多层多晶金刚石结构制造技术

本发明专利技术公开了一种多晶金刚石结构，其包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域。所述第一区域包括多个交替层(21)、(22)，所述第一区域中的每个或一个或多个层的厚度在约5-300微米的范围内。所述多晶金刚石(PCD)结构的金刚石含量为PCD材料体积的至多约95％，粘合剂含量为PCD材料体积的至少约5％，所述第一区域和/或第二区域中的一个或多个层包括平均金刚石晶粒接触率大于约60％且标准偏差小于约2.2％的金刚石晶粒。还公开了用于制造这种多晶金刚石结构的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种多晶金刚石（P⑶）结构，包括该结构的元件，该结构的制造方法， 以及包括该结构的工具，特别是用于但非专门用于岩石破碎（rockdegradation)或凿岩， 或者用于地壳钻探。
技术介绍
P⑶材料包括大量基本上交互生长（inter-grown)的金刚石晶粒和金刚石晶粒之 间的空隙。 包含PCD的元件用于切削、机械加工、钻孔或破碎硬质或研磨材料如岩石、金属、 陶瓷、复合材料和含木材料的各种工具。特别是，包含PCD材料的切削件嵌件（cutter insert)在石油和天然气钻探行业中被广泛用于地壳钻探的钻头。用于机器和其他工具的 此类切削件嵌件可包括结合至烧结碳化物基体的多晶金刚石（PCD)层。PCD是超硬材料的 实例，也被称为超级研磨材料，其硬度值比烧结碳化钨大得多。 P⑶包括形成骨架体（skeletalmass)的大量基本上交互生长的金刚石晶粒，骨 架体限定了金刚石晶粒之间的空隙。P⑶材料包含至少约80体积％的金刚石，并且可以在 烧结助剂（也被称为用于金刚石的催化剂材料）的存在下，通过使金刚石晶粒的聚集体经 受大于约5GPa，通常为约5. 5Gpa的超高压，以及至少约1200°C，通常为约1440°C的温度来 制备PCD材料。用于金刚石的催化剂材料应理解为，在金刚石比石墨热力学上更稳定的压 力和温度条件下，能够促进金刚石晶粒直接交互生长的材料。在环境压力下，特别是在高温 下，一些用于金刚石的催化剂材料可促进金刚石向石墨的转化。用于金刚石的催化剂材料 的实例有钴、铁、镍和包括这些任意金属的某些合金。PCD材料内的空隙可全部或部分地填 充有残余的催化剂材料。PCD可以在钴烧结碳化钨基体上一体成型，并与之结合，所述钴烧 结碳化钨基体可提供用于烧结PCD的钴催化剂材料源。本文所用的术语"一体成型的"区 域或部分彼此连续地产生，并且没有被不同种类的材料分开。 尽管PCD材料非常耐磨，但是需要具有增强的抗断裂性的PCD工具嵌件。
技术实现思路
从第一方面看，提供了一种多晶金刚石结构，其包括第一区域和与所述第一区域 相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至第一区域；所述第一区 域包括多个交替层，所述第一区域中的每个或一个或多个层的厚度在约5-300微米的范围 内；其中多晶金刚石（PCD)结构的金刚石含量为PCD材料体积的至多约95%，粘合剂含量 为PCD材料体积的至少约5 %，第一区域和/或第二区域中的一个或多个层包括平均金刚石 晶粒接触率（contiguity)大于约60%且标准偏差小于约2. 2%的金刚石晶粒。 从第二方面看，提供了多晶金刚石复合片（diamondcompact)或构造 (construction)，其包括如上限定的PO)结构。 可提供包括上述的与烧结碳化物支承体结合的P⑶结构的P⑶元件，以及包括这 类PCD元件的工具。所述工具可以例如是用于地壳钻探的钻头或钻头的部件，或用于破碎 或破坏诸如柏油或岩石等坚硬材料的镐头或铁砧。 