用于高温高压压机的具有定制的电阻特性的石墨加热器及制成的产品制造技术

一种用于烧结的方法包括将刀具材料装载到HPHT压机内的电阻加热元件中，并将第一轴向部分处的电阻加热元件加热至控制温度，其中在控制温度和沿着所述电阻加热元件的远侧轴向部分处测量的第二温度之间的温度差被测量，其中所述控制温度和所述第二温度之间的差异在所述控制温度的约5％至约11％的范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高温高压压机的具有定制的电阻特性的石墨加热器及制成的产品交叉参考相关申请本申请要求2014年11月10日提交的美国专利申请号62/077718和2015年11月10日提交的美国专利申请号14/936682的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
高压、高温(“HPHT”)烧结工艺包括使用高压压机，例如六面顶压机，带式压机或环形压机，以使材料或材料混合物经受高压和高温条件下。材料可以被保持在放置在压机内的容器中，其中材料和容器都经受HPHT条件。容器应该是足够可变形的，以将压力传递到正被压制的材料，但是也必须足够坚固以密封中心隔室，在该隔室中保持有密封的材料，使得可以在中心隔室内形成高压力。在一些工艺中，由低热导率材料制成的绝缘套管被组装在容器和被压制的材料之间以减少通过容器的散热。当用于烧结超硬材料时，例如多晶金刚石(PCD))和多晶立方氮化硼(PCBN)时，高压压机可以施加在5至8GPa范围内的压力以及在1300至1650℃的温度。一些工艺可以包括将超硬材料烧结到诸如碳化物基底的基底上，例如在单个烧结工艺期间用于形成超硬材料体并将超硬材料体粘合到基底上，或者使用分离的烧结工艺用于形成超硬材料体并将超硬材料体粘合到基底上。然而，一些材料可以在大于8GPa的压力和大于1650℃的温度下被压制。例如，无粘合剂的纳米多晶PCD材料可以在约15GPa的压力和约2300℃的温度下在高压压机中被烧结。
技术实现思路
该
技术实现思路
被提供以介绍下面在详细描述中进一步描述的一些概念的选择。该
技术实现思路
不是用来确定所要求保护的主题的关键或实质特征，也不旨在用作辅助以限制所要求保护的主题的范围。在一个方面，本文公开的实施例涉及一种用于烧结的方法，其包括将刀具材料装载到HPHT压机内的电阻加热元件中，并将第一轴向部分处的电阻加热元件加热到控制温度，其中在控制温度和沿着电阻加热元件的远侧轴向部分处测量的第二温度之间的温度差被测量，其中控制温度和第二温度之间的差异在控制温度的约5％至约11％的范围内。在另一方面，本文公开的实施例涉及一种用于烧结的方法，其包括将刀具材料装载到HPHT压机内的电阻加热元件中；以及将第一轴向部分处的电阻加热元件加热到控制温度，其中在控制温度和沿着电阻加热元件的远侧轴向部分处测量的第二温度之间的温度差被测量，第二温度具有在运行之间小于约15％的标准偏差。在另一方面，本文公开的实施方案涉及具有超硬材料体的切割元件，其包括多个硬颗粒和基本上均匀分布在多个硬颗粒中的粘合剂相，使得在超硬材料体的周边周围测量到的粘合剂相的体积百分比在围绕所述周边的粘合剂相的平均体积百分比的15％内变化。在另一方面，本文公开的实施例涉及一种HPHT池组件，其包括具有从约5微米至约30微米的范围内的细颗粒尺寸的基本上管状的电阻加热元件。从以下描述和所附权利要求，所要求保护的主题的其它方面和优点将变得显而易见。附图说明图1是根据本公开的实施例的HPHT池组件的横截面视图；图2是根据本公开的实施例的HPHT池组件的横截面视图；图3是根据本公开的实施例的HPHT池组件的横截面视图；图4是根据本公开的实施例的HPHT池组件的横截面视图；图5示出了烧结后的切割元件周围的粘合剂分布的结果的曲线图；图6示出了根据本公开的实施例的烧结的切割元件的周边周围的粘合剂分布的结果的曲线图；图7示出了烧结的切割元件的外周边周围的剩余材料分布；图8示出了根据本公开的实施例的烧结的切割元件的外周边周围的剩余材料分布；图9示出了根据本公开的实施例的切割元件；图10示出了沿着电阻加热元件的轴向尺寸的电压降的曲线图；图11示出了沿着电阻加热元件的轴向尺寸围绕它们的周边的最大电压降变化的曲线图；图12示出了根据本公开的实施例的钻头；图13示出了与本公开相关的加热器管的电阻变化减小的曲线图。具体实施方式本文公开的实施例大体涉及具有定制的电阻特性的HPHT压机部件及其中制成的产品，例如用于井下钻孔应用中的切割元件。通过使用具有定制的电阻率的HPHT池的一个或多个部件，可以在HPHT池中产生所需的温度梯度。根据本公开的一些实施例，可以使用HPHT池中的受控温度梯度来烧结具有改进的材料成分均匀性的切割元件。图1示出了具有基本上管状的电阻加热元件110和装配在电阻加热元件110上的每个轴向端部处的端盘120的HPHT池组件100的部件的示例，每个端盘被组装到具有电流环124和按钮126的电阻加热元件110。可以将压力传递材料130设置在加热元件110和正被烧结刀具材料140之间。一种衬垫材料150可以封装所述电阻加热元件110。图2和图3示出了具有待烧结装载到反应池的电阻加热元件210，310中的刀具材料240，340的产品封壳200，300的示例。压力传递材料230，330可以设置在加热元件210，310和待烧结的刀具材料240，340之间。在图2所示的实施例中，用于形成两个切割元件的刀具材料240被装载到电阻加热元件210中，包括基底材料242和金刚石粉末244，或其它超硬材料。基底材料242可以包括过渡金属碳化物，例如碳化钨。