[发明专利]火花等离子体烧结的聚晶金刚石复合片

说明书

技术领域

本公开涉及聚晶金刚石复合片(PDC)，其包括通过火花等离子体烧结而键合到基材的聚晶金刚石。

发明背景

聚晶金刚石复合片(PDC)(特别是PDC刀具)经常用于钻地钻头(诸如固定刀具钻头)中。PDC包括在压机中在高压、高温(HTHP)条件下形成的金刚石。在许多情况下，PDC包括在少至单个HTHP压制周期中形成并键合到基材的聚晶金刚石。在本领域中有时称为催化材料或简称为“催化剂”的烧结助剂经常包括在压机中，以有助于既参与形成金刚石又可选地参与将金刚石键合到基材的金刚石与金刚石键合。

在使用过程中(例如，在钻井时)，聚晶金刚石刀具变得非常热，并且由于包括金刚石与烧结助剂的热膨胀系数之间的不匹配(即，CTE不匹配)的因素而使得金刚石中的残余烧结助剂可能导致问题，诸如过早损坏或磨损。为了避免或最小化这个问题，所有或大部分残余金刚石烧结助剂经常在使用之前诸如通过化学浸出过程、电化学过程或其他方法从聚晶金刚石中去除。不管去除金刚石烧结助剂的方法如何，已经从其去除至少一些残余烧结助剂的聚晶金刚石经常称为是浸出的。被充分浸出以避免在大气压下、在高达1200℃的温度下石墨化的聚晶金刚石经常称为是热稳定的。包含浸出的或热稳定的聚晶金刚石的PDC经常称为浸出的或热稳定的PDC，这反映出它们包括的聚晶金刚石的性质。

尽管在PDC中使用的聚晶金刚石通常在基材上形成，但是可以随后去除形成基材，例如以有助于浸出。即使PDC在原始基材上包含聚晶金刚石，聚晶金刚石与原始基材之间的键合也可能已例如通过浸出而减弱。因此，将聚晶金刚石附接到基材或者改善聚晶金刚石与基材的现有附接是令人感兴趣的。

附图简述

结合未按比例绘制的附图参考以下描述可以获得对本发明的实施方案和其优点的更完整和更充分的理解，在附图中相同的参考数字指示相同的特征，并且其中：

图1A是未浸出的聚晶金刚石的截面的示意图；

图1B是浸出的聚晶金刚石的截面的示意图，所述浸出的聚晶金刚石邻近基材但未共价键合到基材；

图1C是在通过火花等离子体烧结的共价键合之前在存在反应气体的情况下的邻近基材的浸出的聚晶金刚石的截面的示意图；

图1D是浸出的PDC刀具的截面的示意图，所述浸出的PDC刀具包括通过火花等离子体烧结共价键合的聚晶金刚石和基材；

图2是火花等离子体烧结组件的截面的示意图；

图3是包含图2的组件的火花等离子体烧结系统的示意图；

图4是通过火花等离子体烧结形成的PDC刀具的示意图；

图5是包含通过火花等离子体烧结形成的PCD刀具的固定刀具钻头的示意图。

具体实施方式

本公开涉及一种PDC元件(诸如PDC刀具)，其包含通过火花等离子体烧结共价键合到基材的浸出的聚晶金刚石。用于火花等离子体烧结的等离子体包含碳化物结构形成的元素，所述元素共价键合到聚晶金刚石和基材中的碳化物颗粒，从而在其间形成共价键碳化物键合。

聚晶金刚石，特别是如果被浸出，更特别是如果被充分浸出以成为热稳定的，那么就包含在其中形成碳化物结构的孔隙。当聚晶金刚石中的孔隙邻近基材中的碳化物晶粒时，碳化物结构在孔隙内形成并共价键合到孔隙壁并且还共价键合到基材中的碳化物晶粒。在聚晶金刚石内，金刚石键合也可以在孔隙内形成。

图1A描绘未浸出的聚晶金刚石。呈催化剂形式的金刚石烧结助剂20位于金刚石晶粒10之间。在浸出之后，如图1B的完全浸出的聚晶金刚石30所示，存在金刚石烧结助剂20先前所位于的孔隙50。尽管图1B示出完全浸出的、热稳定的聚晶金刚石，但是具有孔隙的部分浸出的聚晶金刚石或未浸出的聚晶金刚石也可以用于本文公开的火花等离子体烧结过程。聚晶金刚石的浸出部分可以延伸到距聚晶金刚石表面的任何深度，或者甚至包括所有聚晶金刚石。与未浸出的聚晶金刚石中的体积的4％至8％相比，浸出的或热稳定的聚晶金刚石的浸出部分的体积的小于2％或小于1％由金刚石烧结助剂所占据。

在基材40中可以存在围绕碳化物晶粒60的孔隙70。可替代地，基材40可以缺少孔隙或者可以包含围绕碳化物晶粒60的其他材料。在任一种情况下，基材40可以是包含碳化物晶粒60和孔隙70位于其中的基质的胶结碳化物。