形成多晶元件的方法以及通過該方法形成的結構的制作方法
【專利摘要】形成多晶元件的方法包括在第一基底上形成多晶層。可從多晶層的至少一部分中去除掉催化劑材料?？蓮牡谝换椎钠溆嗖糠稚先コ舳嗑雍偷谝换椎母竭B到多晶層上的部分。第一基底的該部分可附連到另一基底上。多晶元件包括：多晶層，其附連到第一基底的部分上，多晶層形成在該部分上；以及，另一基底，其附連到第一基底的所述部分上。
【專利說明】形成多晶元件的方法以及通過該方法形成的結構
[0001]優(yōu)先權請求
[0002]本申請請求享有美國專利申請序列13/040，947號的申請日的權益，該美國專利申請于2011年3月4日申請，發(fā)明名稱為“形成多晶元件的方法以及通過該方法形成的結構”。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明的實施例總體上涉及用于鉆地工具的支撐件和切削元件、以及形成這種支撐件和切削元件的方法。具體而言，本發(fā)明公開的實施例涉及將多晶層附連到基底上的方法、以及通過該方法形成的支撐件和切削元件。
【背景技術】
[0004]用于在地下地層中形成井眼的鉆地工具可包括多個固定到鉆頭體上的切削元件。例如，固定刀片式旋轉鉆地鉆頭(也稱之為“刮刀鉆頭”)包括多個切削元件，它們固定連接到鉆頭的鉆頭體上。類似地，牙輪旋轉鉆地鉆頭可包括牙輪，這些牙輪安裝在從鉆頭體的巴掌伸展的牙輪軸上，使安裝在牙輪軸上的每個牙輪能繞牙輪軸旋轉。多個切削元件可安裝到鉆頭體的每個牙輪上。
[0005]用于這類鉆地工具上的切削元件通常包括聚晶金剛石復合片(通常稱之為“PDC”)切削元件(也稱之為刀片)，這類切削元件包括聚晶金剛石(PCD)材料，聚晶金剛石材料的特征在于其可用作為超硬磨料或超硬材料。在有催化劑(如，鈷、鐵、鎳或它們的合金以及它們的混合物)存在的情況下，在高溫高壓條件下，燒結相對小的人工金剛石晶?；蚓w、天然金剛石晶?；蚓w(稱為“礫砂”)、或人工金剛石晶?；蚓w與天然金剛石晶粒或晶體兩者的混合物并將它們粘結在一起，以形成一層聚晶金剛石材料(也稱之為金剛石層)，從而，以這種方式可形成這類聚晶金剛石材料。這類過程通常稱之為高溫/高壓(HTHP)過程。切削元件基底可包括金屬陶瓷材料、即，陶瓷-金屬復合材料，如鈷鎢硬質合金。在某些情況下，例如，在高溫/高壓燒結過程中，聚晶金剛石層可形成在切削元件上。在這類情況下，在燒結期間，切削元件基底上的鈷或其他催化劑材料可被迅速帶到金剛石晶?；蚓w中，它們起到催化劑材料的作用，用于由金剛石晶?；蚓w形成金剛石層。在高溫/高壓過程中，將晶?；蚓w燒結在一起之前，可將粉末催化劑材料與金剛石晶?；蚓w混合。但是，在其他方法中，金剛石層可與切削元件基底分開形成，然后再附連到基底上。

【發(fā)明內容】

[0006]在某些實施例中，本發(fā)明公開的內容包括形成多晶元件的方法，該方法包括在第一基底上形成多晶層。可從多晶層的至少一部分中去除掉催化劑材料。可從所述第一基底的其余部分上去除掉所述多晶層和第一基底的附連到所述多晶層上的部分。第一基底的該部分可附連到另一基底上。
[0007]在某些實施例中，本發(fā)明公開的內容包括形成多晶元件的方法，該方法包括:在有催化劑材料存在的情況下，對含有超硬磨料材料的多個顆粒進行高溫/高壓處理，以形成附連到第一基底上的多晶層，其中，該超硬磨料材料布置在硬質材料塊的末端上?？蓮亩嗑拥闹辽僖徊糠种腥コ舸呋瘎┎牧??？蓮牡谝换椎钠溆嗖糠稚先コ舳嗑雍偷谝换椎母竭B到多晶層上的部分。可將第一基底的所述部分附連到另一基底上，使第一基底的該部分介置在多晶層和所述另一基底之間。
[0008]在某些實施例中，可對第一基底僅進行粗糙研磨以去除掉一些基底材料，然后將該第一基底附連到另一基底上。
[0009]在其他實施例中，本發(fā)明公開的內容包括多晶元件，該多晶元件包括:多晶層，所述多晶層附連到第一基底的部分上，多晶層形成在該部分上；以及另一基底，其附連到第一基底的所述部分上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]說明書內容導出權利要求書的內容，權利要求書具體闡明并清楚請求保護本發(fā)明所主張的內容，但是，結合附圖閱讀下面對本發(fā)明的實施例進行的描述，可更容易看出本發(fā)明的實施例的各種特征和優(yōu)點，附圖如下:
[0011]圖1是旋轉式鉆地鉆頭的牙輪的截面圖；
[0012]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例的切削元件的透視圖，該切削元件具有圓
盤形多晶層；
[0013]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明公開的另一實施例的切削元件的透視圖，該切削元件具有
穹窿狀多晶層；
[0014]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例的軸向支撐件的分解透視圖；
[0015]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明公開的另一實施例的徑向支撐件的分解透視圖；
[0016]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例的切削元件的截面圖，該切削元件具有穹窿狀多晶層；
[0017]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明公開的另一實施例的切削元件的截面圖，該切削元件具有
穹窿狀多晶層；
[0018]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例的切削元件的截面圖，該切削元件具有圓盤狀多晶層；
