减轻残余应力的复合切割器衬底的制作方法

专利名称：减轻残余应力的复合切割器衬底的制作方法
技术领域：
本文中公开的实施方案总体上涉及复合切割结构体。更具体地，本文中公开的实施方案涉及形成用以减轻其中所含的残余应力的多晶金刚石切割元件。
背景技术：
多晶金刚石压实体(compact) (“PDC”)切割器在包括凿岩和金属机械加工的工业用途中使用已经有许多年了。在典型的用途中，多晶金刚石(“P⑶”)(或其它超硬材料，如多晶立方晶系氮化硼)的压实体粘结到衬底材料上以形成切割结构体，所述衬底材料典型地为烧结的金属碳化物。PCD包括粘结在一起以形成整体的、坚韧的、高强度的块体(mass) 或晶格的金刚石晶粒或晶体的多晶块体。所得PCD结构体产生增强的耐磨性和硬度的性能，从而使得PCD材料对于其中需要高水平的耐磨性和硬度的侵略性磨损和切割用途是非常有用的。PCD可以通过在烧结助剂或粘结剂的存在下使许多金刚石晶粒经受一定的高压/ 高温(“HPHT”)条件而形成。常规地，烧结助剂或粘结剂是以溶剂(solvent)金属催化剂材料，如一种或多种选自周期表的第VIII族的元素的形式提供的。溶剂金属催化剂可以在 HPHT处理之前加入且与金刚石晶粒混合和/或可以在HPHT处理过程中通过从包含溶剂金属催化剂作为其组成材料之一的衬底渗透来提供。常规的PDC切割器通过将胶合的碳化物衬底放入HPHT容器中而形成。金刚石晶粒或金刚石晶粒和催化剂粘结剂的混合物被安置在容器中的衬底上面，并且容器被装载到 HPHT装置中，所述HPHT装置被构造且操作以使容器及其内容物经受所需的HPHT条件。在这么做的过程中，金属粘结剂从衬底迁移且通过金刚石晶粒以促进在金刚石晶粒之间的共生。结果，金刚石晶粒彼此粘结而形成金刚石层，并且进而将金刚石层粘结到衬底上。衬底通常包含金属碳化物复合材料，如碳化钨。所沉积的金刚石体通常称为“金刚石层”，“金刚石台”，或“磨料层”。在图1中显示了具有PDC常规的切割器的地层钻井用刮刀钻头的一个实例。在图 1中，钻头10具有钻头体12。钻头体12的下表面形成有多个刀片14，其大体上从钻头的旋转中心纵轴16向外延伸。多个切割器18沿着每一个刀片的长度并排设置。由每一个刀片携带的切割器18的数量可以变化。切割器18分别被铜焊至桩(stud)状载体(或衬底)， 其可以由碳化钨形成并且接纳和固定在各个刀片的插座(socket)内。常规的P⑶包含85-95体积％金刚石和余量的粘结剂材料，所述粘结剂材料存在于PCD的在粘结的金刚石晶粒之间存在的间隙以内。典型地用于形成PCD的粘结剂材料包括第VIII元素，其中钴(Co)是最通常使用的粘结剂材料。常规的P⑶在高达700-750°C的温度是稳定的，之后所观察到的温度的升高可能导致对PCD的永久损害和PCD的结构损坏。特别是，由PCD和加工材料之间的摩擦引起的热导致对PCD的裂纹形式的热损害，这导致金刚石层的剥落以及金刚石层和衬底之间的分层。PCD的这种劣化归因于粘结剂材料(典型地为钴)的热膨胀系数相对于金刚石的显著差别。在加热PCD时，钴和金刚石晶格将以不同的速率膨胀，这可能引起裂纹在金刚石晶格结构中形成并且导致PCD的劣化。高工作温度还可能导致金刚石至石墨的反向转化，从而导致微结构完整性的损失，强度损失和快速的磨料磨损。为了克服这个问题，可以使用强酸从金刚石晶格结构(薄的体积或整体)“浙滤” 钴以至少降低加热和冷却中由于金刚石-钴复合材料内的不同膨胀速率而经历的损害。“浙滤”方法的实例可以在例如美国专利4，288，248和4，104，344中找到。简而言之，可以使用强酸，典型地硝酸或几种强酸的组合(如硝酸和氢氟酸)处理金刚石台，从而从PDC复合材料移除至少一部分助催化剂。通过浙滤出钴，可以形成热稳定的多晶(“TSP”)金刚石。 在某些实施方案中，仅浙滤所选择部分的金刚石复合材料，以在对抗冲击性的影响较小的情况下获得热稳定性。如本文中使用的，术语热稳定的多晶(TSP)包括上述(即，部分地和完全浙滤的)化合物两者。在浙滤后残留的间隙容积可以通过进一步固结或者通过用二次材料再渗入该容积而减小。再渗透的实例可以在美国专利5，127，923中找到。但是，在TSP切割器或具有粘结在胶合的碳化物衬底上的超硬金刚石类切割台如多晶立方晶系氮化硼(PCBN)的其它类型的切割器中，也常常遇到困扰PCD切割元件的上述问题中的一些，即，碎裂，剥落，部分破裂，切割台的开裂或脱落。特别是，已经观察到TSP切割器略微更易于在严重的负荷下剥落和分层。这些问题导致切割台的早期失效，因此导致切割器的工作寿命更短。这些问题，S卩，PDC金刚石层的碎裂，剥落，部分破裂，开裂和脱落可能部分地由在金刚石和衬底之间的热膨胀系数差引起。具体地，如图5A中所示，胶合的碳化物衬底53的热膨胀系数高于金刚石层58。因此，在烧结过程中，例如，胶合的碳化物体53和金刚石层 58都被加热至高温，从而在金刚石层58和胶合的碳化物衬底53之间产生粘结。当金刚石层58和衬底53冷却时，衬底53由于碳化物的热膨胀系数更高而比金刚石58更多地收缩。 因此，在金刚石和衬底之间的界面处形成被称为热诱导应力或残余应力的应力。此外，在金刚石层和碳化物衬底之间的不同收缩使得在两个物体中产生应力。此外，如图5B中所示，由于在金刚石层58和衬底53之间的体积模量的失配，在金刚石层58上形成残余应力。具体地，在烧结过程中施加的高压导致碳化物53由于碳化物的体积模量更低而比金刚石层58压缩更多。在将金刚石58烧结到碳化物53上并且移除压力之后，碳化物53试图比金刚石58更大地膨胀，从而对金刚石层58强加拉伸残余应力。 这些应力可能引起更大的应力，这可能最终导致材料失效，因为金刚石和衬底材料典型地具有高模量(即，硬性)。在图5A中所示的冷却影响(由不同的热膨胀系数引起)和在图5B中所示的压力释放影响(由不同的体积模量引起)彼此抵消。如图5C中所示，在常用的烧结条件下，冷却影响压倒了压力释放影响，从而在金刚石层58和碳化物衬底53中留下不同的净收缩。在尝试克服这些问题时，许多人已经转向利用在衬底和PDC切割层之间的非平面界面。据认为，非平面界面允许从衬底至金刚石台的热膨胀系数的更逐渐的改变(shift)， 因此，降低了金刚石上的残余应力的大小。类似地，据认为，非平面界面允许从金刚石层至碳化物衬底的压缩的更逐渐的改变。另外，当将预成型的金刚石层烧结到碳化物衬底上时，非平面界面的形成变得更难以实现，因为在金刚石和衬底的配合非平面表面之间的任何不精确性可能导致金刚石层的开裂。因此，存在对其中具有降低的残余应力的切割元件的开发的持续需求。

发明内容
在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种形成切割元件的方法，所述方法包括使用包含金刚石粒子的金刚石混合物填充碳化物衬底的上表面上的至少一个非平面区；使所述衬底和所述金刚石混合物经受高压高温烧结条件，以形成CTE降低的衬底，所述 CTE降低的衬底具有在界面区中延伸至所述CTE降低的衬底中某一深度的多晶金刚石，以及包含金刚石和碳化物的复合表面的上表面；和使多晶金刚石体附着到所述CTE降低的衬底的所述复合表面上。在另一个方面中，本文中公开的实施方案涉及一种形成切割元件的方法，所述方法包括提供多个碳化物粒子和多个金刚石粒子；使所述多个碳化物粒子和所述多个金刚石粒子经受高压高温烧结条件，以形成CTE降低的衬底，所述CTE降低的衬底具有至少部分地由碳化物形成的上表面；和使多晶金刚石体附着到所述CTE降低的衬底的所述上表面上。从下面的描述和后附权利要求，本发明的其它方面和优点将变得明显。


