具有过渡区域的多晶金刚石切割元件以及包含其的井下切割工具的制作方法
【专利摘要】一种切割元件可以包括：包括多个金属碳化物颗粒并具有第一金属结合剂含量的第一金属结合剂的基体；位于所述切割元件一端的多晶金刚石材料外层，所述多晶金刚石材料包括多个互连的金刚石颗粒以及设置在所述互连的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，所述多个间隙区域包含具有第二金属结合剂含量的第二金属结合剂。所述切割元件还包括在基体和外层之间的至少一个过渡区域，所述至少一个过渡区域包括多个耐熔金属碳化物颗粒和具有第三金属结合剂含量的第三金属结合剂，所述第三金属结合剂含量小于第一金属结合剂含量和第二金属结合剂含量。
【专利说明】具有过渡区域的多晶金刚石切割元件以及包含其的井下切割工具
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年11月8日提交的美国临时申请第61/901,910号以及于2014年11月5日提交的美国非临时申请第14/533，716号的权益及优先权，在此通过参引方式将其全部内容纳入本文。
【背景技术】
[0003]现有技术中已知的多晶金刚石(PCD)材料由金刚石颗粒或晶体以及韧性金属结合剂构成，并经高压/高温工艺合成。这种材料以其机械性能的耐磨性而被众所周知，从而，使其对于非常期望这种机械性能的诸如用于机加工、地下采矿及钻探的切割工具的工业应用来说是一种普遍的材料选择。例如，传统的PCD可以被设置为在例如与切割和钻探工具一起使用的切割元件上的表面涂层的形式，以向其施加改善的耐磨性。
[0004]一般地，在这些应用中使用的含有PCD的切割元件是通过向碳化物基体涂覆P⑶层而形成。这些切割元件包括基体、表面层、以及经常有一个过渡层以提高暴露层和基体之间的结合。基体通常是碳化物材料，例如硬质合金，用钴结合的碳化钨(WC)(WC-Co)。
[0005]该PCD层通常包括高达约30重量百分比的金属结合剂。金属结合剂促进金刚石晶间结合以及金刚石层向基体的结合。用作结合剂的金属通常选自钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金，并且可以包括诸如锰、钽、铬和/或其混合物或合金的金属。然而，虽然更高的金属结合剂含量通常会增加所得PCD材料的韧性，但是更高的金属含量也降低了 PCD材料的硬度和耐磨性，因此限制了能够提供具有所需水平的硬度、耐磨性和韧性的PCD涂层的灵活性。此外，当选择变量以增加PCD材料的硬度或耐磨性时，通常也增加了脆性，从而降低了P⑶材料的韧性。
[0006]传统的PCD切割元件可以任选地包括在PCD层和基体之间的一个或多个过渡层。这些过渡层可以包括耐熔颗粒，例如除金刚石和金属结合剂外的碳化物来通过该层改变材料性质。然而，碳化物含量的操控并不必然促进相邻PCD层之间的最佳过渡，这使得所述层间存在可提高不希望的应力集中的离散界面。这些离散界面的存在和由此产生的应力集中，可以由于沿所述层-层界面的脱层而引起PCD切割元件的过早失效。
【发明内容】
[0007]提供本
【发明内容】
是为了介绍一系列概念，其在下面详细描述中进一步描述。本
【发明内容】
并不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用作在辅助限制所要求保护的主题的范围。
[0008]在一个方面，本文公开的实施例涉及一种切割元件，包括:基体，包括多个金属碳化物颗粒和具有第一金属结合剂含量的第一金属结合剂;位于所述切割元件的一端处的由多晶金刚石材料构成的外层，所述多晶金刚石材料包括多个互连的金刚石颗粒以及设置在所述互连的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，所述多个间隙区域包含具有第二金属结合剂含量的第二金属结合剂；以及位于所述基体和外层之间的至少一个过渡区域，所述至少一个过渡区域包括多个耐熔金属碳化物颗粒和具有第三金属结合剂含量的第三金属结合剂，所述第三金属结合剂含量小于第一金属结合剂含量和第二金属结合剂含量。
[0009]在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种形成切割元件的方法，包括:邻近于一个或多个过渡体积的耐熔金属颗粒与碳源的混合物放置一体积的金刚石晶粒，所述一个或多个过渡体积包括第一过渡体积，所述第一过渡体积具有占所述第一过渡体积的总重量的至少60重量百分比的耐熔金属颗粒;邻近于所述一个或多个过渡体积且与所述体积的金刚石晶粒相反地放置包括多个碳化物颗粒与金属结合剂的金属碳化物基体材料；以及将所述体积的金刚石晶粒、一个或多个过渡体积、和金属碳化物基体材料暴露于高压/高温烧结条件下，以形成附连到基体上的烧结多晶金刚石体，在所述烧结多晶金刚石体与基体之间具有至少一个过渡区域。
