形成多晶臺和多晶元件的方法和相關結(jié)構的制作方法
【專利摘要】形成多晶臺的方法，其包括將包含超級磨料材料的多個粒子、包含硬質(zhì)材料的基底和催化劑材料置于模具中。將該多個粒子在催化劑材料存在下部分燒結(jié)，以形成附著于基底端部的具有第一滲透性的半生多晶臺。將該基底從該半生多晶臺上除去，和將催化劑材料從該半生多晶臺上除去。然后完全燒結(jié)該半生多晶臺，以形成具有降低的、第二滲透性的多晶臺。在將多晶臺附著于基底的過程中形成了包括基本上完全浸提的半生多晶臺的中間結(jié)構。該基本上完全浸提的半生多晶臺包含多個超級磨料材料的相互鍵合的晶粒。
【專利說明】形成多晶臺和多晶元件的方法和相關結(jié)構
[0001]優(yōu)先權要求
[0002]本申請要求2011年3月4日提交的美國專利申請序列號13/040，861、名為“形成多晶臺和多晶元件的方法和相關結(jié)構”的提交日權益。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明的實施方案總體上涉及形成超級磨料材料多晶臺的方法，形成超級磨料多晶元件的方法，和相關結(jié)構。具體地，本發(fā)明的實施方案涉及將完全浸提的或者基本上完全浸提的超級磨料材料多晶臺附著于基底來形成多晶元件的方法，和與之有關的中間結(jié)構。
[0004]發(fā)明背景
[0005]用于在地下地層形成井筒的鉆地工具可以包括多個固定在機身上的切割元件。例如，固定切削刃鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭(也稱作“刮刀鉆頭”)包括多個切割元件，其固定附著于鉆頭的鉆頭體。類似地，牙輪鉆地旋轉(zhuǎn)鉆頭可以包括錐體，其安裝到從鉆頭體的支架延伸的軸承銷，以使得每個錐體都能夠繞著它安裝到其上的軸承銷旋轉(zhuǎn)。多個切割元件可以安裝到鉆頭的每個錐體。
[0006]用于在這種鉆地工具的切割元件經(jīng)常包括多晶金剛石復合片(經(jīng)常稱作“PDC”)切割元件，也稱作“刀具”，其是包括多晶金剛石(P⑶)材料的切割元件，其特征是可以作為超級磨料或者超硬材料。這種多晶金剛石材料是如下來形成的:將相對小的合成的、天然的或者合成和天然金剛石晶?；蚓w的組合(稱作“磨光粉”)在高溫和高壓條件下，在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或它們的合金和混合物)存在下燒結(jié)和結(jié)合在一起，來形成多晶金剛石材料層，也稱作金剛石臺。這些處理經(jīng)常稱作高溫/高壓(“HTHP”)處理。切割元件基底可以包含金屬陶瓷材料，即陶瓷-金屬復合材料，例如鈷燒結(jié)碳化鎢。在一些情況中，多晶金剛石臺可以例如在HTHP燒結(jié)處理過程中，形成在元件上。在這種情況中，切割元件基底中的鈷或其他催化劑材料可以在燒結(jié)過程中進入金剛石晶?；蚓w中，并且充當催化劑材料，用于由金剛石晶?；蚓w來形成金剛石臺。在將晶?；蛘呔w一起在HTHP處理中燒結(jié)之前，粉末化的催化劑材料還可以與金剛石晶?；蚓w混合。但是在其他方法中，該金剛石臺可以與切割元件基底分別形成，隨后附著其上。
[0007]為了減少與PDC切割元件中金剛石晶體的熱膨脹差異和化學裂解有關的問題，已經(jīng)開發(fā)了“熱穩(wěn)定的”多晶金剛石復合片(其也稱作熱穩(wěn)定的產(chǎn)物或者“TSP”)。這種熱穩(wěn)定的多晶金剛石復合片可以通過將催化劑材料從金剛石臺中的相互鍵合的晶粒之間的間隙中浸提出來而形成。但是，常規(guī)金剛石臺會需要長至五周或者甚至更長時間來從相互鍵合的晶粒之間的間隙中浸提基本上全部的催化劑材料，這減慢了生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一些實施方案中，本發(fā)明包括形成多晶臺的方法，其包括將包含超級磨料材料的多個粒子、包含硬質(zhì)材料的基底和催化劑材料置于模具中。在該催化劑材料存在下部分燒結(jié)該多個粒子，以形成附著于基底端部的具有第一滲透性的半生多晶臺。將該基底從該半生多晶臺除去，和將催化劑材料從該半生多晶臺除去。然后完全燒結(jié)該半生多晶臺，以形成具有降低的、第二滲透性的多晶臺。
