具有加速催化剂的完全浸出的过渡层的固体多晶金刚石制造技术

一种制造多晶金刚石压坯的方法，包含形成包括金刚石颗粒和第一浓度的催化剂的第一层的多晶金刚石前体材料，形成包括金刚石颗粒和第二浓度的催化剂的第二层的多晶金刚石前体材料，以及将浸透剂材料层放置在第一层或第二层的多晶金刚石前体材料附近。催化剂的第二浓度大于催化剂的第一浓度。浸透剂材料为催化剂。在高压高温条件下，在浸透剂材料的存在下烧结第一层和第二层，以形成多晶金刚石压坯。从多晶金刚石压坯浸出催化剂的至少一部分。

Solid polycrystalline diamond with a fully leached transition layer with accelerated catalyst

A method of manufacturing a polycrystalline diamond compacts, including forming catalyst comprising diamond particles and the first concentration of the first layer of polycrystalline diamond precursor material, polycrystalline diamond layer second formed catalyst comprising diamond particles and second concentration of precursor materials, as well as the penetrant material layer is placed on the first polycrystalline diamond or second layers of precursor materials nearby. The second concentration of the catalyst is greater than the first concentration of the catalyst. The impregnating agent is a catalyst. In the presence of high pressure and high temperature, the first and second layers are sintered in the presence of a penetrant material to form polycrystalline diamond compacts. At least part of the catalyst is leached from polycrystalline diamond compacts.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有加速催化剂的完全浸出的过渡层的固体多晶金刚石交叉引用本申请要求2014年12月17日提交的申请号为62/092，948、题为“SOLIDPCDWITHTRANSITIONLAYERSTOACCELERATEFULLLEACHINGOFCATALYST”的美国临时申请的优先权，其公开通过引用并入本文。
技术介绍
多晶金刚石(“PCD”)材料和由其形成的PCD元件在本领域内是众所周知的。可以通过使金刚石颗粒在适当溶剂金属催化剂材料的存在下经受高压高温(HPHT)的加工条件而形成常规PCD，其中溶剂金属催化剂促进所希望的颗粒之间的晶间金刚石与金刚石的结合，从而形成PCD结构。所得的PCD结构产生耐磨度和硬度的增强性质，使得这样的PCD材料在需要高等级的耐磨度和硬度的侵略性磨损和切割应用中非常有用。图1示出了常规形成的包含多个金刚石晶粒120的PCD材料100的微结构，多个金刚石晶粒120彼此结合，以形成晶间金刚石基质第一相。用来促进在烧结工艺期间发展的金刚石与金刚石的结合的催化剂/结合剂材料140(比如，钴)分散在金刚石基质第一相之间形成的填隙(interstitial)区域内。术语“颗粒”指代烧结超硬磨料(superabrasive)材料之前采用的粉末，而术语“晶粒”指代烧结之后的可辨别的超硬磨料区域。通常可以两种方式提供用于促进金刚石与金刚石的结合的催化剂/结合剂材料。可以在烧结之前与金刚石颗粒或粗砂(grit)预混合的原材料粉末的形式提供催化剂/结合剂。在一些情况下，可以通过从最终的PCD材料结合到的底层的基底材料浸透到金刚石材料(在高温高压加工期间)中，而提供催化剂/结合剂。