激光浸出的聚晶金刚石和激光浸出方法和装置与流程

本公开涉及激光浸出的聚晶金刚石(PCD)、包含这种激光浸出的PCD的元件和钻头、激光浸出PCD的方法以及用于执行此类方法的装置。

发明背景

在用于采油或挖掘目的的地球钻探期间常见地遭遇极端温度和压力。金刚石以其无与伦比的机械性质，在供地球钻探之用的切削元件或耐磨接触元件中适当地使用时可能是最有效的材料。金刚石异常地坚硬，将热传导远离与磨损表面的接触点，并且在此类情形下可以提供其他益处。

由于金刚石晶体的随机分布，呈聚晶形式的金刚石与单晶金刚石相比具有更高的韧性，这避免了见于单晶金刚石中的特定断裂面。因此，在许多钻探应用中，聚晶金刚石(PCD)通常是金刚石的优选形式。利用PCD的钻头切削元件统称为聚晶金刚石刀具(PDC)。因此，集成有PCD切削元件的钻头可以称为PDC钻头。

PCD元件可以在压制机中通过使小晶粒金刚石和其他起始材料经受超高压力和温度条件得以制造。一个PCD制造过程涉及在衬底(诸如碳化钨衬底)上直接形成PCD台。所述过程涉及将衬底连同混合有催化剂的松散的金刚石颗粒放入容器中。然后将容器放入压力传递盒中并且使其经受高温、高压(HTHP)压制循环。高温和高压以及催化剂致使小的金刚石颗粒形成为紧紧粘结到所述衬底的整体PCD台。然而，因为催化剂的特性在许多应用(诸如钻探)中具有负面效应，所以在使用PCD之前去除催化剂是有用的。因此，可浸出PCD以便将催化剂粘合剂从所有或部分PCD中去除。已去除一部分催化剂的PCD被称为浸出的PCD。已去除基本上所有催化剂的PCD被称为热稳定聚晶金刚石(TSP)。

附图简述

可以通过参考以下结合附图所作的描述获得本实施方案及其优点的更加完整的理解，附图示出本公开的特定实施方案，其中相似数字指类似部件，并且在附图中：

图1示出激光浸出的方法；

图2示出激光浸出期间的催化剂浓度梯度；

图3示出浸入液体溶液之前的激光浸出的PCD；

图4示出浸入液体溶液之后的激光浸出的PCD或图3；

图5示出激光浸出的另一种方法；

图6示出用于激光浸出的装置；并且

图7A示出具有构建的浸出边界的示例性PCD；并且

图7B示出具有可替代构建的浸出边界的示例性PCD。

具体实施方式

本公开涉及激光浸出的PCD和包含所述激光浸出的PCD的元件和钻头，以及激光浸出的方法和用于执行此类方法的装置。激光浸出大体涉及使用激光加热包含催化剂的PCD，以使得从PCD去除至少一些催化剂。

如图1所示，使用激光浸出选择性地从PCD去除催化剂。首先，在步骤10中，将包含催化剂的PCD放入液体溶液中。其次，在步骤20中，由激光照射PCD的一部分以达到足以允许PCD中的至少一个催化剂迁移的温度。在一个实施方案中，这种温度可高于至少一个催化剂的熔点。然而，催化剂可在低于它们的熔点的温度下从PCD开始迁移，以使得在其他实施方案中可接受加热到较低的温度。然后，在步骤30中，熔化的催化剂扩散到PCD的表面并且进入液体溶液。

典型的催化剂可包括金属，通常为第VIII族金属，诸如钴(Co)、镍(Ni)或铁(Fe)、或包含第VIII族金属的合金。还可使用非金属催化剂，诸如碳酸盐催化剂和硫酸盐催化剂。任一种类型的催化剂可基本上是纯催化剂或者它还可包含能够在高温高压条件下催化金刚石颗粒粘结的其他材料。

