形成多晶臺和多晶元件的方法以及相關結構的制作方法
【專利摘要】形成多晶元件的方法，該方法包括將包含超級磨料材料的第一多個粒子、包含該超級磨料材料的第二多個粒子以及催化劑材料置于模具中。將第一和第二多個粒子燒結以形成多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域。從多晶臺至少基本上除去催化劑材料。將多晶臺附接到基底端部，使至少第二區(qū)域介于第一區(qū)域和基底之間。多晶元件包括基底。將包含超級磨料材料的多晶臺附接到基底端部，并且該多晶臺具有表現出第一滲透率的第一區(qū)域和表現出第二更大滲透率的至少第二區(qū)域。
【專利說明】形成多晶臺和多晶元件的方法以及相關結構
[0001]優(yōu)先權要求
[0002]本申請要求2011年3月4日提交的、名稱為“形成多晶臺和多晶元件的方法以及相關結構”的美國專利申請序列號13/040，900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多晶臺的方法，形成多晶元件的方法，以及相關結構。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多晶臺附接到基底來形成多晶元件的方法，和與之有關的中間結構。
【背景技術】
[0004]用于在地下地層形成井筒的鉆地工具可以包括多個安裝在機身上的切割元件。例如，固定刀具的鉆地旋轉鉆頭(也稱作“刮刀鉆頭”)包括多個切割元件，其固定附接到鉆頭的鉆頭體。類似地，牙輪鉆地旋轉鉆頭可以包括牙輪，其安裝到從鉆頭體的支架延伸的軸承銷，以使得每個牙輪都能夠繞著它安裝到其上的軸承銷旋轉。多個切割元件(本領域稱作“嵌入件”)可以安裝到鉆頭的每個牙輪。
[0005]用于這種鉆地工具的切割元件經常包括多晶金剛石復合片(經常稱作“roc”)切割元件，也稱作“刀具”，其是包含多晶金剛石(P⑶)材料的切割元件，其特征可以是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:在高溫和高壓條件下、在催化劑(例如鈷、鐵、鎳或者它們的合金和混合物)存在下，將相對小的合成、天然或者合成和天然金剛石晶?；蚓w的組合(稱作“粗砂”)燒結和結合在一起，以形成多晶金剛石材料區(qū)域，也稱作金剛石臺。這些處理經常稱作高溫/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，例如鈷燒結碳化鎢。在一些例子中，多晶金剛石臺可以例如在HTHP燒結處理過程中在切割元件上形成。在這些例子中，切割元件基底中的鈷或其他催化劑材料可以在燒結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形成金剛石臺。在HTHP處理中將晶?；蛘呔w燒結在一起之前，也可以將粉末化的催化劑材料與金剛石晶粒或晶體混合。但是在其他方法中，金剛石臺可以與切割元件基底分別形成，并隨后附接到其上。
[0006]為了減少與PDC切割元件中的熱膨脹差異和金剛石晶體的化學損壞有關的問題，已經開發(fā)了“熱穩(wěn)定的”多晶金剛石復合片(也稱作熱穩(wěn)定產品或者“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。當金剛石臺是分別形成和隨后附接到基底時(在本領域中也稱作“重新附接”方法)，不充分的附接會導致金剛石臺從基底上脫層和切割元件的過早失效。另外，催化劑材料會在附接過程中從基底進入多晶臺，并且多晶臺會再次需要浸提來降低與熱膨脹率差異和金剛石晶體的化學損壞有關的問題。

【發(fā)明內容】
[0007]在一些實施方案中，本發(fā)明包括形成多晶元件的方法，其包括將包含超級磨料材料的第一多個粒子、包含超級磨料材料的第二多個粒子以及催化劑材料置于模具中。在催化劑材料存在下將第一和第二多個粒子燒結以形成多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域。將催化劑材料至少基本上從多晶臺除去。將多晶臺附接到包含硬質材料的基底的端部，使至少第二區(qū)域介于第一區(qū)域與基底之間。
[0008]在其他實施方案中，本發(fā)明包括將多晶臺附接到基底的方法，其包括形成超級磨料材料的多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域。將催化劑材料至少基本上從多晶臺中除去。使多晶臺接觸包含硬質材料的基底的端部，使第二區(qū)域介于第一區(qū)域與基底之間。用來自基底的可流動材料浸潤多晶臺的至少第二區(qū)域。
[0009]另外的實施方案中，本發(fā)明包括多晶元件，其包括包含硬質材料的基底。將包含超級磨料材料的多晶臺附接到基底端部，并且該多晶臺具有表現出第一滲透率的第一區(qū)域和表現出第二更大滲透率的至少第二區(qū)域，該至少第二區(qū)域介于基底與第一區(qū)域之間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]雖然說明書結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:
[0011]圖1是包括本發(fā)明的多晶臺的切割元件的局部剖視透視圖；
[0012]圖2示意了包括本發(fā)明的穹形多晶臺的另一切割元件的截面圖；
[0013]圖3顯示了本發(fā)明的多晶臺的第一區(qū)域放大后的微觀結構的簡化圖；
[0014]圖4是本發(fā)明的多晶臺第二區(qū)域的微觀結構在放大下如何顯示的簡化圖；