在催化剂/结合剂材料已经促进金刚石与金刚石的结合之后，催化剂/结合剂材料通常分布为在结合的金刚石晶粒之间形成的填隙区域内遍布金刚石基质。特别地，如图1所示，遍布常规PCD材料100中的微结构，结合剂材料140不是连续的。反之，常规PCD材料100的微结构可以具有PCD晶粒120之间的结合剂140的不均匀分布。从而，穿过PCD材料100传播的裂纹将通常行进穿过较低延展性且较高脆性的金刚石晶粒120，或者穿晶粒地穿过金刚石晶粒/结合剂界面150，或者晶粒间地穿过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面160。催化剂材料可以促进金刚石晶间结合和PCD层彼此的结合与到底层的基底的结合。典型地用来形成PCD的催化剂材料可以包含来自周期表第VIII族的金属，比如钴、铁或镍及其混合物或其合金，钴为最普遍。常规PCD可以包含体积从85到95％的金刚石和剩余量的催化剂材料。然而，尽管更高的金属含量典型地提高所得的PCD材料的韧性，更高的金属含量也降低PCD材料的硬度，从而限制了能够为具有所希望的等级的硬度和韧性两者的PCD涂层所提供的弹性。此外，当选择变量来提高PCD材料的硬度时，典型地脆性也提高，从而降低PCD材料的韧性。PCD通常用于土地钻探操作中，例如用在各种类型的钻头上的切割元件中。尽管PCD极为坚硬且耐磨，PCD切割元件仍可能在正常操作期间失效。失效可能以三种通常的形式发生，即磨损、疲劳以及冲击裂纹。磨损机理由于PCD相对于地球岩层的相对滑动发生，并且作为失效模式其显著度与岩层的磨蚀性有关，也与其他因素(比如岩层硬度或强度，以及在与岩层接触期间涉及的相对滑动的量)有关。过于高的接触应力和高温，与非常不利的井下环境一起，也倾向于对金刚石层造成严重的磨损。疲劳机理涉及表面裂纹的渐进传播，在PCD层上起始，到PCD层下方的材料中，直到裂纹长度足以造成层裂(spalling)和剥落(chipping)。最后，冲击机理涉及表面裂纹或内部缺陷的突然传播，其在PCD层上起始，到PCD层下方的材料中，直到裂纹长度足以造成层裂、剥落，或切割元件的毁灭性失效。
技术实现思路
提供了本
技术实现思路
，以介绍构思的选择，其在下面的具体实施方式中进一步描述。本
技术实现思路
不意图认定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图用来辅助限制所要求保护的主题的范围。一方面，本公开的实施例涉及一种制造多晶金刚石压坯的方法，包含形成多晶金刚石前体材料的第一层，包括金刚石颗粒和第一浓度的催化剂，形成多晶金刚石前体材料的第二层，包括金刚石颗粒和第二浓度的催化剂，其中催化剂的第二浓度大于催化剂的第一浓度，将浸透剂材料层放置在多晶金刚石前体材料的第一层或第二层附近，其中浸透剂材料为催化剂，在高压高温条件下，在浸透剂材料的存在下烧结第一层和第二层，以形成多晶金刚石压坯，从而将第一层转化为紧密堆积的多晶金刚石工作层，并且将第二层转化为松散堆积的多晶金刚石非工作层，以及从多晶金刚石压坯浸出催化剂的至少一部分。另一方面，本公开的实施例涉及一种多晶金刚石构造，其包含紧密堆积的多晶金刚石工作层和松散堆积的多晶金刚石非工作层，多晶金刚石工作层包括多个互连的金刚石晶粒和其间形成的多个填隙区域，填隙区域实质上不含用来形成工作层的催化剂，其中，在烧结和浸出之前，紧密堆积的多晶金刚石工作层包括的催化剂的浓度低于松散堆积的多晶金刚石非工作层。又另一方面，本公开的实施例涉及一种多晶金刚石压坯，其包含紧密堆积的多晶金刚石工作层和松散堆积的多晶金刚石非工作层，多晶金刚石工作层包括多个互连的金刚石晶粒和其间形成的多个填隙区域，填隙区域实质上不含用来形成工作层的催化剂，其中紧密堆积的多晶金刚石工作层的厚度范围为从至少1mm上至比多晶金刚石压坯的总厚度小1mm。附图说明参考下面的附图描述了本公开的实施例。在整个附图中，相同附图标记用来指代相同的特征或部件。图1示出了常规地形成的多晶金刚石的微结构；图2A-2B示出了根据本公开的实施例的多晶金刚石压坯；图3A-3B示出了根据本公开的实施例的多晶金刚石压坯；图4A-4B示出了根据本公开的实施例的多晶金刚石压坯；图5-8图示了根据本公开的实施例的多晶金刚石压坯的不同构造的比较分析；图9示出了根据本公开的实施例的装备PCD的钻头。具体实施方式总体上，本文公开的实施例涉及多晶金刚石(PCD)压坯，并且特别地涉及制造多晶金刚石压坯的方法，使用可以使从所制造的多晶金刚石压坯的金刚石晶格移除催化剂和结合剂材料的浸出时间缩短的方法和材料已经使得多晶金刚石压坯热稳定。在本公开的一个或多个实施例中，可以通过多晶金刚石(PCD)前体材料(比如金刚石颗粒，以及改善金刚石晶粒之间的晶间结合的适当的催化剂或结合剂材料)的高压高温(HPHT)烧结而形成PCD压坯。