[0010]在又一个方面，本文公开的实施例涉及一种井下切割工具，其包括工具主体和固定到所述工具主体上的至少一个切割元件，所述切割元件包括:基体，包括多个金属碳化物颗粒和具有第一金属结合剂含量的第一金属结合剂;位于所述切割元件的一端处的由多晶金刚石材料构成的外层，所述多晶金刚石材料包括多个互连的金刚石颗粒以及设置在所述互连的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，所述多个间隙区域包含具有第二金属结合剂含量的第二金属结合剂；以及位于所述基体和外层之间的至少一个过渡区域，所述至少一个过渡区域包括多个耐熔金属碳化物颗粒和具有第三金属结合剂含量的第三金属结合剂，所述第三金属结合剂含量小于第一金属结合剂含量和第二金属结合剂含量。
[0011]从下面的描述和所附的权利要求，所要求保护的主题的其它方面和优点将会明显。
【附图说明】
[0012]图1是根据一个或多个实施例的切割元件。
[0013]图2是一个实施例的具有一个过渡区域的微观结构的SEM图像。
[0014]图3是一个实施例的具有两个过渡区域的微观结构的SEM图像。
[0015]图4示出了本发明的用于牙轮钻头和/或锤击钻头的镶齿。
[0016]图5示出了根据一个或多个实施例的为圆锥形切割元件的切割元件。
[0017]图6示出了为弹头形切割元件的切割元件。
[0018]图7示出了具有终止于滚圆顶端的凹入侧表面的切割元件。
[0019]图8和9示出了具有线性延伸顶端的切割元件。
[0020]图10示出了具有多个顶端的切割元件。
[0021]图11示出了牙轮钻头。
[0022]图12不出了锤击钻头。
[0023 ]图13示出了固定切割器钻头。
[0024]图14示出了扩孔工具。
[0025]图15示出了固定切割器钻头。
【具体实施方式】
[0026]在一个方面，本文公开的实施例涉及在多晶金刚石(PCD)切割元件中使用过渡区域(或过渡层)。具体地，本文公开的一个或多个实施例涉及在所述一个或多个过渡区域原位形成碳化物颗粒，以及可被用于以期望的方式形成这些碳化物颗粒的具体组分。在一个或多个实施例中，本发明还涉及在整个切割元件中、具体地讲与所述多晶金刚石外层和/或碳化物基体相比在一个或多个过渡区域中的非均匀的金属含量。还公开了用于制造包括在PCD层和基体之间的至少一个过渡区域的PCD切割元件的方法，和在各种制品和装置中利用所公开的切割元件的实施例，诸如旋转钻头、采矿和建筑工具、轴承装置、拉丝模、机加工设备以及其它制品和装置。
[0027]如本文所用的，“多晶金刚石”及其缩写“PCD”或“多晶金刚石材料”是指，由结合在一起或互连的金刚石晶粒构成的三维网络或晶格。具体地讲，金刚石与金刚石间的结合由金属(诸如，钴)通过高温/高压工艺被催化，由此使金属保留在颗粒之间的区域。因此，根据暴露于可被催化的金刚石颗粒以及温度/压力条件，加入到金刚石颗粒中的金属颗粒可用作催化剂和/或结合剂。为了本申请的目的，当金属组分被称为金属结合剂时，并不必然意味着它不同时执行催化作用，当所述金属组分被称为金属催化剂时，并不必然意味着它不同时执行结合作用。
[0028]参照图1，一个实施例的P⑶切割元件100包括至少一个PCD层106，基体102，和设置在基体102和PCD层106之间的至少一个过渡区域104。如图所示，P⑶层106具有平坦的上表面108。虽然图1示出所述上表面108为平坦的，但是所述上表面108也可以是凹面的、凸面的、或另外的非平面几何形状。基体102可以是大致圆柱形或其它选定的结构形式，这没有限制。基体102可以包括但不限于硬质合金，例如通过铁、镍、钴、或其合金结合的碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒或它们的组合。例如，在一个实施例中，所述基体102包括钴结合的碳化钨。
[0029]图2示出了根据一个或多个实施例的一部分PCD切割元件微观结构的SEM图像。如图2所示，切割元件(未示出)的微观结构200包括三个微观结构区域:多晶金刚石区域206，基体区域202和它们之间的过渡区域204。多晶金刚石区域206包括具有多个互连的金刚石颗粒(即具有金刚石与金刚石间的键)，在所述颗粒之间具有间隙区域或囊。间隙区域包括在其中的金属结合剂组分，并任选地可以包括耐熔金属内容物(以金属的形式或耐熔金属碳化物的形式存在)。过渡区域204可以包括分散于金属结合剂相中的多个耐熔金属碳化物颗粒，并任选地可以包括多个金刚石晶粒。基体202可以包括通过金属结合剂结合在一起的多个金属碳化物颗粒。在多晶金刚石区域206、过渡区域204和基体区域202中的每一个中所使用的金属结合剂可以包括在高压高温烧结过程中从基体202通过过渡区域204渗到所述多晶金刚石区域206中的第VIII族金属，例如钴、铁或镍。在一个或多个实施例中，所述过渡区域204的金属结合剂含量少于所述多晶金刚石区域206和/或基体区域202的。
