形成多晶復(fù)合片、切割元件和鉆地工具的方法
【專利摘要】使用至少一種金屬鹽作為燒結(jié)助劑來(lái)形成多晶復(fù)合片的方法。該方法可以包括形成至少一種金屬鹽和硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒的混合物，并燒結(jié)該混合物以形成硬質(zhì)多晶材料。在燒結(jié)過(guò)程中，該金屬鹽可以熔化或者與另外的化合物反應(yīng)以形成液體，該液體充當(dāng)潤(rùn)滑劑來(lái)促進(jìn)硬質(zhì)材料晶粒的重排和填裝。因此，該金屬鹽允許形成具有提高的密度、耐磨性或強(qiáng)度的硬質(zhì)多晶材料。該金屬鹽還可以在燒結(jié)過(guò)程中充當(dāng)吸氣劑以除去雜質(zhì)(例如催化劑材料)。該方法還可以用于形成切割元件和鉆地工具。
【專利說(shuō)明】形成多晶復(fù)合片、切割元件和鉆地工具的方法
[0001]優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請(qǐng)要求2011年2月22日提交的名稱為“形成多晶復(fù)合片、切割元件和鉆地工 具的方法”的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)13/032，192的提交日權(quán)益。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的實(shí)施方案涉及形成多晶復(fù)合片的方法，該多晶復(fù)合片可以例如作為切割 元件用于鉆地工具，以及所形成的切割元件和包括該切割元件的鉆地工具。
【背景技術(shù)】
[0004]用于在地下地層形成井筒的鉆地工具通常包括多個(gè)固定在機(jī)身上的切割元件。例 如，固定切削刃鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭(也稱作“刮刀鉆頭”)包括多個(gè)切割元件，其固定接合到鉆頭 的鉆頭體。類似地，牙輪鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭可以包括牙輪，其安裝到從鉆頭體的支架延伸的軸承 銷，以使得每個(gè)牙輪都能夠繞著它安裝到其上的軸承銷旋轉(zhuǎn)。多個(gè)切割元件可以安裝到鉆 頭的每個(gè)牙輪。換句話說(shuō)，鉆地工具典型地包括切割元件連接到其上的鉆頭體。
[0005]用于這種鉆地工具的切割元件經(jīng)常包括多晶金剛石復(fù)合片(經(jīng)常稱作“roc”)，其 一個(gè)或多個(gè)表面可以充當(dāng)切割元件的切割面。多晶金剛石材料是包含金剛石材料的相互鍵 合的晶?；蛘呔w的材料。換句話說(shuō)，多晶金剛石材料包含在金剛石材料的晶?；蛘呔w 之間的直接的晶粒間鍵。術(shù)語(yǔ)“晶?！焙汀熬w”在這里是同義和可互換使用的。
[0006]多晶金剛石復(fù)合片切割元件典型地是在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或者它們的合金 和混合物)存在下，在高溫和高壓條件下將相對(duì)小的金剛石晶粒燒結(jié)和結(jié)合在一起來(lái)形成 多晶金剛石材料在切割元件基底上的層(例如復(fù)合片或者“臺(tái)”)而形成的。這些處理經(jīng)常 稱作高溫/高壓(HTHP)處理。例如，在將晶粒在HTHP處理中燒結(jié)到一起之前，可以講粉末 化的催化劑材料與金剛石晶粒相混合。
[0007]通過(guò)使用HTHP處理形成金剛石臺(tái)，催化劑材料可以保持在所形成的多晶金剛石 復(fù)合片中的金剛石晶粒之間的間隙中。金剛石臺(tái)中存在催化劑材料會(huì)導(dǎo)致當(dāng)切割元件在 使用過(guò)程中受熱時(shí)金剛石臺(tái)中的熱損傷，這歸因于在切割元件和地層之間的接觸點(diǎn)處的摩擦。
[0008]雖然切割元件中的內(nèi)應(yīng)力在超過(guò)約350°C的溫度會(huì)開(kāi)始形成，但多晶金剛石復(fù)合 片切割元件(在其中催化劑材料保持在該多晶金剛石復(fù)合片中)通常在高到約750°C的溫 度是熱穩(wěn)定的。這種內(nèi)應(yīng)力至少部分歸因于金剛石臺(tái)與它所結(jié)合到的切割元件基底之間的 熱膨脹系數(shù)的差異。這種熱膨脹系數(shù)差異會(huì)在金剛石臺(tái)與基底之間的界面處產(chǎn)生相當(dāng)大的 壓應(yīng)力和張應(yīng)力，并且會(huì)導(dǎo)致金剛石臺(tái)從基底上脫層。在約750°C和更高的溫度，由于金剛 石臺(tái)中金剛石材料與催化劑材料之間熱膨脹系數(shù)的差異，金剛石臺(tái)自身中的應(yīng)力會(huì)明顯增 力口。例如，鈷的線性熱膨脹系數(shù)會(huì)明顯高于金剛石，這會(huì)導(dǎo)致在金剛石臺(tái)發(fā)熱時(shí)在該金剛石 臺(tái)中裂紋形成和蔓延，最終導(dǎo)致金剛石臺(tái)劣化和切割元件失效。
[0009]此外，在處于或高于約750°C的溫度，多晶金剛石復(fù)合片中的一些金剛石晶體會(huì)與催化劑材料反應(yīng)，導(dǎo)致金剛石晶體經(jīng)歷化學(xué)損壞或者轉(zhuǎn)化回碳的另一種同素異形體或者另 一碳基材料。例如，該金剛石晶體可以在金剛石-晶體邊界處石墨化，其會(huì)明顯削弱該金剛 石臺(tái)。另外在極高的溫度，除了石墨，一些金剛石晶體也會(huì)轉(zhuǎn)化成一氧化碳和/或二氧化 碳。
