[發明專利]具有加速催化劑的完全浸出的過渡層的固體多晶金剛石

有效

• 申請號: 201580074422.6
• 申請日: 2015-11-19
• 公開（公告）號: CN107206498B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: Y.鮑
• 申請（專利權）人: 史密斯國際有限公司
• 主分類號: B22F7/04
• 分類號: B22F7/04;B22F5/00;B22F3/14;E21B10/54
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 王增強

一種制造多晶金剛石壓坯的方法，包含形成包括金剛石顆粒和第一濃度的催化劑的第一層的多晶金剛石前體材料，形成包括金剛石顆粒和第二濃度的催化劑的第二層的多晶金剛石前體材料，以及將浸透劑材料層放置在第一層或第二層的多晶金剛石前體材料附近。催化劑的第二濃度大于催化劑的第一濃度。浸透劑材料為催化劑。在高壓高溫條件下，在浸透劑材料的存在下燒結第一層和第二層，以形成多晶金剛石壓坯。從多晶金剛石壓坯浸出催化劑的至少一部分。

交叉引用

本申請要求2014年12月17日提交的申請號為62/092，948、題為“SOLID PCD WITHTRANSITION LAYERS TO ACCELERATE FULL LEACHING OF CATALYST”的美國臨時申請的優先權，其公開通過引用并入本文。

背景技術

多晶金剛石(“PCD”)材料和由其形成的PCD元件在本領域內是眾所周知的。可以通過使金剛石顆粒在適當溶劑金屬催化劑材料的存在下經受高壓高溫(HPHT)的加工條件而形成常規PCD，其中溶劑金屬催化劑促進所希望的顆粒之間的晶間金剛石與金剛石的結合，從而形成PCD結構。所得的PCD結構產生耐磨度和硬度的增強性質，使得這樣的PCD材料在需要高等級的耐磨度和硬度的侵略性磨損和切割應用中非常有用。圖1示出了常規形成的包含多個金剛石晶粒120的PCD材料100的微結構，多個金剛石晶粒120彼此結合，以形成晶間金剛石基質第一相。用來促進在燒結工藝期間發展的金剛石與金剛石的結合的催化劑/結合劑材料140(比如，鈷)分散在金剛石基質第一相之間形成的填隙(interstitial)區域內。術語“顆粒”指代燒結超硬磨料(superabrasive)材料之前采用的粉末，而術語“晶粒”指代燒結之后的可辨別的超硬磨料區域。

通常可以兩種方式提供用于促進金剛石與金剛石的結合的催化劑/結合劑材料。可以在燒結之前與金剛石顆粒或粗砂(grit)預混合的原材料粉末的形式提供催化劑/結合劑。在一些情況下，可以通過從最終的PCD材料結合到的底層的基底材料浸透到金剛石材料(在高溫高壓加工期間)中，而提供催化劑/結合劑。在催化劑/結合劑材料已經促進金剛石與金剛石的結合之后，催化劑/結合劑材料通常分布為在結合的金剛石晶粒之間形成的填隙區域內遍布金剛石基質。特別地，如圖1所示，遍布常規PCD材料100中的微結構，結合劑材料140不是連續的。反之，常規PCD材料100的微結構可以具有PCD晶粒120之間的結合劑140的不均勻分布。從而，穿過PCD材料100傳播的裂紋將通常行進穿過較低延展性且較高脆性的金剛石晶粒120，或者穿晶粒地穿過金剛石晶粒/結合劑界面150，或者晶粒間地穿過金剛石晶粒/金剛石晶粒界面160。

催化劑材料可以促進金剛石晶間結合和PCD層彼此的結合與到底層的基底的結合。典型地用來形成PCD的催化劑材料可以包含來自周期表第VIII族的金屬，比如鈷、鐵或鎳及其混合物或其合金，鈷為最普遍。常規PCD可以包含體積從85到95％的金剛石和剩余量的催化劑材料。然而，盡管更高的金屬含量典型地提高所得的PCD材料的韌性，更高的金屬含量也降低PCD材料的硬度，從而限制了能夠為具有所希望的等級的硬度和韌性兩者的PCD涂層所提供的彈性。此外，當選擇變量來提高PCD材料的硬度時，典型地脆性也提高，從而降低PCD材料的韌性。

PCD通常用于土地鉆探操作中，例如用在各種類型的鉆頭上的切割元件中。盡管PCD極為堅硬且耐磨，PCD切割元件仍可能在正常操作期間失效。失效可能以三種通常的形式發生，即磨損、疲勞以及沖擊裂紋。磨損機理由于PCD相對于地球巖層的相對滑動發生，并且作為失效模式其顯著度與巖層的磨蝕性有關，也與其他因素(比如巖層硬度或強度，以及在與巖層接觸期間涉及的相對滑動的量)有關。過于高的接觸應力和高溫，與非常不利的井下環境一起，也傾向于對金剛石層造成嚴重的磨損。疲勞機理涉及表面裂紋的漸進傳播，在PCD層上起始，到PCD層下方的材料中，直到裂紋長度足以造成層裂(spalling)和剝落(chipping)。最后，沖擊機理涉及表面裂紋或內部缺陷的突然傳播，其在PCD層上起始，到PCD層下方的材料中，直到裂紋長度足以造成層裂、剝落，或切割元件的毀滅性失效。

發明內容