多晶金刚石结构的制作方法
【专利摘要】一种PCD结构，该PCD结构包括第一区域(24)和与所述第一区域相邻的第二区域(25)，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层(24c,24t)，每一个晶层或层的厚度在约5至300微米的范围内。所述第二区域(25)包括多个晶层或层，在所述第二区域中的一个或更多个晶层或层的厚度大于在所述第一区域(24)内的单独的晶层或层的厚度。在所述第一区域中交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层处于残余压缩应力状态，并且所述第二层或晶层处于残余拉伸应力状态。
【专利说明】多晶金刚石结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多晶金刚石(P⑶)结构，包括该结构的元件，该结构的制造方法，以及包括该结构的工具，更具体地但不限制地用于岩石降解或钻探，或者用于在地面中钻孔的工具。
【背景技术】
[0002]P⑶材料包括大量基本上交互生长(inter-grown)的金刚石晶粒和金刚石晶粒之间的空隙。可以通过使金刚石晶粒的聚积块在存在例如钴的烧结助剂的情况下，经受超高压超高温来制造PCD，所述烧结助剂可以促进金刚石晶粒的交互生长。烧结助剂也可以称为用于金刚石的催化剂材料。可以整个地或部分地用残留的催化剂材料来填充P⑶材料内的空隙。PCD可以整体地形成在钴钨硬质合金基底上并与之结合，该基底可以提供用于烧结PCD的钴催化剂材料源。本文使用的术语“整体形成的”区域或部分是彼此连续制造的，并且没有被不同种类的材料分开。包括PCD材料的工具嵌入物广泛地应用于在石油和天然气钻探产业中在地面中钻孔的钻头中。尽管PCD材料非常耐磨，但是需要具有更强的抗断裂性的P⑶工具嵌入物。
【发明内容】
[0003]从第一方面看，本发明提供了一种P⑶结构，该P⑶结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至第一区域；第一区域包括多个交替的晶层(strata)或层(layer)，每个晶层或层的厚度在约5到300微米的范围内；第二区域包括多个晶层或层，第二区域中的一个或更多个晶层或层的厚度大于第一区域中的单独的晶层或层的厚度，其中第一区域中交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层处于残余压缩应力的状态，并且第二层或晶层处于残余拉伸应力的状态。
[0004]在一些实施例中，第一区域中的晶层或层的厚度可以在例如约30至300微米、或30至200微米的范围内。
[0005]第二区域中的晶层或层的厚度可以例如是大于约200微米。
[0006]在一些实施例中，第一区域可以包括两个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸，并且在其它的实施例中，第一区域可以包括三个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。
[0007]从第二方面看，本发明提供了一种P⑶结构，该P⑶结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层，在第一区域中的每一个层或晶层的厚度在约5到300微米的范围内；所述第一区域包括两个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。
[0008]在一些实施例中，第一区域可以包括三个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。
[0009]从第三方面看，本发明提供了一种P⑶结构，该P⑶结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层，每一个晶层或层的厚度在约5到300微米的范围内。
[0010]在一些实施例中，在第一和/或第二区域中的每一个晶层或层可以在整个所述晶层或层中具有基本上一致的金刚石晶粒尺寸分布。
[0011]在一些实施例中，第一区域可以包括在使用中形成所述P⑶结构的初始工作表面的外部工作表面。
[0012]在一些实施例中，在第一区域中的每一个晶层或层的厚度可以在约30到300微米的范围内。
[0013]在一些实施例中，交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层处于残余压缩应力状态，并且所述第二层或晶层处于残余拉伸应力状态。
[0014]在一些实施例中，第二区域包括多个层或晶层，所述层或晶层包括预定平均晶粒尺寸的金刚石晶粒。
[0015]在第二区域中的金刚石晶粒的预定平均晶粒尺寸可以例如是在第一区域中的金刚石晶粒的混合物中的金刚石晶粒的平均晶粒尺寸中的一个。
[0016]在一些实施例中，交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层由具有三个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸的金刚石混合物形成，并且所述第二层或晶层由具有相同的三个或更多个平均金刚石晶粒尺寸的金刚石混合物形成，其中所述第一区域中的所述第一晶层或层与来自所述第一区域中的第二晶层或层的所述混合物中的金刚石晶粒具有不同尺寸比。
[0017]在一些实施例中，交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层由具有第一平均晶粒尺寸的金刚石混合物形成，并且所述第二层或晶层由具有第二平均晶粒尺寸的金刚石混合物形成。