[0010]為了減少與多晶金剛石復(fù)合片切割元件中的熱膨脹系數(shù)差異和金剛石晶體的化 學(xué)損壞有關(guān)的問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了所謂的“熱穩(wěn)定的”多晶金剛石復(fù)合片(也稱作熱穩(wěn)定產(chǎn)品 或者“TSP”)。這種熱穩(wěn)定的多晶金剛石復(fù)合片可以通過(guò)使用例如酸或者酸組合物(例如 王水)，將催化劑材料(例如鈷)從金剛石臺(tái)中的相互鍵合的金剛石晶體之間的間隙中浸提 出來(lái)而形成。全部的催化劑材料可以從金剛石臺(tái)中除去，或者催化劑材料可以僅從金剛石 臺(tái)的一部分中除去。已經(jīng)報(bào)道了熱穩(wěn)定的多晶金剛石復(fù)合片(在其中基本上全部的催化劑 材料已經(jīng)從金剛石臺(tái)中浸提出去)在高到約1200°C的溫度是熱穩(wěn)定的。但是，也報(bào)道了與 非浸提的金剛石臺(tái)相比，這種完全浸提的金剛石臺(tái)相對(duì)更脆和易受到剪應(yīng)力、壓應(yīng)力和張 應(yīng)力損壞。另外，難以將完全浸提的金剛石臺(tái)固定到載體基底上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明包括形成多晶復(fù)合片的方法。該方法可以包括將多個(gè) 硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并以形成粉末混合物，并燒結(jié)該粉末混合物來(lái)形成該多晶復(fù)合片。例 如，可以模制粉末混合物來(lái)形成未燒結(jié)的預(yù)成形件。金屬鹽可以包括氟化鋰、氟化鎂、氟化 鈹、氟化鈣、氟化鋁、氟化硅和氟化鎵的至少一種。
[0012]該方法可以另外包括:通過(guò)形成包含金屬鹽和硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒的粉末混合 物和將該粉末混合物置于容器中來(lái)形成未燒結(jié)的預(yù)成形件，將基底與該粉末混合物接觸放 置，和燒結(jié)該未燒結(jié)的預(yù)成形件。
[0013]本發(fā)明另外的實(shí)施方案包括切割元件，該切割元件包括硬質(zhì)材料的多晶復(fù)合片， 其中該硬質(zhì)材料包含擴(kuò)散到其晶粒中的金屬。
[0014]另外的實(shí)施方案包括鉆地工具，該鉆地工具具有安裝到其上的本發(fā)明實(shí)施方案的 切割元件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]雖然說(shuō)明書(shū)結(jié)束于具體指出和明確主張何為本發(fā)明實(shí)施方案的權(quán)利要求書(shū)，但是 當(dāng)結(jié)合附圖來(lái)閱讀時(shí)，可以從下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案的說(shuō)明中更容易地確定本發(fā)明實(shí)施方 案的不同特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中:
[0016]圖1是裝置的簡(jiǎn)化圖示，該裝置能夠用于形成根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的粉末 混合物；
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)任選的實(shí)施方案，用燒結(jié)助劑涂覆的硬質(zhì)材料晶粒的簡(jiǎn)化 的截面圖；
[0018]圖3是能夠用于形成根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的未燒結(jié)的預(yù)成形件的組件的簡(jiǎn) 化的截面圖；
[0019]圖4是一個(gè)簡(jiǎn)化圖，其顯示了在燒結(jié)后圖3的多晶金剛石臺(tái)的一部分放大后的微 觀結(jié)構(gòu)，和示意了散布的硬質(zhì)材料晶粒，其具有處于該硬質(zhì)材料晶粒的間隙中的催化劑金屬；
[0020]圖5是一個(gè)部分截去透視圖，其圖示了包括本發(fā)明的多晶復(fù)合片的切割元件的一 個(gè)實(shí)施方案；和
[0021]圖6是固定刀具鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖，該鉆頭包括多個(gè)如圖5 所示的切割元件。
【具體實(shí)施方式】
[0022]這里所提出的圖示并不表示任何具體的切割元件、多晶復(fù)合片、多晶材料微觀結(jié) 構(gòu)、粒子或者鉆頭的實(shí)際視圖，并且不是按照比例繪制的，而僅僅是理想化的表示，其用于 描述本發(fā)明。此外，圖之間共同的元件能夠保持相同的附圖標(biāo)記。
[0023]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“硬質(zhì)材料”表示和包括Knoop硬度值是約3，OOOKgf/ mm2(29,420MPa)或更高的任何材料。硬質(zhì)材料包括例如金剛石和立方體氮化硼。
