超硬结构体及其制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开涉及超硬结构体和制造此类结构体的方法，特别但非排它地涉及包含连接到基材的多晶金刚石(PCD)结构的结构体，以及包含其的工具，特别但非排它地用于岩石破解或钻孔，或用于钻入地中。
【背景技术】
[0002]多晶超硬材料，如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可用于多种用于切削、机加工、钻孔或破解硬质或磨蚀性材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的工具。特别地，包含PCD材料的切削元件形式的工具插入件广泛用于钻入地中以开采石油或天然气的钻头中。超硬工具插入件的使用寿命可能受到超硬材料的破碎的限制，包括受到散裂和剥落的限制，或受到工具插入件磨损的限制。
[0003]切削元件，如用于岩石钻头或其它切削工具的那些，通常具有基材形式的本体(body)，其具有界面末端/表面和通过例如烧结过程形成接合到该基材的界面表面的切削层的超硬材料。该基材通常由碳化钨-钴合金构成，有时称为烧结碳化钨，该超硬材料层通常是多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产物TSP材料如热稳定多晶金刚石O
[0004]多晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超硬磨料或超级硬材料)的一个实例，其包含大量互生(inter-grown)的金刚石晶粒，构成了限定金刚石晶粒之间间隙的骨架物(mass)。P⑶材料通常包含至少约80体积％的金刚石，并且在常规上通过对金刚石晶粒的聚集物施以例如大于约5GPa的超高压力和至少约1，200°C的温度来制造。完全或部分填充该间隙的材料可以称为填料或粘合剂材料。
[0005]P⑶通常在烧结助剂如钴的存在下形成，所述烧结助剂促进了金刚石晶粒的互生。适于PCD的烧结助剂通常也称为金刚石的溶剂-催化剂材料，这是由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能。用于金刚石的溶剂-催化剂理解为是能够在金刚石热动力学稳定的压力和温度条件下促进金刚石生长或金刚石晶粒之间的直接金刚石-金刚石互生的材料。因此，在烧结PCD产物的间隙中可以完全或部分填充有残余溶剂-催化剂材料。最通常地，PCD常常在钴-结碳化钨基材上形成，该基材提供了用于PCD的钴溶剂-催化剂的源。不能促进金刚石晶粒之间的实质性相关互生的材料本身可以构成与金刚石晶粒的牢固键合，但是并非适于PCD烧结的溶剂-催化剂。
[0006]可用于形成合适基材的烧结碳化钨通过将碳化钨颗粒/晶粒和钴混合在一起并随后加热以凝固而由分散在钴基质中的碳化物颗粒构成。为了形成具有超硬材料层如PCD或PCBN的切削元件，金刚石颗粒或晶粒或CBN晶粒在难熔金属外壳如铌外壳中邻近该烧结碳化钨本体放置并施以高压和高温，使得发生金刚石晶粒或CBN晶粒之间的晶粒间接合，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。
[0007]在一些情况下，该基材可以在连接至超硬材料层之前完全固化，而在其它情况下，该基材可以是生坯，也就是说没有完全固化。在后一种情况下，该基材可以在HTHP烧结过程中完全固化。该基材可以为粉末形式，并可以在用于烧结该超硬材料层的烧结过程中凝固。
[0008]在地球钻探领域对改进的生产率的不断提高的驱动力导致对用于切削岩石的材料的需求不断提高。具体而言，需要具有提高的耐磨蚀性与耐冲击性的PCD材料以实现更快的切削速率和更长的工具寿命。
[0009]包含PCD材料的切削元件或工具插入件广泛用于石油和天然气钻探行业中用于钻入地中的钻头。岩石钻探和其它操作需要高耐磨蚀性与耐冲击性。限制多晶金刚石(PCD)磨料刀具成功的因素之一是由于PCD与加工材料之间摩擦而生成热。这种热导致金刚石层的热降解。通过提高的PCD层的开裂与剥落以及金刚石反向转化为石墨，造成提高的磨料损耗，该热降解提高了该刀具的磨耗率。
[0010]用于改善PCD复合材料的耐磨性的方法通常导致该复合材料的耐冲击性的降低。
[0011]最耐磨等级的PCD通常受困于刀具在其磨损殆尽之前的灾难性断裂。在使用这些刀具的过程中，裂纹生长，直到它们达到可发生灾难性失效时的临界长度，即当大部分P⑶以脆性方式脱落时。在使用常规烧结PCD过程中遭遇这些长的、快速生长的裂纹，导致短暂的工具寿命。