[0019]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明公開的另一實施例的切削元件的截面圖，該切削元件具有
多晶層;
[0020]圖10至13根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例示意性示出了一種方法，該方法用于將多晶層附連到基底上；
[0021]圖14至16根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例示意性示出了另一種方法，該方法用于將多晶層附連到基底上；
[0022]圖17根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例示出了第一基底的一部分和第二基底之間的分界面的簡化截面圖；
[0023]圖18示出了另一鉆地工具，至少一個包括本發(fā)明公開的多晶層的切削元件附連到該鉆地工具上?！揪唧w實施方式】
[0024]說明書中的附圖并不是任何特定的鉆地工具、切削元件或支撐件的實際視圖，僅僅是用來顯示本發(fā)明公開的實施例的理想視圖。另外，圖中的相同元件用相同或類似標記表不。
[0025]盡管本發(fā)明所描述的一些實施例用于和應用于鉆地鉆頭(如，旋轉式鉆地鉆頭，有時稱之為“牙輪”或旋轉牙輪鉆頭)，但是，本領域的普通技術人員將能理解到，根據(jù)公開的金剛石支撐件結構可應用于任何使用含有多晶超硬磨料材料的結構中，其中，該多晶超硬磨料附連到支撐基底上。因而，文中使用的術語“鉆地工具”和“鉆地鉆頭”意為和包括，在地下地層中形成井眼或擴大井眼期間用于鉆探的任何類型鉆頭或工具，例如包括固定切肖[I刃鉆頭、沖擊鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、擴眼鉆頭、統(tǒng)刀、刮刀鉆頭、混合式鉆頭、以及本領域公知的其他鉆頭和工具。
[0026]文中所用的術語“多晶層”意為和包括，含有多個超硬磨料(在本領域也稱之為“超硬”)材料的晶粒(即，晶體)的任何結構，該材料通過晶粒間的鍵直接鍵合在一起。該材料的各晶粒的晶體結構可任意定位在多晶材料內的空間內。
[0027]文中所使用的術語“顆粒間的鍵”意為和包括，超硬磨料材料的相鄰晶粒的原子之間的任何直接的原子鍵(如，共價鍵、金屬鍵等)。
[0028]參照圖1，示出了旋轉式鉆地鉆頭100的牙輪102的截面圖，這種旋轉式鉆地鉆頭通常稱之為“牙輪鉆頭”。旋轉式鉆地鉆頭100包括帶有巴掌104的鉆頭體(未示出)，巴掌從鉆頭體懸垂。牙輪106可旋轉地安裝到每個巴掌104上的牙輪軸108上，每個牙輪106包括多個切削元件如硬合金齒110，硬合金齒設置在形成在牙輪106上的凹陷中并連接到牙輪106上。每個硬合金齒110可包括多晶層112，該多晶層附連到第一基底的部分114(如，層)上。第一基底的所述部分114可附連到另一基底116上。鉆頭100還包括支撐系統(tǒng)。該支撐系統(tǒng)包括徑向支撐組件118和軸向支撐組件120。徑向支撐組件118和軸向支撐組件120可包括相互鄰接的多晶層112，這些多晶層附連到第一基底的所述部分114上。第一基底的每個所述部分114可附連到另一基底116上。相互鄰接的多晶層112可被構造成相互抵靠而可滑動地旋轉。
[0029]當鉆頭100旋轉時，牙輪102可繞牙輪軸108旋轉，并繞井筒底部滾動。硬合金齒110的多晶層112沖擊并壓碎下伏地層。另外，當徑向支撐組件118的相互鄰接的多晶層112相互抵靠著滑動時，徑向支撐組件118可承受作用在牙輪102上的徑向力。當軸向支撐組件120的相互鄰接的多晶層112相互抵靠著滑動時，軸向支撐組件120承受作用在牙輪102上的軸向力。
[0030]參照圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例的切削元件110’。切削元件110’包括多晶層112，多晶層112附連到第一基底的所述部分114上，多晶層112還附連到與所述部分114相對的另一部分上，圖中省去了該另一部分。所述部分114的特征在于，其為剩余的基底。第一基底的所述部分114進而可附連到另一基底116上。從而，第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。切削元件110’可以基本上為圓柱形，基底116為圓柱形式，多晶層112為圓盤形式,第一基底的所述部分114為圓盤形式。在某些實施例中，在多晶層112的側面和切削面之間可設置倒角或斜邊。切削元件110’可以包括這樣的切削元件110’，即，此種切削元件通常連接到固定刀片式鉆地鉆頭(通常稱之為“刮刀鉆頭”)上并與其一起配置。
[0031]參照圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明公開的另一實施例的硬合金齒110。硬合金齒110包括多晶層112，多晶層112附連到第一基底的部分114上。第一基底的所述部分114進而可附連到另一基底116上。從而，第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。基底116為圓柱形式，第一基底的所述部分114為設置在該基底上的圓盤形式。多晶層112為半球形式。從而，硬合金齒110包括穹窿狀切削表面。在其他實施例中，多晶層112例如可包括鑿形結構、墓石形結構或本領域公知的其他切削結構和表面。一種類型的硬合金齒通常連接到旋轉式鉆地鉆頭100的牙輪102 (參照圖1)上并與其一起配置，硬合金齒110可以是這種類型的硬合金齒。