[0015]圖5示意了包括本發(fā)明的多晶臺的另一構造的切割元件的截面圖；
[0016]圖6顯示了包括本發(fā)明的多晶臺的另一構造的切割元件的截面圖；
[0017]圖7是切割元件的截面圖，該切割元件包括在基底與本發(fā)明的多晶臺之間的界面處的非平坦界面設計；
[0018]圖8示意了切割元件的截面圖，該切割元件包括在本發(fā)明的多晶臺內區(qū)域之間的界面處的非平坦界面設計；
[0019]圖9A-9F顯示了與本發(fā)明的多晶臺有關的非平坦界面設計的截面圖；
[0020]圖10是用于將本發(fā)明的多晶臺附接到基底的方法的模具的截面圖；
[0021]圖11示意了在將本發(fā)明的多晶臺附接到基底的方法中，中間結構的截面圖；
[0022]圖12顯示了圖11所示的中間結構的第二區(qū)域放大后的微觀結構的簡化圖；
[0023]圖13是在將多晶臺附接到基底上的方法中所用的模具的截面圖；
[0024]圖14示意了模具的截面圖，類似于圖10所示的模具，其用于將本發(fā)明的多晶臺附接到基底上的方法中；和
[0025]圖15示意了鉆地工具的透視圖，包括本發(fā)明的多晶臺的切割元件可以附接到該鉆地工具上。
【具體實施方式】[0026]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。
[0027]作為此處使用的，術語“鉆地工具”和“鉆地鉆頭”表示和包括在地下地層中形成和擴大井筒過程中用于鉆探的任何類型的鉆頭或者工具，并且包括例如固定刀具鉆頭、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探鉆頭和工具。
[0028]作為此處使用的，術語“多晶臺”表示和包括任何這樣的結構，其包含通過晶粒間鍵直接結合到一起的材料(例如超級磨料材料)的多個晶粒(即晶體)。該材料的單個晶粒的晶體結構可以在多晶材料內的空間內無規(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中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“燒結”表示溫度驅動的質量傳遞，其可以包括微粒組分的致密化和/或粗化，并且典型地包括(通過收縮來實現)除去起始粒子之間的至少一部分的孔，并結合相鄰粒子之間的聚結和結合。
[0031]作為此處使用的，術語“納米粒子”和“納米尺寸”表示和包括平均粒徑為500nm或更低的粒子(例如晶?；蛘呔w)。
[0032]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構。換句話說，具有相同化學組成但是不同微觀結構的材料被認為具有不同的材料組成。
[0033]作為此處使用的，術語“碳化鎢”表示包含鎢和碳的化學化合物的任何材料組合物，化合物例如wc、W2C以及WC和W2C的組合。碳化鎢包括例如鑄造碳化鎢、燒結碳化鎢和粗晶碳化鶴。
[0034]參見圖1，表示了包括多晶臺102的切割元件100的局部剖視透視圖。切割元件100的多晶臺102附接到基底104的端部。多晶臺102可以與基底104分別形成，并且隨后在重新附接方法中附接到基底104。多晶臺102包括具有第一滲透率的第一區(qū)域106和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域108。多晶臺102的第二區(qū)域108可以與基底104緊鄰，并且第一區(qū)域106可以位于第二區(qū)域108的與基底104相對的端部。因此，第二區(qū)域108可以介于第一區(qū)域106和基底104之間。多晶臺102可以在界面110處附接到基底104。因此，界面110可以包括第二區(qū)域108和基底104之間的邊界。第一區(qū)域106可以在多晶臺102的另一界面112處形成與第二區(qū)域108的邊界。在一些實施方案中，第一區(qū)域106的表面可以形成多晶臺102的切割面114。
[0035]切割元件100可以形成為大致圓柱形體。因此，基底104可以包括圓柱體，和多晶臺102可以包括附接到基底104端部上的另一圓柱體或圓盤。圓柱形基底104可以具有圓形截面。在一些實施方案中，可以圍繞多晶臺102、基底104或者二者的外周邊緣形成倒角116。
[0036]多晶臺102可以包含超級磨料(有時候可互換地用于表示“超硬”多晶材料)。例如，超級磨料材料可以包含合成金剛石、天然金剛石、合成和天然金剛石的組合、立方體氮化硼、氮化碳和本領域已知的其他超級磨料材料。超硬材料的單個晶?？梢孕纬删Яｉg鍵，以形成超級磨料多晶材料。[0037]典型地，超級磨料多晶材料是通過在催化劑材料存在下、使用高溫/高壓(HTHP)燒結超級磨料材料粒子來形成的。合適的催化劑材料可以包括例如合金(例如鈷基、鐵基、鎳基、鐵和鎳基、鈷和鎳基以及鐵和鈷基)或者市售的純單質(例如鈷、鐵和鎳)，其催化晶粒生長和粒間結合。在形成超級磨料多晶材料之后，催化劑材料可以保留在超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中，形成多晶結構。
