機械鎖定的聚晶金剛石元件和工業裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及聚晶金剛石(PCD)元件和工業裝置，諸如在還形成銅焊接點的接口處具有機械鎖的鉆地鉆頭。
[0002]發明背景
[0003]各種工業裝置的部件經常經受極端條件，諸如高溫和與硬表面和/或磨損表面的高沖擊接觸。例如，在用于采油或挖掘目的的地球鉆探期間常見地遭遇極端溫度和壓力。金剛石以其無與倫比的機械性質，在供地球鉆探之用的切削元件或耐磨接觸元件中適當地使用時可能是最有效的材料。金剛石異常地堅硬，將熱傳導遠離與磨損表面的接觸點，并且在此類情形下可以提供其他益處。
[0004]由于金剛石晶體的隨機分布，呈多晶形式的金剛石與單晶金剛石相比具有更高的韌性，這避免了見于單晶金剛石中的特定斷裂面。因此，在許多鉆探應用中，聚晶金剛石(PCD)通常是金剛石的優選形式。利用PCD的鉆頭切削元件統稱為聚晶金剛石刀具(PDC)。因此，集成有PCD切削元件的鉆頭可以稱為roc鉆頭。
[0005]PCD元件可以在壓制機中通過使小晶粒金剛石和其他起始材料經受超高壓力和溫度條件得以制造。一個P⑶制造過程涉及在襯底(諸如碳化鎢襯底)上直接形成聚晶金剛石。所述過程涉及放置襯底，連同將與觸媒粘合劑混合的金剛砂釋放到壓制機的容器中，以及使壓制機的內容物經受高溫、高壓(HTHP)壓制循環。高溫和高壓致使小的金剛砂形成為緊緊粘結到所述襯底的整體PCD。
[0006]—旦形成，P⑶元件隨后可以經由所述襯底附接到鉆頭。由于材料性質(諸如濕潤度)的不同，當使用某些方法時，襯底通常比金剛石更易于粘結到另一個表面。例如，PCD元件可以在其襯底處經由錫焊或銅焊附接到鉆頭，而不具有襯底的PCD則不能輕易地粘結到具有足夠強度以便耐受鉆探條件的鉆頭。錫焊和銅焊可以在使元件的PCD部分保持穩定的相對較低溫度下執行，以使得PCD部分不受連接到鉆頭的過程的不利影響。
[0007]附圖簡述
[0008]可以通過參考以下結合附圖所作的描述獲得本實施方案及其優點的更加完整的理解，附圖示出本公開的特定實施方案，其中相似數字指類似部件，并且在附圖中:
[0009]圖1是具有機械鎖的P⑶元件和工業裝置的側視圖；
[0010]圖2是具有機械鎖的另一個P⑶元件和工業裝置的側視圖；
[0011 ]圖3A是具有機械鎖的第三P⑶元件和工業裝置的側視圖；
[0012]圖3B是圖3A的PCD元件的機械鎖的端視圖；
[0013]圖4A是具有機械鎖的第四P⑶元件和工業裝置的側視圖；
[0014]圖4B是圖4A的PCD元件的機械鎖的端視圖；
[0015]圖5是第五P⑶元件的機械鎖的端視圖；
[0016]圖6是具有機械鎖的第六PCD元件和工業裝置的端視圖；
[0017]圖7是具有機械鎖而不具有P⑶元件的工業裝置的端視圖；并且
[0018]圖8是包括P⑶刀具的固定刀具鉆頭的側視圖。
【具體實施方式】
[0019]本公開涉及具有機械鎖的PCD元件以及具有位于凹部中的機械鎖的工業裝置。PCD元件的機械鎖可以與凹部的機械鎖對接，以使得當PCD元件位于工業裝置中時，機械鎖接合，從而限制PCD元件在凹部內或外的移動。
[0020]本公開還涉及一種包括PCD元件的工業裝置，其中PCD元件的此類機械鎖和工業裝置中的凹部對齊。本文描述的工業裝置和方法可以另外地促進PCD元件正確地定位在所述裝置的凹部中，在PCD元件本身與凹部的壁之間建立正確的空隙，使工業裝置內的元件正確地對齊，或在PCD元件與凹部之間提供更多的表面面積以供由銅焊材料進行粘合。
[0021 ]機械鎖可以設計成在PCD元件與凹部之間沿著PCD元件與凹部之間的接口的至少一部分保持均勻間隙。它可以設計成使得將在使用所述裝置期間生成的力轉移到更大的接口面積，從而幫助防止PCD元件在凹部中移動或幫助將PCD元件保留在凹部中。機械鎖還可以設計成在使用工業裝置期間在PCD元件上施加另外的力，以便幫助防止PCD元件在凹部中的移動或將PCD元件保留在凹部中。
