[发明专利]多晶金刚石结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶金刚石（PCD）结构，包括该结构的元件，该结构的制造方法，以及包括该结构的工具，更具体地但不限制地用于岩石降解或钻探，或者用于在地面中钻孔的工具。

背景技术

PCD材料包括大量基本上交互生长（inter-grown）的金刚石晶粒和金刚石晶粒之间的空隙。可以通过使金刚石晶粒的聚积块在存在例如钴的烧结助剂的情况下，经受超高压超高温来制造PCD，所述烧结助剂可以促进金刚石晶粒的交互生长。烧结助剂也可以称为用于金刚石的催化剂材料。可以整个地或部分地用残留的催化剂材料来填充PCD材料内的空隙。PCD可以整体地形成在钴钨硬质合金基底上并与之结合，该基底可以提供用于烧结PCD的钴催化剂材料源。本文使用的术语“整体形成的”区域或部分是彼此连续制造的，并且没有被不同种类的材料分开。包括PCD材料的工具嵌入物广泛地应用于在石油和天然气钻探产业中在地面中钻孔的钻头中。尽管PCD材料非常耐磨，但是需要具有更强的抗断裂性的PCD工具嵌入物。

发明内容

从第一方面看，本发明提供了一种PCD结构，该PCD结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至第一区域；第一区域包括多个交替的晶层（strata）或层（layer），每个晶层或层的厚度在约5到300微米的范围内；第二区域包括多个晶层或层，第二区域中的一个或更多个晶层或层的厚度大于第一区域中的单独的晶层或层的厚度，其中第一区域中交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层处于残余压缩应力的状态，并且第二层或晶层处于残余拉伸应力的状态。

在一些实施例中，第一区域中的晶层或层的厚度可以在例如约30至300微米、或30至200微米的范围内。

第二区域中的晶层或层的厚度可以例如是大于约200微米。

在一些实施例中，第一区域可以包括两个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸，并且在其它的实施例中，第一区域可以包括三个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。

从第二方面看，本发明提供了一种PCD结构，该PCD结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层，在第一区域中的每一个层或晶层的厚度在约5到300微米的范围内；所述第一区域包括两个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。

在一些实施例中，第一区域可以包括三个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸。

从第三方面看，本发明提供了一种PCD结构，该PCD结构包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替的晶层或层，每一个晶层或层的厚度在约5到300微米的范围内。

在一些实施例中，在第一和/或第二区域中的每一个晶层或层可以在整个所述晶层或层中具有基本上一致的金刚石晶粒尺寸分布。

在一些实施例中，第一区域可以包括在使用中形成所述PCD结构的初始工作表面的外部工作表面。

在一些实施例中，在第一区域中的每一个晶层或层的厚度可以在约30到300微米的范围内。

在一些实施例中，交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层处于残余压缩应力状态，并且所述第二层或晶层处于残余拉伸应力状态。

在一些实施例中，第二区域包括多个层或晶层，所述层或晶层包括预定平均晶粒尺寸的金刚石晶粒。

在第二区域中的金刚石晶粒的预定平均晶粒尺寸可以例如是在第一区域中的金刚石晶粒的混合物中的金刚石晶粒的平均晶粒尺寸中的一个。

在一些实施例中，交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层由具有三个或更多个不同的平均金刚石晶粒尺寸的金刚石混合物形成，并且所述第二层或晶层由具有相同的三个或更多个平均金刚石晶粒尺寸的金刚石混合物形成，其中所述第一区域中的所述第一晶层或层与来自所述第一区域中的第二晶层或层的所述混合物中的金刚石晶粒具有不同尺寸比。

在一些实施例中，交替的层或晶层包括与第二层或晶层交替的第一层或晶层，所述第一层或晶层由具有第一平均晶粒尺寸的金刚石混合物形成，并且所述第二层或晶层由具有第二平均晶粒尺寸的金刚石混合物形成。