本公開涉及激光浸出的聚晶金剛石(PCD)、包含這種激光浸出的PCD的元件和鉆頭、激光浸出PCD的方法以及用于執(zhí)行此類方法的裝置。

發(fā)明背景

在用于采油或挖掘目的的地球鉆探期間常見地遭遇極端溫度和壓力。金剛石以其無與倫比的機械性質(zhì)，在供地球鉆探之用的切削元件或耐磨接觸元件中適當?shù)厥褂脮r可能是最有效的材料。金剛石異常地堅硬，將熱傳導遠離與磨損表面的接觸點，并且在此類情形下可以提供其他益處。

由于金剛石晶體的隨機分布，呈聚晶形式的金剛石與單晶金剛石相比具有更高的韌性，這避免了見于單晶金剛石中的特定斷裂面。因此，在許多鉆探應用中，聚晶金剛石(PCD)通常是金剛石的優(yōu)選形式。利用PCD的鉆頭切削元件統(tǒng)稱為聚晶金剛石刀具(PDC)。因此，集成有PCD切削元件的鉆頭可以稱為PDC鉆頭。

PCD元件可以在壓制機中通過使小晶粒金剛石和其他起始材料經(jīng)受超高壓力和溫度條件得以制造。一個PCD制造過程涉及在襯底(諸如碳化鎢襯底)上直接形成PCD臺。所述過程涉及將襯底連同混合有催化劑的松散的金剛石顆粒放入容器中。然后將容器放入壓力傳遞盒中并且使其經(jīng)受高溫、高壓(HTHP)壓制循環(huán)。高溫和高壓以及催化劑致使小的金剛石顆粒形成為緊緊粘結到所述襯底的整體PCD臺。然而，因為催化劑的特性在許多應用(諸如鉆探)中具有負面效應，所以在使用PCD之前去除催化劑是有用的。因此，可浸出PCD以便將催化劑粘合劑從所有或部分PCD中去除。已去除一部分催化劑的PCD被稱為浸出的PCD。已去除基本上所有催化劑的PCD被稱為熱穩(wěn)定聚晶金剛石(TSP)。

附圖簡述

可以通過參考以下結合附圖所作的描述獲得本實施方案及其優(yōu)點的更加完整的理解，附圖示出本公開的特定實施方案，其中相似數(shù)字指類似部件，并且在附圖中：

圖1示出激光浸出的方法；

圖2示出激光浸出期間的催化劑濃度梯度；

圖3示出浸入液體溶液之前的激光浸出的PCD；

圖4示出浸入液體溶液之后的激光浸出的PCD或圖3；

圖5示出激光浸出的另一種方法；

圖6示出用于激光浸出的裝置；并且

圖7A示出具有構建的浸出邊界的示例性PCD；并且

圖7B示出具有可替代構建的浸出邊界的示例性PCD。

具體實施方式

本公開涉及激光浸出的PCD和包含所述激光浸出的PCD的元件和鉆頭，以及激光浸出的方法和用于執(zhí)行此類方法的裝置。激光浸出大體涉及使用激光加熱包含催化劑的PCD，以使得從PCD去除至少一些催化劑。

如圖1所示，使用激光浸出選擇性地從PCD去除催化劑。首先，在步驟10中，將包含催化劑的PCD放入液體溶液中。其次，在步驟20中，由激光照射PCD的一部分以達到足以允許PCD中的至少一個催化劑遷移的溫度。在一個實施方案中，這種溫度可高于至少一個催化劑的熔點。然而，催化劑可在低于它們的熔點的溫度下從PCD開始遷移，以使得在其他實施方案中可接受加熱到較低的溫度。然后，在步驟30中，熔化的催化劑擴散到PCD的表面并且進入液體溶液。

典型的催化劑可包括金屬，通常為第VIII族金屬，諸如鈷(Co)、鎳(Ni)或鐵(Fe)、或包含第VIII族金屬的合金。還可使用非金屬催化劑，諸如碳酸鹽催化劑和硫酸鹽催化劑。任一種類型的催化劑可基本上是純催化劑或者它還可包含能夠在高溫高壓條件下催化金剛石顆粒粘結的其他材料。

PCD可以是未附接的PCD或者其可附接到襯底，諸如包含碳化鎢的襯底。與酸浸出不同，本方法的一個優(yōu)點是襯底可以不需要特殊保護。

在一些實施方案中，PCD可在激光浸出之前已被部分浸出。例如，如果首先酸浸出所有或部分PCD表面是更快或更加成本有效的，那么這可先于激光浸出。在另一個實例中，可通過酸浸出來首先去除少于期望待去除量的一定量的催化劑，然后可通過激光浸出去除剩余物。

