[发明专利]高韧性聚晶金刚石截齿的制备方法

说明书

本发明揭示了一种高韧性聚晶金刚石截齿的制备方法，通过表面原位生长有碳纳米管的金刚石颗粒与Co粉充分混合后，与钨钴硬质合金组装成复合件，在高温高压下烧结而成。本发明的有益效果主要体现在：利用碳纳米管在金刚石表面形成突起物或尖刺作为金刚石的延伸，增加了SP3键的数量和密度，从而增加了整个PDC硬质层的韧性，使得聚晶金刚石复合片在具备高耐磨性的同时，也具备较高的断裂韧性和较高的冲击能力，延长了其使用寿命，也降低了生产聚晶金刚石截齿的能耗。

技术领域

本发明涉及钻探和机加工领域，具体而言，尤其涉及一种高韧性聚晶金刚石截齿的制备方法。

背景技术

钻头行业在石油和天然气的应用中具有很强的竞争性，钻头制造商和钻井运营商正在不断寻找各种方法来降低成本，延长聚晶金刚石截齿(或称PDC复合片、PDC截齿)的使用寿命是重要的一部分研究内容，这主要是因为制作一个金刚石钻头中所需的聚晶金刚石截齿将占据很大一部分费用。

最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头，但由于新技术的出现以及结构的变化，PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了，PDC钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC截齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。

PDC截齿是将金刚石颗粒放置一个耐热金属容器以致金属容器内的金刚石颗粒相互接触，金属容器在高温高压下确保金刚石颗粒稳定地保持在金刚石相区。金刚石颗粒与其周围的金刚石颗粒相互接触，金刚石颗粒会在相邻晶粒中彼此最接近的碳原子之间形成SP3共价键。催化剂的加入会加速共价键的形成，催化剂的来源通常是基底，它是碳化钨颗粒与粘合剂结合在一起的复合材料，如典型的钴金属可作为粘合剂。钴金属以及其余第Ⅷ族金属均可以作为催化剂。钴金属作为催化剂为较优的选择，熔融的钴金属通过润湿(溶解)金刚石颗粒的碳原子及其邻近的金刚石颗粒来加速共价键的形成。因此，将金刚石颗粒封闭起来，更容易促使共价建的形成。上述过程称为烧结，可能需要数秒，烧结时间取决于金刚石颗粒的大小和被烧结的金刚石晶粒的总体积占比，以及环境压力和温度，最终得到的实物被命名为聚晶金刚石复合片(PDC复合片)。

PDC硬度会随着SP3共价键密度增加而增加，可通过多种方法实现，有一种方法如图1、图2所示，在金刚石颗粒间隙310之间中加入更精细的金刚石颗粒320，从而形成更多的SP3共价键330。如图3所示，另外一种方法是通过增加现有压力，使金刚石颗粒之间更加接近，更多的金刚石颗粒接触和更多的SP3共价键形成。

以上两种方法均使PDC复合片硬度增加，但均降低了其韧性。

第一种方法是在金刚石中加入更细的金刚石颗粒，在间隙中晶粒越小，PDC复合片的结构就越硬，而其结构就越脆。从本质上讲，小的金刚石颗粒在间隙中充当大颗粒之间的桥梁，形成的SP3键的行为就好像是较长的键，当受到撞击时更容易断裂，不像大颗粒之间的SP3键，没有间隙颗粒形成键节点，因此限制了SP3键的有效长度。这种结构的PDC复合片受到外力后，更容易脆裂。

第二种方法，由于金刚石颗粒会较大程度的接近，进而持续的压力会使金刚石颗粒之间相互挤压而导致金刚石颗粒破碎，破碎后的金刚石颗粒会产生棱角，产生的棱角一定程度上减少了金刚石颗粒之间的接触面积，减少了SP3键的形成，降低了SP3的密度，进而导致PDC复合片韧性降低。

目前还有一些研究工作，是将碳纳米管与金刚石通过球磨机进行机械混合意图提高PDC复合片的硬度，但是其具有以下缺点，通过机械搅拌将碳纳米管混入金刚石颗粒中，其混合难以均匀，且碳纳米管在金刚石表面仅为物理吸附，吸附量少，吸附不均匀，不致密，因此合成PDC复合片中，碳纳米管分布不均，导致对其韧性和耐磨性提升有限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高韧性聚晶金刚石截齿的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：