图1是刮刀钻头的图示。图2A-F显示了本公开的几个实施方案的横截面侧视图。图3A-3F显示了本公开的各个实施方案的横截面侧视图和横截面俯视图。图4A-4D显示了本公开的其它实施方案的横截面侧视图。图5A-5C显示了在PDC切割器中常规地发现的应力影响。图6A-6C显示了根据本公开的形成切割元件的一个示例性方法。图7A-7B显示了对两个切割元件进行的应力分析。图8A-8D显示了根据本公开的形成切割元件的示例性方法。
具体实施例方式在一个方面中，本文中公开的实施方案涉及具有降低的残余应力的PCD和TSP金刚石(或其它有形多晶磨料)切割元件和用于形成该切割元件的方法。更具体地，本文中公开的实施方案涉及具有热膨胀系数降低并且体积模量增加的界面区的PCD和/或TSP金刚石切割元件。如本文中使用的，术语“P⑶”是指在高压/高温(“HPHT”)条件通过使用溶剂金属催化剂，如在周期表的第VIII族中所包含的那些而形成的多晶金刚石。如本文中使用的，术语“热稳定的多晶金刚石”或“TSP”是指晶粒间粘结的金刚石，其包括已经致使基本上没有用于形成PCD的溶剂金属催化剂的体积或区域，或者用于形成PCD的溶剂金属催化剂残留在金刚石体的所述区域内，但是以另外的方式反应或致使其在如上所述的在高温不利地影响粘结的金刚石的能力方面变得无效。在典型的用途中，多晶金刚石压实(PDC)体或其它超硬材料附着至衬底材料上以形成切割结构体，所述衬底材料典型为烧结的金属-碳化物。这样的PDC体可以包括例如，常规的P⑶，高密度P⑶(金刚石含量大于92体积％)，TSP金刚石(基本上没有二级相)， 和/或具有热稳定的二级相的非常规的PCD。附着至衬底上允许PDC切割器通过常规的方法如铜焊，焊接等附着至切割和/或磨损装置。在没有衬底的情况下，PDC体必须通过干涉配合(interference fit)附着至切割和/或磨损装置，所述干涉配合不实用并且不提供强的附着以促进长的使用寿命。如在下面更详细论述的，在本公开的一些实施方案中，多晶金刚石体可以在多晶金刚石体的形成中附着至衬底，而在其它实施方案中，多晶金刚石体可以在多晶金刚石体的形成之后附着至衬底。在上述类型的切割元件中任何一种的情况下，在多晶金刚石体和碳化物衬底的热膨胀系数(“CTE”)和体积模量之间的显著差别在切割元件内产生高残余应力，特别是在外径处，这也是负责切割的。这些残余应力通常导致碎裂和/或裂纹，从而可能导致金刚石层的剥落，在金刚石和衬底之间的分层，等。特别是，径向和环向应力可能导致垂直开裂，而轴向和剪切应力可能导致剥落。因此，本文中公开的实施方案涉及在多晶金刚石切割元件的形成中具有降低的热膨胀系数的衬底(“CTE降低的衬底”)。一些实施方案涉及将金刚石体附着(或再附着)至CTE降低的衬底以形成切割结构体，使得在衬底和金刚石体的CTE 和体积模量之间的差别减小，而其它实施方案涉及多晶金刚石体在CTE降低的衬底上的形成。CTE降低的衬底/界面区的形成如本文中使用的，“CTE降低的衬底”是指这样的衬底，其在上部(其中通过将金刚石体附着至衬底将变为衬底的界面区的那部分)同时具有金刚石和碳化物材料，使得与单独的碳化物材料相比，衬底的热膨胀系数降低。术语“界面区”是指CTE降低的衬底的从其上表面延伸到CTE降低的衬底中某一深度的区域。在CTE降低的衬底的界面区中的金刚石可以优选从CTE降低的衬底的上表面延伸大于0. 25mm的深度，并且更优选延伸大于0. 5mm 的深度，且最优选延伸大于Imm的深度。在一些实施方案中，金刚石可以在CTE降低的衬底的整个长度上延伸。另外，根据本公开的实施方案，CTE降低的衬底的上表面可以至少部分地由碳化物形成。在本公开的一些实施方案中，沿着上表面的至少一部分，上表面可以由金刚石区和碳化物区形成。本公开的其它实施方案可以具有全部由碳化物形成的上表面，其中CTE降低的衬底从上表面向内的至少一部分(在界面区内)具有在其中形成的金刚石。在CTE降低的衬底内的这些金刚石区可以包括例如，常规的PCD，高密度PCD，具有热稳定的二级相的非常规的PCD，金刚石粗砂和/或金刚石粉末。CTE降低的衬底可以通过HPHT处理由金刚石粉末和碳化物体(或碳化物粉末) 形成，使得CTE降低的衬底在其中并且沿着碳化物体的上表面的一部分包含金刚石。根据本公开，金刚石填充的区域的形成包括在碳化物衬底中形成所需的几何形状(即，非平面区)，使得碳化物衬底具有非平面上表面，并且将金刚石粒子安置在非平面上表面的非平面区内。然后将碳化物衬底和金刚石粒子安置在反应池内，并且使池内容物经受HPHT条件， 从而导致在金刚石粒子之间的金刚石与金刚石粘结(产生PCD-填充的区域)和CTE降低的衬底。备选地，可以使用足够的金刚石粉末使得PCD的高度可以上升到高于碳化物衬底(形成PCD层)。在形成后，可以移除这种过剩的金刚石以使在CTE降低的衬底的上表面(其通过附着至另一个金刚石体而变为界面表面)的碳化物暴露。因此，在该实施方案中，通过在碳化物衬底的非平面上表面中形成PCD填料而产生复合表面(具有两种不同的材料)，使得复合表面同时包含金刚石和碳化物材料。在碳化物衬底中的非平面上表面可以通过从碳化物衬底的上表面移除碳化物衬底材料而形成(产生非平面区)。这样的非平面区可以使用本领域内已知的任何技术包括， 例如，切割和蚀刻方法如EDM机械加工，喷砂处理，等形成。备选地，非平面上表面可以通过在模具中烧结碳化物材料而形成，所述模具具有所得衬底的相应的所需几何形状。在其中金刚石不形成CTE降低的衬底的上表面的相当大的部分的实施方案中，金刚石粒子(或其它金刚石体，如上述各种PCD的PCD段)可以被结合到碳化物衬底中，例如在碳化物生坯的形成过程中，然后被烧结以形成CTE降低的衬底。这可以包括涉及掩盖衬底的上表面的一个或多个多晶金刚石层或渗透或分散到衬底中的金刚石的实施方案。烧结处理可以包括例如常规的烧结，火花等离子体烧结，和微波烧结。为了减少烧结过程中的金刚石石墨化，金刚石粒子或P⑶/TSP体可以涂覆有保护材料，如TiC和SiC。在一些实施方案中，其中渗透或分散有金刚石的CTE降低的衬底可以由粒化的金刚石粗砂形成，这描述于美国专利7，350，599中。粒化的金刚石粗砂可以被热压以形成粗砂热压插入(“GHI”)衬底，即，CTE降低的衬底。另外，由粒化的金刚石粗砂形成的CTE降低的衬底还可以包含金刚石填充的区域，其可以根据上述方法形成。备选地，可以将粒化的金刚石粗砂安置在已经形成的金刚石台或金刚石粉末层附近，并且进行HPHT加工以形成包含CTE降低的衬底和金刚石切割台的切割元件。粒化的金刚石粗砂可以通过用基体材料均勻地包封金刚石粒子而形成。一个用于获得“均勻的”包封剂层的示例性方法是在商业化的混合机如Turbula Mixer或用于将金刚石与基体材料混合的类似机器中混合金刚石，基体材料粉末和粘结剂。