一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法与流程

本发明涉及超硬材料技术领域，尤其是涉及一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法。

背景技术：

随着现代社会的发展，人们对资源消耗不断增加，地质找矿钻探正向深部、超深部发展，随着钻探深度的增加，地质硬度也随着增加，使得深孔地质钻探的难度越来越大。普通钻头在钻进坚硬岩石地层时，容易出现钻进效率低，钻头寿命短、采取率比较低等情况，很大程度上阻碍了钻探工作的进行。而孕镶金刚石钻头可以有效解决普通钻头所遇到的困难，其通过孕镶在胎体中的金刚石对地层的磨削完成钻进。然而在钻进过程中，孕镶钻头上的金刚石会随着胎体的不断磨削而持续脱落，最终使得胎体对金刚石的包镶力度不够而使金刚石发生脱落，从而导致钻头寿命与钻进效率也大大降低。

目前较为常用的两种钻头之一的pdc钻头在适应地层中具有机械钻速快、进尺高、钻压较小特点，在钻井工程中得到了广泛应用，但因为pdc钻头的金刚石复合片中金刚石层只有2mm左右，金刚石含量较低，因此对于硬研磨性地层来说，pdc钻头的pdc复合片容易脆裂并磨损失效，使其寿命小，进尺低。pdc钻头在硬研磨性地层钻进时，往往会因为钻头失效而起钻。所以pdc钻头在硬研磨性地层中具有一定的局限性。

另外一种常用钻头孕镶金刚石钻头，钻头上的金刚石颗粒会随着胎体的不断磨削而持续脱落，最终使得胎体对金刚石的包镶力度不够而使金刚石发生脱落，从而导致钻头寿命与钻进效率也大大降低。

为了改进孕镶钻头等钻头寿命和钻进效率降低的问题，国内外申请人进行的大量的研究，如申请号200610016924.6的专利“仿生孕镶金刚石钻头及其制造方法”，所设计的钻头是在胎体和耐磨材料中引入金刚石聚晶等材料作为非光滑型态材料，提高了钻头的功效。该专利设计是旨在优化钻头胎体的基础上提高钻头的性能。另外公开号为101608533的专利“孕镶金刚石膜的钻头及其制备方法”，在钻头中用cvd金刚石厚膜代替传统的金刚石颗粒，通过一定的分布形态，将金刚石条嵌入到钻头的底唇面或侧面，使得钻头的耐磨性更强，钻进效率和使用寿命都得到了提高。

但是，上述两件专利中提到的改进均不是特别理想。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法，包括以下步骤：

(1)酸洗

取孕镶金刚石基体置于酸溶液中，酸洗，腐蚀除去表面的co；

(2)超声清洗

取酸洗后的孕镶金刚石基体，置于金刚石微粉的悬浮液中，超声处理；

(3)氢等离子体刻蚀

再将酸洗和超声清洗后孕镶金刚石基体放入化学气相沉积设备中，通入氢气，进行等离子体刻蚀；

(4)原位沉积生长金刚石涂层

刻蚀完成后，继续通入氢气，并同时通入ch4气体，原位沉积，冷却，即得到表面生长有金刚石涂层的孕镶金刚石。

步骤(1)中，所述的酸溶液为10～20wt％hno3溶液，酸洗时间为10～20min。

步骤(2)中，所述的金刚石微粉呈微晶或纳米大小，其悬浮液所用溶剂选自乙醇或丙酮。

超声处理的工艺条件为：处理时间为0.2-0.8h，超声频率36-45khz。

刻蚀的工艺条件为：在气压为10-15kpa，微波功率为1000-1500w的条件下，通入200sccm的氢气刻蚀0.5h。

步骤(4)中，通入的ch4满足孕镶金刚石基体沉积时周围气体中ch4的体积浓度为1-2％。

原位沉积的工艺条件为：沉积气压为10-15kpa，微波功率为1000-1500w，且当孕镶金刚石基体温度达到700-850℃后，沉积6-8h。

步骤(1)中，所述的孕镶金刚石基体由硬质合金粉末和金刚石颗粒通过热压烧结而成。

本发明的目的在于提供一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法，其通过实验前期的预处理方法去除孕镶金刚石表面不利于金刚石涂层沉积的因素(co元素)，同时使得金刚石颗粒裸露出来，沉积过程中达到同质外延生长的效果。为后续在孕镶金刚石基体上沉积金刚石涂层提供有利的条件，之后在处理过的孕镶金刚石基体上沉积一层金刚石涂层。这一方法得到的新型孕镶金刚石，由于外表面金刚石涂层的存在能有效延缓孕镶金刚石的磨损，解决了现有技术中因胎体磨损过快而使金刚石颗粒过早脱落，从而导致钻头寿命短且钻进效率低的问题。