[0038]基底104可以包含適用于鉆地應用的硬質材料。例如，硬質材料可以包括陶瓷-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材料中的多個硬質陶瓷粒子。硬質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，硬質陶瓷粒子可以包括由例如W、T1、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素制成的碳化物和硼化物。作為舉例而非限制，能夠用于形成硬質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材料可以包括例如鈷基、鐵基、鎳基、鐵和鎳基、鈷和鎳基以及鐵和鈷基?；|材料也可以選自市售的純單質，例如鈷、鐵和鎳。作為具體的非限定性例子，硬質材料可以包括在鈷基質中的多個碳化鎢粒子(在本領域中稱作鈷燒結碳化鎢)。
[0039]參見圖2，表示了另一切割元件100’，例如用于牙輪鉆地鉆頭中的牙輪的嵌入件，其包括穹形多晶臺102。切割元件100’的多晶臺102附接到基底104的端部。多晶臺102可以與基底104分別形成，并且隨后在重新附接方法中附接到基底104。多晶臺102包括具有第一滲透率的第一區(qū)域106和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域108。第二區(qū)域108可以介于第一區(qū)域106和基底104之間?；?04可以包括緊鄰第二區(qū)域108的中間區(qū)域118，并且在多晶臺102和基底104之間的界面110處形成與第二區(qū)域108的邊界。中間區(qū)域118可以包括在多晶臺102和基底104的其余部分之間的材料層。中間區(qū)域118可以包含多晶臺102的超級磨料材料與基底104的其余部分的硬質材料的組合。因此，中間區(qū)域118可以通過提供材料之間更大的漸變，來增強多晶臺102附接到基底104的強度。
[0040]多晶臺102可以包括穹形，例如半球。多晶臺102可以包括所示的中空穹形?；?04可以包括相應的穹形凸起，其在它們之間的界面110處接觸多晶臺102。基底104的其余部分可以是圓柱形的。在其他實施方案中，多晶臺102可以包括位于圓柱形基底104的實心穹頂。在另外的實施方案中，多晶臺102和切割兀件100可以具有本領域已知的其他形式、形狀和構造，例如鑿形、碑形等。
[0041]參見圖3，表示了多晶臺102的第一區(qū)域106 (例如圖1、2和5-9F所示的第一區(qū)域106)放大后的微觀結構的簡化圖。第一區(qū)域106可以包含雙峰粒度分布，包括超級磨料材料的較大晶粒120和較小晶粒122。在其他實施方案中，第一區(qū)域106可以包含單峰粒度分布或者非雙峰的多峰粒度分布(例如三峰、五峰等)。多峰粒度分布可以使得晶粒120和122能夠更致密地填裝(即，相對較小晶粒122可以占據較大晶粒120之間的部分，否則這些部分將沒有超級磨料材料)，從而在第一區(qū)域106內得到密度更高的超級磨料材料。在一些實施方案中，第一區(qū)域106可以包括超級磨料材料的至少一些納米尺寸的晶粒(即，平均粒徑為500nm或更小的晶粒)。例如，雙峰粒度分布中較小晶粒122可以包含納米尺寸的晶粒。較大晶粒120的平均粒度可以例如大于5 μ m，和較小晶粒122的平均粒度可以例如小于I μ m。作為具體的非限定性例子，較大晶粒120的平均粒度可以是5 μ m、25 μ m或者甚至40 μ m,和較小晶粒的平均粒度可以是I μ m、500nm、250nm、150nm或者甚至6nm。
[0042]第一區(qū)域106可以具有第一體積百分比的超級磨料材料。例如，超級磨料材料的晶粒120和122可以占據多晶臺102的第一區(qū)域106的92-99體積％。作為具體的非限定性例子，超級磨料材料的晶粒120和122可以占據多晶臺102的第一區(qū)域106的95體積％。多峰粒度分布例如可以使得第一區(qū)域106具有相對高體積百分比的超級磨料材料的晶粒120和122。替代地或者另外地，使用相對較小晶?？梢允沟镁Я?20和122能夠比相對較大晶粒更致密地填裝，并因此賦予第一區(qū)域106更高體積百分比的超級磨料材料。因為第一區(qū)域106大的體積百分比被超級磨料材料的晶粒120和122所占據，因此流體能夠從中流過的間隙124相對較少和較小。因此，第一區(qū)域106會表現出相對低的滲透率。
[0043]第一區(qū)域106可以具有間隙124之間的第一互連性，間隙124分散于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒120和122之間。例如，至少一些間隙124可以在第一區(qū)域106的微觀結構中形成流體能夠從中流過的開放、互連的網絡。其他的間隙124可以保留在晶粒120和122之間的封閉、隔離的空間區(qū)域中，流體不能流到其中或者向其流動至少會被阻止。因為相對更少的間隙124可以連接到第一區(qū)域106的微觀結構中開放、互連的網絡，所以穿過該網絡的流體流動會被阻止。因此，第一區(qū)域106會表現出相對低的滲透率。
[0044]第一區(qū)域106內的晶粒(例如較大和較小晶粒120和122)可以在三維中相互鍵合，以形成超級磨料材料的多晶結構。超級磨料材料的相互鍵合的晶粒120和122之間的間隙124可以至少基本上沒有催化劑材料。因此，催化劑材料可以例如通過浸提方法從全部或者基本上全部的第一區(qū)域106中除去。當所稱多晶臺102的第一區(qū)域106中的超級磨料材料的相互鍵合的晶粒120和122之間的間隙124可以至少基本上沒有催化劑材料時，意味著催化劑材料被從第一區(qū)域106的微觀結構內的晶粒120和122之間空間區(qū)域的開放、互連的網絡中除去，盡管相對少量的催化劑材料可能保留在晶粒120和122之間封閉、隔離的空間區(qū)域中，這是因為浸提劑不能達到這樣的封閉、隔離的空間區(qū)域中大量的催化劑材料。
