专利名称：多晶金刚石结构的制作方法
多晶金刚石结构背景本发明的实施方案涉及多晶金刚石(PCD)结构、包含其的元件、制造其的方法和包含其的工具，具体地但不是专有地用于岩石破裂(degradation)或钻削，或用于钻地。P⑶材料包括大量基本上共生的金刚石晶粒和位于金刚石晶粒之间的间隙。可以通过在烧结助剂如钴的存在下使大量聚集的金刚石晶粒承受超高压和超高温来制造PCD，烧结助剂能够促进金刚石晶粒的共生。烧结助剂也可以称为金刚石催化剂材料。残余的催化剂材料可完全或部分填充位于P⑶材料内的间隙。P⑶可以整体地形成在钴-烧结的碳化钨基体上并与之粘合，该基体可以为烧结PCD提供钴催化剂材料来源。如本文所用，术语“整体地形成”的区域或部分是彼此连续产生的且未被不同类型的材料分开。包含PCD材料 的工具插件广泛地用于石油和天然气钻探行业进行钻地的钻头中。尽管PCD材料是极其耐磨的，但对具有增强的耐断裂性的PCD工具插件存在需求。PCT专利申请公开号W0/2004/111284公开了一种复合材料，其包括多个P⑶的核和合适的粘结剂，所述PCD的核分散在包含等级不同于所述核的PCD材料的基材中。发明概述从第一方面来看，可提供一种P⑶结构，其包括处于残余压缩应力状态的第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域处于残余拉伸应力状态；所述第一区域和所述第二区域各由分别的PCD等级形成且通过金刚石晶粒的共生而彼此直接粘合；所述P⑶等级具有至少1，200MPa的横向断裂强度(TRS)。从第二方面来看，可提供一种PCD结构，其具有处于分别的残余压缩应力状态的至少两个压缩区域和处于残余拉伸应力状态的至少一个拉伸区域；所述拉伸区域设置于每个所述压缩区域之间并与每个所述压缩区域整体形成。所述压缩区域可包括至少第一和第三P⑶等级且所述拉伸区域可包括第二 P⑶等级，且至少所述第二 P⑶等级可具有至少约1，200MPa的横向断裂强度(TRS)。所述第二 P⑶等级可被选择为具有至少约1，600MPa或至少约I, 800MPa的TRS0从第三方面来看，可提供一种制造PCD结构的方法，所述方法包括提供包含具有第一平均尺寸的金刚石晶粒的多个第一聚集体、包含具有第二平均尺寸的金刚石晶粒的至少一个第二聚集体；以交替构造布置所述第一聚集体和第二聚集体以形成预烧结组件(pre-sinter assembly);以及在金刚石催化剂材料存在下在金刚石比石墨热力学更稳定的超高压和高温下处理所述预烧结组件，以将所述金刚石晶粒烧结在一起并形成整体PCD结构。可提供一种包括粘合于烧结碳化物支持体的P⑶结构的P⑶元件。还可提供包括PCD元件的工具。所述工具可以是用于钻地的钻头或钻头组件、或用于破裂或破坏硬质材料诸如浙青或岩石的截齿或砧。
现将参考附图描述P⑶结构的实例，附图中
图I所示为用于钻地的钻头的P⑶刀具元件实例的透视示意图。图2所示为P⑶结构一部分的一个实例的剖面示意图。图3所示为P⑶元件一个实例的长轴剖面示意图。图4所示为P⑶元件一个实例的长轴剖面示意图。图5所示为用于钻地的钻头一个实例的部分的透视示意图。图6A所示为用于FO元件的预烧结组件一个实例的长轴剖面示意图。图6B所示为P⑶元件一个实例的长轴剖面示意图。
图7A、图7B、图7C和图7D所示为P⑶结构实例的部分的剖面示意图。图8所示为P⑶元件一个实例的长轴部分剖面示意图。在所有附图中，相同的参考标记指的是相同的一般特征。
具体实施例方式如本文所用，多晶金刚石(PCD)是包含大量金刚石晶粒的超硬材料，多晶金刚石的主要部分是直接彼此交互结合的，其中金刚石的含量为该材料的至少约80% (体积百分比)。在PCD材料的一个实施方案中，金刚石晶粒间的间隙可以至少部分填充有包括金刚石催化剂的粘结剂材料。如本文所用，“间隙”或“间隙区域”是PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在PCD材料的实例中，间隙或间隙区域可以基本上或部分填充有除金刚石之外的材料，或者它们可以是基本上空的。PCD材料的实例可以包括至少一个区域，该区域中的催化剂材料已从间隙中移除，使金刚石晶粒之间留有间隙空位。如本文所用，金刚石催化剂材料是能够促进金刚石晶粒直接共生的材料。如本文所用，P⑶等级是以金刚石晶粒的体积含量和尺寸、金刚石晶粒之间间隙区域的体积含量和间隙区域中可能存在的材料的组成来表征的PCD材料。PCD材料的等级可由如下方法产生，该方法包括提供具有适合该等级的尺寸分布的金刚石晶粒的聚集体，任选地向聚集体引入催化剂材料或添加剂材料，并在金刚石催化剂材料来源存在下使聚集体承受金刚石比石墨热力学更稳定且催化剂材料熔化的压力和温度。在这些条件下，熔化的催化剂材料可从来源渗入聚集体，并可能促进烧结过程中的金刚石晶粒之间的直接共生，以形成PCD结构。聚集体可包括松散的金刚石晶粒或被粘结剂材料保持在一起的金刚石晶粒。不同PCD等级可具有不同微结构和不同力学特性，诸如弹性(或杨氏)模量E、弹性模量、横向断裂强度(TRS)、韧性(诸如所谓的K1C韧性)、硬度、密度和热膨胀系数(CTE)。不同PCD等级在应用中的表现也可能不同。例如，不同PCD等级的磨损率和耐断裂性可以是不同的。下表显示为P⑶等级I、II和III的三个P⑶等级实例的近似组成特征和特性。所有PCD等级均包括填充有包含钴金属的材料的间隙区域，钴金属是金刚石催化剂材料的实例。
