[发明专利]具有加速催化剂的完全浸出的过渡层的固体多晶金刚石

说明书

一种制造多晶金刚石压坯的方法，包含形成包括金刚石颗粒和第一浓度的催化剂的第一层的多晶金刚石前体材料，形成包括金刚石颗粒和第二浓度的催化剂的第二层的多晶金刚石前体材料，以及将浸透剂材料层放置在第一层或第二层的多晶金刚石前体材料附近。催化剂的第二浓度大于催化剂的第一浓度。浸透剂材料为催化剂。在高压高温条件下，在浸透剂材料的存在下烧结第一层和第二层，以形成多晶金刚石压坯。从多晶金刚石压坯浸出催化剂的至少一部分。

交叉引用

本申请要求2014年12月17日提交的申请号为62/092，948、题为“SOLID PCD WITHTRANSITION LAYERS TO ACCELERATE FULL LEACHING OF CATALYST”的美国临时申请的优先权，其公开通过引用并入本文。

背景技术

多晶金刚石(“PCD”)材料和由其形成的PCD元件在本领域内是众所周知的。可以通过使金刚石颗粒在适当溶剂金属催化剂材料的存在下经受高压高温(HPHT)的加工条件而形成常规PCD，其中溶剂金属催化剂促进所希望的颗粒之间的晶间金刚石与金刚石的结合，从而形成PCD结构。所得的PCD结构产生耐磨度和硬度的增强性质，使得这样的PCD材料在需要高等级的耐磨度和硬度的侵略性磨损和切割应用中非常有用。图1示出了常规形成的包含多个金刚石晶粒120的PCD材料100的微结构，多个金刚石晶粒120彼此结合，以形成晶间金刚石基质第一相。用来促进在烧结工艺期间发展的金刚石与金刚石的结合的催化剂/结合剂材料140(比如，钴)分散在金刚石基质第一相之间形成的填隙(interstitial)区域内。术语“颗粒”指代烧结超硬磨料(superabrasive)材料之前采用的粉末，而术语“晶粒”指代烧结之后的可辨别的超硬磨料区域。

通常可以两种方式提供用于促进金刚石与金刚石的结合的催化剂/结合剂材料。可以在烧结之前与金刚石颗粒或粗砂(grit)预混合的原材料粉末的形式提供催化剂/结合剂。在一些情况下，可以通过从最终的PCD材料结合到的底层的基底材料浸透到金刚石材料(在高温高压加工期间)中，而提供催化剂/结合剂。在催化剂/结合剂材料已经促进金刚石与金刚石的结合之后，催化剂/结合剂材料通常分布为在结合的金刚石晶粒之间形成的填隙区域内遍布金刚石基质。特别地，如图1所示，遍布常规PCD材料100中的微结构，结合剂材料140不是连续的。反之，常规PCD材料100的微结构可以具有PCD晶粒120之间的结合剂140的不均匀分布。从而，穿过PCD材料100传播的裂纹将通常行进穿过较低延展性且较高脆性的金刚石晶粒120，或者穿晶粒地穿过金刚石晶粒/结合剂界面150，或者晶粒间地穿过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面160。

催化剂材料可以促进金刚石晶间结合和PCD层彼此的结合与到底层的基底的结合。典型地用来形成PCD的催化剂材料可以包含来自周期表第VIII族的金属，比如钴、铁或镍及其混合物或其合金，钴为最普遍。常规PCD可以包含体积从85到95％的金刚石和剩余量的催化剂材料。然而，尽管更高的金属含量典型地提高所得的PCD材料的韧性，更高的金属含量也降低PCD材料的硬度，从而限制了能够为具有所希望的等级的硬度和韧性两者的PCD涂层所提供的弹性。此外，当选择变量来提高PCD材料的硬度时，典型地脆性也提高，从而降低PCD材料的韧性。

PCD通常用于土地钻探操作中，例如用在各种类型的钻头上的切割元件中。尽管PCD极为坚硬且耐磨，PCD切割元件仍可能在正常操作期间失效。失效可能以三种通常的形式发生，即磨损、疲劳以及冲击裂纹。磨损机理由于PCD相对于地球岩层的相对滑动发生，并且作为失效模式其显著度与岩层的磨蚀性有关，也与其他因素(比如岩层硬度或强度，以及在与岩层接触期间涉及的相对滑动的量)有关。过于高的接触应力和高温，与非常不利的井下环境一起，也倾向于对金刚石层造成严重的磨损。疲劳机理涉及表面裂纹的渐进传播，在PCD层上起始，到PCD层下方的材料中，直到裂纹长度足以造成层裂(spalling)和剥落(chipping)。最后，冲击机理涉及表面裂纹或内部缺陷的突然传播，其在PCD层上起始，到PCD层下方的材料中，直到裂纹长度足以造成层裂、剥落，或切割元件的毁灭性失效。

发明内容