本公开内容大体涉及由超硬磨料制成的刀具，并且更特别地涉及由具有用于提高的耐磨性的非催化材料添加物的多晶金刚石制成的刀具，以及其制造方法。
背景技术：
：多晶金刚石(“PCD”)压坯用于各种机械应用中，例如用于材料去除操作中，用作轴承面，以及用于拉丝操作中。PCD压坯通常用于石油工业中以去除井下钻探中的材料。PCD压坯形成为切削元件，大量切削元件附接到钻头，例如，牙轮钻头和固定刀具钻头。PCD刀具通常包含超级磨料金刚石层，被称为多晶金刚石主体，多晶金刚石主体附接到基材。多晶金刚石主体可以在高压高温(HPHT)工艺中形成，其中金刚石晶粒保持在使金刚石颗粒彼此结合的压力和温度下。如通常所知的，在存在催化剂材料的情况下将金刚石颗粒引入HPHT工艺，当经受HPHT工艺的条件时，所述催化剂材料促进金刚石间结合的形成。所述催化剂材料可以包埋在支撑基材中，例如具有钴的烧结碳化钨基材中。催化剂材料可以从支撑基材渗入金刚石颗粒。在HPHT工艺之后，金刚石颗粒可以烧结至彼此并附接到支撑基材。尽管催化剂材料在HPHT工艺期间促进金刚石间结合的形成，但是在HPHT工艺完成后，在烧结金刚石主体中存在的催化剂材料可降低多晶金刚石主体在高温下的稳定性。一些金刚石晶粒在高温下可经历逆向转化成为较软的非金刚石形式的碳(例如，石墨或无定形碳)。此外，热膨胀系数的不匹配可在金刚石晶格中诱导应力，从而在金刚石主体中引起微裂纹。金刚石的逆向转化和由热膨胀系数不匹配诱导的应力可加速PCD刀具在操作期间的韧性、耐磨性和/或热稳定性的降低。因此，期望呈现增加的韧性、耐磨性和/或热稳定性的多晶金刚石刀具。技术实现要素：在一个实施方式中，多晶金刚石压坯包含具有工作表面、界面表面和周边表面的多晶金刚石主体。所述多晶金刚石压坯还包含沿着所述界面表面结合到所述多晶金刚石主体的基材。所述多晶金刚石主体的非金刚石体积分数在所述界面表面处大于在所述工作表面处。在另一实施方式中，多晶金刚石压坯包含具有工作表面、界面表面和周边表面的多晶金刚石主体。所述多晶金刚石压坯还包含沿着所述界面表面结合到所述多晶金刚石主体的基材。所述多晶金刚石主体呈现一定浓度的非催化材料，所述浓度在所述工作表面处低于在所述界面表面处。在又一实施方式中，制造多晶金刚石压坯的方法包括：组装形成单元组件，所述形成单元组件具有定位于杯内的金刚石颗粒，具有催化材料的第一基材，所述第一基材定位成靠近所述金刚石颗粒，和围绕所述杯和所述第一基材的压力传递介质。所述方法还包括使所述形成单元组件及其内容物经受第一高压高温工艺以烧结所述金刚石颗粒形成金刚石间结合，并且以形成包含结合到所述第一基材的多晶金刚石主体的多晶金刚石复合材料，其中所述多晶金刚石复合材料包含定位成靠近所述第一基材的中间级界面表面和定位成远离所述第一基材的中间级工作表面。所述方法还包括从所述多晶金刚石主体去除基本上所有的所述第一支撑基材，从所述多晶金刚石主体中浸出至少一部分的可及催化材料，定位所述多晶金刚石主体使得所述中间级工作表面定位成靠近第二基材，并且使所述多晶金刚石主体和所述第二基材经受第二高压高温工艺以使所述多晶金刚石主体沿着界面表面结合到所述第二基材。附图说明当结合附图阅读时，将更好地理解前述
发明内容以及以下详细描述的实施方式。应该理解，所描述的实施方式不限于示出的具体布置和手段。图1是根据本文示出或描述的一个或多个实施方式的PCD刀具的示意性侧视横截面图；图2是在位置A处示出的图1A的PCD刀具的详细示意性侧视横截面图；图3是描述根据本文示出或描述的一个或多个实施方式的PCD刀具的制造方法的示意性流程图；图4是具有多个根据本文示出或描述的一个或多个实施方式的PCD刀具的钻头的示意性透视图；图5是比较根据本文示出或描述的一个或多个实施方式的PCD刀具的磨损的数据图；图6是比较根据本文示出或描述的一个或多个实施方式的PCD刀具的磨损的数据图；和图7是比较根据本文示出或描述的一个或多个实施方式的刀具在浸出过程中的重量损失的数据图。具体实施方式本公开内容涉及多晶金刚石刀具及引入其的钻头。所述多晶金刚石刀具包含支撑基材和与附接到所述支撑基材的多晶金刚石主体。所述多晶金刚石主体包含呈现金刚石间结合的多个金刚石晶粒。所述金刚石晶粒限定了各个晶粒之间的多个间隙区域。金刚石晶粒之间的间隙区域可包含在多晶金刚石主体制造期间引入或形成的材料，包括在整个多晶金刚石主体中分布的非催化材料。非催化材料以可检测量，例如以可通过X射线荧光技术检测的量，存在于整个多晶金刚石主体中。多晶金刚石刀具可以附接到用于井下钻探应用的旋转钻头上。下面将更详细地描述引入了非催化材料的多晶金刚石刀具和引入了所述刀具的旋转钻头。应该理解，本公开内容不限于所描述的具体方法、体系和材料，因为这些可以改变。还应该理解的是，本说明书中使用的术语仅用于描述具体文本或实施方式，并不意欲限制范围。例如，除非上下文另有明确指示，否则如本文所用的单数形式“一个”、“一种”、“该”和“所述”包括复数所指物。另外，如本文所用的词语“包含”旨在表示“包括但不限于”。除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的所有表示成分数量、特性如尺寸、重量、反应条件等的数字应理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，否则在下面的说明书和权利要求中所述的数值参数是近似值，其可以根据最终用户试图获得的期望性质而改变。