[发明专利]具有优化的材料组成的多晶金刚石结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于地下钻井应用的多晶金刚石结构，特别涉及设计为具有受控梯度含量的催化剂/结合剂材料的多晶金刚石结构，其中具有受控梯度含量的催化剂/结合剂材料的目的在于与传统的多晶金刚石结构相比，提供耐磨损性和热稳定性的优化性能，同时保持理想程度的断裂韧性、抗冲击性和抗分层性。

背景技术

本领域已知，多晶金刚石（PCD）材料是由金刚石晶粒或晶体和催化剂材料形成，并经高压-高温（HP/HT）工艺合成。已知这种PCD材料具有高度的抗磨损性，使得它们成为受欢迎的材料，用于需要这样高水平的耐磨性工业应用，例如加工用切削工具，以及地下采矿和钻井中的耐磨和/或切削元件。在这些应用中，传统的PCD材料可以设置为表面层或整个材料主体的形式，来给予理想水平的耐磨和抗磨性。

传统地，此类应用中使用的PCD切削元件是由一层或多层这种PCD材料形成的，或形成用于与合适的基底材料结合的这种PCD材料的主体。本领域已知的PCD切削元件的例子可以包括基底、PCD表面层或主体，和可选择的一个或多个过渡或中间层，以改善它们之间的结合和/或提供PCD表面层或主体与下面基底支撑层之间的过渡性能。在此类切削元件应用中使用的基底包括碳化物如烧结碳化钨（WC-Co）。

这种传统的PCD材料包括体积比约为10%的催化剂材料，以促进金刚石晶粒间的晶粒间的结合，并促进PCD材料与下层基底和/或过渡层的结合。传统作为催化剂的金属通常选自包括钴、铁、镍和其混合物的溶剂金属催化剂，可以在元素周期表的第VIII族找到。

用于形成PCD材料的催化剂材料的量代表所得烧结金刚石主体的韧性和硬度/耐磨性的理想性能的折中。虽然较高的金属催化剂含量通常增加了所得PCD材料的韧性，但是这种较高的金属催化剂含量同时降低了PCD材料的硬度和相应耐磨和抗磨性能。同时，当随着金刚石体积分数的增加而形成PCD材料时，烧结PCD与碳化钨基底之间的热失配会增加，从而在这些材料之间的分界面附近产生较高的残余应力，由于残余应力可促进PCD结构内的开裂和/或分层，故而不希望存在这些残余应力。

所以，这些反向影响理想性能的因素极大地限制了能提供具有理想水平的耐磨性和韧性来满足特殊应用服务要求的PCD材料的灵活性，例如地下钻井设备中使用的切削和/或耐磨元件。此外，当选择变量来增加PCD材料的耐磨性时，通常脆性也会增加，从而减少了PCD材料的韧性和抗冲击性。

用于某些应用的PCD结构的另一个理想性能是它们在磨损或切削的操作条件下具有热稳定性。已知传统PCD材料存在的一个问题是当切削和/或磨损应用时暴露于高温时，易受热降解。该弱点是由于PCD材料间隙内分布的金属催化剂的热膨胀特性的差异，以及晶粒间结合的金刚石的热膨胀特性的差异。已知在低至400℃时，开始发生这种不同的热膨胀，可能诱导破坏金刚石的晶粒间的结合的热应力，可能最终形成使PCD结构易受到破坏的裂缝。因此，不希望出现这些行为。

已知存在于传统PCD材料的另外一种形式的热降解同样涉及PCD材料间隙区内存在的金属催化剂和溶剂金属催化剂和金刚石晶体的结合。具体地，已知随着温度的升高溶剂金属催化剂使得在金刚石内产生不想要的催化相变（将它转变为一氧化碳、二氧化碳或石墨），从而将PCD材料的实际使用限制在约750℃。

因此，希望开发出一种用于复杂耐磨环境的PCD材料，与传统的PCD材料相比，该PCD材料表现出耐磨和抗磨性、低残余应力和热稳定性的改进并优化的综合性能，而同时未牺牲理想的韧性、抗冲击性以及抗分层性，使得它们非常适合于相同的应用。

发明内容

本文中公开的金刚石结合结构包括金刚石主体，该金刚石主体包括晶粒间结合的金刚石的基质相，和分散在所述结合的金刚石之间的多个间隙区。所述金刚石主体具有位于一个位置的工作面和位于另一个位置的分界面。所述主体可结合至金属基底，以形成金刚石结合的复合片结构。该金刚石结合结构的特点在于所述金刚石主体具有大于原本存在于传统金刚石结合结构内的梯度的金刚石体积含量。在一个示例实施例中，所述梯度金刚石体积含量约大于1.5%。在一个示例实施例中，在分界面处的金刚石体积含量小于94%，并在移向工作面处增加。

在一个示例实施例中，所述金刚石主体可以包括基本不含有催化剂材料的区域，其中催化剂材料用于通过HPHT工艺形成所述金刚石结合结构。基本不含有催化剂材料的所述区域可以从所述工作面延伸出部分深度，其中该区域的确切深度可以并将根据具体的最终应用而变化。