[0045]參見圖4，表示了多晶臺102的第二區(qū)域108 (例如圖1、2和5-9F所示的第二區(qū)域108)放大后的微觀結構的簡化圖。第二區(qū)域108可以包含單峰粒度分布。在其他實施方案中，第二區(qū)域可以包含多峰粒度分布。在每種情況中，第二區(qū)域108內的晶粒126的平均粒度可以大于第一區(qū)域106內的晶粒120和122的平均粒度(參見圖3)。例如，第二區(qū)域108內的晶粒126的平均粒度可以是第一區(qū)域106內的晶粒120和122的平均粒度的50-150倍。第二區(qū)域108內的晶粒126的平均粒度可以是例如至少5 μ m。因此，第二區(qū)域108可以沒有或基本沒有納米尺寸晶粒。作為具體的非限定性例子，第二區(qū)域108內的晶粒126的平均粒度可以是5 μ m、25 μ m或者甚至40 μ m。在一些實施方案中，第二區(qū)域108內的晶粒126的平均粒度可以與第一區(qū)域106內的至少一些晶粒(例如較大晶粒120)相同。在其他實施方案中，第二區(qū)域108內的晶粒126的平均粒度可以大于第一區(qū)域106內的晶粒(例如較大晶粒120或較小粒子122)的任何平均粒度。
[0046]第二區(qū)域108可以具有第二體積百分比的超級磨料材料，其大于第一區(qū)域106的第一體積百分比的超級磨料材料。例如，超級磨料材料的晶粒126可以占據多晶臺102的第二區(qū)域108的小于91體積％和甚至低至80體積％。作為具體的非限定性例子，超級磨料材料的晶粒126可以占據多晶臺102的第二區(qū)域108的85體積％。當與第一區(qū)域106中的超級磨料材料的體積百分比相比時，單峰粒度分布例如可以使得第二區(qū)域108具有低體積百分比的超級磨料材料的晶粒126。替代地或者另外地，使用較大晶?？梢允沟镁Я?26比較小晶粒(例如第一區(qū)域106的晶粒120和122)更不致密地填裝，并因此與第一區(qū)域106的超級磨料材料的體積百分比相比，賦予第二區(qū)域108更低體積百分比的超級磨料材料。因為第二區(qū)域108較小的體積百分比被超級磨料材料的晶粒126所占據，因此流體能夠從中流過的間隙124相對較多和較大。因此，第二區(qū)域108會表現出比第一區(qū)域106更高的滲透率。
[0047]當與第一區(qū)域106內的間隙124之間的第一互連性相比時，第二區(qū)域108可以具有間隙124之間的第二更大互連性，間隙124分散于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒126之間。例如，更大量的間隙124可以在第二區(qū)域108的微觀結構中形成流體能夠從中流過的開放、互連的網絡。第二區(qū)域108中較少的間隙124可以保留在晶粒126之間的封閉、隔離的空間區(qū)域中，流體不能流到其中或者向其流動至少會被阻止。因為相對更多的間隙124可以連接到第二區(qū)域108的微觀結構中開放、互連的網絡，所以穿過該網絡的流體流動會受到較小程度的阻止。因此，第二區(qū)域108會表現出比第一區(qū)域106更大的滲透率。
[0048]超級磨料材料的晶粒126可以相互鍵合以形成多晶結構。催化劑材料可以位于超硬材料的相互鍵合的晶粒126之間的間隙124中。相同的催化劑材料也可以存在于基底104中(參見圖1和2)。例如，基底104的硬質材料的金屬基質可以包含催化劑材料，例如在重新附接方法過程中，在多晶臺102附接到基底104的端部的同時，催化劑材料從基底104流入和移入(即進入)多晶臺102的第二區(qū)域108。在一些實施方案中，位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒126之間的間隙124中的催化劑材料，可以是與初始用于形成多晶臺102的催化劑材料不同的催化劑材料。作為具體的非限定性例子，鈷可以用于催化形成多晶臺102，和鎳可以隨后在重新附接方法過程中進入多晶臺102的第二區(qū)域108。在其他實施方案中，位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒126之間的間隙124中的催化劑材料，可以與初始用于形成多晶臺102的催化劑材料相同。
[0049]參見圖5，表示了包括多晶臺102的另一構造的切割元件100。多晶臺102的第一區(qū)域106可以在多晶臺102的外周上朝著基底104延伸，在第二區(qū)域108和切割元件100的外部之間形成環(huán)形體。因此，第一區(qū)域106(其可以至少基本上沒有催化劑材料)可以從切割元件100的切割面114朝著基底104和圍繞多晶臺102的外周延伸。第二區(qū)域108可以介于第一區(qū)域106和基底104之間。