[0032]參照圖4，示出了根據(jù)本發(fā)明公開的某實施例的軸向支撐組件120。軸向支撐組件120可被構造成:在軸向支撐組件120的各元件進行相對運動期間，軸向支撐組件可以承受作用在其上的軸向力。軸向支撐組件120包括兩個相對的多晶層112。多晶層112可為圓盤形式。使用期間，兩多晶層112的相對的平坦圓表面相互緊靠。當至少一個多晶層112繞其中心縱軸線旋轉時，兩多晶層112的相對的平坦圓表面相對于彼此滑動。每個多晶層112可附連到第一基底的部分114上。第一基底的所述部分114進而可附連到另一基底116上。從而，第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。第一基底的所述部分114可為圓盤形式，所述另一基底116可為圓柱形式。從而，軸向支撐組件120可以包括兩個相對的圓柱。
[0033]參照圖5，示出了根據(jù)本發(fā)明公開的某實施例的徑向支撐組件118。徑向支撐組件118可被構造成:在徑向支撐組件118的各元件相對運動期間，徑向支撐組件118可承受作用在其上的徑向力。徑向支撐組件118包括多個相對的多晶層112。多晶層112可為支撐墊形式。使用期間，一個多晶層112的外徑向面緊靠另一多晶層112的內徑向面，所述的一個多晶層112共中心地套入到所述另一多晶層112中。當至少某些多晶層112繞徑向支撐組件118的中心軸線旋轉時，這些多晶層112的相對表面可相互抵靠著滑動。每個多晶層112可附連到第一基底的部分114上。第一基底的所述部分114進而可附連到另一基底116上。因而，第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。第一基底的所述部分114和所述另一基底116均可為相互徑向相鄰布置的環(huán)形構件的形式。因而，第一基底的所述部分114和所述另一基底116可為同心環(huán)的形式，其中多晶層附連到第一基底的所述部分114上。因而，徑向支撐組件118可包括兩個同心地嵌套布置的環(huán)形構件。
[0034]圖2至5所示的任一實施例的多晶層112可包括超硬磨料，有時稱之為超硬材料。例如，多晶層112可包括人造金剛石、天然金剛石、人造金剛石和天然金剛石的組合物、立方氮化硼、或本領域公知的其他超硬材料。在某些實施例中，多晶層112可以包括多個相互鍵合的超硬材料晶粒，這些晶粒的尺寸至少基本上一致。在其他實施例中，多晶層112可以包括多個相互鍵合的超硬材料晶粒，這些晶粒的尺寸不一致。例如，相互鍵合的尺寸不同的超硬材料晶粒(如，粒度分布多元化的晶粒)可以基本上均勻地散置在整個多晶層中。對于另一實例而言，相互鍵合的超硬材料晶粒可以以層的方式布置，每層的平均粒度尺寸不同，從而形成分層的多晶層。對于另一實例而言，將相互鍵合的超硬材料晶粒按等級排列布置，使整個多晶層112的平均粒度尺寸在一個方向上逐漸增加或減小。[0035]第一基底的所述部分114和另一基底116可以包括硬質材料。該硬質材料例如可以包括金屬陶瓷復合材料(即，金屬陶瓷材料)，該金屬陶瓷復合材料包括多個分散在整個金屬基材料中的硬質陶瓷顆粒。硬質陶瓷顆?？梢园ㄌ蓟铩⒌?、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4c))。更具體而言，硬質陶瓷顆?？砂ㄓ芍T如鎢(W)、鈦(Ti)、鑰(Mo)、鈮(Nb)、釩(V)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鋁(Al)和硅(Si)的元素構成的碳化物和硼化物。舉例(非限制性的例子)來說，用來形成硬質陶瓷顆粒的材料包括碳化鎢(WC、W2C,以及WC和W2C的組合物)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化鈦(TiC)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、以及碳化硅(SiC)。金屬陶瓷復合材料的金屬基材料例如可以包括鈷基合金、鐵基合金、鎳基合金、鐵鎳基合金、鈷鎳基合金、鐵鈷基合金?；w材料也可選自于商業(yè)上的純元素，如，鈷、鐵和鎳。例如，硬質材料可以包括鈷基中的多個碳化鎢顆粒。在某些實施例中，第一基底的所述部分114和另一基底116可包括尺寸至少基本一致的硬質顆粒。在其他實施例中，第一基底的所述部分114和另一基底116可以包括粒度尺寸分布多元化的硬質顆粒。在某些實施例中，第一基底的所述部分114的硬質顆粒的平均顆粒尺寸基本上等于另一基底116的硬質顆粒的平均顆粒尺寸。在其他實施例中，第一基底的所述部分114的硬質顆粒的平均顆粒尺寸與另一基底16的硬質顆粒的平均顆粒尺寸完全不同。例如，第一基底的所述部分114的硬質顆粒的平均顆粒尺寸可顯著大于另一基底116的硬質顆粒的平均顆粒尺寸，例如，至少大2倍。
[0036]參照圖6，示出了具有穹窿狀多晶層112的硬合金齒(切削元件)110的截面。硬合金齒110包括多晶層112，其附連到第一基底的部分114上。多晶層112包括中空的穹窿結構，第一基底的所述部分114包括鄰接多晶層112的穹窿狀突出部。第一基底的所述部分114包括與多晶層112相鄰的中間層115。中間層115可包括含超硬材料的顆粒和含硬質材料的顆粒構成的混合物，這些材料如前所述。中間層115構成第一基底的所述部分114的梯度層，以從多晶層112的材料過渡到第一基底的所述部分114的剩余部分的材料上。在其他實施例中，多個中間層115可與第一基底的所述部分114 一起布置。第一基底的所述部分114可附連到另一基底116上。因此，第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。