[0009]在其他實施方案中，本發(fā)明包括形成多晶元件的方法，包括在催化劑材料和包含硬質(zhì)材料的基底存在下部分燒結(jié)包含超級磨料材料的多個粒子，來形成附著于該基底端部的半生多晶臺。除去該基底，和從該半生多晶臺浸提出該催化劑材料。然后將該半生多晶臺置于另一基底。在另一不同的催化劑材料和其他基底存在下充分燒結(jié)該半生多晶臺，來形成附著于其他基底端部的多晶臺。
[0010]在另外的實施方案中，本發(fā)明包括在將多晶臺附著于基底的過程中形成的包括基本上完全浸提的半生多晶臺的中間結(jié)構。該基本上完全浸提的半生多晶臺包含多個超級磨料材料的相互鍵合的晶粒。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]雖然說明書結(jié)束于具體指出和明確主張何為本發(fā)明的權利要求書，但是當結(jié)合附圖來閱讀時，可以從下面對本發(fā)明實施方案的說明中更容易地確定本發(fā)明實施方案的不同特征和優(yōu)點，附圖中:
[0012]圖1是在將多晶臺附著于基底的過程中，位于模具中的第一多個粒子和第二多個粒子的圖示；
[0013]圖2是在將多晶臺附著于基底的過程中所形成的第一中間結(jié)構的圖示；
[0014]圖3是在將多晶臺附著于基底的過程中所形成的另一中間結(jié)構的圖示；
[0015]圖4是在將多晶臺附著于基底的過程中，位于模具中的基底上的半生多晶臺的圖示；
[0016]圖5是附著于基底的完全燒結(jié)的多晶臺的圖示；
[0017]圖6是通過圖1到5所示的方法形成的切割元件的透視圖；
[0018]圖7是通過圖1到5所示的方法形成的另一切割元件的透視圖；
[0019]圖8A是在將多晶臺附著于基底的過程的另一實施方案中，位于附著于基底的完全燒結(jié)的多晶臺上的半生多晶臺的圖示；
[0020]圖8B是圖8A的附著于基底的完全燒結(jié)的多晶臺的俯視圖；
[0021]圖9是附著于基底的完全形成的多晶臺的圖示。
[0022]圖10是通過圖8和9所示的方法形成的切割元件的透視圖；
[0023]圖11是通過圖8和9所示的方法所形成的另一切割元件的透視圖；和
[0024]圖12是具有附著于其上的切割元件的鉆地鉆頭的透視圖。
【具體實施方式】
[0025]這里所提出的圖示并不表示任何具體的鉆地工具、切割元件或軸承的實際視圖，而僅僅是理想化的表示，其用于描述本發(fā)明的實施方案。此外，圖之間共同的元件能夠保持相同或類似的附圖標記。
[0026]作為此處使用的，術語“鉆地工具”和“鉆地鉆頭”表示和包括在形成和擴大地層中的井筒的過程中用于鉆探的任何類型的鉆頭或者工具，并且包括例如固定切削刃鉆頭、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、研磨機、刮刀鉆頭、混合式鉆頭和本領域已知的其他鉆頭和工具。
[0027]作為此處使用的，術語“超級磨料材料”表示和包括Knoop硬度值為約3000Kgf/mm2(29,420MPa)或更高的任何材料。超級磨料材料包括例如金剛石和立體氮化硼。超級磨料材料也可以描述為“超硬”材料。
[0028]作為此處使用的，術語“多晶臺”表示和包括包含通過晶粒間鍵而直接結(jié)合在一起的材料的多個晶粒(即晶體)(例如超級磨料材料的晶粒)。所述材料單個晶粒的晶體結(jié)構可以在多晶材料內(nèi)的空間中無規(guī)定向。
[0029]作為此處使用的，術語“晶粒間鍵”和“相互鍵合的”表示和包括在超級磨料材料相鄰晶粒的原子之間的任何直接原子鍵(例如共價鍵，金屬鍵等)。
[0030]作為此處使用的，術語“生坯”表示未燒結(jié)的。
[0031]作為此處使用的，術語“生坯部件”表示一種未燒結(jié)的結(jié)構，其包含多個離散粒子，其可以通過粘合劑材料而保持在一起，該未燒結(jié)的結(jié)構具有一定的尺寸和形狀，使得通過隨后的制造過程(包括但不限于機械加工和致密化)，由該結(jié)構形成適用于鉆地應用的部件和組件。