至少，而不是试图限制等同原则对权利要求范围的应用，每个数值参数应该至少根据所报告的有效数字的数目并通过应用普通舍入技术来解释。如本文所用，术语“约”是指使用其的数字的数值的±10％。因此，“约40”是指在36-44的范围。如本文所用，术语“非催化材料”是指引入到多晶金刚石主体并且在形成金刚石和金刚石间晶粒结合时对碳无催化作用的添加剂。非催化材料不包含可从支撑基材引入到多晶金刚石主体的硬质相材料或者在HPHT工艺期间在多晶金刚石主体中形成的反应产物。多晶金刚石压坯(或如下文中使用的“PCD压坯”)可代表大量的具有填充颗粒间空间的包埋异物的结晶金刚石晶粒。在一个实例中，PCD压坯包含多个结晶金刚石晶粒，所述金刚石晶粒通过强的金刚石间结合而彼此结合并形成刚性多晶金刚石主体；和分布在结合晶粒之间并填充有非金刚石材料(例如，催化材料如钴或其合金)的颗粒间区域，所述非金刚石材料用于在PCD压坯制造期间促进金刚石结合。合适的金属溶剂催化剂可包含周期表第VIII族中的金属。PCD切削元件(或如下文中使用的“PCD刀具”)包含附接到合适的支撑基材(例如，烧结碳化钨-钴(WC-Co))的上述多晶金刚石主体。多晶金刚石主体与基材之间的附接可以通过催化剂例如钴金属的存在来实现。在另一实施方式中，可以通过钎焊将多晶金刚石主体附接到支撑基材上。在另一实施方式中，PCD压坯包含多个结晶金刚石晶粒，所述结晶金刚石晶粒通过硬质无定形碳材料例如a-C或t-C碳彼此强烈结合。在另一实施方式中，PCD压坯包含多个彼此不结合而是通过诸如硼化物、氮化物或碳化物(例如SiC)的外来结合材料结合在一起的结晶金刚石晶粒。如上文所讨论的，常规的PCD刀具用于各种工业和应用中的材料去除操作中。PCD刀具通常用于有色金属去除操作中和石油工业中的井下钻探操作中。由于构成PCD刀具的多晶金刚石主体的金刚石晶粒的颗粒间金刚石间结合，常规的PCD刀具表现出高的韧性、强度和耐磨性。催化材料在HPHT工艺期间促进了多晶金刚石主体的金刚石晶粒的金刚石间结合。然而，在高温下，在HPHT工艺后在多晶金刚石主体中仍然存在的催化材料及其副产物可加快金刚石向非金刚石碳形式的逆向转化，并且由于材料的热膨胀系数不匹配而可在金刚石晶格中诱导应力。通常已知除去或消耗部分催化材料以改善金刚石主体的热稳定性。最常见的除去催化材料的方法是将PCD压坯引入到浸出介质(例如酸性水溶液)的浸出工艺。所述浸出介质可选自已知的可溶解所述催化材料的各种常规已知的组合物。通过从所述PCD压坯中溶解并除去催化材料的至少一部分，由于多晶金刚石主体中的金刚石向非金刚石碳形式的逆向转化的减少和具有不匹配的热膨胀系数的材料的减少，PCD压坯的耐磨性提高。但是，一部分催化材料可能仍留在已经经受浸出工艺的PCD压坯的金刚石主体中。金刚石晶粒之间的间隙区域可形成浸出介质具有有限可及性或无可及性的“截留”或“夹带”体积。因此，这些截留体积仍填充有PCD形成工艺的成分。包含催化材料的截留体积加快PCD刀具在使用PCD刀具去除材料期间产生的高温下的耐磨性下降。因此，截留催化材料的减少可以提高PCD压坯刀具的耐磨性。本公开内容涉及多晶金刚石刀具，其引入了分布在整个多晶金刚石主体中的非催化材料。所述非催化材料可选自多种材料，包括金属、金属合金、准金属、半导体及其组合。在具体的实例中，所述非催化材料可以是铅或铋。可以在HPHT工艺之前或同时将所述非催化材料引入到金刚石颗粒中。非催化材料可以均匀或不均匀地以及通过形成分布图案而分布在整个多晶金刚石主体中。非催化材料可以降低HPHT工艺后多晶金刚石主体中存在的催化材料的量。此外，非催化材料可以降低在其中非催化材料和催化材料都从多晶金刚石主体的部分或从整个多晶金刚石主体被除去的催化剂消耗或浸出工艺之后存在于多晶金刚石主体中的催化材料的量。此外，所述非催化材料可以提高催化剂材料从多晶金刚石主体的去除率(或“浸出率”)。由于多晶金刚石主体中催化材料的减少，根据本公开内容的多晶金刚石刀具在韧性、强度和耐磨性中的至少一个方面呈现超过常规PCD刀具的性能。现在参照图1和图2，描述了PCD刀具100。PCD刀具100包含支撑基材110和附接到支撑基材110的多晶金刚石主体120。多晶金刚石主体120包含彼此结合(包括通过金刚石间结合而彼此结合)的多个金刚石晶粒122。结合的金刚石晶粒122形成沿着多晶金刚石主体120延伸的金刚石晶格。金刚石主体120还包含在金刚石晶粒之间的多个间隙区域124。间隙区域124代表金刚石晶粒之间的空间。在至少一些间隙区域124中，存在非碳材料。在一些间隙区域124中，存在非催化材料。在其它间隙区域124中，存在催化材料。在又其它间隙区域124中，存在非催化材料和催化材料。在又其它间隙区域124中，存在催化材料、非催化材料、支撑基材110(例如烧结碳化钨)的除去材料和HPHT工艺的反应副产物中的至少一种。非碳材料、非催化材料或催化材料可以结合到金刚石晶粒122。可选地，非碳材料、非催化材料或催化材料可以不结合到金刚石晶粒122。所述催化材料可以是金属催化剂，包括选自周期表第VIII族的金属催化剂，例如钴、镍、铁或其合金。催化材料在支撑基材110中可以比在多晶金刚石主体120中更大的浓度存在，并且在HPHT工艺中可以促进支撑基材110与多晶金刚石主体120的附接，如将在下面所讨论的。多晶金刚石主体120可包含富含催化剂材料的附接区域128，其促进多晶金刚石主体120与支撑基材110之间的结合。在其它实施方式中，催化材料在多晶金刚石主体120中的浓度可大于在支撑基材110中的浓度。