[0037]參照圖7，示出了具有穹窿狀多晶層112的另一硬合金齒(切削元件)110的截面。硬合金齒110包括多晶層112，其附連到第一基底的部分114上。多晶層112包括實心的穹窿結構，例如，半球體。多晶層112可附連到第一基底的基本上為圓盤形的部分114上。第一基底的所述部分114進而可附連到另一基底116上。從而，第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。
[0038]參照圖8，示出了具有圓盤形多晶層112的切削元件110’的截面。切削元件110’包括多晶層112，其附連到第一基底的部分114上。多晶層112包括圓筒或圓盤結構。第一基底的所述部分114同樣包括圓筒或圓盤結構。多晶層112和第一基底的所述部分114之間的分界面117可以是平面或基本上為平面。第一基底的所述部分114可附連到另一基底116上。從而,第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和另一基底116之間。
[0039]參照圖9，示出了具有多晶層112的另一切削元件110’的截面。切削元件110’包括多晶層，其附連到第一基底的部分114上。多晶層112包括基本上為圓柱或基本上為圓盤的結構。類似地，第一基底的所述部分114包括基本上為圓柱或基本上為圓盤的結構。多晶層112和第一基底的所述部分114之間的分界面117可包括非平坦的分界面結構，如，凸起和凹陷交替布置的結構、圓環(huán)結構、徑向伸展的輻條結構、或本領域公知的其他非平坦的分界面結構。第一基底的所述部分114可附連到另一基底116上。從而，第一基底的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。
[0040]參照圖10至13，根據(jù)本發(fā)明公開的一實施例示出了將多晶層附連到基底上的方法。圖10中示出了形成切削元件或其他結構(其含有附連到基底上的多晶層)過程中的中間結構122。中間結構122包括附連到第一基底124上的多晶層112。例如，可通過將硬質材料塊、含有超硬磨料的多個顆粒以及催化劑材料布置到模子中，來形成中間結構122。硬質材料例如可以包括前述的任何硬質材料。對于具體的非限制性示例而言，硬質材料可包括多個鈷基碳化鎢(本領域通稱為“鈷鎢硬質合金”)顆粒。硬質材料以完全燒結部分(即，具有最終密度)的形態(tài)呈現(xiàn)。超硬磨料材料例如可以包括前述的任何一種超硬磨料材料。催化劑材料例如可以包括合金(如，鈷基合金、鐵基合金、鎳基合金、鐵鎳基合金、鈷鎳基合金、以及鐵鈷基合金)或商業(yè)上可獲得的純元素(如，鈷、鐵和鎳)，它們可以促進晶粒生長以及晶粒間的鍵合。
[0041]超硬磨料顆?？梢苑謱佣逊e在硬質顆粒體的末端上；含有催化劑材料的顆粒可分散在硬質顆粒中，或，根據(jù)情況可分散在超硬磨料顆粒中。在其他實施例中，由硬質顆粒構成的預成型基底可放置在模子中，然后超硬磨料顆?？煞胖迷诨咨稀４呋瘎┎牧峡纱嬖谟诨字?、分散在超硬磨料顆粒中、或被置于超硬磨料顆粒和基底的相鄰末端之間，這些方案在現(xiàn)有技術中均是公知的。
[0042]可對模子中的顆粒采用本領域公知的燒結處理如高溫/高壓處理。在某些實施例中，燒結過程中使用的壓力至少為5吉帕斯卡(5GPa)。例如，最大壓力可以是8吉帕斯卡(SGPa)或者甚至為10吉帕斯卡(IOGPa)。通過燒結處理，含有超硬磨料材料的多晶層112可形成在含有硬質材料的第一基底124上。
[0043]如圖11所示，多晶層112和第一基底124的部分114可從第一基底124的其余部分上去除掉。第一基底124的所述部分114可保持附連到多晶層上。例如，可采用電火花加工(EDM)、金剛石鋸、研磨、或本領域公知的用于加工硬質基底的其他方法將多晶層112和第一基底124的所述部分114從第一基底124的其余部分上去除掉。在某些實施例中，可使第一基底124的所述部分114的厚度“t”最小化。例如，第一基底124的所述部分114的厚度t可小于I毫米(Imm)。但是，在其他實施例中，第一基底124的所述部分114的厚度t不可減到最小。例如，第一基底124的所述部分114的厚度t可大于I毫米(Imm)。在可供選擇的實施例中，多晶層可形成在具有減小的厚度t的第一基底上，而不是將多晶層形成在第一基底上、然后將第一基底的其余部分去除掉而得到減小的厚度t。
[0044]然后對多晶層112和第一基底124的所述部分114進行浸析處理(leach)，以去除掉掉其中的催化劑材料。如圖12所示，示出了已被浸析的多晶層112、以及第一基底124的已被浸析的所述部分114，該已被浸析的所述部分114附連到多晶層112上。在多晶層112的超硬磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中、以及第一基底124的所述部分114的硬質顆粒之間的空間中布置有催化劑材料，例如，可通過采用王水、或本領域公知的其他浸析劑或方法來去除掉上述催化劑材料。在某些實施例中，可從多晶層112和第一基底124的所述部分114(其附連到多晶層112上)中大體上完全浸析掉催化劑材料。在其他實施例中，至少一些催化劑材料可保留在第一基底124的附連到多晶層112上的所述部分114中。在其他實施例中，至少一些催化劑材料也可保留在多晶層112中?？煽刂平鰟┑臐B透程度以僅浸析掉多晶層112的選定部分、第一基底124的所述部分114的選定部分、或上述兩個選定部分。在一個實施例中，可從多晶層的一定深度部分中去除掉其中的催化劑，例如，從切削面和側面開始計算，深度大致為0.04mm至0.5mm。
[0045]在一個實施例中，例如，可選擇多晶層112的相互鍵合的晶粒的平均晶粒尺寸和第一基底124的所述部分114的硬質顆粒的平均顆粒尺寸，使相互鍵合的晶粒之間、硬質顆粒之間的間隙達到所需的容積百分率，其中，催化劑材料布置在所述間隙中。對于另一示例而言，可以選擇多晶層112的相互鍵合的晶粒的平均晶粒尺寸和第一基底124的所述部分114的硬質顆粒的平均顆粒尺寸，以達到所需的滲透率?？筛鶕?jù)布置有催化劑材料的間隙的容積百分率或根據(jù)所需的滲透率來決定浸析速率；為了達到指定的浸析深度，浸析速率通常用來決定浸析時間。在其他實施例中，可以不對多晶層112和第一基底124的附連到多晶層112上的所述部分114進行浸析處理。
