包括金剛石納米顆粒的聚晶金剛石復(fù)合片、包括這樣的復(fù)合片的切削元件和鉆地工具及 ...的制作方法
【專利說明】包括金剛石納米顆粒的聚晶金剛石復(fù)合片、包括這樣的復(fù) 合片的切削元件和鉆地工具及其形成方法
[0001] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請要求2013年3月15日提交的序列號為13/839,589的美國專利申請 ^PolycrystallineDiamondCompactsIncludingDiamondNanoparticles,Cutting ElementsandEarth-BoringToolsIncludingSuchCompacts,andMethodsofForming Same. "的申請日權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開內(nèi)容整體上涉及聚晶金剛石復(fù)合片，其例如可用作用于鉆地工具的切削元 件，并且更特別地涉及包括金剛石納米顆粒的聚晶金剛石復(fù)合片、形成這樣的復(fù)合片的方 法以及包含這樣的復(fù)合片的切削元件和鉆地工具。
【背景技術(shù)】
[0004] 用于在地下地層中形成井眼的鉆地工具通常包括固定于本體的多個切削元件。例 如，固定式切刀鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭（還稱為"刮刀鉆頭"）包括多個切削元件，其固定連接至鉆頭 的鉆頭體。牙輪鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭可包括安裝在由鉆頭體的腿部延伸的牙輪軸上的錐體，從而 使得每個錐體能夠圍繞錐體被安裝在其上的牙輪軸旋轉(zhuǎn)。可以將多個切削元件安裝到鉆頭 的每個錐體。換句話說，鉆地工具典型地包括鉆頭體，而切削元件與鉆頭體連接。
[0005] 在這樣的鉆地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金剛石復(fù)合片（經(jīng)常稱為 "roc"），其充當聚晶金剛石材料的切削面。聚晶金剛石材料為包括金剛石材料的晶?；蚓?體形式的相互結(jié)合的顆粒的材料。換句話說，聚晶金剛石材料包括金剛石材料的晶?；蚓?體之間直接的晶粒間結(jié)合。術(shù)語"晶粒"、"晶體"和"顆粒"在本文中同義地和可互換地使 用。
[0006] 通常通過在高溫和高壓的條件下在催化劑（例如鈷、鐵、鎳或其合金和混合物） 的存在下將相對小的金剛石晶粒燒結(jié)和結(jié)合在一起以在切削元件基材上形成聚晶金剛石 (PCD)材料的層（稱為"復(fù)合片"或"臺"）來形成PDC切削元件。這些過程經(jīng)常稱為高溫/ 高壓（HTHP)方法。切削元件基材可以包含金屬陶瓷材料（即陶瓷-金屬復(fù)合材料），例如 鈷一燒結(jié)碳化鎢。在這樣的情況中，切削元件基材中的鈷（或其它催化劑材料）可以在燒 結(jié)過程中液化并擴散至金剛石晶粒中，并用作用于形成晶粒間金剛石至金剛石結(jié)合的催化 劑（其還可表征為粘結(jié)劑），并由金剛石晶粒獲得金剛石臺。在其它方法中，粉末狀催化劑 材料可以在HTHP方法中將晶粒燒結(jié)在一起之前與金剛石晶粒混合。
[0007] 在使用HTHP方法形成金剛石臺時，催化劑材料可以留在所得TOC中的金剛石晶粒 之間的間隙空間中。當在使用過程中加熱切削元件時，由于在切削元件和地層之間的接觸 點處的摩擦，催化劑材料在金剛石臺中的存在可導(dǎo)致金剛石臺中的熱損壞。
