具有耐磨金刚石表面的切割元件的制作方法
【专利说明】具有耐磨金刚石表面的切割元件
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年9月2日提交的要求于2013年9月4日提交的美国临时专利申 请序列号第61/873694号的优先权和权益的美国专利申请序列号第14/475311号的优先权， 它们的全部内容通过参引方式纳入本文。
【背景技术】
[0003] 本领域已知的切割元件，例如那些与用于钻探地层的钻头一起使用的切割元件， 包括设置于碳化物基体上的金刚石表面层或金刚石台。相对于底层基体，所述金刚石台被 用于提供改善的抗磨性能，并且所述基体被用于提供附接结构，以有助于所述切割元件附 接至终端使用的机器工具，例如钻头等。
[0004] 这些已知的切割元件具有由多晶金刚石(PCD)形成的金刚石层或金刚石台，并使 用诸如WC-Co的碳化物基体。例如当相较于具有由碳化钨形成的磨削表面的切割元件时，虽 然所述金刚石层向所述切割元件提供改善的抗磨性能，但是已知所述金刚石层具有比底层 基体的热膨胀系数低得多的热膨胀系数。因此，用于烧结所述金刚石层、形成所述PCD并将 所述PCD层附接至所述基体的高压/高温工艺，是一个已知为产生具有残余压应力的切割元 件的过程。在所述金刚石层和基体上引起的该残余压应力的存在可以在钻井条件下导致切 割元件破损或金刚石层脱层。
[0005] 改善这些切割元件的使用寿命的尝试已经聚焦于减少金刚石层与基体的界面处 的残余压应力，从而减少或最小化在钻井条件下的破损、破裂或脱层的情况。尽管这些努力 对减少或最小化破损或脱层情况可能是有用的，但是这些性能的获得是以损害金刚石台表 面的耐磨性和抗裂纹萌生为代价的，这又限制了所述切割元件的有效使用寿命。
【发明内容】
[0006] 如本文所公开的切割元件包括由多晶金刚石形成的金刚石表面。在一个实例中， 所述金刚石表面被构造为具有圆顶形外表面。所述圆顶形外表面可以具有约3.5mm至 13.3mm之间的曲率半径。当以金刚石台的形式提供时，所述圆顶形外表面处的厚度大于约 0.6mm、大于约0.8mm、或在约0.6mm至3mm英寸之间。
[0007] 所述切割元件可以完全由多晶金刚石形成，或者可以包括附接至基体的多晶金刚 石台，例如结合到基体。可以在所述基体和金刚石台之间再插入一个或多个过渡层，并且所 述金刚石台可以由一个或多个多晶金刚石层形成。所述金刚石表面可以具有大于约 500MPa、大于约900MPa、大于约lOOOMPa或在从约900至1200MPa范围内的高水平压应力。
[0008] 在一个实例中，用于形成切割元件的多晶金刚石包括不同的钴晶体结构相的受控 比率，其中立方钴/六方钴大于约1.2、从约1.5至2.5或者从约1.6至1.8。
[0009] 在存在催化剂材料的情况下，通过将多个金刚石颗粒的组合体暴露于高压/高温 工艺条件下以形成所述金晶金刚石来制造所述切割元件。当使用基体时，所述基体可以在 所述高压/高温工艺下被附接至成台的形式的多晶金刚石，从而形成所述切割元件。必要 时，可以在超高压条件下形成切割元件。所述切割元件可以被处理为在所述多晶金刚石的 表面上产生上面所述的所需的高水平压应力。
[0010] 提供本
【发明内容】
部分是为了介绍一系列概念，这些概念在下面的详细说明中进一 步被描述。本
【发明内容】
部分不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用 于帮助限制所要求保护的主题的范围。
【附图说明】
[0011] 本文所公开的切割元件的这些和其他特征和优势将会被领会，因为当联系附图考 虑并参考下面的详细说明可以更好地理解本文所公开的这些和其他特征和优势，其中：
[0012] 图1示出了如本文所公开的示例性切割元件的透视侧视图；
[0013] 图2示出了如本文所公开的示例性切割元件的侧视截面图；
