CN101605920A - 耐磨表面堆焊材料，包括耐磨表面堆焊材料的钻头和钻具，以及用于将耐磨表面堆焊材料施加给钻头和钻具的方法 - Google Patents

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CN101605920A CNA2007800415239A CN200780041523A CN101605920A CN 101605920 A CN101605920 A CN 101605920A CN A2007800415239 A CNA2007800415239 A CN A2007800415239A CN 200780041523 A CN200780041523 A CN 200780041523A CN 101605920 A CN101605920 A CN 101605920A
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Abstract

耐磨材料包括基体材料和多个－40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒。本发明提供了一种旋转钻头，所述旋转钻头具有外表面和布置在所述钻头体外表面的至少一部分上的耐磨材料。本发明还公开了用于将耐磨材料施加到钻头表面上的方法。

Description

耐磨表面堆焊材料，包括耐磨表面堆焊材料的钻头和钻具，以及用于将耐磨表面堆焊材料施加给钻头和钻具的方法
优先权声明
本申请要求提交于2006年9月29日，名称为″钻地旋转钻头，包括布置在形成于其外表面上的凹部内的耐磨表面堆焊材料″的美国申请序列No.60/848,154的优先权，该申请的内容在此全文引入作为参考。
技术领域
本发明通常涉及在钻凿地下地层中使用的钻头和其它工具，并且涉及在这种钻头和工具的表面上使用的耐磨表面堆焊材料。本发明还涉及用于给钻头和工具施加耐磨表面堆焊的方法。
背景技术
用于钻凿地下地层的传统的固定牙轮式或″切削型″旋转钻头包括具有表面区域的钻头体，在所述表面区域上支承用于切入地层的切削元件。钻头体可以固定到硬化钢杆上，所述硬化钢杆具有用于将钻头附接到钻柱上的螺纹销连接(例如，API螺纹销)，所述钻柱包括在钻头和其它钻孔设备之间首尾相联的管状管段。例如回转工作台或顶部驱动装置的设备可用于使管状管和钻头旋转。可选地，钻头杆可以联接到井下马达的驱动轴上，从而使钻头独立于回转工作台或顶部驱动装置旋转，或者与回转工作台或顶部驱动装置一起旋转。
典型地，钻头的钻头体由钢或嵌入在颗粒基体复合材料中的钢坯复合材料制成，所述颗粒基体复合材料包括渗有例如铜合金的熔融粘结材料的硬质颗粒材料，所述硬质颗粒材料例如为碳化钨。硬化钢杆通常在已经形成钻头体之后固定到钻头体上。可以在钻头体上或钻头体内的选定位置设置结构特征以方便钻凿过程。这种结构特征例如可以包括径向和纵向延伸的刀翼、切削元件凹窝、突脊、槽脊(lands)、喷嘴口、和钻井流体路径和通道。切削元件通常固定到在位于钻头体表面区域上的刀翼中加工出的切削元件凹窝，例如径向和纵向延伸刀翼的前缘上。这些结构特征(例如，切削元件凹窝)还可以在熔融粘结材料渗入硬质颗粒材料时由用于形成钻头体的模具制成。有利地是，颗粒基体复合材料提供可与钢材料比拟的较高强度和刚性的钻头体，但尤其是在钻头的低应力表面区域上仍然受到泥浆腐蚀和磨损。因此，希望提供一种适于制造包括表面耐磨堆焊材料的钻头体的制造方法，所述表面耐磨堆焊材料不易受到泥浆腐蚀和磨损。
