具有烧结助剂化合物、由烧结助剂化合物形成的化合物或它们的混合物的聚晶金刚石复合片的制作方法

本公开涉及一种聚晶金刚石复合片(pdc)，诸如钻地钻头中的刀具。

背景技术：

各种工业装置的部件通常经受极端条件，诸如高温和与坚硬表面和/或磨蚀表面的高冲击接触。例如，在用于石油开采或采矿目的的钻探期间常常遇到极端温度和压力。当在用于钻探的切削元件或耐磨接触元件中适当地使用时，金刚石因其无与伦比的机械特性而可以是最有效的材料。金刚石异常坚硬，将热量传导远离与磨蚀表面的接触点，并且可在此类条件下提供其他益处。

由于金刚石晶体的随机分布，呈聚晶形式的金刚石与单晶金刚石相比韧性有所增加，这避免了诸如单晶金刚石中可存在的特定断裂面横穿整个金刚石厚度的情况。因此，聚晶金刚石往往是许多钻探应用中优选的金刚石形式。利用聚晶金刚石的钻头切削元件通常称为聚晶金刚石复合片(pdc)刀具。因此，并入pdc刀具的钻头可称为pdc钻头。

pdc可在六面顶式、带式或其他压制机中通过使小晶粒金刚石和其他起始材料经受超高压力和温度条件来制造。一种pdc制造过程涉及：将聚晶金刚石台直接形成到诸如碳化钨基底的基底上。所述过程涉及：将包含诸如钴(co)的烧结助剂的基底连同混合的松散金刚石晶粒放置到压制机的容器中，以及使所述压制机的内容物经受高温高压(hthp)压制循环。所述高温和高压致使小金刚石晶粒形成与所述基底紧密键合的整体聚晶金刚石台，其中co充当烧结助剂以促进新金刚石-金刚石键的形成。

虽然可用于形成聚晶金刚石台，但诸如co的烧结助剂与金刚石相比通常具有在线性和体积两者上显著更高的热膨胀系数(cte)，使得当pdc在使用期间升温时，聚晶金刚石(pcd|ephi|)内的剩余烧结助剂材料比金刚石更快或更大程度地膨胀，这有时会引起裂纹/微裂纹或以其他方式改变金刚石晶粒内的残余应力。可对聚晶金刚石台进行浸析以除去所述烧结助剂的至少一部分。所得浸析后pdc比类似的未浸析pdc更加热稳定。对所述烧结助剂的大部分的浸析产生热稳定聚晶(tsp)金刚石台。在一定(通常至少为750℃的)温度下，在正常大气压下，所述tsp刀具不会破裂或石墨化，但在类似条件下未浸析pdc刀具将破裂或石墨化。需要将tsp金刚石台重新附接到新基底(上面形成聚晶金刚石的原始基底通常在浸析过程之前被除去或在浸析过程中被毁坏)以形成tsp刀具。

因此，浸析可解决由pcd的金刚石台中的残留烧结助剂导致的一些问题，但同时，它会在浸析的烧结助剂曾经所在的位置留下孔隙或空洞，这可例如通过使pdc刀具变脆并降低其冲击韧性而使pdc刀具的机械特性劣化。

附图说明

可通过参考以下结合附图所作的描述获得对本发明实施方案及其优点的更完整理解，附图示出本公开的具体实施方案，在附图中相似标号指代类似部件，并且在附图中：

图1是用于pdc刀具的烧结组件的未按比例绘制的剖面示意图；

图2是在烧结期间的用于pdc刀具的烧结组件的未按比例绘制的剖面示意图；

图3是呈pdc刀具形式的pdc的未按比例绘制的剖面示意图；并且

图4是包括呈pdc刀具形式的至少一个pdc的钻地钻头。

具体实施方式

本发明涉及一种包含烧结助剂化合物、由所述烧结助剂化合物形成的化合物或它们的混合物的pdc，以及使用烧结助剂化合物形成pdc的方法。所述烧结助剂化合物包含烧结助剂组分和非烧结组分。所述烧结助剂化合物与未配混烧结助剂相比具有更低的线性或体积cte或两者，使其线性或体积cte或两者更接近金刚石的线性或体积cte或者两者，从而降低金刚石和烧结助剂的不同的线性或体积cte或两者的负面影响，诸如pdc刀具在钻探和/或井下应用中的实际使用期间的破裂。