在图3所示的实施例中，用于形成一个切割元件的刀具材料340被装载到电阻加热元件310中。其它实施例可以具有在根据本公开的实施例的HPHT反应池内烧结的两个以上的产品。压力传递材料可以包括在高压和高温条件下热和化学稳定的材料。例如，压力传递材料可以包括盐，碳化物，氮化物，硼化物，氧化物，石墨及其组合，例如氯化钠、碘化钠、溴化钠、氯化钾、碘化钾、溴化钾、氯化钙、碘化钙、溴化钙、氮化硼、碳化硼、氧化镁、氧化钙中的至少一个及其混合物。用于形成高压压机的部件的合适材料可以包括以下中的至少一个，例如陶瓷材料，矿物，石墨，隔热材料，衬垫材料，导电材料，及其成分。例如，可以使用包括粘土矿物粉末和至少一种类型的陶瓷材料或硬材料的复合材料来形成用于高压压机的部件的至少一部分。合适的粘土或粘土状页硅酸盐矿物可以包括：镁黄长石(Ca2MgSi2O2)，硅铍石(Be2Al2Si6O16)，高岭石((Al4Si6)10(OH)8)，蒙脱石(Na,Ca)0.33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·n(H2O)，叶蜡石(Al4Si4O10(OH)2)，葡萄石((Ca2Al2Si3O10(OH)2)，钙沸石(CaAl2Si2O1-3H2O)，蛇纹石(Mg3Si2O5(OH)4)，高铝滑石，低铝滑石，黝帘石(Ca2Al3Si3O12(OH)2)等。可使用的陶瓷材料的示例包括但不限于二氧化硅(SiO2)，氧化铝(Al2O3)，氧化铁(Fe3O4)，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si3N4)，氧化锆(ZrO2)等。有用的硬矿物的示例可包括镁铝榴石(Mg3Al2Si3O12)，刚玉(A12O3)，锆石(ZrSiO4)，蓝晶石(A12SiO5)，橄榄石((Mg,Fe)2SiO4)，顽辉石(MgSiO3)和类似的矿物。用于形成本公开的部件的其它合适的材料可以在例如美国专利号5,858,525中找到，其通过引用并入本文。根据本公开的实施例，HPHT压机的反应池可以被设计成具有沿轴向尺寸的变化的热分布。例如，HPHT压机的反应池可以设计成在高压高温烧结期间提供从第一轴向位置到反应池的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于烧结的方法，包括：将刀具材料装载到高压高温压机内的电阻加热元件中；以及将在第一轴向部分处的所述电阻加热元件加热到控制温度，其中在所述控制温度和沿着所述电阻加热元件的远侧轴向部分处测量的第二温度之间的温度差被测量，其中所述控制温度和所述第二温度之间的差异在所述控制温度的约5％至约11％的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.10 US 62/077,7181.一种用于烧结的方法，包括：将刀具材料装载到高压高温压机内的电阻加热元件中；以及将在第一轴向部分处的所述电阻加热元件加热到控制温度，其中在所述控制温度和沿着所述电阻加热元件的远侧轴向部分处测量的第二温度之间的温度差被测量，其中所述控制温度和所述第二温度之间的差异在所述控制温度的约5％至约11％的范围内。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：设计高压高温压机的反应池以具有沿着轴向尺度变化的热分布，所述反应池包括电阻加热元件。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述反应池还包括设置在所述电阻加热元件的轴向端部处的至少一个端盘。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述远侧轴向部分处的所述第二温度的标准偏差在10摄氏度以内。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压高温压机还包括设置在所述电阻加热元件和所述刀具材料之间的压力传递材料。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度差大于100度。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻加热元件包括具有从约5微米至约30微米的范围内的细颗粒尺寸的石墨。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述石墨具有基本单峰颗粒尺寸分布。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻加热元件包括电阻率大于8微欧姆·米的材料。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述刀具材料包括至少一层碳化物材料和设置在所述至少一层碳化物材料上的至少一层金刚石粉末，以及其中在加热之后，至少一个切割元件由所述刀具材料形成，每个切割元件具有附着到碳化物基底的多晶金刚石层。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多晶金刚石层包括粘合剂相，该粘合剂相基本上均匀地分布在多个金刚石颗粒之间，使得围绕所述多晶金刚石层的周边测量的粘合剂相的体积百分比在所述周边周围的粘合剂相的平均体积百...

【专利技术属性】
技术研发人员：S米德尔米斯，R艾尔，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US