[发明专利]一种表面增强的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。所述的表面增强的聚晶金刚石复合片，包括CVD多晶金刚石膜、聚晶金刚石层和碳化钨‑钴硬质合金层，制备方法包括激光扫描雕刻预制图案、整体压实成型、高温高压烧结等步骤。本发明通过在PDC表面热压烧结一层CVD多晶金刚石膜，提高了PDC的耐磨性，在高温高压烧结过程中表面CVD多晶金刚石膜沿激光预制纹路开裂，流体状态的金刚石微粉、钴、碳化钨混合物填充入裂隙形成聚晶，并与CVD多晶金刚石膜形成牢固D‑D键连接。因此在高温高压烧结过程中和高负荷工作条件下金刚石膜片不易随机崩裂脱落，以免造成刀具损伤。

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表面为热压烧结化学气相沉积(CVD)多晶金刚石膜的聚晶金刚石复合片(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。

PDC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。

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PDC的耐磨性，可通过外加超硬涂层的方法来进行表面增强。

CVD多晶金刚石膜相比聚晶金刚石其晶粒结合更加牢固紧密，但在制备PDC的高温高压环境下，CVD多晶金刚石膜容易随机开裂，且传统金刚石膜刀具在超高负荷工作条件下易造成随机崩裂脱落从而造成刀具损伤。

发明内容

本发明提供一种全新的配方和工艺，通过在传统PDC表面高温高压烧结一层CVD多晶金刚石膜，能使PDC的聚晶金刚石层表面得到增强，进一步提高PDC的耐磨性。CVD多晶金刚石膜先经过激光雕刻预制纹路，PDC在压力≥5.5GP、温度≥1400℃的条件下的烧结过程中表面CVD多晶金刚石膜片沿激光预制纹路开裂，流体状态的金刚石微粉、钴、碳化钨混合物填充入裂隙形成聚晶，并与CVD多晶金刚石膜片形成牢固D-D键连接。因此在高温高压烧结过程中和高负荷工作条件下CVD多晶金刚石膜片不易大面积随机崩裂，以免造成刀具损伤。

上述的技术问题通过以下的技术方案实现：

一种表面增强的聚晶金刚石复合片，包括CVD多晶金刚石膜、聚晶金刚石层和碳化钨-钴硬质合金层，CVD多晶金刚石膜烧结在聚晶金刚石层上，聚晶金刚石层烧结在碳化钨-钴硬质合金层上，其特征在于，所述的CVD多晶金刚石膜是在压力≥5.5GP、温度≥1400℃的条件下和聚晶金刚石层原料烧结在一起的，烧结前CVD多晶金刚石膜片表面利用激光雕刻预制纹路，膜片上激光预制纹路在烧结时产生裂隙，裂隙由流体聚晶填充，聚晶金刚石层与CVD多晶金刚石膜之间由牢固的D-D键连接。

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多晶金刚石膜一片和碳化钨-钴硬质合金圆柱坯料一个；