用于高壓/高溫燒結的無基體的pcd片的制作方法

用于高壓/高溫燒結的無基體的pcd片的制作方法
【專利摘要】一種形成切割元件的方法可包括：使至少含有包含金剛石粉末的容器和一體積的高熔融溫度的非反應性材料的第一壓機經受第一高壓高溫燒結條件，以形成包括由結合在一起的金剛石晶粒以及位于結合在一起的金剛石晶粒之間的多個間隙空間構成的金剛石基質的燒結的多晶金剛石片；以及使含有所述燒結的多晶金剛石片和基體的第二壓機經受第二高壓高溫條件，從而將所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。
【專利說明】用于高壓/高溫燒結的無基體的PCD片
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年12月30日提交的美國臨時申請號61/922,039和于2014年12月10日提交的美國申請號14/566，195的權益，通過參引方式將它們的全部內容包含于此。
技術領域
[0003]多晶金剛石緊密體(PDC)切割器在包括鑿巖以及金屬機加工的工業應用中已經使用很多年了。通常，多晶金剛石(PCD)或其它超硬材料的緊密體結合到基體材料上以形成切割結構，該基體材料例如是諸如燒結碳化鎢的燒結金屬碳化物。PCD包括金剛石的多晶質量體，其結合在一起以形成整體的、堅韌的、高強度的質量體或晶格。所得的PCD結構產生耐磨和硬度的增強特性，使得PCD材料對于需要高水平的耐磨性和硬度的強力磨削和切割應用來說是非常有用的。為了用于石油工業，PCD切割元件被設置為專門設計的切割元件的形式，例如被配置為與地下鉆孔裝置附接的PCD片。
[0004]PDC切割器可以通過將燒結碳化物基體放置到壓機的容器中形成。金剛石晶粒或金剛石粉末與催化結合劑的混合物放置在基體之上，并在高壓高溫(HPHT)條件下處理。如此操作后，金屬結合劑(通常是鈷)從基體迀移并通過金剛石晶粒以促進金剛石晶粒之間的交互生長。結果，所述金剛石晶粒變得彼此結合以形成金剛石層，所述金剛石層也結合到基體。所述基體通常包括金屬碳化物復合材料，例如碳化鎢。沉積的金剛石層通常稱為“金剛石臺”或“研磨層” ο術語“顆粒”是指在燒結超硬磨料前使用的粉末，而術語“晶粒”是指燒結之后可以辨別的超硬磨料區域。
[0005]通常，P⑶可以包括85-95體積百分比的金剛石，其余部分為結合劑材料，該結合劑材料存在于PCD中、在結合的金剛石晶粒之間存在的空隙之內。用于形成常規的PCD的結合劑材料包括元素周期表第VIII族的金屬，例如鈷、鐵或鎳和/或它們的混合物或合金，其中鈷是最常用的結合劑材料。然而，雖然更高的金屬含量增加了所得PCD材料的韌性，但是更高的金屬含量也降低了 PCD材料的硬度，從而限制了能夠提供具有所需水平的硬度和韌性的PCD涂層的靈活性。此外，當選擇變量以增加PCD材料的硬度時，也增加了脆性，從而降低了PCD材料的韌性。
[0006]圖1簡要地示出了傳統的PCD材料100的微觀結構。如圖所示，P⑶材料100包括彼此結合以形成晶間金剛石基質第一相的多個金剛石晶粒120。用于在燒結過程內促進金剛石間的結合的催化劑/結合劑材料140，例如鈷，分散于金剛石基質第一相之間形成的間隙區域內。特別地，如圖1所示，結合劑材料140在整個PCD材料100的微觀結構上不是連續的。相反，PCD材料100的微觀結構可在PCD晶粒間具有均勻分布的結合劑。因此，經傳統的PCD材料的裂縫擴展往往會通過更小韌性和脆性的金剛石晶粒，無論是穿晶通過金剛石晶粒/結合劑界面150還是沿晶通過金剛石晶粒/金剛石晶粒界面160。