PCD可完全浸入液體溶液中或者其可部分浸入，使得從其去除催化劑的PCD的部分被浸入溶液中?？蛇x擇液體溶液，以使得其在浸出過程期間不破壞或大大損壞襯底，即使襯底未受保護也是如此。例如，液體溶液可能不會僅僅與襯底反應。可替代地，液體溶液可能與襯底相對地不反應，使得只要襯底不浸入液體溶液中，就不需要保護。在一些實施方案中，可避免襯底浸沒液體溶液中以有助于防止催化劑從襯底浸出。

液體溶液可以是當它從PCD內(nèi)到達PCD表面時能夠?qū)⒋呋瘎腜CD表面去除的任何液體。具體地說，它可以是能夠溶解催化劑的任何液體。液體溶液可定制用于待去除的特定催化劑并且在PCD中或PCD和襯底中存在多種催化劑的情況下可選擇性地去除一種催化劑。例如，如果PCD包含一種催化劑并且襯底包含不同的材料(諸如也可用作催化劑的NiWC、CoWC或CrWC)，那么可選擇液體溶液以便優(yōu)選地去除PCD催化劑。在一些實施方案中，液體溶液可被設計來不溶解襯底。在一些實施方案中，液體溶液可被設計來僅僅將催化劑從PCD的表面處或附近去除；它可能基本上不能如大多數(shù)酸浸出溶液那樣能夠從PCD內(nèi)深處去除催化劑。液體溶液可能不形成具有催化劑的任何形式的復合物或者可僅僅允許催化劑離子進入溶液。

具體地說，液體溶液可以是諸如酸的極性溶劑諸如酸，或醇基或水基液體?？墒褂玫臏睾偷枚嗟乃嵩诨瘜W浸出中是常見的。液體溶液可包括純的或相對純的液體，當催化劑進入它們成為溶質(zhì)時，所述液體變?yōu)槿芤骸?/p>

在一些實施方案中，液體溶液可被選擇為無毒性的、當用在本方法中時不腐蝕人體皮膚、或者是環(huán)境友好的。

液體溶液可處于室溫下，或者其可被加熱。所述液體溶液可通過激光或通過PCD加熱。如果需要，液體溶液可在本方法期間被冷卻以防止其汽化。

在一些實施方案中，一旦液體溶液到達PCD表面，其就可被攪拌或循環(huán)以便通過避開液體溶液內(nèi)的局部催化劑濃度梯度來有助于去除催化劑。例如，其可以被超聲波攪拌。液體溶液還可在這個過程期間被替換以避開阻礙浸出的催化劑濃度。

可選擇PCD被加熱到的溫度以允許選擇性地去除一種或多種催化劑，或者允許去除所有催化劑。例如，所述溫度可處于催化劑開始遷移出PCD的點處或附近或者處于催化劑的熔點處或附近。對于多種催化劑而言，在不同的溫度下重復過程可允許選擇性地區(qū)除一種催化劑，如果期望的話，或者連續(xù)地去除不同的催化劑。例如，Co的熔點是大約1495℃，所以包含Co的PCD可被加熱到大約這一溫度以去除Co。如果存在鎳，那么也可將其去除，因為它具有約1455℃的熔點。在一個實施方案中，在目標是去除存在的所有類型的催化劑的情況下，可將PCD加熱到大約具有最高熔點的催化劑的熔點。在另一個實施方案中，在目標類似于去除存在的所有類型的催化劑的情況下，可將PCD加熱到足以致使所有類型的催化劑從PCD遷移的溫度。在另一個實例中，溫度可升高到最低值以允許至少一種催化劑從PCD遷移。例如，溫度可升高到至少340℃以允許Co遷移。

激光可以是短波激光或微波的任何能量源。激光可以連續(xù)或脈沖方式應用于PCD。其還可被引導到表面的特定部分，從而允許選擇性浸出。例如，PCD的一部分可不浸出而另一部分浸出。可替代地，表面的部分可浸出到不同程度，諸如不同的深度或者具有去除催化劑的不同比例。

在一些實施方案中，PCD可定位在諸如下文圖6中示出的系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)允許激光沿著表面以預定的圖案移動。

