在PDC/TSP切割器上的用于促进浸滤的涂层制造技术

公开了一种切割元件，其包括：具有切割面和金刚石层侧表面的多晶金刚石层；附着至该多晶金刚石层的基体，该基体具有底表面和基体侧表面；位于金刚石层与该基体之间的接合面；以及屏蔽罩，其至少覆盖该切割元件的该底表面和该基体侧表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在PDC/TSP切割器上的用于促进浸滤的涂层
本文公开的实施例总体上涉及多晶金刚石复合材料以及切割结构体。更特别地，本文公开的实施例涉及浸滤多晶金刚石切割元件的方法。
技术介绍
多晶金刚石紧密体(polycrystalline diamond compact, F1DC)切割器在包括凿岩以及金属机械加工的工业应用中已经使用很多年了。在通常的应用中，多晶金刚石(polycrystalline diamond, P⑶)(或其它的超硬材料)的紧密体粘结到基体材料上用以形成切割结构体，该基体材料通常是烧结的金属碳化物。PCD包括金刚石(通常是合成的)的多晶块体，该金刚石粘结在一起用以形成整体的、坚韧的、高强度的块体或晶格。所得的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度的特性，从而使得PCD材料对于需要高水平的耐磨性和硬度的强力磨碎和切割应用来说是非常有用的。PDC切割元件可以通过放置硬质碳化物基体到压制机的容器中形成。将金刚石粒体或金刚石粒体与催化粘结剂的混合物放置在基体之上，且在高压、高温条件下处理。如此操作后，金属粘结剂(通常是钴)从基体迁移，且通过金刚石粒体，用以促进金刚石粒体之间的交互生长。结果，金刚石粒体变得彼此粘结用以形成金刚石层，且该金刚石层进而粘结到基体上。基体通常包括金属碳化物复合材料，例如碳化钨。沉积的金刚石层通常称为“金刚石台”或“研磨层”。常规的P⑶包括85-95体积百分比的金刚石和其余的粘结剂材料，该粘结剂材料存在于PCD中、在粘结的金刚石粒体之间的空隙之内。通常用于形成PCD的粘结剂材料包括VIII族元素，其中，钴(Co)是最常用的粘结剂材料。使用PDC切割器的用于地层钻井的切削型钻头的一个实例在图1中示出。图1示出了具有钻头体12的旋转钻头10。钻头体12的底面形成有多个刀片14，所述刀片大体上远离钻头的旋转中心纵轴16向外延伸。多个PDC切割器18沿着每个刀片的长度并排布置。由每个刀片携带的PDC切割器18的数量可以变化。PDC切割器18单独被钎焊至可以由碳化钨形成的桩状承载件(或基体)，且容纳和固定于各个刀片的凹座之内。确定PDC切割器的寿命的一个重要因素是在切割器接触点处的热量的产生，特别是在PDC层的暴露部分处的热量的产生，该热量由在PCD与工作材料之间的摩擦产生。这个热量对PCD引起破裂形式的热损坏(由于热膨胀系数的不同)，这会导致多晶金刚石层的剥落、在多晶金刚石与基体之间的脱层以及金刚石向石墨的反向转换(这会引起快速的研磨磨损)。常规PDC切割器的热操作范围通常是700°C或更少。如上所述，在高达700°C的温度下常规多晶金刚石是稳定的，在观测的温度增长之后，可能对多晶金刚石引起永久的损坏和结构失效。在多晶金刚石中的这种劣化是由于与金刚石相比，粘结剂材料、钴的热膨胀系数的显著不同所引起的。加热多晶金刚石，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这可能引起在金刚石晶格结构中形成破裂，并导致多晶金刚石的劣化。但是，热疲劳不仅仅发生在温度大于700°C时。相反，不同的膨胀(在钴与金刚石之间的)甚至在温度低至300-400°C时也会发生，这仍会在金刚石体中引起热疲劳。进一步地，对多晶金刚石的损坏也可能缘由一些金刚石至金刚石结合的缺失所引起(缘由石墨化工艺的起始)，从而导致微结构完整性的缺失与强度的缺失。为了克服这个问题，可以使用强酸来从金刚石晶格结构(或者薄体积或整个压片)“浸滤”粘结剂，用以至少减少加热时不同速率下自加热金刚石-粘结剂复合材料所经历的损坏。“浸滤”工艺的实例可以在例如美国专利号4，288，248和4，104，344中找到。简短地讲，强酸，通常是硝酸或一些强酸(例如硝酸与氢氟酸)的组合可以用于处理金刚石台，从而从PDC复合材料去除至少一部分的钴-催化剂。通过浸滤掉粘结剂，形成热稳定多晶(thermally stable polycrystalline,TSP)金刚石。在特定的实施例中，仅仅浸滤选择的部分的金刚石复合材料，以获得热稳定性而不会缺失耐冲击性。本文所使用的术语“TSP”包括上述(即，部分和全部浸滤)化合物的两者。在浸滤之后仍然存在的空隙体积可以通过促进合并或通过用辅助材料填充该体积来减少，例如通过现有技术中已知的、且在美国专利号5，127,923中描述的工艺进行，该专利在本文中以参考的形式引用其全部内容。因此，在浸滤工艺中存在用于发展加速浸滤工艺和/或减少内在危险的方法和器械的持续需求。
技术实现思路