【發明內容】

[0007]提供本
【發明內容】
是為了介紹一系列概念，這些概念在下面的詳細說明中進一步描述。本
【發明內容】
不旨在標識所要求保護的主題的關鍵或必要特征，也不旨在用于輔助限制所要求保護的主題的范圍。
[0008]在一個方面，本發明的實施例涉及一種形成切割元件的方法，包括:使至少含有包含金剛石粉末的容器和一體積的高熔融溫度的非反應性材料的第一壓機經受第一高壓高溫燒結條件，以形成包括由結合在一起的金剛石晶粒以及位于結合在一起的金剛石晶粒之間的多個間隙空間構成的金剛石基質的燒結的多晶金剛石片；以及使含有所述燒結的多晶金剛石片和基體的第二壓機經受第二高壓高溫條件，從而將所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。
[0009]在另一方面，本文公開的實施例涉及一種形成切割元件的方法，包括:在耐熔金屬容器中放置第一組合，所述第一組合包括鄰近于催化劑材料層(例如，獨立的催化劑材料層)的一體積的金剛石粉末;將含有所述第一組合的耐熔金屬容器與鄰近于所述耐熔金屬容器的一體積的高熔融溫度的非反應性材料相組合，以形成第二組合;使第二組合經受第一高壓高溫燒結條件，以形成包括由結合在一起的金剛石晶粒以及位于結合在一起的金剛石晶粒之間的多個間隙空間構成的金剛石基質的燒結的多晶金剛石片，所述多晶金剛石片包括催化劑材料;使所述燒結的多晶金剛石片經受第一浸濾過程，使得所述催化劑材料基本上被從多晶金剛石片移除，以形成基本上不含催化劑材料的浸濾后的多晶金剛石片；以及使浸濾后的多晶金剛石片和基體經受第二高壓高溫條件，使得所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。
[0010]從下面的說明和所附權利要求，所要求保護的主題的其它方面和優點將會變得明顯。
【附圖說明】
[0011]參考附圖描述本發明的實施例。相同的附圖標記在整個附圖中用于指示相同的特征和部件。
[0012]圖1示出了傳統形成的多晶金剛石的微觀結構。
[0013]圖2和3示出了根據本發明的實施例的用于形成多晶金剛石體的簡圖。
[0014]圖4示出了一個roc鉆頭。
【具體實施方式】
[0015]總體上，本文公開的實施例涉及多晶金剛石(“PCD”)片(或體)，具體地，涉及在沒有使用被定位成在高壓高溫燒結處理中附接到PCD片的基體的情況下制造PCD片的方法。因此，本發明的方法可涉及在高熔融溫度的非反應性材料、例如強背材料以及可選的催化劑材料存在時在高壓高溫燒結條件下從金剛石粉末形成PCD片。如本文所討論的，所得到的PCD片可以可選地經受一個或多個附加的處理步驟，例如浸濾以除去催化劑材料，和/或經受第二高壓高溫燒結條件以將所述片附接到基體。
[0016]在一個或多個實施例中，多晶金剛石片或體可以由包括金剛石粉末和鄰近于高熔融溫度的非反應性材料設置的催化劑材料的組合形成。所述多晶金剛石體可以以常規方式形成，例如通過高壓高溫燒結“還體”顆粒來創建顆粒之間的晶間結合，但“還體”顆粒包含高熔融溫度的非反應性材料。簡要地說，為了形成多晶金剛石片，金剛石晶體顆粒的未燒結質量體被放置于高壓高溫裝置的反應單元的金屬外殼內。金屬催化劑，例如鈷或其它第VIII族金屬，包括鈷、鎳或鐵，可被包括于晶體顆粒的未燒結質量體中，以促進晶間金剛石與金剛石的結合。