通過使金剛石納米顆粒功能化來制作聚晶金剛石的方法、包括功能化金剛石納米顆粒的 ...的制作方法
【專利說明】通過使金剛石納米顆粒功能化來制作聚晶金剛石的方法、包括功能化金剛石納米顆粒的生坯體和形成聚晶金剛石切削元件的方法
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請(qǐng)要求2013年3月I日提交的名稱為“Methods of FabricatingPolycrystalIine Diamond by Funct1nalizing Diamond Nanoparticles,GreenBodies Including Funct1nalized Diamond Nanoparticles, and Methods of FormingPolycrystalline Diamond Cutting Elements”的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)栃蛄刑?hào) 13/782，341 的申請(qǐng)日利益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的實(shí)施方案整體上涉及形成聚晶金剛石材料的方法、形成包括聚晶金剛石材料的切削元件的方法以及可用于形成這樣的切削元件的生坯體。
[0004]背景
[0005]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(gè)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(gè)切削元件，其固定連接至鉆頭的鉆頭體。類似地，牙輪鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭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(gè)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(gè)切削元件安裝到鉆頭的每個(gè)錐體。
[0006]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切刀(經(jīng)常稱為“roc”)，其為包括聚晶金剛石(PCD)材料的切削元件。通過在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或其合金和混合物)的存在下在高溫和高壓的條件下將相對(duì)小的金剛石的晶粒或晶體燒結(jié)并結(jié)合在一起以在切削元件基材上形成聚晶金剛石材料層，來形成這樣的聚晶金剛石切削元件。這些過程往往稱為“高壓高溫過程”(“HPHT過程”)。切削元件基材可以是金屬陶瓷材料(即陶瓷-金屬復(fù)合材料)，例如鈷-燒結(jié)碳化鎢。在這樣的情況下，切削元件基材中的鈷或其它催化劑材料可以在燒結(jié)過程中被吸入到金剛石晶?；蚓w中并且充當(dāng)用于從所述金剛石晶粒或晶體形成金剛石臺(tái)的催化劑材料。在其它方法中，可在將晶?；蚓w在HPHT過程中燒結(jié)在一起之前將粉末狀的催化劑材料與金剛石晶?；蚓w混合。
[0007]鈷，其在燒結(jié)過程中常用來形成P⑶材料，在約1495°C下熔化?？梢酝ㄟ^將鈷與碳或另外的元素合金化來降低熔化溫度，因此可以在高于約1450°C的溫度下進(jìn)行含鈷體的HPHT燒結(jié)。在使用HPHT過程形成金剛石臺(tái)時(shí)，催化劑材料可以保留在所得的聚晶金剛石臺(tái)中的金剛石晶粒或者晶體之間的間隙空間中。當(dāng)在使用過程中加熱切削元件時(shí)，由于在切削元件與地層之間的接觸點(diǎn)處的摩擦，催化劑材料在金剛石臺(tái)中的存在可導(dǎo)致金剛石臺(tái)中的熱損壞。其中催化劑材料保留在金剛石臺(tái)中的聚晶金剛石切削元件通常是熱穩(wěn)定的直到約750°C的溫度，但是聚晶金剛石臺(tái)內(nèi)的內(nèi)部應(yīng)力可在超過約350°C的溫度下開始發(fā)展。該內(nèi)部應(yīng)力至少部分是由于金剛石臺(tái)和與其結(jié)合的切削元件基材之間的熱膨脹速率的差異。熱膨脹速率的這種差別可導(dǎo)致在金剛石臺(tái)與基材之間的界面處相對(duì)大的壓縮和拉伸應(yīng)力，并可導(dǎo)致金剛石臺(tái)從基材脫層。在約750°C以上的溫度下，由于金剛石臺(tái)本身內(nèi)的金剛石材料與催化劑材料的熱膨脹系數(shù)的差異，金剛石臺(tái)內(nèi)的應(yīng)力可顯著增加。例如，鈷熱膨脹顯著快于金剛石，這可導(dǎo)致裂紋在包括鈷的金剛石臺(tái)內(nèi)形成和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金剛石臺(tái)的劣化和切削元件的無效。