[0046]在一些實施例中，采用浸析過程從多晶層112和第一基底124的所述部分114中的至少一個中去除掉催化劑材料，這種情況下，已被浸析的多晶層112和/或第一基底124的所述部分114中的至少一部分可視需要被再滲透處理。例如，材料可被再滲透到第一基底124的所述部分114中，使多晶層112的相互鍵合的晶粒之間的間隙中沒有其他材料(即，間隙中充有空氣或其他環(huán)境流體)。被再滲透到多晶層112和/或第一基底124的所述部分114中的材料可以包括催化劑材料或惰性材料。對于非限制性示例而言，硅(Si)可被再滲透到已被浸析的多晶層112和/或第一基底124的所述部分114中的至少一部分中。
[0047]另外，浸析處理可去除掉起粘結劑作用的材料，以使多晶層112和第一基底124的所述部分114的結構完整。并且，浸析過程之后，殘留應力可削弱第一基底124的所述部分114，可能會損壞所述部分114。例如，通過將環(huán)布置在第一基底124的所述部分114的外圍周圍，使第一基底124的所述部分114處于壓縮狀態(tài)，從而，在浸析期間和之后，可保持第一基底124的所述部分114的結構完整性。在某些實施例中，所述環(huán)可包括陶瓷環(huán)或碳化物環(huán)，其至少冷縮配合在第一基底124的所述部分114周圍，視情況可冷縮配合在多晶層112周圍。在其他實施例中，多晶層112可制作得尺寸過大而包括環(huán)形部分，該環(huán)形部分的外圍向下伸展而圍繞第一基底的所述部分114。例如，一旦通過上述再滲透過程或如下所述那樣將多晶層附連到另一基底上而實現(xiàn)了足夠的結構完整性，隨后則可去除掉所述環(huán)或多晶層112的所述環(huán)形部分。
[0048]如圖13所不，多晶層112和第一基底124的所述部分114可附連到另一基底116上以形成切削元件110’。在其他實施例中，與多晶層相附連的第一基底的一部分可附連到另一基底上，以形成軸向支撐件或徑向支撐件。第一基底124的所述部分114可直接附連到另一基底116上。從而，第一基底124的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。例如，通過釬焊、微波釬焊、熔焊、熱壓或采用燒結過程，可將第一基底124的附連到多晶層112上的所述部分114附連到所述另一基底116上。例如，可在模子中對上述的元件采用本領域公知的高溫/高壓處理。在某些實施例中，燒結過程中使用的壓力可以至少為5吉帕斯卡(5GPa)。例如，最大壓力可以是8吉帕斯卡(8GPa)或者甚至為10吉帕斯卡(IOGPa)。[0049]可選擇第一基底124的所述部分114的材料成分，以讓所述部分114最優(yōu)地附連至眵晶層112上，并隨后讓所述部分114最優(yōu)地附連到另一基底116上。例如，在浸析之前，第一基底124的所述部分114含有的催化劑材料的體積百分率大于另一基底116所含有的催化劑材料的體積百分率，從而，在上述另一基底116能給硬合金齒110提供附加的結構強度和耐久性的情況下，可讓第一基底124的所述部分114充分促進多晶層112的形成。因而，在使第一基底124的所述部分114能容易地附連到另一基底116上以增強最終結構的強度和耐久性的情況下，第一基底124的所述部分能讓多晶層112形成并使多晶層112附連到其上。具體而言，在保持多晶層112和第一基底124的所述部分114之間的附連更牢固的情況下，第一基底124的所述部分114能使多晶層112再附連到另一基底116上。
[0050]在一些實施例中，采用燒結過程將多晶層112和第一基底124的所述部分114附連到另一基底116上，這種情況下，可將催化劑材料從上述另一基底116被迅速帶到第一基底124的所述部分114和多晶層112中。保留在第一基底124的所述部分114中的催化劑材料也可從第一基底124的所述部分114被迅速帶到多晶層112中。來自于上述另一基底116的催化劑材料可不同于最初用來形成多晶層112所用的催化劑材料。例如，在有鈷基合金存在的情況下可形成多晶層112，然后從多晶層中至少基本上去除掉鈷基合金；而從上述另一基底116被迅速帶到多晶層112中的催化劑材料可含有鎳基合金。對于另一示例而H，在有鉆基合金存在的情況下可形成多晶層112，然后從多晶層中至少基本上去除掉鉆基合金；而從上述另一基底116被迅速帶到多晶層112中的催化劑材料含有商業(yè)上可獲得的純鈷。隨后，可對多晶層112執(zhí)行另一浸析過程，以從多晶層112的至少一部分中去除掉催化劑材料。例如，可從多晶層112的切削面125至多晶層112內的選定深度Cl1的范圍中去除掉催化劑材料。切削面125上可以基本上無催化劑材料。對于另一示例而言，也可從多晶層112的側面127至多晶層112內的選定深度d2的范圍中去除掉催化劑材料。
[0051]參照圖14至16，根據(jù)本發(fā)明公開的另一實施例示意性示出了將多晶層附連到基底上的另一方法。圖14中示出了形成切削元件或其他結構(其含有附連到基底上的多晶層)過程中的中間結構122。中間結構122包括附連到第一基底124上的多晶層112。例如，可通過將諸如碳化鎢顆粒的硬質顆粒、超硬磨料顆粒(如，天然金剛石顆粒、人工金剛石顆粒、天然和人工金剛石顆粒的混合物)、以及含有催化劑材料的顆粒(如，鈷顆粒)布置到模子中來形成中間結構122。超硬磨料顆?？煞謱佣逊e在硬質顆粒的末端上，含有基體材料的顆?？煞稚⒌匠材チ项w粒和硬質顆粒中?？蓪δＷ又械念w粒采用本領域公知的高溫/高壓處理等燒結工藝。在某些實施例中，施加于模子中的顆粒上的壓力可以超過5吉帕斯卡(5GPa)。例如，施加于模子中的顆粒上的壓力可以為8吉帕斯卡(SGPa)或甚至為10吉帕斯卡(IOGPa)。因此，含有超硬磨料材料的多晶層112可形成在含有硬質材料的第一基底124 上。