然而，同樣在本發明的范圍之內的是，可以單獨使用或組合使用其它催化劑材料。所述催化劑材料可以以粉末的形式提供并與金剛石晶粒混合，或在HPHT燒結過程中可滲入到金剛石晶粒中，例如從不同層的催化劑材料滲入。使該組合經受HPHT條件可導致相鄰的金剛石晶體之間發生晶間結合，以形成由金剛石與金剛石的結合和多個分散在該結合在一起的金剛石晶粒之間的間隙區域構成的網絡或基質相。在用于促進所述金剛石晶粒結合在一起的溶劑催化劑材料存在時，可用于由金剛石粉末形成多晶金剛石的HPHT燒結條件可包括1350至2000°C之間的溫度和5000兆帕或更高的壓力。
[0017]如本文所使用的，術語“耐熔金屬容器”是經受HPHT處理的壓力傳遞介質。耐熔金屬容器充當容器內容物(金剛石粉末)和容器外的任何材料之間的屏障，所以在HPHT處理期間，金剛石與容器外的材料之間沒有反應。
[0018]可用于形成多晶金剛石體的金剛石晶粒可以包括任何類型的金剛石顆粒，包括具有寬范圍的粒徑的天然或合成金剛石粉末。例如，這樣的金剛石粉末可以具有從亞微米至100微米范圍內的平均粒徑，或在其它實施例中平均粒徑在從I至80微米范圍內。此外，金剛石粉末可以包括具有單峰或多峰分布的晶粒。
[0019]在另一個實施例中，金剛石粉末混合物可以以包括含有結合劑的金剛石粉末的坯體狀態部分或混合物的形式提供，例如以金剛石帶或其它可形成/可確認的金剛石混合物產品的形式提供，以方便制造過程。在該金剛石粉末以這樣的坯體狀態部分的形式提供的情況下，有利的是，在HPHT固結和燒結之前進行預加熱處理，以驅除結合劑材料。在一個示例性實施例中，由上述HPHT處理得到的PCD體的金剛石體積含量可以在從約85 %至95 %的范圍內。對于某些應用，可能期望有高達約98%的較高的金剛石體積含量。
[0020]在該HPHT處理過程中，混合物中的催化劑材料熔化并滲入金剛石晶粒粉末中，以促進晶間金剛石結合。在這樣的晶間金剛石結合的形成過程中，催化劑材料可以迀移到如此形成的PCD體的微觀結構內的存在于金剛石結合晶粒之間的間隙區域中。應當指出的是，如果太多額外的非金剛石材料存在于晶體顆粒的粉末化的質量體中，則在燒結處理過程中可阻止明顯的晶間結合。例如，其中還沒有發生明顯的晶間結合的這種燒結材料不在PCD的定義之內。在形成晶間結合之后，可以形成多晶金剛石體，其在一個實施例中具有至少約80體積百分比的金剛石，剩余的是被催化劑材料占據的金剛石晶粒之間的間隙區域。在其它實施方案中，這樣的金剛石含量可以占所形成的金剛石體的至少85體積百分比，或在又一個實施例中占至少90體積百分比。然而，本領域的術人員將認識到，在替代實施例中也可以使用其它金剛石密度。因此，根據本發明所使用的多晶金剛石體包括本領域中經常所稱的“高密度”多晶金剛石。
[0021]如上所述，除了金剛石粉末和催化劑材料外，本發明的PCD結構還可以在存在高熔融溫度的非反應性材料的情況下形成。圖2示意性示出了用于制造本發明的PCD材料的部件組合的一個例子。如圖所示，金剛石粉末204被放置在金屬反應容器208中。此外，容器208(例如，含有金剛石粉204，以及在一個實施方案中，含有金剛石粉末204和可選的催化劑材料的耐熔金屬容器)與高熔融溫度的非反應性物質206組合。在該所示的實施例中，高熔融溫度的非反應性材料206被放置在所述容器208外并鄰近于所述容器;然而，其他實施例可包括將高熔融溫度的非反應性材料206放置在容器208內。