[0032]作為此處使用的，術語“半生”表示部分燒結(jié)的。
[0033]作為此處使用的，術語“半生部件”和“半生多晶臺”表示包含多個粒子的部分燒結(jié)的結(jié)構，多個粒子中的至少一些部分地一起生長來在相鄰粒子間提供至少部分的鍵合，該結(jié)構具有一定的尺寸和形狀，使得通過隨后的制造過程(包括但不限于機械加工和進一步致密化)由該結(jié)構形成適用于鉆地應用的部件。半生部件可以例如通過部分燒結(jié)生坯部件來形成。
[0034]作為此處使用的，術語“燒結(jié)”表示溫度驅(qū)動的質(zhì)量傳輸，其可以包括微粒組分的致密化和/或粗化，并且典型地包括除去起始粒子之間的至少一部分的孔(通過收縮完成)，并結(jié)合相鄰粒子之間的聚結(jié)和鍵合。
[0035]作為此處使用的，術語“材料組成”表示材料的化學組成和微觀結(jié)構。換句話說，具有相同化學組成但是不同微觀結(jié)構的材料被認為具有不同的材料組成。
[0036]作為此處使用的，術語“碳化鎢”表示包含鎢和碳的化合物(例如WC、W2C以及WC和W2C的組合)的任何材料組合物。碳化鎢包括例如鑄造碳化鎢、燒結(jié)碳化鎢和粗晶碳化鎢。
[0037]參見圖1，顯示了在形成和同時將多晶臺附著于基底102的過程中，位于模具104中的多個超級磨料材料粒子100和基底102的圖示。該多個粒子100可以位于模具104中，并且可以包含超級磨料材料例如合成金剛石、天然金剛石、合成金剛石和天然金剛石的組合、立體氮化硼、氮化碳或者本領域已知的其他超級磨料材料。多個粒子100可以包含單峰尺寸分布或多峰(例如雙峰、三峰等)尺寸分布。
[0038]基底102同樣可以位于模具104中，并且可以包含預燒結(jié)部分?；?02可以包含適用于鉆地應用的硬質(zhì)材料。例如，硬質(zhì)材料可以包括陶瓷-金屬復合材料(即“金屬陶瓷”材料)，其包含分散在整個金屬基質(zhì)材料中的多個硬質(zhì)陶瓷粒子。硬質(zhì)陶瓷粒子可以包括碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具體地，硬質(zhì)陶瓷粒子可以包括由元素如W、T1、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si制成的碳化物和硼化物。作為舉例而非限制，可以用于形成硬質(zhì)陶瓷粒子的材料包括碳化鎢、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、二硼化鈦(TiB2)、碳化鉻、氮化鈦(TiN)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和碳化硅(SiC)。陶瓷-金屬復合材料的金屬基質(zhì)材料可以包括例如鉆基、鐵基、鎮(zhèn)基、鐵和鎮(zhèn)基、鉆和鎮(zhèn)基、以及鐵和鈷基合金。該基質(zhì)材料還可以選自市售的純單質(zhì)，例如鈷、鐵和鎳。作為一個具體的非限定性的例子，該硬質(zhì)材料可以包括在鈷基質(zhì)中的多個碳化鎢粒子。
[0039]多個粒子100可以作為一個或多個層提供在模具104中的基底上。例如，該多個粒子100顯示為分布在基底102端部的粒子層，并且基底102位于模具104中的第一多個粒子100的上面。在其他實施方案中，該第一多個粒子100可以位于模具104中的基底102。如果使用大于一層的粒子，則不同的層可以具有不同的平均粒度，或者混合的(雙峰、三峰等)平均粒度。
[0040]催化劑材料106也可以提供在模具104中。催化劑材料106可以包括例如鈷、鐵、鎮(zhèn)、鉆基、鐵基、鎮(zhèn)基、鐵和鎮(zhèn)基、鉆和鎮(zhèn)基、以及鐵和鉆基合金或者現(xiàn)有技術已知的其他催化劑材料。催化劑材料106可以包括分布在例如多個粒子100中的催化劑粉末。替代地，元件例如圓片狀、箔狀或者網(wǎng)狀的催化劑材料可以位于模具104中的多個粒子100和基底102之間。此外，例如在基底102包含金屬陶瓷材料和該金屬基質(zhì)包含催化劑材料106的情況中，催化劑材料106可以位于(即作為成分混入)基底102中。包含可通過浸提方法除去的材料的另一多個粒子108也可以任選地提供在模具104中。例如，另一多個粒子108可以分布在模具104中的第一多個粒子100中。
