使用反应/放热过程将多晶金刚石台附接至基底以形成PCD切割器制造技术

一种通过在金刚石台和基底之间形成的反应/放热粘合而形成的PCD切割器。通过将局部能量的小脉冲施加至包含放热反应材料的粘合剂形成所述粘合，所述粘合剂设置在所述金刚石台和所述基底的界面处。可通过在所述多晶金刚石台和所述基底之间的所述界面处沉积多个交替层的放热箔形成所述粘合剂。附加层也可沉积在所述多晶金刚石台和所述多层放热箔之间以及所述箔和所述基底之间。一个或多个耐火层也可设置在所述放热材料层之间，并且掩蔽或非润湿材料可施加至所述基底和金刚石台的一个或多个侧面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用反应/放热过程将多晶金刚石台附接至基底以形成PCD切割器
本公开一般涉及钻井工具，诸如掘土钻头，并且更具体地涉及用于在制造切割器时将热稳定多晶(TSP)金刚石台粘合至基底的改进技术。背景包括但不限于旋转钻头、扩孔器、取芯钻头和管下扩孔器的各种类型的钻井工具用于在井下地层中形成井筒。在过去的几十年中，已经在用于形成钻头的材料上取得了进步。有时所称的切割元件或切割器曾经由天然金刚石物质形成。由于成本和其它原因，该行业寻求到替代材料。在二十世纪七十年代中后期，合成金刚石材料的进步使该行业能够用合成金刚石切割器取代天然金刚石切割器。所使用的最常见的合成金刚石是多晶金刚石材料。这些材料被制成盘，也被称为片。使用这种合成金刚石切割器的钻头通常被称为多晶金刚石复合片(PDC)钻头。切割器通常通过将多晶金刚石(PCD)盘或台附接至通常由硬质合金材料形成的基底而形成。PCD台本身有时被沥滤以去除可能存在于间隙空间中的任何烧结助剂，以便在附接至基底之前产生热稳定多晶(TSP)金刚石。PCD台安装在其上的基底通常由碳化钨材料形成。切割器安装于在钻头主体上形成的刀片上。存在将PCD台附接至基底的许多不同方法。一种这样的方法涉及将带有基底的PCD台放入压机中并使这些部件经受HTHP(高温/高压)循环。通常在附接至基底之后，PCD台被第二次沥滤。沥滤过程可能是昂贵的，因为它通常需要很多天才能完成，从而延长了制造切割器所需的时间。在另一方法中，PCD台被真空钎焊至基底。然而，这种替代方法会使得到的盘经受残余应力。附图简述为了更完整地理解本专利技术及其特征和优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：图1是示出经由使用能量源和多层放热材料和任选的附加层产生的放热反应将PCD台粘合至基底的示意图；图2是形成放热粘合的双层Al-Ni的相图；和图3是示出根据本公开的示例方法的流程图。具体实施方式本公开部分地涉及改进钻头切割器的热机械完整性以及其耐磨性/抗磨性，并且还使PCD台和基底之间的粘合的失效最小化。更具体地，本公开包括使用局部化的反应/放热过程来形成该粘合。可通过参考图1至图3理解本公开及其优点。转到图1，示出根据本公开的改进的PCD切割器100。PCD切割器100通过将PCD台102(其可以是热稳定多晶(TSP)金刚石)附接至基底104而制成。基底104可由钴烧结的碳化钨材料制成。粘合剂110设置在金刚石台102和基底104的界面120处。在一个示例性实施方案中，粘合剂(多层箔)110可以是放热粘合层，所述放热粘合层更具体地可由多个交替层的不同薄金属膜组成。如箭头A所示，自蔓延放热反应在多层体系内的界面120处启动，该界面局部地提供热量以将PCD台102粘合至烧结WC基底104。箭头A指示已经形成于PCD台102和烧结WC基底104之间的粘合(位于A处的垂直边界线的左侧)和将要经历放热反应的多层薄金属膜(位于A处的边界线的右侧)之间的边界。如箭头B所示，可在界面120的一端启动反应。基于基底材料暴露其中的有限热能，该过程可防止或至少最小化金刚石的石墨化，使得由于TSP金刚石、烧结碳化物和金属层之间的热膨胀系数的失配而导致不太会发生热损伤，同时也管理界面处的残余应力。为了进一步控制热能输入，可将散热片106和108放置在PCD台102和/或基底104材料附近以快速将热量从粘合组件中抽出。多层箔110(在一个实施方案中，其厚度为纳米级)以受控和精确方式为接合或钎焊操作提供瞬时热量。反应多层箔110可通过气相沉积数千个交替纳米级层的两种不同材料(在图1中由箭头X和Y指示)来制造。通过在沉积期间对切割器进行批处理或沉积到合适的非反应表面上以便将薄复合箔转移至切割器上或采购片材或放热材料的预制件(诸如以商标销售的那些)上，可使该过程更经济(从成本或交付时间的观点来看)。当通过局部能量的小脉冲(例如，温度、电、光、热、激光、机械压力、其组合或其它合适源)激活时，多层箔110放热反应以在分数秒(千分之一秒)内精确地传递局部热量达1500℃的温度。由于构成材料(例如，如果X是铝且Y是镍，多层由交替层的Al和Ni组成)之间的混合焓显著为负值，所以该反应是自持的，以形成难熔金属间化合物(例如，Al-Ni)，并且因此可从粘合的一端蔓延至另一端，而不需要其它输入或刺激。