[0022]所述工業裝置還可以包括沿著P⑶元件與凹部之間的接口的至少一部分定位的銅焊材料。在一些實施方案中，銅焊材料可以基本上沿著全部接口定位。在其他實施方案中，可將銅焊材料主要定位在機械鎖處。在另外的實施方案中，可將銅焊材料主要沿著PCD元件與凹部之間的接口的一部分(該部分不是機械鎖)定位。
[0023]所述銅焊材料可以任何形式提供，但是在特定的實施方案中，它可以是薄箔片或線的形式。這可以設計成使得箔片在襯底與凹部之間沿著在銅焊過程期間形成的接口的至少一部分具有均勻厚度。箔片的這種均勻厚度可以促進在PCD元件與凹部之間形成均勻間隙。這可以設計成使得襯底與凹部之間沿著接口的至少一部分的接觸面積增加，以使得銅焊接點的強度增加。銅焊材料可以由能夠在PCD元件與凹座之間形成銅焊接點的任何材料組成。在特定實施方案中，所述材料可以包括與鎳(Ni)、銅(Cu)或銀(Ag)成合金的猛(Mn)、鋁(Al)、磷(P)、娃(Si)或鋅(Zn)。
[0024]可將PCD元件置于凹部中，以使得基本上僅PCD元件的襯底部分沿著接口放置，并且基本上沒有任何PCD沿著接口定位。這種布置可以保護PCD免受在銅焊過程中使用的材料和溫度。這種布置還可以使PCD的最大面積用于切削。在一些實施方案中，基本上全部襯底可以位于凹部內以便提供最大機械穩定性或PCD元件到工業裝置的附接。
[0025]可以通過將PCD元件和銅焊材料放置到凹部中來將PCD元件銅焊到工業裝置中，以使得機械鎖對齊，隨后將銅焊材料加熱到足以在PCD元件與凹部之間沿著接口的至少一部分形成銅焊接點的溫度。通常，可將銅焊材料至少加熱到其熔點。可先將銅焊材料放置到凹部中，然后再放置PCD元件。另外地，因為在銅焊過程期間可例如通過熔煉或移動P⑶元件將銅焊材料從其初始位置移位，所以在銅焊過程之前不需要覆蓋待銅焊的全部面積。
[0026]還可以通過再加熱銅焊材料(通常至少加熱到其熔點)來將PCD元件從凹部移除，隨后使PCD元件物理脫離。新的PCD元件隨后可以插入凹部中并且經由銅焊接點加以附接。
[0027]可替代地，在機械鎖繞旋轉軸線對稱的一些實施方案中，POT元件可以通過將銅焊材料加熱到足以允許PCD元件移動的溫度來在凹部中旋轉。在仍然保持機械鎖的同時使PCD元件旋轉的這種能力通過允許PCD元件的磨損區域移動，并且利用更小的磨損區域替代而無需切換整個新的PCD元件，可以增加工業裝置或PCD元件的整體使用壽命。
[0028]圖1中示出具有機械鎖的PCD元件和工業裝置的一個實施方案。包括襯底20和PCD30的PCD元件10位于工業裝置50的凹部40中。機械鎖60a沿著接口 70形成并且包括PCD元件10與工業裝置50的對齊的特征部。在所示出的實施方案中，銅焊材料80基本上沿著全部接口 70定位，盡管在其他實施方案中，它可以如上文描述沿著接口 70的部分定位。機械鎖60a幫助防止P⑶元件10在由箭頭指示的方向上的運動。
[0029 ] 機械鎖60a包括至少一個或一系列脊，所述脊沿著P⑶元件1的側邊和在凹部40的側壁中定位。這些脊可以如圖所示具有三角形截面，或它們可以具有其他構型，諸如長方形或橢圓形截面。機械鎖60b還可以組合不同的截面形狀。
[0030]在特定實施方案中，與在圖1中示出的機械鎖相類似，機械鎖60可以包括兩個脊，一個沿著PCD元件10的側邊定位，并且另一個定位在凹部40的側壁中。所述脊可以被配置來形成螺紋機構，諸如螺釘。這種實施方案可以為接口 70提供額外的機械強度。
[0031]在圖2中示出的實施方案中，機械鎖60b位于PCD元件1的端部中和凹部40的端壁中。機械鎖60b幫助防止PCD元件1在由箭頭指示的方向上運動。機械鎖60b包括凹部40的上壁100。盡管機械鎖60b示出為基本上具有成角度的截面，但是其他構型(諸如長方形或橢圓形截面)也可以是適合的。機械鎖60b還可以組合不同的截面形狀。
[0032]如圖3A中所示，機械鎖60c可以包括至少一個或一系列同心脊，所述同心脊位于PCD元件10的端部處和凹部40的端壁中。機械鎖60c幫助防止PCD元件10在由箭頭指示的方向上運動。機械鎖60c