然后将所得混合物通过“造粒机”处理，其中将混合物挤出成短的“香肠”形状，然后将其辊压成球并且干燥。 必须使用一系列网筛分离这样形成的粒子，以获得所需收率的均勻包封的晶体。在该处理结束时，可以收集许多大致相同的尺寸和形状的粒子。另一种用于在晶体上获得均勻的包封剂层的示例性方法是使用称为Fuji Paudal造粒机的机器。如本文中使用的，术语“包封剂层”是指与化学结合至衬底的“包覆层”相比，不与核心初级粒子化学反应的包围材料。如本文中使用的，术语“均勻的”是指各个金刚石粒子具有类似量的大致相同形状的(例如球形层)的包封材料(即，它们相对具有相同的尺寸)，并且包封单个金刚石晶体，而非金刚石簇。术语“均勻地”不意在表示所有粒子都具有精确的相同尺寸或精确的相同量的包封剂，或在包封剂层中没有任何不连续，而仅表示当与现有技术包覆的晶体相比时，它们基本上是更均勻的。包封均勻性允许利用最小的包封剂层厚度，从而允许利用增加的金刚石浓度。另外，使用在每一个金刚石晶体上具有均勻的基体粉末包封层的金刚石粒子提供在成品件中金刚石之间的一致的间隔。特别是，通过使用粒化的金刚石粗砂形成CTE降低的衬底，金刚石粒子可以更均勻地分布在整个渗透的结构体中。金刚石粒子的分布可以在金刚石“邻接率(contiguity) ” 方面被涉及到，所述邻接率是与另一个金刚石直接接触的金刚石的数量的量度。理想地，如果存在完全的分布，则金刚石与金刚石的邻接率为0% ( S卩，没有2个金刚石直接接触)。 相反，目前典型地使用的渗透的切割结构体的分析已经表明，金刚石邻接率为约50% (即， 约一半的金刚石与其它金刚石直接接触)。在一些实施方案中，由粒化的金刚石粗砂形成的CTE降低的衬底的部分可以具有在0% -15%的范围内的金刚石邻接率。在其它实施方案中，金刚石邻接率可以在0% -10%的范围内。在另外的其它实施方案中，金刚石邻接率可以在0% -5%的范围内。在一个优选的实施方案中，在CTE降低的衬底中形成的金刚石区的尺寸/体积被设计用来减轻PDC切割器中的残余应力。残余应力通常可能由切割器的金刚石(包括PCD 和TSP)和碳化物衬底之间的热膨胀系数(“CTE”)的差别引起。通过控制界面表面附近的衬底中(即，在界面区中)的金刚石和碳化物材料的含量，可以基于下式调节衬底热膨胀率a total = Σ明其中α i为第i种组分(component)的热膨胀系数(即，热膨胀比率)并且Vi为体积比。例如，如果PDC的热膨胀比率为2. hlO_6m/m-°C并且碳化物衬底的热膨胀比率为 5. 8xlO-6m/m-°C，则通过在衬底中形成包含50体积％ PDC和50体积％碳化物的界面区，界面区的总热膨胀比率为4. lhlO_6m/m-°C，这比单独的碳化物衬底低约30%。因此，通过降低衬底中的总热膨胀比率，可以显著降低衬底热膨胀比率和PDC台的热膨胀比率之间的差别，从而降低切割器中的残余应力的量。此外，残余应力还可能由切割器中的金刚石(包括P⑶和TSP)和碳化物材料的体积模量之间的差别引起。通过控制在界面表面附近的衬底中(即，在界面区内)的金刚石和碳化物材料的含量和量，可以基于下式调节衬底的模量Κ'°,α!其中Ki为第i种组分的体积模量并且Vi为体积比。通过降低衬底中的总体积模量，可以显著降低衬底体积模量和PDC台的体积模量之间的差别，从而降低切割器中的残余应力的量。可以设计金刚石区的尺寸、形状、数量等以及金刚石-填料和碳化物衬底材料的组成，使得界面区(即，CTE降低的衬底的上表面附近的区域)的总CTE在特定的范围内。 根据本公开的一个实施方案，界面区的总CTE可以在这样的范围内，其中该范围的下限为 TSP金刚石材料的CTE而该范围的上限为碳化物衬底材料的CTE。在其它实施方案中，界面区可以具有CTE梯度，其中CTE值从PDC的CTE平稳地变化到碳化物衬底材料的CTE。参考图2A和2B，根据本公开，CTE降低的衬底25具有界面区20。CTE降低的衬底 25由具有非平面上表面沈的碳化物衬底23形成，其中金刚石-填料形成于非平面区(即， 金刚石填充的区域21)中。界面区20包括上复合表面22，至少一个从上复合表面22延伸到衬底23中的深度M的金刚石填充区21，以及从复合表面22延伸至衬底23中的深度M 的一部分碳化物衬底材料。此外，在所示的实施方案中，金刚石填充的区域可以以均勻或变化的深度延伸至衬底中。在具有多个以不同深度延伸至衬底中的金刚石填充区的实施方案中，界面区可以以某一深度延伸至衬底中直至具有金刚石的最低点，或界面区可以相对于具有金刚石的最低点延伸部分深度。此外，CTE降低的衬底的上表面可以是平面，或备选地，上表面可以是非平面的。例如，图2A显示了具有平面的上复合表面22的CTE降低的衬底25，而图2B显示了具有非平面的上复合表面22的CTE降低的衬底25。在图2A和2B中的复合表面22的几何形状不匹配在碳化物衬底23中形成的非平面表面沈的几何形状。现在共同参考图3A-3F，显示了具有金刚石/碳化物上表面的CTE降低的衬底的另一个实施方案以及用于形成这样的实施方案的步骤。在图3A中，碳化物衬底33具有上表面39。在图;3B中，非平面上表面31由开口于衬底33的上表面39的至少一个非平面区形成，其中位于中心的非平面区与多个周围的非平面区相比以更深的深度延伸到衬底33中。 如图3F中所示，多个周围的非平面区是以围绕位于中心的非平面区具有同心环的图案形式安置的。但是，本领域技术人员可以设想到备选的图案。例如，在除衬底中心以外的位置 (例如，衬底周边附近)的非平面区可以以更深的深度延伸到衬底中。另外，具有由多个非平面区形成的非平面上表面的碳化物衬底可以具有不同尺寸的非平面区或均勻尺寸的非平面区。用来形成CTE降低的衬底的碳化物衬底可以包含金属-碳化物复合材料，如碳化钨和金属粘结剂，如钴或其它第VIII族金属，其可以在HPHT烧结过程中对相邻的金刚石材料起着溶剂催化剂材料的作用。在一些实施方案中，碳化物衬底可以包含粒化金刚石粗砂，其是由用基体材料均勻包封的金刚石粒子形成的。用来形成粒化金刚石粗砂的金刚石粒子可以是天然或合成的金刚石粒子并且可以具有在200至18目范围内的粒子尺寸。例如，基体材料包封剂层可以包含碳化物材料，如碳化钨，或用于形成金属-碳化物复合材料的碳化物和金属粒子的混合物，如碳化钨钴(tungsten carbide cobalt)或碳化钨钴铜 (tungsten carbide cobalt copper)。如图3C中所示，将一定量的金刚石粉末和适宜的催化剂材料混合并且邻近衬底 33的非平面上表面31安置，然后使其经受HPHT条件以形成P⑶填充区35，界面区30和与所述界面区30相邻的PCD层37。备选地，衬底可以包括可以通过渗入提供的金属溶剂催化剂，以催化金刚石粉末的晶粒间粘结，在此情况下，可能不需要将金刚石粉末与金属溶剂催化剂在HPHT处理之前混合。在本公开的范围内的是可以将过量或更少量的金刚石粒子邻近衬底的非平面上表面安置。例如，图6A显示过量的金刚石粒子61邻近衬底63安置的一个实施方案和更少量的金刚石粒子62邻近衬底63安置的另一个实施方案。在更少量的金刚石粒子邻近衬底的非平面上表面安置的实施方案中，在PCD填充区的形成过程中可能不形成PCD层。