在一个方面，本文公开的实施例涉及一种切割元件，其包括:具有切割面和金刚石层侧表面的多晶金刚石层；附着至多晶金刚石层的基体，该基体具有底表面和基体侧表面；位于金刚石层与该基体之间的接合面；以及屏蔽罩，其至少覆盖该切割元件的该底表面和该基体侧表面。在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种用于浸滤切割元件的方法，包括:提供切割元件，所述切割元件包括基体和附着至所述基体的多晶金刚石层；使用屏蔽罩至少遮蔽所述切割元件的基体部分，留下所述切割元件的所述金刚石层的未遮蔽部分；将被遮蔽的切割元件放置在浸滤剂中，其中，至少所述切割元件的未遮蔽部分接触所述浸滤剂；以及从所述浸滤剂中取出所述被遮蔽的切割元件。在另一个方面，本文公开的实施例涉及一种浸滤切割元件的方法，包括:提供切割元件，其包括基体和附着至所述基体的多晶金刚石层；至少将所述切割元件的基体部分安装在预形成的屏蔽罩中，留下所述切割元件的所述金刚石层的未遮蔽部分；将切割元件放置在浸滤剂中，其中，至少所述切割元件的未遮蔽部分接触所述浸滤剂；以及从所述浸滤剂中取出所述切割元件。通过下文的说明书和所附权利要求书，本专利技术的其它方面和优点将是显而易见的。【附图说明】图1是P⑶钻头的图例。图2示出了 P⑶切割元件。图3是根据本公开的实施例的被遮蔽的PCD切割元件的剖视图。图4A-B示出了根据本公开的实施例的被遮蔽的PCD切割元件的侧视图。图5A-B是用于形成根据本公开的实施例的被遮蔽的PCD切割元件的步骤的图例。图6是根据本公开的实施例的被遮蔽的切割元件的剖视图。【具体实施方式】本文描述的实施例涉及多晶金刚石切割元件以及涉及浸滤该多晶金刚石切割元件的方法。本公开的多晶金刚石切割元件包括碳化物基体以及附着至其上的多晶金刚石层。下文描述的浸滤方法包括保护该碳化物基体免于浸滤工艺。本文使用的术语“P⑶”表示已在高压/高温(HPHT)条件下通过使用溶剂型金属催化剂(例如包括在周期表的VIII族中的那些)形成的多晶金刚石。本文使用的术语“热稳定多晶金刚石”(TSP)表示晶间结合的金刚石，其包括这样的体积或区域，该体积或区域已经被使得基本上没有用于形成PCD的所述溶剂型金属催化剂，或者用于形成PCD的所述溶剂型金属催化剂仍然保留在该金刚石本体的该区域中，但以其他方式反应或使得其不能如上讨论地在升高的温度下不利地影响该结合的金刚石。参考图2，P⑶切割元件20具有附着至基体24上的多晶金刚石(P⑶)层22。基体24具有底表面25和基体侧表面26。PCD层具有切割面27和金刚石层侧表面28。接合面23在P⑶层22与基体24之间形成。金刚石层侧表面28与基体侧表面26 —起形成P⑶切割元件的外表面。本公开的PCD切割元件的外表面可以在本文中称本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切割元件，包括：多晶金刚石层，其包括：切割面；以及金刚石层侧表面；基体，其附着至所述多晶金刚石层，该基体包括：底表面；以及基体侧表面；以及接合面，其位于所述金刚石层与所述基体之间；以及屏蔽罩，其至少覆盖所述切割元件的所述底表面和所述基体侧表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.29 US 61/468,849;2012.03.28 US 13/433,1851.一种切割元件，包括: 多晶金刚石层，其包括: 切割面；以及 金刚石层侧表面； 基体，其附着至所述多晶金刚石层，该基体包括: 底表面；以及 基体侧表面；以及 接合面，其位于所述金刚石层与所述基体之间；以及 屏蔽罩，其至少覆盖所述切割元件的所述底表面和所述基体侧表面。2.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩是可移除的。3.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括类金刚石碳。4.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括耐化学空气干燥油墨。5.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括耐化学紫外线固化油墨。6.根据权利要求1所述 的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括聚四氟乙烯。7.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩被密封至所述切割元件。8.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括顶端，所述顶端大体上平行于所述切割面。9.根据权利要求1所述的切割元件，其中，所述屏蔽罩包括顶端，所述顶端是非平面的。10.一种用于浸滤切割元件的方法，包括: 提供切割元件，所述切割元件包括基体和附着至所述基体的多晶金刚石层； 使用屏蔽罩至少遮蔽所述切割元件的基体部分，留下所述切割元件的所述金刚石层的未遮蔽部分； 将被遮蔽的切割元件放置在浸滤剂中，其中，至少所述切割元件的未遮蔽部分接触所述浸滤剂；以及 从所述浸滤剂中取出所述被遮蔽的切割元件。11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括移除所述屏蔽罩。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·泰西托雷，A·格里丰，Y·沈，Y·张，M·K·凯沙维安，
申请(专利权)人：史密斯国际有限公司，
类型：
国别省市：