[0024]術(shù)語(yǔ)“多晶材料”表示和包括任何這樣的材料，其包含通過(guò)晶粒間鍵直接結(jié)合到一 起的材料的多個(gè)晶粒(即，晶體)。該材料的單個(gè)晶粒的晶體結(jié)構(gòu)可以在多晶材料的空間內(nèi) 無(wú)規(guī)定向。
[0025]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“晶粒間鍵”表示和包括在材料相鄰晶粒中的原子之間的任 何直接原子鍵(例如共價(jià)鍵、金屬鍵等)。
[0026]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“鉆地工具”表示和包括用于除去地下地層材料和通過(guò)經(jīng)由 除去一部分的地層材料來(lái)形成穿過(guò)地層的孔(例如井筒)的任何工具。鉆地工具包括例如 旋轉(zhuǎn)鉆頭(例如固定刀具或“刮刀”鉆頭和牙輪或“鑿巖”鉆頭)、混合式鉆頭(包括固定刀 具和牙輪元件二者)、取芯鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、套管銑和鉆頭、出口工具、擴(kuò)眼鉆頭 (包括可膨脹擴(kuò)眼鉆頭和固定翼擴(kuò)眼鉆頭)和其他所謂的“開(kāi)孔”工具。
[0027]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“切割元件”表示和包括任何的鉆地工具元件，當(dāng)鉆地工具 用于在地層中形成或者擴(kuò)大孔時(shí)，其用于剪切、壓碎、碾磨或以其他方式除去地層材料。
[0028]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“催化劑材料”表示和包括任何這樣的材料，其能夠在HTHP 處理過(guò)程中充分催化形成硬質(zhì)材料晶粒之間的晶粒間鍵。例如，適用于形成金剛石晶粒之 間的晶粒間鍵的催化劑材料包括鈷、鐵、鎳、來(lái)自元素周期表第VIIIA族的其他元素和它們 的合金。
[0029]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“研磨”當(dāng)與研磨多個(gè)粒子相關(guān)來(lái)使用時(shí)，與使用機(jī)器工具 來(lái)從工件中除去材料而進(jìn)行的常規(guī)研磨操作相反，表示將粒子與任何任選的添加劑混合在 一起來(lái)實(shí)現(xiàn)基本均勻的混合物的任何處理。
[0030]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“燒結(jié)”表示和包括微粒組分(例如未燒結(jié)的預(yù)成形件)的 致密化，其包括通過(guò)收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)除去起始粒子之間的至少一部分的孔，并結(jié)合相鄰粒子之 間的聚結(jié)和結(jié)合。
[0031]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“吸氣劑”表示和包括一種材料，其吸收、吸附或者結(jié)合另一 不期望的材料。
[0032]作為此處使用的，術(shù)語(yǔ)“氣溶膠”表示和包括在氣體中的粒子或者液滴的懸浮物。
[0033]本發(fā)明的實(shí)施方案包括使用至少一種金屬鹽(例如氟化鋰)作為燒結(jié)助劑，由硬 質(zhì)粒子的晶粒形成多晶復(fù)合片的方法。未燒結(jié)的預(yù)成形件可以任選地由硬質(zhì)材料晶粒和燒結(jié)助劑粒子形成。燒結(jié)助劑可以包括例如鋰、鎂和/或氟的鹽。例如，合適的燒結(jié)助劑包括包含氟和選自元素周期表第I族或第II族的元素(例如鈉、鉀、鈹、鎂、I丐、銀或鋇)的任何組合。作為舉例而非限制，燒結(jié)助劑可以包括金屬氟化物和/或氟化鋰、氟化鎂、氟化鈣、氟化釔、氟化鑭和氟化鋁的至少一種。硬質(zhì)材料晶?？梢杂啥嗑Ы饎偸?、多晶立方體氮化硼或任何其他硬質(zhì)材料形成。
[0034]在燒結(jié)之前，燒結(jié)助劑可以與硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒合并來(lái)形成粉末混合物，以增強(qiáng)或者改進(jìn)燒結(jié)過(guò)程。例如，可以形成燒結(jié)助劑和硬質(zhì)材料晶粒分散在液體溶劑中的漿料，并且可以經(jīng)由干燥處理來(lái)由該漿料生成粉末混合物，該干燥處理除去了液體溶劑，留下前述材料的混合物。粉末混合物可以包括散布于硬質(zhì)材料晶粒的燒結(jié)助劑。粉末混合物可以任選地包括催化劑材料(例如鈷)，用于在燒結(jié)過(guò)程中催化形成晶粒間鍵。在HTHP處理過(guò)程中，隨著溫度升高，燒結(jié)助劑將熔化成液相。該液體可以充當(dāng)燒結(jié)過(guò)程中的潤(rùn)滑劑，當(dāng)通過(guò)硬質(zhì)材料晶粒的晶粒間鍵形成多晶復(fù)合片時(shí)，促進(jìn)在壓實(shí)過(guò)程中硬質(zhì)材料晶粒的重排和硬質(zhì)材料晶粒更有效的填裝。另外，燒結(jié)助劑可以用于促進(jìn)從硬質(zhì)材料晶粒中除去雜質(zhì)，這是因?yàn)檩^高的溫度會(huì)通過(guò)金屬鹽離子的解離來(lái)促進(jìn)形成氫氟酸(HF)。