激光的局部應用可導致照射區(qū)域的浸出，并且根據(jù)條件還可導致周圍區(qū)域的浸出。激光可致使PCD的金剛石顆粒自發(fā)熱。金剛石具有高熱導率(高達22W/cmK)，所以其迅速地將熱量消散到周圍的催化劑，所述催化劑然后熔化。在催化劑已經(jīng)從PCD表面浸出的實施方案中，金剛石將熱傳遞到下面的催化劑。可以這種方式獲得浸出到超過那些利用最初酸浸出獲得的深度。還可以這種方式獲得部分浸出的PCD的進一步浸出。

一旦催化劑達到足夠的溫度或者超過其熔點的溫度，其就變得可移動并且穿過金剛石顆粒遷移或擴散到金剛石臺的表面，并且然后僅僅由于濃度梯度進入液體溶液。這個概念在圖2中示出，其中PCD 110包含金剛石顆粒120和催化劑130。當激光140照射PCD 110時，催化劑130沿著如圖所示的濃度梯度移動。在一些實施方案中，還可應用磁場以激勵諸如Co的金屬催化劑移動出PCD。這可允許在激光浸出過程期間使用較低溫度。在更加常規(guī)的浸出諸如酸浸出期間(不管單獨使用還是與激光浸出結合使用)磁場還可促使移動。

使用這個方法，所有的或基本上所有的催化劑可從所有或部分PCD去除以產(chǎn)生TSP。在高達至少750℃的溫度在標準大氣壓下，TSP可能不會破裂或石墨化。在其他實施方案中，可從所有或部分PCD去除一定比例的催化劑。例如，可去除至少70％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％、至少98％或至少99％。在再其他實施方案中，催化劑可從表面去除高達一定深度。例如，催化劑可從表面去除，高達至少10微米、至少50微米、至少100微米、至少200微米、至少300微米、至少400微米、至少500微米、至少600微米、至少700微米、至少800微米、至少900微米或至少100微米。催化劑還可被去除到不超過10微米、不超過50微米、不超過100微米、不超過200微米、不超過300微米、不超過400微米、不超過500微米、不超過600微米、不超過700微米、不超過800微米、不超過900微米或不超過1000微米。在另一個實例中，催化劑可在以下深度中的任一個之間的范圍中從表面去除：10微米、50微米、100微米、200微米、300微米、400微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米以及1000微米。在又一個實施方案中，催化劑可被去除到PCD與襯底之間的界面的200微米、100微米或50微米內(nèi)。

圖3呈現(xiàn)拍攝的PCD的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，所述PCD在激光浸出之前被酸浸出到至少400微米。可看見具有約10微米直徑的激光加熱的斑點，這是由于由氧化作用造成的其相對光潔度。使用能量分散光譜儀(EDS)顯微鏡將圖2左邊的白色元素識別成氧化鈷。當鈷遷移到表面并且與空氣中的氧氣反應時，這生產(chǎn)并建立來自激光的所述熱通過金剛石臺傳遞到至少400微米的深度，在其處所述熱量融化遷移到表面的Co。

圖4呈現(xiàn)圖2的PCD在水基液體溶劑中經(jīng)受超聲波攪拌之后的SEM圖像。顯然，從金剛石表面完全或幾乎完全地去除氧化鈷，其預期是由于在金剛石與氧化鈷之間缺少共價鍵。

盡管圖1示出在利用激光加熱之前將PCD放置在液體溶液中，但是如圖2和圖3的實例清楚所示，還可能如圖5所示利用激光首先加熱PCD(如步驟210中所示)，然后將其放置在液體溶液中(如步驟220中所示)。然而，為了獲得足以致使催化劑移動到表面的催化劑濃度梯度，在一些實施方案中，可能需要首先從PCD的表面浸出一些催化劑。在這個實施方案中，催化劑可與空氣反應以形成氧化物。或者，如果在特殊大氣下執(zhí)行激光加熱，那么它可與大氣的另一種組分反應。在一些實施方案中，催化劑可形成金屬硼化物或金屬復合物。在其他實施方案中，一旦PCD放置在液體溶液中，催化劑就可與液體溶液的組分形成復合物。

使用圖1或圖5的方法，可執(zhí)行從液體溶液回收催化劑的任選最終步驟。在大多數(shù)情況下，僅僅調(diào)整pH將足以致使催化劑從液體溶液沉淀為金屬?？商娲?，催化劑可沉淀為鹽，然后進一步被處理以重新形成金屬。這允許重新使用催化劑。此外，這避免諸如Co的有毒物質(zhì)釋放到環(huán)境中或者避免復雜的廢物處理程序。在一些實施方案中，可使用本文公開的激光浸出方法來從使用的或損壞的PCD或襯底去除催化劑。

