[實用新型]一種聚晶金剛石復合片

有效

• 申請號: 201720172444.2
• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN206722767U
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 唐永炳;谷繼騰;楊揚
• 申請（專利權）人: 深圳先進技術研究院
• 主分類號: E21B10/46
• 分類號: E21B10/46;B32B9/00;B32B9/04;B32B1/08;B32B15/04;B32B37/00;C23C16/27;C23C16/02
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司44202
• 代理人: 郝傳鑫,熊永強

技術領域

本實用新型涉及超硬復合材料技術領域，具體涉及一種聚晶金剛石復合片。

背景技術

聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，PDC)，屬于新型功能材料，由采用金剛石微粉與硬質合金襯底在超高壓高溫條件下燒結而成，它主要由硬質合金基體與聚晶金剛石層組成，既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導熱性，又具有硬質合金的強度與抗沖擊韌性，是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。

在使用(例如鉆探)過程中，PDC主要是依靠聚晶金剛石層的邊緣施力破壞堅硬的巖層，PDC的失效通常是由于在連續沖擊力的作用下，超過聚晶金剛石層邊緣處的承載能力而被破壞。PDC成品中，聚晶金剛石層中的金剛石顆粒飛間隙處分布大量的金屬鈷，燒結助劑鈷的存在一方面會催化金剛石向石墨轉化，引起復合片質量惡化；但另一方面，卻可以提高聚晶金剛石層的韌性，但由于鈷、金剛石、硬質合金基體三者熱膨脹系數的差異，PDC成品中存在大量的熱殘余應力，熱殘余應力容易引起微裂紋產生，嚴重時甚至發生聚晶金剛石層脫落現象。此外，聚晶金剛石層在后期的拋磨處理過程中，得到的PDC成品的表面凹凸不平，在鉆探過程中產生的巖石碎屑容易在凹凸不平處沉積，影響了復合片的熱傳遞，熱量在局部的聚集，降低了復合片的鉆探效率。

實用新型內容

鑒于此，本申請第一方面提供了一種獨特結構的聚晶金剛石復合片，用以提高聚晶金剛石復合片的熱傳導性、耐磨性和抗沖擊耐性，延長其使用壽命，提高連續工作效率。

第一方面，本申請提供了一種聚晶金剛石復合片，所述聚晶金剛石復合片包括硬質合金基體層和依次設置在硬質合金基體層上的聚晶金剛石層和金剛石薄膜層，其中，所述聚晶金剛石層由中心至邊緣依次包括第一聚晶金剛石層、第二聚晶金剛石層和第三聚晶金剛石層，所述聚晶金剛石層包括多個金剛石晶粒，且所述第一聚晶金剛石層、第二聚晶金剛石層和第三聚晶金剛石層中的金剛石晶粒的尺寸依次增加。

本申請的聚晶金剛石復合片(PDC)中，在硬質合金基體層上形成有聚晶金剛石層，在聚晶金剛石層之上形成有一金剛石薄膜層，其中，聚晶金剛石層由中心至邊緣依次包括第一聚晶金剛石層、第二聚晶金剛石層和第三聚晶金剛石層，所述聚晶金剛石層包括多個金剛石晶粒，且所述第一聚晶金剛石層、第二聚晶金剛石層和第三聚晶金剛石層中的金剛石晶粒的尺寸依次增加。其中，最外層的第三聚晶金剛石層具有較高的抗沖擊韌性，可以很好地破碎原始巖石；中心的第一聚晶金剛石層中金剛石顆粒排列致密，顆粒之間以金剛石-金剛石(D-D)鍵結合形成聚晶金剛石顆粒，耐磨性較高，在最大效率對小塊巖石施力破碎的同時，能及時將熱量傳至硬質合金基體層，減少了熱量在局部(尤其是聚晶金剛石復合片中心部位)的積累；中間的第二聚晶金剛石層實現了中間粒徑聚晶金剛石區域向較細聚晶金剛石區域的良好過渡。此外，所述聚晶金剛石層的上方金剛石薄膜層的存在，一方面使PDC的表面變得平整光滑，減少了PDC在使用過程中與巖層的接觸面上細小破碎巖石顆粒在凹凸不平處的富集，另一方面，金剛石薄膜層有利于界面處熱量向聚晶金剛石層的傳遞，在所述金剛石薄膜層和聚晶金剛石層的共同作用降低了PDC與巖層之間的熱積累。

可選地，所述金剛石薄膜層的厚度不大于2μm(小于或等于2μm)。進一步可選為0.2～1.5μm。合適的金剛石薄膜層的厚度有利于聚晶金剛石層的表面變得平整，但又不影響PDC在使用(如鉆探)過程中PDC各層之間的熱傳遞。所述金剛石薄膜層可采用熱絲氣相沉積的方式制備得到，也可以采用其他化學氣相沉積的方式得到。

可選地，所述聚晶金剛石層的厚度為1～3mm。

可選地，所述聚晶金剛石層的形狀為圓柱體，或多棱柱體。

本申請一實施方式中，所述聚晶金剛石層的形狀為圓柱體，其橫截面形狀為圓形，也可以為其他非圓形的環形封閉結構。此時，所述聚晶金剛石層由圓心至半徑邊緣依次包括第一聚晶金剛石層、第二聚晶金剛石和第三聚晶金剛石層。

進一步地，所述第一聚晶金剛石層、第二聚晶金剛石層和第三聚晶金剛石層的體積比為(1～2):(1～3):(3～5)。

本申請中，所述聚晶金剛石層的每個子層(第一聚晶金剛石層、第二聚晶金剛石層和第三聚晶金剛石層)分別是由硅粉與不同粒徑的金剛石微粉在高溫高壓下燒結而成，每個子層中均含有聚晶金剛石顆粒。

其中，所述第一聚晶金剛石層中，聚晶金剛石顆粒的尺寸為1～5μm。進一步地，所述聚晶金剛石顆粒是由粒徑＜5μm的金剛石微粉燒結而成。