[0008]為減少與聚晶金剛石切削元件中不同的熱膨脹速率相關(guān)的問題，開發(fā)了所謂的“熱穩(wěn)定的”聚晶金剛石(TSD)切削元件?？赏ㄟ^例如使用酸從金剛石臺(tái)中的金剛石晶粒之間的間隙空間浸出催化劑材料(例如鈷)來形成這樣的熱穩(wěn)定的聚晶金剛石切削元件。可以從金剛石臺(tái)移除所有的催化劑材料，或可以僅移除一部分。報(bào)道了其中從金剛石臺(tái)浸出基本上所有的催化劑材料的熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削元件為熱穩(wěn)定的直到約1200°C的溫度。然而還報(bào)道了:與未浸出的金剛石臺(tái)相比，完全浸出的金剛石臺(tái)是相對(duì)更脆并且容易受到剪切、壓縮和拉伸應(yīng)力。為了努力提供具有相對(duì)于未浸出的金剛石臺(tái)是更加熱穩(wěn)定、但是相對(duì)于完全浸出的金剛石臺(tái)也相對(duì)不太脆并且不太容易受到剪切、壓縮和拉伸應(yīng)力的金剛石臺(tái)的切削元件，提供切削元件，其包括金剛石臺(tái)，其中從金剛石臺(tái)浸出所述催化劑材料的僅一部分。
[0009]發(fā)明概述
[0010]在一些實(shí)施方案中，制作聚晶金剛石的方法，包括:采用氟使金剛石納米顆粒的表面功能化，將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合以形成混合物，和使該混合物經(jīng)受高壓和高溫(HPHT)條件，以在金剛石納米顆粒之間形成晶間結(jié)合。
[0011]在某些實(shí)施方案中，生坯體包括采用氟功能化的多個(gè)金剛石納米顆粒和散布有該多個(gè)金剛石納米顆粒的聚合物材料。
[0012]在其它實(shí)施方案中，形成切削元件的方法，包括:采用氟使金剛石納米顆粒的表面功能化，并且將功能化的金剛石納米顆粒與聚合物組合以形成混合物。在本體上方提供該混合物，并且使該混合物與本體經(jīng)受HPHT條件，以在金剛石納米顆粒之間形成晶間結(jié)合并將結(jié)合的金剛石納米顆粒固定于該本體。
[0013]附圖簡(jiǎn)要說明
[0014]圖1是說明金剛石納米顆粒的簡(jiǎn)化視圖；
[0015]圖2是說明圖1的金剛石納米顆粒在采用氟功能化后的簡(jiǎn)化視圖；
[0016]圖3是說明與聚合物混合的圖2的功能化的金剛石納米顆粒的簡(jiǎn)化視圖；
[0017]圖4是說明包括圖3的功能化的金剛石納米顆粒和聚合物的材料片材的簡(jiǎn)化視圖；
[0018]圖5是說明與金剛石砂粒混合的圖3的功能化的金剛石納米顆粒和聚合物的簡(jiǎn)化視圖；
[0019]圖6是生坯體的局部剖開的透視圖，該生坯體包括在基材上方的顆粒-聚合物混合物體積；
[0020]圖7是通過使圖6的結(jié)構(gòu)經(jīng)受HPHT燒結(jié)過程而形成的切削元件的局部剖開的透視圖；和
[0021]圖8說明了固定式切刀鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭，其包括聚晶金剛石切削元件，例如在圖7中所示的切削元件。具體實(shí)施方案
[0022]在這里所呈現(xiàn)的說明并不意味著是任何特定的材料、設(shè)備、系統(tǒng)或方法的實(shí)際視圖，而是用于描述某些實(shí)施方案的僅僅理想化的表示。為了在說明中清楚起見，實(shí)施方案當(dāng)中的共同的各種特征和元件可以用相同或類似的附圖標(biāo)記引用。
[0023]如在這里所使用的，術(shù)語“鉆頭”是指并包括在井眼的形成或擴(kuò)大過程中用于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、取心鉆頭、偏心鉆頭、雙中心鉆頭、擴(kuò)孔鉆、可膨脹擴(kuò)孔鉆、磨機(jī)、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、混合式鉆頭和本領(lǐng)域中已知的其它鉆探頭和工具。
[0024]術(shù)語“聚晶材料”是指并包括包含通過晶間結(jié)合直接結(jié)合在一起的材料的多個(gè)晶粒(即晶體)的任何材料。所述材料的單獨(dú)晶粒的晶體結(jié)構(gòu)在聚晶材料內(nèi)的空間中可以是無規(guī)取向的。
[0025]如在這里所使用的，術(shù)語“晶間結(jié)合”是指并包括材料的相鄰晶粒內(nèi)的原子之間的任何直接的原子鍵(例如離子的、共價(jià)的、金屬的，等等)。
[0026]如在這里所使用的，術(shù)語“晶粒尺寸”是指并包括從經(jīng)過塊體材料的二維截面測(cè)量的幾何平均直徑。可以使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)來確定一組顆粒的幾何平均直徑，例如在 Ervin E.Underwood, QUANTITATIVE STERE0L0GY, 103-105(Addison-ffesley PublishingCompany, Inc., 1970)中提出的那些。
[0027]圖1是說明金剛石納米顆粒100的簡(jiǎn)化視圖?？赏ㄟ^化學(xué)氣相沉積、爆轟合成、機(jī)械研磨或任何其它方法來形