PCD可以是未附接的PCD或者其可附接到衬底，诸如包含碳化钨的衬底。与酸浸出不同，本方法的一个优点是衬底可以不需要特殊保护。

在一些实施方案中，PCD可在激光浸出之前已被部分浸出。例如，如果首先酸浸出所有或部分PCD表面是更快或更加成本有效的，那么这可先于激光浸出。在另一个实例中，可通过酸浸出来首先去除少于期望待去除量的一定量的催化剂，然后可通过激光浸出去除剩余物。

PCD可完全浸入液体溶液中或者其可部分浸入，使得从其去除催化剂的PCD的部分被浸入溶液中。可选择液体溶液，以使得其在浸出过程期间不破坏或大大损坏衬底，即使衬底未受保护也是如此。例如，液体溶液可能不会仅仅与衬底反应。可替代地，液体溶液可能与衬底相对地不反应，使得只要衬底不浸入液体溶液中，就不需要保护。在一些实施方案中，可避免衬底浸没液体溶液中以有助于防止催化剂从衬底浸出。

液体溶液可以是当它从PCD内到达PCD表面时能够将催化剂从PCD表面去除的任何液体。具体地说，它可以是能够溶解催化剂的任何液体。液体溶液可定制用于待去除的特定催化剂并且在PCD中或PCD和衬底中存在多种催化剂的情况下可选择性地去除一种催化剂。例如，如果PCD包含一种催化剂并且衬底包含不同的材料(诸如也可用作催化剂的NiWC、CoWC或CrWC)，那么可选择液体溶液以便优选地去除PCD催化剂。在一些实施方案中，液体溶液可被设计来不溶解衬底。在一些实施方案中，液体溶液可被设计来仅仅将催化剂从PCD的表面处或附近去除；它可能基本上不能如大多数酸浸出溶液那样能够从PCD内深处去除催化剂。液体溶液可能不形成具有催化剂的任何形式的复合物或者可仅仅允许催化剂离子进入溶液。

具体地说，液体溶液可以是诸如酸的极性溶剂诸如酸，或醇基或水基液体。可使用的温和得多的酸在化学浸出中是常见的。液体溶液可包括纯的或相对纯的液体，当催化剂进入它们成为溶质时，所述液体变为溶液。

在一些实施方案中，液体溶液可被选择为无毒性的、当用在本方法中时不腐蚀人体皮肤、或者是环境友好的。

液体溶液可处于室温下，或者其可被加热。所述液体溶液可通过激光或通过PCD加热。如果需要，液体溶液可在本方法期间被冷却以防止其汽化。

在一些实施方案中，一旦液体溶液到达PCD表面，其就可被搅拌或循环以便通过避开液体溶液内的局部催化剂浓度梯度来有助于去除催化剂。例如，其可以被超声波搅拌。液体溶液还可在这个过程期间被替换以避开阻碍浸出的催化剂浓度。

可选择PCD被加热到的温度以允许选择性地去除一种或多种催化剂，或者允许去除所有催化剂。例如，所述温度可处于催化剂开始迁移出PCD的点处或附近或者处于催化剂的熔点处或附近。对于多种催化剂而言，在不同的温度下重复过程可允许选择性地区除一种催化剂，如果期望的话，或者连续地去除不同的催化剂。例如，Co的熔点是大约1495℃，所以包含Co的PCD可被加热到大约这一温度以去除Co。如果存在镍，那么也可将其去除，因为它具有约1455℃的熔点。在一个实施方案中，在目标是去除存在的所有类型的催化剂的情况下，可将PCD加热到大约具有最高熔点的催化剂的熔点。在另一个实施方案中，在目标类似于去除存在的所有类型的催化剂的情况下，可将PCD加热到足以致使所有类型的催化剂从PCD迁移的温度。在另一个实例中，温度可升高到最低值以允许至少一种催化剂从PCD迁移。例如，温度可升高到至少340℃以允许Co迁移。

激光可以是短波激光或微波的任何能量源。激光可以连续或脉冲方式应用于PCD。其还可被引导到表面的特定部分，从而允许选择性浸出。例如，PCD的一部分可不浸出而另一部分浸出。可替代地，表面的部分可浸出到不同程度，诸如不同的深度或者具有去除催化剂的不同比例。