在一些實施例中，容器208可以基本上包括金剛石粉204和催化劑材料，并且該容器208不包括基體材料，例如WC或WC-Co。容器208和高熔融溫度的非反應性材料206的組合被放置在電阻加熱管202中經受HPHT燒結條件。盡管沒有特別示出，但是在本發明的范圍之內的是，電阻加熱管202可包括加載于其中的多個容器208(含有金剛石粉204)。另外，根據電阻加熱管202所包含的容器208的數量，可能還需要使用多個高熔融溫度的非反應性材料206。當使金剛石粉末204經受HPHT燒結條件時，多個金剛石顆粒結合在一起以形成燒結的PCD片。另外，由于金剛石粉末被設置于反應容器中但沒有基體或基體材料，因此所形成的PCD片是沒有結合于其上的基體的獨立體。
[0022]在所示的實施例中，PCD片是通過使用高熔融溫度的非反應性材料形成的，更具體說，是通過使用強背材料形成的。如本文所使用的，術語“強背材料”應理解為那些能夠在HPHT燒結條件期間充當壓機的填料從而最大化所述粉末的坯體狀態的材料。如本文所使用的，強背材料被放置在反應容器之外。高熔融溫度的非反應性材料通常可包括強背材料以及能夠不與PCD片反應或不結合到PCD片并因此可以在容器之內或之外被組合的其它材料。通常，盡管期望將最大數量的反應容器(含有金剛石粉末)放置到壓機中以最大化在單個壓制步驟中所形成的PCD片的數量，但這樣做會由于在HPHT燒結條件期間材料收縮導致壓機內的壓力降低。因此，通過向壓機中引入不可壓縮的“填料”，仍然可以獲得高的內部單元壓力。這樣，在壓機中加入高熔融溫度的非反應性材料，例如強背材料，與不使用高熔融溫度的非反應性材料的壓機相比可使內部單元壓力有1%至20%的范圍內的增加。
[0023]因此，高熔融溫度的非反應性材料或強背材料可以表現出以下性質中的一種或多種:I)是高熔融溫度的非反應性材料;2)具有HPHT燒結處理中所使用的溫度以上的熔融溫度;3)比其它材料更少可壓縮;4)在HPHT燒結處理過程中不發生反應;5)在壓機容器中基本上維持其原始體積;和6)具有400千牛/平方毫米以上的彈性模量和90%以上的體積密度。強背材料屬于碳化物、氮化物、碳氮化物、陶瓷材料、金屬材料、包括非催化材料如WC-Cu、WC-Cu合金的金屬陶瓷材料等的族，包括具有400千牛/平方毫米以上的彈性模量和90%以上的體積密度的其它材料，但也可在所述反應容器中使用在低于約2200°的溫度下不促進金剛石顆粒變化或相互作用的其它材料作為高熔融溫度的非反應性材料。根據所選擇的高熔融溫度的非反應性材料或強背材料的類型，強背材料可被放置在放有金剛石粉末的容器之外，但鄰近容器，從而阻止強背材料與金剛石發生反應。同樣在本發明的范圍之內的是，對于強背材料在壓機中相對于反應容器的放置沒有限制。因此，諸如容器-強背-容器或強背-容器-容器-強背的組合或任何其他變型都是可能的。
[0024]有利的是，本發明的發明人發現了一種方法，通過使用放置在反應容器外以防止與金剛石粉末發生反應的高熔融溫度的非反應性材料(在一些實施方案中為強背材料)來最大化在燒結處理過程中的壓力單元。在壓機內包括這樣的材料可減少和/或最小化由于金剛石體積的減少而在燒結處理過程中引起的內部單元壓力降低量。這樣，使用相等的液壓壓力，當包括強背或其它高熔融溫度的非反應性材料時內部單元壓力可以變化0.?-ο.5GPa，而不具有高熔融溫度的非反應性材料的內部單元壓力可以變化0.5-1.0GPa，這取決于金剛石粉末體積和強背體積的比值。因而具有和不具有高強背材料的內部單元壓力的總變化范圍可以為從0.1到1.0GPa。