此外，所述烧结助剂化合物具有一定解离常数，使得所述烧结助剂组分在hthp压制条件期间以足以催化金刚石-金刚石键形成的量与烧结助剂化合物解离。然而，所述解离常数也使得所述烧结助剂在pdc使用期间基本上保留在所述烧结助剂化合物中，并且在使用条件下不会以足以引起所述聚晶金刚石台的显著石墨化或者由于其与金刚石相比在线性或体积cte或两者上的差异所致的实质性损坏的量解离。这允许所述pdc受益于所述烧结助剂化合物的较低的线性或体积cte或两者及其以下能力：在首先仍具有足够的解离的烧结助剂来形成聚晶金刚石台的同时，保持所述烧结助剂呈不使金刚石石墨化的形式。

此外，残余烧结助剂化合物或由其形成的衍生化合物可保留在所述pdc的所述聚晶金刚石台中并提供机械支撑。衍生化合物通常也具有与烧结助剂相比更接近金刚石的线性或体积cte或两者的线性或体积cte或两者。

参考图1，烧结组件10包括罐20，所述罐20容纳基底30、金刚石晶粒40和烧结助剂化合物50。如图2所示，当罐20经受hthp过程时，一些烧结助剂化合物50解离成解离的烧结助剂60，所述解离的烧结助剂60催化金刚石晶粒40之间的金刚石-金刚石键。解离的烧结助剂60还可催化金刚石晶粒40与基底30之间的金刚石-基底键。烧结助剂化合物50还形成解离的非烧结组分70，所述解离的非烧结组分70可进一步反应以形成衍生化合物80。

在hthp过程之后，如图3所示的聚晶金刚石台90已在基底30上形成，从而产生pdc100。pdc100包含烧结助剂化合物50。pdc100还可包含(例如少量的，诸如少于0.5重量％的、少于0.1重量％的、或少于0.01重量％的)解离的烧结助剂60，或者它可不包含任何显著量的任何解离的烧结助剂60。解离的烧结助剂60可通过x射线衍射或其他相位分析技术来检测。

pdc100还可包含烧结助剂化合物50的解离的非烧结组分70或者由所述解离的非烧结组分形成的衍生化合物80。虽然图3示出具有烧结助剂化合物50、解离的非烧结组分70和衍生化合物80的pdc100，但pdc100可具有仅一种或仅两种此类组分。例如，甚至可能所有烧结助剂化合物50都将在hthp过程期间解离，并且将仅剩下解离的非烧结组分70或衍生化合物80。如以上所指出，还可剩下少量的解离的烧结助剂60。

pdc100可原样使用而无需经受浸析或任何其他过程来除去解离的烧结助剂60或烧结助剂化合物50(或者，解离的非烧结组分70或衍生化合物80(如果存在的话))。pdc100可包含tsp。

基底30可以是适合于在pdc100中使用的任何基底。特别地，它可以是常规基底，诸如硬质碳化钨基底。常规pdc形成中的基底通常包含烧结助剂并在htpt过程期间将所述烧结助剂供应给金刚石晶粒。使用烧结助剂化合物50形成pdc100，使得不需要基底30中有烧结助剂。在一些情况下，在基底30中具有烧结助剂实际上可能是有害的，因为烧结助剂将在hthp过程期间迁移到聚晶金刚石台90中并造成与常规pdc中相同的有害影响，除非经由浸析将烧结助剂除去。因此，基底30可缺少任何烧结助剂。所以，基底30可由不需要基底30中有烧结助剂60来诸如在hthp过程期间形成基底30、来保持完整、或者来与聚晶金刚石台90键合的材料形成。

