具有纤维增强衬底的聚晶金刚石复合片制造技术

本公开涉及一种具有纤维增强衬底的聚晶金刚石复合片(PDC)。本公开进一步涉及一种形成这种PDC的方法。

Polycrystalline diamond composite with fiber reinforced substrate

The present disclosure relates to a polycrystalline diamond composite (PDC) with a fiber reinforced substrate. The present disclosure further relates to a method of forming this PDC.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有纤维增强衬底的聚晶金刚石复合片
本公开涉及聚晶金刚石复合片(PDC)，诸如钻地钻头中的切削齿。专利技术背景各种工业装置的部件经常经受极端状况，诸如与硬表面和/或研磨表面的高温高冲击接触。例如，在采油或采矿目的的钻探过程中经常遇到极端温度和极端压力。具有非常卓越的机械性能的金刚石，当在钻探用切削元件或耐磨损接触元件中适当地使用时，可以是最有效的材料。金刚石特别坚硬，从与研磨表面的接触点传导出热量，并且可以在这种情况下提供其他益处。由于金刚石晶体的随机分布，呈聚晶形式的金刚石与单晶金刚石相比韧性增大，这避免出现在单晶金刚石中发现的特定裂开面。因此，在很多钻探应用中，聚晶金刚石通常呈金刚石的优选形式。利用了聚晶金刚石的钻头切削元件通常称为聚晶金刚石切削齿或复合片(PDC)。因此，结合有PDC的钻头可以称为PDC钻头。可以通过将金刚石和其他原料的小颗粒置于超高压和超高温条件下，在六面顶压机、带式压机或其他压机中制造PDC。一种PDC制造工艺涉及将聚晶金刚石台直接形成在诸如碳化钨衬底的衬底上。该工艺涉及将衬底连同与烧结助剂混合的松散的金刚石颗粒一起放入压机的容器中，并使压机的内含物经受高温高压(HTHP)压机循环。高温高压导致小的金刚石颗粒形成紧密粘结到衬底的整体聚晶金刚石台，其中碳化钨衬底中的钴在液相烧结期间用作催化剂，以从来自钴碳固熔体的碳的沉淀物中产生金刚石与金刚石粘结。然后，对这样形成的聚晶金刚石台进行浸出以从全部或部分聚晶金刚石中除去烧结助剂。得到的浸出PDC比类似的非浸出PDC更热稳定。对大部分烧结助剂进行浸出，得到热稳定的聚晶金刚石(TSP)台。在一定温度下，通常在正常大气压下在至少750℃时，TSP不会裂开或石墨化，但非浸出PDC在类似条件下会裂开或石墨化。可以将TSP重新附接到新的衬底(上面形成有聚晶金刚石的原始衬底通常在浸出工艺之前或在受损之前已被移除)以形成PDC。附图简述通过参考以下结合附图的描述，可获得对本专利技术的实施方案及其优点的更完整的理解，附图示出了本公开的特定实施方案，其中相似的参考数字指示相似的部件，并且附图中：图1是具有均匀纤维增强衬底的PDC的未按比例的截面示意性侧视图；图2是具有其中纤维定位于衬底的各部分中的纤维增强衬底的PDC的未按比例的截面示意性侧视图；图3是具有包含纤维梯度的纤维增强衬底的PDC的未按比例的截面示意性侧视图；图4是用于形成具有纤维增强衬底的PDC的组件的未按比例的截面示意性侧视图；图5是用于形成具有纤维增强衬底的PDC的另一个组件的未按比例的截面示意性侧视图；以及图6是包括呈PDC切削齿的形式的至少一个PDC的钻地钻头。具体实施方式本公开涉及一种具有纤维增强衬底的PDC。PDC可以是非浸出PDC、其中聚晶金刚石从表面浸出一定深度的PDC或由TSP形成的PDC。衬底可以是上面形成有聚晶金刚石的原始衬底，或衬底可以是附接有(例如，在浸出后)聚晶金刚石的后成衬底。无论浸出之物(如果有的话)是否存在或无论衬底是原始衬底还是后成衬底，都可以将衬底用纤维增强以改进衬底与聚晶金刚石之间的粘结，从而使得衬底在PDC使用期间对于裂开或裂纹扩展或这两种情况的抵抗力更大。对于裂开或裂纹扩展的抵抗力较大可以表现为横向断裂强度(TRS)或抗冲击性的值较高。参考图1、图2和图3，PDC10包括粘结到纤维增强衬底30的聚晶金刚石台20。聚晶金刚石台20可以是非浸出的。然而，为了使聚晶金刚石台更为热稳定，可以从聚晶金刚石台20浸出用于形成聚晶金刚石台的催化剂/烧结助剂(通常为含有第VIII族金属或金属合金诸如钴(Co)或Co合金的材料)的至少一部分。可以将催化剂从聚晶金刚石台20的工作表面或侧表面浸出到一定深度。例如，可以将催化剂的至少85％从聚晶金刚石台20浸出到至少10μm、50μm、100μm或500μm的深度，或从工作表面、侧表面或二者浸出到750μm的深度。如果已浸出整个聚晶金刚石台20或基本上全部聚晶金刚石台，那么所述台可以是TSP台。TSP台还可能缺乏衬底，在形成用于产生TSP的聚晶金刚石的过程中可能已经存在所述衬底。衬底可能已被机械移除、被浸出过程破坏或者同时发生这两种情况。TSP台可以包括一些残余的烧结助剂，例如最初在PCD台中发现的不超过70％的烧结助剂，或不超过1％重量或体积的烧结助剂。在大气压力下，在至少750℃、至少1050℃或甚至至少1200℃的温度下，TSP台可以是热稳定的。另外，在预期在存在烧结助剂时发生金刚石石墨化的温度和压力下，TSP台也可能是热稳定的。