工的钻头级区域。因此，可以产生功能梯度材料，以大大提高给定mmc工具的不同区域中可能的定制水平。
本文所公开的实施方案包括：
a.一种用于制造浸润的金属基体复合物(mmc)工具的方法，所述方法包括：将至少一个边界形式定位在模具组件的浸润室内且由此将所述浸润室隔离成至少第一区和第二区；使增强材料沉积到所述浸润室中，所述增强材料包括装载到所述第一区中的第一组合物和装载到所述第二区中的第二组合物；以及将所述第一组合物和所述第二组合物用至少一种粘结剂材料浸润且由此为所述浸润的mmc工具提供在所述第一区与所述第二区之间不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。
b.一种用于制造浸润的金属基体复合物(mmc)钻头的方法，所述方法包括：将至少一个边界形式定位在模具组件的浸润室内且由此将所述浸润室隔离成至少第一区和第二区，其中所述模具组件包括模具和可操作地联接到所述模具的漏斗并且限定多个刀片腔；使增强材料沉积到所述浸润室中，所述增强材料包括装载到所述第一区中的第一组合物和装载到所述第二区中的第二组合物；以及将所述第一组合物和所述第二组合物用至少一种粘结剂材料浸润且由此为所述浸润的mmc工具提供在所述第一区与所述第二区之间不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。
实施方案a和b的每个可以具有以下附加元素中的一个或多个的任意组合：元素1：其中所述第一区被定位在所述浸润室的中心，并且所述第二区与所述第一区通过所述至少一个边界形式隔开并且邻近所述浸润室的所述内壁定位，并且其中使增强材料沉积到所述浸润室中包括在使所述第一组合物沉积到所述第一区中之前使所述第二组合物沉积到所述第二区中。元素2：其中使增强材料沉积到所述浸润室中包括使所述第一组合物和所述第二组合物分别同时沉积到所述第一区和所述第二区中。元素3：其中使增强材料沉积到所述浸润室中包括使所述增强材料在所述浸润室中的第一位置比所述浸润室中的第二位置压实到更高的程度。元素4：其中所述至少一个边界形式包括本体和从所述本体朝向所述浸润室的内壁延伸的一个或多个肋状物，并且其中将所述至少一个边界形式定位在所述浸润室内包括：使所述浸润室的所述内壁与所述一个或多个肋状物接合；以及通过所述一个或多个肋状物在所述本体与所述浸润室的所述内壁之间提供偏移间距，其中所述第一区被定位在所述浸润室的中心，并且所述第二区与所述第一区通过所述至少一个边界形式隔开并且邻近所述浸润室的所述内壁定位。元素5：其中将所述至少一个边界形式定位在所述浸润室内包括使所述至少一个边界形式悬置在所述浸润室内且由此在所述至少一个边界形式与所述浸润室的内壁之间生成偏移间距。元素6：其中所述至少一个边界形式包括选自由以下各项组成的组的材料：铜；镍；钴；铁；铝；钼；铬；锰；锡；锌；铅；硅；钨；硼；磷；金；银；钯；铟；铍；铪；铱；铌；锇；铼；铑；钌；钽；钒；它们的任意混合物；它们的任意合金；超合金；金属间化合物；硼化物；碳化物；氮化物；氧化物；陶瓷；金刚石；聚合物；泡沫；以及它们的任意组合。元素7：其中所述至少一个边界形式包括不透性箔或板，并且其中使所述增强材料沉积到所述浸润室中包括防止所述第一组合物和所述第二组合物通过所述至少一个边界形式混合。元素8：其中所述至少一个边界形式包括渗透性网状物、格栅或板，并且其中使所述增强材料沉积到所述浸润室中包括使所述第一组合物和所述第二组合物的至少一部分通过所述至少一个边界形式混合。元素9：其中将所述第一组合物和所述第二组合物用所述至少一种粘结剂材料浸润包括用所述至少一种粘结剂材料穿透所述至少一个边界形式且由此在所述至少一个边界形式的任一侧上浸润所述第一组合物和所述第二组合物的至少一部分。元素10：其中所述至少一种粘结剂材料包括第一粘结剂材料和第二粘结剂材料，并且其中将所述第一组合物和所述第二组合物用所述至少一种粘结剂材料浸润包括将所述第一组合物用所述第一粘结剂材料浸润以及将所述第二组合物用所述第二粘结剂材料浸润。元素11：其中所述至少一个边界形式包括第一边界形式和第二边界形式，所述方法还包括：将所述第一边界形式和所述第二边界形式定位在所述浸润室内且由此将所述浸润室隔离成所述第一区、所述第二区和第三区；使所述增强材料的第三组合物沉积到所述第三区中；以及将所述第一组合物、所述第二组合物和所述第三组合物用所述至少一种粘结剂材料浸润且由此为所述浸润的mmc工具提供在所述第一区、所述第二区与所述第三区之间不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。元素12：还包括当所述至少一种粘结剂材料浸润所述第一组合物和所述第二组合物时，使所述至少一个边界形式的至少一部分溶解到所述至少一种粘结剂材料中。