虽然图1至图3示出具有基底30的pdc，但也可在没有基底30的情况下形成根据本公开的pdc。基底可稍后附接到如此形成的pdc，如果需要的话。

金刚石晶粒40可以是任何合适的金刚石晶粒，包括在聚晶金刚石台90形成后位于聚晶金刚石台90的不同区域中的具有基本上均匀晶粒大小的金刚石晶粒、具有混合晶粒大小的金刚石晶粒、或它们的混合物。

烧结助剂化合物50可包含能够形成解离的烧结助剂60的任何合适的烧结助剂组分和形成解离的非烧结组分70的另一元素或一组元素。解离的烧结助剂60可包括viii族金属。解离的烧结助剂60还可包括钴(co)、镍(ni)、铁(fe)、铜(cu)、铬(cr)、锰(mn)、钌(ru)、铑(rh)、铂(pt)、钽(ta)、锇(os)或铱(ir)。解离的烧结助剂60可以是单一金属，或者它可以是由不同烧结助剂化合物50形成的金属的组合，每种烧结助剂化合物50对应一种金属。金属的组合可单独起作用，或者它们可合金化以形成合金化的解离的烧结助剂60。

烧结助剂化合物50可包括一种化合物或化合物的组合。例如，即使在仅使用一种解离的烧结助剂60的情况下，它也可从所述烧结助剂的多种不同化合物解离。所述多种不同化合物可在开始时添加，或者可在烧结之前、期间或之后形成。过渡金属能够以多种价态存在，因此即使与同一元素或同一些元素进行配混，过渡金属也特别有可能形成一组化合物。

此外，如以上所指出，解离的烧结助剂60可由从不同烧结助剂化合物形成的金属的组合形成，在此情况下，烧结助剂化合物50也包括化合物的组合。

虽然烧结助剂化合物50在本文中被论述为电中性化合物，但在一些情况下它可作为成对离子存在。

烧结助剂化合物50中的每种单独化合物可具有通式m¹xm²yqp，其中m¹是viii族金属，或co、ni、fe、cu、cr、mn、ru、rh、pt、ta、os、或is烧结助剂，或者至少两种此类金属的组合，并且x＞0；m²是非烧结金属或至少两种此类非烧结金属的组合，并且y≥0；并且q是非金属、准金属、或至少两种非金属或准金属的组合，并且p＞0。x、y和p也使得烧结助剂化合物50是电中性的。m¹xm²yqp解离以由m¹形成解离的烧结助剂60并且由m²yqp形成解离的非烧结组分70。一般解离反应(i)如下：

m¹通常将是处于中性价态的金属。m²q中的元素的相对量通常将使得化合物也是电中性的。

m²q的进一步反应可继续以进一步反应以形成衍生化合物80，如通过如下反应(ii)所示：

m²x和q将使得化合物是电中性的，或者元素处于其中性价态。x可以是碳(c)，诸如金刚石晶粒40中的碳，或聚晶金刚石台的另一组分。

可替代地，m²q形成衍生化合物80的进一步反应可通过如下反应(iii)示出：

m²通常将是处于中性价态的金属。qx中的元素的相对量通常将使得材料也是电中性的。

在一个实例中，烧结助剂化合物50可以是钛酸钴(ii)(cotio3)，其可解离成作为解离的烧结助剂60的co和作为解离的非烧结组分70的tio2。此外，解离的非烧结组分70可与金刚石晶粒40中所包含的c进一步反应，以形成作为衍生化合物80的碳化钛(tic)。

一般来说，衍生化合物80通常可以是金属碳化物，因为这些材料倾向于具有类似于基底30的cte并且比烧结助剂更接近金刚石的cte的线性或体积cte或两者。此外，金属碳化物倾向于具有期望冲击强度，从而赋予pdc100整体额外冲击韧性。