通常，用于钻凿柔软和中等地层的传统固定牙轮式旋转钻头的大部分或全部切削元件均包括切削表面，其包括硬质超耐磨材料，例如相互粘结的聚晶金刚石颗粒。这种″聚晶金刚石复合片″(PDC)牙轮已经在油气井钻探工业中的固定牙轮式旋转钻头上使用了几十年。图1显示了通常根据上述说明的传统固定牙轮式旋转钻头10。旋转钻头10包括联接到钢杆14上的钻头体12。纵向穿过钻头10的一部分形成有孔(未显示)，以便在钻井操作期间通过喷嘴19给钻头10的表面20输送钻井流体。切削元件22(典型地，聚晶金刚石复合片(PDC)切削元件)通常通过例如铜焊、粘结或机械固定的方法结合到钻头体12的钻头面20上。
钻头10可以多次使用以进行连续的钻井操作，在所述钻井操作期间，钻头体12的表面和切削元件22在钻头10的切削元件22切割下面的地层时会经受非常大的作用力和应力。极大的作用力和应力导致切削元件22和钻头体12的表面磨损。最终，钻头体12的表面会磨损到钻头10不再适于使用的程度。因此，在本领域存在增强钻头体表面耐磨性的需要。同样，切削元件22可以磨损到它们不再适于使用的程度。
图2是与固定到钻头体12上的图1所示类似的PDC切削元件22的放大图。典型地，切削元件22与钻头体12分开制造并且利用粘接材料24固定到形成于钻头体12的外(或外部)表面上的凹窝21内，所述粘接材料例如为粘合剂，或者更典型地为如先前所述的硬钎焊合金。而且，如果切削元件22为PDC牙轮，切削元件22可以包括固定到切削元件主体或基底23上的聚晶金刚石复合台28，所述切削元件可以是整体的或者包括粘结在一起的两个部件。
传统的粘结材料24与钻头10和切削元件22的其它部分和表面相比更不耐磨损。在使用期间，由于磨损，在粘结材料24的暴露表面上可能产生小晶簇、砂眼或其它缺陷。含有固体的钻井流体和在钻井过程中产生的地层残余物可能使粘结材料24上的小晶簇和砂眼进一步腐蚀、磨损和扩大，尽管部分地免受由地层岩屑引起的高应力影响。如果去除足够多的粘结材料24，整个切削元件22可能在钻井操作期间与钻头主体12分离。在钻井操作期间，切削元件22的损耗会导致其它切削元件的迅速磨损及整个钻头10的突然失效。因此，本领域还需要增强粘接材料的耐磨性以有助于防止切削元件在钻井操作期间损耗的有效方法。
理想的是，旋转钻头的材料必须极为坚硬，以便在不过度磨损的情况下经受伴随着钻凿地层的磨损和腐蚀。由于钻头在钻井操作期间经受的极大作用力和应力，理想钻头的材料必须同时具有高抗裂韧性。但是，实际上，具有极高硬度的材料相对易碎并且不具有高抗裂韧性，但具有高抗裂韧性的材料相对较软并且不具有高硬度。因此，当选择用于钻头的材料时，必须兼顾硬度和抗裂韧性。
为了同时提高旋转钻头的硬度和抗裂韧性，已经将复合材料应用于经受极大磨损的钻头表面。这些复合或硬质颗粒材料通常称作″表面耐磨堆焊″材料，并且典型地包括具有较高硬度的至少一个相和具有较高抗裂韧性的另一个相。
图3是传统的表面耐磨堆焊材料的抛光和腐蚀面的显微放大图，所述表面耐磨堆焊材料施加到钻头体的(如上所述)颗粒基体复合材料上。表面耐磨堆焊材料包括大体上随机分布在基体材料46的铁基基体上的碳化钨颗粒40。碳化钨颗粒40具有较高硬度，而基体材料46具有较高抗裂韧性。
表面耐磨堆焊材料中使用的碳化钨颗粒40可以包括一个或多个铸造碳化钨颗粒、烧结碳化钨颗粒和粗结晶碳化钨颗粒。碳化钨系统包括两种化学计量化合物，WC和W2C，其间具有连续的混合物范围。铸造碳化钨通常包括WC和W2C化合物的低共熔混合物。烧结碳化钨颗粒包括由基体材料结合在一起的较小的WC颗粒。钴和钴合金通常用作烧结碳化钨颗粒中的基体材料。烧结碳化钨颗粒可以通过使包括较小碳化钨颗粒的第一粉末和包括钴颗粒的第二粉末混合在一起而形成。粉末混合物形成为″生″状态。生粉末混合物随后在接近钴颗粒的熔融温度的温度下烧结以形成围绕碳化钨颗粒的钴材料基体，从而形成烧结碳化钨颗粒。最后，粗结晶碳化钨颗粒通常由WC的单结晶构成。