而是， 可以将更少量的金刚石粉末沿非平面上表面安置，使得金刚石粉末仅填充非平面区，然后可以将其经受HPHT条件，以形成复合表面。具有在形成CTE降低的衬底的工艺过程中形成(例如，通过将过量的金刚石粒子邻近碳化物衬底的非平面表面安置)的金刚石层的实施方案可以具有如下移除的金刚石层通过切割CTE降低的衬底，使得上表面的至少一部分由碳化物形成(并且图3中所示的实施方案中具有复合表面)。这样的PCD移除可以使用切割金刚石的领域中已知的任何技术进行，所述的技术包括例如诸如以下之类的方法激光微机械加工，离子铣(也称作离子轰击蚀刻)等，并且优选通过电火花加工(EDM)。例如，再次参考图3A-F，过量金刚石层37 可以通过沿着平面32 (将成为上表面3 切割CTE降低的衬底，使得上表面同时包括金刚石35和碳化物材料33而移除。通过移除过量的金刚石层37，形成的CTE降低的衬底的上部分或界面区30同时拥有金刚石和碳化物，以将有效CTE降低至低于单独的碳化物材料的CTE。具体地，界面区30是从碳化物衬底33的复合表面32延伸至衬底33中的深度34 的区域，并且包括P⑶填充区35的至少一部分和围绕P⑶填充区35的碳化物衬底材料。界面区30的CTE可以取决于例如碳化物衬底材料组成，PCD填充区35的尺寸和数量，界面区的深度；34等。在具有变化深度的金刚石填充区的实施方案中，界面区可以具有梯度的热膨胀系数(CTE)。特别是，界面区的更靠近复合表面的部分(其包括每个金刚石填充区的至少一部分)可以具有落入更靠近PCD的CTE的范围内的总CTE，原因在于存在更大量的PCD-填料材料。界面区的更远离复合上表面的部分(其只包括金刚石填充区的比靠近界面表面的界面区更深地延伸的部分)可以具有落入更靠近碳化物衬底材料的CTE的范围内的总CTE，原因在于该部分包括更大量的碳化物衬底材料。而且，金刚石填充区可以呈现任何几何(规则或不规则)形状或形式，包括例如， 沿金刚石填充区的长度具有大体上相等或变化的直径，以及任何峰、谷、槽、脊等，或在常规非平面界面技术中在衬底中可以形成的任何其它形状。在衬底上表面下面具有金刚石填充区的实施方案中，金刚石填充区的形状可以是圆的。另外，如通过比较图3C-3E中的各种金刚石填充区35的一般代表性尺寸所示的，可以选择金刚石填充区以具有不同的一般相对尺寸，这例如取决于形成金刚石填充区的方法，以及其它设计考虑因素。因此，在一些实施方案中，例如，可以选择一个或多个金刚石填充区以在碳化物衬底的金刚石填充区和复合表面之间的相交处比在相同衬底内的其它金刚石填充区具有更大的直径。在具体的实施方案中，金刚石填充区的直径(或非圆形金刚石填充区的一般尺寸)的范围可以从毫米级 (在一些实施方案中至多3mm)至微米级(小于Imm和小于50微米)至纳米级(在各种实施方案中下至100，50或lOnm)。但是，本领域技术员应当理解选择的尺寸可以基于各个因素如PCD体的尺寸，形成金刚石填充区的技术，对PCD体的材料和机械性质的任何影响等。 也在本公开的范围内的是可以产生金刚石填充区的类型、数量、形状和尺寸的各种组合。另外，对在衬底中形成的金刚石填充区的位置或图案没有限制。例如，如图3F中所示，金刚石填充区35可以形成同心圆的图案。但是，金刚石填充区可以采用均勻隔开的金刚石填充区的任何规则阵列，或者金刚石填充区可以随机地在整个衬底上分布。在本公开的一些实施方案中，界面区的总CTE也可以通过在碳化物衬底内包埋金刚石粒子控制。例如，参考图4A-4D，碳化物衬底43具有至少一个在其中形成的金刚石填充区45。金刚石填充区45从碳化物衬底43的复合表面42延伸至衬底43中的深度44(每个金刚石填充区45的深度44可以变化)。衬底43还包含从复合表面42进入衬底43的整个第二深度41上包埋的金刚石粒子46。第二深度41可以大于或小于深度44，或备选地， 第二深度41可以与深度44相同。在一个示例性实施方案中，深度44可以是金刚石台(其可以附着到CTE降低的衬底上)厚度的约0. 1至0. 7倍，并且第二深度41可以在衬底的整个长度上延伸。金刚石粒子46可以包含PCD，天然或合成的金刚石。如图4A中所示，界面区40包括复合表面42，金刚石填充区45，一部分金刚石粒子46和围绕金刚石填充区的衬底材料。可以通过如下制成衬底43 将金刚石粒子混合入WC和Co粉末中，以形成生坯，然后使用例如HPHT条件或用于形成碳化物衬底的其它传统烧结方法烧结该混合物。然后可以通过如下制成金刚石填充区45 例如，通过在烧结过程中在衬底43中形成区域(例如空腔)，或通过EDM、激光切割或本领域中已知的其它机械加工方法。参考图2C-F，示出了根据本公开的具有界面区20的CTE降低的衬底25的备选实施方案。CTE降低的衬底25由其中结合有金刚石区21的碳化物衬底23形成。界面区20包括碳化物23的上表面22和至少一个金刚石区21，所述金刚石区21以从上表面22进入衬底23中的深度M存在。各种实施方案可以包括分散在界面区20中的金刚石粒子21a(图 2C中所示)，在界面区内的上表面22下面隔开给定深度的多晶金刚石层21b (图2D中所示)，在界面区20内的上表面下面隔开给定深度的多晶金刚石段21c (图2E中所示)，或它们的组合(如，在图2F中所示的分散的金刚石粒子21a和多晶金刚石层21b的组合)。此外，与对于图2A-B的描述类似的，金刚石区可以以均勻或变化的深度延伸至衬底中。用CTE降低的衬底形成切割元件通过形成CTE降低的衬底，可以将CTE降低的-衬底用来形成多晶金刚石切割元件。在一些实施方案中，可以将CTE降低的衬底附着到预成型的多晶金刚石上，或可以在附着工艺过程中形成多晶金刚石。本公开的具体实施方案包括(1)将预成型的多晶金刚石体附着到具有金刚石/碳化物复合上表面的CTE降低的衬底上；( 与附着至具有金刚石 /碳化物复合上表面的CTE降低的衬底上同时形成多晶金刚石层；C3)将预成型的多晶金刚石体附着到具有只有碳化物的上表面和从其向后隔开某一深度的金刚石的CTE降低的衬底上；(4)与附着到具有只有碳化物的上表面和从其向后隔开某一深度的金刚石的CTE 降低的衬底上同时形成多晶金刚石层；( 将预成型的多晶金刚石体附着到具有部分金刚石、部分碳化物的CTE降低的衬底上；和(6)与附着到具有部分金刚石、部分碳化物的CTE 降低的衬底上同时形成多晶金刚石层。另外，当使用预成型的PCD体时，这样的PCD体可以包括常规P⑶，高密度P⑶，TSP,或具有热稳定次生相的非常规P⑶。形成多晶磨料体多晶金刚石(P⑶)体可以以常规的方式形成，如通过烧结“生”金刚石粒子以在粒子间产生晶粒间粘结。“烧结”可以包括高压，高温(HPHT)处理。HPHT处理的实例可以在例如于美国专利4，694，918 ；5, 370，195 ；和4，525，178中找到。简言之，为了形成多晶金刚石物体，将未烧结的大量金刚石晶粒安置在HPHT装置的反应池(cell)的金属盒内。用于此工艺的适宜HPHT装置描述于美国专利2，947，611 ；2, 941，241 ；2, 941，248 ；3, 609，818 ； 3，767，371 ；4, 289，503 ；4, 673，414 ；和4，954，139中。金属催化剂如钴或其它第VIII族金属可以与未烧结的大量晶粒一起被包括以促进晶粒间金刚石与金刚石粘结。