[发明专利]超硬构造及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及超硬构造和制造这种构造的方法，特别但不限于包含附着于基底的多晶金刚石(PCD)结构的构造，并涉及包含所述构造的工具，该工具特别但不限于用于岩石破碎(degradation)或凿岩(drilling)，或用于地壳钻探。

背景技术

多晶超硬材料如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可被用于多种工具，这些工具用来切削、机械加工、钻孔或破碎硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。特别是，包含PCD材料的切削元件(cutting element)形式的工具嵌件被广泛用于进行地表钻探以开采石油或天然气的钻头。超硬工具嵌件的工作寿命可受超硬材料的断裂(fracture)包括剥落(spalling)和碎裂(chipping)所限，或受工具嵌件的磨损所限。

如用于岩石钻头或其它切削工具的切削元件典型地具有基底和超硬材料形式的主体，该基底具有界面端/表面，所述超硬材料通过例如烧结过程形成结合于基底的界面表面的切削层。基底通常由有时被称为烧结碳化钨的碳化钨-钴合金构成，且超硬材料层典型地为多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产品TSP材料如热稳定多晶金刚石。

多晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超硬磨料材料)的一个实例，它包括大量实质上交互生长的金刚石颗粒，形成限定出金刚石颗粒间的间隙的骨骼体(skeletal mass)。PCD材料典型地包含至少约80体积％的金刚石，并且通常通过使金刚石颗粒的聚集体经受例如大于约5GPa的超高压力和至少约1200℃的温度来进行制造。全部或部分地填充所述间隙的材料可被称为填料或粘合剂材料。

PCD典型地在烧结助剂如钴的存在下形成，烧结助剂促进金刚石颗粒的交互生长。用于PCD的适合的烧结助剂由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能，通常也被称为用于金刚石的溶剂-催化剂材料。用于金刚石的溶剂-催化剂被理解为能够在金刚石热力学稳定的压力和温度条件下促进金刚石的生长或在金刚石颗粒之间直接的金刚石对金刚石的交互生长的材料。因此在烧结的PCD产品内的间隙中可以全部或部分地填充有剩余的溶剂-催化剂材料。最典型的是，PCD经常在钴-烧结碳化钨基底上形成，该基底为PCD提供了钴溶剂-催化剂的来源。不促进金刚石颗粒之间大量的连贯的相互生长的材料本身可与金刚石颗粒形成强的结合，但对于PCD烧结其并非适合的溶剂-催化剂。

可被用于形成适合基底的烧结碳化钨由分散于钴基质中的碳化物粒子，通过将碳化钨粒子/颗粒和钴混合在一起然后加热固化来形成。为了形成具有超硬材料层如PCD或PCBN的切削元件，将金刚石粒子或颗粒或CBN颗粒与烧结碳化钨体在耐火金属罩(enclosure)如铌罩中邻近放置，并经受高压和高温，从而发生金刚石颗粒或CBN颗粒之间的颗粒间结合(inter-grain bonding)，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。

在一些情况下，基底可以在附着于超硬材料层之前充分固化，而在其他情况下，基底可以是生的(green)，即未完全固化。在后一种情况下，基底可以在HTHP烧结过程中充分固化。基底可以是粉末形式，并可以在用于烧结超硬材料层的烧结过程中进行固化。

在地表钻探领域中对改善生产力的驱动力不断增加使得对用于切削岩石的材料的需求不断增加。具体来说，需要具有改善的耐磨性和抗冲击性的PCD材料来实现更快的切削速率和更长的工具寿命。

在石油和天然气钻探行业中，包含PCD材料的切削元件或工具嵌件被广泛用于钻头以进行地壳钻探。岩石钻孔和其它操作需要高耐磨性和抗冲击性。限制多晶金刚石(PCD)砂轮切削件成功的一个因素是由于PCD和加工材料之间的摩擦而产生的热量。这种热量导致金刚石层的热降解(thermal degradation)。由于PCD层增加的破裂和剥落以及导致磨损增加的金刚石到石墨的逆转化，热降解增加了切削件的磨损速率。

用于改善PCD复合材料的耐磨损性的方法常常导致复合材料的耐冲击性降低。因此需要具有良好或改进的耐磨性、抗断裂性和耐冲击性的PCS复合材料，以及形成这种复合材料的方法。

发明简述

从第一个方面看，本发明提供了一种超硬多晶构造，其包含多晶超硬材料主体，所述多晶超硬材料主体包括第一区域和邻近第一区域的第二区域，所述第二区域通过超硬材料颗粒的交互生长结合到第一区域；所述第一区域包括多个交替层(strata或layer)，每个层的厚度在约5-300微米的范围内；所述第二区域包括多个层，第二区域中的一个或多个层的厚度大于第一区域中单独层的厚度，其中：