[0025]根據一些實施例，催化劑材料可以被放置為與耐火金屬容器內的金剛石混合物分離且不預混合的一個獨立層。例如，現在參照圖3，金剛石粉末304可以被放置在金屬反應容器308中。此外，獨立的一層催化劑材料310與金剛石粉末304組合地也放置在容器308中。容器308(含有金剛石粉末304和催化劑材料310，并且在一個實施例中，由金剛石粉末304和催化劑材料310組成)與高熔融溫度的非反應性材料306組合。在該所示的實施例中，高熔融溫度的非反應性材料306被放置于容器308外并靠近容器308;然而，其它實施例可以包括將高熔融溫度的非反應性材料306放置于容器308中。容器308與高熔融溫度的非反應性材料306的組合被放置于電阻加熱管302中經受HPHT燒結條件。盡管沒有特別示出，但是特別在本發明的范圍之內的是，電阻加熱管302可包括加載于其中的多個容器308(含有金剛石粉304和催化劑材料310)。另外，根據電阻加熱管302所包含的容器308的數量，可能還需要使用多個高熔融溫度的非反應性材料306。當使金剛石粉末304和催化劑材料310經受HPHT燒結條件時，催化劑材料310熔融并滲透金剛石顆粒，催化金剛石晶粒間的晶間結合以形成燒結的PCD片。另外，由于金剛石粉末設置于反應容器中而沒有基體或基體材料，因此所形成的PCD片是沒有結合于其上的基體的獨立體。所述催化劑材料可以以金屬箔或金屬盤的形式提供。其它實施例包括作為與鎢和/或碳化鎢粉末的混合物提供的催化劑材料。在各種實施例中，催化劑材料可具有占預混合材料的10-100的重量百分比。
[0026]此外，根據上述方法形成PCD片之后，P⑶片可以可選地經受一個或多個附加處理。例如，所形成的PCD片可以隨后附著到基體上，例如通過第二高壓高溫處理。根據附著途徑，還可能需要在HPHT燒結之前從PCD片除去催化劑材料。在一個或多個其它實施例中，可以在沒有隨后將PCD片附著到基體上的情況下執行至少部分地移除所述催化劑材料。
[0027]在示例性實施例中，催化劑材料通過合適的工藝被從P⑶體移除，例如通過諸如通過酸浸濾或王水浴的化學處理、諸如通過電解處理的電化學處理、通過液體金屬溶解技術、通過在液相燒結處理過程中將現有第二相材料清除并用另一種替換的液態金屬滲透技術、或通過它們的組合。如本文所使用的，術語“移除”用來指代溶劑金屬催化劑材料在PCD片中的減少存在，并且被理解為是指，大部分溶劑金屬催化劑材料不再存在于PCD片內。然而，應該理解的是，少量溶劑金屬催化劑材料仍可能留在PCD片的微觀結構中的間隙區域內和/或附著在金剛石晶體的表面上。另外，術語“基本上不含”，如本文所使用的指代在溶劑金屬催化劑材料已經被移除之后的剩余PCD片，應被理解為是指可能仍有一些少量溶劑金屬催化劑殘留于PCD體中，如上面提到的。
[0028]在示例性實施例中，所述溶劑金屬催化劑材料通過酸浸技術被從PCD體的整個或期望區域移除。合適的酸包括硝酸、氫氟酸、鹽酸、硫酸、磷酸、高氯酸、或這些酸的組合。另夕卜，諸如氫氧化鈉和氫氧化鉀的腐蝕劑已被用于碳化物工業來溶解來自碳化物復合材料的金屬元素。此外，如需要，可以使用其它酸性和堿性浸出劑。本領域普通技術人員將理解，根據所需浸出時間、對危險的考量等可調節浸出劑的摩爾濃度。