权利要求
1.一种PCD结构，包括处于残余压缩应力状态的第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域处于残余拉伸应力状态；所述第一区域和所述第二区域各由分别的P⑶等级形成且通过金刚石晶粒的共生而彼此直接粘合；所述P⑶等级具有至少1，200MPa的横向断裂强度(TRS)。
2.根据权利要求I所述的PCD结构，其中所述第二区域的PCD等级具有比所述第一区域的PCD等级更高的热膨胀系数(CTE)。
3.根据权利要求I或2任一项所述的PCD结构，其中所述第二区域的PCD等级具有比所述第一区域的PCD等级更低的弹性模量。
4.根据权利要求I所述的PCD结构，还包括处于分别的残余压缩应力状态的第三区域，所述第二区域设置于所述第一区域和所述第三区域之间；所述第一区域、第二区域和第三区域各由分别的PCD等级形成且通过金刚石晶粒的共生而彼此直接粘合；所述PCD等级具有至少1，200MPa的横向断裂强度(TRS)。
5.根据权利要求4所述的P⑶结构，其中所述第二区域包括具有至少4X10_6mm/°C的CTE的P⑶等级。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的P⑶结构，其中所述区域具有至少10微米和至多500微米的厚度。
7.根据权利要求4-6任一项所述的PCD结构，其中所述第二区域的体积大于所述第一区域的体积和所述第三区域的体积。
8.根据前述权利要求任一项所述的PCD结构，其中所述区域贯穿所述PCD结构的工作面或侧面。
9.根据权利要求4-8任一项所述的PCD结构，其中包含于所述第一区域和第三区域中的PCD等级包括具有与包含于所述第二区域中的PCD等级的金刚石晶粒平均尺寸不同的金刚石晶粒。
10.根据权利要求4-9任一项所述的PCD结构，其中包含于所述第二区域中的PCD等级包括比包含于所述第三区域的PCD等级更高体积含量的金属。
11.根据前述权利要求任一项所述的PCD结构，包括从所述PCD结构的表面延伸至少50微米深度的热稳定区域；其中所述热稳定区域包括至多重量百分比为2%的金刚石催化剂材料。
12.根据前述权利要求任一项所述的PCD结构，其中所述区域为层的形式。
13.根据权利要求12所述的P⑶结构，包括包含第一等级P⑶材料的第一组的一层或多层和包含第二等级PCD材料的第二组的层；所述第一组的层与第二组的层以交替构造布置；且所述层通过金刚石晶粒的直接共生而彼此粘合以形成整体的层状PCD结构。
14.一种制造PCD结构的方法，所述方法包括提供包含具有第一平均尺寸的金刚石晶粒的多个第一聚集体、包含具有第二平均尺寸的金刚石晶粒的至少一个第二聚集体；以交替构造布置所述第一聚集体和第二聚集体以形成预烧结组件；以及在金刚石催化剂材料存在下在金刚石比石墨热力学更稳定的超高压和高温下处理所述预烧结组件以将所述金刚 石晶粒烧结在一起并形成整体P⑶结构。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述聚集体包含被粘结剂材料保持在一起的金刚石晶粒。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述第一平均尺寸的范围为0.I微米-15微米，且所述第二平均尺寸的范围为10微米-40微米。
17.—种PCD元件，其用于钻地的旋转式剪削钻头、用于冲击钻头或用于采矿截齿或浙青破裂截齿，包括粘合于烧结碳化物支持体的如权利要求1-13任一项所述的PCD结构。
18.一种用于钻地的钻头或钻头组件，包括如权利要求17所述的PCD元件。
全文摘要
一种PCD结构，包括处于残余压缩应力状态的第一区域和与所述第一区域相邻、处于残余拉伸应力状态的第二区域；所述第一区域和所述第二区域各由分别的PCD等级形成且通过金刚石晶粒的共生而彼此直接粘合，所述PCD等级具有至少1,200MPa的横向断裂强度(TRS)。还可提供处于残余压缩应力状态的第三区域，以使所述第二区域设置于所述第一区域和所述第三区域之间且通过金刚石晶粒的共生而与第一区域和第三区域粘合。
文档编号B22F7/06GK102753286SQ201080057137
公开日2012年10月24日 申请日期2010年12月7日 优先权日2009年12月7日
发明者克林特·盖·斯摩曼, 莫萨·马哈默德·阿达, 莱·洪·赖桑 申请人:第六元素公司, 第六元素研磨剂股份有限公司