[发明专利]热稳定多晶金刚石及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2014年9月9日提交的美国专利申请第14/481570号和于2013年9月11日提交的美国临时专利申请第61/876696号的优先权及权益，它们的全文内容在此通过参引方式纳入本文。

背景技术

多晶金刚石(“PCD”)材料和由其形成的PCD元件在本领域中是公知的。传统的PCD可通过在适宜的溶剂金属催化剂材料的存在下将金刚石颗粒暴露于高压/高温(HPHT)工艺条件下来形成，其中，所述溶剂金属催化剂促进颗粒之间的所期望的晶间金刚石与金刚石结合，从而形成PCD结构。所得PCD结构产生增强的耐磨和硬度特性，使得这样的PCD材料在需要高水平的耐磨和硬度的激烈磨损和切割应用中非常有用。图1示出传统形成的PCD材料10的微观结构，其包括多个被彼此结合以形成晶间金刚石基质第一相的金刚石晶粒12。用于促进在所述烧结工艺中发生的金刚石与金刚石结合的催化剂/结合剂材料14，例如钴，分散于所述金刚石基质第一相之间形成的间隙区域中。术语“颗粒”指的是在烧结超硬磨料之前所用的粉末，而术语“晶粒”指的是在烧结之后可见的超硬磨料区域，如本领域已知并确定的。

通常可以以两种方式提供用于促进金刚石与金刚石结合的催化剂/结合剂材料。该催化剂/结合剂可被提供为在烧结前与所述金刚石晶粒或砂砾预混合的原料材料粉末的形式。在一个或多个其他实施例中，可通过从最终PCD材料待被结合到的底层基体材料渗透到所述金刚石材料中(在高温/高压工艺过程中)提供催化剂/粘结剂。在催化剂/结合剂材料促进所述金刚石与金刚石的结合之后，所述催化剂/结合剂材料通常分布在整个金刚石基质的在金刚石晶粒之间形成的间隙区域中。具体地，如图1所示，结合剂材料14在传统的PCD材料10的整个微观结构中是不连续的。相反，传统的PCD材料10的微观结构中的结合剂可以在所述PCD晶粒之间均匀分布。因此，穿过传统的PCD材料的裂纹扩展往往会通过更少韧性和脆性的金刚石晶粒，无论是以穿晶方式通过金刚石晶粒/结合剂界面15，或以沿晶方式通过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面16。

溶剂催化剂材料可以促进金刚石晶间结合和PCD层彼此间以及至下面基体的结合。通常用于形成传统的PCD的溶剂催化剂材料包括选自元素周期表第VIII族的金属，如钴、铁或镍和/或其混合物或合金，其中钴是最常见的。传统的PCD可以包括从85至95体积百分比的金刚石以及剩余量的溶剂催化剂材料。然而，虽然更高的金属含量通常会增加所得PCD材料的韧性，但是更高的金属含量也降低了PCD材料的硬度，从而限制了能够同时提供具有所需水平的硬度和韧性的PCD涂层的灵活性。此外，当变量被选择为增加PCD材料的硬度时，通常也增加了脆性，从而降低了PCD材料的韧性。

PCD通常被用于地下钻井应用中，例如在各种类型的钻头上使用的切割元件中。尽管PCD极其坚硬和耐磨，但PCD切割元件在正常操作期间仍然可能失效。失效可能以三种常见形式发生，即磨损、疲劳和冲击开裂。磨损机制的发生是由于PCD相对于地层的相对滑动，且这种失效模式主要与地层的磨蚀性，以及诸如地层硬度或强度、以及与地层接触时所涉及的相对滑动量等其他因素相关。过高的接触应力和高温连同非常恶劣的井下环境也趋于引起所述金刚石层的严重磨损。疲劳机制涉及从PCD层开始的表面裂纹逐渐传播到PCD层下面的材料，直到裂纹长度足以产生剥落或破碎。最后，冲击机制涉及从PCD层开始的表面裂纹或内部缺陷突然传播到PCD层下面的材料，直到裂纹长度足以使切割元件产生剥落、碎裂或灾难性故障。

发明内容

提供本发明内容部分是为了介绍一系列概念，这些概念在下面的详细说明中进一步被描述。本发明内容部分不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

在一方面，本发明的实施例涉及一种制造切割元件的方法，包括：将金刚石颗粒与碳酸盐材料的混合物暴露于高压高温烧结条件下以形成烧结的具有金刚石基质的碳酸盐多晶金刚石本体，所述基质具有结合在一起的金刚石晶粒以及驻留于所述金刚石晶粒之间的间隙区域中的碳酸盐，所述碳酸盐材料非均匀地分布遍及金刚石基质；以及将所述碳酸盐多晶金刚石本体进一步暴露于受控的温度、受控的压力或它们的组合下，以实现所述碳酸盐材料的至少部分分解。