催化剂材料可以以粉末的形成提供并且与金刚石颗粒混合，或者其可以在HPHT烧结过程中渗入到金刚石颗粒中。一个示例性的最小温度为约1200°C，并且一个示例性的最小压力为约35千巴。 典型的处理在约451cbar的压力和约1300°C的温度。普通技术人员应当理解可以使用各种温度和压力，并且本发明的范围不限于具体提及的温度和压力。可用于形成多晶金刚石体的金刚石颗粒可以包括任何类型的金刚石粒子，包括具有宽范围颗粒尺寸的天然或合成的金刚石粉末。例如，这样的金刚石粉末的平均颗粒尺寸可以在从亚微米尺寸至100微米范围内，并且在其它实施方案中为1至80微米。此外，本领域技术人员应当理解，金刚石粉末可以包括具有单或多峰分布的颗粒。而且，用来制备PCD体的金刚石粉末可以是合成金刚石粉末或天然金刚石粉末。已知合成金刚石粉末包括少量在金刚石晶体本身内夹带的溶剂金属催化剂材料和其它材料。不同于合成金刚石粉末，天然金刚石粉末不包括在金刚石晶体内夹带的这些溶剂金属催化剂材料和其它材料。理论上合成金刚石粉末中包括不同于溶剂催化剂的材料可以起着削弱或限制可以使所得P⑶体热稳定的程度的作用，因为这些材料与溶剂催化剂一起也必须被移除或另外中和。由于天然金刚石大大地缺乏这些其它材料，因此这样的材料不必从 PCD体中移除，并且因此可以获得更高程度的热稳定性。因此，对于要求特别高程度的热稳定性的应用，本领域技术人员应当理解，将天然金刚石用于形成PCD体可能是优选的。金刚石颗粒粉末，无论合成或天然的，可以与所需量的催化剂材料组合或可以已经包括所需量的催化剂材料，以有利于在HPHT处理过程中适宜的晶粒间金刚石粘结。可用于形成PCD体的适宜催化剂材料包括那些选自周期表的第VIII族的溶剂金属以及两种或更多种这些材料的混合物或合金，其中钴(Co)是最普通的。在一个具体的实施方案中，金刚石颗粒粉末和催化剂材料混合物可以包含85至95体积％的金刚石颗粒粉末和余下量的催化剂材料。备选地，在溶剂金属催化剂可以通过在HPHT处理过程中通过从相邻衬底或将要粘结到PCD体上的相邻其它物体中渗入而提供的应用中，可以在没有加入溶剂金属催化剂的情况下使用金刚石颗粒粉末。可以将金刚石粉末与所需的催化剂材料在反应池中组合，然后将其置于足以引起金刚石粒子之间的晶粒间粘结的处理条件下。在需要形成包含粘结至PCD体上的衬底的PCD压实体的情况下，将选择的衬底装载入容器中，与金刚石粉末混合物相邻，之后进行 HPHT处理。另外，在P⑶体将要被粘结衬底上且衬底包括金属溶剂催化剂的情况下，可以通过渗入提供用于催化金刚石的晶粒间粘结所需要的金属溶剂催化剂，在此情况下，可能不必将金刚石粉末与金属溶剂催化剂在HPHT处理之前混合。在一个示例性实施方案中，可以控制反应池，使得容器进行HPHT处理足够的时间，所述的HPHT处理包括在5至7GPa范围内的压力和在约1320至1600°C范围内的温度。 在此HPHT处理过程中，混合物中的催化剂材料熔化并且渗入金刚石颗粒粉末中，以有利于晶粒间金刚石粘结。在这样的晶粒间金刚石粘结的形成过程中，催化剂材料可以迁移到在金刚石粘结的颗粒之间存在的所形成的PCD体的微结构内的间隙区中。应当注意，如果在粉末状的大量晶粒中存在太多另外的非金刚石材料，那么在烧结工艺过程中防止了显著的晶粒间粘结。没有发生显著的晶粒间粘结的这种烧结材料不在PCD的定义之内。在这样的晶粒间粘结形成之后，可以形成PCD体，所述的PCD体在一个实施方案中具有至少约80体积％的金刚石，余量是由催化剂材料占有的在金刚石颗粒之间的间隙区。在其它实施方案中，这样的金刚石含量可以占形成的金刚石体的至少85体积％，并且在又一个实施方案中为至少90体积％。但是，本领域技术人员应当理解在备选的实施方案中可以使用其它金刚石密度。因此，根据本公开使用的PCD体包括在本领域中常常称作“高密度"PCD的的PCD 体。此外，在本公开的一些实施方案中，P⑶可以由超高压烧结形成。超高压烧结可以在例如1400°C至1600°C范围内的温度和大于SOlcbar的压力进行。使用超高压烧结以形成PCD的实施方案可以包括例如，通过本文中所述的方法首先形成CTE降低的衬底。然后，可以将金刚石粒子安置在CTE降低的衬底的复合表面上，并且在超高压下一起烧结，以形成附着到CTE降低的衬底上的高密度PCD层。超高压烧结对于发生金刚石与金刚石粘结
14(PCD形成)所需要的催化剂材料的量比对于常规HPHT烧结所典型需要的量可以更少。因此，使用超高压可以形成更致密的金刚石。通常，这样的超高压不能与常规衬底一起使用， 原因在于CTE和模量差异，这引起层中的裂纹。但是，CTE降低的衬底的使用可以降低该差异，残余应力，和裂纹的可能性，从而使超高压作为烧结条件是实际的。在其它实施方案中， 可以将超高压烧结用来将TSP金刚石层烧结至CTE降低的衬底上。在超高压烧结下，来自体积模量的TSP膨胀可能增加，这可以抵消更大的热膨胀差(TSP和碳化物之间)并且降低总残余应力。因此，可以将用于形成多晶金刚石磨料体的这些方法用来形成这样的体，之后附着到CTE降低的衬底上，或备选地，可以将所述方法用来在附着到CTE降低的衬底上的过程中形成所述的体。此外，取决于多晶金刚石体的类型和尺寸，可以形成衬底和界面区以具有特别设计的热膨胀系数，使得在切割元件内的残余应力最小化。在将预成型的金刚石体附着到CTE降低的衬底上的实施方案中，附着步骤是第二烧结步骤，其中将第一烧结步骤用来形成金刚石体。将金刚石层附着或再附着到CTE降低的衬底上的方法可以包括HPHT烧结，如上面和在美国专利公布2009/0313908中所述的， 该美国专利公布2009/0313908转让给本受让人并且通过引用结合在本文中；或者通过超高压烧结工艺。在一个具体的实施方案中，预成型的金刚石体通过形成附着到衬底的多晶金刚石层，然后将多晶金刚石层从衬底上移除而形成。在此情形下，最初用来形成金刚石体的衬底可以是与用于形成CTE降低的衬底的衬底相同或不同的衬底。在一个具体的实施方案中，再次参考图3A-F，将多晶金刚石层37沿着选择的表面32 (其成为上表面3 切割，以形成CTE降低的衬底36。在图3D中所示的实施方案中，然后将CTE降低的衬底36烧结至浙滤的金刚石体38上；但是，也在本公开范围内的是可以将未浙滤的金刚石体烧结至CTE 降低的衬底36上。但是，浙滤的金刚石体38(下面更详细地论述)，即，在间隙空间中基本上没有金属的(金属溶剂催化剂或其它)的粘结在一起的金刚石粒子网络，附着到CTE降低的衬底上可能导致浸渗剂材料迁移到金刚石体中，所述浸渗剂材料的来源可以是衬底和/或中间材料(例如，金刚石填料材料或粉末混合物)。在一个具体的实施方案中，例如浸渗剂材料的来源可以是在HPHT烧结/附着工艺过程中的降低的CTE(the reduced-CTE)。在另一个实施方案中，浸渗剂材料的来源可以是在附着之前安置在CTE降低的衬底和TSP层之间的中间材料。如本文使用的，术语“浸渗剂材料”应当被理解为是指与用来最初形成金刚石体的催化剂材料不同的材料，并且可以包括在周期表的第VIII族中确定的材料，所述的材料随后被引入到已经形成的金刚石体中。术语“浸渗剂材料”并不意在限制用来将这样的材料引入到已经形成的金刚石体中的特定方法或技术。