料还可包括碳添加剂，诸如石墨、金刚石、 煤烟或无定形碳。在使预混层及相邻的渗入层经受HPHT时，所述碳添加剂可被包含并遍布 分散于所述多晶金刚石体。例如，根据一些实施例，烧结剂可以包括石墨（除碳酸盐材料 外），其遍布分散于预混层，并且在经受HPHT条件时可以转换成金刚石，从而提高了所述多 晶金刚石体中的金刚石密度。根据一些实施例，烧结剂可以包括多达大约6体积百分比的 碳添加剂，并且渗入材料可以包括多达大约20体积百分比的碳添加剂。
[0029] 根据本发明的一些实施例，烧结剂及渗入材料可以由相同的材料形成。例如，预混 层可以通过与金刚石粉末混合一定量的碳酸镁而形成，并且由碳酸镁构成的渗入层可以邻 近所述预混层形成，以使得在使所述层经受高压高温条件时，所述渗入层的碳酸镁渗入到 所述预混层中。
[0030] 然而，根据本发明的其他实施例，烧结剂及渗入材料可以由不同的材料形成。例 如，预混层可通过与金刚石粉末混合一定量的烧结剂形成，并且由渗入材料构成的渗入层 可以邻近所述预混层形成，其中，所述烧结剂具有比所述渗入材料低的熔点。例如，预混层 可以包括与碳酸钙混合的金刚石粉末，并且相邻的渗入层可以由碳酸镁渗入材料形成。进 一步地，根据一些实施例，预混层可以包括多于一种的碳酸盐材料和/或渗入层可以包括 多于一种的碳酸盐材料。例如，根据一个或多个实施例，预混层和/或渗入层可以包括碳酸 镁与碳酸钙两者。
[0031] 根据晶粒尺寸及多晶金刚石体的厚度，预混碳酸盐/金刚石层可以包括在预混层 的大于0体积百分比至约8体积百分比范围内的烧结剂量。其他的实施例可以包括在下限 值为〇. 1体积百分比、1. 〇体积百分比、2. 0体积百分比或3. 0体积百分比的任一个，以及上 限值为2. 0体积百分比、3. 0体积百分比、4. 0体积百分比、5. 0体积百分比、6. 0体积百分 比、7. 0体积百分比、8. 0体积百分比、9. 0体积百分比或10. 0体积百分比的任一个的范围内 的烧结剂量，其中，任意下限值可以与任意上限值组合使用。使用较少量的预混碳酸盐可以 促进渗入深度及最终烧结。
[0032] 另外，渗入层可以包括在烧结的多晶金刚石体的约1至约20体积百分比范围内的 渗入材料量。根据其他实施例，渗入材料的量可大于20体积百分比、大于30体积百分比或 大于50体积百分比的烧结多晶金刚石体。然而，可以提供其他量的渗入材料，以保证渗入 整个预混层。例如，根据预混层的尺寸及厚度，邻近所述预混层并形成所述渗入层的渗入材 料的量可以改变，以便所述量足够充分渗入所述预混层。例如，在具有相对较厚的预混层的 实施例中，可以提供相对较大的重量百分比的渗入材料，以便当使预混层及相邻的渗入层 经受HPHT时，渗入材料能够渗入整个预混层以形成所述多晶金刚石体。在具有相对较薄的 预混层的一些实施例中，可以使用相对较小的重量百分比的渗入材料以渗入整个预混层。
[0033] 进一步地，所述烧结剂可与金刚石粉末混合以形成预混层，以便所述烧结剂均匀 分布于整个预混层中。在其他实施例中，所述烧结剂可非均匀分布于整个预混层中。例如， 烧结剂可以成梯度分布于整个预混层中。分布于整个预混碳酸盐/金刚石层中并经受HPHT 条件的预混烧结剂可以提供润湿整个预混碳酸盐/金刚石层中的金刚石颗粒的局部区域。 这些区域中的液体预混碳酸盐可以提供通过金刚石材料的通道，其可以帮助提供用于相邻 的碳酸盐渗入材料在HPHT条件下熔化并流过的路径。因此，根据本发明的方法，在使预混 层及相邻的渗入层经受HPHT条件时，渗入材料可以被布置在遍及整个烧结的多晶金刚石 体中。图11示出了在约7.OGPa和约2300°C的烧结条件下，碳酸镁渗入剂的渗入深度与碳 酸镁在预混层中的预混量的关系。如图所示，渗入深度随着预混层内的碳酸盐烧结剂量的 增加而增加。随着金刚石晶粒尺寸的不同，渗入与预混烧结剂量间的具体关系也不同。
[0034] 由于使用碳酸盐作为烧结剂和渗入材料，而不是使用传统使用的金属催化剂，诸 如钴，本发明的方法可提供热稳定多晶金刚石。进一步地，由预混烧结剂提供的供渗入材料 流过并渗入到整个金刚石层的通路，允许相对于碳酸盐材料具有更多量的金刚石（即，更 高的金刚石体积密度），因此可以提供具有更强的耐磨性能的多晶金刚石体。
[0035] 用于量化耐磨性的传统试验是花岗石圆材磨耗试验（"GLT")，其包含对花岗石旋 转圆柱体的表面的机加工，诸如Barre或Sierra花岗石。例如，GLT试验可以包括花岗石 圆材旋转通过半英寸（13毫米）直径的PCD切割盘。去除的花岗石体积与磨损的PCD痕迹 面积之间的比值可以被用于指示磨损分数，其中，磨损分数与耐磨性相关。例如，高磨损分 数表明高耐磨性，而较低的磨损分数表明相对低的耐磨性。
[0036] 在具有不同量的预混和/或渗入到多晶金刚石材料中的碳酸镁材料的本发明的 多个多晶金刚石材料样本上执行花岗石圆材耐磨性试验。结果示于下方表1中。
[0037] 表1碳酸镁烧结剂与渗入材料
[0038]
