用于钻井应用的厚的固体碳酸盐基pcd的烧结的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]多晶金刚石(“P⑶”)材料及由其形成的rcD元件在本领域中是公知的。在合适的溶剂金属催化剂材料存在时，通过使金刚石颗粒经受高压/高温的工艺条件可以形成传统的PCD，其中，该溶剂金属催化剂促进了各颗粒间的晶间金刚石-金刚石的期望结合，从而形成PCD结构。最终的PCD结构提供了改进的耐磨属性及硬度，使该PCD材料在需要高级别的耐磨性及硬度的严重磨损及切割应用中非常有用。图1示出了传统形成的PCD材料10的微观结构，包括彼此结合在一起的多个金刚石晶粒12，以形成晶间金刚石基质第一相。用于促进在烧结工艺期间发生的金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料14，例如钴，分散于形成于金刚石基质第一相之间的间隙区域中。如本领域所公知及确定的那样，术语“颗粒”是指在烧结超硬材料之前使用的粉末，而术语“晶粒”是指在烧结之后能够识别的超硬区域。
[0002]通常可以用两种方式来提供用于促进金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料。可以以原料粉末的形式提供所述催化剂/结合剂，该粉末与金刚石晶粒或砂粒在烧结之前预混。在其他方法中，可以以从下方的基体材料向所述金刚石材料中渗入(在高温/高压工艺中)的方式提供所述催化剂/结合剂，最终的PCD材料结合到所述基体材料。在所述催化剂/结合剂材料已经促进了金刚石间的结合后，催化剂/结合剂材料通常遍布金刚石基质地在结合的金刚石晶粒之间形成的间隙区域之内分布。特别地，如图1所示，结合剂材料14在传统的PCD材料10中不是连续地遍布微观结构。相反，传统的PCD材料10的微观结构可以具有在PCD晶粒之间均匀分布的结合剂。因此，通过传统的PCD材料的破裂传播将经常行进通过较为不易延展的和易碎的晶粒，或者穿晶地通过金刚石晶粒/结合剂界面15，或晶间地通过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面16。
[0003]溶剂催化剂材料可以促进金刚石晶间结合，以及促进PCD层彼此结合以及与下方的基体结合。用于形成传统PCD的溶剂催化剂材料包括选自元素周期表第VIII族的金属，例如钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金，其中，最常见的是钴。传统的PCD可以包括从85至95%体积比的金刚石，以及剩余量的溶剂催化剂材料。但是，尽管更高金属含量会增加最终PCD材料的韧性，但更高金属含量还减小PCD材料的硬度，因此限制了能够提供具有硬度和韧性两个期望的级别的PCD涂层的灵活性。此外，当选择变量以增加PCD材料的硬度时，易碎性也增加，从而减少了 PCD材料的韧性。
[0004]P⑶被广泛用于钻井应用中，例如用于多种类型的钻头上的切割元件中。尽管P⑶非常坚硬和耐磨损，但PCD切割元件仍然可能在正常操作期间损坏。损坏可能以三种常见形式发生，即磨损、疲劳与冲击破裂。由于PCD相对于地层的相对滑动而发生磨损机理，且其作为故障模型的突出物涉及地层的磨损性，以及其它因素(例如，地层硬度或强度，以及在与地层的接触期间涉及的相对滑动的量)。过度高的接触应力和高温，与非常不利的井下环境一起也趋于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理涉及表面裂缝的渐进传播，在PCD上开始、进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落或崩刃。最后，冲击机理涉及表面裂缝或在PCD层上开始的内部裂纹的突然传播，进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落、崩刃、或切割元件的毁灭性损坏。
【发明内容】
[0005]本概述用于引入在下面详细描述的选取的构思。本概述不是用于定义要求保护的主题的关键或本质性特征，也不是用于帮助限定要求保护的主题的范围。
[0006]一方面，本公开的实施例涉及一种制作多晶金刚石复合片的方法，包括:形成金刚石颗粒和碳酸盐材料预混的多个层，其中，所述碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐，其中，相邻层中的每个层的金刚石与碳酸盐的重量百分比之比不同；使所述层经受高压高温条件。