圖6示出用于執(zhí)行如本文所述的激光浸出的裝置310。裝置310包括具有聚焦透鏡370的激光器140。激光器140用于浸出位于大桶320中的PCD 110。大桶320可包含液體溶液330，根據(jù)使用的激光浸出方法，所述液體溶液330可存在于利用激光器140的照射期間或之后。裝置310還可任選地包括超聲源340或另一個攪拌裝置。PCD 110可位于X-Y平移平臺360上。在一些實施方案中，X-Y平移平臺360可以是可在激光照射期間移動切削機的測微計平移平臺。在圖6B示出的實施方案中，還呈現(xiàn)了旋轉平臺350。在其他實施方案中，PCD 110可在激光照射期間保持不動而相反激光器140可移動。在一些實施方案中，PCD和激光器都可移動。在這些實施方案中的任一個中，可自動控制PCD或激光器移動。例如，自動的平臺控件380a和380b可分別控制X-Y平臺360和旋轉平臺350。在一個實施方案中，X-Y平臺360還可以是旋轉的。

使用圖6的裝置，PCD 110利用來自超聲源340的超聲攪拌浸沒在液體溶液330中。激光器140提供經(jīng)過液體溶液330并且聚焦在PCD 100的所選區(qū)域上的光束。在圖6A中，所選區(qū)域是PCD 110的工作面的一部分。在圖6B中，所選區(qū)域是PCD 110的邊側的一部分。X-Y平移平臺360和旋轉平臺350控制PCD 110的哪些區(qū)域暴露在激光束中。

用于執(zhí)行圖1或圖5的方法的裝置310或另一個裝置還可包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)可包括被編程來促進激光浸出方法的處理器和存儲器。控制系統(tǒng)可控制激光器或PCD或兩者的移動?？刂葡到y(tǒng)可控制激光照射的持續(xù)時間或強度。在一些實施方案中，控制系統(tǒng)可基于與期望的浸出深度相比的已浸出的PCD的一部分的深度來檢測浸出深度并且控制激光器或PCD或兩者的移動以及激光照射的持續(xù)時間或強度。

在另一個實施方案中，其實例在圖7A和圖7B中示出，可位于襯底390上的PCD 110包括基本上不含至少一種催化劑的浸出的區(qū)域400和基本上包含同一催化劑的未浸出的區(qū)域410兩者。構建的浸出邊界420位于這兩個區(qū)域之間。構建的浸出邊界420基本上是非平面的。如圖7A和圖7B中所示，構建的浸出邊界420可由催化劑濃度中的急劇轉變限定。例如，跨過邊界的催化劑濃度可在10微米或更少、5微米或更少或者1微米或更少的距離上相差至少90％、至少80％、至少70％、至少60％或至少50％。在可替代的實施方案中，具體地在金剛石臺的溫度根據(jù)照射的位置而逐漸改變的那些實施方案中，催化劑濃度可經(jīng)受跨過構建的浸出邊界的擴散轉變。例如，跨過邊界的催化劑濃度可在5微米或更多、10微米或更多、20微米或更多或者50微米或更多的距離上相差不到10％或更少、20％或更少、30％或更少、或50％或更少。

因為通常更脆弱并且易于破裂的浸出區(qū)域400中的破裂在其到達未浸出區(qū)域410時可停止或減緩，構建的浸出邊界420可停止或減少PCD 110中的破裂的蔓延。因此，包括構建的浸出邊界420的PCD 110與具有平面浸出邊界的類似PCD相比可具有改善的沖擊強度或更長的使用壽命。

如本文所述的激光浸出方法可特別適于形成構建的浸出邊界420，特別是具有催化劑濃度中的急劇轉變的邊界。

本文所述的過程可被反復應用于同一PCD，例如，以便順序地去除另外的催化劑。此外，本文所述的過程可用于浸出PCD的一部分而不需要在浸出之前掩蔽。

可在土鉆鉆頭上的元件(諸如切削機或耐磨接觸元件)中使用本文所述的PCD激光浸出。

盡管上文僅僅具體地描述了本發(fā)明的示例性實施方案，但是應理解，在不背離本發(fā)明的精神和旨意范圍的情況下，可以對這些實例做出修改和變化。