火花等离子体烧结的聚晶金刚石制造技术

本公开涉及一种火花等离子体烧结的聚晶金刚石以及火花等离子体烧结浸出的聚晶金刚石的方法。火花等离子体烧结从存在于通过从浸出的聚晶金刚石中去除催化剂而留下的孔隙中的反应气体来产生等离子体。所述等离子体在所述孔隙中形成金刚石键合物和/或碳化物结构，这可以产生具有比所述浸出的聚晶金刚石更高的冲击强度或其他改进性能的聚晶金刚石。

Polycrystalline diamond sintered by spark plasma

The present disclosure relates to a polycrystalline diamond with spark plasma sintering and a method of polycrystalline diamond leaching by spark plasma sintering. Spark plasma sintering produces plasma from the reaction gas that exists in the pores left by removing the catalyst from the leached polycrystalline diamond. The plasma forms diamond bond and / or carbide structure in the pores, which can produce polycrystalline diamond with higher impact strength or other improved properties than the leached polycrystalline diamond.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】火花等离子体烧结的聚晶金刚石
本公开涉及聚晶金刚石以及用于生产聚晶金刚石的系统和方法。专利技术背景聚晶金刚石复合片(PDC)(特别是PDC刀具)经常用于钻地钻头(诸如固定刀具钻头)中。PDC包括在压机中在高压、高温(HTHP)条件下形成的金刚石。在许多情况下，PDC包括在少至单个HTHP压制周期中形成并键合到基材的聚晶金刚石。在本领域中有时称为催化材料或简称为“催化剂”的烧结助剂经常包括在压机中，以有助于既参与形成金刚石又可选地参与将金刚石键合到基材的金刚石与金刚石键合。在使用过程中(例如，在钻井时)，聚晶金刚石刀具变得非常热，并且由于包括金刚石与烧结助剂的热膨胀系数之间的不匹配(即，CTE不匹配)的因素而使得金刚石中的残余烧结助剂可能导致问题，诸如过早损坏或磨损。为了避免或最小化这个问题，所有或大部分残余金刚石烧结助剂经常在使用之前诸如通过化学浸出过程、电化学过程或其他方法从聚晶金刚石中去除。不管去除金刚石烧结助剂的方法如何，已经从其去除至少一些残余烧结助剂的聚晶金刚石经常称为是浸出的。被充分浸出以避免在大气压下、在高达1200℃的温度下石墨化的聚晶金刚石经常称为是热稳定的。包含浸出的或热稳定的聚晶金刚石的PDC经常称为浸出的或热稳定的PDC，这反映出它们包括的聚晶金刚石的性质。浸出的聚晶金刚石，特别是热稳定的聚晶金刚石，与未浸出的聚晶金刚石相比具有改进的耐磨性。耐磨性的改进通常与浸出程度相关。例如，耐磨性随着从聚晶金刚石工作表面浸出的深度增加而改进。然而，浸出在聚晶金刚石中留下金刚石烧结助剂先前所位于的孔隙。与未浸出的聚晶金刚石相比，这些孔隙减少浸出的聚晶金刚石的冲击强度。此外，如果聚晶金刚石包含浸出和未浸出的部分，那么孔隙有助于这些部分之间的应力，使得浸出的聚晶金刚石部分的分层、屈曲或开裂是常见的。