火花等离子体烧结的聚晶金刚石复合片制造技术

本公开涉及通过火花等离子体烧结而共价键合到基材的聚晶金刚石、以及使聚晶金刚石与基材共价键合的方法。火花等离子体烧结从所述聚晶金刚石中以及可选地还从所述基材中的孔隙中发现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碳化物结构，所述碳化物结构共价键合到所述基材。

【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复合片
本公开涉及聚晶金刚石复合片(PDC)，其包括通过火花等离子体烧结而键合到基材的聚晶金刚石。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。尽管在PDC中使用的聚晶金刚石通常在基材上形成，但是可以随后去除形成基材，例如以有助于浸出。即使PDC在原始基材上包含聚晶金刚石，聚晶金刚石与原始基材之间的键合也可能已例如通过浸出而减弱。因此，将聚晶金刚石附接到基材或者改善聚晶金刚石与基材的现有附接是令人感兴趣的。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，所述浸出的聚晶金刚石邻近基材但未共价键合到基材；图1C是在通过火花等离子体烧结的共价键合之前在存在反应气体的情况下的邻近基材的浸出的聚晶金刚石的截面的示意图；图1D是浸出的PDC刀具的截面的示意图，所述浸出的PDC刀具包括通过火花等离子体烧结共价键合的聚晶金刚石和基材；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4是通过火花等离子体烧结形成的PDC刀具的示意图；图5是包含通过火花等离子体烧结形成的PCD刀具的固定刀具钻头的示意图。具体实施方式本公开涉及一种PDC元件(诸如PDC刀具)，其包含通过火花等离子体烧结共价键合到基材的浸出的聚晶金刚石。用于火花等离子体烧结的等离子体包含碳化物结构形成的元素，所述元素共价键合到聚晶金刚石和基材中的碳化物颗粒，从而在其间形成共价键碳化物键合。聚晶金刚石，特别是如果被浸出，更特别是如果被充分浸出以成为热稳定的，那么就包含在其中形成碳化物结构的孔隙。当聚晶金刚石中的孔隙邻近基材中的碳化物晶粒时，碳化物结构在孔隙内形成并共价键合到孔隙壁并且还共价键合到基材中的碳化物晶粒。在聚晶金刚石内，金刚石键合也可以在孔隙内形成。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30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表面的任何深度，或者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。在基材40中可以存在围绕碳化物晶粒60的孔隙70。可替代地，基材40可以缺少孔隙或者可以包含围绕碳化物晶粒60的其他材料。在任一种情况下，基材40可以是包含碳化物晶粒60和孔隙70位于其中的基质的胶结碳化物。在火花等离子体烧结过程期间，如图1C所示，孔隙50和70填充有反应气体80。尽管所有孔隙50和70在图1C中都示出为被填充，但并非所有孔隙都必须被填充。在聚晶金刚石30、基材40或两者中的至少一部分孔隙(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。可替代地，在聚晶金刚石30与基材40之间的界面的500μm内的聚晶金刚石30中的至少95％的孔隙、至少90％的孔隙或至少75％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。尽管基材40在一些情况下可以到处具有孔隙，但是所述基材40在其他情况下也可能通常缺乏孔隙，在这种情况下，可以对基材40进行改性或制备以在其邻近聚晶金刚石30的表面附近，例如在邻近聚晶金刚石30的基材表面的500μm内引入孔隙70。制备或改性可以包括例如使用酸来溶解一部分基材。在胶结碳化物基材的情况下，酸通常在其溶解碳化物晶粒60之前溶解基质，从而留下曾经存在基质的孔隙。制备或改性还可以包括机械磨损，其可以未选择性地从胶结碳化物中去除基质。这些改性或制备通常在将基材40邻近聚晶金刚石30放置之前进行。如果基材40通常缺少孔隙并且未被改性或制备成在其邻近聚晶金刚石的表面上形成孔隙，那么碳化物结构100将共价键合到可用的碳化物晶粒60，通常是在基材40的邻近聚晶金刚石30的表面处的碳化物晶粒。最后，在图1D所示的火花等离子体烧结的PDC中，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。此外，基材40中的孔隙70填充有由反应气体80形成的碳化物结构100。在聚晶金刚石30与基材40之间的界面处的碳化物结构100可以共价键合到碳化物晶粒60和金刚石晶粒10。跨越所述界面的这些结构在将聚晶金刚石30共价键合到基材40中特别有用。在图1D中，碳化物结构100被示出为可与碳化物晶粒60区分开，但是它们可能如此类似和/或可能如此完全地填充任何孔隙以至于它们无法区分开，特别是如果碳化物晶粒60和碳化物结构100由相同的材料形成时尤其如此。类似地，尽管金刚石键合物90被示出为可与金刚石晶粒10区分开，但是在一些情况下它们可能无法区分开。此外，尽管图1D中的每个填充孔隙被示为未完全填充，但是在聚晶金刚石30和基材40中的一者或两者中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，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30和/或基材40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。填充孔隙的更高百分比以及分别邻近基材40和聚晶金刚石30的填充孔隙50和70的更完全填充通常导致聚晶金刚石与基材之间的更强的共价键合，从而使得在PDC的使用过程中键合区不太可能发生损坏。这也可以导致更致密的PDC或具有更高冲击强度的PDC。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。例如，金刚石晶粒10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成聚晶金刚石元件的方法，所述方法包括：将彼此邻近的包括通过去除金刚石烧结助剂而形成的孔隙的至少两个浸出的聚晶金刚石区段与包括烃类气体形式的反应气体放置在组件中；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聚晶金刚石孔隙中形成金刚石键合物和碳化物结构，其中金刚石键合物将所述聚晶金刚石区段彼此共价键合以形成聚晶金刚石元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种形成聚晶金刚石元件的方法，所述方法包括：将彼此邻近的包括通过去除金刚石烧结助剂而形成的孔隙的至少两个浸出的聚晶金刚石区段与包括烃类气体形式的反应气体放置在组件中；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聚晶金刚石孔隙中形成金刚石键合物和碳化物结构，其中金刚石键合物将所述聚晶金刚石区段彼此共价键合以形成聚晶金刚石元件。2.如权利要求1所述的方法，其中所述聚晶金刚石包括浸出部分，在所述浸出部分中少于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，其中呈气体形式的所述碳化物形成金属包括金属盐。4.如权利要求1所述的方法，其中所述等离子体包括金属离子。5.如权利要求1所述的方法，其中所述反应气体还包括烃类气体。6.如权利要求5所述的方法，其中所述等离子体包括原子氢、质子或其组合。7.如权利要求1所述的方法，其中所述反应气体还包括烃类气体。8.如权利要求7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。9.如权利要求7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。10.如权利要求1所述的方法，其中所述温度是1200℃或更低。11.如权利...

【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