热稳定聚晶金刚石制造技术

本发明专利技术的名称是“热稳定聚晶金刚石”。本公开提供了涉及聚晶金刚石材料的组合物和方法。在一个实施方式中，聚晶金刚石材料可包含烧结聚晶金刚石和结合剂合金，其中结合剂合金在聚晶金刚石的烧结温度下是液体、在低于烧结温度的低温下形成金属间化合物并且基本上都是金属间相。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及聚晶金刚石材料。更具体地，本专利技术涉及具有热稳定特征的聚晶金刚石材料的组合物及方法。因此，本专利技术涉及化学工程、化学、冶金学、材料科学和石油工程领域。
技术介绍
·聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact (F1DC)),也被称为剪切エ具，是PDC钻头(bit)的关键切割组件。此类钻头可用于石油钻井。图I图解了作为エ业中常用多年的在PDC钻头上使用的剪切工具。图2图解了在钻孔期间单个切割工具如何与岩层相互作用。可以设计并制造剪切工具，其中聚晶金刚石覆层20在烧结碳化钨基材10上。烧结碳化钨基材10给金刚石层20提供刚性支撑。通常，在钻孔期间，金刚石层沿着其切割表面30与岩层直接接触，而侧表面40随着切割工具移动通过岩层而跟随在后面。金刚石的极其高的耐磨性导致切割工具和钻头优良的耐用性，这对其他材料已经是不可能的。然而，钻孔技术的持续改进和对更高产率的日益増加的需要对进ー步改进切割工具技术产生强烈需求。尤其，强切割可产生大量的热，这可有害地影响金刚石材料。例如，少量的烧结助剂和其他金属通常存在于聚晶金刚石内。随着这些金属达到足够高的温度，它们可开始催化金刚石转化回碳。多种方法用来将该影响减到最小，如从聚晶金刚石浸提金属，等等。金属可提供益处如增加韧性和降低脆性。因此，在获得更为热稳定的PDC材料和具有高韧性的商业上有价值材料的它们有效性方面，这些方法是有限的。
技术实现思路
因此，已经认识到，对于产生高质量聚晶金刚石材料的组合物和方法存在需要，尤其用在钻孔应用中，所述聚晶金刚石材料展示了増加的热稳定性和耐腐蚀性。因此，本公开提供了这样的聚晶金刚石材料，其包含烧结的相互连接并相互结合的合成的金刚石粒，结合剂合金位于金刚石粒之间的凹坑(pocket)中。结合剂合金可具有允许实现这些改进的特殊性质。在一方面，结合剂合金可以在聚晶金刚石的烧结温度下是液体，并且可在低于烧结温度的温度(包括室温)下以固体状态形成金属间化合物合金。作为在低于烧结温度的温度下的固相(ー种或多种)，遍及材料，结合剂合金也基本都是金属间的。因此，结合剂合金和材料不包括基本为元素的金属相区或固溶体合金。金属间化合物合金在那些温度下在固体状态下不具有或几乎不具有对碳的溶解性。结合附图，本专利技术的其他特征和优点将从下面详细的说明中明显可见，所述附图通过举例一起阐明本专利技术的特征。附图说明图I是エ业使用的用于石油钻井的典型PDC钻头的示意图。本专利技术的材料可结合此类钻头使用；图2是通过如典型地用现有技术钻头发生的剪切来PDC切割岩层的示意图；图3A和3B显示根据本专利技术的实施方式在配制合适的材料中使用的B_C(3A)和B-Co (3B)的ニ元相图；图4A和4B显示根据本专利技术的实施方式在配制 合适的材料中使用的Al-Co (上)和Al-Cr (下)的ニ元相图；图5显示根据本专利技术的实施方式在配制合适的材料中使用的C-Si的ニ元相图；图6显示根据本专利技术的实施方式在配制合适的材料中使用的Co-Si的ニ元相图；和图7显示根据本专利技术的实施方式在配制合适的材料中使用的C-Co的ニ元相图。具体实施例方式现在将參考附图中图解的示例性实施方式，并且将在本文中使用具体语言来描述它们。然而应当理解，不意图因此限制本专利技术的范围。相关领域的并了解本公开的技术人员可想到的、本文中阐明的专利技术特性的改变和进ー步改进以及本文中阐明的专利技术原理的其他应用将被考虑在本专利技术的范围内。应当注意，如在本说明书和所附的权利要求中使用的，単数形式“ー个(a) ”、“ー个(an)”、“所述(the)”包括复数指代物，除非上下文另外明确指出。因此，例如，提及“一种合金材料Oan alloy material) ”包括一种或多种此类材料,提及“ー层(a layer) ”包括提及ー种或多种此类结构，和提及“ー个烧结步骤(a sintering step) ”包括提及ー个或多个此类步骤。在描述和要求保护本专利技术吋，将根据下面阐述的定义使用下面的术语。如本文使用，“金属间合金(intermetallic alloy) ”指具有固定的并且已知的式子和对应的晶体结构的合金。这与可作为“固溶体合金”存在的合金相对照，“固溶体合金”中ー种或多种元素在最初晶格组分的晶格位置间随机放置。此类固溶体合金包括未定位在规则晶格位置处的元素。在许多情况下，金属间合金的化学组成可在相当窄的组成范围内改变。如本文使用的，“弱碳化物形成剂(weak carbide former) ”指其对碳的化学亲和力比对钨W、Mo、Cr、Nb、Ti、Ta、V、Zr、Hf和Fe的化学亲和カ更弱的元素。