[0030]图3示出了根据一个或多个实施例的一部分PCD切割元件微观结构的SEM图像。如图3所示，切割元件(未示出)的微观结构300包括四个微观结构区域:多晶金刚石区域306，基体区域302，以及所述多晶金刚石区域306和基体区域302之间的两个过渡区域304，308。多晶金刚石区域306包括多个互连的金刚石颗粒(S卩，具有金刚石与金刚石间的键)，在所述颗粒之间具有间隙区域或囊。间隙区域包括在其中的金属结合剂组分，并任选地可以包括耐熔金属内容物(以金属的形式或耐熔金属碳化物的形式存在)。过渡区域304可以包括分散于金属结合剂相中的多个耐熔金属碳化物颗粒，并任选地可以包括多个金刚石晶粒。过渡区域308，类似于过渡区域304，可以包括多个金刚石晶粒，和分散于金属结合剂相中的多个耐熔金属碳化物颗粒。过渡区域308，更靠近多晶金刚石区域306，它可以包括比过渡区域304更大的金刚石含量。基体302可包括通过金属结合剂结合在一起的多个金属碳化物颗粒。多晶金刚石区域306、过渡区域304、308和基体区域302中的每一个中所使用的金属结合剂可以包括在高压高温烧结过程中从基体302通过过渡区域304、308渗到所述多晶金刚石区域306中的第VIII族金属，例如钴、铁或镍。在一个或多个实施例中，所述过渡区域304的金属结合剂含量少于所述多晶金刚石区域306和/或基体区域302的。在一个或多个实施例中，过渡区域308的金属结合剂含量少于所述多晶金刚石区域306和/或基体区域302的。此夕卜，在一些实施例中，过渡区域304和308的金属结合剂含量均小于所述多晶金刚石区域306和/或基体区域302的。
[0031]上面描述的过渡区域包括多个耐熔金属碳化物颗粒。在一个或多个实施例中，这样的耐熔金属碳化物颗粒并不以预先存在的状态被包含入所述切割元件中，相反，所述耐熔金属碳化物颗粒通过耐熔金属和与耐熔金属一起存在于所述区域中的碳(例如以金刚石颗粒、石墨颗粒、碳黑、含碳蜡、或其它碳源的形式)之间在HPHT烧结条件下的反应而就地形成。即，当金刚石颗粒(或其它碳源)和耐熔金属的未烧结混合物的组合暴露于高压/高温条件时，所述耐熔金属和碳可以就地反应以形成耐熔金属碳化物颗粒。这样的反应随着耐熔金属形成耐熔金属碳化物而可能伴有耐熔金属颗粒的晶粒生长。观察到的这种生长可以包括小于5微米、小于3微米、小于2微米、小于I微米或甚至小于0.5微米的初始耐熔金属颗粒尺寸，产生至少5微米、至少6微米、或至少8微米的耐恪金属碳化物颗粒尺寸。在一个或多个实施例中，耐熔金属碳化物颗粒可以小于10微米。然而，在一定程度上，最终的耐熔金属碳化物颗粒尺寸可以部分地取决于所述初始耐熔金属颗粒的尺寸。因此，当使用纳米粉末时，最终的耐熔金属碳化物颗粒可以有比纳米粉末更大的颗粒尺寸，但仍小于5微米，例如至少2微米。
[0032]在各种实施例中，所述耐熔金属颗粒可以是形成金属-碳化物的任何金属，例如钨、钽、钛、铌、锆、它们的混合物等;但是，特定的实施例可以使用钨金属。此外，根据所使用的碳源的类型，同样在本发明的范围之内的是，所述耐熔金属可以涂覆有所述碳源，例如含碳聚合物涂层，例如聚乙二醇或甲氧基聚乙二醇。在一个或多个其他实施例中，含碳聚合物涂层可以基本上不含氧，或其它杂质可以被用于涂覆耐熔金属颗粒，用于形成所述一个或多个过渡层(或当包含时，外层)。
[0033]如上面提到的，金属结合剂从所述基体通过一个或多个过渡区域渗到所述多晶金刚石层。虽然所述金属结合剂通常可以从所述基体被提供到金刚石颗粒的混合物中(以催化形成金刚石与金刚石的结合，以形成多晶金刚石)或被包括于所述金刚石混合物中，但是本发明的一个或多个实施例仅使用从基体渗透通过所述切割元件而提供的金属结合剂。因此，被置于反应单元中并经受HPHT工艺的杯状物(例如，烧结容器或罐)可以包括:(I)第一体积的金刚石颗粒混合物(不含催化金属结合剂，并且任选地由金刚石颗粒组成或由金刚石颗粒及非催化耐熔金属组成)，(2)相邻的第二体积的金刚石颗粒与耐熔金属的混合物(不含催化金属结合剂，并且任选地由金刚石颗粒及非催化耐熔金属组成)，和(3)预制基体或碳化物颗粒和(催化)金属结合剂的生坯基体材料。因此，当组合体积和基体材料暴露于HPHT烧结条件下时，所述金属结合剂可以通过所述第二体积向第一体积渗透，从而催化形成多晶金刚石微观结构。本申请的发明人还建立了如下理论，通过使用渗透的金属结合剂(而不是与第一或第二体积一起提供的金属结合剂)，所述渗透金属中至少部分饱含有碳，因此，当所述渗透金属渗透通过第二体积时，该至少部分饱和进一步地将耐熔金属和碳(存在于金刚石颗粒中)之间的反应平衡朝向形成耐熔金属碳化物移动。另外，随着耐熔金属碳化物颗粒生长，所述晶粒生长可以将所述渗透结合剂物理地推到相邻的层之一，例如所述多晶金刚石层和/或基体，产生如上所述的在整个切割元件上的非均匀的金属结合剂含量。对于使用一个以上的过渡区域的实施例来说，本领域技术人员将理解，与耐熔金属颗粒混合(以不同比率)的第三或第四体积等的金刚石颗粒可以被提供于所述组合中，并暴露于HPHT烧结条件。此外，一个或多个过渡区域可以比基体具有更高的硬度和更高的强度和韧性，本发明人认为这是由于耐熔金属碳化物的原位形成和非均匀的金属结合剂含量存在于所述一个或多个过渡区域中的结果。