[0035]作為舉例而非限制，燒結(jié)助劑可以包括包含金屬鹽的粒子的粉末。金屬鹽的粒子每個(gè)的平均直徑(即粒度)可以小于硬質(zhì)材料晶粒粒度的約10%。粒度會(huì)影響燒結(jié)助劑粒子在溶劑中的行為。例如，較小的燒結(jié)助劑粒子能夠比較大的粒子更快和更完全地溶解。例如，燒結(jié)助劑可以包括粒度(即平均直徑)為約0.05μπι至約5μπι的金屬鹽粒子(即金屬氟化物粒子)。
[0036]在燒結(jié)晶粒來(lái)形成多晶復(fù)合片之前(即，在壓縮或者壓實(shí)來(lái)形成未燒結(jié)的預(yù)成形件之前)的任何時(shí)間點(diǎn)，可以將燒結(jié)助劑與硬質(zhì)材料晶粒合并來(lái)形成粉末混合物。例如，可以使用本領(lǐng)域已知的操作(例如常規(guī)的研磨操作、噴霧干燥操作和溶膠-凝膠操作)，通過(guò)形成和混合漿料(其包括在液體溶劑中的燒結(jié)助劑和硬質(zhì)材料晶粒)，將燒結(jié)助劑與硬質(zhì)材料晶?；旌?。
[0037]在一些實(shí)施方案中，在與硬質(zhì)材料晶粒合并之前，可以將燒結(jié)助劑與液體溶劑合并(例如懸浮、溶解在其中等)來(lái)形成燒結(jié)助劑混合物。液體溶劑可以包括例如一種或多種有機(jī)溶劑(例如甲醇、乙醇、己烷等)、極性溶劑(例如去離子水)或者它們的組合。在燒結(jié)助劑包含金屬氟化物粒子的實(shí)施方案中，金屬氟化物粒子可以分散在有機(jī)溶劑中，以使得混合物包含金屬氟化物晶粒在有機(jī)溶劑中的懸浮液。在燒結(jié)助劑包含金屬氟化物粒子的實(shí)施方案中，金屬氟化物粒子可以溶解在極性溶劑中，以使得混合物包含金屬氟化物粒子的水溶液?？梢詫⑺纬傻幕旌衔锘蛘呷芤号c硬質(zhì)材料晶粒合并來(lái)形成燒結(jié)助劑和硬質(zhì)材料晶粒在液體溶劑中的漿料。
[0038]液體溶劑可以蒸發(fā)或者以其他方式從漿料中除去，來(lái)形成包含分散在硬質(zhì)材料晶粒中的燒結(jié)助劑的粉末混合物。例如，燒結(jié)助劑可以基本均勻的分散在硬質(zhì)材料晶粒上。作為舉例而非限制，可以使用常規(guī)的研磨處理(例如球磨處理或者棒磨處理)來(lái)形成粉末混合物。該處理可以使用例如球磨機(jī)、棒磨機(jī)或者立式球磨來(lái)進(jìn)行。作為非限定性的例子，可以將包括處于液體溶劑中的硬質(zhì)材料晶粒和燒結(jié)助劑的漿料提供在大致圓柱形的研磨容器(未示出)中。在一些方法中，研磨介質(zhì)也可以與漿料一起提供在研磨容器中。研磨介質(zhì)可以包括由硬質(zhì)材料形成的離散球、小球、棒等，并且具有比待研磨的粒子(即，硬質(zhì)粒子和含有基質(zhì)材料的粒子)更大的粒度。研磨介質(zhì)和/或研磨容器可以由與硬質(zhì)粒子和/或燒結(jié)助劑粒子的材料基本上類似或等同的材料形成，其能夠降低粉末混合物的污染。
[0039]然后，可以旋轉(zhuǎn)研磨容器來(lái)使得漿料和任選的研磨介質(zhì)一起在研磨容器中滾動(dòng)或研磨。研磨處理會(huì)引起硬質(zhì)粒子的晶粒和燒結(jié)助劑粒子二者中粒度的變化。研磨處理還會(huì)使硬質(zhì)粒子的晶粒至少部分涂覆有燒結(jié)助劑粒子的層。
[0040]研磨后，可以將漿料從研磨容器中除去，并且與研磨介質(zhì)分離。然后，可以將漿料中的固體粒子與液體溶劑分離。例如，漿料的液體溶劑可以蒸發(fā)，或者固體晶?？梢詮臐{料中過(guò)濾來(lái)形成粉末混合物。
[0041]如圖1和2所示，還可以使用例如常規(guī)的噴霧干燥方法由漿料來(lái)生產(chǎn)粉末混合物，如于2009年5月5日公布的Villalobos等人的美國(guó)專利N0.7，528，086中所述。參見(jiàn)圖1，可以使用霧化或噴嘴110來(lái)分散包含在液體溶劑中的燒結(jié)助劑和硬質(zhì)材料晶粒的漿料(用箭頭100表示)。在一些實(shí)施方案中，在通過(guò)噴嘴110分散之前，可以通過(guò)將燒結(jié)助劑與硬質(zhì)粒子的晶?；旌蟻?lái)形成漿料100。在其他實(shí)施方案中，可以在噴霧干燥過(guò)程中，當(dāng)燒結(jié)助劑和硬質(zhì)材料晶粒各自和同時(shí)在干燥塔120內(nèi)噴霧時(shí)形成漿料100。
[0042]加熱的載氣130可以作為來(lái)自噴嘴110的漿料100的流的并流和/或逆流傳送，來(lái)開(kāi)始和增強(qiáng)液體溶劑從漿料100的蒸發(fā)。漿料100可以分散到干燥塔120中來(lái)充當(dāng)氣溶膠以將液體溶劑從漿料100中蒸發(fā)。通過(guò)將漿料100穿過(guò)噴嘴110放射所形成的氣溶膠可以包含基本均勻分散在硬質(zhì)材料晶粒上的燒結(jié)助劑?？梢约訜岣稍锼?20來(lái)促進(jìn)液體溶劑從漿料100中的蒸發(fā)。例如，可以通過(guò)一種或多種加熱元件(未示出)來(lái)加熱干燥塔120，加熱元件例如電阻加熱器或者熱水套，其可以位于干燥塔120的周圍或者沿著干燥塔120的壁布置?？梢院銣乜刂萍訜嵩?lái)保持干燥塔120內(nèi)所選擇的溫度曲線。可以使用加熱的載氣130或加熱元件將干燥塔120加熱到小于或等于液體溶劑沸點(diǎn)的溫度。在一些實(shí)施方案中，可以配置干燥塔120來(lái)提供溫度梯度，以使得干燥塔120的溫度在氣溶膠穿過(guò)干燥塔120時(shí)升高約100°C至約500°C。
