[发明专利]包括金刚石纳米颗粒的聚晶金刚石复合片、包括这样的复合片的切削元件和钻地工具及其形成方法

说明书

优先权要求

本申请要求2013年3月15日提交的序列号为13/839,589的美国专利申请“Polycrystalline Diamond Compacts Including Diamond Nanoparticles,Cutting Elements and Earth-Boring Tools Including Such Compacts,and Methods of Forming Same.”的申请日权益。

技术领域

本公开内容整体上涉及聚晶金刚石复合片，其例如可用作用于钻地工具的切削元件，并且更特别地涉及包括金刚石纳米颗粒的聚晶金刚石复合片、形成这样的复合片的方法以及包含这样的复合片的切削元件和钻地工具。

背景技术

用于在地下地层中形成井眼的钻地工具通常包括固定于本体的多个切削元件。例如，固定式切刀钻地旋转钻头(还称为“刮刀钻头”)包括多个切削元件，其固定连接至钻头的钻头体。牙轮钻地旋转钻头可包括安装在由钻头体的腿部延伸的牙轮轴上的锥体，从而使得每个锥体能够围绕锥体被安装在其上的牙轮轴旋转。可以将多个切削元件安装到钻头的每个锥体。换句话说，钻地工具典型地包括钻头体，而切削元件与钻头体连接。

在这样的钻地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金刚石复合片(经常称为“PDC”)，其充当聚晶金刚石材料的切削面。聚晶金刚石材料为包括金刚石材料的晶粒或晶体形式的相互结合的颗粒的材料。换句话说，聚晶金刚石材料包括金刚石材料的晶粒或晶体之间直接的晶粒间结合。术语“晶粒”、“晶体”和“颗粒”在本文中同义地和可互换地使用。

通常通过在高温和高压的条件下在催化剂(例如钴、铁、镍或其合金和混合物)的存在下将相对小的金刚石晶粒烧结和结合在一起以在切削元件基材上形成聚晶金刚石(PCD)材料的层(称为“复合片”或“台”)来形成PDC切削元件。这些过程经常称为高温/高压(HTHP)方法。切削元件基材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。在这样的情况中，切削元件基材中的钴(或其它催化剂材料)可以在烧结过程中液化并扩散至金刚石晶粒中，并用作用于形成晶粒间金刚石至金刚石结合的催化剂(其还可表征为粘结剂)，并由金刚石晶粒获得金刚石台。在其它方法中，粉末状催化剂材料可以在HTHP方法中将晶粒烧结在一起之前与金刚石晶粒混合。

在使用HTHP方法形成金刚石台时，催化剂材料可以留在所得PDC中的金刚石晶粒之间的间隙空间中。当在使用过程中加热切削元件时，由于在切削元件和地层之间的接触点处的摩擦，催化剂材料在金刚石台中的存在可导致金刚石台中的热损坏。

聚晶金刚石(PCD)典型地包含大于80体积％的烧结金刚石晶粒，并且余量为粘结剂相。如上所述的，通常通过由支撑的烧结碳化物基材的渗透来提供这种粘结剂相，但是也可以将其作为掺和物纳入起始金刚石粉末中。金刚石晶粒典型地位于1至50微米尺寸范围之内，但是对于纳入纳米金刚石晶粒组分存在很大的关注，其可以构成显著部分，用于提高的PCD耐磨性、断裂韧性和热稳定性。认为这样的增强性能可归因于PCD中提高的金刚石体积百分比、增加的金刚石颗粒相互结合和催化剂材料体积的降低。

然而，当将金刚石纳米颗粒纳入PCD中时，遇到了显著的问题。在HTHP工艺条件下金刚石纳米颗粒可以溶解在液体状态的源自基材的渗透粘结剂或者掺合粘结剂，导致由金刚石纳米颗粒的存在所提供的耐磨性、断裂韧性和热稳定性的有益特性的损失。此外，当采用常规的钴－烧结碳化钨基材时，由于可用于烧结过程的粘结剂体积的损失，可损害烧结品质。当使用相对较高浓度(例如大于约10体积％)的金刚石纳米颗粒来形成PCD时，这种现象变得更加明显。此外，经历HTHP处理的金刚石晶粒体积中紧密堆积的金刚石纳米颗粒的存在抑制了液态粘结剂从基材渗透穿过金刚石台，随着与金刚石台和基材之间的界面距离的增加，造成金刚石台中的不太好的烧结区域，导致金刚石台不良的耐磨性和下降的机械完整性。