切削元件、形成切削元件的相关方法及相关的钻地工具的制作方法_4

文档序号:9793603阅读:来源:国知局
或更大。可通过使用本领域公知的技术(如,Ervin E.Underwood,定量立体测量学,(艾迪生-韦斯利出版公司,1970)中阐述的技术),来确定第二区域IlOB的相互粘结的颗粒134间的孔隙空间142内的平均自由程和第一区域I1A的相互粘结的颗粒124间的孔隙空间132内的平均自由程。
[0051]在聚晶复合片102包括多于两个的区域的实施例中,聚晶复合片102的每个逐渐径向或侧向朝外的区域可邻接支撑基体104并从支撑基体104延伸,其渗透性相对于聚晶复合片102的至少一个其他区域(其被设置成从聚晶复合片102径向或侧向朝内)的渗透性而言逐渐减小(如,至少受每个逐渐径向或侧向朝外的区域内的颗粒体积百分比、平均粒径和粒度分布影响)。此外,在聚晶复合片102包括的至少一个区域(如,图3所示的实施例中的第三区域11OC)覆盖至少两个径向或横向布置的区域的实施例中,所述的至少一个区域(如,第三区域110C)的渗透性可大致等于其下方的一个或多个区域的渗透性,或者其渗透性可不同于其下方的区域的渗透性。以非限制性实例的方式,参照图3,第三区域11OC的渗透性可不同于第一区域11OA和第二区域11OB中的至少一个区域的渗透性,如,其渗透性小于第一区域I1A和第二区域IlOB中的至少一个区域的渗透性(如,小于第一区域IlOA和第二区域I1B中的每个区域的渗透性,或大致等于第一区域I1A的渗透性且小于第二区域I1B的渗透性),或其渗透性大于第一区域I1A和第二区域I1B中的至少一个区域的渗透性(如,大于第一区域I1A和第二区域I1B中的每个区域的渗透性,或大致等于第二区域I1B的渗透性且大于第一区域IlOA的渗透性)。
[0052]现在将参照图6描述形成本公开的切削元件100(图1至3)的方法的实施例,图6示出了形成图1所示的聚晶复合片102的过程中的容器144的截面图。将转变成聚晶复合片102(图1)的第一区域IlOA(图1和4)的相互连接的颗粒124(图4)的第一组颗粒146可被形成或设置在容器144内;将转变成聚晶复合片102(图1)的第二区域IlOB(图1和5)的相互连接的颗粒134(图5)的第二组颗粒148可被形成或设置在容器144内,靠近第一组颗粒146;支撑基体104可被形成或设置在第一组颗粒146和第二组颗粒148上方。
[0053]第一组颗粒146可在容器144内被形成或设置成聚晶复合片102的第一区域IlOA的形状。例如,第一组颗粒146可通过合适的粘结剂材料,被一起粘结成第一区域IlOA的形状。粘结剂材料可包括能让第一组颗粒146被配置成适于聚晶复合片102的第一区域IlOA的形状的任何材料,该材料在随后的HTHP过程的初始阶段可被去除掉(如,挥发掉)。在另外的实施例中,在不使用粘结剂材料的情况下,第一组颗粒146可被形成为第一区域IlOA的形状。在一些实施例中,第一组颗粒146可被压制(如,通过使用或不使用粘结剂材料)以形成聚晶复合片102的生的第一区域IlOA(如,呈现第一区域IlOA的大体形状的生结构)。在压制期间,非平坦结构(如,先前结合图1至3所述的非平坦结构)可被称之为生的第一区域110A。第一组颗粒146的粒度分布可以是多模式(如,双模式、三模式等),或可以是单模式。例如,第一组颗粒146可包括具有第一平均粒径的颗粒、和具有第二平均粒径的颗粒,第二平均粒径不同于第一平均粒径。如先前针对聚晶复合片102的第一区域IlOA的相互连接的颗粒124的尺寸所述,第一组颗粒146包括具有相对实际尺寸的颗粒,但是请注意,在用于形成聚晶复合片102的随后过程(如,HTHP过程)中可出现一定程度的晶粒生长和/或皱缩。
[0054]第二组颗粒148在容器144内可被形成或设置成聚晶复合片102的第一区域IlOA的形状。在一些实施例中,第二组颗粒148在不使用粘结剂材料的情况下,可被形成或设置成聚晶复合片102的第一区域IlOA的形状。例如,第二组颗粒148可被设置到容器144中,成为一组基本不粘结的(如,可流动的)颗粒。在另外的实施例中,例如在需要聚晶复合片102的第一区域IlOA具有一个或多个不平坦部分或延伸部分(如,凸起部分和/或凹陷部分)的实施例中,第二组颗粒148可通过合适的粘结剂材料,被粘结在一起而成第二区域IlOB的形状。该粘结剂材料可与用来将第一组颗粒148粘结在一起的粘结剂材料基本相同或不同。可选地,第二组颗粒148可被压入聚晶复合片102的生的第二区域IlOB(如,呈现第二区域IlOB的大体形状的生的(green)结构)中,其方式基本类似于前面针对第一组颗粒146所述的方式。第一组颗粒146可大致径向或侧向包围第二组颗粒148。如图6所示,在一些实施例中,第一组颗粒146可用作杯而容纳第二组颗粒148。第二组颗粒148的粒度分布可以是多模式(如,双模式、三模式等),或可以是单模式。例如,第二组颗粒148可包括具有第一平均粒径的颗粒和具有第二平均粒径的颗粒,其中第二平均粒径不同于第一平均粒径。如先前针对聚晶复合片102的第二区域IlOB中的相互粘结的颗粒134所述,第二组颗粒148包括具有相对实际尺寸的颗粒,但是请注意,在用于形成聚晶复合片102的随后过程(如,HTHP过程)中可出现一定程度的晶粒生长和/或皱缩。
