[发明专利]超硬结构及其制造方法

说明书

技术领域

本公开涉及一种超硬结构和所述结构的制作方法，特别地但不唯一地涉及包括附接至基底的多晶金刚石(PCD)结构的结构以及包括这种结构的工具，特别地但不唯一地用在岩体破碎(rock degradation)或钻孔或用于钻探到地面中。

背景技术

多晶超硬材料如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可被用于多种工具，所述工具用于切割、机械加工、钻孔或破碎硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。特别是，包含PCD材料的切割元件(cutting element)形式的工具嵌件被广泛用于进行地面钻探以开采石油或天然气的钻头。超硬工具嵌件的工作寿命可受包括通过剥落和裂口的超硬材料的断裂或者工具嵌件的磨损限制。

诸如在岩石钻头中使用的切割元件或其它切割工具通常具有呈基底形式的主体，其具有界面端/表面和超硬材料，所述超硬材料形成切割层，所述切割层例如通过烧结工艺结合至基底的界面表面。基底通常由有时被称为烧结碳化钨的碳化钨-钴合金构成，且超硬材料层典型地为多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产品TSP材料如热稳定多晶金刚石。

多晶金刚石(PCD)是超硬材料的(也称为超硬磨料材料或极硬材料)，超硬材料包括大量基本上共生的金刚石晶粒，形成限定于金刚石晶粒之间的间隙的骨架块。PCD材料典型地包含至少约80体积％的金刚石，并且通常通过使金刚石晶粒的聚集块经受例如大于约5GPa的超高压力和至少约1,200℃的温度来进行制造。全部或部分地填充所述间隙的材料可被称为填料或粘合剂材料。

PCD典型地在烧结助剂如钴的存在下形成，烧结助剂促进金刚石晶粒的共生。用于PCD的适合的烧结助剂由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能，通常也被称为用于金刚石的溶剂-催化剂材料。用于金刚石的溶剂-催化剂被理解为能够在金刚石热力学稳定的压力和温度条件下促进金刚石的生长或在金刚石晶粒之间直接的金刚石对金刚石的共生的材料。因此在烧结的PCD产品内的间隙中可以全部或部分地填充有剩余的溶剂-催化剂材料。最典型地，PCD常在钴-烧结碳化钨基底上形成，其提供了用于PCD的钴溶剂-催化剂源。不促进金刚石晶粒之间基本连贯共生的材料本身可与金刚石晶粒形成强的结合，但对于PCD烧结其并非适合的溶剂-催化剂。

可以用于形成适当的基底的烧结碳化钨由散布在钴基质中的碳化物颗粒通过将碳化钨颗粒/晶粒以及钴混合在一起然后加热凝固形成。为了形成带有诸如PCD或PCBN的超硬材料层的切割元件，金刚石颗粒或晶粒或CBN晶粒被放置与诸如铌罩体的难熔金属罩体中的烧结碳化钨主体相邻并且经受高压和高温使得金刚石晶粒或CBN晶粒之间发生晶间结合，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。

在一些情况下，基底可以在附着于超硬材料层之前充分固化，而在其它情况下，基底可以是生的(green)，即未完全固化。在后一种情况下，基底可以在HTHP烧结工艺中充分固化。基底可以是粉末形式，并可以在用于烧结超硬材料层的烧结工艺中进行固化。

随着对地面钻探领域的改善生产力的需求提高，对切割岩石的材料提出了更高的要求。具体而言，需要具有改善的耐磨性和耐冲击性的PCD材料来实现更快的切割速率和更长的工具寿命。

包括PCD材料的切割元件或工具嵌件被广泛应用于石油和天然气开采工业中的地面钻探用钻头。岩石钻孔石和其它操作需要高的耐磨性和耐冲击性。限制多晶金刚石(PCD)耐磨刀具成功的一个因素是由于PCD和加工材料之间的摩擦而产生的热量。这种热量导致金刚石层的热降解(thermal degradation)。由于PCD层的破裂和剥落增加以及导致磨损增加的金刚石到石墨的逆转化，热降解增加了刀具的磨损速率。

用于改善PCD复合材料的耐磨性的方法常常导致复合材料的耐冲击性降低。

在刀具中使用的PCD和PCBN的最耐磨品级通常因为剥落而不合格，剥落在刀具已经磨损之前导致刀具的灾难性断裂。剥落被认为由从切割工具的工作区域扩展至顶部自由表面的裂纹引起。在使用这些刀具期间，裂纹扩展直到它们达到发生灾难性故障的临界长度，即当PCD或PCBN的大部分以脆化的方式断开。部件或结构的灾难性故障表明裂纹扩展以达到给定的结构材料的“临界裂纹长度”。“临界裂纹长度”是裂纹的可接受长度，超出其可接受长度，裂纹的扩展变得不可控制导致与部件的剩余非工作区无关的灾难性故障。因此，在使用传统烧结的PCD和PCBN期间遇到裂纹的快速扩展会导致工具寿命更短。