[发明专利]减轻残余应力的复合切割器衬底

说明书

技术领域

本文中公开的实施方案总体上涉及复合切割结构体。更具体地，本文中公开的实施方案涉及形成用以减轻其中所含的残余应力的多晶金刚石切割元件。

背景技术

多晶金刚石压实体(compact)(“PDC”)切割器在包括凿岩和金属机械加工的工业用途中使用已经有许多年了。在典型的用途中，多晶金刚石(“PCD”)(或其它超硬材料，如多晶立方晶系氮化硼)的压实体粘结到衬底材料上以形成切割结构体，所述衬底材料典型地为烧结的金属碳化物。PCD包括粘结在一起以形成整体的、坚韧的、高强度的块体(mass)或晶格的金刚石晶粒或晶体的多晶块体。所得PCD结构体产生增强的耐磨性和硬度的性能，从而使得PCD材料对于其中需要高水平的耐磨性和硬度的侵略性磨损和切割用途是非常有用的。

PCD可以通过在烧结助剂或粘结剂的存在下使许多金刚石晶粒经受一定的高压/高温(“HPHT”)条件而形成。常规地，烧结助剂或粘结剂是以溶剂(solvent)金属催化剂材料，如一种或多种选自周期表的第VIII族的元素的形式提供的。溶剂金属催化剂可以在HPHT处理之前加入且与金刚石晶粒混合和/或可以在HPHT处理过程中通过从包含溶剂金属催化剂作为其组成材料之一的衬底渗透来提供。

常规的PDC切割器通过将胶合的碳化物衬底放入HPHT容器中而形成。金刚石晶粒或金刚石晶粒和催化剂粘结剂的混合物被安置在容器中的衬底上面，并且容器被装载到HPHT装置中，所述HPHT装置被构造且操作以使容器及其内容物经受所需的HPHT条件。在这么做的过程中，金属粘结剂从衬底迁移且通过金刚石晶粒以促进在金刚石晶粒之间的共生。结果，金刚石晶粒彼此粘结而形成金刚石层，并且进而将金刚石层粘结到衬底上。衬底通常包含金属碳化物复合材料，如碳化钨。所沉积的金刚石体通常称为“金刚石层”，“金刚石台”，或“磨料层”。

在图1中显示了具有PDC常规的切割器的地层钻井用刮刀钻头的一个实例。在图1中，钻头10具有钻头体12。钻头体12的下表面形成有多个刀片14，其大体上从钻头的旋转中心纵轴16向外延伸。多个切割器18沿着每一个刀片的长度并排设置。由每一个刀片携带的切割器18的数量可以变化。切割器18分别被铜焊至桩(stud)状载体(或衬底)，其可以由碳化钨形成并且接纳和固定在各个刀片的插座(socket)内。

常规的PCD包含85-95体积％金刚石和余量的粘结剂材料，所述粘结剂材料存在于PCD的在粘结的金刚石晶粒之间存在的间隙以内。典型地用于形成PCD的粘结剂材料包括第VIII元素，其中钴(Co)是最通常使用的粘结剂材料。

常规的PCD在高达700-750℃的温度是稳定的，之后所观察到的温度的升高可能导致对PCD的永久损害和PCD的结构损坏。特别是，由PCD和加工材料之间的摩擦引起的热导致对PCD的裂纹形式的热损害，这导致金刚石层的剥落以及金刚石层和衬底之间的分层。PCD的这种劣化归因于粘结剂材料(典型地为钴)的热膨胀系数相对于金刚石的显著差别。在加热PCD时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这可能引起裂纹在金刚石晶格结构中形成并且导致PCD的劣化。高工作温度还可能导致金刚石至石墨的反向转化，从而导致微结构完整性的损失，强度损失和快速的磨料磨损。

为了克服这个问题，可以使用强酸从金刚石晶格结构(薄的体积或整体)“沥滤”钴以至少降低加热和冷却中由于金刚石-钴复合材料内的不同膨胀速率而经历的损害。“沥滤”方法的实例可以在例如美国专利4,288,248和4,104,344中找到。简而言之，可以使用强酸，典型地硝酸或几种强酸的组合(如硝酸和氢氟酸)处理金刚石台，从而从PDC复合材料移除至少一部分助催化剂。通过沥滤出钴，可以形成热稳定的多晶(“TSP”)金刚石。在某些实施方案中，仅沥滤所选择部分的金刚石复合材料，以在对抗冲击性的影响较小的情况下获得热稳定性。如本文中使用的，术语热稳定的多晶(TSP)包括上述(即，部分地和完全沥滤的)化合物两者。在沥滤后残留的间隙容积可以通过进一步固结或者通过用二次材料再渗入该容积而减小。再渗透的实例可以在美国专利5,127,923中找到。

但是，在TSP切割器或具有粘结在胶合的碳化物衬底上的超硬金刚石类切割台如多晶立方晶系氮化硼(PCBN)的其它类型的切割器中，也常常遇到困扰PCD切割元件的上述问题中的一些，即，碎裂，剥落，部分破裂，切割台的开裂或脱落。特别是，已经观察到TSP切割器略微更易于在严重的负荷下剥落和分层。这些问题导致切割台的早期失效，因此导致切割器的工作寿命更短。