可以使用本领域公知的各种方法将例如图3所示的表面耐磨堆焊材料施加到钻头表面上。焊接杆可以配置为空心圆柱管，其由充满碳化钨颗粒的表面耐磨堆焊材料制成的基体材料形成。可以密封空心圆柱管的至少一端。管的密封端随后可以熔融或焊接到钻头的希望表面上。随着管熔化，当熔融基体材料沉积在钻头上时，空心圆柱管内的碳化钨颗粒与所述熔融基体材料混合并悬浮在其中。可选方法包括形成表面耐磨堆焊材料制铸杆，使用电弧或焊枪将设置于铸杆端部的表面耐磨堆焊材料施加或焊接到钻头的希望表面上。一种通过焊枪施加表面耐磨堆焊材料的方法是使用众所周知的含氧燃料气体焊接。含氧燃料气体焊接是一组焊接过程，其在使用或不使用施加表面耐磨堆焊材料的压力的情况下，通过利用含氧燃料气体火焰对材料进行加热而产生接合。一种含氧燃料气体焊接称作氧乙炔焊接(OAW)，其是适合于给钻头表面施加表面耐磨堆焊材料的方法。
还可以使用电弧焊方法将表面耐磨堆焊材料施加到钻头表面上。例如，在电极和希望施加表面耐磨堆焊材料的钻头表面的区域之间会产生等离子转移弧。包括碳化钨颗粒和基体材料颗粒的粉末混合物随后通过或紧接着等离子转移弧引导到钻头表面区域上。电弧产生的热量至少使基体材料颗粒熔化以形成位于钻头表面上的焊池，其随后凝固以形成位于钻头表面上的表面耐磨堆焊材料层。
当表面耐磨堆焊材料施加给钻头表面时，可以使用比较高的温度至少使基体材料熔化。在上述比较高的温度下，碳化钨颗粒和基体材料之间会发生溶解作用。换句话说，在施加表面耐磨堆焊材料之后，原本包含在碳化钨颗粒中的至少一部分原子(例如，钨和碳)可以存在于围绕碳化钨颗粒的基体材料中。另外，原本包含在基体材料(例如，铁)中的至少一部分原子可以存在于碳化钨颗粒中。图4是图3所示碳化钨颗粒40的放大图。原本包含在碳化钨颗粒40中的至少一部分原子(例如，钨和碳)可以存在于紧紧围绕碳化钨颗粒40的基体材料46的区域47中。区域47大致包括位于假想线48以内的基体材料46的区域。另外，原本包含在基体材料(例如，铁)中的至少一部分原子可以存在于碳化钨颗粒40的外周或外部区域41中。外部区域41粗略地包括位于假想线42以外的碳化钨颗粒40的区域。
碳化钨颗粒40和基体材料46之间的溶解作用可以使围绕碳化钨颗粒40的区域47内的基体材料46脆化并且降低其外部区域41内的碳化钨颗粒40的硬度，降低表面耐磨堆焊材料的总有效性。溶解作用是尤其当处于高温和当基体材料46处于使基体材料的材料成分变形的液相时，将例如碳化钨颗粒40的固体溶解到例如基体材料46的液体中的过程。在一个方面，溶解作用是固态物质(通常在高温下)进入熔融基体材料的过程，其改变基体材料的构成。在基体材料46的温度接近碳化钨颗粒40的熔融温度时，溶解作用会更为迅速地发生。例如，因为在施加期间使铁基基体材料变成熔融状态需要更高的温度，铁基基体材料与镍基基体材料相比对碳化钨颗粒40具有更大的溶解作用。由于基体材料构成方面的变化，所述材料也变得更易受到泥浆腐蚀和磨损，尤其是在钻头和钻头体的较低应力表面区域上。因此，本领域需要耐磨表面堆焊材料，其包括允许碳化钨颗粒和基体材料之间的溶解作用减到最小的基体材料。本领域还需要给颗粒基体复合材料钻头的表面施加这种耐磨表面堆焊材料的方法，以及包括这种颗粒基体复合材料的钻头和钻具。
发明内容
本发明提供了一种包括耐磨材料的旋转钻头，所述耐磨材料可以称为″表面耐磨堆焊″材料，以增强钻头表面的耐磨性。
在本发明的实施例中，旋转钻头包括钻头体，所述钻头体具有外表面和布置在该钻头体外表面上的耐磨材料，所述耐磨材料包括具有降低溶解作用的颗粒基体复合材料。
本发明还提供了用于将耐磨材料施加到根据本发明实施例的钻头表面上的方法。