如本文使用的，通过提供可以是“稍高干”或“稍低干”端点的给定值，术语“约(about)”用来提供数值范围端点的灵活性(flexibility)。该术语的灵活性程度可由具体变量来决定并且在本领域技术人员基于经验和本文相关的描述来确定的知识范围内。如本文使用的，术语“基本上(substantially)”是指完全或接近完全的作用、特征、性质、状态、结构、项目或结果的范围或程度。准确的与绝对完全的可允许偏差程度可在某些情况下取决于具体情形。但是，一般而言，接近完全会使得具有相同的总结果，如同获得了绝对完全或总体完全。当用在指完全或接近完全缺少作用、特征、性质、状态、结构、物质或结果的否定含义中吋，“基本上”的使用是同等可适用的。换句话说，“基本不含(substantially free of) ”成分或元素的组合物实际上仍可含有此类物质，只要其中没有可测量的效果。浓度、量和其他数值数据在本文可以以范围的形式表达或存在。应当理解，使用这种范围形式仅仅为了方便和简明起见，因此其应该被灵活地解释为不但包括被清楚叙述作为范围限定的数值，而且包括在该范围内包括的所有単独的数值或子范围，如同每ー数值和子范围被明确叙述。作为说明，“约10到约50”的数值范围应该被解释为不但包括明确叙述的约10到约50的值，而且包括该所示范围内単独的值和子范围。因此，包括在该数值范围内的是单独的值如20、30和40以及子范围如从10到30、从20到40和从30到50等。该相同的原理应用于仅叙述一个数值的范围。而且，这样的解释应该适用，而不管描述的范围或特征的宽度如何。 本专利技术人已认识到，开发可经受更高应力、更硬岩石和更大冲击载荷条件的剪切工具是有优势的。因此，剪切工具的典型故障方式是，由于金刚石在高温下在钴的存在下石墨化和/或导致微裂纹的钴相的腐蚀-氧化而造成的切割工具劣化。結果，具有传统钴催化的结合剂的聚晶金刚石(PCD)被认为是热不稳定的。因而，改进钻头寿命和耐用性允许更深和更硬的钻孔的新PCD材料在下述详细说明中被更充分描述。此外，本公开提供了聚晶金刚石复合片如剪切工具的改进的热稳定性，而没有损害耐磨性、韧性、制造成本和环境废物。传统的P⑶使用过渡金属例如Co、Ni和Fe,而主要使用钴作为催化结合剂。催化过渡金属结合剂在合成金刚石的烧结期间的作用已被广泛地研究。此类催化过渡金属结合剂的作用包括在高温下将金刚石溶进金属结合剂中并且在存在的金刚石颗粒上或在金刚石颗粒之间的结合处再沉淀为金刚石。随着烧结进行，各个金刚石颗粒成长在一起，形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚晶金刚石材料，其包含烧结的相互连接的并相互结合的合成金刚石粒；和位于所述金刚石粒之间的凹坑处的结合剂合金；其中所述结合剂合金在所述聚晶金刚石的烧结温度下是液体，在包括室温的低于所述金刚石粒的烧结温度的更低温度下形成固态的金属间化合物合金，并且基本上都是金属间相。

【技术特征摘要】
2011.06.23 US 13/167,556;2011.11.10 US 13/294,0891.ー种聚晶金刚石材料，其包含 烧结的相互连接的并相互结合的合成金刚石粒；和 位于所述金刚石粒之间的凹坑处的结合剂合金； 其中所述结合剂合金在所述聚晶金刚石的烧结温度下是液体，在包括室温的低于所述金刚石粒的烧结温度的更低温度下形成固态的金属间化合物合金，并且基本上都是金属间相。2.根据权利要求I所述的聚晶金刚石材料，其中所述结合剂合金具有式MlxM2y，其中M1是烧结催化剂，M2是成合金元素。3.根据权利要求2所述的聚晶金刚石材料，其中M1选自Co、Fe、Ni及其组合。4.根据权利要求3所述的聚晶金刚石材料，其中M1是钴。5.根据权利要求3所述的聚晶金刚石材料，其中M1是Fe或Ni。6.根据权利要求2所述的聚晶金刚石材料，其中所述成合金元素选自B、Al、Cr、Mn、Si、Y、W、V、Mo、Nb、Ti、Zr、Hf、Ta、Re 及其组合。7.根据权利要求6所述的聚晶金刚石材料，其中所述成合金元素是B。8.根据权利要求I所述的聚晶金刚石材料，其中所述金属间化合物合金是多相并且是Co3B, Co2B和CoB的至少ー种。9.根据权利要求I所述的聚晶金刚石材料，其中所述结合剂合金不形成碳化物，或者是比钨更弱的碳化物形成剂。10.根据权利要求I所述的聚晶金刚石材料，其中所述结合剂合金在包括室温的低于所述烧结温度的温度下是固体，并且按重量计以1.0%或更少的量溶解碳。11.根据权利要求I所述的聚晶金刚石材料，其中所述金属间化合物合金是金属间化合物与较少部分的固溶体合金的混合物。12.根据权利要求I所述的聚晶金刚石材料，其中所述烧结温度为约1300°C到约1600 0C O13.根据权利要求I所述的聚晶金刚石材料，其中所述结合剂合金选自Co-B；Co-Al ；Co-Cr ；Co-Mn ;Co_Si ;Co_Y ;Co_M及其混合物，其中M是W...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·Z·方，
申请(专利权)人：犹他大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：