[0018]在所述第一区域和/或所述第二区域中的层或晶层可以还包括一个或更多个以纳米金刚石粉末晶粒形式的高达20wt%的纳米金刚石添加剂、盐系统、硼化物、T1、V、Nb的金属碳化物、或金属Pd或Ni中的任一种。
[0019]在一些实施例中，第一区域的至少一部分基本上没有用于金刚石的催化剂材料，所述至少一部分形成热稳定区域。所述热稳定区域可以从PCD结构的表面延伸至少例如50微米的深度；在一些实施例中，热稳定区域可以包括例如2重量％的用于金刚石的催化剂材料。
[0020]本发明可以提供包括上述P⑶结构的结合至硬质合金支承体的P⑶元件，以及包括这样的PCD元件的工具。所述工具可以例如是用于钻入到地面中的钻头或钻头的部件，或用于降解或破坏例如柏油或岩石的坚硬材料的镐头或铁砧。
【专利附图】
【附图说明】
[0021 ] 现在将参考附图描述PCD结构的示例，在附图中:
[0022]图1示出了用于在地面中钻孔的钻头的示例PCD切削元件的示意性立体图；
[0023]图2示出了 P⑶结构的一部分的示例的示意性截面图；
[0024]图3示出了 P⑶元件的示例的示意性纵向截面图；
[0025]图4示出了 P⑶元件的示例的示意性纵向截面图；[0026]图5示出了用于在地面中钻孔的钻头的示例的部分的示意性立体图；
[0027]图6A示出了用于PCD元件的预烧结组件的示例的示意性纵向截面图；
[0028]图6B示出了 P⑶元件的示例的示意性纵向截面图；
[0029]图7A、图7B、图7C和图7D示出了 P⑶结构的示例的部分的示意性截面图；和
[0030]图8是经受过竖直钻孔试验的一个实施例的通过PCD结构的截面的扫描电镜(SEM)图像。
[0031 ] 在所有附图中，相同的附图标记表示相同的一般特征。
【具体实施方式】
[0032]本文使用的多晶金刚石(PCD)是包括大量金刚石晶粒的超硬质材料，其大部分是直接彼此互相结合的，并且其中金刚石的含量占该材料的至少约80体积百分比。在PCD材料的一个实施例中，可以至少部分地用包括用于金刚石的催化剂的粘合剂来填充金刚石晶粒之间的空隙。本文使用的“空隙”或“空隙区域”指的是在PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在PCD材料的实施例中，空隙或空隙区域可以基本上或者部分地由金刚石以外的材料填充，或者它们可以基本上是空的。PCD材料的实施例可以包括至少一个催化剂材料已经从空隙移除、使金刚石晶粒之间的空隙空着的区域。本文使用的，用于金刚石的催化剂材料是能够促进金刚石晶粒的直接交互生长的材料。
[0033]本文使用的，PCD级是根据以下特征来表示的PCD材料，即根据金刚石晶粒的体积百分比和尺寸，在金刚石晶粒之间的空隙区域的体积百分比，和可以在空隙区域内提供的材料的成分。PCD材料的级可以通过如下步骤生成，包括:提供具有适合于该级的尺寸分布的金刚石晶粒的聚积块，可选地将催化剂材料或添加剂材料加入到聚积块中，并使该聚积块在用于金刚石的催化剂材料源存在的情况下承受一定的压力和温度，在该压力和温度下，金刚石比石墨的热稳定性更强，并且在该压力和温度下催化剂材料是熔化的。在这些条件下，熔化的催化剂材料可以从源头渗透到聚积块中，并且可以在烧结的步骤中促进金刚石晶粒之间的直接交互生长，以形成PCD结构。聚积块可以包括疏松的金刚石晶粒或通过结合料结合在一起的金刚石晶粒，并且所述金刚石晶粒可以是天然的或人工合成的。
[0034]不同的PCD级可以具有不同的微观结构和不同的机械性能，例如弹性(或杨氏)模量E、弹性模量、横向抗裂强度(TRS)、韧性(例如所谓的KlC韧性)、硬度、密度和热膨胀系数(CTE)0不同的PCD级在使用中也可以表现不同。例如，不同的PCD级的磨损率和抗裂性可以不同。
[0035]下面的表格示出了三个例示的P⑶级(即称为P⑶级1、P⑶级II和P⑶级III)的近似的组成特征和性质。所有这些PCD级可以包括由包含钴金属的材料(其是用于金刚石的催化剂材料的示例)填充的空隙区域。
【权利要求】
1.一种PCD结构，该PCD结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层，每个晶层或层的厚度在约5至300微米的范围内；所述第二区域包括多个晶层或层，所述第二区域中的一个或更多个晶层或层的厚度大于所述第一区域中的单独的晶层或层的厚度，其中所述第一区域中的交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层处于残余压缩应力状态，并且所述第二层或晶层处于残余拉伸应力状态。
2.根据权利要求1所述的PCD结构，其中所述第一区域中的每个晶层或层的厚度在约30至300微米的范围内。
3.根据权利要求1所述的PCD结构，其中所述第一区域中的晶层或层的厚度在约30至200微米的范围内。
4.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第二区域中的晶层或层的厚度大于约200微米。
5.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区域包括两个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。
6.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区域包括三个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。
7.—种PCD结构，该PCD结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层，所述第一区域中的每一个层或晶层的厚度在5至300微米的范围内；所述第一区域包括两个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。