同时为了消除co给金刚石沉积过程中带来的不利影响，预处理的方式采用酸洗和氢等离子体刻蚀两种方法。这是由于酸洗方法只能暂时的消除表层的co相，而沉积过程中，孕镶金刚石基片温度升高后内层的co会随着浓度梯度再次扩散到表层，与金刚石发生反应。而且金刚石与孕镶金刚石基底之间的热膨胀系数存在较大的差异，当降至室温时，会存在较高的残余应力，过高的残余应力会影响薄膜和基底的结合力甚至出现膜的脱落。因此单纯的消除合金表面co的方法是无法提高附着力的。

因此为了解决这样的问题，加入了氢等离子体刻蚀过程。利用氢气与硬质合金基体中的碳化钨、金属钴发生反应生成易挥发的化合物或钴的氢化物，使得硬质合金表层形成一定厚度的纯钨层，在随后的金刚石沉积初期该层被再次碳化，产生化学键合形成新的碳化钨晶粒。由此在金刚石沉积初期，金刚石和基体之间形成了自然过渡层——wc中间层，既可有效地减少薄膜中的残余应力，又可阻挡金刚石生长过程中基体深层的钴向表面重扩散，同时使金刚石晶粒嵌入到wc晶界之中，增大了金刚石膜与基体之间的接触面积，使薄膜和基底之间形成了“钉扎效应”有效提高了膜基之间的附着力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的新型孕镶金刚石钻头其表面沉积有金刚石涂层，相比于pdc钻头其耐磨性和使用寿命都得到了很大的提高。

(2)另外一种常用钻头孕镶金刚石钻头，钻头上的金刚石颗粒会随着胎体的不断磨削而持续脱落，最终使得胎体对金刚石的包镶力度不够而使金刚石发生脱落，从而导致钻头寿命与钻进效率也大大降低。与此相比，新型孕镶金刚石钻头在孕镶金刚石基体之上沉积的金刚石涂层，可以有效的减少胎体的磨损，当钻头使用到一定时期时，首先磨损的是外层化学气相方法沉积的金刚石涂层，而后内部的基体材料才会暴露出来继续使用，使用的寿命得到了大大的加强。同时通过预处理去除基体表面的钴元素同时得到的自然过渡层提高了外层金刚石涂层与孕镶金刚石集体之间的结合力，进而使得外层金刚石涂层的耐磨性得到了加强。

附图说明

图1为本发明的新型孕镶金刚石的结构示意图；

图2为本发明的新型孕镶金刚石初始工作示意图；

图3为本发明的新型孕镶金刚石在磨损后的工作状态示意图；

图中，1-孕镶金刚石基体，2-金刚石颗粒，3-金刚石涂层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例主要公开了一种通过化学气相沉积的方法原位沉积生长金刚石涂层的新型孕镶金刚石及其制备工艺。如图1所示，新型孕镶金刚石包括金刚石涂层3和孕镶金刚石基体1，其中所述孕镶金刚石基体1由硬质合金粉末和金刚石颗粒2通过热压烧结而成，所述金刚石涂层3为通过化学气相沉积的方法在原有的孕镶金刚石基体1上沉积的一层改良涂层。实验开始前，需要对孕镶金刚石进行一定的预处理工艺：将孕镶金刚石基体放入15％hno3溶液中，腐蚀10～20min以除去孕镶金刚石基体表面的co，使表面层的钴与酸液发生化学反应，形成稳定的化合物。之后利用微晶或纳米大小的金刚石微粉的悬浮液(如乙醇、丙酮等)对基体表面进行处理，不仅能较彻底的清洗基体表面，同时也可将分散的金刚石微粉播植于基体上提高金刚石薄膜的形核率。最后进行氢等离子体刻蚀，在经过酸溶液处理和超声清洗的孕镶金刚石基体上放入化学气相沉积设备中，在一定的实验条件下，通入一段时间的氢气，达到兼顾除钴和脱碳两方面的效果。之后向上述反应体系中再通入ch4气体，保持孕镶金刚石基体周围ch4的体积浓度1.5％左右。同时选择12kpa作为沉积气压,微波功率采用1200w左右，此时可测得体温度大概为800℃，之后沉积6～8小时，最后缓慢冷却至室温，取出样品。