[0029]PCD體經過浸濾處理后殘留在材料微觀結構中的催化劑材料的量將會根據例如移除處理的效率、金剛石基質材料的尺寸和密度、或PCD體內將要保留的任何溶劑催化劑材料的期望量的因素而變化。例如，在某些應用中可能期望允許少量的溶劑金屬催化劑材料留存于PCD體中。在一個示例性實施例中，可能期望該PCD體包括不超過I體積百分比的溶劑金屬催化劑材料。此外，本領域技術人員將理解，在某些應用是可能接受或者期望允許少量的催化劑材料留存于PCD體中。在一個特殊的實施例中，PCD體可以包括高達1-2重量百分比的催化劑材料。
[0030]通過浸濾出催化劑(例如鈷)，可形成熱穩定多晶(TSP)金剛石。在某些實施例中，選定部分的金剛石復合材料被浸濾，以獲得熱穩定性而不會失去耐沖擊性。如本文所用的，術語TSP包括這兩種(即部分地和完全地被浸濾)化合物。浸濾后剩余的間隙體積可以通過進一步固結或通過用輔助材料填充該體積而減少。多晶金剛石體的浸濾從間隙區域移除了至少大部分的催化材料，留下其中具有空隙的多晶金剛石體。此外，被浸濾的PCD片然后可通過HPHT燒結附接到基體上，以便于附接到例如鉆頭、切割工具、或其他最終應用設備上。當被浸濾的PCD片通過HPHT工藝附接到基體上時，一個或多個實施例可以包括移除在整個PCD片中的基本上所有的催化劑材料。
[0031 ]雖然傳統的P⑶催化劑，例如包括鈷的第VIII族的溶劑催化劑，可以用于形成P⑶，但是也可以使用其它催化劑。例如，可以使用諸如碳酸鎂的碳酸鹽催化劑。這樣的催化劑可以通過已知的浸濾方法被浸出(例如被分解)。
[0032]在預成形的片結合到基體上的第二HPHT處理過程中，由基體提供的浸滲劑材料可被液化，并可以滲透到PCD片中進入先前結合在一起的金剛石晶粒之間的在催化劑材料被從PCD片移除前含有催化劑材料的間隙區域中。在該浸滲和隨后的冷卻過程中，PCD片結合到基體，從而形成具有連接到基體上的多晶金剛石層的切割元件。此外，根據所述切割元件的最終應用(和預期溫度)以及所使用的浸滲劑的類型，也可能期望從多晶金剛石層的間隙區域移除至少一部分浸滲劑材料，例如通過使用上述技術。在這樣的處理中，應該注意的是，該浸滲劑可以期望地從PCD層的工作(上和側)表面的給定深度中移除，例如從至少50微米和多達I毫米或更多的深度中移除，這取決于所期望的材料特性、切割元件尺寸等。
[0033]在一個示例性實施例中，設備被控制為使得所述容器經受HPHT處理足夠長的時間，HPHT處理包括從5到7GPa范圍內的壓力和從1320到2000°C范圍內的溫度。在一些實施例中，第二HPHT處理的壓力可以大于第一HPHT處理的壓力，在其他實施例中，第二HPHT處理的壓力可以小于第一 HPHT處理的壓力。雖然已經為該第二 HPHT處理提供了特定的壓力和溫度范圍，但是應當理解的是，根據例如基體中所使用的浸滲劑材料的類型和/或量，這樣的處理條件可以并會變化。在HPHT處理完成后，將容器從HPHT設備移除，并且包括結合在一起的PCD體和基體的組合體被從容器中取出。
[0034]在一個示例性實施例中，用于形成PCD緊密體的基體由金屬陶瓷材料，例如包含用于填充PCD體的浸滲劑材料的WC-Co形成。用于基體的合適的材料包括但不限于，金屬、陶瓷、和或硬質合金。合適的浸滲劑材料包括元素周期表中的第VIII族金屬或它們的合金，包括鐵、鎳、鈷、或它們的合金。PCD體與基體的附接或(重新附接)可以通過將該兩零件放置于耐火金屬罐中并使這兩零件經受燒結條件以將這兩個零件結合在一起而實現。