[0043]在漿料100的氣溶膠噴入干燥塔120后，氣溶膠移動(dòng)穿過(guò)干燥塔120或者如果干燥塔120垂直布置則在其中下降。也可以將一部分的氣溶膠送入與干燥塔120互連的排氣室150中。當(dāng)氣溶膠移動(dòng)穿過(guò)干燥塔120和/或移入排氣室150時(shí)，液體溶劑蒸發(fā)來(lái)形成粉末混合物(用箭頭140表示)。可以從干燥塔120和/或排氣室150中收集粉末混合物140。粉末混合物140可以包括分散在硬質(zhì)材料晶粒中的燒結(jié)助劑和(如果存在的話)催化劑材料。過(guò)量的廢氣(用箭頭160表示)可以從排氣室150中排出，并且任選地可以再循環(huán)到干燥塔120。
[0044]在一些實(shí)施方案中，在噴霧干燥過(guò)程中形成的粉末混合物140可以包含粒子聚集體。作為舉例而非限制，粒子聚集體(未示出)可以包含約10至約500個(gè)原始粉末混合物的粒子(即，硬質(zhì)材料晶粒、燒結(jié)助劑和/或催化劑材料的粒子)。聚集體所含粒子的數(shù)目和因此聚集體的尺寸可以是原始起始粒度、漿料化學(xué)和噴霧干燥過(guò)程中所用條件(例如溫度)的函數(shù)。
[0045]在其他實(shí)施方案中，液體溶劑的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致形成包含涂覆的硬質(zhì)材料晶粒200的粉末混合物140，如圖2所示。例如，可以在硬質(zhì)材料的每個(gè)晶粒220上形成金屬鹽(即氟化鋰)的涂層210。在噴霧干燥過(guò)程中，硬質(zhì)材料晶粒220的氣態(tài)膨脹會(huì)使一部分的涂層210被除去。因此，雖然圖2所示的涂覆的硬質(zhì)材料晶粒200完全被涂層210包圍，但是硬質(zhì)材料晶粒220可以是不完全涂覆的。規(guī)定的另一方式，涂層210可以是連續(xù)的、基本連續(xù)的或者不連續(xù)的。金屬鹽的涂層210的厚度可以是約Inm至約500 μ m，和更具體的是約IOnm至約500nm。雖然該硬質(zhì)材料晶粒220在圖2中表示為具有球形橫截面輪廓,但是該硬質(zhì)材料晶粒220可以具有任何形狀。
[0046]如圖3所示，在燒結(jié)處理之前，粉末混合物140可以任選地用于形成未燒結(jié)的預(yù)成形件300。例如，粉末混合物140可以位于容器310內(nèi)，或者粉末混合物形成未燒結(jié)的預(yù)成形件300，然后置于容器310內(nèi)。粉末混合物140或者未燒結(jié)的預(yù)成形件300可以任選地提供在容器310中，與切割元件基底320接觸。如將要描述的，粉末混合物140或者未燒結(jié)的預(yù)成形件300根據(jù)情況被用于形成多晶復(fù)合片的硬質(zhì)多晶材料。作為本領(lǐng)域中已知的，在燒結(jié)硬質(zhì)材料的一個(gè)或多個(gè)晶粒220的過(guò)程中，刺激硬質(zhì)材料晶粒220之間的晶粒間鍵的催化劑可以提供在粉末混合物140或者未燒結(jié)的預(yù)成形件300中，切割元件基底320 (如果使用的話)中，或者二者中。該催化劑可以包括例如元素周期表第VIII族的金屬元素(例如鐵、鈷、鎳和釕)。該催化劑還可以包括非金屬元素例如磷、碳酸鹽(例如Li2C03、Na2C03、MgCO3、CaCO3、SrCO3 和 K2CO3)、硫酸鹽(例如 Na2S04、MgS04 和 CaSO4)、氫氧化物(例如 Mg (OH) 2和Ca(OH)2)和富勒烯。
[0047]容器310可以包括一個(gè)或多個(gè)大致杯形的元件,例如杯形元件312、杯形元件314和杯形元件316，其可以組裝和型鍛和/或焊接在一起來(lái)形成容器310。粉末混合物140或者未燒結(jié)的預(yù)成形件300和任選的切割元件基底320可以位于內(nèi)杯形元件314中，如圖3所示，其具有環(huán)形端壁和從環(huán)形端壁垂直延伸的大致圓柱形的側(cè)壁，以使得內(nèi)杯形元件314大致為圓柱形，并且包括第一封閉端和第二、相對(duì)的開(kāi)放端。
[0048]任選地，在其中布置粉末混合物140或者未燒結(jié)的預(yù)成形件300之前，可以在容器310中提供硅材料330 (以虛線表示，厚度為了清楚起見(jiàn)進(jìn)行了明顯放大)。硅材料330可以包括一種或多種的各種形式的硅，例如粉末、細(xì)粒、小片、棒、膜、分層形式，其中分層材料性質(zhì)上可以是單晶或者多晶。
[0049]例如，硅材料330可以包括在容器310和粉末混合物140或者未燒結(jié)的預(yù)成形件300之間的界面上的硅層。如將要描述的，可以包括硅材料330作為吸氣劑，除了液體催化劑之外，其可以在燒結(jié)過(guò)程中與過(guò)量的燒結(jié)助劑反應(yīng)。
[0050]如果不使用預(yù)成型的未燒結(jié)的預(yù)成形件，在向容器310中提供粉末混合物140和切割元件基底320 (如果存在的話)和硅材料330之后，可以任選使組件進(jìn)行冷壓過(guò)程來(lái)壓實(shí)粉末混合物140以形成未燒結(jié)的預(yù)成形件300。此外，在HPHT燒結(jié)之前，可以進(jìn)行真空熱處理方法來(lái)除去一些燒結(jié)助劑。例如，可以將容器310和它的內(nèi)容物加熱到約1100°C的溫度保持約15分鐘或更少的時(shí)間。
