[发明专利]包括功能化金刚石纳米颗粒的生坯体和形成生坯体的方法

说明书

制作聚晶金刚石的方法，包括：采用氟使金刚石纳米颗粒的表面功能化，将功能化的金刚石纳米颗粒与聚合物组合以形成混合物，和使该混合物经受高压和高温(HPHT)条件，以在金刚石纳米颗粒之间形成晶间结合。生坯体，包括：采用氟功能化的多个金刚石纳米颗粒和散布有该多个金刚石纳米颗粒的聚合物材料。形成切削元件的方法，包括：采用氟使金刚石纳米颗粒的表面功能化，和将功能化的金刚石纳米颗粒与聚合物组合以形成混合物。在本体上方形成该混合物，和使该混合物与本体经受HPHT条件，以在金刚石纳米颗粒之间形成晶间结合并将结合的金刚石纳米颗粒固定于该本体。

本发明专利申请是申请号201480011691.3、申请日2014年2月28日、发明名称“通过使金刚石纳米颗粒功能化来制作聚晶金刚石的方法、包括功能化金刚石纳米颗粒的生坯体和形成聚晶金刚石切削元件的方法”的发明专利申请的分案申请。

优先权声明

本申请要求2013年3月1日提交的名称为“Methods of FabricatingPolycrystalline Diamond by Functionalizing Diamond Nanoparticles,Green BodiesIncluding Functionalized Diamond Nanoparticles,and Methods of FormingPolycrystalline Diamond Cutting Elements”的美国专利申请号序列号13/782,341的申请日利益。

技术领域

本发明的实施方案整体上涉及形成聚晶金刚石材料的方法、形成包括聚晶金刚石材料的切削元件的方法以及可用于形成这样的切削元件的生坯体。

背景

用于在地下地层中形成井眼的钻地工具通常包括固定于本体的多个切削元件。例如，固定式切刀钻地旋转钻头(还称为“刮刀钻头”)包括多个切削元件，其固定连接至钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头包括安装在由钻头体的腿部延伸的牙轮轴上的锥体，从而使得每个锥体能够围绕锥体被安装在其上的牙轮轴旋转。可以将多个切削元件安装到钻头的每个锥体。

在这样的钻地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金刚石切刀(经常称为“PDC”)，其为包括聚晶金刚石(PCD)材料的切削元件。通过在催化剂(例如钴、铁、镍或其合金和混合物)的存在下在高温和高压的条件下将相对小的金刚石的晶粒或晶体烧结并结合在一起以在切削元件基材上形成聚晶金刚石材料层,来形成这样的聚晶金刚石切削元件。这些过程往往称为“高压高温过程”(“HPHT过程”)。切削元件基材可以是金属陶瓷材料(即陶瓷-金属复合材料)，例如钴-烧结碳化钨。在这样的情况下，切削元件基材中的钴或其它催化剂材料可以在烧结过程中被吸入到金刚石晶粒或晶体中并且充当用于从所述金刚石晶粒或晶体形成金刚石台的催化剂材料。在其它方法中，可在将晶粒或晶体在HPHT过程中烧结在一起之前将粉末状的催化剂材料与金刚石晶粒或晶体混合。

钴，其在烧结过程中常用来形成PCD材料，在约1495℃下熔化。可以通过将钴与碳或另外的元素合金化来降低熔化温度，因此可以在高于约1450℃的温度下进行含钴体的HPHT烧结。在使用HPHT过程形成金刚石台时，催化剂材料可以保留在所得的聚晶金刚石台中的金刚石晶粒或者晶体之间的间隙空间中。当在使用过程中加热切削元件时，由于在切削元件与地层之间的接触点处的摩擦，催化剂材料在金刚石台中的存在可导致金刚石台中的热损坏。其中催化剂材料保留在金刚石台中的聚晶金刚石切削元件通常是热稳定的直到约750℃的温度，但是聚晶金刚石台内的内部应力可在超过约350℃的温度下开始发展。该内部应力至少部分是由于金刚石台和与其结合的切削元件基材之间的热膨胀速率的差异。热膨胀速率的这种差别可导致在金刚石台与基材之间的界面处相对大的压缩和拉伸应力，并可导致金刚石台从基材脱层。在约750℃以上的温度下，由于金刚石台本身内的金刚石材料与催化剂材料的热膨胀系数的差异，金刚石台内的应力可显著增加。例如，钴热膨胀显著快于金刚石，这可导致裂纹在包括钴的金刚石台内形成和扩展，最终导致金刚石台的劣化和切削元件的无效。