[0034]此外，在一个或多个实施例中，掺入到第二体积中的金刚石的量可以被选择为优化或增加耐熔金属碳化物的形成。例如，如果正在使用的耐熔金属是钨，那么钨和碳的原子质量均可以被考虑，以确保耐熔金属和金刚石(或其它碳源)向耐熔金属碳化物的更多的转换。同样地，如果使用更轻的钛，那么钛的所需重量百分比可以类似地向下偏移。在一个或多个实施例中，第二体积可设置有至少60重量百分比的耐熔金属、其余为金刚石颗粒，或者在一个或多个其他实施例中有至少70、80或85重量百分比的耐熔金属(其余为金刚石)。根据所使用的金刚石和耐熔金属的相对量，残留在所述至少一个过渡层中的金刚石颗粒的量可以相应地变化。例如，在钨的情况下，其中，钨(具有183.84u的原子质量)和碳(具有12.0107U的原子质量)的1:1反应产生93.867%质量分数的钨和6.13%的碳，如果10重量百分比的金刚石被掺入到所述第二体积中，假设钨与金刚石完全反应，则残留在所形成的过渡区域中的金刚石可能小于5重量百分比。在一个或多个实施例中，假设耐熔金属完全转化(以及1:1的反应)，可能特别期望提供具有金刚石颗粒的第二体积，使得在与耐熔金属反应后残留不超过5重量百分比的金刚石颗粒。虽然描述了理论上的1:1反应，同样在本发明的范围之内的是，可以形成其它的碳化物，例如W2C以及复杂的碳化物。然而，根据所述切割元件将要包含的过渡区域的数目，可以选择合适的金刚石含量(进而的HPHT烧结后残余的金刚石含量)。
[0035]例如，在一个或多个实施例中，至少一个过渡区域包括小于5重量百分比的金刚石含量，可高达95重量百分比的耐熔金属碳化物含量，和在约I至8重量百分比范围内(或在特定的实施例中I至2重量百分比)的金属结合剂含量。然而，如上面提到的，当两个或更多个过渡区域被包括在切割元件中时，邻近PCD层的区域可以具有可以大于10重量百分比(或在特定的实施例中在20-60重量百分比的范围内)的金刚石含量，所述耐熔金属碳化物含量可以小于90重量百分比(或在特定的实施例中在40-80重量百分比的范围内)，并且至少一个过渡区域中的金属结合剂含量可以是I至8重量百分比。在一个或多个实施例中，这种具有这种更大的金刚石含量的过渡区域可以与邻近基体的具有小于5重量百分比的金刚石含量、高达95重量百分比的耐熔金属碳化物含量、以及在约I至8重量百分比范围内的金属结合剂含量的区域一起组合使用。此外，当存在两个或更多个过渡区域时，过渡区域中的至少一个的金属结合剂含量可以小于外PCD层和基体的金属结合剂含量。在一些实施例中，两个或更多个过渡区域可以具有减少的金属结合剂含量，但在其它实施例中，所述过渡区域中的一个可以具有减少的金属结合剂含量，并且过渡区域中的另一个可以具有与外PCD层和基体类似的结合剂含量。
[0036]如上所提到的，在一个或多个实施例中，多晶金刚石外层可包括多个金刚石颗粒、驻留在所述多个金刚石颗粒之间的间隙空间中的金属结合剂、和任选地也驻留于所述间隙空间中的耐熔金属。在这样的实施例中，所述多晶金刚石材料可以包括高达94重量百分比的金刚石含量、至少6重量百分比的第二金属结合剂含量、和高达5重量百分比的耐熔金属含量。
[0037]所述基体可由合适的材料形成，例如碳化钨、碳化钽或碳化钛。在基体中，金属碳化物晶粒由金属结合剂基质支持。因此，各种结合金属，如钴、镍、铁、它们的合金、或它们的混合物可以存在于所述基体中。在一个具体的实施例中，所述基体可以由碳化钨和钴的烧结碳化钨复合结构形成。然而，已知的是，除了碳化钨和钴外，可以使用各种金属碳化物复合物和结合剂。因此，参照使用碳化钨和钴是为了说明的目的，并不旨在限制碳化物或结合剂的类型。在一个或多个实施例中，所述基体可以包括至少85重量百分比的金属碳化物含量和至少为6重量百分比的金属结合剂含量。这样的硬质合金可以包括例如被描述为406，313/314,614等的那些，以及具有所述金属含量(和平衡所需金属含量的颗粒尺寸)的其它碳化物混合物。