在又其它实施方式中，催化材料可以不同于支撑基材110的催化剂。催化材料可以是金属催化剂反应副产物，例如催化剂碳、催化剂钨、催化剂铬或其它催化剂化合物，其对金刚石的催化活性也可低于金属催化剂。所述非催化材料可以选自多种对碳-金刚石转化无催化作用的材料，并且包括例如金属、金属合金、准金属、半导体及其组合。非催化材料可选自铜、银、金、铝、硅、镓、铅、锡、铋、铟、铊、碲、锑、钋及其合金中的一种。非催化材料和催化材料都可在PCD刀具的多晶金刚石主体中以可检测的量存在。这些材料的存在可以通过X射线荧光鉴定，例如使用可从美国威斯康星州麦迪逊(Madison,Wisconsin,USA)的BrukerAXS公司获得的XRF分析仪。这些材料的存在也可以使用X射线衍射、能量色散光谱或其它合适的技术来鉴定。非催化材料可以在第一HPHT工艺之前以金刚石主体120的约0.1体积％至约5体积％范围内的量，例如金刚石主体120的约0.2体积％至约2体积％范围内的量引入到非结合的金刚石颗粒中。在一个示例性实施方式中，非催化材料可以以约0.33体积％至约1体积％的量引入到非结合的金刚石中。在第一HPHT工艺和浸出之后，非催化材料含量减少至少约50％，包括在约50％至约80％的范围内减少。在第一HPHT工艺中，可以将催化材料引入到金刚石粉末中。催化材料可以以金刚石主体120的约0.1体积％至约30体积％范围内的量，例如在金刚石主体120的约0.3体积％至约10体积％范围内的量，包括金刚石主体120的约5体积％的量存在。在一个示例性实施方式中，催化材料可以以约4.5体积％至约6体积％的量引入到非结合的金刚石中。在第一HPHT工艺和浸出之后，催化材料减少至少约50％，包括在约50％至约90％的范围内减少。非催化材料和催化材料可以不均匀地分布在多晶金刚石刀具100的本体中，使得非催化材料和催化材料的各自浓度在多晶金刚石主体120内的不同位置处变化。在一个实施方式中，非催化材料可以布置成具有沿着多晶金刚石刀具100的纵向轴线102评价的浓度梯度。非催化材料在远离基材110的评价位置处的浓度可高于在靠近基材110的评价位置处的浓度。相反，催化材料在靠近基材110的评价位置处的浓度可大于在远离基材110的评价位置处的浓度。在又另一实施方式中，非催化材料和催化材料的浓度当在多晶金刚石刀具100的纵向轴线192上评价时可经历步进变化。在又另一实施方式中，非催化材料和催化材料的浓度可呈现多种模式或配置。然而，与多晶金刚石主体120中的非催化材料和催化材料的浓度无关，非催化材料和催化材料都可沿着相对于基材110靠近和远离定位的表面被检测到。在另一实施方式中，多晶金刚石主体120可以在靠近基材110的位置处呈现相对高的量的催化材料，并且在此处催化材料在多晶金刚石主体120与基材110之间形成结合。在一些实施方式中，在这个附接区外部的位置处，非催化材料和催化材料保持上述浓度变化。在一个实施方式中，多晶金刚石刀具100可以在两个HPHT工艺中制造。第一HPHT工艺可烧结先前非结合的金刚石晶粒122以形成附接到第一基材的多晶金刚石主体120。多晶金刚石主体120可包含定位为靠近第一基材的中间界面表面和定位为远离第一基材的中间工作表面。多晶金刚石主体120可从第一基材分离并重新组装到第二基材。多晶金刚石主体120可以相比于第一基材颠倒其相对于第二基材110的取向。在这样的构造中，多晶金刚石主体120的中间工作表面定位成靠近第二基材110，而多晶金刚石主体120的中间界面表面定位成远离第二基材110。加工PCD刀具100的组件，使得在PCD刀具100的微结构中可呈现多晶金刚石主体120与第一基材相比相对于第二基材110颠倒。“除去”催化剂材料通过非结合金刚石晶粒122的方向，可局部地改变多晶金刚石主体120的性质，使得多晶金刚石主体120的性质不均匀。可呈现这些局部变化的多晶金刚石主体120的这种性质可包括例如多晶金刚石主体120的金刚石密度、相互结合的金刚石晶粒122之间的间隙区域的体积、从第一基材除去的硬质金属进入多晶金刚石主体120中的浓度、沿着多晶金刚石主体120除去的非催化材料的浓度、和从第一基材除去的催化金属进入多晶金刚石主体120中的浓度。不受理论的束缚，据信这些性质可由于多种因素而示出局部变化，所述因素包括催化剂金属和非催化剂材料的比较熔融温度、溶解在催化剂金属中的硬质金属和碳的浓度、以及HPHT工艺的温度、压力和时间条件等。在一个实施方式中，多晶金刚石主体120的金刚石密度可在中间界面表面处大于在中间工作表面处。在另一实施方式中，相互结合的金刚石晶粒122之间的间隙区域的体积可在中间界面表面处低于在中间工作表面处。在另一实施方式中，非催化剂材料的浓度可在中间界面表面处低于在中间工作表面处。在另一实施方式中，在浸出之前的时间和浸出之后的时间评价的催化剂金属的浓度可在中间界面表面处大于在中间工作表面处。在另一实施方式中，从第一基材除去的硬质金属的浓度可在中间界面表面处大于在中间工作表面处。由于多晶金刚石主体120的性质的局部变化，多晶金刚石主体120可呈现不同的机械性能，其可示出成品PCD刀具100的耐磨性和/或韧性的变化。另外，多晶金刚石主体120可呈现在浸出操作中催化剂材料去除率的变化。此外，因为多晶金刚石主体120经受后续HPHT工艺，所以第二基材110与多晶金刚石主体120之间的结合强度可以基于多晶金刚石主体120相对于第二基材110的取向而改变，这是由于多晶金刚石主体120的局部区域之间的微结构变化导致的。