在一个优选的实施方案中，可以处理在CTE降低的衬底36的形成过程中移除的 PCD层37，以移除最初用来形成PCD层37中的多晶粘结的催化剂材料。处理后，然后在一定的时间内并且在足以满足在衬底中存在的浸渗剂材料的熔点的温度使用HPHT处理使得浸渗剂材料迁移到TSP体中，可以将所得TSP金刚石体38附着到CTE降低的衬底(相同或不同的衬底)。此外，根据本公开的一些实施方案，可以将中间材料在金刚石层附着(或再附着)到衬底上之前安置在CTE降低的衬底和金刚石层之间，以起着烧结助剂和/或过渡层的作用。例如，如图4C中所示，通过将中间材料49安置在TSP层48和衬底43的复合表面42 之间，可以将TSP层48(或未浙滤的P⑶)再附着到CTE降低的衬底43上。中间材料49可以包括例如，金刚石粉末，碳化物粉末，如碳化钨，金属，和它们的组合。然后可以将CTE降低的衬底43，中间材料49和TSP层48经受例如HPHT条件，以形成具有降低的残余应力的切割器，如图4D中所示。但是，在一些实施方案中，由于可能在附着(或再附着)过程中由HPHT条件导致的应力，将要附着到CTE降低的衬底上的预成型的金刚石体可能具有约1. Omm的最小厚度(在其最薄部分)，使得它可以忍受经过HPHT条件的第二次施加而没有裂纹。上面论述的各种实施方案是指浙滤的金刚石体或TSP。在这样的实施方案中，可以将在粘结的金刚石颗粒之间的间隙空间中具有催化剂或其它金属材料的形成PCD体(附着或未附着到衬底上)进行浙滤处理，由此将催化剂或其它金属材料从PCD体上移除。如本文使用的，术语“移除”是指存在于PCD体中的催化剂或金属材料减少，并且应理解为是指显著部分的催化剂或金属材料不再存在于PCD体中。但是，本领域技术人员应当理解，痕量的催化剂材料可能仍然保留于间隙区内的PCD体的微结构中和/或附着到金刚石颗粒的表面上。备选地，不是从PCD体或压实体中实际移除催化剂材料，而可以通过以如下方式处理催化剂材料使PCD体或压实体的选择区热稳定降低或消除催化剂材料在高温不利地影响晶粒间粘结的金刚石的可能性。例如，可以将催化剂材料与另一种材料化学结合，以使其不再起着催化剂材料的作用，或者可以将其转变成同样使其不再起着催化剂材料的作用的另一种材料。因此，如对催化剂材料使用的，术语“移除基本上全部”或“基本上没有”意在覆盖这样的不同的方法，其中可以处理催化剂材料以使其在提高温度的情况下不再不利地影响在PCD体或压实体中的晶粒间金刚石。在一个具体的实施方案中，PCD体可以使用溶剂催化剂材料由衬底如WC-Co衬底在HPHT处理过程中形成。在其中用预成型的衬底形成P⑶体的这些实施方案中，可以将 PCD层在浙滤之前从衬底分离或者移除，使得浙滤剂可以以未屏蔽的方式侵蚀金刚石体，即从金刚石体的所有侧面侵蚀而没有明显限制。在P⑶体已经进行浙滤处理之后的P⑶微结构中残留的催化剂材料的量可以根据各个因素如包括处理时间在内的处理条件而变化。此外，本领域技术人员应当理解，在某些应用中可能需要使少量的催化剂材料留在PCD体中。在一个具体的实施方案中，PCD体可以包括至多1-2重量％的催化剂材料。但是，本领域技术人员应当理解，在浙滤的P⑶体中存在的残余催化剂的量可以取决于材料的金刚石密度和PCD体厚度。常规浙滤方法包括用浙滤剂接触将要浙滤的物质。在选择的实施方案中，浙滤剂可以是弱酸、强酸或酸的混合物。在其它实施方案中，浙滤剂可以是苛性碱材料如NaOH或 KOH0适宜的酸可以包括例如，硝酸，氢氟酸，盐酸，硫酸，磷酸或高氯酸，或这些酸的组合。此外，已经将苛性碱如氢氧化钠和氢氧化钾用于碳化物工业，以从碳化物复合材料中煮解金属元素。而且，需要时，可以使用其它的酸性和碱性浙滤剂。本领域中的普通技术人员应当理解，浙滤剂的摩尔浓度可以根据浙滤需要的时间、对危害的关注等调节。此外，在附着至CTE降低的衬底上之后处理P⑶体的这样一个实施方案中，从间隙空间中移除的金属材料可以是浸渗剂材料。可以用于将一部分浸渗剂材料从金刚石压实体中移除的技术包括上面所述的用于将用来最初形成金刚石压实体的催化剂材料从多晶金刚石体中移除的相同技术，例如通过浙滤等。取决于应用，可能适宜的是，控制移除浸渗剂材料的工艺，使得浸渗剂材料从金刚石压实体的目标区中移除，所述目标区从一个或多个金刚石压实体表面延伸确定的深度。这些表面可以包括金刚石压实体的加工和/或未加工表面。处理压实体以移除这样的浸渗剂材料可以通过如下方式处理浸渗剂材料而使多晶金刚石体或压实体热稳定降低或消除浸渗剂材料在高温不利地影响晶粒间粘结的金刚石的可能性。通常，一些浸渗剂材料，如同催化剂材料，当在压实体的切割器冲击点产生热量时，可能是有问题的。具体地，通过多晶金刚石和加工材料之间的摩擦引起的，在多晶金刚石体的暴露部分处产生的热量可能导致对多晶金刚石的裂纹形式的热损害(由于热膨胀系数的差别)，这可能导致多晶金刚石层的剥落，多晶金刚石和衬底之间的分层，金刚石至石墨的反向转化，从而引起快速的磨料磨损。因此，增加的热稳定性可以通过使用诸如浙滤之类的方法或本领域中已知的其它方法处理压实体以移除这样的浸渗剂材料而实现。备选地，可以将中间材料用作屏障，以防止或最小化来自周期表第VIII族的浸渗剂材料在附着或再附着至CTE降低的衬底上的过程中迁移到多晶金刚石层中，如在通过引用而结合在此的美国专利申请公布2008-0230280和2008-0223623中所述。通过控制浸渗剂材料迁移到多晶金刚石层中，使用诸如浙滤之类的方法处理压实体以移除浸渗剂材料的额外步骤可能不是必须的。再次参考图3A-F，碳化物衬底33具有在其中形成的非平面表面31。将金刚石粉末以及任选的所需催化剂材料邻近衬底33的非平面表面31安置，然后使其经受HPHT条件以形成P⑶填充区35，复合表面32，和与复合表面32相邻的P⑶层37。复合表面32由金刚石和碳化物这两者形成。将PCD层37在复合表面32处由切割器移除并且浙滤以形成TSP 层38。P⑶层37的移除还形成了 CTE降低的衬底。浙滤从P⑶的间隙区移除了至少显著部分的催化材料，从而留下分散在金刚石基体的间隙(不同于非平面区)或先前由催化材料占据的区域。浙滤后，然后将TSP层38沿着上表面32附着到CTE降低的衬底36(相同或不同的衬底)上。得到的产品是其中(包括在多晶金刚石层中以及沿着界面)具有降低的残余应力的切割元件。另外，当CTE降低的衬底的上表面(如图3A-F中所示)由金刚石和碳化物这两者形成时，将金刚石层附着到沿其上表面的一部分具有金刚石的衬底上产生在碳化物和金刚石之间具有非平面界面的切割元件。取决于条件，除了浸渗剂材料掠过金刚石区35以迁移到TSP层38 (或P⑶层)中之外，还可能发生在P⑶区35和TSP层38之间的金刚石与金刚石的粘结。取决于用来形成PCD区的金刚石的类型，用来在最终切割元件上形成PCD层的金刚石的类型(金刚石粉末相对多晶金刚石体(浙滤或未浙滤的)，各自的金刚石颗粒尺寸，烧结条件)，PCD区35可能不能与上层区别开或相反。在一些实施方案中，来自CTE降低的衬底的PCD区可以能够通过它们之间的金刚石密度和/或金刚石颗粒尺寸的差别与在其上形成的金刚石层区别开。实施例在一个示例性的实施方案中，如图6A-C中所示，非平面区在碳化物衬底63的上表面中(在此实施方案中沿着衬底的外径)形成。