[發明專利]熱穩定多晶金剛石及其制造方法

有效

• 申請號: 201480050183.6
• 申請日: 2014-09-10
• 公開（公告）號: CN105531440B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: Y·鮑;L·趙;J·D·貝爾納普;Z·林
• 申請（專利權）人: 史密斯國際有限公司
• 主分類號: E21B10/46
• 分類號: E21B10/46;B24D3/06;B24D3/10
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所11105
• 代理人: 盧亞靜

相關申請的交叉引用

本專利申請要求于2014年9月9日提交的美國專利申請第14/481570號和于2013年9月11日提交的美國臨時專利申請第61/876696號的優先權及權益，它們的全文內容在此通過參引方式納入本文。

背景技術

多晶金剛石(“PCD”)材料和由其形成的PCD元件在本領域中是公知的。傳統的PCD可通過在適宜的溶劑金屬催化劑材料的存在下將金剛石顆粒暴露于高壓/高溫(HPHT)工藝條件下來形成，其中，所述溶劑金屬催化劑促進顆粒之間的所期望的晶間金剛石與金剛石結合，從而形成PCD結構。所得PCD結構產生增強的耐磨和硬度特性，使得這樣的PCD材料在需要高水平的耐磨和硬度的激烈磨損和切割應用中非常有用。圖1示出傳統形成的PCD材料10的微觀結構，其包括多個被彼此結合以形成晶間金剛石基質第一相的金剛石晶粒12。用于促進在所述燒結工藝中發生的金剛石與金剛石結合的催化劑/結合劑材料14，例如鈷，分散于所述金剛石基質第一相之間形成的間隙區域中。術語“顆粒”指的是在燒結超硬磨料之前所用的粉末，而術語“晶粒”指的是在燒結之后可見的超硬磨料區域，如本領域已知并確定的。

通常可以以兩種方式提供用于促進金剛石與金剛石結合的催化劑/結合劑材料。該催化劑/結合劑可被提供為在燒結前與所述金剛石晶粒或砂礫預混合的原料材料粉末的形式。在一個或多個其他實施例中，可通過從最終PCD材料待被結合到的底層基體材料滲透到所述金剛石材料中(在高溫/高壓工藝過程中)提供催化劑/粘結劑。在催化劑/結合劑材料促進所述金剛石與金剛石的結合之后，所述催化劑/結合劑材料通常分布在整個金剛石基質的在金剛石晶粒之間形成的間隙區域中。具體地，如圖1所示，結合劑材料14在傳統的PCD材料10的整個微觀結構中是不連續的。相反，傳統的PCD材料10的微觀結構中的結合劑可以在所述PCD晶粒之間均勻分布。因此，穿過傳統的PCD材料的裂紋擴展往往會通過更少韌性和脆性的金剛石晶粒，無論是以穿晶方式通過金剛石晶粒/結合劑界面15，或以沿晶方式通過金剛石晶粒/金剛石晶粒界面16。

溶劑催化劑材料可以促進金剛石晶間結合和PCD層彼此間以及至下面基體的結合。通常用于形成傳統的PCD的溶劑催化劑材料包括選自元素周期表第VIII族的金屬，如鈷、鐵或鎳和/或其混合物或合金，其中鈷是最常見的。傳統的PCD可以包括從85至95體積百分比的金剛石以及剩余量的溶劑催化劑材料。然而，雖然更高的金屬含量通常會增加所得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，從而限制了能夠同時提供具有所需水平的硬度和韌性的PCD涂層的靈活性。此外，當變量被選擇為增加PCD材料的硬度時，通常也增加了脆性，從而降低了PCD材料的韌性。

PCD通常被用于地下鉆井應用中，例如在各種類型的鉆頭上使用的切割元件中。盡管PCD極其堅硬和耐磨，但PCD切割元件在正常操作期間仍然可能失效。失效可能以三種常見形式發生，即磨損、疲勞和沖擊開裂。磨損機制的發生是由于PCD相對于地層的相對滑動，且這種失效模式主要與地層的磨蝕性，以及諸如地層硬度或強度、以及與地層接觸時所涉及的相對滑動量等其他因素相關。過高的接觸應力和高溫連同非常惡劣的井下環境也趨于引起所述金剛石層的嚴重磨損。疲勞機制涉及從PCD層開始的表面裂紋逐漸傳播到PCD層下面的材料，直到裂紋長度足以產生剝落或破碎。最后，沖擊機制涉及從PCD層開始的表面裂紋或內部缺陷突然傳播到PCD層下面的材料，直到裂紋長度足以使切割元件產生剝落、碎裂或災難性故障。

發明內容

提供本發明內容部分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被描述。本發明內容部分不旨在標識所要求保護的主題的關鍵或必要特征，也不旨在用于幫助限制所要求保護的主題的范圍。

在一方面，本發明的實施例涉及一種制造切割元件的方法，包括：將金剛石顆粒與碳酸鹽材料的混合物暴露于高壓高溫燒結條件下以形成燒結的具有金剛石基質的碳酸鹽多晶金剛石本體，所述基質具有結合在一起的金剛石晶粒以及駐留于所述金剛石晶粒之間的間隙區域中的碳酸鹽，所述碳酸鹽材料非均勻地分布遍及金剛石基質；以及將所述碳酸鹽多晶金剛石本體進一步暴露于受控的溫度、受控的壓力或它們的組合下，以實現所述碳酸鹽材料的至少部分分解。