[0007]另一方面，本公开的实施例涉及一种多晶金刚石结构，包括:多晶金刚石体，其由形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制成，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸土卜
ΠΤΤ.0
[0008]又一个方面，本公开的实施例涉及一种井下工具，包括:本体、从本体延伸的多个刀片以及设置在所述多个刀片上的至少一个多晶金刚石切割元件，其中，所述多晶金刚石切割元件具有多晶金刚石体，其由形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域内的碳酸盐材料制成，其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐；并且其中，多晶金刚石体进一步具有在工作面和非工作面之间测得的高度，其中，所述高度大于4mm。
[0009]要求保护的主题的其它方面和优点通过后面的描述和所附的权利要求而变得明确。
【附图说明】
[0010]本公开的实施例参照后面的附图进行描述。在所有附图中相同的数字指代相同的特征和部件。
[0011]图1示出传统方式形成的多晶金刚石的微结构。
[0012]图2示出根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石体。
[0013]图3示出根据本公开的实施例的预混层。
[0014]图4示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0015]图5示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0016]图6示出根据本公开的实施例的预混层和渗入层。
[0017]图7示出耐磨性与预混的碳酸镁的量的对比。
[0018]图8示出渗入深度与预混的碳酸镁的量的对比。
[0019]图9示出深浸滤的传统多晶金刚石和本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料的耐磨性的对比。
[0020]图10示出根据本公开的实施例的预混层和两个渗入层。
【具体实施方式】
[0021]如本文所使用的，术语“碳酸盐基多晶金刚石”是指，在碳酸盐材料存在时，通过使单独的金刚石颗粒经受足够高压高温(HPHT)条件使相邻的金刚石晶体间发生晶间结合，以形成金刚石间结合网络或基质相以及分散于该结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域而制备的最终材料。本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以被称为多晶金刚石或PCDdSf同于传统的使用过渡金属溶剂催化剂形成的多晶金刚石(描述于【背景技术】部分)。
[0022]根据本公开的实施例，碳酸盐基多晶金刚石体的微观结构可以包括由结合在一起的多个金刚石晶粒构成的基质相和置于结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域以及设置于所述间隙区域内的碳酸盐材料，其中，所述碳酸盐材料选自一种碱土金属碳酸盐或选自碱金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐的组合。在本发明的碳酸盐基多晶金刚石材料中，对于形成金刚石间结合来说，不必需包括过渡金属催化剂、硅和/或含硅复合物，因此所述碳酸盐基多晶金刚石体可以不含有这些材料。
[0023]图2示出了根据本公开的某些实施例的多晶金刚石体。该金刚石体200具有工作面210、外侧面220和非工作面230，其中，高度240在工作面210与非工作面230之间测量。根据某些实施例，该高度可以大于2mm，在某些实施例中，该高度可以大于4mm，在某些实施例中，该高度可以大于6_。如这里使用的，工作面可指的是接触和切割工件或地质地层的多晶金刚石体的外表面。然而，由于本公开的多晶金刚石体包括固体多晶金刚石材料(例如，不需要被附着的基体)，本公开的多晶金刚石体可以被旋转以使多于一个的表面在多个位置作为工作面。因此，工作面根据多晶金刚石体相对于正被切割的地层的位置而可以是本公开的多晶金刚石体的不同的外表面。图2所示的工作面210为金刚石体200的顶表面，而非工作面230为金刚石体200的底表面。然而，一旦金刚石体发生旋转，非工作面此时可能作为工作面，反之亦然。因此，根据本公开的多晶金刚石体的高度240可以在金刚石体的相对外表面之间测量，其中，在测量时一个表面作为工作面。此外，图2所示的金刚石体200具有圆柱形状。然而，本公开的碳酸盐基多晶金刚石材料可以形成为其它形状，例如矩形或三角形棱柱。
[0024]如上所述，多晶金刚石体具有多个结合到一起的金刚石晶粒构成的基质相