[发明专利]形成多晶台和多晶元件的方法和相关结构

说明书

优先权要求

本申请要求2011年3月4日提交的美国专利申请序列号13/040,861、名为“形成多晶台和多晶元件的方法和相关结构”的提交日权益。

技术领域

本发明的实施方案总体上涉及形成超级磨料材料多晶台的方法，形成超级磨料多晶元件的方法，和相关结构。具体地，本发明的实施方案涉及将完全浸提的或者基本上完全浸提的超级磨料材料多晶台附着于基底来形成多晶元件的方法，和与之有关的中间结构。

发明背景

用于在地下地层形成井筒的钻地工具可以包括多个固定在机身上的切割元件。例如，固定切削刃钻地旋转钻头(也称作“刮刀钻头”)包括多个切割元件，其固定附着于钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包括锥体，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承销，以使得每个锥体都能够绕着它安装到其上的轴承销旋转。多个切割元件可以安装到钻头的每个锥体。

用于在这种钻地工具的切割元件经常包括多晶金刚石复合片(经常称作“PDC”)切割元件，也称作“刀具”，其是包括多晶金刚石(PCD)材料的切割元件，其特征是可以作为超级磨料或者超硬材料。这种多晶金刚石材料是如下来形成的：将相对小的合成的、天然的或者合成和天然金刚石晶粒或晶体的组合(称作“磨光粉”)在高温和高压条件下，在催化剂(例如钴、铁、镍或它们的合金和混合物)存在下烧结和结合在一起，来形成多晶金刚石材料层，也称作金刚石台。这些处理经常称作高温/高压(“HTHP”)处理。切割元件基底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。在一些情况中，多晶金刚石台可以例如在HTHP烧结处理过程中，形成在元件上。在这种情况中，切割元件基底中的钴或其他催化剂材料可以在烧结过程中进入金刚石晶粒或晶体中，并且充当催化剂材料，用于由金刚石晶粒或晶体来形成金刚石台。在将晶粒或者晶体一起在HTHP处理中烧结之前，粉末化的催化剂材料还可以与金刚石晶粒或晶体混合。但是在其他方法中，该金刚石台可以与切割元件基底分别形成，随后附着其上。

为了减少与PDC切割元件中金刚石晶体的热膨胀差异和化学裂解有关的问题，已经开发了“热稳定的”多晶金刚石复合片(其也称作热稳定的产物或者“TSP”)。这种热稳定的多晶金刚石复合片可以通过将催化剂材料从金刚石台中的相互键合的晶粒之间的间隙中浸提出来而形成。但是，常规金刚石台会需要长至五周或者甚至更长时间来从相互键合的晶粒之间的间隙中浸提基本上全部的催化剂材料，这减慢了生产。

发明内容

在一些实施方案中，本发明包括形成多晶台的方法，其包括将包含超级磨料材料的多个粒子、包含硬质材料的基底和催化剂材料置于模具中。在该催化剂材料存在下部分烧结该多个粒子，以形成附着于基底端部的具有第一渗透性的半生多晶台。将该基底从该半生多晶台除去，和将催化剂材料从该半生多晶台除去。然后完全烧结该半生多晶台，以形成具有降低的、第二渗透性的多晶台。

在其他实施方案中，本发明包括形成多晶元件的方法，包括在催化剂材料和包含硬质材料的基底存在下部分烧结包含超级磨料材料的多个粒子，来形成附着于该基底端部的半生多晶台。除去该基底，和从该半生多晶台浸提出该催化剂材料。然后将该半生多晶台置于另一基底。在另一不同的催化剂材料和其他基底存在下充分烧结该半生多晶台，来形成附着于其他基底端部的多晶台。

在另外的实施方案中，本发明包括在将多晶台附着于基底的过程中形成的包括基本上完全浸提的半生多晶台的中间结构。该基本上完全浸提的半生多晶台包含多个超级磨料材料的相互键合的晶粒。

附图说明

虽然说明书结束于具体指出和明确主张何为本发明的权利要求书，但是当结合附图来阅读时，可以从下面对本发明实施方案的说明中更容易地确定本发明实施方案的不同特征和优点，附图中：

图1是在将多晶台附着于基底的过程中，位于模具中的第一多个粒子和第二多个粒子的图示；

图2是在将多晶台附着于基底的过程中所形成的第一中间结构的图示；

图3是在将多晶台附着于基底的过程中所形成的另一中间结构的图示；

图4是在将多晶台附着于基底的过程中，位于模具中的基底上的半生多晶台的图示；

图5是附着于基底的完全烧结的多晶台的图示；

图6是通过图1到5所示的方法形成的切割元件的透视图；

图7是通过图1到5所示的方法形成的另一切割元件的透视图；

图8A是在将多晶台附着于基底的过程的另一实施方案中，位于附着于基底的完全烧结的多晶台上的半生多晶台的图示；