[发明专利]超硬构造及其制造方法

说明书

一种超硬聚晶构造，其包括聚晶超硬材料本体，所述聚晶超硬材料本体包含包含超硬材料的结构，所述结构具有大于20体积％且至多约80体积％的孔隙率。一种形成这种超硬聚晶构造的方法，所述方法包括形成具有多个空隙的第一材料的骨架结构，用第二材料至少部分地填充所述一些或全部空隙以形成预烧结组件，以及处理所述预烧结组件以将超硬材料的晶粒烧结在一起从而形成包含超硬晶粒的第一区域和互穿第二区域的聚晶超硬材料本体；所述第二区域由所述第一材料或第二材料中不包含所述超硬晶粒的另一者形成；所述超硬晶粒形成孔隙率大于20体积％且至多约80体积％的烧结结构。

技术领域

本公开涉及超硬构造和制造此类构造的方法，具体但非排他地涉及包括附接到基材的聚晶金刚石(PCD)结构并用作用于钻入地下的钻头的刀具插入件或元件的构造。

背景技术

聚晶超硬材料诸如聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)可在用于切割、机械加工、钻孔或者降解硬质或研磨材料(诸如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料)的多种工具中使用。具体地，包含PCD材料的切割元件形式的工具插入件被广泛用于钻头以便钻入地下以提取油或气。超硬工具插入件的使用寿命可能受到超硬材料断裂包括剥落和碎裂的限制，或受到工具插入件磨损的限制。

切割元件诸如用于凿岩钻头或其他切割工具中的那些通常具有基材形式的本体，所述基材具有界面端部/表面和超硬材料，所述超硬材料通过例如烧结工艺形成结合到基材的界面表面的切割层。基材通常由碳化钨-钴合金(有时称为烧结碳化钨)形成，并且超硬材料层通常是聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产物TSP材料，诸如热稳定聚晶金刚石。

聚晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超级研磨材料)的实例，其包含大量基本上交互生长的金刚石晶粒，从而形成限定金刚石晶粒之间的间隙的骨架物。PCD材料通常包含至少约80体积％的金刚石，并且常规地通过使金刚石晶粒的聚集物经受例如大于约5GPa的超高压和至少约1,200℃的温度而制成。完全或部分地填充间隙的材料可被称为填料或粘结剂材料。

PCD通常在烧结助剂诸如钴的存在下形成，所述烧结助剂促进金刚石晶粒的交互生长。用于PCD的合适的烧结助剂通常还称为金刚石的溶剂-催化剂材料，这是因为它们在某种程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能。金刚石的溶剂-催化剂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生长或金刚石晶粒之间的直接金刚石-至-金刚石交互生长的材料。因此，烧结PCD产物内的间隙可全部或部分地填充有残余的溶剂-催化剂材料。最通常地，PCD常常形成在钴结碳化钨硬质合金基材上，其为PCD提供了钴溶剂-催化剂的来源。不促进金刚石晶粒之间的基本连贯(coherent)交互生长的材料本身可能与金刚石晶粒形成牢固的结合，但不是适合用于PCD烧结的溶剂-催化剂。

可用于形成合适基材的烧结碳化钨由碳化物颗粒形成，所述碳化物颗粒通过将碳化钨颗粒/晶粒和钴混合在一起然后加热固化而分散在钴基质中。为了形成具有超硬材料层(诸如PCD或PCBN)的切割元件，在耐火金属外壳(诸如铌外壳)中将金刚石颗粒或晶粒或者CBN晶粒与烧结碳化钨本体相邻地放置并使其经受高压和高温，使得金刚石晶粒或CBN晶粒之间发生晶粒间结合，从而形成聚晶超硬金刚石或聚晶CBN层。

包含PCD材料的切割元件或工具插入件在石油和天然气钻探工业中广泛地在用于钻入地下的钻头中使用。凿岩和其他操作需要高耐磨性和抗冲击性。限制聚晶金刚石(PCD)研磨刀具成功的因素之一是由于PCD与加工材料之间的摩擦产生的热量。这种热量导致金刚石层的热降解。热降解通过增加PCD层的开裂和剥落以及导致增加的研磨性磨损的金刚石向石墨的回转来增加刀具的磨损率。

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抗冲击性降低。

最高耐磨等级的PCD通常在刀具磨损之前就遭受刀具的灾难性断裂。在使用这些刀具的过程中，裂纹长大直至达到发生灾难性故障的临界长度，即当大部分PCD以脆性方式脱落时。在常规烧结PCD使用过程中遇到的这些长、快速增长的裂纹导致工具寿命缩短。