8.—种PCD结构，该PCD结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长`结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层，每一个晶层或层的厚度在约5至300微米的范围内。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的PCD结构，其中所述第一和/或所述第二区域中的每个晶层或层在整个所述晶层或层中具有基本上一致的金刚石晶粒尺寸分布。
10.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区域包括在使用中形成所述PCD结构的初始工作表面的外部工作表面。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区域中的每个晶层或层的厚度在约30至300微米的范围内。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的PCD结构，其中所述第二区域的厚度大于在所述第一区域中的单独的晶层或层的厚度。
13.根据权利要求7或8中任一项所述的PCD结构，其中所述第二区域包括多个层或晶层。
14.根据权利要求13所述的PCD结构，其中所述第二区域中的层或晶层包括预定平均晶粒尺寸的金刚石晶粒。
15.根据权利要求14所述的PCD结构，其中所述第二区域中的所述金刚石晶粒的预定平均晶粒尺寸是第一区域中的金刚石晶粒的混合物中的金刚石晶粒的平均晶粒尺寸中的一个。
16.根据权利要求7至15中任一项所述的PCD结构，其中所述交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层处于残余压缩应力状态，并且所述第二层或晶层处于残余拉伸应力状态。
17.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层由具有三个或更多个不同平均金刚石晶粒尺寸的金刚石混合物形成，并且所述第二层或晶层由具有相同的三个或更多个平均金刚石晶粒尺寸的金刚石混合物形成，其中所述第一区域中的所述第一晶层或层与来自所述第一区域中的第二晶层或层的所述混合物中的金刚石晶粒具有不同尺寸比。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的PCD结构，其中所述交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层由具有第一平均晶粒尺寸的金刚石混合物形成，并且所述第二层或晶层由具有第二平均晶粒尺寸的金刚石混合物形成。
19.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区域和/或所述第二区域中的层或晶层包括如下中的一个或更多个: 以纳米金刚石粉末晶粒形式的、高达20wt%的纳米金刚石添加剂； 盐系统； 硼化物或T1、V或Nb中的至少一种的金属碳化物；或 金属Pd或Ni中的至少一种。
20.根据上述权利要 求中任一项所述的PCD结构，其中所述PCD结构具有纵向轴，所述第一区域和/或所述第二区域中的层或晶层处于与所述PCD结构的所述纵向轴延伸通过的平面基本上垂直的平面中。
21.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述层或晶层基本上是平的、弯曲的、弓形的或圆顶形的。
22.根据权利要求1至20中任一项所述的PCD结构，其中所述PCD结构具有纵向轴，所述第一区域和/或所述第二区域中的层或晶层处于与所述PCD结构的纵向轴延伸通过的平面成一定角度的平面中。
23.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区域的体积大于所述第二区域的体积。
24.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述晶层或层的一个或更多个与所述PCD结构的工作表面或侧表面相交。
25.根据上述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中每个晶层或层由分别具有至少1，OOOMPa的TRS的一个或更多个PCD级形成；相邻晶层或层中的PCD级具有不同的热膨胀系数(CTE)。
26.根据权利要求25所述的PCD结构，其中所述晶层或层的一个或更多个包括具有至少 3 X I (T6Him/°C 的 CTE 的 PCD 级。
27.根据上述权利要求中任一项所述的PCD元件，其中所述第一区域的至少一部分基本上没有用于金刚石的催化剂材料，所述部分形成热稳定区域。
28.根据权利要求27所述的PCD元件，其中所述热稳定区域从PCD结构的表面延伸至少50微米的深度。
29.根据权利要求27或28中任一项所述的PCD元件，其中所述热稳定区域包括最多2重量％的用于金刚石的催化剂材料。
30.一种用于在地面钻孔的旋转剪切钻头或者用于冲击钻头的PCD元件，所述PCD元件包括结合至硬质合金支承体的上述权利要求的任一项所述的PCD结构。
31.一种用于在地面中钻孔的钻头或钻头的部件，包括如权利要求30所述的P⑶元件。
32.一种P⑶结构，该P⑶结构基本上如同以上参照附图中图示的实施例的任一个实施例的描述。
【文档编号】E21C35/183GK103827436SQ201280030661
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年5月10日 优先权日:2011年5月10日
【发明者】特姆宾克斯·沙巴拉拉, 尼德雷特·卡恩 申请人:第六元素研磨剂股份有限公司