盐材料(图示的为碳酸镁)、从而具有较高浓度的金刚石的金刚石和碳酸盐混合物，可以产生具有增强的耐磨性的烧结混合物，即，形成的多晶金刚石体可具有更高的磨损评分。根据某些实施例，多晶金刚石体可以形成为具有一个或多个包括有小于2重量百分比的碳酸盐的作为至少一个外层的预混层以及一个或多个包括有大于2重量百分比的碳酸盐的作为至少一个内层的预混层，由此提供至少一个具有增强的耐磨性的烧结多晶金刚石体的外表面。例如，在具有由本公开的多晶金刚石材料形成的例如用在井下钻井工具上的切割元件的实施例中，切割元件的工作面(即切割元件接触并切割被切割地层的外表面)可以由具有小于4重量百分比的碳酸盐、剩余为金刚石的预混层形成，并且切割元件的其余部分可以由一个或多个具有大于4重量百分比的碳酸盐、剩余为金刚石的预混层形成，以使得工作面的耐磨性比其余切割元件的耐磨性更高。
[0042]根据本公开的实施例，金刚石和一种或多种碳酸盐材料的预混层可以在高压高温条件下进行烧结，以形成多晶金刚石体。高压高温条件可包括大于6Gpa的压力和大于1，700°C的温度。此外，如上所述，由一种或多种碱金属或碱土金属碳酸盐制成的渗入层可以设置成与其中一个预混层相邻，其中，在烧结过程中，渗入层的碳酸盐可以渗入一定深度到达预混层。渗入深度可例如取决于预混层的成分和烧结条件。
[0043]例如，图8示出了在7.7GPa和2，300°C的条件下进行烧结的过程中碳酸镁渗入剂的渗入深度和预混层中的碳酸镁的预混量之间的关系。如图所示，渗入深度随着预混层中碳酸盐的量的增加而增加。渗入和碳酸盐量之间的具体关系随着金刚石的晶粒大小而变化。
[0044]根据本公开的实施例制作的多晶金刚石体可以用作井下切割工具、例如钻头上的切割元件。例如，本公开的井下工具可具有本体、从本体延伸的多个刀片及设置在所述多个刀片上的根据本公开的实施例的至少一个多晶金刚石切割元件。该至少一个多晶金刚石切割元件设置在刀片上，使得工作面、即接触且切割被钻地层的表面，设置在刀片的前导面上并且面向钻井旋转方向。多晶金刚石切割元件可包括由用于形成基质相的多个结合到一起金刚石晶粒、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作而成的多晶金刚石体，其中，碳酸盐材料选自于碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐中的至少一种。此外，如上面所描述的，多晶金刚石体的高度可从工作面到非工作面之间测得，其大于4_。
[0045]多晶金刚石切割元件可以旋转地紧固到刀片，例如美国专利N0.8，091，655所公开的，或者可以机械地紧固到刀片，例如美国临时专利申请N0.61/599，665所公开的。在其它实施例中，本公开的多晶金刚石切割元件可以铜焊到形成在井下切割工具的刀片或本体中的凹口中。
[0046]如上所述，根据本公开的实施例的多晶金刚石体具有形成基质相的多个结合到一起的金刚石晶粒、介于结合到一起的晶粒之间的多个间隙区域以及设置在间隙区域中的碳酸盐材料，其中，碳酸盐材料选自于碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐中的至少一种。在这些实施例中，多晶金刚石材料可以不使用金属溶剂催化剂形成，使得形成的多晶金刚石体不包含任何金属溶剂催化剂。
[0047]根据这里公开的方法形成碳酸盐基多晶金刚石体允许形成厚的固体多晶金刚石。例如，本公开的多晶金刚石体可包括工作面、侧表面和远离工作面的非工作面，其中，工作面和非工作面之间的距离，或者高度大于4_。在某些实施例中，多晶金刚石体的高度可大于 6mm。
[0048]此外，根据这里公开的方法形成碳酸盐基多晶金刚石材料当与传统方式形成并且浸滤多晶金刚石(即形成为具有金属溶剂催化剂并且一部分的催化剂材料被移除的多晶金刚石体)相比时允许形成具有增强的耐磨性的多晶金刚石体。例如，图9示出了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。具体地，根据本公开的实施例的碳酸盐基多晶金刚石材料通过在7.2GPa和2，300°C (4，172° F)的条件下对金刚石和碳酸镁的预混层进行烧结而形成。碳酸盐基多晶金刚石和深浸滤的传统方式形成的多晶金刚石材料形成为切割元件并且在花岗岩工件上进行测试。如图所示，深浸滤的传统方式形成的多晶金刚石切割元件上发生的磨损量(较大的磨平区域)大于碳酸盐基多晶金刚石切割元件中发生的磨损量。
[0049]尽管上面仅详细描述了少量的典型实施例，但是本领域技术人员可以容易地意识到，典型的实施例可以进行多种修改而不会实质上脱离本发明。因此，所有的这些修改都被认为包括在如后面权利要求所限定的本公开的范围之内。
【主权项】
1.一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。2.权利要求1的方法，其中，所述碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。3.权利要求1的方法，其中，所述多个层中的每个层的重量百分比之比从第一外层向第二外层递减。4.权利要求1的方法，其中，所述多个层中的每个层的重量百分比之比从内层向第一外层和第二外层递增。5.权利要求1的方法，其中，复合片的外层中的所述至少一种碳酸盐的重量百分比小于4个百分点。6.权利要求1的方法，其中，复合片的内层中的所述至少一种碳酸盐的重量百分比大于2个百分点。7.权利要求1的方法，进一步包括相邻于外层设置渗入层，其中，所述渗入层包括选自于碱土金属碳酸盐的碳酸盐材料。8.权利要求7的方法，其中，所述碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。9.权利要求1的方法，进一步包括:在经受步骤之前将所述层放置到罐中，其中，罐的内壁限定出每个层的区域。10.权利要求1的方法，其中，每个层的重量百分比之比在整个该层中是相同的。11.一种多晶金刚石结构，包括: 多晶金刚石体，其包括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； 其中，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐。12.权利要求11的结构，其中，碳酸盐材料进一步包括碱金属碳酸盐。13.权利要求11的结构，其中，碳酸盐材料包括碳酸镁和碳酸钙中的至少一种。14.权利要求11的结构，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4_。15.权利要求11的结构，进一步包括从工作面延伸一深度的第一区域，其中，所述第一区域包括设置在间隙区域中的碳酸镁。16.权利要求15的结构，进一步包括远离工作面的第二区域，其中，所述第二区域包括设置在间隙区域中的碳酸钙。17.—种井下工具，包括: 本体； 从本体延伸的多个刀片； 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包括: 多晶金刚石体，其包括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； 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4mmο18.权利要求17的井下工具，其中，多晶金刚石切割元件可旋转地紧固到刀片。19.权利要求17的井下工具，其中，多晶金刚石切割元件机械地紧固到刀片。20.权利要求17的井下工具，其中，碳酸盐材料包括碳酸镁和碳酸钙中的至少一种。
【专利摘要】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，碳酸盐材料选自于碱土金属碳酸盐，并且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。这些层经受高压高温条件，以形成多晶金刚石。
【IPC分类】B22F3/15, B22F7/00, B22F7/02
【公开号】CN104903032
【申请号】CN201380069434
【发明人】Y·鲍, A·加兰, M·D·弗朗斯, J·D·贝尔纳普
【申请人】史密斯国际有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月15日
【公告号】US20140131117, WO2014078620A1