通过使金刚石纳米颗粒功能化来制作聚晶金刚石的方法、包括功能化金刚石纳米颗粒的 ...的制作方法
【专利说明】通过使金刚石纳米颗粒功能化来制作聚晶金刚石的方法、包括功能化金刚石纳米颗粒的生坯体和形成聚晶金刚石切削元件的方法
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求2013年3月I日提交的名称为“Methods of FabricatingPolycrystalIine Diamond by Funct1nalizing Diamond Nanoparticles,GreenBodies Including Funct1nalized Diamond Nanoparticles, and Methods of FormingPolycrystalline Diamond Cutting Elements”的美国专利申请号序列号 13/782，341 的申请日利益。
技术领域
[0003]本发明的实施方案整体上涉及形成聚晶金刚石材料的方法、形成包括聚晶金刚石材料的切削元件的方法以及可用于形成这样的切削元件的生坯体。
[0004]背景
[0005]用于在地下地层中形成井眼的钻地工具通常包括固定于本体的多个切削元件。例如，固定式切刀钻地旋转钻头(还称为“刮刀钻头”)包括多个切削元件，其固定连接至钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头包括安装在由钻头体的腿部延伸的牙轮轴上的锥体，从而使得每个锥体能够围绕锥体被安装在其上的牙轮轴旋转。可以将多个切削元件安装到钻头的每个锥体。
[0006]在这样的钻地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金刚石切刀(经常称为“roc”)，其为包括聚晶金刚石(PCD)材料的切削元件。通过在催化剂(例如钴、铁、镍或其合金和混合物)的存在下在高温和高压的条件下将相对小的金刚石的晶粒或晶体烧结并结合在一起以在切削元件基材上形成聚晶金刚石材料层，来形成这样的聚晶金刚石切削元件。这些过程往往称为“高压高温过程”(“HPHT过程”)。切削元件基材可以是金属陶瓷材料(即陶瓷-金属复合材料)，例如钴-烧结碳化钨。在这样的情况下，切削元件基材中的钴或其它催化剂材料可以在烧结过程中被吸入到金刚石晶粒或晶体中并且充当用于从所述金刚石晶粒或晶体形成金刚石台的催化剂材料。在其它方法中，可在将晶粒或晶体在HPHT过程中烧结在一起之前将粉末状的催化剂材料与金刚石晶粒或晶体混合。
[0007]钴，其在烧结过程中常用来形成P⑶材料，在约1495°C下熔化。可以通过将钴与碳或另外的元素合金化来降低熔化温度，因此可以在高于约1450°C的温度下进行含钴体的HPHT烧结。在使用HPHT过程形成金刚石台时，催化剂材料可以保留在所得的聚晶金刚石台中的金刚石晶粒或者晶体之间的间隙空间中。当在使用过程中加热切削元件时，由于在切削元件与地层之间的接触点处的摩擦，催化剂材料在金刚石台中的存在可导致金刚石台中的热损坏。其中催化剂材料保留在金刚石台中的聚晶金刚石切削元件通常是热稳定的直到约750°C的温度，但是聚晶金刚石台内的内部应力可在超过约350°C的温度下开始发展。该内部应力至少部分是由于金刚石台和与其结合的切削元件基材之间的热膨胀速率的差异。热膨胀速率的这种差别可导致在金刚石台与基材之间的界面处相对大的压缩和拉伸应力，并可导致金刚石台从基材脱层。在约750°C以上的温度下，由于金刚石台本身内的金刚石材料与催化剂材料的热膨胀系数的差异，金刚石台内的应力可显著增加。例如，钴热膨胀显著快于金刚石，这可导致裂纹在包括钴的金刚石台内形成和扩展，最终导致金刚石台的劣化和切削元件的无效。