[0051]圖4是一個(gè)放大圖，示意了在燒結(jié)過(guò)程中，圖3的粉末混合物140或者未燒結(jié)的預(yù)成形件300放大后的微觀結(jié)構(gòu)。如圖4所示，在燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)助劑的成分可以離解和分別熔化或者與容器310內(nèi)的其他組分(例如硬質(zhì)材料、或硅材料330 (如果存在的話)、或催化劑材料)反應(yīng)。
[0052]例如，金屬成分可以熔化和形成液體400，其占據(jù)了硬質(zhì)材料晶粒220之間的間隙410。液體400可以潤(rùn)濕硬質(zhì)材料晶粒220，充當(dāng)潤(rùn)滑劑，在硬質(zhì)材料晶粒220之間形成晶粒間鍵之前使得硬質(zhì)材料晶粒220能夠重排和填裝以形成多晶材料。當(dāng)硬質(zhì)材料晶粒220重排時(shí)，硬質(zhì)材料晶粒220之間的空間會(huì)降低，這使硬質(zhì)粒子的晶粒220的密度增加。在燒結(jié)過(guò)程中提高硬質(zhì)粒子的晶粒220的密度可以賦予所形成的多晶材料改進(jìn)的性能，例如改進(jìn)的強(qiáng)度和硬度、更大的均勻性和降低的缺陷。
[0053]燒結(jié)助劑另一成分可以用于減少晶粒間界處的化學(xué)雜質(zhì)，該雜質(zhì)會(huì)阻礙燒結(jié)處理。例如，在燒結(jié)助劑包含金屬氟化物(例如氟化鋰)的實(shí)施方案中，金屬氟化物可以離解，與氫(也可以存在于雜質(zhì)、金剛石表面污染物中或者作為催化劑金屬的成分)混合，并且形成氫氟酸。作為本領(lǐng)域已知的，氫氟酸是強(qiáng)酸，其與雜質(zhì)如金屬雜質(zhì)反應(yīng)。在燒結(jié)過(guò)程中，氟可以與金屬組分(例如催化劑材料)反應(yīng)，直到氟被消耗，這有效除去催化劑材料和促進(jìn)由燒結(jié)處理所形成的多晶復(fù)合片的熱穩(wěn)定性。離解的金屬例如鋰容易在燒結(jié)過(guò)程中擴(kuò)散到硬質(zhì)粒子的晶粒220中。在燒結(jié)助劑包含鋰鹽的實(shí)施方案中，鋰鹽可以離解和鋰可以擴(kuò)散入間隙410中或者可以揮發(fā)來(lái)形成惰性雜質(zhì)，其不會(huì)不利地影響所形成的多晶材料的硬度或強(qiáng)度。
[0054]在燒結(jié)過(guò)程中，如果存在硅材料330 (圖3)，也可以充當(dāng)吸氣劑，這有助于除去多余的燒結(jié)助劑。在燒結(jié)助劑包含金屬氟化物(例如氟化鋰)的實(shí)施方案中，硅材料330可以與氟反應(yīng)來(lái)除去間隙410中的氟。因?yàn)樵跓Y(jié)過(guò)程中硅材料330可以吸收過(guò)量的氟(即，不與金屬、催化劑等反應(yīng)的氟)，因此硅材料330可以抽出殘留的氟，否則這些氟將保留于間隙410中。
[0055]例如，可以根據(jù)本領(lǐng)域已知的程序使用HTHP處理來(lái)燒結(jié)如圖3所示的所形成的組件以形成切割元件500，如圖5所示。切割元件500可以包括硬質(zhì)多晶材料510，其任選地提供在(例如形成于或者固定到)切割元件基底320的表面。在一些實(shí)施方案中，硬質(zhì)多晶材料510包括多晶金剛石。在其他實(shí)施方案中，硬多晶材料510可以包括多晶立方體氣化硼。切割元件基底320可以包括金屬陶瓷材料例如鈷燒結(jié)碳化鎢。
[0056]雖然HTHP處理精確的運(yùn)行參數(shù)將根據(jù)被燒結(jié)的不同材料的具體組成和量而變化，但是加熱的壓機(jī)中的壓力可以大于約5GPa和溫度可以大于約1，500°C。在一些實(shí)施方案中，加熱的壓機(jī)中的壓力可以大于約6.5GPa(例如約6.7GPa)。此外，被燒結(jié)的材料可以在這樣的溫度和壓力保持約30秒至約20分鐘。
[0057]雖然燒結(jié)過(guò)程(即HTHP處理)中所存在的燒結(jié)助劑精確的量將根據(jù)被燒結(jié)的不同材料的具體組成和量而變化，但是燒結(jié)助劑可以占混合物的約0.01重量％(wt%)至約20wt%，和更具體地占混合物的約0.1wt%至約lwt%?？梢栽跓Y(jié)過(guò)程中控制燒結(jié)助劑的量。
[0058]如圖5所示，切割元件500具有大致圓柱形或者圓盤(pán)形的構(gòu)造。硬質(zhì)多晶材料510暴露的主平面(可以是或者可以不是所示的平坦的)限定了切割元件500的切割面502。硬質(zhì)多晶材料510的側(cè)表面504從硬質(zhì)多晶材料510的切割面502延伸到切割元件500側(cè)面上的切割元件基底320。雖然在硬質(zhì)多晶材料510與切割元件基底320之間顯示了平坦界面，但是不同構(gòu)造和復(fù)雜度的非平坦界面是常規(guī)的，并且處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。在圖5所示的實(shí)施方案中，硬質(zhì)多晶材料510可以包括大致平坦的臺(tái)，其延伸到和暴露于切割元件500的側(cè)表面504。