结工艺，碳酸盐基P⑶材 料可以被烧结为碳化物基体（使用或不使用过渡层）。所述烧结容器可由耐火金属形成，例 如钽。在一些实施例中，在组装及烧结碳酸盐基P⑶构造之前，烧结容器的内表面可以涂覆 有氮化物材料，例如TiN或ZrN，以阻止钴从基体通过所述容器的内表面渗入到PCD材料。 可替换地或者除涂覆烧结容器的内表面外，基体的一个或多个外表面可以涂覆有氮化物材 料，以阻止钴从基体通过所述组件的侧面（沿烧结容器的内表面）渗入到P⑶材料。例如， 碳酸盐基PCD材料及基体可以被装入烧结容器中烧结，其中，基体的每个外表面可以涂覆 有氮化物材料。在其他实施例中，基体的外侧面可以涂覆有氮化物材料，以使界面表面（即 基体的面对PCD材料的外表面）及与界面表面相反的基体外表面不被涂覆。可以使用本领 域公知的涂覆方法将烧结容器的内表面和/或基体的至少一个外表面涂覆氮化物材料。
[0060] 此外，本发明的一些实施例还可以包括第二高压高温工艺步骤。例如，可以在单个 HPHT烧结步骤中将碳酸盐基多晶金刚石体与基体烧结在一起，如上所述的。碳酸盐基PCD 与基体构造可以然后短时间经受第二高压高温条件，以释放由第一烧结步骤引起的残余应 力，这可以减少破裂或脱层的概率。第二高压高温条件可以包括例如大于5.OGPa的压力和 处于金刚石热稳定区间内的约800°C至1400°C范围内的温度。
[0061] 本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以用于形成用于钻探地层的切割工具，例如用于 井下钻头上的切割元件。这些切割工元件可以包括结合至碳化物基体上的碳酸盐基多晶金 刚石体，其中，碳酸盐基多晶金刚石体具有接触并切割地层的工作面。例如，根据本发明的 实施例的一个切割元件示于图7中。所述切割元件700具有在界面715处结合至碳化物基 体720上的碳酸盐基P⑶体710。如上所述，碳酸盐P⑶体可以直接附接至所述基体（如图 所示），或者通过由至少一种碳化物材料材料和/或至少一种氮化物材料构成的过渡层附 接至所述基体。所述碳酸盐基P⑶体710具有远离基体720的工作面712,其可以是平面 (如图所示）或非平面。
[0062] 碳酸盐基多晶金刚石体710的微观结构包括多个结合在一起的形成基质相的金 刚石晶粒、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中的 碳酸盐材料。所述碳酸盐材料可以包括碱土金属碳酸盐、例如碳酸镁，或者碱土金属碳酸盐 与碱金属碳酸盐的组合。在一些实施例中，除在所述间隙区域中的所述碳酸盐材料外，碳酸 盐基P⑶材料还可以包括过渡金属催化剂，例如钴。
[0063] 所述碳酸盐基PCD材料可以通过将金刚石粉末层与一定量的诸如钴的过渡金属 催化剂以及一定量的诸如碳酸镁的碳酸盐烧结材料预混形成，其中，过渡金属催化剂的量 例如在0至4重量百分比范围内。根据一些实施例，预混的烧结剂的量可以在0至4重量 百分比范围内，在其他实施例中，预混的烧结剂的量可以多达约15重量百分比。所述预混 的金刚石粉末层可以在烧结容器内邻置于具有少于10重量百分比的过渡金属催化剂材料 的基体，或者邻置于位于具有少于15重量百分比的过渡金属催化剂材料的基体上的过渡 层，并经受HPT条件。所述基体可以由上文所述的金属及碳化物材料形成，但作为一个例 子，也可以使用碳化钨-钴基体。在HPHT条件中，当温度到达约1370°C以上时，可开始形成 液态WC-Co。在具有过渡层的实施例中，该过渡层可以防止或延迟在HPHT条件中形成的液 态WC-Co蔓延所述预混金刚石层，或者在预混金刚石层直接靠近所述基体的实施例中，由 于基体中较低量的钴（例如，少于10重量百分比的钴），可以延缓在HPHT条件中形成的液 态WC-Co蔓延所述预混金刚石层。因此，在温度达到足够高以熔化预混金刚石层中的碳酸 盐材料（以及被从渗入层中渗入到金刚石层中的任意碳酸盐材料，例如上文所述的）之前， 液态WC-Co可以部分渗入到所述预混金刚石粉末层中（即，从预混金刚石层的界面表面向 金刚石层中渗入部分距离）或者没有钴渗入到所述预混金刚石层中。
[0064] 被部分渗入的金刚石层可以使所述渗入的WC-Co(或者在基体中使用的其他碳化 物-过渡金属催化剂）在烧结的碳酸盐基多晶金刚石体的全部渗入深度中以梯度分布或相 对均匀分布。例如，在一些实施例中，来自相邻的基体的过渡金属催化剂可以从金刚石层/ 基体界面处向预混金刚石层中部分渗入一定深度。在完成该烧结工艺时，来自相邻的基体 的过渡金属催化剂可以遍布从金刚石层/基休界面到金刚石层中的深度分布在所形成的 碳酸盐基PCD体的间隙区域中。具有梯度分布的实施例可以在部分渗入深度处的间隙区域 中包括相对较少量的过渡金属催化剂，并且在界面处的间隙区域中具有相对较大量的过渡 金属催化剂。例如，在来自相邻的基体的液态WC-Co部分渗入到金刚石层一定深度的实施 例中，所述深度中可以具有梯度分布的钴。根据例如相邻的基体中的过渡金属催化剂材料 的量、金刚石及碳酸盐颗粒尺寸以及烧结工艺的持续时间，部分渗入的深度可以不同。例 如，在使用具有较小量的钴（或其他过渡金属催化剂）的碳化物基体的实施例中，在达到碳 酸盐材料的熔点且碳酸盐开始熔化并形成金刚石间的结合之前，来自基体的熔融钴/碳化 物可能并不完全渗入到金刚石层中。