在一些实施方式中，多晶金刚石主体120包含相互结合的金刚石晶粒122之间的空隙。所述空隙可由在HPHT烧结工艺中形成的间隙区域124而形成。在一些实施方式中，所述空隙可基本上不含非金刚石材料。在其它实施方式中，所述空隙可包含各种材料，包括例如但不限于非催化剂材料、催化剂材料、来自第一基材和/或第二基材的硬质金属、渗入材料或其组合。在一个实施方式中，在界面表面处的空隙相比于在工作表面处的空隙具有更大的体积。在具有大致均匀粒度分布的金刚石晶粒122的多晶金刚石主体120中可呈现这种空隙体积的构造。因此，空隙体积可以是HPHT烧结工艺动力学的结果。在其它实施方式中，多晶金刚石主体120包含在相互结合的金刚石晶粒之间的空隙，其中界面表面呈现比工作表面更大量的空隙。在沿界面表面相比于工作表面呈现更大的空隙体积或者沿界面表面相比于工作表面呈现更大量的空隙的实施方式中，多晶金刚石主体120的非金刚石体积分数可在界面表面处大于在工作表面处。当在耐磨性和/或韧性方面进行评价时，根据本公开内容的PCD刀具100与常规制造的PCD刀具相比可以呈现改进的性能。当经受高温条件时，根据本公开内容的PCD刀具100的性能可以特别地呈现改进的性能。当PCD刀具100用于侵蚀性材料去除操作，例如石油工业中的侵蚀性井下钻探操作时，可发生这种情况。可以在实验室测试中定量PCD刀具100在耐磨性方面的性能，例如使用模拟切削操作进行，其中PCD刀具100被用于加工重现最终用户应用的类似材料。在用于重现井下钻探应用的一个实例中，PCD刀具100被保持在垂直转塔车床(“VTL”)中以加工花岗岩。VTL测试的参数可以改变以重现所需的测试条件。在一个实例中，经受VTL测试的刀具是水冷的。在一个实例中，PCD刀具100被定位成以约0.17mm/转的横向进给速率和122表面米/分钟的刀具速度保持约0.017mm/走刀的切削深度。VTL测试沿着PCD刀具100与花岗岩之间的接触位置在PCD刀具100中引入磨痕。将磨痕大小与从花岗岩去除的材料进行比较以评价PCD刀具100的耐磨性。可以基于从花岗岩去除的材料与磨穿多晶金刚石主体120进入支撑基材110的磨痕尺寸相比较来计算PCD刀具100的寿命。在另一个实例中，PCD刀具100经受间断式铣削测试，其中PCD刀具100周期性地从工件上去除材料并且然后与工件脱离接触。间断式铣削测试可以评价PCD刀具100的耐热性。在一些实施方式中，与常规制造的PCD刀具相比，根据本公开内容的PCD刀具100呈现增加的耐磨性。在一些实施方式中，根据本公开内容的PCD刀具100可以呈现出在从花岗岩去除的等量材料下与常规制造的PCD刀具相比少至少约30％的磨损，包括呈现比常规刀具少约78％的磨损，包括呈现比常规刀具少约90％的磨损。在一些实施方式中，与常规的PCD刀具相比，根据本公开内容的PCD刀具100可以呈现如在PCD刀具寿命结束时所评价从工件上去除的材料多至少约30％。与常规加工的刀具相比，根据本公开内容的PCD刀具100在结合金刚石晶粒之间的截留间隙区域中呈现较低浓度的催化材料。如上文所讨论，定位在截留间隙区域内的催化材料可促进金刚石晶粒向非金刚石形式的碳的逆向转化。PCD刀具100的多晶金刚石主体120逆向转化为非金刚石形式的碳的倾向可与PCD刀具100的高温耐磨性相关。减少多晶金刚石主体120的金刚石晶粒之间的截留间隙区域内的催化材料的量可降低PCD刀具100的逆向转化率。此外，减少多晶金刚石主体120的金刚石晶粒之间的截留间隙区域内的催化材料的量可降低由金刚石晶粒和催化材料的热膨胀系数的不匹配所引起的在金刚石晶格中诱导的应力。因此，与常规制造的PCD刀具相比，由于将非催化材料引入到多晶金刚石主体120而导致的金刚石晶粒之间的截留间隙区域内的催化材料的减少改善了PCD刀具100的性能。仍然参照图1，PCD刀具100的一些实施方式包含冠部402，其位于多晶金刚石主体120内并且沿着与基材110相反的表面。冠部402由与多晶金刚石主体120和支撑基材110的材料不同的材料制成。冠部402可以从PCD刀具100的顶表面延伸到金刚石主体120中。冠部402可以延伸到距支撑基材110小于约1mm的深度，包括距支撑基材110约300μm。在第二HPHT工艺期间，冠部402可以限制催化材料94从第二支撑基材110渗入多晶金刚石主体120的深度。冠部402可以提供PCD刀具100的局部改变的材料性质。在一个实施方式中，除了结合的金刚石晶粒以及可检测量的非催化材料和催化材料之外，冠部402还可包含选自铝、碳化铝、硅和碳化硅的材料。在一些实施方式中，多晶金刚石主体120在附接区域128外部可不含这些材料。根据本公开内容的PDC刀具可以使用所谓的“双压”HPHT工艺来制造。金刚石颗粒可以首先经受第一HPHT工艺以形成具有通过用催化材料源烧结形成的多晶金刚石主体的多晶金刚石压坯。在一个实施方式中，催化材料源与支撑基材(第一支撑基材)整体提供。基本上所有的支撑基材都从多晶金刚石主体去除，多晶金刚石主体被加工成所需的形状，并且多晶金刚石主体经过浸出以从多晶金刚石主体的间隙空间去除基本上所有可及的非催化材料和催化材料。随后清除经浸出的多晶金刚石主体的浸出碎屑并在第二HPHT工艺中结合到支撑基材，从而形成PCD压坯。随后根据常规已知的程序完成该PCD压坯，以达到最终用户应用所需的最终形状。现在参照图3，提供了描述制造程序200的流程图。