[0008] 聚晶金剛石（P⑶）典型地包含大于80體積％的燒結(jié)金剛石晶粒，并且余量為粘結(jié) 劑相。如上所述的，通常通過由支撐的燒結(jié)碳化物基材的滲透來提供這種粘結(jié)劑相，但是也 可以將其作為摻和物納入起始金剛石粉末中。金剛石晶粒典型地位于1至50微米尺寸范 圍之內(nèi)，但是對于納入納米金剛石晶粒組分存在很大的關(guān)注，其可以構(gòu)成顯著部分，用于提 高的P⑶耐磨性、斷裂韌性和熱穩(wěn)定性。認為這樣的增強性能可歸因于P⑶中提高的金剛 石體積百分比、增加的金剛石顆粒相互結(jié)合和催化劑材料體積的降低。
[0009] 然而，當將金剛石納米顆粒納入P⑶中時，遇到了顯著的問題。在HTHP工藝條件 下金剛石納米顆?？梢匀芙庠谝后w狀態(tài)的源自基材的滲透粘結(jié)劑或者摻合粘結(jié)劑，導(dǎo)致由 金剛石納米顆粒的存在所提供的耐磨性、斷裂韌性和熱穩(wěn)定性的有益特性的損失。此外，當 采用常規(guī)的鈷一燒結(jié)碳化鎢基材時，由于可用于燒結(jié)過程的粘結(jié)劑體積的損失，可損害燒 結(jié)品質(zhì)。當使用相對較高濃度（例如大于約10體積％)的金剛石納米顆粒來形成PCD時， 這種現(xiàn)象變得更加明顯。此外，經(jīng)歷HTHP處理的金剛石晶粒體積中緊密堆積的金剛石納米 顆粒的存在抑制了液態(tài)粘結(jié)劑從基材滲透穿過金剛石臺，隨著與金剛石臺和基材之間的界 面距離的增加，造成金剛石臺中的不太好的燒結(jié)區(qū)域，導(dǎo)致金剛石臺不良的耐磨性和下降 的機械完整性。
[0010] 金剛石增強的碳化物（DEC)基材的使用已經(jīng)證明產(chǎn)生更加耐用和抗沖擊的roc 切削元件的改進，如在2011年9月22日公開的并且名稱為"InsertforanAttack Tool,MethodforMakingSameandToolsIncorporatingSame" 的美國專利申請公開號 US2011/0226532A1中描述的，通過引用將其公開內(nèi)容全部并入本文。形成DEC基材的方 法描述于2009年10月22日公開的并且名稱為"Super-HardEnhancedHard-Metals"的 國際專利公開W0 2009/128034A1中，通過引用將其公開內(nèi)容全部并入本文。
[0011] 如在美國專利申請公開號US2011/0226532A1中描述的，PDC切削元件耐久性和 抗沖擊性的改進是由于包含DEC的切削元件基材的"支撐"部分的楊氏模量的提高，由于在 鈷或其它金屬一燒結(jié)碳化物基材中分散的金剛石晶粒的存在，以及所采用的金剛石晶粒的 尺寸?；慕Y(jié)構(gòu)提供了切削元件的PCD臺的提高的支撐剛度，其優(yōu)于由常規(guī)的鈷金屬一燒 結(jié)碳化物基材所提供的剛度。然而，使用DEC基材燒結(jié)包含微米尺寸金剛石晶粒的PCD臺 的所不需要的結(jié)果在于形成狀態(tài)的PCD臺中過高的鈷粘結(jié)劑含量，并因此可導(dǎo)致較低的耐 磨性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 在一些實施方案中，制作聚晶金剛石的方法包括在容器中包封微米尺寸金剛石晶 粒和金剛石納米顆粒，和使所包封的金剛石顆粒和金剛石納米顆粒在滲碳粘結(jié)劑的存在下 經(jīng)歷至少5.OGPa的壓力和至少1000°C的溫度，從而在金剛石顆粒之間形成晶粒間結(jié)合。