[0039] ^口上所示，本发明中同时包括由碳酸盐材料形成的预混烧结剂及相邻渗入层的方 法与仅使用预混烧结剂或仅使用渗入的方法相比时，可以产生更高的磨损分数。例如，样本 1和2由预混碳酸盐/金刚石层以及相邻的渗入层形成的层状组件形成。特别地，样本1是 由具有占该层状组件的1. 〇重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚石层与由具有 占该层状组件的6. 7重量百分比的渗入材料的渗入层形成的，而样本2是由具有占该层状 组件的2. 0重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚石层与由具有占该层状组件的 8.0重量百分比的渗入材料的渗入层形成的。样本3和4形成为不含渗入层。特别地，样 本3是由具有占该预混层的7. 0重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚石层形成 的，而样本4是由具有占该预混层的9. 0重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚 石层形成的。如上所示，尽管样本1和2以与样本3和4相似量的碳酸盐材料形成，但是样 本1和2具有更高的磨损分数，因此表明比样本3和4具有更高的耐磨性。
[0040] 仍然参考表1，样本5由单一的渗入法形成（如上所述），其中，完全由金刚石粉末 构成的金刚石层由渗入材料层渗入，所述渗入材料形成为占所述金刚石层的4. 5重量百分 比。尽管样本1和2相对于样本5使用了相对大量的碳酸盐材料（从而较少的金刚石），但 是样本1和2表现出更高的磨损分数，从而表明更高的耐磨性。进一步地，样本1和2示出 碳酸盐渗入材料完全渗入到预混金刚石层中，而样本5示出碳酸盐渗入材料不完全渗入所 述金刚石层。
[0041] 根据本发明的实施例，多晶金刚石体可以直接用于井下切割工具中，或者在固定 至井下工具之前可以被附接至基体。例如，根据本发明的一些实施例，碳酸盐基多晶金刚石 体可以利用单循环高压高温（HPHT)工艺结合至基体，以形成金刚石构造（下方详述）。这 些方法可以包括将碳酸盐基多晶金刚石材料设置于烧结容器中，将基体置于所述烧结容器 中，并使该烧结容器及其中的内容物经受HPHT条件以形成结合至基体的碳酸盐基多晶金 刚石体。进一步地，如下方详细描述的，碳酸盐基PCD可以利用或不利用过渡层被附接至基 体。
[0042] 利用过渡层通过单循环HPHT工艺在基体上烧结碳酸盐基POT
[0043] 根据本发明中利用过渡层的方法，在使烧结容器及其内容物经受HPHT条件以形 成结合到所述基体的碳酸盐基多晶金刚石体之前，过渡层可以在烧结容器中被组装到碳酸 盐基多晶材料（例如上文所述的预混层）与基体之间。例如，图2示出了利用过渡层用于将 碳酸盐基P⑶材料烧结至基体的组件。组件200包括置于烧结容器205中的碳酸盐基POT 材料210及基体220。过渡层230设置于所述碳酸盐P⑶材料210与基体230之间。POT 材料210、基体220及过渡层230中的每个将在下文详细地描述。
[0044] 碳酸盐基P⑶材料210可以作为预成型的P⑶体或作为预混粉末层、例如上文所 述的预混金刚石层被提供于烧结容器中。如上所述，碳酸盐基PCD材料可以由金刚石、选自 碱土金属碳酸盐或者碱土金属碳酸盐与碱金属碳酸盐的组合的至少之一的碳酸盐材料以 及可选地过渡金属催化剂材料形成。例如，根据本发明的一些实施例，碳酸盐基多晶材料可 以包括金刚石和0至4重量百分比的碳酸盐材料（在其他实施例中包括0至2重量百比的 碳酸盐材料，或者在进一步其他实施例中包括〇至1重量百分比的碳酸盐材料）。然而，在 一些实施例中，碳酸盐基多晶金刚石材料可以包括多于4重量百分比的碳酸盐材料。在一 些实施例中，除金刚石和碳酸盐材料外，碳酸盐基多晶金刚石材料可以包括〇至4重量百分 比的过渡金属催化剂，在其他实施例中包括0至2重量百分比的过渡金属催化剂，或者在进 一步其他实施例中包括〇至1重量百分比的过渡金属催化剂。例如，碳酸盐基多晶材料可 以包括金刚石，0至4重量百分比的碳酸盐材料，以及0至4重量百分比的过渡金属催化剂。 过渡金属催化剂可以包括例如至少一种元素周期表第VIII族的金属，例如铁、镍或钴。
[0045] 基体220可以由烧结碳化物材料形成，例如含有金属结合剂（例如钴或其他选自 元素周期表第VIII族的金属）的烧结碳化钨。与过渡层共同使用的基体，如图2中所示的， 可以包括少于16重量百分比的金属结合剂。在一些实施例中，与过渡层共同使用的基体可 以包括多于6重量百分比并且少于15重量百分比、少于14重量百分比、或者少于12重量 百分比的金属结合剂。在其他实施例中，基体可以包括少于或等于6重量百分比的金属结 合剂。进一步地，基体220可以作为预成型基体或作为粉末状基体材料混合物被提供于烧 结容器中。例如，根据一些实施例，碳化物粉末与钴粉