一经烧结PCD主体，催化剂可以保留在结合在一起的金刚石晶粒之间形成的填隙区域内。结合在一起的金刚石晶粒之间形成的填隙区域的网络可以包含直接或间接可相通到PCD主体内形成的其他填隙区域的填隙区域，和不可相通的填隙区域，其可以分散为遍布PCD微结构。为改善最终的PCD压坯的性质，通常在烧结之后从压坯浸出包含催化剂/结合剂的添加剂。然而，添加剂的移除可能是花费是时间的工艺，取决于处理的PCD材料的体积和所用的催化剂或结合剂的百分含量。根据本公开，缩短可接受的量的添加剂的浸出时间的一种潜在的途径是设计PCD压坯，使得一个或多个PCD层含有增加的量的催化剂或结合剂。尽管不受任何特定理论限制，可以设想，在含有增加的量的添加剂或非金刚石材料的层中，由于由添加剂的溶解产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造多晶金刚石压坯的方法，包括：形成第一层的多晶金刚石前体材料，该第一层的多晶金刚石前体材料包括金刚石颗粒和第一浓度的第一催化剂；形成第二层的多晶金刚石前体材料，该第二层的多晶金刚石前体材料包括金刚石颗粒和第二浓度的所述第一催化剂，其中所述第一催化剂的所述第二浓度大于所述第一催化剂的所述第一浓度；将一层催化性浸透剂材料放置在所述第一层的多晶金刚石前体材料或所述第二层的多晶金刚石前体材料中的至少一个附近；在高压高温条件下，在所述催化性浸透剂材料的存在下烧结所述第一层和所述第二层，以形成所述多晶金刚石压坯，从而将所述第一层转化为紧密堆积的多晶金刚石工作层，并且将所述第二层转化为松散堆积的多晶金刚石非工作层；以及从所述多晶金刚石压坯浸出所述第一催化剂的至少一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.17 US 62/092,9481.一种制造多晶金刚石压坯的方法，包括：形成第一层的多晶金刚石前体材料，该第一层的多晶金刚石前体材料包括金刚石颗粒和第一浓度的第一催化剂；形成第二层的多晶金刚石前体材料，该第二层的多晶金刚石前体材料包括金刚石颗粒和第二浓度的所述第一催化剂，其中所述第一催化剂的所述第二浓度大于所述第一催化剂的所述第一浓度；将一层催化性浸透剂材料放置在所述第一层的多晶金刚石前体材料或所述第二层的多晶金刚石前体材料中的至少一个附近；在高压高温条件下，在所述催化性浸透剂材料的存在下烧结所述第一层和所述第二层，以形成所述多晶金刚石压坯，从而将所述第一层转化为紧密堆积的多晶金刚石工作层，并且将所述第二层转化为松散堆积的多晶金刚石非工作层；以及从所述多晶金刚石压坯浸出所述第一催化剂的至少一部分。2.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂是选自来自周期表第VIII族的金属的一种或多种。3.如权利要求1所述的方法，包括浸出所述多晶金刚石压坯，直到其含有少于5％重量的催化剂。4.如权利要求1所述的方法，包括形成遍布所述多晶金刚石压坯的所述工作层和非工作层的通道，其中所述松散堆积的多晶金刚石非工作层中形成的所述通道比所述工作层中的所述通道具有更大的孔尺寸。5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层和所述第二层包括不同平均尺寸的金刚石颗粒。6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一层中的所述金刚石颗粒的所述平均尺寸在5-30微米的范围内，并且所述第二层中的所述金刚石颗粒的所述平均尺寸在10-50微米的范围内。7.如权利要求1所述的方法，其中在烧结和浸出之前，所述第一层包括少于5％重量的催化剂，并且所述第二层包括多于5％重量的催化剂。8.如权利要求1所述的方法，其中在烧结之前，所述催化剂的总量大于所述金刚石颗粒的总量的4％重量。9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层形成所述多晶金刚石压坯的周向切割刃，并且所述第二层轴向地远离所述第一层延伸，径向地远离所述第一层延伸，或轴向地并径向地远离所述第一层延伸。10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层的厚度在从至少1毫米上至比...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y鲍，
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