在一些实施方案中，PCD可定位在诸如下文图6中示出的系统中，所述系统允许激光沿着表面以预定的图案移动。

激光的局部应用可导致照射区域的浸出，并且根据条件还可导致周围区域的浸出。激光可致使PCD的金刚石颗粒自发热。金刚石具有高热导率(高达22W/cmK)，所以其迅速地将热量消散到周围的催化剂，所述催化剂然后熔化。在催化剂已经从PCD表面浸出的实施方案中，金刚石将热传递到下面的催化剂。可以这种方式获得浸出到超过那些利用最初酸浸出获得的深度。还可以这种方式获得部分浸出的PCD的进一步浸出。

一旦催化剂达到足够的温度或者超过其熔点的温度，其就变得可移动并且穿过金刚石颗粒迁移或扩散到金刚石台的表面，并且然后仅仅由于浓度梯度进入液体溶液。这个概念在图2中示出，其中PCD 110包含金刚石颗粒120和催化剂130。当激光140照射PCD 110时，催化剂130沿着如图所示的浓度梯度移动。在一些实施方案中，还可应用磁场以激励诸如Co的金属催化剂移动出PCD。这可允许在激光浸出过程期间使用较低温度。在更加常规的浸出诸如酸浸出期间(不管单独使用还是与激光浸出结合使用)磁场还可促使移动。

使用这个方法，所有的或基本上所有的催化剂可从所有或部分PCD去除以产生TSP。在高达至少750℃的温度在标准大气压下，TSP可能不会破裂或石墨化。在其他实施方案中，可从所有或部分PCD去除一定比例的催化剂。例如，可去除至少70％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％、至少98％或至少99％。在再其他实施方案中，催化剂可从表面去除高达一定深度。例如，催化剂可从表面去除，高达至少10微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少400微米、至少500微米、至少600微米、至少700微米、至少800微米、至少900微米或至少100微米。催化剂还可被去除到不超过10微米、不超过50微米、不超过100微米、不超过200微米、不超过300微米、不超过400微米、不超过500微米、不超过600微米、不超过700微米、不超过800微米、不超过900微米或不超过1000微米。在另一个实例中，催化剂可在以下深度中的任一个之间的范围中从表面去除：10微米、50微米、100微米、200微米、300微米、400微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米以及1000微米。在又一个实施方案中，催化剂可被去除到PCD与衬底之间的界面的200微米、100微米或50微米内。

图3呈现拍摄的PCD的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述PCD在激光浸出之前被酸浸出到至少400微米。可看见具有约10微米直径的激光加热的斑点，这是由于由氧化作用造成的其相对光洁度。使用能量分散光谱仪(EDS)显微镜将图2左边的白色元素识别成氧化钴。当钴迁移到表面并且与空气中的氧气反应时，这生产并建立来自激光的所述热通过金刚石台传递到至少400微米的深度，在其处所述热量融化迁移到表面的Co。

图4呈现图2的PCD在水基液体溶剂中经受超声波搅拌之后的SEM图像。显然，从金刚石表面完全或几乎完全地去除氧化钴，其预期是由于在金刚石与氧化钴之间缺少共价键。

尽管图1示出在利用激光加热之前将PCD放置在液体溶液中，但是如图2和图3的实例清楚所示，还可能如图5所示利用激光首先加热PCD(如步骤210中所示)，然后将其放置在液体溶液中(如步骤220中所示)。然而，为了获得足以致使催化剂移动到表面的催化剂浓度梯度，在一些实施方案中，可能需要首先从PCD的表面浸出一些催化剂。在这个实施方案中，催化剂可与空气反应以形成氧化物。或者，如果在特殊大气下执行激光加热，那么它可与大气的另一种组分反应。在一些实施方案中，催化剂可形成金属硼化物或金属复合物。在其他实施方案中，一旦PCD放置在液体溶液中，催化剂就可与液体溶液的组分形成复合物。