即使在非常小的冲击载荷下，这些应力和所产生的效果也可能导致聚晶金刚石发生损坏。附图简述结合未按比例绘制的附图参考以下描述可以获得对本专利技术的实施方案和其优点的更完整和更充分的理解，在附图中相同的参考数字指示相同的特征，并且其中：图1A是未浸出的聚晶金刚石的截面的示意图；图1B是浸出的聚晶金刚石的截面的示意图；图1C是在火花等离子体烧结之前在存在反应气体的情况下的浸出的聚晶金刚石的截面的示意图；图1D是火花等离子体烧结的聚晶金刚石的截面的示意图；图2是火花等离子体烧结组件的截面的示意图；图3是包含图2的组件的火花等离子体烧结系统的示意图；图4A是火花等离子体烧结的聚晶金刚石复合片(PDC)刀具的截面的示意图；图4B是另一火花等离子体烧结的PDC刀具的截面的示意图；图5是包含火花等离子体烧结的PDC刀具的固定刀具钻头的示意图。具体实施方式本公开涉及火花等离子体烧结的聚晶金刚石以及用于生产火花等离子体烧结的聚晶金刚石的系统和方法。火花等离子体烧结的聚晶金刚石是浸出的聚晶金刚石，包括热稳定的聚晶金刚石，其中通过浸出金刚石烧结助剂而留下的至少一些孔隙已至少部分地用通过火花等离子体烧结过程而沉积的金刚石键合物和/或碳化物结构来填充。由于这种孔隙填充，火花等离子体烧结的聚晶金刚石比在火花等离子体烧结之前浸出的聚晶金刚石更致密。此外，火花等离子体烧结的聚晶金刚石可以具有比在火花等离子体烧结之前浸出的聚晶金刚石更高的冲击强度。此外，因为金刚石键合物和碳化物结构都在聚晶金刚石内提供附加的共价键，所以可以改进冲击强度、耐磨性或受聚晶金刚石中的键合程度影响的其他性质。此外，与具有由金刚石烧结助剂填充的类似孔隙的未浸出的聚晶金刚石相比，火花等离子体烧结的聚晶金刚石的热稳定性更高，因为与金刚石烧结助剂相比，碳化物结构和金刚石键合物的热膨胀系数更接近聚晶金刚石的热膨胀系数。图1A描绘未浸出的聚晶金刚石。呈催化剂形式的金刚石烧结助剂20位于金刚石晶粒10之间。在浸出之后，如图1B的完全浸出的聚晶金刚石所示，存在金刚石烧结助剂20先前所位于的孔隙50。尽管图1B示出完全浸出的、热稳定的聚晶金刚石，但是具有孔隙的部分浸出的聚晶金刚石或未浸出的聚晶金刚石也可以用于本文公开的火花等离子体烧结过程。聚晶金刚石的浸出部分可以延伸到距聚晶金刚石的任何表面或所有表面的任何深度，或者可以甚至包括所有聚晶金刚石。与未浸出的聚晶金刚石中的体积的4％至8％相比，浸出的或热稳定的聚晶金刚石的浸出部分的体积的小于2％或小于1％由金刚石烧结助剂所占据。在火花等离子体烧结过程期间，如图1C所示，孔隙50填充有反应气体80。尽管所有孔隙50在图1C中都示出为被填充，但并非所有孔隙都必须被填充。至少一部分孔隙(至少25％的孔隙、至少50％的孔隙、至少75％的孔隙或至少99％的孔隙)可以填充有反应气体。孔隙填充由在火花等离子体烧结之后在孔隙中形成金刚石键合或碳化物结构来证明。最终，在图1D所示的火花等离子体烧结的聚晶金刚石中，通过金刚石烧结助剂去除而留下的孔隙50填充有由反应气体80形成的金刚石键合物90和/或碳化物结构100。在图1D中，金刚石键合物90被示出为可与金刚石晶粒10区分开，但是它们可以足够类似和/或可以完全地填充任何孔隙以至于它们无法区分开。此外，尽管图1D中的每个填充孔隙被示为未完全填充，但是每个填充孔隙可以是基本上填充的。此外，尽管图1D将一些孔隙示出为未填充的，但是本公开包括其中金刚石键合物和/或碳化物结构填充聚晶金刚石中的至少25％的孔隙、至少50％的孔隙、至少75％的孔隙、或至少99％的孔隙的实施方案。填充孔隙的较高百分比和填充孔隙的更完全填充可以导致冲击强度或其他聚晶金刚石性质的更大改进。金刚石晶粒10可以具有适用于形成聚晶金刚石30的任何尺寸。