[0050]參見圖6，表示了包括多晶臺102的另一構造的切割元件100。多晶臺102可以包括多晶超級磨料材料的第三區(qū)域128。第三區(qū)域128可以位于第一區(qū)域106與第二區(qū)域108相對的一端上。因此，第一區(qū)域106可以介于第二區(qū)域108和第三區(qū)域128之間，和第二區(qū)域108可以介于第一區(qū)域106和基底104之間。第一、第二和第三區(qū)域106、108和128可以以層的形式提供在基底104上。第三區(qū)域128的暴露表面可以形成切割元件100的切割面114。第三區(qū)域128可以具有低于第一區(qū)域106的第一滲透率的第三滲透率。在一些實施方案中，第三區(qū)域128可以包含與第二區(qū)域108基本相同的材料組合物。在其他實施方案中，第三區(qū)域128可以具有與第一和第二區(qū)域106和108的材料組合物不同的材料組合物。類似于第一區(qū)域106，第三區(qū)域128可以至少基本上沒有催化劑材料，否則催化劑材料會位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中。[0051 ] 參見圖7，表示了切割元件100，其包括在基底104和多晶臺102之間的界面110處的非平坦界面設計。非平坦界面設計能夠提高多晶臺102附接到基底104的強度，由此防止或者使多晶臺從基底104脫層的可能性降至最低。非平坦界面設計可以包括多個凸起和凹進，它們提高了基底104和多晶臺102之間的界面110的整體接觸面積。非平坦界面設計可以包括例如一系列同心環(huán)、放射狀延伸輻條或者本領域已知的其他非平坦界面設計。
[0052]參見圖8，表示了切割元件100，其包括在多晶臺102內的第一和第二區(qū)域106和108之間的另一界面112處的非平坦界面設計。非平坦界面設計可以使得所選擇的區(qū)域(例如第一區(qū)域106)至少基本上沒有催化劑材料，而其他區(qū)域(例如第二區(qū)域108)可以具有位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中的催化劑材料。因此，催化劑材料不會存在于所選擇的所需區(qū)域中，例如切割面114附近或者圍繞多晶臺102的外周。非平坦界面設計也可以通過包括多個凸起和凹進(其增加了第一和第二區(qū)域106和108之間的其他界面112的整體接觸面積)來提高第一和第二區(qū)域106和108之間的結合。非平坦界面設計可以包括例如一系列的同心環(huán)、放射狀延伸輻條或者本領域已知的其他非平坦界面設計。
[0053]參見圖9A-9F，表示了可以用于多晶臺102和/或基底104的非平坦界面設計。所示視圖是在多晶臺102內所取的截面，并且顯示了第一區(qū)域106和第二區(qū)域108的部分。雖然非平坦界面設計顯示為處于超級磨料多晶材料的第一和第二區(qū)域106和108之間的多晶臺102內，但是類似的界面設計也可以位于多晶臺102和基底104之間(參見圖7)。
[0054]參見圖10，表示了用于將多晶臺102附接到基底104的方法中的模具130。模具130可以包括一個或多個大致杯形的元件,例如杯形元件132a、杯形元件132b和杯形元件132c，它們可以組裝和型鍛和/或焊接在一起來形成模具130?；?04、催化劑材料134、第一多個粒子136和第二多個粒子138可以置于內杯形元件132c內，如圖10所示，其具有環(huán)形端壁和從環(huán)形端壁垂直延伸的大致圓柱形的側壁，以使得內杯形元件132c大致為圓柱形，并且包括第一封閉端和第二、相對的開放端。因此，模具130可以賦予其中形成的切割元件100大致圓柱形的形狀。在其他實施方案中，模具可以賦予切割元件其他形狀，例如前面關于圖2所述的形狀。另外，基底104在一些其他實施方案中可以省掉，并且僅僅催化劑材料134、第一多個粒子136和第二多個粒子138可以位于模具130中。在另外的實施方案中，陶瓷粒子和金屬粒子可以位于模具內，并且隨后燒結以形成包含在金屬基質中的陶瓷粒子的基底104。
[0055]第一多個粒子136可以配置來形成多晶臺102的具有第一滲透率的第一區(qū)域106。第二多個粒子138可以配置來形成多晶臺102的具有第二更大滲透率的第二區(qū)域108。因此，第一和第二多個粒子136和138可以包含超級磨料材料，例如前面關于圖1所述的任何超級磨料材料。在模具130中，第一多個粒子136可以具有第一填裝密度，和第二多個粒子138可以具有第二更低填裝密度。例如，第二多個粒子138可以具有單峰粒度分布，和第一多個粒子136可以具有多峰粒度分布，其比第二多個粒子138填裝更致密。第一多個粒子136可以具有第一平均粒度，和第二多個粒子138可以具有第二更大平均粒度，例如前面關于圖3和4所述的任何尺寸和尺寸差異，盡管要注意的是由于粒子結合以形成超級磨料多晶材料的晶粒，粒子會發(fā)生一些尺寸增加和也會發(fā)生一些尺寸減小(例如通過在HTHP處理中在壓力下壓碎和壓裂)。第一多個粒子136的至少一些粒子可以包含納米粒子。
[0056]催化劑材料134可以包括前面關于圖1所述的任何催化劑材料。在第一和第二多個粒子136和138置于具有基底104的模具130的實施方案中，催化劑材料134可以存在于基底104中。例如，基底104可以包含金屬陶瓷材料，和該金屬陶瓷材料的金屬基質可以是催化劑材料。另外，催化劑材料134可以以催化劑粉末形式置于模具130中，其可以與第一和/或第二多個粒子136和138互混和散布在其中。在一些實施方案中，額外的催化劑材料134 (例如一定量的催化劑材料，其超過了催化晶粒生長和粒子相互結合所必需的最小量)可以與第二多個粒子138互混和散布在其中。由此，與第一多個粒子136的填裝密度相比，第二多個粒子138的填裝密度可以進一步降低。在一些實施方案中，催化劑材料134可以使用例如化學品溶液沉積方法(在本領域通常已知為“溶膠-凝膠”方法)涂覆到模具130中其他粒子的外表面上。例如，第一多個粒子136的至少一些粒子可以涂覆有催化劑材料134。在第一多個粒子136包含至少一些納米粒子的實施方案中，納米粒子可以涂覆有催化劑材料134。催化劑材料134可以具體位于第一多個粒子136內或者其附近，這是因為催化劑材料134在第一多個粒子136之間的流動會受到限制或阻止。通過緊鄰第一多個粒子136提供催化劑材料134，可以確保充分的燒結和晶粒生長。