特别有用的m²金属包括钛(ti)、锆(zr)、钨(w)、钽(ta)、钼(mo)、钒(v)、铌(nb)和铪(hf)，因为这些金属可形成碳化物。

氧(o)是特别有用的q元素，因为它可形成可离开pdc100并且相对安全的氧气(o2)。碳-氧(c-o)化合物和离子(诸如碳酸盐)或硅-氧(si-o)化合物和离子(诸如硅酸盐)由于它们形成o2的能力或者在碳-氧化合物和离子的情况下形成co2(其也可离开pdc100)的能力以及在pdc100中产生c或si或它们的化合物的能力也可以是特别有用的q组分。

烧结助剂化合物50在20℃下可具有5x10^-6/k或更小、3x10^-6/k或更小、或者2x10^-6/k或更小的线性cte。非烧结化合物70在20℃下可具有5x10^-6/k或更小、3x10^-6/k或更小、或者2x10^-6/k或更小的线性cte。衍生化合物80在20℃下可具有5x10^-6/k或更小、3x10^-6/k或更小、或者2x10^-6/k或更小的线性cte。

烧结助剂化合物50在20℃下可具有8x10^-6/k或更小、6x10^-6/k或更小、或者4x10^-6/k或更小的线性cte。非烧结化合物70在20℃下可具有8x10^-6/k或更小、6x10^-6/k或更小、或者4x10^-6/k或更小的线性cte。衍生化合物80在20℃下可具有8x10^-6/k或更小、6x10^-6/k或更小或者4x10^-6/k或更小的线性cte。

本公开还提供一种形成诸如pdc100的pdc的方法。根据所述方法，将金刚石晶粒40和烧结助剂化合物50放置在罐20中，如图1所示。烧结助剂化合物50可呈微粒的形式，所述微粒具有平均在1μm与1000μm之间的最大尺寸。烧结助剂化合物50也可呈纳米颗粒的形式，所述纳米颗粒具有平均在1nm与1000nm之间的最大尺寸。特别地，烧结助剂化合物50可具有在200nm与5μm之间的最大尺寸。此外，烧结助剂化合物50可以是单分散的，最大尺寸的平均大小变化为10％或更小。

烧结助剂化合物50与金刚石晶粒40混合，如图1所示。所述混合可以是均质的，或者在一些区域中烧结助剂化合物50可具有更高比例。均质混合物的形成可通过使用尺寸与金刚石晶粒40类似的烧结助剂化合物50颗粒来促进。例如，烧结助剂颗粒可具有在金刚石晶粒40的平均最大尺寸的5％以内的平均最大尺寸。

烧结助剂化合物50可通过诸如球磨的机械处理来形成为颗粒。烧结助剂化合物也可形成为离散颗粒而不是团块或结块，物理地附接到另一颗粒的颗粒不超过1％。离散颗粒还促进与金刚石晶粒40形成均质混合物。

在hthp过程期间，烧结助剂化合物50中的一些解离成解离的烧结助剂60，如图2所示。解离的烧结助剂60已位于金刚石晶粒40附近。因此，可使用比常规过程中更少的烧结助剂，或者减少hthp压制循环时间以提高生产率，其中烧结助剂通常必须从基底迁移到金刚石晶粒中。当烧结助剂化合物50呈与金刚石晶粒40均质地混合的颗粒形式时尤其如此。烧结助剂化合物50的量可以使得烧结助剂组分(诸如co)的总量(无论是解离的还是在化合物中的)小于聚晶金刚石台90的10重量％。它还可小于8重量％、小于4.5重量％、小于3重量％、小于2重量％、或小于1重量％。

hthp过程的温度通常至少是烧结助剂化合物50中烧结助剂组分的共晶温度，使得分散的烧结助剂60处于液态。如果分散的烧结助剂60由合金形成，则hthp过程的温度可至少是适用的合金化温度，其通常至少是具有最高共晶温度的合金组分的共晶温度。

非烧结助剂组分70也可在hthp过程期间形成。衍生化合物80可在hthp过程期间或在所述过程已完成并且聚晶金刚石台90冷却之后形成。

整个过程产生pdc100，如上文在图3中所示。

如本文所述的pdc可并入诸如钻地钻头的工业装置中，如图4所示。图4示出含有联接到钻头体220的多个刀具210的固定刀具钻头200。刀具210中的至少一个可以是如图3所示的pdc100。