在步骤202中，将金刚石颗粒90与非催化材料92混合。金刚石颗粒90的尺寸可以根据最终制造的多晶金刚石刀具的所需机械性能来选择。通常认为，晶粒尺寸的降低会增大多晶金刚石刀具的耐磨性，但是会降低多晶金刚石刀具的韧性。此外，通常认为晶粒尺寸的降低会导致PCD压坯的间隙体积的增加。孔隙代表多晶金刚石主体的总可及间隙空间。在一个实施方式中，金刚石颗粒90可具有约10μm至约100μm范围内的单模中值体积粒度分布(D50)，例如具有约14μm至约50μm范围内的D50，例如具有约30μm至约32μm的D50。在其它实施方式中，金刚石颗粒90可具有约14μm、或约17μm、或约30μm、或约32μm的D50。在其它实施方式中，金刚石颗粒90可具有多峰粒度，其中金刚石颗粒90选自具有不同D50值的两个或更多个单模群体，包括具有两个、三个或四个不同D50值的多峰分布。非催化材料92可以以粉末形式引入步骤202。在其它实施方式中，可以将非催化材料92涂覆在未结合的金刚石颗粒上。非催化材料的粒度可以在约0.005μm至约100μm的范围内，例如在约10μm至约50μm的范围内。金刚石颗粒90和非催化材料92可以使用例如可从新泽西州克里夫顿市(Clifton,NJ)的GlenMills公司获得的商业TURBULA(R)振荡器-混合器或者可从蒙大拿州巴特市(Butte,MT)的ResodynAcousticMixers公司获得的声学混合器彼此干混以提供大致均匀和充分混合的组合。在其它实施方式中，混合颗粒可以放置在袋子或容器内并在共混过程中保持在真空下或保护气氛中。在其它实施方式中，可以将金刚石颗粒90和非催化材料92添加到合适的溶剂(例如聚乙二醇)中以形成浆料。浆料可以连续混合以提供非催化材料92相对于金刚石颗粒90的均匀分布。溶剂可以例如通过喷雾干燥或者在减压下在旋转蒸发器中蒸发而从金刚石颗粒90和非催化材料92中驱出。在一些实施方式中，干燥的浆料产生金刚石颗粒90和非催化材料92的充分混合的干粉，其是自由流动的。在其它实施方式中，非催化材料92可以与金刚石颗粒90分开地定位。在第一HPHT工艺期间，非催化材料92可以从其原始位置“除去”并通过金刚石颗粒90，从而在金刚石颗粒90烧结之前定位非催化材料92。在除去非催化材料92之后，可以在第一HPHT工艺期间通过金刚石颗粒90除去催化材料94，由此促进金刚石颗粒90之间的金刚石间结合的形成和金刚石颗粒90的烧结以形成多晶金刚石压坯80的多晶金刚石主体120。如步骤204所示，金刚石颗粒90和非催化材料92可定位在由耐火材料例如钽、铌、钒、钼、钨或锆制成的杯142内。支撑基材144沿着杯142的开口端定位并且任选地焊接到杯142以形成包围金刚石颗粒90和非催化材料92的单元组件140。支撑基材144可以选自各种硬质相材料，包括例如烧结碳化钨、烧结碳化钽或烧结碳化钛。在一个实施方式中，支撑基材144可以包含具有游离碳的烧结碳化钨，如美国临时申请第62/055,673、62/055,677和62/055,679号中所述的，所述临时申请的全部公开内容通过引用并入本文。支撑基材144可包含预定量的催化材料94。使用烧结碳化钨-钴体系作为示例，钴是在HPHT工艺期间渗入金刚石颗粒90中的催化材料94。在其它实施方式中，单元组件140可包含定位于支撑基材144与金刚石颗粒90之间的另外的催化材料(未示出)。在进一步的其它实施方式中，单元组件140可包含定位于金刚石颗粒90与支撑基材144之间或者金刚石颗粒90与另外催化材料(未示出)之间的非催化材料92。在HPHT工艺中将包含金刚石颗粒90、非催化材料92和支撑基材144的单元组件140引入到能够并适于将超高压和高温引入单元组件140的压机，如步骤208所示。压机类型可以是带式压机、六面顶压机或其它合适的压机。引入到单元组件140的HPHT工艺的压力和温度被传递到单元组件140的内容物。具体地，HPHT工艺向金刚石颗粒90引入压力和温度条件，此时金刚石是稳定的并且形成金刚石间结合。HPHT工艺的温度可以是至少约1000℃(例如，约1200℃至约1800℃，或约1300℃至约1600℃)，并且HPHT工艺的压力可以是至少4.0GPa(例如，约5.0GPa至约10.0GPa，或约5.0GPa至约8.0GPa)，持续时间足以使相邻的金刚石颗粒90彼此结合，由此形成具有彼此结合的多晶金刚石主体120和支撑基材144的整体PCD压坯。在形成整体PCD之后，多晶金刚石主体120可以使用各种常规已知技术(包括化学溶解和加工技术，诸如研磨、放电加工或激光烧蚀)与支撑基材144分离，如步骤210所示。多晶金刚石主体120可以与支撑基材144的大部分分开，其中支撑基材144的一部分与多晶金刚石主体120仍为一体。在支撑基材144去除之后，多晶金刚石主体120被加工成所需形状以供后续处理。多晶金刚石主体120可以成形为圆柱形盘，其中形成多晶金刚石主体120的大致平坦的表面和大致圆柱形的主体。在第一HPHT工艺之前将非催化材料92引入到多晶金刚石主体120中可导致多晶金刚石主体120中存在的催化材料94在HPHT工艺之后且在任何后续浸出工艺起始之前减少。与未引入非催化材料92的情况下制造的常规刀具相比，根据本公开内容制造的未经浸出的金刚石主体120在浸出之前评价时可含有例如少约10％的催化材料94。多晶金刚石主体120可以经历从多晶金刚石主体120去除催化材料的浸出工艺。在浸出工艺的一个实例中，将多晶金刚石主体120引入酸浴以从多晶金刚石主体120除去剩余的支撑基材144，如步骤212所示。