[0057]包含可以通過浸提劑除去的非催化劑材料的另一多個粒子140也可以任選地位于模具130中。例如，其他多個粒子140可以包括鎵、銦或鎢。其他多個粒子140可以與第二多個粒子138互混和散布在其中。通過將其他多個粒子140置于模具130中，與第一多個粒子136的填裝密度相比，第二多個粒子138的填裝密度可以進一步降低。
[0058]第一多個粒子136、第二多個粒子138、任選的基底104和任選的其他多個粒子140可以在催化劑材料134存在下燒結。例如，HTHP處理可以用于燒結第一多個粒子136和第二多個粒子138以形成多晶臺102，其具有具有第一滲透率的第一區(qū)域106和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域108。在基底104也存在于模具130中的實施方案中，所形成的多晶臺102可以附接到基底104的端部上，使第二區(qū)域108介于第一區(qū)域106和基底104之間。雖然HTHP處理的具體參數可以根據模具130中的所用材料和材料量來變化，但是可以向模具130施加至少5GPa的壓力，而溫度可以升高到高于1320°C，和第一和第二多個粒子136和138以及模具130中的任何其他材料和結構可以在峰值壓力和峰值溫度保持約5分鐘。例如，所施加的峰值壓力可以是6GPa、7GPa、8GPa或者甚至更高。峰值溫度可以例如是1400°C或者甚至更高?？梢哉{整時間周期，以使得在峰值壓力和溫度的時間少于5分鐘或者多于5分鐘?？梢赃x擇精確的條件來賦予所需的最終微觀結構(例如圖3和4所示的微觀結構)和所形成的多晶臺102相關的性能。因此，可以形成多晶臺102，其包括具有第一滲透率的第一區(qū)域106和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域108。
[0059]在燒結后，多晶臺102可以包含第一體積百分比的催化劑材料134。多晶臺102的第一區(qū)域106可以包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中的第一體積百分比的催化劑材料134。第二區(qū)域108可以包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中的第二更大體積百分比的催化劑材料134。例如，多晶臺102的第一區(qū)域106可以包含1-8體積％的催化劑材料134。與之相比，第二區(qū)域108可以包含大于9體積％的催化劑材料134，和可以甚至包含至多20體積％的催化劑材料。作為具體的非限定性例子，第一區(qū)域106可以包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中的5體積％的催化劑材料134，和第二區(qū)域108可以包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中的15體積％的催化劑材料134。[0060]參見圖11，表示了用于將多晶臺102附接到基底104的方法中的中間結構142。中間結構142可以包括超級磨料多晶材料的多晶臺102。多晶臺102可以包括具有第一滲透率的第一區(qū)域106和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域108。在多晶臺102形成于基底104的端部上的實施方案中，基底104可以從多晶臺102除去，例如通過放電機加工、通過在酸中溶解、通過激光除去、通過超聲碳化物機加工或者通過本領域已知的用于除去硬質材料基底104的其他方法。中間結構142可以至少基本上沒有催化劑材料。催化劑材料可以通過浸提劑(例如王水)從多晶臺102除去。因為多晶臺102的第一區(qū)域106可以具有相對低的滲透率，因此多晶臺102可以暴露于浸提劑更多時間，以確保第一區(qū)域106至少基本上完全浸提。例如，多晶臺102可以浸提3周、4周、5周或者甚至更長的時間，以確保催化劑材料至少基本上從多晶臺102除去。多晶臺102的第一區(qū)域106的微觀結構可以與圖3所示和所述的微觀結構基本相同。
[0061]參見圖12，圖11所示的中間結構142的第二區(qū)域108放大后的微觀結構的簡化圖。第二區(qū)域108包含已經在多晶結構中形成晶粒間鍵的超級磨料材料的晶粒126。相互鍵合的晶粒126之間的間隙124至少基本上沒有催化劑材料，因為催化劑材料已經從其中除去。
[0062]參見圖13，表示了用于將多晶臺102附接到基底104的方法中的模具130’。模具130’可以為圖10所示的相同模具130，或者可以是另一模具。至少基本上完全浸提的多晶臺102可以置于模具中，和基底104也可以置于模具中。在一些實施方案中，基底104可以是事先從多晶臺102除去的相同基底104。在其他實施方案中，基底104可以是包含硬質材料的不同基底。在另外的實施方案中，多個陶瓷粒子和金屬粒子可以置于模具130’中以代替完全成形的基底104。多晶臺102與第一區(qū)域106相對的第二區(qū)域108的表面可以鄰接于基底104的端表面。第二區(qū)域108可以介于第一區(qū)域106和基底104之間。然后可以例如通過將多晶臺102和基底104進行另一燒結處理，將多晶臺102附接到基底104的端部。燒結處理可以是另一 HTHP處理，或者可以包括低于HTHP處理所需的壓力和溫度。例如，所施加的峰值壓力可以小于5GPa，或者可以是5GPa、6GPa、7GPa、8GPa或者甚至更高。峰值溫度可以例如低于1320°C，可以是1400°C，或者可以甚至高于1400°C。另外，燒結處理可以在峰值溫度和壓力保持相對短的時間，例如少于10分鐘、少于8分鐘、少于5分鐘或者甚至少于2分鐘。作為具體的非限定性例子，燒結處理可以在峰值溫度和壓力保持5分鐘。因此，作為本領域已知的，立方體壓機會特別適于將壓力施加到模具130。替代地，作為本領域已知的，帶壓機可以用于將壓力施加到模具130。可以選擇精確的條件來賦予所需的最終微觀結構(例如圖3和4所示的微觀結構)和所形成的多晶臺102相關的性能。
