在碳化物基体上制造碳酸盐pcd及烧结碳酸盐pcd的方法
【专利说明】在碳化物基体上制造碳酸盐PCD及烧结碳酸盐PCD的方法
【背景技术】
[0001] 多晶金刚石（"P⑶"）材料及由其形成的rcD元件在本领域中是公知的。在合适 的溶剂金属催化剂材料存在时，通过使金刚石颗粒经受高压/高温的工艺条件可以形成传 统的PCD，其中，该溶剂金属催化剂促进了各颗粒间的晶间金刚石-金刚石的期望结合，从 而形成PCD结构。最终的PCD结构提供了改进的耐磨属性及硬度，使该PCD材料在需要高 级别的耐磨性及硬度的严重磨损及切割应用中非常有用。图1示出了传统形成的PCD材 料10的微观结构，包括彼此结合在一起的多个金刚石晶粒12,以形成晶间金刚石基质第一 相。用于促进在烧结工艺期间发生的金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料14,例如钴， 分散于形成于金刚石基质第一相之间的间隙区域中。如本领域所公知及确定的那样，术语 "颗粒"是指在烧结超硬材料之前使用的粉末，而术语"晶粒"是指在烧结之后能够识别的超 硬区域。
[0002] 通常可以用两种方式来提供用于促进金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料。 可以以原料粉末的形式提供所述催化剂/结合剂，该粉末与金刚石晶粒或砂粒在烧结之前 预混合。在一些情况下，可以以从下方的基体材料向所述金刚石材料中渗入（在高温/高 压工艺中）的方式提供所述催化剂/结合剂，最终的PCD材料结合到所述基体材料。在所 述催化剂/结合剂材料已经促进了金刚石间的结合后，催化剂/结合剂材料通常遍布金刚 石基质地在结合的金刚石晶粒之间形成的间隙区域之内分布。特别地，如图1所示，结合剂 材料14在传统的PCD材料10中不是连续地遍布微观结构。相反，传统的PCD材料10的微 观结构可以具有在PCD晶粒之间均匀分布的结合剂。因此，通过传统的PCD材料的破裂传 播将经常行进通过较为不易延展的和易碎的晶粒，或者穿晶地通过金刚石晶粒/结合剂界 面15,或晶间地通过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面16。
[0003] 溶剂催化剂材料可以促进金刚石晶间结合，以及促进PCD层彼此结合以及与下方 的基体结合。通常用于形成传统PCD的溶剂催化剂材料包括选自元素周期表第VIII族的 金属，例如钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金，其中，最常见的是钴。传统的PCD可以包 括从85至95%体积比的金刚石，以及剩余量的溶剂催化剂材料。但是，尽管更高金属含量 典型地增加最终PCD材料的韧性，但更高金属含量还减小PCD材料的硬度，因此限制了能够 提供具有硬度和韧性两个期望的级别的PCD涂层的灵活性。此外，当选择变量以增加PCD 材料的硬度时，典型地易碎性也增加，从而减少了P⑶材料的韧性。
[0004] P⑶被广泛用于钻井应用中，例如用于多种类型的钻头上的切割元件中。尽管POT 非常坚硬和耐磨损，但PCD切割元件仍然可能在正常操作期间损坏。损坏可能以三种常见 形式发生，即磨损、疲劳与冲击破裂。由于P⑶相对于地层的相对滑动而发生磨损机理，且 其作为故障模型的突出物涉及地层的磨损性，以及其它因素（例如，地层硬度或强度，以及 在与地层的接触期间涉及的相对滑动的量）。过度高的接触应力和高温，与非常不利的井下 环境一起也趋于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理涉及表面裂缝的渐进传播，在PCD上 开始、进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落或崩刃。最后，冲击机理涉及表面裂 缝或在PCD层上开始的内部裂纹的突然传播，进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够 剥落、崩刃、或切割元件的毁灭性损坏。
【发明内容】
[0005] 提供本
【发明内容】
，旨在介绍一系列概念，这些概念将在以下发明详述中进一步描 述。本
【发明内容】
并不意图认定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意图用作帮助 限制要求保护的主题的范围。
[0006] 在一个方面，本发明的实施例涉及一种用于形成多晶金刚石体的方法，包括：将烧 结剂与金刚石粉末混合以形成预混层，其中，所述烧结剂包括至少一种碱土金属碳酸盐；邻 近所述预混层形成渗入层，其中，所述渗入层包括选自至少一种碱土金属碳酸盐的渗入材 料；以及使所述预混层及渗入层经受高压高温条件。
[0007] 另一个方面，本文的实施例涉及一种用于形成金刚石构造的方法，包括：在烧结容 器中设置碳酸盐基多晶材料，其中，所述碳酸盐基多晶材料包括金刚石及选自至少一种碱 土碳酸盐的碳酸盐材料；在所述烧结容器中放置基体；以及使所述烧结容器及所述烧结容 器中的内容物经受高压高温条件，以形成结合至该基体上的碳酸盐基多晶金刚石体。
[0008]另一个方面，本发明的实施例涉及一种切割元件，其包括：具有工作面的碳酸盐基 多晶金刚石体，其中，所述碳酸盐基多晶金刚石体具有结合在一起形成基质相的多个金刚 石晶粒、位于所述结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域和设置于所述间隙区域中的 碳酸盐材料；以及远离所述工作面的基体。