浸出工艺也可以从酸可及的多晶金刚石主体120中除去非催化材料92和催化材料94。可以基于存在于多晶金刚石主体中的非催化材料92和催化材料94的溶解度来选择合适的酸。这些酸的实例包括例如但不限于氯化铁、氯化铜、硝酸、盐酸、氢氟酸、王水、或其溶液或混合物。酸浴可保持在预选温度以改变非催化材料92和催化材料94从多晶金刚石主体120的去除率，包括在约10℃至约95℃的温度范围内进行。在一些实施方式中，酸浴可保持在增加液体沸腾温度的升高压力下，并因此使得能够使用高温，例如在大于约110℃的温度下进行。多晶金刚石主体120可经受足够的时间的浸出工艺以从多晶金刚石主体去除所需量的非催化材料92和催化材料94。多晶金刚石主体120可经受浸出工艺，持续时间范围为约一小时至约一个月，包括约一天至约7天的范围。在一些实施方式中，多晶金刚石主体120可以保持在浸出工艺中，直到多晶金刚石主体120至少部分地浸出。在部分浸出的多晶金刚石主体120中，多晶金刚石主体120沿着多晶金刚石主体120的外表面定位的外部区域具有不含非催化材料92和/或催化材料94的可及间隙区域，而多晶金刚石主体120的内部区域富含非催化材料92和/或催化材料94。在其它实施方式中，多晶金刚石主体120可以保持在酸浴中直到实现多晶金刚石主体120的完全浸出。多晶金刚石主体120的完全浸出可定义为从多晶金刚石主体120除去浸出介质可及的所有非催化材料92和催化材料94。在一些实施方式中，浸出程度可以通过在预定的时间段之后对多晶金刚石主体120称重来监测。当多晶金刚石主体120的重量损失的变化接近阈值(例如，未经浸出的多晶金刚石主体120的10％损失)时，可认为多晶金刚石主体120完全浸出。因为多晶金刚石主体120在没有支撑基材144的情况下被浸出，所以浸出前沿可以从多晶金刚石主体120的相反侧延伸并且从多晶金刚石主体120的周边表面延伸。当来自多晶金刚石主体120的相反侧的浸出前沿相遇时，可以认为多晶金刚石主体120完全浸出。在一些实施方式中，可以通过金刚石主体的密度损失来监测浸出程度。尽管一些金刚石主体120可以至少部分地浸出，但是下面参考完全浸出的多晶金刚石主体120来讨论将非催化材料92添加到多晶金刚石主体120的效果。在一些实施方式中，未经浸出的多晶金刚石主体可具有大于多晶金刚石主体120的约4体积％的非催化材料92和催化材料94，包括约4体积％至约15体积％。相比之下，完全浸出的多晶金刚石主体120可具有比未经浸出的多晶金刚石主体120少约小于50％的非催化材料92和催化材料94，例如比多晶金刚石主体120少约42体积％。完全浸出的多晶金刚石主体120可具有约0.25体积％至约6体积％，例如约0.2体积％至约1体积％的非催化材料92和催化材料94。一般而言，非催化材料和催化材料在完全浸出的多晶金刚石主体120中的损失程度由材料结构和组成决定，例如由前体金刚石晶粒尺寸和粒度分布决定。如上文所讨论，将非催化材料引入多晶金刚石主体120降低了浸出之前多晶金刚石主体120中的催化材料94的浓度。将非催化材料92引入到多晶金刚石主体120中也降低了在多晶金刚石主体120完全浸出之后仍存在于多晶金刚石主体120的截留间隙体积中的催化材料94的浓度。在两种所比较的金刚石主体完全浸出后，与在未引入非催化材料92的情况下制造的常规刀具相比，根据本公开内容制造的金刚石主体120含有少约30体积％至约90体积％的催化材料94。将非催化材料92引入到多晶金刚石主体120中还可以增加多晶金刚石主体120的浸出速率，使得获得多晶金刚石主体120的完全浸出所需的持续时间相比于常规制造的金刚石主体有所减少。例如，相比于在不引入非催化材料92的情况下制造的常规刀具，根据本公开内容的具有非催化材料92的多晶金刚石主体120的完全浸出可以少约30％至约60％的时间获得。在一个实例中，当在引入到浸入工艺7天后评价时，根据本公开内容制造的多晶金刚石主体120相比于常规PCD压坯呈现多约40％至约70％的质量损失。在多晶金刚石主体120完全浸出之后，多晶金刚石主体120仍呈现存在于多晶金刚石主体120的截留间隙区域中的非金刚石组分，所述非金刚石组分以至少可检测的量位于结合的金刚石晶粒之间。然而，在浸出工艺可及的间隙区域中非金刚石组分(包括催化材料94)的减少降低了多晶金刚石主体120中的催化材料94的含量，并且提高了多晶金刚石主体120的热稳定性。再参照图3，将完全浸出的多晶金刚石主体120组装到第二单元中，其中多晶金刚石主体120附接到支撑基材110(第二支撑基材110)和任选的冠前体材料400，如步骤214所示。与多晶金刚石主体120相对于第一HPHT工艺中使用的第一基材的取向相比，经浸出的多晶金刚石主体120相对于第二支撑基材110以颠倒取向定位。多晶金刚石主体120定位成靠近支撑基材110并组装成单元组件240。支撑基材110可以选自各种硬质相材料，包括例如烧结碳化钨、烧结碳化钽或烧结碳化钛。在一个实施方式中，支撑基材110可以包含具有游离碳的烧结碳化钨，如美国临时申请第62/055,673、62/055,677和62/055,679号中所述。该第二支撑基材110可以由与上文讨论的第一支撑基材144相同的材料制成。可选地，第二支撑基材110可以由与上文讨论的第一支撑基材144不同的材料制成。支撑基材110可包含一定量的催化材料94。支撑基材144在高压条件下可具有低于1300℃的粒间相液线温度。