[0063]在燒結處理過程中，基底104內的可流動材料(例如金屬催化劑材料134’或者非催化劑可熔融材料)可以熔融和浸潤多晶臺102的第二區(qū)域108。在一些實施方案中，催化齊IJ材料134’可以與用于形成多晶臺102的催化劑材料134相同。作為具體的非限定性例子，市售的純鈷可以用于形成多晶臺102和用于在浸提后將多晶臺102附接到基底104 二者。在其他實施方案中，催化劑材料134’可以與用于形成多晶臺的催化劑材料134不同。作為具體的非限定性例子，鈷基合金可以用于形成多晶臺102和鎳基合金可以用于在浸提后將多晶臺102附接到基底104，或者鈷基合金可以用于形成多晶臺102和市售的純鈷可以用于在浸提后將多晶臺102附接到基底104。在另外的實施方案中，催化劑材料134’的圓盤、箔或者網可以置于多晶臺102和基底104之間，但是第二區(qū)域108相對低的滲透率可以放棄這種多余的做法。
[0064]因為第二區(qū)域108可以具有相對低的滲透率，因此至少與第一區(qū)域106相比，可流動材料可以相對迅速地進入第二區(qū)域108。因此，與常規(guī)的重新附接方法相比，可以減少用于將多晶臺102附接到基底104的燒結處理中的時間。另外，第一區(qū)域106可以形成阻止其中催化劑材料134’流動的障礙。因此，在催化劑材料134’可以進入多晶臺102的第二區(qū)域108的同時，第一區(qū)域106可以保持至少基本上沒有催化劑材料134’。
[0065]參見圖14，表示了用于將多晶臺102附接到基底104的方法中所用的模具130，其類似于圖10所示的模具130。除了超級磨料材料的第一和第二多個粒子136和138以及基底104之外，包含超級磨料材料的第三多個粒子144也可以置于模具中。第三多個粒子144可以配置以形成關于圖6所示和所述的第三區(qū)域128。因此，第三多個粒子144可以位于第一多個粒子136的與第二多個粒子138相對的端部。換句話說，第一多個粒子136可以介于第二多個粒子138和第三多個粒子144之間。催化劑材料134可以以催化劑粉末的形式分布在第三多個粒子144中，或者可以涂覆到第三多個粒子上。另外，催化劑材料134可以以圓盤、箔或者網的形式置于模具130中。如所示的，催化劑材料134可以以圓盤、箔或者網的形式位于第一和第二多個粒子136和138之間。在其他實施方案中，催化劑材料134可以以圓盤、箔或者網的形式位于第二多個粒子138和基底104之間，第一多個粒子136和第三多個粒子144之間，或者第三多個粒子144相對于第一多個粒子136的端部上。
[0066]參見圖15，表示了可以附接有切割元件100 (例如前面關于圖1、2和5-9F所述的任何切割元件100和100’)的鉆地工具146。鉆地工具146可以包括鉆地鉆頭和可以具有鉆頭體148，其具有從鉆頭體148延伸的刀片150。切割元件100可以固定在刀片150中形成的凹處152內。但是，此處所述的切割元件100和多晶臺102可以結合到和用于其他類型的鉆地工具，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探鉆頭和工具。
[0067]雖然已經在此參考某些實施方案描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員將會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許多的增加、刪除和改變，而不脫離下文所要求的本發(fā)明的范圍，包括其法律等價物。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進行組合，而仍然包括在本發(fā)明人所預期的本發(fā)明范圍內。
【權利要求】
1.一種形成多晶元件的方法，該方法包括: 將包含超級磨料材料的第一多個粒子、包含該超級磨料材料的第二多個粒子以及催化劑材料置于模具中； 在催化劑材料存在下燒結第一和第二多個粒子以形成多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域； 從多晶臺至少基本上除去催化劑材料；和 將多晶臺附接到包含硬質材料的基底端部，使至少第二區(qū)域介于第一區(qū)域和基底之間。
2.權利要求1的方法，進一步包括: 在燒結前將包含硬質材料的另一基底置于模具中； 在催化劑材料存在下燒結第一多個粒子、第二多個粒子和另一基底，以形成附接到該另一基底端部的多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域，第二區(qū)域介于第一區(qū)域和該另一基底之間；和 在燒結后除去該另一基底。