[0035]通過在碳化物基體上燒結多晶金剛石，然后除去基體，浸出催化劑并重新附接基體而形成的常規PCD片受到殘余應力的限制。然而，本發明的發明人發現，沒有碳化物基體時燒結的PCD片可以節省制造成本并控制殘余應力和材料平整度。有利的是，本發明的發明人發現，用作壓機單元的填料的非壓縮高熔融溫度的非反應性材料最大化或增加了在所述單元中的內壓。根據本發明的一些實施例，通過將強背材料放置于常規耐火金屬容器(含有金剛石顆粒和在HPHT燒結處理中使用的催化劑)外并鄰近于該容器，通常可以在所述容器及壓機內獲得高壓。此外，多個容器的金剛石粉末可以與一個或多個體積的強背材料組合到單個壓機單元中。這些獨立的容器組合可以與在它們之間的高溫非反應性材料一起堆疊到石墨加熱器管中。由于在第一燒結處理中沒有碳化物基體，因此可以包括更多總體積的金剛石用于HPHT燒結，而不會在內部單元中出現由于金剛石體積減少導致的壓力減下。傳統地，由于腔室尺寸的限制，可裝入HPHT單元中的部件數量有限。因此，使用強背材料或其它高溫非反應性材料允許更多的部件裝入到HPHT裝置中用于燒結，進而又降低了制造成本并提高生產量。此外，由于較少的研磨時間，沒有碳化物且具有較平坦的表面，還可以縮短完工時間。根據預混到金剛石混合物或浸滲源中的粉末，所述片在重新結合階段之前也可以被浸濾得快兩倍。
[0036]此外，在PCD片由作為箔或盤提供的催化劑材料形成且單元壓力通過添加強背材料或其它高溫非反應性材料作為填料來保持的一個或多個實施例中，與傳統的包括混合到粉末中的催化劑材料的PCD材料相比，PDC片顯示出顯著的熱穩定性改進，從而顯示出改善的使用壽命。本發明的PCD片可用于形成許多不同的應用中的磨削和/或切割元件，例如井下或其它切割工具。例如，本發明的PCD片可以特別適合于在例如用于鉆地層的鉆頭上的那些應用中用作在石油和天然氣工業中使用的磨削和/或切割元件。
[0037]例如，圖4示出具有鉆頭本體12的旋轉鉆頭10。鉆頭本體12的面形成有多個葉片14，其從鉆頭10的中心縱向旋轉軸線16大體向外延伸。多個roc切割器18沿著每個刀片的長度并列設置，使得切割器18的工作表面(即接觸并切割被鉆的地層的表面)被定位在刀片14的前導面處并面向鉆頭的旋轉方向。在一個或多個實施例中，PDC切割器可使用本文所公開的方法形成。
[0038]盡管上面已經詳細描述了少量示例性實施例，但是本領域技術人員可以容易地意識到，示例性實施例可以進行許多修改而不會實質上脫離本發明。因此，全部的這些改變都旨在包含于本發明的范圍內。在權利要求書中，功能性限定從句用于覆蓋這里描述的執行列舉的功能的結構并且不僅僅是結構性等價物，而且還是等價性結構物。因此，盡管釘子和螺絲可能不是結構性等價物，因為釘子采用柱面將木質部件固定到一起，而螺絲采用螺旋面，但是在固定木質部件的條件下，釘子和螺絲可以是等價性結構物。本申請的明確目的在于不援引35U.S.C.§112第6段對本文的權利要求作任何限定，除非在權利要求中明確地將詞語“用于…的裝置”和相關的功能一起使用。
【主權項】