使用烧结碳化钨-钴体系作为示例，钴是在第二HPHT工艺期间渗入至少部分浸出的多晶金刚石主体120中的催化材料94。在其它实施方式中，单元组件240可包含位于支撑基材110与多晶金刚石主体120之间的另外的催化材料(未示出)。单元组件240包含压力传递介质152，其至少部分地围绕多晶金刚石主体120和支撑基材110。包含多晶金刚石主体120和支撑基材110的单元组件140被引入到能够并且适于在第二HPHT工艺中向单元组件140引入超高压和高温的压机，如步骤216所示。引入到单元组件140的HPHT工艺的压力和温度被传递到单元组件140的内容物。具体地，HPHT工艺将压力和温度条件引入到多晶金刚石主体120，此时金刚石相是热力学稳定的。在其它实施方式中，HPHT工艺将压力和温度条件引入到多晶金刚石主体120，此时金刚石相是不稳定的，其可导致形成非金刚石碳形式。HPHT工艺的温度可以选择为高于渗入材料的熔融温度。在一个实施方式中，HPHT工艺可以在至少约1000℃(例如，约1200℃至约1600℃，或约1200℃至约1300℃)的温度下操作，并且HPHT工艺的压力可以是至少4.0GPa(例如约5.0GPa至约10.0GPa，或约5.0GPa至约8.0GPa)，持续足够时间以使催化剂材料94渗入多晶金刚石主体120，从而将多晶金刚石主体120结合到支撑基材110并形成整体PCD压坯82。在形成整体PCD压坯82之后，PCD压坯82可以通过各种精整操作进行加工以从PCD压坯82去除多余材料，并配置PCD压坯82以供最终用户使用，包括形成PCD刀具84，如步骤218所示。这种精整操作可以包括例如研磨和抛光PCD压坯82的外径，切削、研磨、精研和抛光PCD压坯82的相反面(支撑基材侧面和金刚石主体侧面)，以及在金刚石主体侧面与PCD压坯82的外径之间将斜面研磨和精研到PCD压坯82中。现在参照图4，根据本公开内容的多个PCD刀具100可以如常规已知的那样安装在钻头310中以执行井下钻探操作。钻头310可以定位在钻探组件300上，所述钻探组件300包含向钻头310施加扭矩的钻探马达302和联接到所述钻探组件的轴向驱动机构304，其用于使钻探组件300移动通过钻孔60并且可操作以改变由钻头310在钻孔60中施加的轴向力。施加到钻头310的力被称为“钻压”(“WOB”)。钻探组件300还可以包含改变钻探组件300的轴向取向的转向机构，使得钻头310可以定位成用于非线性井下钻探。钻头310包含固定部分312和材料去除部分314。材料去除部分314可以相对于固定部分312旋转。由钻探马达302施加的扭矩使材料去除部分314相对于固定部分312旋转。根据本公开内容的多个PCD刀具100联接到材料去除部分314。多个PCD刀具100可以通过各种常规已知的方法联接到材料去除部分314，包含将多个PCD刀具100附接到与材料去除部分314联接的相应的多个柄部316。PCD刀具100可以通过各种方法联接到多个柄部316，包括例如钎焊、胶粘剂结合或机械附连。在PCD刀具100用钎焊填料318钎焊到柄部316上的实施方式中，柄部316的至少一部分、钎焊填料318和PCD刀具100的支撑基材110的至少一部分在彼此接触的同时被加热到高温。随着组件的温度降低，钎焊填料318在PCD刀具100的支撑基材110与材料去除部分314的柄部316之间固化并形成结合。在一个实施方式中，在环境压力条件下钎焊填料318的熔融温度大于多晶金刚石主体120的非催化材料92的熔融温度。在另一实施方式中，在环境压力条件下钎焊填料318的熔融温度小于多晶金刚石主体120的催化材料94的熔融温度。在又一实施方式中，在环境压力条件下钎焊填料318的熔融温度小于多晶金刚石主体的催化材料94的液线温度。当钻头310定位在钻孔60中时，材料去除部分314围绕固定部分312旋转以相对于钻孔60重新定位PCD刀具100，由此从钻孔60去除周围材料。通过轴向驱动机构304以基本上钻头310的轴向取向将力施加到钻头310。轴向驱动机构304可以增加WOB，由此增加PCD刀具100与钻孔60的材料之间的接触力。随着钻头310的材料去除部分314继续旋转并且WOB在钻头310上得以维持，PCD刀具100磨蚀钻孔60的材料，并且以大致对应于钻头310的轴向方向的取向继续钻孔60的路径。PCD刀具100的温度可随着WOB增加、材料去除率增加以及刀具磨损增加而增加。如上文所讨论的，温度升高可加快由金刚石逆向转化为非金刚石碳形式而引起的刀具磨损增加。此外，温度升高可增加由金刚石晶粒和催化材料的热膨胀系数不匹配而引起的金刚石晶格中的应力。在一些实施方式中，PCD刀具100在靠近与钻孔60接触的位置处的操作温度可以具有大于约400℃的温度，包括具有大于约500℃的温度，包括具有大于约600℃的温度，包括具有大于约700℃的温度。在一些实施方式中，PCD刀具100在靠近与钻孔60接触的位置处的操作温度可以大于多晶金刚石主体120的非催化材料92的熔融温度。现在应该理解，根据本公开内容的PCD刀具包含联接到基材的热稳定的多晶金刚石主体。热稳定的多晶金刚石主体以两个HPHT工艺制造。多晶金刚石主体相对于第一和第二HPHT工艺的基材是倒置的。热稳定的多晶金刚石主体具有多个金刚石晶粒，其限定结合的金刚石晶粒之间的多个间隙区域。截留间隙区域防止间隙区域暴露于浸出介质如酸。非催化剂材料和催化剂材料存在于这些截留间隙区域中。