[0009] 又一个方面，本发明的实施例涉及一种用于形成多晶金刚石体的方法，包括：将金 刚石层设置于烧结容器中；邻近所述金刚石层形成渗入层，其中，所述渗入层包括选自至少 一种碱土金属碳酸盐的渗入材料；以及使所述烧结容器及烧结容器中的内容物经受高压高 温条件。
[0010] 通过下文的说明书及所附权利要求书，所要求保护的主题的其他方面及优势将会 变得明显。
【附图说明】
[0011] 参考附图对本发明的实施例进行描述。整个附图使用相同的标号来指代相似的特 征或部件。
[0012] 图1示出了传统形成的多晶金刚石的微观结构。
[0013] 图2示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
[0014] 图3示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
[0015] 图4示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
[0016] 图5示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
[0017] 图6示出了预混的碳酸镁量与碳酸盐基多晶金刚石体的磨损分数之间的关系图。
[0018] 图7示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石切割元件。
[0019] 图8示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石切割元件。
[0020] 图9示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石构造。
[0021] 图10示出了根据本发明的实施例的井下工具。
[0022] 图11示出了渗入深度与预混的碳酸镁量的比较。
【具体实施方式】
[0023] 如本文所使用的，术语"碳酸盐基多晶金刚石"是指，在碳酸盐材料存在时，通过使 单独的金刚石颗粒经受足够高压高温（HPHT)条件使相邻的金刚石晶体间发生晶间结合， 以形成金刚石间结合网络或基质相以及分散于该结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙 区域而制备的最终材料。本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以被称为多晶金刚石或PCD，但不 同于传统的使用过渡金属溶剂催化剂形成的多晶金刚石（描述于【背景技术】部分）。
[0024] 碳酸盐基多晶金刚石体的微观结构可以包括由结合在一起的多个金刚石晶粒构 成的基质相和置于结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域以及设置于所述间隙区域 内的碳酸盐材料，其中，所述碳酸盐材料选自一种碱土金属碳酸盐或选自至少一种碱金属 碳酸盐和/或至少一种碱土金属碳酸盐的组合。在本发明的碳酸盐基多晶金刚石材料中， 对于形成金刚石间结合来说，不必需包括过渡金属催化剂、硅和/或含硅复合物，因此所述 碳酸盐基多晶金刚石体可以不含有这些材料。然而，在一些实施例中，由于在烧结期间的渗 入和/或通过将过渡金属与金刚石及碳酸盐材料预混，除了金刚石及碳酸盐材料外，碳酸 盐基多晶金刚石体可以包括少量的过渡金属催化剂，诸如钴。在这些实施例中，具有少量过 渡金属的碳酸盐基P⑶可以包括例如〇至4重量百分比的过渡金属，0至2重量百分比的过 渡金属，或〇至1重量百分比的过渡金属。
[0025] 用于形成碳酸盐基多晶金刚石体的方法
[0026] 可以使用碳酸盐烧结剂及渗入材料来形成本发明的碳酸盐基多晶金刚石体。例 如，一种用于形成多晶金刚石体的方法可以包括：将烧结剂与金刚石粉末混合以形成预混 层，其中，所述烧结剂选自至少一种碱金属碳酸盐和/或至少一种碱土金属碳酸盐。然后， 可以靠近预混层形成渗入层，其中，所述渗入层包括选自至少一种碱金属碳酸盐和/或至 少一种碱土金属碳酸盐的渗入材料。所述预混层及渗入层然后可经受高压高温条件，例如 高于6GPa的压力及高于1700°C的温度，并在金刚石热力学稳定的范围内。例如，在一些实 施例中，所述层可以经受6-8GPa的压力及高于2000°C的温度，或者经受8-10GPa的压力及 高于2000 °C的温度。
[0027] 根据最终应用，金刚石及碳酸盐混合物中使用的金刚石颗粒可以包括例如天然或 合成金刚石，并且可以具有不同的粒径。例如，金刚石颗粒的尺寸可以在亚微米至100微米 范围内（细和/或粗颗粒度），在一些实施例中在1-5微米范围内，在其他实施例中在5-10 微米范围内，在另外的其他实施例中在15-20微米范围内。进一步地，金刚石颗粒可以具有 单峰分布（具有相同的总平均粒径）或多峰分布（具有不同体积的不同平均粒径）。可以 用于形成所述烧结剂和/或渗入材料的碳酸盐材料可以包括碱金属碳酸盐和/或碱土金属 碳酸盐，例如，碳酸镁或碳酸钙。所述碳酸盐材料的粒径可以在亚微米至100微米范围内， 在一些实施例中在0. 1至30微米范围内。
[0028] 烧结剂和/或渗入材料还可以可选地包括碳添加剂。例如，除了碱金属碳酸盐和 /或碱土金属碳酸盐材料外，烧结剂和/或渗入材