钻头体220可包括从其延伸的多个刀片230。钻头体220可由钢、钢合金、基体材料或者具有期望的强度、韧性和机械加工性的其他合适的钻头体材料形成。钻头体220可被形成为具有期望的耐磨损特性和耐腐蚀特性。pdc刀具210可使用本公开的方法或使用其他方法来安装在钻头上。pdc刀具可位于保径区域(gageregion)240中，或位于非保径区域中，或位于两者中。

与钻头200相关联的钻探动作可在钻头体220响应于相关联钻柱的旋转而相对于井筒的底部旋转时发生。设置在相关联刀片230上的至少一些pdc刀具210可在钻探期间接触井下地层的相邻部分。这些pdc刀具210可被定向成使得它们的聚晶金刚石台接触地层。

本公开提供实施方案a，其涉及一种pdc，所述pdc包括基底和聚晶金刚石台，所述聚晶金刚石台包含烧结助剂化合物、解离的非烧结助剂组分、衍生化合物或它们的混合物、以及解离的烧结助剂。

本公开还提供实施方案b，其涉及一种含有钻头体和呈刀具形式的实施方案a所述的pdc的钻地钻头。

本公开还提供实施方案c，其涉及一种形成pdc的方法，所述方法包括：将基底和金刚石晶粒与烧结助剂化合物的混合物放置在罐中以形成烧结组件；以及对所述烧结组件执行hthp过程以形成pdc，所述pdc包括基底和聚晶金刚石台，所述聚晶金刚石台由所述金刚石晶粒和所述烧结助剂化合物形成，并且包含所述烧结助剂化合物、解离的非烧结助剂组分、衍生化合物或它们的混合物，并且还包含解离的烧结助剂。

此外，实施方案a、b和c可结合以下附加元素使用(这些附加元素也可彼此组合，除非明显相互排斥，并且方法元素可用于获得装置并且装置元素可来自于方法)：i)所述基底可不包含烧结助剂；ii)所述烧结助剂化合物可包含烧结助剂组分m¹和非烧结助剂组分m²q并且具有通式m¹xm²yqp，其中m¹是viii族金属，

m²是除m¹之外的金属，q是非金属、准金属或者至少两种非金属或准金属的组合，x＞0，y≥0，p>0，并且x、y和p使得所述烧结助剂化合物是电中性的；iii)所述衍生化合物可由所述解离的非烧结助剂组分形成；iv)所述衍生化合物可以是金属碳化物；v)所述烧结助剂化合物、所述解离的非烧结助剂组分和所述衍生化合物可具有5x10^-6/k或更小的线性热膨胀系数(cte)；vi)所述烧结助剂化合物可呈颗粒形式；vii)所述金刚石晶粒和所述烧结助剂化合物的所述混合物可以是均质的；viii)所述烧结助剂化合物颗粒可具有在所述金刚石晶粒的平均最大尺寸的5％以内的平均最大尺寸；ix)所述烧结助剂化合物可在hthp过程期间解离成烧结助剂组分和非烧结组分，使得所述烧结助剂组分催化所述金刚石晶粒之间的金刚石-金刚石键的形成；x)所述烧结助剂化合物可包括至少两种化合物；xi)所述至少两种化合物中的每一种可包含相同的烧结助剂；xii)所述至少两种化合物中的每一种可包含不同的烧结助剂，并且所述烧结助剂可在所述hthp过程期间形成合金；xiii)所述解离的非烧结组分可与碳反应以形成金属碳化物衍生化合物；xiv)所述碳可来自所述金刚石晶粒中的金刚石。

虽然上文仅具体描述了本发明的示例性实施方案，但应了解，在不脱离本发明的精神和预期范围的情况下，这些实例的修改和变型是可能的。例如，可通过参考钻头实例来确定pdc在其他工业装置上的使用。