[0038]如上所提及的，本发明的切割元件可以通过在HPHT烧结条件下烧结前体材料而形成。具体地，多晶金刚石材料可以通过将未烧结质量的金刚石结晶颗粒放置于HPHT装置的反应单元的金属外壳内，并且使各个金刚石晶体暴露于足够在相邻的金刚石晶体之间发生晶间结合的高压和高温(HPHT条件下烧结)而形成。金属催化剂，例如钴或其它第VIII族金属，可以被提供到未烧结质量的结晶颗粒中，以通过在HPHT烧结过程中从所述基体(或基体材料)渗入到所述金刚石晶粒中而促进金刚石与金刚石的晶间结合。
[0039]反应单元然后被放置到足以引起金刚石颗粒之间的晶间结合的工艺条件下。应当指出，如果太多额外的非金刚石材料(例如碳化钨或钴)存在于粉末化的结晶颗粒质量体中，在烧结过程中明显的晶间结合被阻止。例如，其中没有发生明显的晶间结合的烧结材料不在P⑶的定义之内。
[0040]所述过渡层可以类似地通过将未烧结的第二体积的金刚石颗粒和耐熔金属放置于HPHT装置内邻近形成多晶金刚石层的未烧结质量的金刚石颗粒而形成。反应单元然后被放置在足以使材料烧结以创建所述过渡区域的工艺条件下。此外，相反于形成所述多晶金刚石层的第一体积且邻近所述第二体积可包括预制的金属碳化物基体的前体基体材料。在HPHT烧结条件过程中，多晶金刚石层被形成，并通过所述过渡区域结合到所述基体。
[0041 ]在一个或多个实施例中，最低温度为约1200°C，最低压力为约35千巴。在具体的实施例中，可在约45-90千巴的压力下和约1300-2000°C的温度下处理。在给定实施例中，最小的足够温度和压力可以取决于其它参数，例如诸如钴的催化剂材料的存在。一般地，金刚石晶体将在诸如钴的金刚石催化剂材料存在时暴露于HPHT烧结以形成一个整体的、坚韧的、高强度的质量体或晶格。所述催化剂，例如钴，可以用于促进金刚石颗粒的重结晶和晶格结构的形成，因此，通常在金刚石晶格结构的间隙空间内能发现钴颗粒。本领域普通技术人员将理解，可以使用各种温度和压力，本发明的范围不限于具体引用的温度和压力。
[0042]HPHT工艺的应用将导致金刚石晶体烧结，并形成多晶金刚石层。同样地，对第二体积应用HPHT将导致金刚石晶体和耐熔金属颗粒反应，形成通过从基体渗入的金属结合剂烧结在一起的耐熔金属碳化物颗粒，使得所述耐熔金属碳化物颗粒不再是可彼此分离的离散颗粒的形式。此外，在HPHT工艺中各层结合到彼此以及结合到基体。
[0043]同样在本发明的范围之内的是，多晶金刚石外层可以从其中移除至少一部分金属催化剂，例如通过用浸出剂(通常是一种强酸)浸滤所述金刚石层。在一个具体的实施例中，至少一部分所述金刚石层可以被浸滤以获得热稳定性，而不失去耐冲击性。
[0044]上面讨论了因晶粒生长引起的耐熔金属和所得耐熔金属碳化物颗粒的颗粒尺寸的变化。除了控制耐熔金属颗粒尺寸外，也可控制在第一体积(以及第二 (或第三等)体积)中使用的金刚石颗粒的颗粒尺寸。通常，可使用在约0.5至100微米(或在特定的实施例中4至30微米)范围内的颗粒尺寸;然而同样在本发明的范围之内的是，可以使用更小的颗粒尺寸，包括在纳米范围的，例如对于用于形成过渡区域的第二体积中的混合物。在4-30微米范围内，某些类型的切割元件可以具有特别希望的子范围。例如，对于牙轮钻头(示于图11)和/或锤击钻头(示于图12)中使用的镶齿(示于图4)，可使用约4至8微米范围内的金刚石颗粒尺寸。对于刮刀钻头(如图13中所示的roc固定切割器钻头)中使用的剪切切割器(示于图1)，可以使用至少约10微米的金刚石颗粒尺寸。最后，对于在刮刀钻头(示于图13)中使用的基本上尖端切割元件(示于图5-11)，例如，可以使用从约10至30微米范围内的金刚石颗粒尺寸。
[0045]现在参考图4，镶齿40包括多晶金刚石外层44，基体42，和在其间的过渡区域46。如图所示，多晶金刚石外层44的上表面通常是凸起的，通常被称为圆顶状。
[0046]现在参考图5-7，示出了具有大体上尖状并终止于滚圆顶端的切割端的切割元件的各种实施例。如图5所示，切割元件可以具有大致为圆锥形的切割端62(包括直锥体或斜锥体)，即，终止于滚圆顶端66的锥形侧壁64。与终止于尖点顶端的几何锥体不同，本发明的锥形切割元件拥有具有位于侧表面和顶端之间的弯曲部的顶端。此外，在一个或多个实施例中，可以使用弹头形切割元件70，如图6所示。术语“弹头形切割元件”指的是具有不同于大致圆锥形的侧表面，而是具有终止于滚圆顶端76的大致凸起的侧表面78的切割元件，其整体形状也可以被称为风帽状。在一个或多个实施例中，顶端76的曲率半径明显比凸侧表面78的更小。然而，本发明的非平面切割元件还可以包括其它形状，例如，终止于滚圆顶端的凹侧表面，如图7所示。在每个这样的实施例中，非平面切割元件可以在所述侧表面和滚圆顶端间具有光滑过渡(即，侧表面或侧壁正切地连接顶端的弯曲部)，但在一些实施例中，可以存在非光滑过渡(即，侧表面的切线与顶端的切线以非180度角相交，例如从约120至小于180度的范围)。此外，在一个或多个实施例中，非平面切割元件可以包括具有延伸到高于保持部或基部区域的切割端的任意形状，其中，所述切割端延伸的高度至少是切割元件的直径的0.25倍，或在一个或多个其它实施例中至少是所述直径的0.3,0.4,0.5或0.6倍。