[0012]此外，不考虑它们的高强度，多晶金刚石(PCD)材料因其低断裂韧性而通常容易遭受冲击断裂。在不会不利地影响该材料的高强度和耐磨性(其对于切穿岩石的能力是重要的)的情况下改进断裂韧性是一项具有挑战性的任务。
[0013]因此需要具有良好或改进的耐磨蚀性、抗断裂性和耐冲击性的PCD复合材料以及形成此类复合材料的方法。
[0014]发明概述
[0015]从第一方面来看，提供了一种超硬多晶结构体，包含:
[0016]多晶超硬材料的本体，该多晶超硬材料的本体包含:
[0017]具有第一平均晶粒尺寸的第一超硬相；和
[0018]具有第二平均晶粒尺寸的第二超硬相；
[0019]其中第二超硬相位于第一超硬相中的一个或多个通道或缝隙中，第一超硬相形成超硬材料本体中的骨架，第二超硬相通过非超硬相接合于第一超硬相；和
[0020]其中第一超硬相和第二超硬相在平均晶粒尺寸和/或组成方面不同。
[0021]从第二方面来看，提供了一种形成超硬多晶结构体的方法，包含:
[0022]提供用于形成第一超硬相的第一超硬材料的颗粒或晶粒物；烧结第一超硬相和形成其中具有多个通道和/或缝隙的骨架；
[0023]提供用于形成第二超硬相的第二超硬晶粒或颗粒物；
[0024]将第二超硬晶粒或颗粒物放置在由第一超硬相形成的骨架中的一个或多个通道和/或缝隙中以形成预烧结组装件；其中第一超硬相和第二超硬相在平均晶粒尺寸和/或组成方面不同；和
[0025]在用于该超硬晶粒的催化剂/溶剂材料的存在下，在约5.5GPa或更高的超高压力下和该超硬材料比石墨更热力学稳定的温度下处理该预烧结组装件以将超硬材料晶粒烧结在一起，以形成多晶超硬结构体，该超硬晶粒表现出粒间接合，并在其间限定多个间隙区域，其中多晶超硬材料主体包含工作表面，该工作表面由骨架和位于骨架中的多个沟道和/或缝隙中的第二超硬相的交替性部分形成。
[0026]从另一方面来看，提供了一种包含上文定义的超硬多晶结构体的工具，该工具用于切削、铣削、研磨、钻孔、钻地、钻岩或其它磨削应用。
[0027]该工具可以包含例如用于钻地或钻岩的钻头、用于石油和天然气钻探行业的旋转固定刀具钻头、或滚锥钻头、开孔工具、膨胀工具、扩眼器或其它钻地工具。
[0028]从另一方面来看，提供了一种包含上文定义的超硬多晶结构体的钻头或刀具或用于此的部件。
[0029]附图概述
[0030]现在将通过实施例并参照附图描述本发明，其中:
[0031]图1是用于钻入地中的钻头的P⑶刀具元件的一个实例的透视图；
[0032]图2是P⑶刀具元件的实例的平面图；
[0033]图3是形成例如图2所示的P⑶刀具元件的实例的方法的示意性流程图；
[0034]图4是穿过P⑶刀具元件的另外实例的示意性部分横截面；
[0035]图5a是穿过P⑶刀具元件的另一实例的示意性部分横截面；
[0036]图5b是PCD刀具元件的另外实例的平面图；以及
[0037]图6是显示垂直钻孔试验的结果的曲线图，比较了具有不同平均晶粒尺寸的两个常规P⑶刀具和如图2所示的P⑶刀具元件。
[0038]相同的附图标记在所有附图中是指相同的一般特征。
[0039]发明详述
[0040]本文中所用的“超硬材料”是具有至少约28GPa的维氏硬度的材料。金刚石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的实例。
[0041]本文中所用的“超硬结构体”指的是包含多晶超硬材料的本体的结构体。在此类结构体中，基材可以连接于其，或者该多晶材料的本体可以是无支撑的(free-standing)和无背衬的。
[0042]本文中所用的多晶金刚石(PCD)是一种类型的多晶超硬(PCS)材料，其包含多个金刚石晶粒，其大部分直接彼此相互接合，并且其中金刚石含量为该材料的至少约80体积％。在PCD材料的一个实施方案中，金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分填充有包含用于金刚石的催化剂的粘合剂材料。本文中所用的“间隙”或“间隙区域”是PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在PCD材料的实施方案中，间隙或间隙区域可以基本或部分填充有金刚石之外的材料，或它们可以是基本空的。PCD材料可以包含至少一个已经从间隙中除去催化剂材料的区域，在该金刚石晶粒之间留下间隙空隙。
[0043]用于超硬材料的“催化剂材料”能够促进该超硬材料的生长或烧结。
[0044]本文中所用的术语“基材”指的是在其上方形成该超硬材料层的任何基材。例如，本文中所用的“基材”