3.權利要求1的方法，進一步包括: 將包含該超級磨料材料的第 三多個粒子置于模具中；和 在催化劑材料存在下燒結第一、第二和第三多個粒子以形成多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域、包含第二更大滲透率的第二區(qū)域和位于第一區(qū)域的與該至少第二區(qū)域相對的端部的第三區(qū)域。
4.權利要求1的方法,進一步包括: 將另外的多個粒子置于配置為在燒結后形成第二區(qū)域的區(qū)域中的第二多個粒子之間，該另外的多個粒子包含可通過浸提劑除去的非催化劑材料。
5.權利要求1的方法，進一步包括: 在將第一多個粒子置于模具中之前，使用化學品溶液沉積用催化劑材料涂覆至少一些第一多個粒子。
6.權利要求1-5任一項的方法,其中將包含超級磨料材料的第一多個粒子、包含該超級磨料材料的第二多個粒子以及催化劑材料置于模具中包括:將具有第一填裝密度的第一多個粒子和具有第二更低填裝密度的第二多個粒子置于模具中。
7.權利要求1-5任一項的方法，其中將包含超級磨料材料的第一多個粒子、包含該超級磨料材料的第二多個粒子以及催化劑材料置于模具中包括:將具有第一平均粒度的第一多個粒子和具有第二較大平均粒度的第二多個粒子置于模具中。
8.權利要求7的方法，其中將具有第一平均粒度的第一多個粒子和具有第二較大平均粒度的第二多個粒子置于模具中包括:將包含至少一些納米粒子的第一多個粒子置于模具中。
9.權利要求1-5任一項的方法，其中在催化劑材料存在下燒結第一和第二多個粒子以形成多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域包括:形成具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的多晶臺，第一區(qū)域具有第一體積百分比的超級磨料材料，和第二區(qū)域具有第二更低體積百分比的超級磨料材料。
10.權利要求1-5任一項的方法，其中在催化劑材料存在下燒結第一和第二多個粒子以形成多晶臺，該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域包括:在催化劑材料存在下燒結第一和第二多個粒子以形成多晶臺，該多晶臺具有第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中的第一體積百分比的催化劑材料，和第二區(qū)域包含位于超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間的間隙中的第二更大體積百分比的催化劑材料。
11.權利要求1-5任一項的方法，其中將多晶臺附接到基底端部，使至少第二區(qū)域介于第一區(qū)域和基底之間包括:在燒結處理過程中用來自基底的可流動材料浸潤多晶臺的至少第二區(qū)域。
12.權利要求11的方法，其中在燒結處理過程中用來自基底的可流動材料浸潤多晶臺的至少第二區(qū)域包括:用與用來形成多晶臺的催化劑材料不同的另一催化劑材料浸潤多晶臺的至少第二區(qū)域。
13.—種將多晶臺附接到基底的方法，該方法包括: 形成超級磨料材料的多晶臺，并且該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域； 從多晶臺至少基本上除去催化劑材料； 使多晶臺接觸包含硬質材料的基底端部，使第二區(qū)域介于第一區(qū)域和基底之間；和 用來自基底的可流動材料浸潤多晶臺的至少第二區(qū)域。
14.權利要求13的方法，其中形成超級磨料材料的多晶臺，并且該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域包括:形成該多晶臺，該多晶臺包括位于第一區(qū)域的與該至少第二區(qū)域相對的端部的第三區(qū)域。
15.權利要求13或14 的方法，其中形成超級磨料材料的多晶臺，并且該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域包括:形成具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的該多晶臺，第一區(qū)域包含超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間具有第一互連性的間隙，和第二區(qū)域包含超級磨料材料的相互鍵合的晶粒之間具有第二更大互連性的間隙。
16.權利要求13或14的方法，其中形成超級磨料材料的多晶臺，并且該多晶臺包括具有第一滲透率的第一區(qū)域和具有第二更大滲透率的第二區(qū)域包括:形成包括第一區(qū)域和第二區(qū)域的該多晶臺，第一區(qū)域包含具有第一密度的超級磨料材料，和第二區(qū)域具有第二更低密度的超級磨料材料。
17.一種多晶元件，該多晶元件包括: 包含硬質材料的基底；和 附接到基底端部的包含超級磨料材料的多晶臺，并且該多晶臺具有表現出第一滲透率的第一區(qū)域和表現出第二更大滲透率的至少第二區(qū)域，該至少第二區(qū)域介于基底和第一區(qū)域之間。
18.權利要求17的多晶元件，其中第一區(qū)域至少基本上沒有催化劑材料。
19.權利要求17或18的多晶元件，其中多晶臺和基底之間的界面為非平坦界面設計。
20.權利要求17或18的多晶元件，其中多晶臺進一步包括位于第一區(qū)域的與該至少第二區(qū)域相對的端部的第三區(qū)域。
【文檔編號】E21B10/573GK103477015SQ201280017833
【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】D·E·斯科特 申請人:貝克休斯公司