新型孕镶金刚石工作状态如图2～3所示，当使用一定时间后原位沉积的金刚石涂层受到磨损而脱落，作为基体的孕镶金刚石暴露出来，继续工作。磨损的初期可能存在原位沉积的金刚石涂层和内部孕镶金刚石基体钻头一起工作的状态，如图2所示。当外层的金刚石涂层完全磨损时，如图3所示，孕镶金刚石基体单独作为钻头工作。因此相比与现有的孕镶金刚石钻头，原位沉积金刚石涂层的孕镶金刚石钻头具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。另一方面通过基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法中的预处理步骤，去除基体表面的钴元素同时得到的自然过渡层提高了外层金刚石涂层与孕镶金刚石集体之间的结合力，进而使得外层金刚石涂层的耐磨性得到了加强。

实施例2

一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法，包括以下步骤：

(1)酸洗

取孕镶金刚石基体置于酸溶液中，孕镶金刚石基体由硬质合金粉末和金刚石颗粒通过热压烧结而成，置于10wt％hno3溶液中酸洗20min，腐蚀除去表面的co；

(2)超声清洗

取酸洗后的孕镶金刚石基体，置于微晶或纳米大小的金刚石微粉的悬浮液中，超声处理，处理时间为0.2h，超声频率为45khz；

(3)氢等离子体刻蚀

再将酸洗和超声清洗后孕镶金刚石基体放入化学气相沉积设备中，在气压为15kpa，微波功率为1500w的条件下，通入200sccm的氢气刻蚀0.5h，达到兼顾除钴和脱碳两方面的效果；

(4)原位沉积生长金刚石涂层

刻蚀完成后，继续通入氢气，并通入ch4气体，保持孕镶金刚石基体沉积时周围气体中ch4的体积浓度1％左右，同时选择15kpa作为沉积气压，微波功率采用1500w左右，此时可测得体温度大概为800℃，之后沉积8小时，最后缓慢冷却至室温，取出样品即得到表面生长有金刚石涂层的孕镶金刚石。

实施例3

一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法，包括以下步骤：

(1)酸洗

取孕镶金刚石基体置于酸溶液中，孕镶金刚石基体由硬质合金粉末和金刚石颗粒通过热压烧结而成，置于20wt％hno3溶液中酸洗10min，腐蚀除去表面的co；

(2)超声清洗

取酸洗后的孕镶金刚石基体，置于微晶或纳米大小的金刚石微粉的悬浮液中，超声处理，处理时间为0.8h，超声频率为45khz；

(3)氢等离子体刻蚀

再将酸洗和超声清洗后孕镶金刚石基体放入化学气相沉积设备中，在气压为10kpa，微波功率为1000w的条件下，通入200sccm的氢气刻蚀0.5h，达到兼顾除钴和脱碳两方面的效果；

(4)原位沉积生长金刚石涂层

刻蚀完成后，继续通入氢气，并同时通入ch4气体，保持孕镶金刚石基体周围气体中ch4的体积浓度2％左右，同时选择10pa作为沉积气压,微波功率采用1000w左右,此时可测得体温度大概为800℃，之后沉积6小时，最后缓慢冷却至室温，取出样品即得到表面生长有金刚石涂层的孕镶金刚石。

实施例4

一种基于孕镶金刚石原位沉积生长金刚石涂层的工艺方法，包括以下步骤：

(1)酸洗

取孕镶金刚石基体置于酸溶液中，孕镶金刚石基体由硬质合金粉末和金刚石颗粒通过热压烧结而成，置于15wt％hno3溶液中酸洗15min，腐蚀除去表面的co；

(2)超声清洗

取酸洗后的孕镶金刚石基体，置于微晶或纳米大小的金刚石微粉的悬浮液中，超声处理，超声频率为40khz，处理时间为0.5h；

(3)氢等离子体刻蚀

再将酸洗和超声清洗后孕镶金刚石基体放入化学气相沉积设备中，在气压为12kpa，微波功率为1200w的条件下，通入200sccm的氢气刻蚀0.5h，达到兼顾除钴和脱碳两方面的效果；

(4)原位沉积生长金刚石涂层

刻蚀完成后，继续通入氢气，并同时通入ch4气体，保持孕镶金刚石基体周围气体中ch4的体积浓度1.5％左右，同时选择12kpa作为沉积气压,微波功率采用1200w左右,此时可测得体温度大概为800℃，之后沉积7小时，最后缓慢冷却至室温，取出样品即得到表面生长有金刚石涂层的孕镶金刚石。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。