[0052]如圖15所示，可從第一基底124的其余部分上去除掉多晶層112和第一基底124的一部分114。第一基底124的所述部分114可以保持附連到上述多晶層上。例如，可采用電火花加工、金剛石鋸、研磨或本領域公知的其他硬質基底加工過程來去除掉多晶層112和第一基底124的所述部分114。在最終切削元件的該實施例中，第一基底124的所述部分114的厚度t可以大致達到最終結構的總厚度的三分之二(2/3)。在可供選擇的實施例中，多晶層可形成在厚度t減小的第一基底上，而不是在第一基底上形成多晶層、然后去除掉第一基底的其余部分使其厚度達到減小的厚度t。
[0053]如圖16所示，可形成凹陷126使其至少部分地進入第一基底124的所述部分114的厚度t。凹陷126可由盲孔構成，在第一基底124的所述部分的厚度t范圍內，從第一基底124的所述部分114的表面(其與多晶層112相反)至選定深度(如，圖16所示的深度屯和/或深度d2)處形成該盲孔。凹陷126例如可包括，形成在第一基底124的所述部分114上的圓柱形或基本上為圓柱形的孔?？刹捎貌迦胧诫娀鸹庸?plunge EDM)、激光加工、硬質合金超聲波加工、上述三種加工方法(插入式電火花加工、激光加工、硬質合金超聲波加工)的任意組合方法、或本領域公知的任何一種用于在硬質基底上形成凹陷的其他加工方法，來形成凹陷126。因而，第一基底124的所述部分114可包括環(huán)形構件，其附連在多晶層112的外圍處。在某些實施例中，上述凹陷可貫穿第一基底124的所述部分114、終止于多晶層112處。在其他實施例中，上述凹陷可延伸到第一基底124的所述部分114中、在所述部分114內靠近多晶層112的位置處終止。盡管圖中示出凹陷126基本上為圓柱形孔，其延伸到第一基底124的所述部分114中；但是，同樣可采用其他非平坦的分界面結構，如，徑向伸展的輻條式結構、圓環(huán)結構、或本領域公知的其他形狀結構。突起128可相應地形成在另一基底116上，在催化劑去除處理之后，第一基底124的所述部分114可結合到突起128上。突起128例如可以包括從所述另一基底116的徑向尺寸更大的部分突出的徑向尺寸更小的圓柱。突起128可被構造成容納在凹陷126內。
[0054]然后可對多晶層112和第一基底124的所述部分114進行浸析處理以去除掉其中的催化劑材料。例如可采用王水、或本領域公知的其他浸析劑或方法來去除掉在多晶層112的超硬磨料的相互鍵合的晶粒之間的間隙、以及第一基底124的所述部分114的硬質顆粒之間的空間中布置的催化劑材料。在某些實施例中，催化劑材料可從多晶層112和第一基底124的附連到多晶層112上的所述部分114上基本上被完全浸析掉。在其他實施例中，至少一些催化劑材料可以保留在第一基底124的附連到多晶層112上的所述部分114中。例如，在多晶層112被完全浸析或基本上被完全浸析的情況下，所有催化劑材料或基本上所有催化劑材料可以保留在第一基底124的所述部分114中。在其他實施例中，也可以使至少一些催化劑保留在多晶層112中。可以控制浸析劑的滲透程度，以僅浸析多晶層112的選定部分、第一基底124的所述部分114的選定部分、或上述兩個選定部分。
[0055]第一基底124的所述部分114可被構造成能使得多晶層112受到浸析。例如，第一基底124的所述部分114包括環(huán)形結構，形成在環(huán)形結構中的凹陷126延伸到附連到所述部分114上的多晶層，這種情況下，所述凹陷可使浸析劑流入多晶層112中，而不必穿過第一基底124的所述部分114的材料或不必穿過第一基底124的所述部分114的所有材料。在大部分催化劑材料保留在第一基底124的所述部分114的環(huán)形結構中的情況下，以這種方式，所述凹陷126可使浸析劑去除掉多晶層112中的所有催化劑材料或幾乎所有催化劑材料。第一基底124的所述部分114的厚度t大致可達到最終結構(如硬合金齒110)的總厚度的三分之二(2/3)，因而，第一基底124的所述部分114也可增強機械完整性并可便于處理第一基底124的所述部分114和被附連的多晶層112。
[0056]附連材料130可根據(jù)情況布置在所述另一基底116的一部分上(第一基底124的所述部分114附連到該部分上)。例如，附連材料130可包括金屬箔層(如，催化劑箔層)，其布置在突起128上且布置在所述另一基底116的面向第一基底124的所述部分114的周圍環(huán)形表面上。在某些實施例中，附連材料130例如可以包括黃銅材料。在一些實施例中，附連材料130包括催化劑材料，附連材料130的催化劑材料可不同于用來形成多晶層112的催化劑材料。在其他實施例中，附連材料130可以包括有機膠粘劑，如粘膠劑、膠水(發(fā)明人為Coover、于1956年10月23日被授權的美國專利US2，768，109號中公開的酒精催化的氰基丙烯酸酯膠粘劑成分)、黏合劑、環(huán)氧樹脂、或由有機化學劑前體(其例如通過交聯(lián)到黏合劑上來形成附連物)形成的任何其他材料。在其他實施例中，附連材料130可以包括有機金屬膠粘劑，如，發(fā)明人為Nishihara等、于1989年2月28日被授權的美國專利US4, 808，659號中公開的有機金屬膠粘劑成分。