[0047]返回参考图5-7，示出了可以是本文中公开的任何实施例中的非平面切割元件的变型。设置在钻头或扩眼器(或本发明的其它切割工具)上的非平面切割元件具有在基体604、704、804(例如，烧结碳化钨基体)上的金刚石层602、702、802，其中，所述金刚石层602、702、802形成非平面金刚石工作表面。尽管在这些图中未示出，但所述切割元件可以包括位于所述多晶金刚石外层602、702、802和基体604、704、804之间的一个或多个过渡区域。在金刚石层602、702、802和基体604、704、804之间的界面(在图5和6中未示出而在图7中示为附图标记806)可以是非平面的或不均匀的，例如，以帮助减少在操作中金刚石层602、702、802从基体604、704、804脱层的事件并提高所述元件的强度和耐冲击性。本领域技术人员将理解，所述界面可以包括一个或多个凸起或凹陷部，如在非平面界面的领域中所公知的。此夕卜，本领域技术人员将理解，使用一些非平面界面可允许金刚石层在该层的尖部区域有更大的厚度。此外，可能希望创建这样一个界面几何特征，使得金刚石层在包含金刚石增强元件与地层之间的主要接触区域的区域处最厚。在一个或多个实施例中，金刚石层602、702、802(包括所述一个或多个过渡区域)从顶端到基体的中心区域可以具有1.25到6.5毫米的厚度，而在一个或多个具体的实施例中，这种厚度范围可以为3至5毫米。金刚石层602、702、802和烧结金属碳化物基体604、704、804从顶端到烧结金属碳化物基体的基部可以具有5到18毫米的总厚度。然而，也可使用其它尺寸和厚度。此外，特别也在本发明的范围之内的是，顶端66、76、86具有约1.25到4毫米范围内的曲率半径，并且在另一实施例中从1.25到3毫米。尽管未在图5-7中具体地示出，但在一些实施例中，所述至少一个过渡区域在其最厚点的厚度为约0.25到2.5毫米范围内，并在特定实施例中为0.4到0.7毫米。
[0048]此外，虽然图5-7的每一个都包括一个尖状顶端，但是同样在本发明的范围之内的是，滚圆顶端可以例如如图8-9所示地线性延伸，或者可以如图10所示地有多于一个的顶端。上面提到的曲率半径范围也适用于这样的实施例，其中，该线性延伸顶端在垂直于所述线性延伸顶端的剖面图中可以具有所公开的范围内的曲率半径。此外，在有两个顶端的情况下，一个或两个顶端可以具有所公开的曲率半径。
[0049]例如参考图8-9，示出了切割元件800。在本实施例中，顶端801包括一个线性部802和两个曲线区域803和804。金刚石主体部805包括前侧806和尾侧807。曲线区域803和804将所述线性部802连接到前侧806和尾侧807。曲线区域803和804将线性部802相切地连接到前侧806和尾侧807。烧结金属碳化物基体808通过之间的过渡区域810在非平面界面809处连接到金刚石主体部805。
[0050]现在参考图10，示出了具有多个顶端的切割元件1000。切割元件1000包括锥形几何特征和两个顶端601和602，前侧603和尾侧604相切地连接顶端601和60。顶端601和602可以具有相等或不相等的曲率半径。
[0051]该多晶金刚石外层在一个实施例中可以具有至少0.006英寸的厚度，并且在其它实施例中至少0.020英寸或0.040英寸。如本文中所使用的，任何多晶金刚石层的厚度是指该层的最大厚度，因为所述金刚石层的厚度沿该层可以变化。具体地，在本发明的范围之内的是，多晶金刚石层的厚度可以变化，使得切割元件在与地层接合的区域内厚度最大。明确表明在本发明的范围之内的是，多晶金刚石层可变化或递减，使得其沿该层具有非均匀的厚度。厚度上的这种变化通常可以来自创建非均匀界面中镶齿主体/基体的非均匀上表面的使用。在一个或多个具体的实施例中，可以使用包括一个圆顶形或大致凸起界面的非均匀界面，特别是当与图5-10中示出的大致尖端切割元件结合使用时。然而，同样在本发明的范围之内的是，也可以使用其它界面几何特征以及平面界面。
[0052]本发明的切割元件在牙轮钻头和锤击钻头中显得特别有用。牙轮岩石钻头包括适于耦接至可旋转钻柱的钻头主体，并且包括被可旋转地安装到该钻头主体上的至少一个“牙轮”。参考图11，牙轮岩石钻头10被示为设置在钻孔11中。钻头10具有包括大致向下延伸的腿部13的主体12，以及与其相对的用于连接到钻柱(未示出)的螺纹销端部14。轴颈轴(未示出)从腿13悬臂伸出。牙轮(或滚动切割器)16被可旋转地安装到轴颈轴上。每个牙轮16具有安装在其上的多个切割元件17。当主体10通过钻柱(未示出)的转动而转动时，牙轮16在钻孔底部18上旋转，并通过靠着一部分钻孔侧壁19旋转来保持钻孔的孔径。当所述牙轮16旋转时，各个切割元件17旋转到与地层接触，然后与地层脱离接触。
