[发明专利]多晶台、多晶元件和相关方法

说明书

优先权要求

本申请要求2011年3月4日提交的、名称为“多晶台、多晶元件和相关方法”的美国专利申请序列号13/040,921的提交日权益。

技术领域

本发明的实施方案总体上涉及多晶台、多晶元件和相关方法。具体地，本发明的实施方案涉及具有存在基本上完全浸提的区域的多晶台的多晶元件和形成这样的多晶元件的方法。

背景技术

用于地下地层形成井筒的钻地工具可以包括多个安装在机身上的切割元件。例如，固定刀具的钻地旋转钻头(也称作“刮刀钻头”)包括多个切割元件，其固定附接到钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包括牙轮，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承销，以使得每个牙轮能够绕着它安装到其上的轴承销旋转。多个切割元件可以安装到钻头的每个牙轮。

用于这种钻地工具的切割元件经常包括多晶金刚石复合片(经常称作“PDC”)切割元件，也称作“刀具”，其是包括多晶金刚石(PCD)材料的切割元件，其特征可以是作为超级磨料或者超硬质材料。这种多晶金刚石材料是如下来形成的：在高温和高压条件下、在催化剂(例如钴、铁、镍或者它们的合金和混合物)存在下，将相对小的合成、天然或者合成和天然金刚石晶粒或晶体的组合(称作“粗砂”)烧结和结合在一起，以形成多晶金刚石材料层，也称作金刚石台。这些处理经常称作高温/高压(“HTHP”)处理。切割元件基底可以包含金属陶瓷材料，即陶瓷-金属复合材料，例如钴烧结碳化钨。在一些例子中，多 晶金刚石台可以例如在HTHP烧结处理过程中在切割元件上形成。在这些例子中，切割元件基底中的钴或其他催化剂材料可以在烧结过程中进入金刚石晶粒或晶体中，并且充当催化剂材料用于由金刚石晶粒或晶体形成金刚石台。在HTHP处理中将晶粒或者晶体一起烧结之前，也可以将粉末化的催化剂材料与金刚石晶粒或晶体混合。但是在其他方法中，金刚石台可以与切割元件基底分别形成，并随后附接到其上。

为了减少与PDC切割元件中热膨胀差异和金刚石晶体的化学损坏有关的问题，已经开发了“热稳定的”多晶金刚石复合片(也称作热稳定产品或者“TSP”)。这种热稳定的多晶金刚石复合片可以通过将催化剂材料从金刚石台中的相互键合的晶粒之间的间隙中浸提出来而形成。但是，常规金刚石台会需要长达五周或者甚至更长的时间来从相互键合的晶粒之间的间隙中浸提基本上全部的催化剂材料，这减慢了生产。

发明内容

在一些实施方案中，本发明包括多晶元件，其包括基底和附接到基底端部的多晶台。多晶台包括具有第一渗透率的超级磨料材料的第一区域和具有第二更低渗透率的超级磨料材料的至少第二区域，该至少第二区域介于基底和第一区域之间。

在其他实施方案中，本发明包括形成多晶元件的方法，其包括：将包含超级磨料材料的第一多个粒子、包含超级磨料材料的第二多个粒子、催化剂材料和包含大量硬质材料的第三多个粒子置于模具中。在催化剂材料存在下烧结第一和第二多个粒子，并且也烧结第三多个粒子以形成附接到基底的多晶台，该多晶台具有包含第一渗透率的第一区域和包含第二更低渗透率的至少第二区域，该至少第二区域介于第一区域和基底之间。从多晶台的至少第一区域除去催化剂材料。

另外的实施方案中，本发明包括形成多晶元件的方法，其包括将多晶台附接到基底端部，该多晶台包含具有第一渗透率的超级磨料材料的第一区域和具有第二更低渗透率的超级磨料材料的至少第二区 域，该至少第二区域介于第一区域和基底之间。从多晶台的至少第一区域除去催化剂材料。

在仍然另外的实施方案中，本发明包括形成多晶元件的方法，其包括形成具有第一渗透率的第一多晶台。将第一多晶台结合到附接于基底的具有另一更低渗透率的另一多晶台。从至少第一多晶台浸提催化剂材料。

在其他实施方案中，本发明包括形成多晶元件的方法，其包括在催化剂材料存在下形成超级磨料材料的第一多晶台，第一多晶台具有具有第一渗透率的第一区域和具有第二更低渗透率的第二区域。从第一多晶台的至少第一区域中至少基本上完全浸提催化剂材料。将第一多晶台结合到附接于硬质材料基底端部的超级磨料材料的另一多晶台，使第二区域介于第一区域和另一多晶台之间。

附图说明

虽然说明书结束于具体指出和明确主张何为本发明的权利要求书，但是当结合附图来阅读时，可以从下面对本发明实施方案的说明中更容易地确定本发明实施方案的不同特征和优点，附图中：

图1是具有本发明的多晶台的切割元件的局部剖视透视图；

图2示意了具有本发明的穹形多晶台的另一切割元件的截面侧视图；