将过量的金刚石粒子和任选的催化剂材料61的混合物(61a是“填充”衬底63的非平面几何结构的金刚石粒子并且61b是“过量的” 金刚石粒子)邻近非平面上表面安置，使得混合物61b在碳化物衬底上表面之上延伸某一距离。然后将混合物61和衬底63进行HPHT烧结处理，由此形成P⑶填充区66和P⑶层 (来自过量的混合物61b)。然后移除P⑶层，从而留下CTE降低的衬底60。然后将移除的 P⑶层浙滤，以形成TSP金刚石层64，并且通过HPHT烧结再附着到CTE降低的衬底60上。备选地，可以将更少量的金刚石粒子61a邻近衬底63的非平面上表面安置，使得金刚石粒子填充非平面区。然后将金刚石粒子61a和衬底63进行HPHT烧结处理，其中碳化物衬底63提供催化剂材料，以产生PCD填充区66。碳化物衬底63和PCD填充区形成CTE 降低的衬底60。一旦形成CTE降低的衬底60，就可以将TSP金刚石层64附着到CTE降低的衬底60的复合表面65上。可以通过HPHT烧结附着TSP金刚石层64。对这样的切割元件(图6C中所示)以及通过将常规TSP体附着到常规衬底而形成的切割元件进行残余应力分析。应力分析的结果示于图7A-B中。具体地，如所示的，在上面(on top)的拉伸径向应力(图7A)显著降低，并且更大量的上表面区域处于有益的压缩应力下。与拉伸残余应力相比，拉伸轴向残余应力(图7B)在靠近界面的OD上变换成压缩残余应力，这对于抑制在外径上弓I起的裂纹是有帮助的。使用有限元分析进行残余应力分析，其中将PDC的CTE设置为2. 0X10-6m/m-°C并且将碳化物的CTE设置为5. OxlO^m/m-r, 并且通过从500°C冷却16mmX 13mm切割器计算残余应力。在其它示例性实施方案中，如图8A-D中所示，将粒化金刚石粗砂用来形成具有 CTE降低的衬底和金刚石台的切割元件。图8A中，将由热压粒化金刚石粗砂形成的GHI (粗砂热压插入件)81安置于罐83中，靠近金刚石粉末84的层并且进行HPHT处理，以形成切割元件80，所述切割元件80包含CTE降低的衬底82和金刚石切割台85。备选地，如图8B 中，可以将具有非平面表面86的GHI 81安置于罐83中，靠近金刚石粉末84的层并且进行 HPHT处理，以形成切割元件80，所述切割元件80包含金刚石切割台85和CTE降低的衬底 82。CTE降低的衬底82包含在GHI 81内的金刚石填充区87。GHI 81的非平面表面86可以例如通过用非平坦下活塞(未示出)热压粒化金刚石粗砂形成。在图8C中，将粒化金刚石粗砂88安置于罐83中，挨着金刚石粉末84的层并且进行HPHT处理，以形成切割元件80，所述切割元件80包含CTE降低的衬底82和金刚石切割台85。备选地，如图8D中所示，可以将粒化金刚石粗砂88安置于罐83中，挨着已经形成的金刚石台85并且进行HPHT处理，以形成切割元件80，所述切割元件80包含CTE降低的衬底82和金刚石切割台85。在粒化金刚石粗砂中围绕每个金刚石粒子的包封剂层提供在金刚石粒子之间的间隔，所以它们不相互接触，因此防止了在HPHT处理过程中微裂纹/碎裂。有利地，HPHT处理允许金刚石台和CTE降低的衬底(其由粒化金刚石粗砂形成)之间的更强粘结并且防止了在衬底中的金刚石粗砂分解。此外，当与由热压制成的衬底相比时，HPHT处理产生了更硬和更耐磨的衬底用材料。例如，可以使用压带机或立方体(cubic)压机进行HPHT处理。本公开的实施方案可以提供下列优点中的至少一种。CTE降低的衬底的使用可以在切割元件的金刚石体中提供降低的残余拉伸应力，特别是在上表面和沿着界面附近的侧表面，这可以导致金刚石体减少的裂纹和剥落。在衬底的上表面由金刚石和碳化物这两者形成的实施方案中，所得的切割元件可以具有在金刚石和碳化物之间的非平面界面，此外还拥有降低的应力。非平面界面提供增加的金刚石-衬底接触的总表面面积，这可以提供金刚石对衬底的更好的抓握(grip)。此外，通过在将金刚石层附着或再附着到衬底上之前使金刚石形成在衬底的界面区(以粒子形式包埋于衬底内，以金刚石-填料形式，或这两者的组合)中，衬底在加热和冷却处理过程中可以经历更少的收缩。具体地，当在常规烧结条件下将多晶金刚石邻近衬底形成或附着到其上时，金刚石和衬底之间的热膨胀系数之差可以在切割器内产生残余应力。在其中包埋有金刚石粒子，金刚石填充区，或这两者的衬底上形成的PCD切割层可以被移除或浙滤，以形成TSP金刚石层。然后可以将TSP金刚石层在第二烧结处理下再附着到衬底上。因此，由金刚石粒子和金刚石填充区形成的独特梯度(gradient)可以在PDC切割器的TSP金刚石切割层和衬底之间产生。有利地，使用CTE降低的衬底形成独特CTE梯度消除了在常规形成的梯度(即，通过烧结金刚石和碳化物粉末的不同混合物的层形成的梯度)中发生的收缩；降低了当再附着预成型的PDC体时的裂纹的可能性；允许在更长的衬底长度上CTE更加渐进变化；和允许使用相同的烧结设备和烧结池实现更高的烧结压力。CTE降低的衬底还可以具有增加的耐侵蚀性。例如，可以将金刚石区定位于碳化物衬底内，使得金刚石区暴露于切割元件的表面受到控制，从而改善耐侵蚀性。例如，在具有由粒化金刚石粗砂形成的衬底的实施方案中，一旦金刚石切割台磨掉，就暴露出分散在衬底内的金刚石粒子，其中衬底然后可以起着切割元件的作用。在衬底中露出的金刚石粗砂也可以起着支撑表面(bearing surface)的作用，由此进一步改善衬底表面的耐侵蚀性。 在使切割元件铜焊到钻头上的实施方案中，金刚石区到切割元件表面上的受控暴露可以确保足够的铜焊强度。另外，本公开的实施方案还可以允许使用超高压烧结在切割器衬底上形成高密度金刚石层，所述的超高压烧结需要使用更少的催化剂材料来形成金刚石材料。具体地，使用超高压烧结在切割器衬底上形成高密度金刚石层先前是不能实现的，原因在于高密度金刚石层和衬底的CTE和模量的差别大。但是，本公开包括形成具有具有更低的CTE和更高的模量的界面区的CTE降低的衬底，并且使用超高压烧结在衬底上形成高密度PCD层，使得界面区的CTE和模量更接近于金刚石层的CTE和模量。此外，通过使多晶金刚石形成在衬底的非平面区，之后将金刚石层附着到衬底上， 与在例如将碳渗入进行HPHT处理以在衬底中形成金刚石梯度的衬底中的情况下相比，存在更高体积百分比的金刚石。虽然本发明已经对有限数量的实施方案进行了描述，但是受益于本公开的本领域技术人员应当理解，可以设计不偏离如本文公开的本发明范围的其它实施方案。因此，本发明的范围仅受后附权利要求的限制。
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权利要求
1.一种形成切割元件的方法，所述方法包括使用包含金刚石粒子的金刚石混合物填充碳化物衬底的上表面上的至少一个非平面区；使所述衬底和所述金刚石混合物经受高压高温烧结条件，以形成CTE降低的衬底，所述CTE降低的衬底具有在界面区中延伸至所述CTE降低的衬底中某一深度的多晶金刚石， 以及包含金刚石和碳化物的复合表面的上表面；和使多晶金刚石体附着到所述CTE降低的衬底的所述复合表面上。
2.权利要求1所述的方法，所述方法还包括形成具有所述非平面上表面的所述碳化物衬底。