[0008]为减少与聚晶金刚石切削元件中不同的热膨胀速率相关的问题，开发了所谓的“热稳定的”聚晶金刚石(TSD)切削元件。可通过例如使用酸从金刚石台中的金刚石晶粒之间的间隙空间浸出催化剂材料(例如钴)来形成这样的热稳定的聚晶金刚石切削元件。可以从金刚石台移除所有的催化剂材料，或可以仅移除一部分。报道了其中从金刚石台浸出基本上所有的催化剂材料的热稳定聚晶金刚石切削元件为热稳定的直到约1200°C的温度。然而还报道了:与未浸出的金刚石台相比，完全浸出的金刚石台是相对更脆并且容易受到剪切、压缩和拉伸应力。为了努力提供具有相对于未浸出的金刚石台是更加热稳定、但是相对于完全浸出的金刚石台也相对不太脆并且不太容易受到剪切、压缩和拉伸应力的金刚石台的切削元件，提供切削元件，其包括金刚石台，其中从金刚石台浸出所述催化剂材料的仅一部分。
[0009]发明概述
[0010]在一些实施方案中，制作聚晶金刚石的方法，包括:采用氟使金刚石纳米颗粒的表面功能化，将功能化的金刚石纳米颗粒与聚合物组合以形成混合物，和使该混合物经受高压和高温(HPHT)条件，以在金刚石纳米颗粒之间形成晶间结合。
[0011]在某些实施方案中，生坯体包括采用氟功能化的多个金刚石纳米颗粒和散布有该多个金刚石纳米颗粒的聚合物材料。
[0012]在其它实施方案中，形成切削元件的方法，包括:采用氟使金刚石纳米颗粒的表面功能化，并且将功能化的金刚石纳米颗粒与聚合物组合以形成混合物。在本体上方提供该混合物，并且使该混合物与本体经受HPHT条件，以在金刚石纳米颗粒之间形成晶间结合并将结合的金刚石纳米颗粒固定于该本体。
[0013]附图简要说明
[0014]图1是说明金刚石纳米颗粒的简化视图；
[0015]图2是说明图1的金刚石纳米颗粒在采用氟功能化后的简化视图；
[0016]图3是说明与聚合物混合的图2的功能化的金刚石纳米颗粒的简化视图；
[0017]图4是说明包括图3的功能化的金刚石纳米颗粒和聚合物的材料片材的简化视图；
[0018]图5是说明与金刚石砂粒混合的图3的功能化的金刚石纳米颗粒和聚合物的简化视图；
[0019]图6是生坯体的局部剖开的透视图，该生坯体包括在基材上方的颗粒-聚合物混合物体积；
[0020]图7是通过使图6的结构经受HPHT烧结过程而形成的切削元件的局部剖开的透视图；和
[0021]图8说明了固定式切刀钻地旋转钻头，其包括聚晶金刚石切削元件，例如在图7中所示的切削元件。具体实施方案
[0022]在这里所呈现的说明并不意味着是任何特定的材料、设备、系统或方法的实际视图，而是用于描述某些实施方案的仅仅理想化的表示。为了在说明中清楚起见，实施方案当中的共同的各种特征和元件可以用相同或类似的附图标记引用。
[0023]如在这里所使用的，术语“钻头”是指并包括在井眼的形成或扩大过程中用于钻探的任何类型的钻头或工具，并且例如包括旋转钻头、冲击钻头、取心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、可膨胀扩孔钻、磨机、刮刀钻头、牙轮钻头、混合式钻头和本领域中已知的其它钻探头和工具。
[0024]术语“聚晶材料”是指并包括包含通过晶间结合直接结合在一起的材料的多个晶粒(即晶体)的任何材料。所述材料的单独晶粒的晶体结构在聚晶材料内的空间中可以是无规取向的。
[0025]如在这里所使用的，术语“晶间结合”是指并包括材料的相邻晶粒内的原子之间的任何直接的原子键(例如离子的、共价的、金属的，等等)。
[0026]如在这里所使用的，术语“晶粒尺寸”是指并包括从经过块体材料的二维截面测量的几何平均直径。可以使用本领域中已知的技术来确定一组颗粒的几何平均直径，例如在 Ervin E.Underwood, QUANTITATIVE STERE0L0GY, 103-105(Addison-ffesley PublishingCompany, Inc., 1970)中提出的那些。
[0027]图1是说明金刚石纳米颗粒100的简化视图。可通过化学气相沉积、爆轰合成、机械研磨或任何其它方法来形