使用图1或图5的方法，可执行从液体溶液回收催化剂的任选最终步骤。在大多数情况下，仅仅调整pH将足以致使催化剂从液体溶液沉淀为金属。可替代地，催化剂可沉淀为盐，然后进一步被处理以重新形成金属。这允许重新使用催化剂。此外，这避免诸如Co的有毒物质释放到环境中或者避免复杂的废物处理程序。在一些实施方案中，可使用本文公开的激光浸出方法来从使用的或损坏的PCD或衬底去除催化剂。

图6示出用于执行如本文所述的激光浸出的装置310。装置310包括具有聚焦透镜370的激光器140。激光器140用于浸出位于大桶320中的PCD 110。大桶320可包含液体溶液330，根据使用的激光浸出方法，所述液体溶液330可存在于利用激光器140的照射期间或之后。装置310还可任选地包括超声源340或另一个搅拌装置。PCD 110可位于X-Y平移平台360上。在一些实施方案中，X-Y平移平台360可以是可在激光照射期间移动切削机的测微计平移平台。在图6B示出的实施方案中，还呈现了旋转平台350。在其他实施方案中，PCD 110可在激光照射期间保持不动而相反激光器140可移动。在一些实施方案中，PCD和激光器都可移动。在这些实施方案中的任一个中，可自动控制PCD或激光器移动。例如，自动的平台控件380a和380b可分别控制X-Y平台360和旋转平台350。在一个实施方案中，X-Y平台360还可以是旋转的。

使用图6的装置，PCD 110利用来自超声源340的超声搅拌浸没在液体溶液330中。激光器140提供经过液体溶液330并且聚焦在PCD 100的所选区域上的光束。在图6A中，所选区域是PCD 110的工作面的一部分。在图6B中，所选区域是PCD 110的边侧的一部分。X-Y平移平台360和旋转平台350控制PCD 110的哪些区域暴露在激光束中。

用于执行图1或图5的方法的装置310或另一个装置还可包括控制系统，所述控制系统可包括被编程来促进激光浸出方法的处理器和存储器。控制系统可控制激光器或PCD或两者的移动。控制系统可控制激光照射的持续时间或强度。在一些实施方案中，控制系统可基于与期望的浸出深度相比的已浸出的PCD的一部分的深度来检测浸出深度并且控制激光器或PCD或两者的移动以及激光照射的持续时间或强度。

在另一个实施方案中，其实例在图7A和图7B中示出，可位于衬底390上的PCD 110包括基本上不含至少一种催化剂的浸出的区域400和基本上包含同一催化剂的未浸出的区域410两者。构建的浸出边界420位于这两个区域之间。构建的浸出边界420基本上是非平面的。如图7A和图7B中所示，构建的浸出边界420可由催化剂浓度中的急剧转变限定。例如，跨过边界的催化剂浓度可在10微米或更少、5微米或更少或者1微米或更少的距离上相差至少90％、至少80％、至少70％、至少60％或至少50％。在可替代的实施方案中，具体地在金刚石台的温度根据照射的位置而逐渐改变的那些实施方案中，催化剂浓度可经受跨过构建的浸出边界的扩散转变。例如，跨过边界的催化剂浓度可在5微米或更多、10微米或更多、20微米或更多或者50微米或更多的距离上相差不到10％或更少、20％或更少、30％或更少、或50％或更少。

因为通常更脆弱并且易于破裂的浸出区域400中的破裂在其到达未浸出区域410时可停止或减缓，构建的浸出边界420可停止或减少PCD 110中的破裂的蔓延。因此，包括构建的浸出边界420的PCD 110与具有平面浸出边界的类似PCD相比可具有改善的冲击强度或更长的使用寿命。

如本文所述的激光浸出方法可特别适于形成构建的浸出边界420，特别是具有催化剂浓度中的急剧转变的边界。

本文所述的过程可被反复应用于同一PCD，例如，以便顺序地去除另外的催化剂。此外，本文所述的过程可用于浸出PCD的一部分而不需要在浸出之前掩蔽。

可在土钻钻头上的元件(诸如切削机或耐磨接触元件)中使用本文所述的PCD激光浸出。

尽管上文仅仅具体地描述了本发明的示例性实施方案，但是应理解，在不背离本发明的精神和旨意范围的情况下，可以对这些实例做出修改和变化。