[0057]如圖16所示，凹陷126可與突起128軸向對準。第一基底124的所述部分114可被降低到所述另一基底116上，直到突起128位于凹陷126內為止。任選的附連材料130可介置在第一基底124的所述部分114和所述另一基底116之間。第一基底124的所述部分114然后可附連到所述另一基底上以形成切削元件或其他結構(其含有附連到基底上的多晶層112)。在其他實施例中，第一基底的附連到多晶層上的部分可附連到另一基底上，以形成軸向支撐件或徑向支撐件。在某些實施例中，第一基底124的所述部分114可直接附連到所述另一基底116上。從而，第一基底124的所述部分114可介置在多晶層112和所述另一基底116之間。在其他實施例中，例如，當所述另一基底116的突起128伸入到形成在第一基底124的所述部分114上的凹陷126中時，突起128可接觸并直接附連到多晶層112上。例如，通過釬焊、微波釬焊、熔焊、熱壓或采用燒結過程，可將第一基底124的附連到多晶層112上的所述部分114附連到另一基底116上。例如，可在模子中對多晶層112、第一基底124的所述部分114、以及所述另一基底116采用本領域公知的高溫/高壓處理。在某些實施例中，燒結過程中使用的壓力至少為5吉帕斯卡(5GPa)。例如，最大壓力可以為8吉帕斯卡(8GPa)或甚至為10吉帕斯卡(IOGPa)。
[0058]在一些實施例中，采用燒結過程將多晶層112和第一基底124的所述部分114附連到所述另一基底116上，在這種情況下，催化劑材料可從所述另一基底116被迅速帶到第一基底124的所述部分114和多晶層112中。保留在第一基底124的所述部分114中的催化劑材料也可從第一基底124的所述部分114被迅速帶到多晶層112中。所述另一基底116中的催化劑材料可不同于最初用來形成多晶層112的催化劑材料。例如，在有鈷基合金存在的情況下可形成多晶層112，然后可從該多晶層中至少基本上去除掉鈷基合金；而從所述另一基底116被迅速帶到多晶層112中的催化劑材料可包括鎳基合金。對于另一示例而言，在有鈷基合金存在的情況下可形成多晶層112，然后可從多晶層中至少基本上去除掉鈷基合金；而從所述另一基底116被迅速帶到多晶層112中的催化劑材料包括商業(yè)上可獲得的純鈷。在某些實施例中，附連材料130可以包括再滲透劑(reinfiltrant),如催化劑材料(如，鈷、鎳、鐵、或鈷合金、鎳合金或鐵合金、或本領域公知的其他催化劑)或惰性材料(如，硅、鋁、銅或本領域公知的其他惰性再滲透劑)。因而，凹陷126可將再滲透劑直接引入到多晶層112中，而不必穿過第一基底124的附連到多晶層上的所述部分114。隨后，可對多晶層112進行另外的浸析處理，以從多晶層的至少一部分中去除掉催化劑材料。例如，可從多晶層112的切削面125至多晶層112內的選定深度Cl1的范圍去除掉催化劑材料。切削面125上可基本無催化劑材料。對于另一實例而言，也可從多晶層112的側面127至多晶層112內的選定深度d2的范圍去除掉催化劑材料。[0059]參照圖17，示出了根據(jù)本發(fā)明公開的某實施例的切削元件110’。切削元件110’包括多晶層112，多晶層112附連到第一基底的所述部分114上。第一基底的所述部分114進而附連到另一基底116上。從而，第一基底的所述部分114介置在多晶層112和所述另一基底116之間。第一基底的所述部分114和所述另一基底116之間的分界部132可以包括非平坦表面，如粗糙表面。將第一基底的所述部分114附連到所述另一基底之前，可對第一基底的所述部分114的末端(其附連到多晶層112上)進行研磨，從而可形成分界部132。在某些實施例中，也可對所述另一基底116的表面(其面向第一基底的所述部分114)進行研磨處理。例如，可采用Blanchard磨削工藝對第一基底的所述部分114的表面(其與多晶層112相對)進行研磨處理。最終表面的算術平均粗糙度(傳統(tǒng)上稱之為“Ra”)至少為
0.254nm(0.01 μ in)，最大為254nm(10 μ in)。在附連之前，可將前述附連材料布置在第一基底的經(jīng)粗糙處理的部分114和所述另一基底116之間。如前所述，例如，可通過釬焊、微波釬焊、熔焊、熱壓或采用燒結過程，將第一基底的所述部分114附連到所述另一基底116上。第一基底的所述部分114和所述另一基底116之間的非平坦分界部132可在第一基底的所述部分114和所述另一基底116之間形成更牢固的附連關系。在其他實施例中，第一基底的所述部分114和另一基底116之間的非平坦分界部132可包括本領域公知的非平坦分界面結構。
[0060]參照圖18，示出了鉆地工具134，切削元件110(如，前面結合圖2、3、6至9、以及17所述的切削元件110和110’中的任何一種切削元件)可連接到該鉆地工具134上。鉆地工具134可包括鉆地鉆頭且可具有帶刀片138的鉆頭體136，刀片138從鉆頭體136伸展。切削元件110可安裝在形成在刀片138上的凹口 140內。但是，在此所述的切削元件110和多晶層112可以粘結到并用于其他類型的鉆地工具上，這些鉆地工具例如包括牙輪鉆頭、沖擊鉆頭、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、擴眼鉆頭、可伸展式擴眼鉆頭、統(tǒng)刀、混合式鉆頭、以及本領域公知的其他鉆頭和工具。
[0061]盡管已經(jīng)針對某些實施例描述了本發(fā)明，但是，本領域的普通技術人員將能意識并理解到，本發(fā)明并不局限于這些實施例。在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對在此所述的實施例進行補充、刪除和改進，下面的權利要求書(包括合法的等同形式)請求保護本發(fā)明的范圍。另外，一個實施例中的特征可與另一實施例的特征相組合，但是，這種組合仍落入由發(fā)明人所構思的本發(fā)明的范圍內。
【權利要求】
