[发明专利]一种表面增强的三脊异形聚晶金刚石复合片及其制备方法

说明书

本发明的一种表面增强的三脊异形聚晶金刚石复合片及其制备方法属于超硬材料技术领域，所述的表面增强的三脊异形聚晶金刚石复合片，由CVD多晶金刚石条块、聚晶金刚石层和碳化钨‑钴硬质合金层构成，制备方法包括切割CVD多晶金刚石膜、按人字状并与金刚石微粉和碳化钨‑钴硬质合金圆柱坯料压实、高温高压烧结、机械加工等步骤。本发明制备的金刚石复合片具有耐磨性高、切削能力强、使用寿命长等优点。

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，特别涉及一种应用于石油钻井、地质勘探、煤田钻采钻头上和机械加工工具等行业的内部为热压烧结化学气相沉积(CVD)多晶金刚石条块的三脊异形聚晶金刚石复合片(PDC)及其制备方法。

背景技术

聚晶金刚石复合片钻头在石油、天然气钻探方面有着广泛的应用，随着常规石油、天然气开采资源的逐渐减少，大力发展页岩油、页岩气是未来的大趋势，页岩油、页岩气等难开采的地质对PDC钻头的性能要求越来越高。

PDC是将金刚石微粉和硬质合金基体(碳化钨-钴)在高温高压下烧结在一起，金刚石微粉烧结成金刚石层，具有金刚石的超高硬度和耐磨性，硬质合金基体具有可烧结性，便于应用于各种不同的工作环境。

硬质合金基体中的钴在高温高压下从基体中渗出，穿过金刚石微粉，金刚石晶粒互相接触部位融入钴液中，温度降低后，融入钴液的碳原子重新生长成为金刚石结构，从而使得金刚石晶粒之间牢固结合，成为聚晶金刚石。

聚晶金刚石复合片非常重要的性能参数是耐磨性和耐冲击性，这两项参数指标都与金刚石晶粒之间的结合强度有非常大的关系。金刚石晶粒之间的接触面积越大，金刚石晶粒结合越牢固，复合片磨损率越低。

传统的方法已经很难再进一步提高金刚石晶粒之间的连接强度，想进一步提升金刚石复合片的耐磨性，可通过在受力的棱刃处进行保护增强。

CVD多晶金刚石膜相比金刚石聚晶其晶粒结合更加牢固紧密，具有更高的耐磨性，机械加工后用作异形金刚石复合片棱刃刀头可降低其磨损率，大大提升异形金刚石复合片的使用寿命。

发明内容

本发明提供一种全新的配方和工艺，通过在传统三脊异形聚晶金刚石复合片(PDC)内部热压烧结三条化学气相沉积(CVD)多晶金刚石条块来对棱刃处进行保护增强，进一步降低异形金刚石复合片棱刃处的磨损率。三条相同大小的CVD多晶金刚石条块以120°夹角组成人字形，在压力≥5.5GP、温度≥1400℃的条件下烧结包裹在聚晶金刚石层内部。在高温高压烧结过程，流体状态的金刚石微粉、钴、碳化钨混合物与CVD多晶金刚石条块包裹紧密，两者之间形成牢固D-D键连接。PDC顶部的聚晶金刚石层由机械加工成型为三个扇形，三条呈人字状排列的CVD多晶金刚石条块作为三条脊，使异形PDC在超高负荷工作条件下具有更佳的切削能力与更长的使用寿命。

上述的技术问题通过以下的技术方案实现：

一种表面增强的三脊异形聚晶金刚石复合片，由CVD多晶金刚石条块、聚晶金刚石层和碳化钨-钴硬质合金层构成，所述CVD多晶金刚石条块烧结包裹在聚晶金刚石层里，聚晶金刚石层烧结在碳化钨-钴硬质合金层上，所述CVD多晶金刚石条块是三条大小相同的CVD多晶金刚石条块，以120°夹角组成人字形，在压力≥5.5GP、温度≥1400℃的条件下包裹烧结在聚晶金刚石层内部，三条CVD多晶金刚石条块之间的聚晶金刚石层由机械加工成型为三个扇形，三条呈人字状排列的CVD多晶金刚石条块作为三条脊。

作为优选，所述的聚晶金刚石层和碳化钨-钴硬质合金层的厚度分别为2mm和11mm。

一种表面增强的三脊异形聚晶金刚石复合片的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取表面均匀完整的CVD多晶金刚石膜一片；

(2)将步骤(1)所述的CVD多晶金刚石膜放置在用激光切割机样品台上，用激光将金刚石膜片切割得到尺寸为a×b×c的三条CVD多晶金刚石条块作为刀头；