元素13：其中所述至少一种粘结剂材料包括第一粘结剂材料和第二粘结剂材料，并且其中所述模具组件还包括定位在所述浸润室内以隔开所述第一粘结剂材料和所述第二粘结剂材料的环形隔离件，所述方法还包括将所述第一组合物用所述第一粘结剂材料浸润以及将所述第二组合物用所述第二粘结剂材料浸润。元素14：还包括粘结剂碗，所述粘结剂碗定位在所述漏斗上并且包括接纳所述第一粘结剂材料的第一粘结剂腔和接纳所述第二粘结剂材料的第二粘结剂腔，所述方法还包括：使所述第一粘结剂材料在浸润期间经由限定于所述粘结剂碗中并且便于在所述第一粘结剂腔与所述第一区之间进行连通的一个或多个第一导管流入所述第一区中；以及使所述第二粘结剂材料在浸润期间经由限定于所述粘结剂碗中并且便于在所述第二粘结剂腔与所述第二区之间进行连通的一个或多个第二导管流入所述第二区中。元素15：其中所述至少一种粘结剂材料包括第一粘结剂材料和第二粘结剂材料，并且所述漏斗还限定粘结剂腔和便于在所述粘结剂腔与所述第二区之间进行连通的一个或多个导管，所述方法还包括：将所述第一区中的所述第一组合物用所述第一粘结剂材料浸润；以及将所述第二区中的所述第二组合物用沉积在所述粘结剂腔中且流过所述一个或多个导管的所述第二粘结剂材料浸润。元素16：其中使增强材料沉积到所述浸润室中包括使所述增强材料在所述多个刀片腔处比所述浸润室中的其他位置压实到更高的程度。元素17：其中所述至少一种粘结剂材料包括第一粘结剂材料和第二粘结剂材料，并且其中将所述第一组合物和所述第二组合物用所述至少一种粘结剂材料浸润包括将所述第一组合物用所述第一粘结剂材料浸润以及将所述第二组合物用所述第二粘结剂材料浸润。元素18：其中所述至少一个边界形式包括一个或多个管并且将所述至少一个边界形式定位在所述浸润室内包括将所述一个或多个管定位在所述多个刀片腔的一个或多个内。元素19：其中所述至少一个边界形式包括第一边界形式和第二边界形式，所述方法还包括：将所述第一边界形式和所述第二边界形式定位在所述浸润室内且由此将所述浸润室隔离成所述第一区、所述第二区和第三区；使所述增强材料的第三组合物沉积到所述第三区中；以及将所述第一组合物、所述第二组合物和所述第三组合物用所述至少一种粘结剂材料浸润且由此为所述浸润的mmc钻头提供在所述第一区、所述第二区与所述第三区之间不同的机械性质、化学性质、物理性质、热性质、原子性质、磁性质或电性质。
通过非限制性实例的方式，适用于a和b的示例性组合包括：元素8与元素9；以及元素13与元素14。
因此，所公开的系统及方法良好适合于获得所提到的目标和优点以及本发明固有的那些目标和优点。以上公开的特定实施方案只是说明性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技术人员显明的不同但等效的方式来修改和实践。另外，并不意在限于本文所示的构造或设计的细节，而是限于随附权利要求书中所述内容。因此，明显的是可以改变、组合或修改上文公开的特定说明性实施方案，并且所有此类变化都被认为在本公开的范围内。本文中说明性地公开的系统和方法可以合适地在不存在本文中未明确公开的任何元件和/或本文中公开的任何可选元件的情况下实践。虽然组合物和方法已在“包括”、“含有”或“包括”各种部件或步骤方面进行了描述，但是组合物和方法还可以“基本上由各种部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可以变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地讲，本文所公开的每个范围的值(其形式为，“约a至约b”，或相当地，“约a至b”，或相当地，“约a-b”)应当被理解为是阐述较广泛范围的值内所包含的每个数字和范围。另外，除非专利权所有人另外明确地和清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其一般的普通含义。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一(a)”或“一(an)”在本文中定义为意指引入的一个或超过一个的要素。
如本文所使用的，在一系列项之前的短语“至少一个”，以及用于分开所述项中的任何一个的术语“和”或“或”作为整体修改列表，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项)。短语“至少一个”允许意指包括项中的任一个的至少一个，和/或项的任何组合的至少一个，和/或项中的每一个的至少一个。以举例的方式，短语“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一个”各自指代仅a、仅b、或仅c；a、b和c的任何组合；和/或a、b和c中的每一个的至少一个。
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