例如，当在显著较低温度下处理时，Al-Ni体系可产生熔化温度高达1638℃(AlNi区域的峰值；参见图2)的耐火粘合。而且，如图2所示的二元相图中所示(组成被示为摩尔分数x)，根据箔的组成，存在可由Al-Ni多层箔110形成的附加金属间化合物相。这些附加相包括Al3Ni2和AlNi5，并且如果多层箔110的组成偏离0.5摩尔分数Al和0.5摩尔分数Ni足够多，则可形成这些附加相。例如，0.75摩尔分数Ni和0.25摩尔分数Al的多层箔110组成可形成包括AlNi3的粘合，而0.70摩尔分数Ni和0.30摩尔分数Al的多层箔110组成可形成包括AlNi和AlNi3的混合物的粘合。如图1所示，放热粘合箔110可与附加铜焊合金层130组合，以实现与PCD台和烧结碳化物基底中的任一者或两者的粘合。为了粘合而熔化铜焊合金层130所需的热量可完全由多层体系的自蔓延放热反应提供。附加层可包括In、Pb、Bi、Sn、Zr、Al、Au、Ag、Nb、Zn、Ti、Cu，其任何组合、混合物或合金，任何活性碳化物形成物(即与金刚石形成碳化物层的物质)，包括，例如，钨、钼、钛、铬、锰、钇、锆、铌、铪、钽、钒、其任何组合、混合物或合金，和其中附加层可提供顺从性以进一步减少粘合区域的残余应力或提供功能梯度性质的任何合金。任何附加层材料可扩散至多层箔110材料中或与其反应以保持难熔粘合性质。可用于多层箔110的材料包括双层的交替元素，诸如Ni/Al、Al/Ti、Ti/Co或Ti/a-Si或其组合等，其中至少两种成分展示混合的焓的显著负值。金属层可以是1至100nm厚，并且可以水平或垂直堆叠的膜布置，并且包括反应材料与至少一种低熔点组分的组合。随着双层厚度的增加，反应速度降低，且反应热量增加。因此，高反应速度和高反应热量之间的特定平衡是必要的。体系合金或金属间化合物(XY)通过由于原子扩散和/或化学反应使元素(X和Y)混合而形成。总箔厚度可以为约10至100μm。施加至PCD台102和基底104的高机械压力140可增强界面120处的钎焊流动，并因此改善金刚石的润湿性以及减小钎焊接头中的不期望的多孔性。在这种情况下，掩蔽或非润湿材料109可施加至金刚石台102和/或基底104的侧面，以防止溢出材料粘附。或者，可以受控方式形成或包括空隙空间以帮助缓解应力集中。这样的空隙空间可通过在粘合区域内包括诸如陶瓷的惰性材料来形成。除了已经呈现的构造之外，放热材料还可具有各种其它构造，所述构造可进一步最小化输入至PCD台102的热量或所产生的残余应力分布。例如，放热材料可具有紧邻PCD台102或基底104的两层构造，其中另一层是低熔点材料(例如，In、Pb、Bi、Sn、Al、Zn)，其由于从放热层向该层的充分热输入而与另一材料(PCD台或基底)粘合。也可通过将低熔点材料与反应材料(例如，Ti)合金化促进这种粘合。在任何一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成用于钻头的多晶金刚石切割器的方法，其包括：在多晶金刚石台和基底之间的界面处设置粘合剂；启动使所述基底粘合至所述多晶金刚石台的放热反应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种形成用于钻头的多晶金刚石切割器的方法，其包括：在多晶金刚石台和基底之间的界面处设置粘合剂；启动使所述基底粘合至所述多晶金刚石台的放热反应。2.根据权利要求1所述的方法，其中启动放热反应由局部能量的小脉冲引起。3.根据权利要求2所述的多晶金刚石切割器，其中所述局部能量的小脉冲由能量源产生，所述能量源选自由以下组成的组：热能、电能、光能、激光能、机械压力、声能，及其组合。4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述多晶金刚石台和所述基底之间的所述界面处设置所述粘合剂包括在所述多晶金刚石台和所述基底之间的所述界面处设置多层放热粘合箔。5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述多晶金刚石台和所述基底之间的所述界面处设置所述粘合剂还包括在所述基底和所述多层放热粘合箔之间设置至少一个附加层，并且在多晶金刚石台和所述多层放热粘合箔之间设置至少一个附加层。6.根据权利要求4所述的方法，其中所述多层放热粘合箔通过气相沉积至少两个交替层的不同反应材料的纳米级层来设置。7.根据权利要求6所述的方法，其还包括气相沉积至少两个交替层的不同反应材料，其中所述交替层选自由以下组成的组：Ni/Al、Al/Ti、Ni/Ti、Ti/Co、Ti/a-Si，及其组合。8.根据权利要求7所述的方法，其还包括气相沉积至少两个交替层的不同反应材料，其中所述至少两个交替层的不同反应材料在混合时表现出显著负焓值。9.根据权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·萨伊尼，G·O·库克三世，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