[0013] 聚晶復(fù)合片包括多個金剛石材料晶粒和多個金剛石納米顆粒，所述多個金剛石納 米顆粒置于多個金剛石材料晶粒之間的間隙空間中并與所述多個金剛石材料晶粒結(jié)合。通 過使金剛石納米顆粒和金剛石材料晶粒在滲碳粘結(jié)劑的存在下經(jīng)歷至少5.OGPa的壓力和 至少1000°C的溫度，使所述多個金剛石納米顆粒與所述金剛石材料晶粒結(jié)合。
[0014] 鉆地工具包括鉆頭體和固定于所述鉆頭體的聚晶金剛石復(fù)合片。聚晶復(fù)合片包含 多個金剛石材料晶粒和多個金剛石納米顆粒，所述多個金剛石納米顆粒置于金剛石材料晶 粒之間的間隙空間中并與所述金剛石材料晶粒結(jié)合。通過使金剛石納米顆粒和金剛石材料 晶粒在滲碳粘結(jié)劑的存在下經(jīng)歷至少5.OGPa的壓力和至少1000°C的溫度，使所述多個金 剛石納米顆粒與所述金剛石材料晶粒結(jié)合。
【附圖說明】
[0015] 雖然本說明書以特別地指出并清楚地要求被視為是本公開內(nèi)容的實施方案的權(quán) 利要求結(jié)束，但是可在結(jié)合附圖閱讀時由下文的公開內(nèi)容的一些實施方案的說明更加容易 地確定本公開內(nèi)容的實施方案的各種特征和優(yōu)點，其中：
[0016] 圖1A為描述包含本公開內(nèi)容的聚晶復(fù)合片的切削元件的實施方案的局部切開的 透視圖；
[0017] 圖1B為示出圖1A的聚晶復(fù)合片的顯微結(jié)構(gòu)在放大條件下可如何顯現(xiàn)的簡化圖， 并且描述了相互結(jié)合和散布的較大和較小的硬質(zhì)材料晶粒；
[0018] 圖2為描述在容器中包封的金剛石晶粒和金剛石納米顆粒的混合物的簡化橫截 面視圖，為使所述容器和其中的混合物經(jīng)歷HTHP燒結(jié)過程以形成聚晶金剛石復(fù)合片切削 元件作準備；
[0019] 圖3為固定式切刀鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭的實施方案的透視圖，該鉆頭包括如在圖1A和1B 中所示的多個聚晶復(fù)合片；
[0020] 圖4至6為如分別在實施例1至3中描述的所形成的PDC的SEM圖像。
[0021] 發(fā)明詳述
[0022] 在這里所提供的說明不是任何特定的聚晶復(fù)合片、聚晶復(fù)合片顯微結(jié)構(gòu)、顆粒、切 削元件或鉆地工具的實際視圖，并且未按比例繪制，而僅僅是用于描述本公開內(nèi)容的理想 化表示。此外，附圖之間共同的元件可以保留相同的附圖標記。
[0023] 如在這里所使用的，術(shù)語"鉆地工具"是指并包括用于在形成或擴大井眼的過程中 進行鉆探的任何類型的鉆頭或工具，并且例如包括旋轉(zhuǎn)鉆頭、沖擊鉆頭、取芯鉆頭、偏心鉆 頭、雙中心鉆頭、擴孔鉆、磨機、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、混合鉆頭以及本領(lǐng)域中已知的其它鉆 探頭和工具。
[0024] 如在這里所使用的，術(shù)語"顆粒"是指并包括具有約2_或更小平均尺度的任何相 互密合體積的固體物質(zhì)。晶粒（即晶體）和涂覆晶粒為顆粒的類型。如在這里所使用的， 術(shù)語"納米顆粒"是指并包括平均顆粒直徑為約500nm或更小的任何顆粒。納米顆粒包括 聚晶硬質(zhì)材料中的晶粒，其平均晶粒尺寸為約500nm或更小。
[0025] 如在這里所使用的，術(shù)語"納米金剛石"是指并包括包含sp-3和sp-2結(jié)合的碳的 混合物的納米晶體碳材料的任何單晶或聚晶或聚集體，其中單個顆?；蚓w無論是單一的 還是聚集體的一部分均主要由sp-3