[0065] 进一步地，可以邻近于预混金刚石粉末层的外表面设置碳酸盐材料层，以渗入并 形成碳酸盐基PCD构造。例如，碳酸盐基PCD材料可以通过可选择地将金刚石粉末层与一 定量的诸如钴的过渡金属催化剂以及烧结剂（一定量的碳酸盐材料，例如碳酸镁）预混而 形成，其中过渡金属催化剂的量例如在0至4重量百分比范围内。所述预混金刚石粉末层 可以在烧结容器内邻置于具有少于10重量百分比的过渡金属催化剂材料的基体，或者邻 置于位于基体上的过渡层，并经受HPHT条件。由第二碳酸盐材料（一种渗入材料）构成的 渗入层可以沿与基体相反的外表面（例如，当完成碳酸盐基PCD切割元件后将成为工作面 的表面）邻置于所述预混金刚石粉末层。所述第二碳酸盐材料可以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混合物，并且可以与预混到所述金刚石粉末层中的烧 结剂是相同或不同的碳酸盐材料，但是作为一个例子，可以使用碳酸镁。另外，如上所述，根 据例如是否在金刚石层与基体之间使用过渡层、是否基体具有低量的过渡金属催化剂、或 者升温速度，在HPHT烧结步骤期间低于碳酸盐材料的熔点的温度下时，来自基体的过渡金 属催化剂可以或可以不部分渗入到所述预混金刚石层中。如果升温速度足够快，例如在不 到60秒内从1300°C(2372°F)加热到2300°C(4172°F)，渗入层中的碳酸盐可以开始熔化 并渗入到金刚石层中，从而在Co/WC能够完全渗入到所述金刚石层中之前形成碳酸盐PCD。
[0066] 当HPHT工艺的温度达到第二碳酸盐材料（也称作渗入材料）的熔点时，第二碳酸 盐材料可以开始蔓延至金刚石层中而直接形成金刚石间的结合。在这些实施例中，所述第 二碳酸盐材料可以以梯度或相对均匀地从金刚石层的上面具有渗入层的外表面向所述金 刚石层中分布一定深度。例如，在渗入层邻置于最终形成切割元件工作面的金刚石层的外 表面的实施例中，形成的碳酸盐基PCD切割元件中的第二碳酸盐材料可以是从工作面延伸 一定深度的梯度分布。根据例如第二碳酸盐材料的量、HPHT工艺步骤的持续时间及条件以 及所述金刚石层的厚度，所述第二碳酸盐材料可以延伸少于或等于所述金刚石层的整个厚 度的深度。例如，根据本发明的一些实施例，来自渗入层的第二碳酸盐材料可以渗入从工作 面到界面表面的整个金刚石层。在其他实施例中，一定量的第二碳酸盐材料可以形成所述 渗入层，其量可以比用于渗入整个金刚石层的量要大。在这些实施例中，剩余的渗入材料 (并未渗入到金刚石层中的渗入材料）可以在所述金刚石构造的工作面上形成碳酸盐层， 并且所述碳酸盐层可以随后被去除。
[0067] 碳酸盐基P⑶体可以通过同时来自第二碳酸盐材料（来自渗入层）与碳化物-过 渡金属催化剂（来自相邻的基体）的渗入来形成，其中，所述PCD体的被被渗入部分可以具 有不同的微观结构组成。例如，参考图9,示出了根据本发明的实施例的金刚石构造900。根 据本文公开的方法，所述金刚石构造900具有在界面915处直接结合至基体920的碳酸盐 基P⑶体910。特别地，示出的构造可以通过在烧结容器内将预混的金刚石粉末层（例如， 金刚石、碳酸盐烧结剂以及0-4重量百分比的钴的混合物）邻置于由碳化钨及少于10重量 百分比的钴形成的基体920而形成。由诸如碳酸镁的第二碳酸盐材料（一种渗入材料）形 成的渗入层可以然后在烧结容器内邻置于金刚石层的与基体相反的外表面。所述烧结容器 及其内容物然后可以经受HPHT条件，以将金刚石层与基体烧结在一起。在HPHT烧结步骤 中，如上所述的，来自基体的钴可以渗入到金刚石层中，同样如上所述的，来自渗入层的碳 酸镁可以从所述外表面至少部分地渗入到所述金刚石层中一定深度。最终的碳酸盐PCD体 910具有两个部分914、916。如图所示，由渗入的第二碳酸盐材料构成的第一部分914延伸 PCD体910的一部分厚度，由所述渗入的第二碳酸盐材料及渗入的钴构成的第二部分916延 伸所述P⑶体910的第二部分厚度。
[0068] 第一部分914可以具有金刚石晶粒互连的微观结构，碳酸镁（如果在烧结前预混 有任何钴时，则还有一定量的钴）分布于形成于结合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域 中。第一部分914被示为形成金刚石体910的部分厚度。然而，碳酸盐渗入材料可以渗入 所述金刚石层的整个厚度，例如所述渗入的碳酸镁可以从与基体920相反的外表面912向 所述金刚石体910中延伸整个深度。因此，由于渗入材料渗入的深度可以大于所述第一部 分914的厚度，因此所述第一部分是指金刚石体910中基本不含从基体渗入的结合剂（例 如钴）的部分