[发明专利]包含基本上不含呈现异常晶粒生长的碳化钨晶粒的经烧结碳化钨衬底的多晶金刚石复合体及其应用

说明书

技术领域

在多种机械应用中使用耐水性多晶金刚石复合体(多晶金刚石复合片，多晶金刚石复合件，“PDC”)。例如，在钻孔刀具(例如切削元件，规格修整器(gage trimmers)等)、加工设备、轴承装置、拉丝机器中以及在其他机械设备中使用PDC。

背景技术

已经发现PDC作为旋转钻头如牙轮钻头和固定切削刃钻头中的超硬磨料切削元件特别有用。PDC切削元件典型地包括通常被称为金刚石台(diamond table)的超硬磨料金刚石层。所述金刚石台使用高压/高温(“HPHT”)工艺形成并结合至经烧结的碳化物衬底(经烧结的碳化物基板，cemented carbide substrate)。所述PDC切削元件可直接铜焊到预制的袋、套、或者其他在钻头体内形成的容器中。所述经烧结的碳化物衬底经常可以铜焊或以其他方式接合至附着构件如圆柱状背衬。旋转钻头典型地包括附着于钻头体的大量PDC切削元件。还已知的是，当通过压配、铜焊或以其他方式将螺栓固定到在钻头体中形成的容器中而安装至旋转钻头的钻头体时，可以将携带PDC的螺栓用作PDC切削元件。

常规的PDC一般通过将经烧结的碳化钨衬底置于具有定位在经烧结的碳化钨衬底表面上的金刚石颗粒的体料(体积，volume)的容器中来制造。可以将大量这种容器装入HPHT压力机中。然后，在金刚石台HPHT条件下对金刚石颗粒的衬底和体料进行处理。在HPHT处理期间，经烧结的碳化钨衬底的金属溶剂(metal-solvent)催化剂烧结成分诸如来自钴烧结的碳化钨衬底的钴液化并渗透到金刚石颗粒之间的间隙区域(空隙区域，填隙区域)中。钴充当用于促进金刚石颗粒之间的共生的催化剂，这导致形成结合的金刚石晶粒的多晶金刚石(“PCD”)台(台面)，所述结合的金刚石晶粒在其间具有金刚石到金刚石的结合，所述多晶金刚石(“PCD”)台结合至经烧结的碳化钨衬底。在结合的金刚石晶粒之间的间隙区域由金属溶剂催化剂占据。

在HPHT处理期间，与PCD台邻接配置的经烧结的碳化钨衬底区域中的碳化钨晶粒可以经历显著的异常晶粒生长(“AGG”)。呈现异常晶粒生长的这种碳化钨晶粒可以从经烧结的碳化钨衬底突出到PCD台中，从而当在地下钻井作业期间装入时，引入应力集中和/或可以导致PCD台从经烧结的碳化钨衬底剥离的缺点。图1是在扫描电子显微镜中在750倍放大倍数下拍摄的PDC的微结构100的显微照片，其显示了碳化钨晶粒102，所述碳化钨晶粒102呈现出从经烧结的碳化钨衬底104突出到PCD台106中的AGG。如图1中所示，与经烧结的碳化钨衬底104的其他未受影响的碳化钨晶粒108相比，碳化钨晶粒102经历了显著的晶粒生长。例如，碳化钨晶粒102可以是未受影响的碳化钨晶粒108平均晶粒度的约5至约30倍，并且在一些情况下可能呈现出5∶1的纵横比。

发明内容

本发明的实施方式涉及包含PCD台的PDC以及制造这种PDC的方法，所述PCD台基本上没有由于碳化钨晶粒的AGG而形成的缺陷，所述方法通过将PCD台结合至经烧结的碳化物衬底(基体)或者将PCD台与经烧结的碳化物衬底一体形成来制造这种PDC，所述经烧结的碳化物衬底在HPHT处理之前包含一种或多种缺碳的含钨η相。在一个实施方式中，PDC包含含界面表面的经烧结的碳化钨衬底和结合至所述经烧结的碳化钨衬底的界面表面的PCD台，所述界面表面基本上不含呈现AGG的碳化钨晶粒。所述PCD台包含限定多个间隙区域的多个结合的金刚石晶粒。所述间隙区域的至少一部分包含设置在其中的金属溶剂催化剂。在一些实施方式中，所述PCD台可以基本上不含铬。在其他实施方式中，所述PCD台和所述经烧结的碳化钨衬底可以各自包含铬。

在一个实施方式中，公开了制造PDC的方法。所述方法包括将多个金刚石颗粒与经烧结的碳化物材料邻接布置。经烧结的碳化物材料包含一种或多种含钨η相。所述方法还包括对所述多个金刚石颗粒和所述经烧结的碳化物材料进行HPHT处理以对所述多个金刚石颗粒进行烧结，从而形成PCD台。在一个实施方式中，经烧结的碳化物材料可以是包含一种或多种含钨η相的经烧结的碳化物衬底形式。在一个实施方式中，所述经烧结的碳化钨材料可以是布置在所述多个金刚石颗粒和经烧结的碳化钨衬底之间的经烧结碳化物颗粒形式。