它们的粒度可以在整个聚晶金刚石中或聚晶金刚石的不同区域中变化。反应气体80可以包括呈单独地或与氢气(H2)和/或烃类气体组合的气体形式的碳化物形成金属。碳化物形成金属可以包括锆(Zr)、钛(Ti)、硅(Si)、钒(V)、铬(Cr)、硼(B)、钨(W)、钽(Ta)、锰(Mn)、镍(Ni)、钼(Mo)、铪(Hf)、铼(Re)及其任何组合。气体形式可以包括金属盐(诸如氯化物)、或者包含金属而不是未反应元素的另一种化合物，因为金属化合物经常比未反应的元素金属更容易形成气体。烃类气体可以包括甲烷、丙酮、甲醇或其任何组合。碳化物结构100可以包括金属元素的过渡相，诸如碳化锆(ZrC)、碳化钛(TiC)、碳化硅(SiC)、碳化钒(VC)、碳化铬(CrC)、碳化硼(BC)、碳化钨(WC)、碳化钽(TaC)、碳化锰(MnC)、碳化镍(NiC)、碳化钼(MoC)、碳化铪(HfC)、碳化铼(ReC)及其任何组合。在火花等离子体烧结之前，将具有孔隙的聚晶金刚石30(诸如浸出或热稳定的聚晶金刚石)放置在火花等离子体烧结组件200(诸如图2的组件)中。所述组件包括密封烧结罐110，其包含聚晶金刚石30和基材40，其中反应气体80邻近聚晶金刚石30。聚晶金刚石30可以是从工作表面、侧表面或任何其他表面浸出到特定深度的聚晶金刚石。它可以包括热稳定的聚晶金刚石。基材40可以是在其上形成浸出的聚晶金刚石30的基材或者浸出的聚晶金刚石30在浸出之后所附接到的第二基材。基材40通常是粘结剂或浸渗剂基质(诸如金属基质)中的胶结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种火花等离子体烧结方法，其包括：将浸出的聚晶金刚石和反应气体放置在组件中，所述浸出的聚晶金刚石包括在浸出过程中通过催化剂去除而形成的孔隙；以及向所述组件施加足以将所述反应气体加热至所述反应气体形成等离子体的1500℃或更低的温度的电压和电流强度，所述等离子体在至少一部分所述孔隙中形成金刚石键合物、碳化物结构或两者。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种火花等离子体烧结方法，其包括：将浸出的聚晶金刚石和反应气体放置在组件中，所述浸出的聚晶金刚石包括在浸出过程中通过催化剂去除而形成的孔隙；以及向所述组件施加足以将所述反应气体加热至所述反应气体形成等离子体的1500℃或更低的温度的电压和电流强度，所述等离子体在至少一部分所述孔隙中形成金刚石键合物、碳化物结构或两者。2.如权利要求1所述的方法，其中所述浸出的聚晶金刚石的少于2％的体积由金刚石烧结助剂占据。3.如权利要求1所述的方法，其中所述反应气体包括呈气体形式的碳化物形成金属。4.如权利要求3所述的方法，其中呈气体形式的所述碳化物形成金属包括金属盐。5.如权利要求3所述的方法，其中所述等离子体包括金属离子。6.如权利要求1所述的方法，其中所述反应气体包括氢气。7.如权利要求6所述的方法，其中所述等离子体包括原子氢、质子或其组合。8.如权利要求1所述的方法，其中所述反应气体包括烃类气体。9.如权利要求8所述的方法，其中所述烃类气体包括甲烷、丙酮、甲醇或其任何组合。10.如权利要求8所述的方法，其中所述等离子体包括甲基、碳二聚体或其组合。11.如权利要求1所述的方法，其中所述反应气体包括呈气体形式的碳化物形成金属、氢气和烃类气体中的任何两种。12.如权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁齐，W·B·阿特金斯，
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