1.一種形成多晶元件的方法，包括以下步驟: 在第一基底上形成多晶層； 從多晶層的至少一部分中去除掉催化劑材料； 從第一基底的其余部分上去除掉多晶層和第一基底的附連到多晶層上的部分；以及 將第一基底的所述部分附連到另一基底上。
2.根據(jù)權利要求1的方法，還包括以下步驟: 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，將催化劑材料、黃銅材料、惰性再滲透劑材料、有機膠粘劑以及有機金屬膠粘劑中的至少一種布置在第一基底的所述部分和所述另一基底之間。
3.根據(jù)權利要求1的方法，還包括以下步驟: 使第一基底的附連到多晶層上的所述部分的厚度減少到最小。
4.根據(jù)權利要求1的方法，還包括以下步驟: 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，從多晶層中基本上完全地去除掉催化劑材料。
5.根據(jù)權利要求4的方 法，還包括以下步驟: 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，從第一基底的所述部分的至少一部分中去除掉催化劑材料。
6.根據(jù)權利要求1至5中的任一權利要求的方法，其中，將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上的步驟包括:將第一基底的所述部分釬焊到所述另一基底上。
7.根據(jù)權利要求1至5中的任一權利要求的方法，其中，將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上的步驟包括: 將第一基底的附連到多晶層上的所述部分布置在所述另一基底上；以及 對多晶層、第一基底的所述部分、以及所述另一基底進行高溫/高壓處理。
8.根據(jù)權利要求1至5中的任一權利要求的方法，還包括以下步驟:在將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，對第一基底的所述部分的、與多晶層相反的表面進行研磨。
9.根據(jù)權利要求1至5中的任一權利要求的方法，還包括以下步驟: 形成凹陷，使所述凹陷從第一基底的所述部分的、與多晶層相反的端部開始至少部分進入第一基底的所述部分；以及 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，將所述另一基底的突起插入到所述凹陷中。
10.一種形成多晶元件的方法，包括以下步驟: 在有催化劑材料存在的情況下，對含有超硬磨料材料的多個顆粒進行高溫高壓處理，以形成附連到第一基底上的多晶層，其中，所述超硬磨料材料布置在硬質材料塊的末端上; 從多晶層的至少一部分中去除掉催化劑材料； 從第一基底的其余部分上去除掉多晶層和第一基底的附連到多晶層上的部分；以及 將第一基底的所述部分附連到另一基底上，使第一基底的所述部分介置在多晶層和所述另一基底之間。
11.根據(jù)權利要求10的方法，其中，將第一基底的所述部分附連到另一基底上的步驟包括:將第一基底的所述部分釬焊到所述另一基底上。
12.根據(jù)權利要求10的方法，其中，將第一基底的所述部分附連到另一基底的步驟包括: 將第一基底的附連到多晶層上的所述部分布置在所述另一基底上，使第一基底的所述部分介置在多晶層和所述另一基底之間；以及 對多晶層、第一基底的所述部分、以及所述另一基底進行另外的高溫/高壓處理。
13.根據(jù)權利要求10的方法，還包括以下步驟: 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，從多晶層的所有部分上基本去除掉催化劑材料。
14.根據(jù)權利要求13的方法，還包括以下步驟: 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，從第一基底的所述部分的至少一部分上去除掉催化劑材料。
15.根據(jù)權利要求10至14中的任一權利要求的方法，還包括以下步驟: 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，將催化劑材料、黃銅材料、惰性再滲透劑材料、有機膠粘劑以及有機金屬膠粘劑布置在第一基底的所述部分和所述另一基底之間。
16.根據(jù)權利要求10至14中的任一權利要求的方法，還包括以下步驟:將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，對第一基底的所述部分的、與多晶層相反的表面進行研磨。
17.根據(jù)權利要求10至14中的任一權利要求的方法，還包括以下步驟: 形成凹陷，使所述凹陷至少部分地進入第一基底的所述部分；以及 將第一基底的所述部分附連到所述另一基底上之前，將所述另一基底的突起至少局部地插入所述凹陷中。
18.—種多晶元件,包括: 多晶層，其附連到第一基底的部分上，多晶層形成在所述部分上；以及 另一基底，其附連到第一基底的所述部分上。
19.根據(jù)權利要求18的多晶元件，其中，第一基底的所述部分包括界定中心凹陷的環(huán)形構件，所述環(huán)形構件附連到多晶層的外圍處，所述另一基底包括突起，所述突起位于第一基底的所述部分的中心凹陷中。
20.根據(jù)權利要求18或19的多晶元件，其中，第一基底的所述部分的末端和所述另一基底的面對端中的至少一個端部包括粗糙研磨面。
【文檔編號】E21B10/567GK103477017SQ201280018101
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年2月29日 優(yōu)先權日:2011年3月4日
【發(fā)明者】A·A·迪吉奧凡尼, S·N·J·里昂, D·L·內爾姆斯, D·E·斯科特 申請人:貝克休斯公司