[0041]模具104可以包括一種或多種通常杯形元件，例如杯形元件114a、杯形元件114b和杯形元件114c，其可以組裝和壓模和/或焊接在一起來形成模具104。第一多個粒子100、基底102、催化劑材料106和任選的其他多個粒子108可以位于內(nèi)杯形元件114c中，如圖1所示，該內(nèi)杯形元件114c具有圓形端壁和從該圓形端壁垂直延伸的通常圓柱形的側(cè)壁，由此該內(nèi)杯形元件114c通常是圓柱體，并且包括第一封閉端和第二、對面的開放端。
[0042]然后，多個粒子100、基底102和任選的另一多個粒子108可以在催化劑材料106存在下進行燒結(jié)處理。例如，HTHP處理可以用于部分燒結(jié)第一多個粒子100。HTHP處理中所用的峰溫度可以超過1320°C，并且可以例如是約1400°C。HTHP處理中所用的峰壓力可以是至少約5GPa。模具104中的多個粒子100、基底102、催化劑材料106和任選的另一多個粒子108可以在峰壓力和溫度保持足夠的時間，來使得多個粒子100中晶粒生長和相互鍵合，同時多個粒子100保持尚未完全燒結(jié)。例如，模具104中的多個粒子100、基底102、催化劑材料和任選的另一多個粒子108可以在峰壓力和溫度保持小于約5分鐘。
[0043]參見圖2，顯示了在將多晶臺附著于基底的過程中形成的第一中間結(jié)構110。第一中間結(jié)構110可以包括半生多晶臺112。半生多晶臺112可以是部分燒結(jié)的。因此，至少一些超硬制成品材料的晶?？梢砸黄鹕L，和形成晶粒間鍵。在一些實施方案中，超硬材料晶粒的晶粒生長可以是最小化的。例如，超硬材料的晶粒可以表現(xiàn)出小于5μπι的晶粒生長。第一中間結(jié)構110可以包括附著于完全燒結(jié)的基底102端部的半生多晶臺112。在其他實施方案中，第一中間結(jié)構110可以包括附著于半生基底端部的半生多晶臺112。
[0044]參見圖3，顯示了在將多晶臺附著于基底的過程中形成的另一中間結(jié)構116。該另一中間結(jié)構116可以包括從基底102上脫離后的半生多晶臺112 (參見圖2)?；?02可以例如通過放電加工(EDM)、激光加工、研磨、碳化物超聲波加工或者本領域已知的用于除去包含硬質(zhì)材料的基底102的其他方法來除去。在除去基底102后，半生多晶臺112會表現(xiàn)出足夠的結(jié)構強度而獨立于任何外部支撐保持它的形狀。
[0045]另一中間結(jié)構116還可以包括從其中浸提了材料之后的半生多晶臺112。半生多晶臺112可以完全浸提或者基本上完全浸提，通過浸提劑除去半生多晶臺112的超級磨料材料之外的全部或者基本全部的材料。因此，催化劑材料106和可通過浸提劑除去的其他材料例如可以從半生多晶臺112中浸提出來。浸提劑可以包括例如王水或者本領域已知的其他浸提劑。在浸提之前，半生多晶臺112可以包含例如大于10體積％的催化劑材料106和可通過浸提劑除去的其他材料。在一些實施方案中，半生多晶臺112可以包含大于15體積％的催化劑材料106和可通過浸提劑除去的其他材料。催化劑材料106和可通過浸提劑除去的其他材料可以賦予半生多晶臺112更大的滲透性，從而縮短浸提時間。
[0046]當與完全燒結(jié)的多晶臺的浸提率相比時，半生多晶臺112會表現(xiàn)出提高的浸提率。例如，在半生多晶臺112的厚度t是約2_的實施方案(圖2)中，半生多晶臺112會需要小于約兩周來從中浸提出半生多晶臺112的超級磨料材料之外的全部或者基本上全部的材料。因此，半生多晶臺112的滲透性可以等于或大于完全燒結(jié)的多晶臺的最終滲透性。