除了纤维外，衬底30还可以包含粘结剂和胶结材料。在图1中，纤维均匀地分布在整个纤维增强衬底30上。这种构型可能很容易制造并且可以抵抗裂纹和裂纹扩展，而不管施加到衬底30的任何力的来源如何。在图2中，纤维也在纤维增强衬底30的外侧表面处定位于聚晶金刚石台20与纤维增强衬底之间的界面附近。这些位置是纤维提供最大益处的例子。所描绘的两个位置都不需要存在纤维。例如，纤维可以仅定位于界面附近。界面处的纤维能够粘结到聚晶金刚石台20和衬底30二者，从而改善这两个部件之间的粘结。例如，钨纤维可以通过在与聚晶金刚石台20的接触点处形成碳化钨来改善粘结。界面附近的纤维还能够防止或阻碍该区域中的衬底30中的裂纹的扩展，由于聚晶金刚石台20和衬底30随着PDC的加热或冷却而具有的不同的热膨胀速率并且由于施加到聚晶金刚石台20并转移到衬底30的应力，该区域可能比衬底30的其他区域更易于裂开。沿着纤维增强衬底30的外侧表面的纤维可以防止或阻碍该区域中裂纹的扩展，这些裂纹是在钻探中在实际使用期间PDC10上的横向应力引起的。可以使纤维沉积在衬底30的除了图2所示的区域之外的区域中，以便增强衬底30并防止或阻碍在PDC使用期间由应力引起的裂纹的扩展。沉积在衬底30的某些区域中的纤维可以均匀分布在这些区域内，它们也可以不均匀地分布。例如，它们可以形成梯度。在图3中，纤维定位于整个衬底30上，但它们的密集度随着远离聚晶金刚石面20而呈梯度降低。例如，与纤维定位于特定区域中(如图2所示)，但仍在衬底30和聚晶金刚石台20的界面附近提供增强的粘结和抗裂性的实施方案相比，该实施方案可能更容易制造。图1、图2和图3中的纤维位置仅仅示出了一些可能性。衬底30可以在任何区域含有纤维，并且这些纤维可以均匀地分布、以梯度分布、以其他受控密集度分布曲线分布或以随机密集度分布。可以基于多个因素中的任一个来确定特定位置和密集度/分布，所述因素包括制造的容易性或难度、纤维成本、PDC使用期间的已知或预计的应力位置、聚晶金刚石台20与衬底30之间的已知或预计的失效粘结点以及PDC10的期望寿命。另外，纤维可以具有多个定向中的任一个。如沿着图2中的衬底30的侧面可以看到的那样，随机定向可以最好地防止或阻碍裂纹的扩展。如在图1、图2和图3中的聚晶金刚石台20和衬底30的界面附近可以看到的那样，线性取向可以有助于改善聚晶金刚石台20与衬底30的粘结。可以基于多个因素中的任一个来确定定向，所述多个因素包括制造的容易性或难度。纤维的平均直径可以是100μm或更小、1μm或更小、0.5μm或更小、0.1μm或更小、0.05μm或更小或0.01μm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚晶金刚石复合片(PDC)，包括：聚晶金刚石台；以及衬底，所述衬底包括：胶结材料；粘结剂；以及多根纤维，所述多根纤维的平均长径比为至少临界长径比Ac，其中Ac＝σf/(2Tc)，其中σf为所述纤维的极限抗拉强度并且Tc为所述纤维与所述粘结剂之间的抗剪粘结强度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种聚晶金刚石复合片(PDC)，包括：聚晶金刚石台；以及衬底，所述衬底包括：胶结材料；粘结剂；以及多根纤维，所述多根纤维的平均长径比为至少临界长径比Ac，其中Ac＝σf/(2Tc)，其中σf为所述纤维的极限抗拉强度并且Tc为所述纤维与所述粘结剂之间的抗剪粘结强度。2.如权利要求1所述的PDC，其中所述多根纤维的至少一部分粘结到所述聚晶金刚石台。3.如权利要求1所述的PDC，其中在所述衬底的某一区域中存在所述多根纤维，而在所述衬底的另一区域中不存在所述多根纤维。4.如权利要求1所述的PDC，其中所述多根纤维均匀地分布在所述衬底中。5.如权利要求1所述的PDC，其中所述多根纤维的密集度随着远离所述聚晶金刚石台而减小。6.如权利要求1所述的PDC，其中所述多根纤维被定向成使得它们的较长尺寸相对于所述聚晶金刚石台与所述衬底之间的界面平均而言为70度角。7.如权利要求1所述的PDC，其中所述多根纤维包括包含以下各项的纤维：钨(W)；钼(Mo)；钛(Ti)；铬(Cr)；锰(Mn)；钇(Yt)；锆(Zr)；铌(Nb)；铪(Hf)；钽(Ta)；镍(Ni)；碳(C)；任何耐火陶瓷；或它们的任何组合、混合物或合金。8.如权利要求1所述的PDC，其中所述纤维可与所述衬底中的所述胶结材料和粘结剂区分开来。9.一种钻地钻头，包括：钻头主体；以及聚晶金刚石复合片(PDC)，所述聚晶金刚石复合片包括：聚晶金刚石台；以及衬底，所述衬底包括：胶结材料；粘结剂；以及多根纤维，所述多根纤维的平均长径比为至少临界长径比Ac，其中Ac＝σf/(2Tc)，其中σf为所述纤维的极限抗拉强度并且Tc为所述纤维与所述粘结剂之间的抗剪粘结强度。10.如权利要求9所述的钻地钻头，其中所述多根纤维的至少一部分粘结到所述聚晶金刚石台。11.如权利要求9所述的钻地钻头，其中在所述衬底的某一区域中存在所述多根...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·萨伊尼，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US