[0055]继续参照图6,催化剂材料150还可被设置在容器144内,催化器材料可用于在比所要求的要更低的温度和压力下促进第一组颗粒146和第二组颗粒148中的颗粒之间的粒间粘结。催化剂材料150可被设置在支撑基体104内,可选地,可被设置在第一组颗粒146和第二组颗粒146中的至少一组颗粒间。在一些实施例中,催化剂材料150可以以散置的催化剂粉末形式被设置在第一组颗粒146和第二组颗粒148中的至少一组颗粒内。可选择催化剂粉末的平均粒径,使得催化剂粉末的平均粒径和催化剂粉末与之混合的颗粒的平均粒径之比在约1:10至约1:1000的范围内,或者甚至在约1:100至约1:1000的范围内,如美国专利申请公开第2010/0186,304 Al号中所公开,该美国专利申请以Burgess等的名义于2010年7月29日公开,于2013年5月7日被授予专利权,专利号为US8,435,317。可通过使用本领域公知的技术(如,标准的制粉工艺)来将催化剂材料150的颗粒与第一组颗粒146和第二组颗粒148中的至少一组颗粒混合,其方式是,将包括催化剂材料150的颗粒与第一组颗粒146和第二组颗粒148 二者中的至少一组颗粒的浆体形成和混合成液体溶剂,然后干燥该浆体,等等。在另外的实施例中,催化剂材料150可包括至少一种催化剂箔或盘,其被夹置在支撑基体104、第一组颗粒146和第二组颗粒148中的至少一种之间。在另外的实施例中,催化剂材料150可被涂覆在第一组颗粒146和第二组颗粒148中的至少一组中的至少一些颗粒上。通过使用化学溶液沉淀工艺(在本领域通常称之为溶胶-凝胶涂层工艺),第一组颗粒146和第二组颗粒148中的至少一组的颗粒可被涂覆有催化剂材料150。
[0056]如图6所示,容器144可封装第一组颗粒146、第二组颗粒148和支撑基体104。容器144可包括内杯152,第一组颗粒146、第二组颗粒148和支撑基体104三者中的每个的至少一部分可被设置在内杯152中。容器144还可包括顶端元件154和底端元件156,它们可绕内杯152被组装和粘结在一起(如,被模锻粘结),第一组颗粒146、第二组颗粒148和支撑基体104位于其中。根据本领域公知的过程,密封的容器144然后经历HTHP过程,以烧结第一组颗粒146和第二组颗粒148,形成具有聚晶复合片102的切削元件100,如先前参照图1至3概略所述,聚晶复合片102包括第一区域IlOA和第二区域110B。例如,一起参照图1和6,第一组颗粒146(图6)可形成聚晶复合片102(图1)的第一区域110A,第二组颗粒148(图6)可形成聚晶复合片102(图1)的第二区域110B。
[0057]尽管HTHP过程的准确操作参数将根据正被烧结的各种材料的具体成分和数量变化,但是,热压制过程中的压力可高于或等于约5.0GPa,温度可高于或等于约1400°C。在一些实施例中热压制过程中的压力可高于或等于约6.5吉帕斯卡(GPa),如,高于或等于约6.7GPa,或高于或等于约8.0GPa。另外,正被烧结的材料可保持在这样的温度和压力下一段时间,该段时间在约30秒和约20分钟之间。
[0058]现在将参照图7描述用于形成本公开的切削元件100(图1至3)的方法的另一实施例,图7示出了用于形成图1所示的聚晶复合片102的另一过程中的容器144的截面图。被单独形成为聚晶复合片102(图1)的第一区域IlOA(图1)的第一聚晶复合片158可被设置在容器144内,被单独形成为聚晶复合片102(图1)的第二区域IlOB(图1)的第二聚晶复合片160可被设置在容器144内,靠近第一聚晶复合片158,支撑基体104可被设置在第一聚晶复合片158和第二聚晶复合片160上方。第一聚晶复合片158的渗透性可小于第二聚晶复合片160的渗透性。
[0059]第一聚晶复合片158、第二复合片160和支撑基体104可在容器144中经历烧结过程,如,先前所述的HTHP过程。第一聚晶复合片158和第二聚晶复合片160可在存在催化剂材料150的情况下被烧结。催化剂材料150在用于形成第一聚晶复合片158和第二聚晶复合片160的初始烧结过程之后,可保持在第一聚晶复合片158和第二聚晶复合片160的相互粘结的颗粒之间的至少一些孔隙空间中。但是,在一些实施例中,第一聚晶复合片158和第二聚晶复合片160 二者中的至少一种复合片至少可被局部浸取,以在被设置到容器144中之前从所述至少一种复合片上去除掉至少一些催化剂材料150。在另外的实施例中,催化剂材料150可被设置成盘或箔的形式,被夹置在支撑基体104、第一聚晶复合片158和第二聚晶复合片160中的至少一个之间。HTHP过程可形成具有聚晶复合片102的切削元件100,如先前参照图1至3概略所述,聚晶复合片102包括第一区域I1A和第二区域11OB。例如,一起参照图1和7,第一聚晶复合片158
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