1.一種形成切割元件的方法，包括: 使至少含有包含金剛石粉末的容器和一體積的高熔融溫度的非反應性材料的第一壓機經受第一高壓高溫燒結條件，以形成包括由結合在一起的金剛石晶粒以及位于結合在一起的金剛石晶粒之間的多個間隙空間構成的金剛石基質的燒結的多晶金剛石片；以及 使含有所述燒結的多晶金剛石片和基體的第二壓機經受第二高壓高溫條件，從而將所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。2.如權利要求1所述的方法，其中，在使第二壓機經受第二高壓高溫條件的過程中，所述片與基體的附接使得由所述基體提供的浸滲劑材料滲透到所述多晶金剛石片內的間隙空間中。3.如權利要求2所述的方法，進一步包括:處理所述切割元件，以移除駐留在所述多晶金剛石層內的間隙空間中的至少一部分浸滲劑材料。4.如權利要求1所述的方法，其中，所述高熔融溫度的非反應性材料是強背材料。5.如權利要求4所述的方法，其中，所述強背材料設置于包含金剛石粉末的罐體外且鄰近所述罐體。6.如權利要求4所述的方法，其中，所述強背材料是過渡金屬碳化物材料。7.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一壓機中裝載有多個包含金剛石粉末的容器。8.如權利要求1所述的方法，其中，所述第二高壓高溫條件的壓力高于所述第一高壓高溫條件的壓力。9.如權利要求1所述的方法，其中，第一高壓高溫燒結條件及第二高壓高溫燒結條件包括高達2000 °C的溫度和高達8GPa的壓力。10.—種形成切割元件的方法，包括: 在耐熔金屬容器中放置第一組合，所述第一組合包括鄰近于獨立的催化劑材料層的一體積的金剛石粉末； 將含有所述第一組合的耐熔金屬容器與鄰近于所述耐熔金屬容器的一體積的高熔融溫度的非反應性材料相組合，以形成第二組合； 使第二組合經受第一高壓高溫燒結條件，以形成包括由結合在一起的金剛石晶粒以及位于結合在一起的金剛石晶粒之間的多個間隙空間構成的金剛石基質的燒結的多晶金剛石片，所述多晶金剛石片包括催化劑材料； 使所述燒結的多晶金剛石片經受第一浸濾過程，使得所述催化劑材料基本上被從多晶金剛石片移除，以形成基本上不含催化劑材料的浸濾后的多晶金剛石片；以及 使浸濾后的多晶金剛石片和基體經受第二高壓高溫條件，使得所述片附接到基體，以形成具有位于基體上的多晶金剛石層的切割元件。11.如權利要求10所述的方法，其中，在將所述片附接到所述基體的過程中，由所述基體提供的浸滲劑材料滲透到所述多晶金剛石片內的間隙空間中。12.如權利要求11所述的方法，其中，所述切割元件經受第二浸濾過程，以從所述多晶金剛石層內的間隙空間移除至少一部分浸滲劑材料。13.如權利要求10所述的方法，其中，所述催化劑材料以金屬箔或金屬盤的形式提供。14.如權利要求10所述的方法，其中，所述催化劑材料是第VIII族的金屬。15.如權利要求10所述的方法，其中，所述第一高壓高溫燒結條件足以使得所述催化劑材料熔化并滲透到所述體積的金剛石粉末中。16.如權利要求10所述的方法，其中，催化劑材料層包括密度為30-100%的催化劑。17.如權利要求10所述的方法，其中，所述第二高壓高溫條件的壓力高于第一高壓高溫條件的壓力。18.如權利要求10所述的方法，其中，第一高壓高溫燒結條件及第二高壓高溫燒結條件包括高達2000 °C的溫度和高達8GPa的壓力。19.如權利要求1O所述的方法，其中，高熔融溫度的非反應性材料是強背材料。20.如權利要求19所述的方法，其中，所述強背材料是過渡金屬碳化物材料。
【文檔編號】B22F3/12GK105980088SQ201480075229
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年12月15日
【發明人】Y·鮑, R·K·艾爾
【申請人】史密斯國際有限公司