[0047]參見圖4，半生多晶臺112可以位于模具104’中，模具104’可以與前面圖1所述的模具104相同，或者可以是另一模具。半生多晶臺112可以位于第二完全燒結(jié)的基底102’端部。在其他實施方案中，基底102’可以包括生坯或者半生部件。其他基底102’可以包含硬質(zhì)材料，例如在前面圖1所示的第一基底102中所述的任何硬質(zhì)材料。催化劑材料106’也可以位于模具中。例如，圓片狀、箔狀或者網(wǎng)狀的催化劑材料106’可以插入到半生多晶臺112和基底102’之間。此外，例如在基底102’包含金屬陶瓷材料和金屬基質(zhì)包含催化劑材料106’的情況中，催化劑材料106’可以位于基底102’中。催化劑材料106’可以包含不同于圖1和2所述方法中所用的第一催化劑材料106的第二催化劑材料，或者可以包含相同的催化劑材料。
[0048]半生多晶臺112和基底102’可以在催化劑材料106’存在下進行燒結(jié)處理，來完全燒結(jié)半生多晶臺112和將它附著于基底102’端部。該燒結(jié)處理可以是本領域已知的HTHP處理。在該燒結(jié)處理中，半生多晶臺112的超級磨料材料晶粒的晶粒生長不會最小化。在該燒結(jié)處理中，催化劑材料106’可以從基底102’進入半生多晶臺112中，填充相互鍵合的超硬材料晶粒之間的至少一些間隙。
[0049]參見圖5，顯示了通過燒結(jié)半生多晶臺112(參見圖4)所形成的完全燒結(jié)的多晶臺124。多晶臺124位于并附著于完全燒結(jié)的基底102’的端部。因此，可以形成切割元件128，其包括附著于基底102’上的完全燒結(jié)的多晶臺124。多晶臺124可以具有小于半生多晶臺112滲透性的最終滲透性。多晶臺124可以包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒中的間隙，該間隙占多晶臺124的小于10體積％。一些間隙可以包括從基底102’遷移到多晶臺124中的催化劑材料106’。
[0050]多晶臺124在附著于基底102’之后可以進行另一浸提處理?？梢允褂媒釀├缤跛蛘弑绢I域已知的其他浸提劑從多晶臺124中除去催化劑材料106’。例如，多晶臺124可以浸提到從多晶臺124的切割表面130朝著基底102’延伸的選擇的深度d。浸提深度d可以小于多晶臺124的總厚度t。在一些實施方案中，該浸提深度d可以小于多晶臺124總厚度t的一半。在其他實施方案中，浸提深度d可以大于多晶臺124的總厚度t的一半。在仍然其他的實施方案中，浸提深度d可以等于或基本等于多晶臺124的厚度t。在一些實施方案中，催化劑材料106’也可以除去到從多晶臺124的徑向外周的徑向深度。在仍然另外的實施方案中，浸提深度d可以在多晶臺124整個的徑向上、角方向上或者兩者上不同。在一些實施方案中，催化劑材料106’可以以一定的式樣除去，或者僅從多晶臺124中所選擇的體積除去。
[0051]參見圖6,顯示了通過圖1到5所示的方法形成的切割元件128。該切割元件128可以包括位于和附著于基底102’端部的多晶臺124。多晶臺124可以構成圓片和基底102’可以構成圓柱。參見圖7，顯示了通過圖1到5所示的方法形成的另一切割元件128’。該切割元件128’可以包括位于和附著于基底102’的端部的多晶臺124’。多晶臺124’可以構成圓頂例如半球，和基底102’可以構成圓柱。在其他實施方案中，多晶臺和基底可以具有其他形式，例如鑿形、碑形或者現(xiàn)有技術已知的其他形狀或形式。
[0052]參見圖8A和SB，顯示了半生多晶臺112，其位于附著于基底134端部的完全燒結(jié)的多晶臺132。半生多晶臺112可以使用圖1到3所示的方法來形成。附著于基底134端部的完全燒結(jié)的多晶臺132可以使用現(xiàn)有技術已知的常規(guī)方法形成為常規(guī)切割元件136。然后，完全燒結(jié)的多晶臺132可以研磨到小于它的初始厚度的厚度t’。在其他實施方案中，切割元件136可以形成為具有降低的整體厚度t’ ’，以適應半生多晶臺112的厚度t。半生多晶臺112可以位于與基底134附著于模具104’’中相對的完全燒結(jié)的多晶臺132的端部。在一些實施方案中，催化劑材料106可以位于完全燒結(jié)的多晶臺132和半生多晶臺112之間。例如，箔狀或圓片狀的催化劑材料106可以插入完全燒結(jié)的多晶臺132和半生多晶臺112之間。