[0014] 图3示出了如本文所公开的具有至少一个过渡层的示例性切割元件的侧视截面 图；
[0015] 图4是包括如本文所公开的示例性切割元件的旋转锥形钻头的透视图；
[0016] 图5是包括如本文所述的示例性切割元件的锤钻头的透视图；
[0017] 图6是包括如本文所述的示例性切割元件的刮刀钻头的透视图；
[0018] 图7示出了如本文所公开的示例性切割元件的透视侧视图；
[0019] 图8示出了如本文所公开的示例性元件的侧视截面图；以及
[0020] 图9示出了用于压应力分析的测试结构。
【具体实施方式】
[0021 ]在一个实例中，如本文所公开的切割元件包括本体或基体，其上设置有由多晶金 刚石(PCD)形成的金刚石台的，该金刚石台形成所述切割元件的工作或磨削表面。在另一实 例中，如本文所公开的切割元件可以整个由PCD制成，即不包括基体。所述PCD可以具有圆顶 形的上部表面，并且可以具有大于约900MPa的高表面压应力。所述PCD也可以被设计为具有 受控的钴相。在一些实施方案中，以这种方式构造的切割元件提供改善的耐磨和抗裂性能， 从而增加这种切割元件的操作使用寿命。
[0022] 图1和2示出了如本文所公开的一个示例性切割元件10,其包括具有大体上圆柱形 的侧壁结构的本体12或基体。所述切割元件包括涂覆或以其他方式设置于所述基体上的金 刚石台14,其中，该金刚石台形成所述切割元件的工作或磨削表面16。参考图1和2,所述示 例性切割元件10包括沿所述本体12的顶端涂覆或以其他方式设置的金刚石台14。在一个实 例中，金刚石台被配置为具有与下面本体的顶端结构紧密相关的圆顶形的顶部或上部表 面。
[0023] 图7和8示出了如本文所公开的一个示例性切割元件70,其包括均由PCD形成的本 体72和磨削表面74,即在这种实例中，所述切割元件不包括单独的基体并且整体由PCD形 成。所述切割元件70被配置为具有圆顶形的顶部或上部磨削表面。
[0024] 所述金刚石台或金刚石表面可以被配置为具有恒定的曲率半径，或者具有限定所 述圆顶形结构的可变曲率半径。在这种实例中，限定所述圆顶形顶部表面的曲率半径可以 为从约3.5mm至13.3mm、6.5mm至13.3mm、或约8mm至13.3mm。可以基于特定的基体或本体直 径和/或切割元件的最终应用选择所述曲率半径。应该理解，所述曲率半径基于诸如基体或 本体的直径和/或最终应用的那些特征而改变。在一个实例中，圆顶曲率半径与基体或本体 直径的比例可以在从约0.5至1的范围内。尽管所述圆顶形金刚石台或表面已经通过曲率半 径来表征，但应该理解，如本文所公开的金刚石台或表面可以被配置为具有并非精确圆形 的大致圆顶形表面，此时，所述圆顶形表面由基本上代表圆顶形结构的曲率半径大致近似。
[0025] 在一个实例中，所述金刚石台或表面可以被配置为具有顶点相对锋利的尖头几何 形状，其形成所述金刚石台或表面的顶端。在这种尖头顶端的实施方案中，所述金刚石台或 表面的顶点可以具有从约1.3至3.2_或从约2.3至2.8mm的曲率半径。从所述顶点或尖端径 向向外延伸的金刚石台或表面可以具有凹、凸和/或直线结构。
[0026] 如图2所示，所述切割元件10在基体12和金刚石台14之间具有光滑界面。如本文所 使用的，术语"光滑"用于限定如此的界面表面，其是连续地并且没有或基本上没有任何表 面不规则性，例如弯曲的或具有一曲率半径的表面。应该理解，如本文所公开的切割元件可 以被配置为在所述基体和金刚石台之间具有不光滑的界面，例如该界面包括偏离其它方式 连续或光滑界面的一个或多个表面特征或不规则性，并且该界面可以用于在所述本体和金 刚石台之间的界面处提供改善程度的机械附接。在所述切割元件整个由金刚石形成的实例 中，在形成所述本体和所述表面的金刚石部分之间没有界面。
[0027] 所述切割元件可以包括设置为单层或多层形式的金刚石台，并且在一个实例中， 所述金刚石台由PCD形成