非催化剂材料分布在整个多晶金刚石主体中，并且以可检测的量存在于整个多晶金刚石主体中。非催化剂材料从制造工艺留在多晶金刚石主体中。非催化剂材料导致PCD压坯的浸出率增加，并且导致存在于多晶金刚石主体的截留间隙区域中的催化剂材料减少。在多晶金刚石主体的截留间隙区域中催化剂材料的减少增加了PCD刀具在高温下的耐磨性。实施例比较实施例1根据美国专利申请第13/926,696号制造未经浸出的单压多晶金刚石刀具，其在未从支撑基材去除和重新附接并且未添加非催化材料的情况下制造，所述专利申请的全部公开内容通过引用并入本文，其中具有17μm中值粒度的金刚石粉末结合到烧结碳化钨-钴载体基材上。刀具前体材料经受单一HPHT工艺，其中达到约7GPa的最大压力和约1550℃的最高温度，并且材料维持在高于钴催化材料的熔点约3分钟。在HPHT工艺之后，根据常规技术完成整体PCD压坯以形成具有约16mm直径、约13mm高度和约2.1mm金刚石层厚度的PCD刀具，其中沿着顶表面的斜面为约0.4mm，角度为45度。PCD刀具在以下条件下经受VTL磨损测试：表1测试条件值切削取向连续端面车削刀具角度15度工件巴雷灰色花岗岩切削深度0.017mm/走刀横向进给0.17mm/转横向速度122表面米/分钟冷却剂完全水淹持续时间28dm3岩石去除在从工件上去除28dm3材料的测试结束时，PCD刀具损失(磨损)6.04mm3的体积。图5描述了将工件去除与PCD刀具磨损进行比较的图。比较实施例2根据美国临时专利申请第62/055,673、62/055,677和62/055,679号制造经浸出的双压多晶金刚石刀具，其在不添加非催化材料的情况下制造，其中具有17μm中值粒度的金刚石粉末结合到烧结碳化钨-钴支撑基材上。刀具前体材料经受第一HPHT工艺，其中达到约7GPa的最大压力和约1600℃的最高温度，并且材料维持在高于钴催化材料的熔点约3分钟。在第一HPHT工艺之后，从硬质金属-钴支撑基材移除厚度为约3.5mm的多晶金刚石主体，并且如上所述通过将多晶金刚石主体浸入酸溶液中来基本上去除多晶金刚石主体的催化剂材料，由此产生热稳定的PCD盘。PCD盘通过精研至约2.3mm的厚度而平坦化。将平坦化的PCD盘与第二硬质金属支撑基材和铝源组装在一起，并且引入到其中达到约6GPa的最高压力和约1250℃的最高温度的第二HPHT工艺中，并且将材料保持高于钴催化材料的熔点约5分钟。使用常规技术完成所得的PCD压坯以形成具有约16mm的直径、约13mm的高度和约2.1mm的金刚石层厚度的PCD刀具，其中沿着顶表面的斜面为约0.4mm，角度为45度。根据上表1中列出的条件对PCD刀具进行VTL磨损测试。在从工件上去除28dm3材料的测试结束时，PCD刀具已经损失(磨损)1.55mm3的体积。图5描述了将工件去除与PCD刀具磨损进行比较的图。实施例3根据本公开内容的热稳定的多晶金刚石刀具是根据实施例2的参数制造的，但是在第一HPHT工艺之前向金刚石颗粒引入约0.87体积％的铅添加物。铅的纯度为约99％，并且中值粒度为约40μm。使用TURBULA(R)共混机将铅和金刚石粉末干混1小时。所有其它加工和精整参数都根据上述实施例2完成。催化材料去除进行到可及间隙腔完全浸出，其速度比实施例2的PCD刀具快约70％。在等效浸出介质和浸出条件中7天后评价的实施例3刀具与实施例2刀具的重量损失的比较描述于图7中。根据上表1中列出的条件对PCD刀具进行VTL磨损测试。在从工件上去除28dm3材料的测试结束时，PCD刀具已经损失(磨损)0.3mm3的体积。将工件去除与PCD刀具磨损进行比较的图描述于图5中。比较实施例4根据上述实施例1制造未经浸出的单压多晶金刚石刀具，其在未从支撑基材去除和重新附接并且未添加非催化材料的情况下制造，不同之处在于金刚石颗粒的中值粒度为约21μm。所有其它加工和精整参数都根据上述实施例1完成。根据上表1中列出的条件对PCD刀具进行VTL磨损测试。在从工件上去除28dm3材料的测试结束时，PCD刀具损失(磨损)6.04mm3的体积。图6描述了将工件去除与PCD刀具磨损进行比较的图。比较实施例5根据上述实施例2制造经过浸出的双压多晶金刚石刀具，其在不添加非催化材料的情况下制造，不同之处在于金刚石颗粒的中值粒度为约21μm。所有其它加工和精整参数都根据上述实施例2完成。根据上表1中列出的条件对PCD刀具进行VTL磨损测试。在从工件上去除28dm3材料的测试结束时，PCD刀具损失(磨损)1.52mm3的体积。图6描述了将工件去除与PCD刀具磨损进行比较的图。实施例6根据上述实施例3制造经过浸出的双压多晶金刚石刀具，其在添加非催化材料的情况下制造，不同之处在于金刚石颗粒的中值粒度为约21μm并且在第一HPHT工艺之前非催化材料为金刚石颗粒的约0.5体积％铅添加物。催化材料去除进行到可及间隙腔完全浸出，其速度比实施例2的PCD刀具快约40％。在等效浸出介质和浸出条件中7天后评价的实施例6刀具与实施例2和实施例3的刀具的重量损失的比较描述于图7中。所有其它加工和精整参数都根据上述实施例3完成。根据上表1中列出的条件对PCD刀具进行VTL磨损测试。在从工件上去除28dm3材料的测试结束时，PCD刀具损失(磨损)0.35mm3的体积。图6描述了将工件去除与PCD刀具磨损进行比较的图。上文呈现的实施例的结果再现于下表2中。表2当前第1页1 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