[0053]完全燒結(jié)的多晶臺132和基底134之間的界面139可以包括非平面界面設計。例如，該非平面界面設計可以包括多個交替的凸起和凹進、同心環(huán)、徑向延伸的輻條或者本領域已知的其他非平面界面設計。在完全燒結(jié)的多晶臺132被研磨到小于它的初始厚度的厚度t’的實施方案中，基底134的部分可以在與界面139相對的完全燒結(jié)的多晶臺132的表面141處暴露，如圖SB最佳所示。在其他實施方案中，非平面界面設計可以甚至不需研磨而在完全燒結(jié)的多晶臺132的半生多晶臺112所附著的表面141處暴露基底134的部分。因此，該非平面界面設計可以使得基底134中存在的催化劑材料106具有從基底134到半生多晶臺112的更大的直接流道。
[0054]半生多晶臺112、完全燒結(jié)的多晶臺132和基底134可以進行燒結(jié)處理，來完全燒結(jié)該半生多晶臺112和將該半生多晶臺112附著于完全燒結(jié)的多晶臺132。該燒結(jié)處理可以是現(xiàn)有技術已知的HTHP處理。在該燒結(jié)處理過程中，半生多晶臺112的超級磨料材料晶粒的晶粒生長不會最小化。在該燒結(jié)處理過程中，催化劑材料可以從完全燒結(jié)的多晶臺132、從基底134或者從兩者進入半生多晶臺112中，填充到超級磨料材料的相互鍵合的晶粒的間隙中。另外，半生多晶臺112的超級磨料材料晶?？梢耘c完全燒結(jié)的多晶臺132的超級磨料材料晶粒形成晶粒間鍵。
[0055]圖9顯示了附著于基底134的完全形成的多晶臺124’’的圖示。多晶臺124’’可以包括一次的半生多晶臺112和在燒結(jié)后完全燒結(jié)的多晶臺132。因為晶粒間鍵可以在上述燒結(jié)處理過程中，在半生多晶臺112的超級磨料材料晶粒和完全燒結(jié)的多晶臺132的超級磨料材料晶粒之間形成，所以其間的邊界137在多晶臺124’’中可能是不可分辨的。多晶臺124’’位于和附著于完全形成的基底134。因此，可以形成包括附著于基底134的多晶臺124’’的切割元件128’’。多晶臺124’’可以具有小于半生多晶臺112滲透性的最終滲透性。多晶臺124’’可以包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒中的間隙，該間隙占多晶臺124’’的小于10體積％。一些間隙可以包括從完全燒結(jié)的多晶臺132和基底134遷移到多晶臺124’’中的催化劑材料106。
[0056]多晶臺124’’在附著于基底134之后可以進行另一浸提處理?？梢允褂媒釀├缤跛蛘攥F(xiàn)有技術已知的其他浸提劑從多晶臺124’’中除去催化劑材料。多晶臺124’’可以浸提到從多晶臺124’’的切割表面130’朝著基底134延伸的選擇的深度d。浸提深度d可以小于多晶臺124’’的總厚度t和t’。在一些實施方案中，浸提深度d可以小于多晶臺124’’的總厚度t和t’的一半。在其他實施方案中，浸提深度d可以大于多晶臺124’’的總厚度t和t’的一半。在其他實施方案中，浸提深度d可以至少基本上等于由一次半生多晶臺112形成的多晶臺124’’的部分，和因此至少基本上等于半生多晶臺112的厚度t。在仍然其他的實施方案中，浸提深度d可以等于或者基本等于多晶臺124’ ’的厚度t和t’。如上所述，還可以進行從多晶臺124’’側(cè)面徑向向內(nèi)的浸提。