3.权利要求1所述的方法，其中所述填充还包括将过量的所述金刚石混合物安置在所述碳化物衬底的上表面上，并且其中所述经受高压高温烧结条件还形成与所述碳化物衬底的上表面相邻的多晶金刚石层。
4.权利要求3所述的方法，所述方法还包括将所述多晶金刚石层与所述CTE降低的衬底分离。
5.权利要求4所述的方法，所述方法还包括使分离的多晶金刚石层与浙滤剂接触以形成热稳定的多晶金刚石层，其中所述热稳定的多晶金刚石层为附着至所述CTE降低的衬底的复合表面的多晶金刚石体。
6.权利要求1所述的方法，其中所述碳化物衬底包含碳化钨和在周期表的第VIII族中的一种或多种金属。
7.权利要求6所述的方法，其中在所述经受高压高温烧结条件的步骤中，通过从所述衬底渗透将所述一种或多种金属提供给所述金刚石混合物作为催化剂材料。
8.权利要求1所述的方法，其中所述碳化物衬底包含粒化的金刚石粗砂，并且其中每一个粒化的金刚石粗砂包含均勻地包封有基体材料的金刚石粒子。
9.权利要求8所述的方法，其中所述金刚石粒子具有在200至18目的范围内的尺寸。
10.权利要求8所述的方法，其中所述金刚石粒子选自天然金刚石或合成金刚石。
11.权利要求10所述的方法，其中所述基体材料包含碳化钨和金属粘结剂。
12.权利要求1所述的方法，其中附着至所述CTE降低的衬底的复合表面的所述多晶金刚石体为热稳定的多晶金刚石层。
13.权利要求12所述的方法，其中在所述附着步骤中，来自所述CTE降低的衬底的金属至少部分地迁移到所述热稳定的多晶金刚石层中。
14.权利要求12所述的方法，其中在附着所述热稳定的多晶金刚石层的过程中，在所述复合表面和所述热稳定的多晶金刚石层之间提供中间材料。
15.权利要求14所述的方法，其中所述中间材料包含金刚石粉末，碳化钨粉末或金属粉末中的至少一种。
16.权利要求2所述的方法，其中在所述形成衬底的步骤中，将多个金刚石粒子包埋在所述衬底的从所述非平面上表面延伸某一深度的部分中。
17.权利要求1所述的方法，其中所述金刚石混合物还包含催化剂材料。
18.权利要求1所述的方法，其中选择所述至少一个非平面区的尺寸，使得所述界面区具有基于下列等式的总热膨胀系数
19.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述多晶金刚石体附着至所述CTE降低的衬底之后，从所述多晶金刚石体中与所述多晶金刚石体的外表面相距选择深度的间隙空间中移除金属。
20.权利要求1所述的方法，其中所述的将多晶金刚石体附着至复合表面包括将多个金刚石粒子安置在所述复合表面附近，并且使所述CTE降低的衬底和所述金刚石粒子经受高压高温烧结条件，以形成附着至所述CTE降低的衬底的多晶金刚石体。
21.—种形成切割元件的方法，所述方法包括提供多个碳化物粒子和多个金刚石粒子；将所述多个碳化物粒子和所述多个金刚石粒子烧结，以形成CTE降低的衬底，所述CTE 降低的衬底具有至少部分地由碳化物形成的上表面；和使多晶金刚石体附着到所述CTE降低的衬底的所述上表面上。
22.权利要求21所述的方法，其中提供所述多个碳化物粒子和所述多个金刚石粒子， 使得所述金刚石粒子分布在所述衬底的界面区内的碳化物粒子的混合物中。
23.权利要求21所述的混合物，其中所述多个金刚石粒子是以两个碳化物粒子层之间的粒子层的形式提供的。
24.权利要求21所述的混合物，其中所述多个金刚石粒子是以多晶金刚石段的形式提供的。
25.权利要求M所述的方法，其中所述多晶金刚石段与所述上表面相隔选择的距离。
26.权利要求M所述的方法，其中所述多晶金刚石段被安置使得所述多晶金刚石段中的一部分与所述上表面对齐。
27.权利要求21所述的方法，其中所述多个碳化物粒子和所述多个金刚石粒子是以粒化的金刚石粗砂的形式提供的，其中每一个金刚石粒子均勻地包封有包含所述碳化物粒子的基体材料。
28.权利要求21所述的方法，其中附着至所述CTE降低的衬底的所述上表面的所述多晶金刚石体为热稳定的多晶金刚石层。
29.权利要求观所述的方法，其中在所述附着步骤中，来自所述CTE降低的衬底的金属至少部分地迁移到所述热稳定的多晶金刚石层中。
30.权利要求观所述的方法，其中在附着所述热稳定的多晶金刚石层的过程中，在所述上表面和所述热稳定的多晶金刚石层之间提供中间材料。
31.权利要求30所述的方法，其中所述中间材料包含金刚石粉末，碳化钨粉末或金属粉末中的至少一种。
32.权利要求21所述的方法，所述方法在提供多个碳化物粒子和多个金刚石粒子的过程中，还提供周期表的第VIII族中的一种或多种金属。
33.权利要求21所述的方法，其中提供所述多个金刚石粒子的量使得所述界面区具有基于下列等式的总热膨胀系数a,otal =YuCilVi i其中α total为总热膨胀系数，α i为第i种组分的热膨胀系数，并且Vi为第i种组分的体积；并且其中所述第i种组分包含所述界面区内的碳化物和所述界面区内的多晶金刚石。
34.权利要求21所述的方法，所述方法还包括在所述多晶金刚石体附着至所述CTE 降低的衬底之后，从所述多晶金刚石体中与所述多晶金刚石体的外表面相距选择深度的间隙空间中移除金属。
35.权利要求21所述的方法，其中所述的将多晶金刚石体附着至所述上表面包括将金刚石混合物安置在所述上表面附近，并且使所述CTE降低的衬底和所述金刚石混合物经受高压高温烧结条件，以形成附着至所述CTE降低的衬底的多晶金刚石体。
36.权利要求21所述的方法，其中所述多个金刚石粒子中的每一个具有在200目至18 目的范围内的尺寸。
37.权利要求21所述的方法，其中所述多个金刚石粒子选自天然金刚石和合成金刚石中的至少一种。
38.一种切割元件，其包括多晶金刚石层；CTE降低的衬底，所述CTE降低的衬底包含设置在基体材料内的金刚石粒子，其中所述金刚石粒子的邻接率为15%以下。
39.权利要求38所述的切割元件，其中在所述多晶金刚石层和所述CTE降低的衬底之间设置界面表面，其中所述界面表面包括至少一个金刚石填充区，并且其中所述至少一个金刚石填充区从所述界面表面延伸到所述CTE降低的衬底中。
40.权利要求38所述的切割元件，其中所述多晶金刚石层是热稳定的。
41.权利要求38所述的切割元件，其中所述基体材料包含碳化钨。
42.权利要求41的切割元件，其中所述基体材料还包含选自钴，铁，镍或铜的合金中的金属。
全文摘要
本发明提供减轻残余应力的复合切割器衬底。公开了一种形成切割元件的方法，所述方法包括使用金刚石混合物填充碳化物衬底的上表面上的至少一个非平面区；使所述衬底和所述金刚石混合物经受高压高温烧结条件，以形成CTE降低的衬底，所述CTE降低的衬底具有在界面区中延伸至所述CTE降低的衬底中某一深度的多晶金刚石，以及由金刚石和碳化物的复合表面制成的上表面；和使多晶金刚石体附着到所述CTE降低的衬底的所述复合表面上。
文档编号B23P15/28GK102189389SQ201110036218
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者尤里·布尔汉, 张幼和, 施继斌, 格雷戈里·T·洛克伍德, 申跃林 申请人:史密斯运输股份有限公司