从第二方面看，提供了用于制造多晶金刚石（PCD)结构的方法，所述方法包括： 提供第一部分的金刚石颗粒或晶粒和烧结添加剂，所述烧结添加剂包含纳米尺寸 的颗粒或晶粒的碳源，并使所述金刚石颗粒和烧结添加剂形成第一聚集体， 提供第二部分的金刚石颗粒或晶粒，并使之形成第二聚集体； 合并第一聚集体和粘合料，通常为用于金刚石的催化剂材料，以及第二聚集体，以 形成由第一和第二聚集体的多个交替层形成的生坯； 使所述生坯在金刚石比石墨热力学上更稳定的压力和温度条件下经历足以耗尽 所述烧结添加剂的时间，使其烧结，并形成多晶金刚石材料本体，其是： 热力学和晶体学稳定的， 基本没有任何纳米结构，所述多晶金刚石（PCD)材料本体的金刚石含量为PCD材 料体积的至多约95%，粘合剂含量为P⑶材料体积的至少约5%， 烧结步骤还包括形成多晶金刚石材料本体，所述多晶金刚石材料本体包括第一区 域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所 述第一区域；所述第一区域包括多个交替层，每个层的厚度在约5 = 300微米的范围内； 其中所述第一区域中的交替层包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状 态，所述第二层处于残余张应力状态；并且，其中所述第一区域和/或第二区域中的一个或 多个所述层包括平均金刚石晶粒接触率大于约60%且标准偏差小于约2. 2%的金刚石晶 粒。【附图说明】 现在将参考附图描述PCD结构的实施例，在附图中： 图1示出了用于地壳钻探的钻头的示例性P⑶切削元件的示意性立体图； 图2示出了PCD结构的一部分的实施例的示意性截面图； 图3示出了P⑶元件实施例的示意性纵向截面图； 图4示出了P⑶元件施例的示意性纵向截面图； 图5示出了用于地壳钻探用钻头实施例的一部分的示意性立体图； 图6A示出了用于P⑶元件的预烧结组件实施例的示意性纵向截面图； 图6B示出了P⑶元件实施例的示意性纵向截面图； 图7A、图7B、图7C和图7D示出了POT结构实施例的一部分的示意性截面图；并且 在所有附图中，相同的附图标记表不相同的一般特征。 专利技术详述本文使用的多晶金刚石（PCD)是包括大量金刚石晶粒的超硬材料，其大部分是直 接彼此互相结合的，并且其中金刚石的含量占该材料的至少约80体积百分比。在PCD材料 的一个实施方案中，可以至少部分地用包括用于金刚石的催化剂的粘合剂来填充金刚石晶 粒之间的空隙。本文使用的"空隙"或"空隙区域"指的是在PCD材料的金刚石晶粒之间的 区域。在PCD材料的实施例中，空隙或空隙区域可以基本上或者部分地由金刚石以外的材 料填充，或者它们可以基本上是空的。PCD材料的实例可以包括催化剂材料已从空隙移除从 而使金刚石晶粒之间的空隙空着的至少一个区域。本文使用的"用于金刚石的催化剂材料" 是在金刚石比石墨热力学上更稳定的温度和压力条件下，能够促进金刚石晶粒或颗粒的直 接交互生长的材料。 本文使用的"生坯"是将要被烧结或已被部分烧结但尚未完全烧结形成最终产品 的制品。其一般可以是自支撑的，且可以具有所需成品的大体形状。 本文使用的"超硬耐磨元件"是包含超硬材料的元件，并用于磨损应用中，例如破 碎、钻孔、切削或机加工包含硬质或耐磨材料的工件或本体。 本文使用的词语"平均（average) "和"平均（mean) "具有相同的含义，并可互换 使用。 本文使用的"纳米金刚石"和"纳米尺寸的碳源"是其主要的直径尺寸为0. 1微米 (100nm)或更小的颗粒或晶粒。 本文使用的UDD是由2-50nm的金刚石颗粒组成的"超分散纳米金刚石"，并通过含 碳爆炸物的爆炸产生。UDD颗粒通常是由被亚稳定（非金刚石）碳壳包围的多晶金刚石核 心组成。 本文使用的PDD是包含可小至0-50nm的颗粒的"多晶爆轰金刚石粉末"，也称为 "多分散金刚石"，其通常由通过混有催化剂的碳材料的冲击波压缩产生的约20-25nm的多 晶纳米金刚石晶粒组成。PH)通常含有来自催化剂的非碳杂质，例如铜。 本文使用的"碎源纳米金刚石"是已被研磨、纯化并分级（graded)以产生纳米尺 寸部分的单晶金刚石颗粒的合成的（在HPHT条件下人工合成的）或天然的本文档来自技高网...

【技术保护点】
多晶金刚石结构，其包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替层，所述第一区域中的每个或一个或多个层的厚度在约5‑300微米的范围内；其中所述多晶金刚石(PCD)结构的金刚石含量为PCD材料体积的至多约95％，粘合剂含量为所述PCD材料体积的至少约5％，所述第一区域和/或所述第二区域中的一个或多个层包括平均金刚石晶粒接触率大于约60％且标准偏差小于约2.2％的金刚石晶粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼德雷特·卡恩，卡维施尼·耐度，
申请(专利权)人：第六元素研磨剂股份有限公司，
类型：发明
国别省市：卢森堡;LU