例如，硬質(zhì)多晶材料510的側(cè)表面504的下部分可以具有大致圓柱形狀，并且鄰近切割面502的多晶復(fù)合片的側(cè)表面504的上部分可以具有成角度的、截頭圓錐體形狀，并且可以限定或包括例如切割元件500的一個(gè)或多個(gè)倒角表面508。[0059]任選地，在燒結(jié)后，切割元件500可以進(jìn)行常規(guī)酸浸提處理，來(lái)從硬質(zhì)多晶材料510中除去基本上全部的金屬催化劑和剩余的燒結(jié)助劑。具體地，作為本領(lǐng)域中已知的和在美國(guó)專利N0.5，127，923和美國(guó)專利N0.4，224，380中更充分描述的，王水(濃硝酸(HNO3)和濃鹽酸(HCl)的混合物)可以用于從硬質(zhì)多晶材料510的金剛石晶粒之間的間隙中至少基本上除去催化劑材料。還已知的是使用沸騰鹽酸(HCl)和沸騰氫氟酸(HF)作為浸提劑。一種特別合適的浸提劑是溫度高于110°C的鹽酸(HCl)，根據(jù)包含硬質(zhì)多晶材料510的體的尺寸，其可以提供與硬質(zhì)多晶材料510的暴露表面接觸約2小時(shí)至約60小時(shí)的時(shí)間。除了待浸提的那些表面之外，切割元件500的表面例如切割元件基底320的表面可以覆蓋(例如涂覆)有保護(hù)材料如聚合物材料，該聚合物材料耐來(lái)自浸提劑的浸蝕或者其他損壞。然后，可以通過(guò)例如將切割元件500的硬質(zhì)多晶材料510的至少一部分浸潰或者浸入到浸提流體中，使待浸提的表面暴露于并與浸提流體接觸。
[0060]浸提流體將從切割元件500的暴露表面滲入其硬質(zhì)多晶材料510中。浸提流體從暴露表面進(jìn)入硬質(zhì)多晶材料510所達(dá)到的深度或距離將是硬質(zhì)多晶材料510暴露于浸提流體的時(shí)間(即浸提時(shí)間)的函數(shù)。在暴露于浸提流體的過(guò)程中，可以將過(guò)量的燒結(jié)助劑和/或催化劑材料從硬質(zhì)多晶材料510的間隙中浸提出來(lái)。在浸提硬質(zhì)多晶材料510之后，硬質(zhì)多晶材料510中硬質(zhì)材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙可以至少基本上沒(méi)有燒結(jié)助劑和催化劑材料。
[0061]本發(fā)明的切割元件和多晶材料(例如復(fù)合片)的實(shí)施方案，例如參見(jiàn)圖5所述的切割元件500和硬質(zhì)多晶材料510，可以形成和固定于鉆地工具，用于在地下地層中形成井筒。作為非限定性的例子，圖6示意了固定刀具類型的鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭600，其包括此處所述的多個(gè)切割元件500。旋轉(zhuǎn)鉆頭600包括鉆頭體602，和切割元件500固定于鉆頭體602。切割兀件500可以釬焊(或者以其他方式固定)在鉆頭體602的多個(gè)刀片606每個(gè)的外表面中形成的凹處604內(nèi)。
[0062]此處所述的切割元件和多晶復(fù)合片可以固定于和用于其他類型的鉆地工具上，包括例如牙輪鉆頭、沖擊鉆頭、取芯鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、擴(kuò)眼鉆頭、可膨脹擴(kuò)眼鉆頭、研磨機(jī)、混合式鉆頭和本領(lǐng)域已知的其他鉆探鉆頭和工具。
[0063]雖然已經(jīng)在此參考某些實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)可和理解它不限于此。而是可以對(duì)此處所述的實(shí)施方案進(jìn)行許多的增加、刪除和改變，而不脫離下文所要求的本發(fā)明的范圍，包括其法律等價(jià)物。另外，來(lái)自一個(gè)實(shí)施方案的特征可以與另一實(shí)施方案的特征進(jìn)行組合，而仍然包括在本發(fā)明人所預(yù)期的本發(fā)明范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種形成多晶復(fù)合片的方法，該方法包括:將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并以形成粉末混合物；和燒結(jié)該粉末混合物。
2.權(quán)利要求1的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并包括將該多個(gè)硬質(zhì)粒子與包括氟化鋰、氟化鎂、氟化鈣、氟化釔、氟化鑭和氟化鋁的至少一種的金屬鹽合并。
3.權(quán)利要求1的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并包括將該多個(gè)硬質(zhì)粒子與由氟化鋰組成的金屬鹽合并。
4.權(quán)利要求1或2的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并包括將該多個(gè)硬質(zhì)粒子與分散在有機(jī)溶劑中的金屬鹽合并。
5.權(quán)利要求1或3的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并包括用有機(jī)溶劑中的氟化鋰粒子分散該多個(gè)硬質(zhì)粒子。
6.權(quán)利要求1或2的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并包括將多個(gè)硬質(zhì)粒子與包含溶解在極性溶劑中的金屬鹽的溶液合并。