[0057]在一些實施方案中，可以選擇完全燒結(jié)的多晶臺132以具有低滲透性。例如，完全燒結(jié)的多晶臺132可以包括如Lyons等人的名為“POLYCRYSTALLINETABLES, POLYCRYSTALLINE ELEMENTS, AND RELATED METHODS” 且具有代理人案卷號N0.1684-10356US(CUT4-51771-US)的美國專利申請所述的微觀結(jié)構。例如，完全燒結(jié)的多晶臺132可以具有低的滲透性，其對于2_的厚度t’表現(xiàn)為大于約五周來從完全燒結(jié)的多晶臺132基本上完全除去催化劑材料的浸提速率。在完全燒結(jié)的多晶臺132具有低滲透性的實施方案中，由完全燒結(jié)的多晶臺132所形成的多晶臺124’’的部分在浸提多晶臺124’’的過程中可以充當浸提劑的阻擋層。因此，可以通過由具有低滲透性的完全燒結(jié)的多晶臺132所形成的多晶臺124’’的一部分來阻擋浸提劑流過多晶臺124’’。在完全燒結(jié)的多晶臺132具有低滲透性的實施方案中，為了確保充分催化半生多晶臺112(參見圖8A和SB)，催化劑材料106可以位于半生多晶臺112和完全燒結(jié)的多晶臺132之間。另外地或者替代地，非平面界面設計可以在完全燒結(jié)的多晶臺132的半生多晶臺所附著的表面141處暴露基底134的部分，來為催化劑材料106提供從基底134流向半生多晶臺112的更大的直接流道。
[0058]參見圖10，顯示了通過圖8和9所示的方法所形成的切割元件128’ ’。切割元件128’’可以包括位于和附著于基底134端部的多晶臺124’’。多晶臺124’’可以構成圓片和基底134可以構成圓柱。參見圖11，顯示了通過圖8和9所示的方法所形成的另一切割元件128’’’。切割元件128’’’可以包括位于和附著于基底134端部的多晶臺124’’’。多晶臺124’’’可以構成圓頂例如半球，和基底134可以構成圓柱。在其他實施方案中，多晶臺和基底可以具有其他形式，例如鑿形、碑形或者現(xiàn)有技術已知的其他形狀或形式。
[0059]參見圖12，具有切割元件128 (例如在前面圖6、7、IO和11中所述的切割元件128、128’、128’’、128’’’)的鉆地鉆頭138的透視圖，至少一個切割元件128具有附著其上的本發(fā)明的多晶臺124。鉆地鉆頭138包括鉆頭體140，其具有從鉆頭體140延伸的刀片142。切割元件128可以固定在刀片142中形成的凹處144中。但是，此處所述的切割元件128和多晶臺124可以結(jié)合到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、擴眼鉆頭、可膨脹擴眼鉆頭、研磨機、混合式鉆頭和本領域已知的其他鉆頭和工具。
[0060]雖然已經(jīng)在此就某些實施方案來描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員將認可和理解它不限于此。而是可以對此處所述的實施方案進行多種增加、刪減和修改，而不脫離下面請求保護的本發(fā)明的范圍，包括其法律上的等價物。另外，來自一個實施方案的特征可以與另一實施方案的特征相結(jié)合，同時仍然包括在本發(fā)明人所意圖的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種形成多晶臺的方法，其包括: 將包含超級磨料材料的多個粒子、包含硬質(zhì)材料的基底和催化劑材料置于模具中； 在該催化劑材料存在下部分燒結(jié)該多個粒子，以形成附著于該基底端部的具有第一滲透性的半生多晶臺； 將該基底從該半生多晶臺除去； 將催化劑材料從該半生多晶臺除去；和 完全燒結(jié)該半生多晶臺，以形成具有降低的、第二滲透性的多晶臺。
2.權利要求1的方法，其進一步包括: 在部分燒結(jié)該多個例子的過程中，使包含超級磨料材料的第一多個粒子的晶粒生長最小。
3.權利要求1的方法，其中完全燒結(jié)該半生多晶臺以形成多晶臺包括將該多晶臺附著于另一基底的端部。
4.權利要求1的方法，其中從該半生多晶臺除去催化劑材料包括從該半生多晶臺除去至少基本上全部的催化劑材料。
5.權利要求1-4任一項的方法,其進一步包括: 在燒結(jié)之前，將包含可通過浸提劑除去的非催化劑材料的另一多個粒子分配到該第一多個粒子中；和 與除去該催化劑材料基本上同時地從該半生多晶臺除去可通過浸提劑除去的該非催化劑材料。
6.權利要求1-4任一項的方法,其進一步包括: 在完全燒結(jié)該半生多晶臺之前，將該半生多晶臺置于附著于該基底端部的完全燒結(jié)的多晶臺上。