[0053]锤击钻头在其靠着正被钻探的地层旋转时通常被冲击锤撞击。参考图12，示出了一个锤击钻头。锤击钻头20具有主体22，在主体22的一端具有头部24。主体22被接收在锤(未示出)中，并且所述锤移动所述头部24靠在地层上以破碎地层。切割元件26被安装在头部24中。一般地，切割元件26通过压入配合或铜焊到所述钻头中而被嵌入到钻头中。
[0054]本发明的切割镶齿可具有包括圆柱形保持部的主体，一个凸起从该保持部延伸。所述保持部被嵌入并固定于牙轮或锤击钻头，并且所述凸起从所述牙轮或锤击钻头的表面向外延伸。所述凸起例如可以是半球形的，其通常被称为半圆顶部(SRT)，或者可以是圆锥形的、或凿子形的、或可以形成相对于保持部和凸起之间的相交平面倾斜的脊。在一些实施例中，所述多晶金刚石外层和一个或多个过渡层可以延伸超过所述凸起并且可以覆盖所述圆柱形保持部。
[0055]现在参考图13，示出了固定切割器钻头160。如图所示，所述钻头160包括钻头主体110，其具有螺纹上部销端111和切割端115。所述切割端115可以包括绕着所述钻头的旋转轴线(也称为纵向或中心轴线)排列并从所述钻头主体110径向向外延伸的多个肋或刀片120。切割元件150以预定的角度方向和径向位置被嵌入到所述刀片120中，并且相对于待被钻探的地层具有所期望的后倾角和侧倾角。这样的切割元件可以包括具有平面或基本上为平面的上表面(如图1所示)的剪切切割器，以及具有基本上尖状切割端的切割元件，如图δ-?Ο 中所示。这种在刀片 120 上具有剪切切割器 150 和大体上尖状切割元件 155 的混合式结构的钻头160例如示于图15中。
[0056]多个孔口116定位于钻头主体110上的刀片120之间的区域中，该区域可以被称为“间隙”或“流体流道”。该孔口 116通常适于接受喷嘴。孔口 116允许钻井流体在刀片120之间以选定的方向或选定的流速排出经过钻头，用于润滑和冷却钻头160、刀片120和切割器150。随着钻头160旋转并穿过地质构造，钻井流体还清洁并除去钻肩。如果没有适当的流动特性，切割器150的冷却不足可能在钻井操作期间导致切割器失效。流体流道被定位为钻井流体提供额外的流动通道，并为岩肩通过钻头160移向井眼(未示出)的地面提供通道。
[0057]如贯穿本发明所描述的，切割元件可以在各种钻头类型上使用。然而，同样在本发明的范围之内的是，该切割元件可以被包括在扩眼器以及其它井下切割工具上。图14示出了扩眼器830的一般结构，其包括本发明的一个或多个切割元件。扩眼器830包括工具主体832和绕其圆周以选定方位角位置布置的多个刀片838。扩眼器830通常包括连接结构834、836(例如，螺纹连接结构)，使得扩眼器830可以耦接到相邻的例如包括钻柱和/或底部钻具组合(BHA)(未示出)的钻具。工具主体832通常包括贯穿的孔，使得钻井流体当被从地面栗送(例如从地面泥浆栗(未示出))到井眼底部(未示出)时可以流经扩眼器830。图14中示出的刀片838是螺旋形刀片，并且通常绕着工具主体(即扩眼器830)的外周以大致相等的角度间隔定位。这种布置不是对本发明的范围的限制，而是仅用于说明目的。本领域普通技术人员将认识到，可以使用任何井下切割工具(包括磨削机或扶正器)或用于例如建筑和采矿工具(例如道路开槽工具、矿用镐等)的其它切割工具。
[0058]虽然上文仅详细描述了几个示例性的实施例，但所属领域技术人员应该容易理解，在实质上不脱离本发明的情况下，对示例性的实施例进行多种修改是可能的。相应地，所有这样的修改应当被包含于本发明的范围内。在权利要求中，功能性限定的表述被预期覆盖在此描述的执行所引用的功能的结构，不仅限于在结构上的等价，还包括等价的结构。因此，尽管钉子和螺钉可能在结构上不等价，因为钉子具有圆柱形表面，以便紧固木质零件，而螺钉具有螺旋形表面，然而在紧固木质零件的环境下，钉子和螺钉可以是等价的结构。
【申请人】的明确意图是不为本文的任何权利要求的任何限制援引35U.S.C.§112第6段，除了权利要求明确使用词语“用于…的装置”和相关联的功能外。
【主权项】