7.權(quán)利要求1或2的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并包括將包含金剛石的多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并。
8.權(quán)利要求1的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并以形成粉末混合物包括: 將該多個(gè)硬質(zhì)粒子與在至少一種溶劑中的金屬鹽合并以形成漿料；和將該漿料進(jìn)行噴霧干燥處理以形成粉末混合物。
9.權(quán)利要求1的方法，其中將多個(gè)硬質(zhì)粒子與金屬鹽合并以形成粉末混合物包括將該多個(gè)硬質(zhì)粒子和金屬鹽的多個(gè)粒子進(jìn)行研磨處理。
10.權(quán)利要求1的方法，其中燒結(jié)該粉末混合物包括完全燒結(jié)該粉末混合物，以形成包含多個(gè)相互鍵合的硬質(zhì)粒子的硬質(zhì)多晶材料。
11.權(quán)利要求10的方法， 其進(jìn)一步包括將至少一部分的金屬鹽留在相互鍵合的硬質(zhì)粒子的間隙內(nèi)。
12.權(quán)利要求1的方法，其中燒結(jié)該粉末混合物包括從相互鍵合的硬質(zhì)粒子之間的間隙中除去至少一部分的金屬鹽。
13.權(quán)利要求12的方法，其中從相互鍵合的硬質(zhì)粒子之間的間隙中除去至少一部分的金屬鹽包括使該金屬鹽的成分和與該粉末混合物接觸的至少一種催化劑材料進(jìn)行反應(yīng)。
14.權(quán)利要求1的方法，其中燒結(jié)該粉末混合物包括加熱該粉末混合物以形成在多個(gè)硬質(zhì)粒子之間的金屬鹽的成分的液體。
15.權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括模制該粉末混合物以形成未燒結(jié)的預(yù)成形件。
16.權(quán)利要求16的方法,其中燒結(jié)該粉末混合物包括使娃材料與該粉末混合物的金屬鹽的成分反應(yīng)。
17.一種形成多晶復(fù)合片的方法，該方法包括:形成未燒結(jié)的復(fù)合片預(yù)成形件，其包括:形成包含金屬鹽和硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒的粉末混合物；和將該粉末混合物置于容器內(nèi)；將切割元件基底放置在容器中與粉末混合物接觸；和燒結(jié)該未燒結(jié)的復(fù)合片預(yù)成形件。
18.權(quán)利要求17的方法，其中形成包含金屬鹽和硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒的粉末混合物包括將至少一種金屬氟化物與硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒合并。
19.權(quán)利要求17的方法，其中形成包含金屬鹽和硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒的粉末混合物包括將包含氟化鋰的多個(gè)粒子與硬質(zhì)材料的多個(gè)晶?；旌?。
20.權(quán)利要求19的方法，其進(jìn)一步包括選擇包含氟化鋰的多個(gè)粒子以使其粒度為硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒的粒度的約10%。
21.權(quán)利要求17的方法，其中形成包含金屬鹽和硬質(zhì)材料的多個(gè)晶粒的粉末混合物包括形成這樣的粉末混合物，其包含與硬質(zhì)材料的多個(gè)晶?；旧暇鶆蚍稚⒌慕饘冫}粒子。
22.權(quán)利要求17的方法，其進(jìn)一步包括在真空壓力下將多晶復(fù)合片暴露于足以揮發(fā)金屬鹽的溫度，以從多晶復(fù)合片中除去金屬鹽的殘留部分。
23.權(quán)利要求17的方法，其中將該粉末混合物置于容器內(nèi)包括將該粉末混合物與容器內(nèi)表面鄰近的硅材料接觸放置。
24.權(quán)利要求17的方法，其中燒結(jié)該未燒結(jié)的復(fù)合片預(yù)成形件包括加熱該未燒結(jié)的復(fù)合片預(yù)成形件以使金屬鹽的金屬成分熔化為占據(jù)硬質(zhì)材料晶粒之間的間隙的液體。
25.權(quán)利要求24的方法，其中加熱該未燒結(jié)的復(fù)合片預(yù)成形件以使金屬鹽的成分熔化成占據(jù)硬質(zhì)材料晶粒之間的空間的液體包括潤(rùn)滑硬質(zhì)材料晶粒之間的空間，以促進(jìn)硬質(zhì)材料晶粒的重排。
26.一種切割元件，其包含相互鍵合的金剛石晶粒，該晶粒具有擴(kuò)散到其中的金屬。
27.權(quán)利要求26的切割元件，其中金屬包括鋰。
28.—種鉆地工具，其包括:體；和至少一個(gè)切割元件，其 包含相互鍵合的金剛石晶粒，該晶粒具有擴(kuò)散到其中的金屬。
29.權(quán)利要求28的鉆地工具，其中金屬包括鋰。
【文檔編號(hào)】B24D3/10GK103459752SQ201280017647
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月22日
【發(fā)明者】A·A·迪喬瓦尼 申請(qǐng)人:貝克休斯公司