7.權利要求6的方法，其進一步包括: 在完全燒結(jié)的多晶臺的該半生多晶臺所附著的表面處暴露至少一部分的該基底。
8.權利要求6的方法，其進一步包括: 選擇該完全燒結(jié)的多晶臺以具有一定的滲透性，該滲透性對于2mm的厚度表現(xiàn)為大于約5周來從該完全燒結(jié)的多晶臺基本上完全除去催化劑材料的浸提速率。
9.權利要求1-4任一項的方法，其中在該催化劑材料存在下部分燒結(jié)該多個粒子以形成附著于該基底端部的具有第一滲透性的半生多晶臺包括部分燒結(jié)包含超級磨料材料的該多個粒子以形成半生多晶臺，該半生多晶臺具有大于10體積％的位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙內(nèi)的另一材料。
10.權利要求9的方法，其中在該催化劑材料存在下部分燒結(jié)該多個粒子以形成附著于該基底端部的具有第一滲透性的半生多晶臺包括部分燒結(jié)該多個粒子以形成半生多晶臺，該半生多晶臺具有大于15體積％的位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙內(nèi)的另一材料。
11.權利要求1-4任一項的方法，其中在該催化劑材料存在下部分燒結(jié)該多個粒子以形成附著于該基底端部的具有第一滲透性的半生多晶臺包括部分燒結(jié)該多個粒子以形成半生多晶臺，該半生多晶臺對于約2_的厚度表現(xiàn)出小于約2周來從該半生多晶臺基本上完全除去催化劑材料的浸提速率。
12.權利要求1-4任一項的方法，其中在該催化劑材料存在下部分燒結(jié)該多個粒子以形成附著于該基底端部的具有第一滲透性的半生多晶臺包括在至少約1400°C的溫度用至少約5GPa的壓力壓制包含超級磨料材料的該第一多個粒子、該基底和該催化劑材料小于約5分鐘。
13.一種形成多晶元件的方法，其包括: 在催化劑材料和包含硬質(zhì)材料的基底存在下部分燒結(jié)包含超級磨料材料的多個粒子，以形成附著于該基底端部的半生多晶臺； 除去該基底； 從該半生多晶臺浸提該催化劑材料； 將該半生多晶臺置于另一基底上；和 在另一不同的催化劑材料和另一基底存在下完全燒結(jié)該半生多晶臺，以形成附著于該另一基底端部的多晶臺。
14.權利要求13的方法，其進一步包括: 在部分燒結(jié)過程中，使包含超級磨料材料的該第一多個粒子的晶粒生長最小。
15.權利要求13的方法，其中從半生多晶臺中浸提該催化劑材料包括從該半生多晶臺中基本上完全浸提該催化劑材料。
16.權利要求13-15任一項的方法，其中在催化劑材料和包含硬質(zhì)材料的基底存在下部分燒結(jié)包含超級磨料材料的多個粒子以形成附著于該基底端部的半生多晶臺包括形成半生多晶臺，該半生多晶臺具有大于10體積％的位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙內(nèi)的另一材料。
17.權利要求13-15任一項的方法，其中在催化劑材料和包含硬質(zhì)材料的基底存在下部分燒結(jié)包含超級磨料材料的多個粒子以形成附著于該基底端部的半生多晶臺包括形成半生多晶臺，該半生多晶臺對于約2_的厚度表現(xiàn)出小于約2周來完全浸提該半生多晶臺的浸提速率。
18.一種在將多晶臺附著于基底的過程中形成的中間結(jié)構，其包括: 基本上完全浸提的半生多晶臺，該基本上完全浸提的半生多晶臺包含多個超級磨料材料的相互鍵合的晶粒。
19.權利要求18的中間結(jié)構，其中該基本上完全浸提的半生多晶臺表現(xiàn)出足夠的強度而獨立于外部結(jié)構支撐來保持其形狀。
20.權利要求18或19的中間結(jié)構，其進一步包括: 基底，該基底包含硬質(zhì)材料和具有該半生多晶臺所附著的端部。
【文檔編號】E21B10/573GK103443386SQ201280011629
【公開日】2013年12月11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·迪喬瓦尼, N·J·萊昂斯, D·L·內(nèi)勒姆斯, D·E·斯科特 申請人:貝克休斯公司