1.一种切割元件，包括: 基体，包括多个金属碳化物颗粒和具有第一金属结合剂含量的第一金属结合剂； 位于所述切割元件的一端处的由多晶金刚石材料构成的外层，所述多晶金刚石材料包括: 多个互连的金刚石颗粒；以及 设置在所述互连的金刚石颗粒之间的多个间隙区域，所述多个间隙区域包含具有第二金属结合剂含量的第二金属结合剂；以及 位于所述基体和外层之间的至少一个过渡区域，所述至少一个过渡区域包括多个耐熔金属碳化物颗粒和具有第三金属结合剂含量的第三金属结合剂，所述第三金属结合剂含量小于第一金属结合剂含量和第二金属结合剂含量。2.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一个过渡区域在其最厚点处具有第一厚度，所述第一厚度小于外层在其最厚点处的第二厚度。3.如权利要求2所述的切割元件，其中，所述第二厚度至少为所述第一厚度的两倍。4.如权利要求1所述的切割元件，其中，由多晶金刚石材料构成的外层具有非平面的上表面。5.如权利要求4所述的切割元件，其中，所述非平面的上表面终止于滚圆顶端。6.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一个过渡区域包括小于5重量百分比的金刚石含量，最高可达95重量百分比的耐熔金属碳化物含量，所述第三金属结合剂含量为约I到2重量百分比。7.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一个过渡区域包括至少两个过渡区域，其中，所述至少两个过渡区域中的一个与所述外层相邻，且包括大于10重量百分比的金刚石含量、小于89重量百分比的耐熔金属碳化物含量，而且包括具有约I到8重量百分比的第四金属结合剂含量的第四金属结合剂。8.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石材料还包括设置在所述多个间隙区域中的耐熔金属。9.如权利要求8所述的切割元件，其中，所述多晶金刚石材料包括最高可达95重量百分比的金刚石含量、至少5重量百分比的第二金属结合剂含量以及最高可达5重量百分比的耐恪金属含量。10.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述基体包括至少85重量百分比的金属碳化物含量，且所述第一金属结合剂含量为至少6重量百分比。11.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述耐熔金属碳化物的耐熔金属是选自以下组中的至少一种:钨，钛，钽，铌，锆以及它们的混合物。12.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述多个互连的金刚石颗粒具有约0.5至100微米的平均颗粒尺寸。13.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述多个耐熔金属碳化物颗粒具有小于10微米的晶粒尺寸。14.如权利要求1所述的切割元件，其中，所述至少一个过渡区域具有比基体更高的硬度和更高的强度。15.—种形成切割元件的方法，包括: 邻近于一个或多个过渡体积的耐熔金属颗粒与碳源的混合物放置一体积的金刚石晶粒，所述一个或多个过渡体积包括第一过渡体积，所述第一过渡体积具有占所述第一过渡体积的总重量的至少60重量百分比的耐熔金属颗粒； 邻近于所述一个或多个过渡体积且与所述体积的金刚石晶粒相反地放置包括多个碳化物颗粒与金属结合剂的金属碳化物基体材料;以及 将所述体积的金刚石晶粒、一个或多个过渡体积、和金属碳化物基体材料暴露于高压/高温烧结条件下，以形成附连到基体上的烧结多晶金刚石体，在所述烧结多晶金刚石体与基体之间具有至少一个过渡区域。16.如权利要求15所述的方法，其中，所述高压条件包括约45至90千巴。17.如权利要求15所述的方法，其中，第一过渡体积包括占所述第一过渡体积的总重量的最高可达90重量百分比的耐熔金属颗粒。18.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一过渡体积邻近所述体积的金刚石晶粒，并且所述一个或多个过渡体积包括邻近所述金属碳化物基体材料的第二过渡体积。19.如权利要求18所述的方法，其中，所述第一过渡体积包括占所述第一过渡体积的总重量的少于80重量百分比的耐熔金属颗粒，并且所述第二过渡体积包括占所述第二过渡体积的总重量的至少80重量百分比的耐熔金属颗粒。20.如权利要求15所述的方法，其中，所述耐熔金属颗粒具有小于5微米的颗粒尺寸。21.如权利要求15所述的方法，其中，所述过渡区域包括多个耐熔金属碳化物颗粒和金属结合剂，所述耐熔金属碳化物颗粒具有约1-15微米的颗粒尺寸。22.如权利要求15所述的方法，其中，所述碳源包括多个金刚石颗粒。23.—种井下切割工具，包括: 工具主体，以及固定到所述工具主体上的如权利要求1所述的至少一个切割元件。
【文档编号】E21B10/46GK105899751SQ201480072405
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月7日
【发明人】D·R·霍尔, R·B·克罗克特, N·坎农, D·诺里斯, M·K·凯沙维安
【申请人】史密斯国际有限公司