在结合附图和所附权利要求书阅读本发明各个实施例的详细说明的情况下，本发明的其他优点、特征和可选方面变得显而易见。
附图说明
尽管说明书末尾的权利要求特别指出和清楚主张了本发明的范围，但是在结合附图阅读本发明的下列说明的情况下，本发明的优点将变得易于确定，其中：
图1是包括切削元件的旋转钻头的透视图；
图2是图1所示钻头的切削元件的放大图；
图3是包括碳化钨颗粒的耐磨材料的显微放大图，其中，所述碳化钨颗粒大体上随机分布在基体材料中；
图4是图3所示碳化钨颗粒的放大图；
图5是固定牙轮式旋转钻头的侧视图，显示了形成在钻头刀翼上的大致纵向延伸的凹部，以容纳位于其上的耐磨表面堆焊材料；
图6是图5所示钻头的一个刀翼的局部侧视图，显示了所述刀翼的各个部分；
图7A是沿大致垂直于钻头纵向轴线的方向剖开的图5所示钻头刀翼的剖视图，进一步显示了形成在刀翼上用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的凹部；
图7B是与图7A所示类似的图5所示钻头刀翼的剖视图，进一步显示了布置在预先形成在刀翼上的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
图8是与图5所示类似的另一个固定牙轮式旋转钻头的侧视图，显示了形成在钻头刀翼上用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的大致周向延伸的凹部；
图9是与图5和8所示类似的又一个固定牙轮式旋转钻头的侧视图，显示了形成在钻头刀翼上用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的大致纵向延伸的凹部和大致周向延伸的凹部；
图10是与图7A和图7B所示类似的剖视图，显示了通常围绕设置在旋转钻头刀翼的地层接合表面上的耐磨硬合金齿的外周形成的凹部，所述凹部用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料；
图11是固定在旋转钻头刀翼上的切削元件的透视图，显示了通常围绕切削元件外周形成的用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的凹部；
图12是沿大致垂直于切削元件纵向轴线的方向剖开的图11所示切削元件和刀翼的一部分的剖视图，进一步显示了通常围绕切削元件外周形成的凹部；
图13是沿大致平行于切削元件纵向轴线的方向剖开的图11所示切削元件和刀翼的一部分的另一剖视图，进一步显示了通常围绕切削元件外周形成的凹部；
图14是图11所示切削元件和刀翼的透视图，进一步显示了布置在围绕切削元件外周设置的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
图15是与图12所示类似的切削元件和刀翼的剖视图，进一步显示了设置在围绕切削元件外周的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
图16是与图13所示类似的切削元件和刀翼的剖视图，进一步显示了设置在围绕切削元件外周形成的凹部中的耐磨表面堆焊材料；
图17是与图16所示类似的切削元件和刀翼的透视图，进一步体现了本发明的教导；
图18是沿剖面线18-18剖开的图17所示切削元件的横向剖视图；
图19是沿剖面线19-19剖开的图17所示切削元件的纵向剖视图；
图20是又一固定牙轮式旋转钻头的端视图，通常显示了形成在钻头刀翼的鼻部和锥部区域上的用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的凹部；
图21是耐磨材料的显微放大图，体现了本发明教导并且包括大体上随机分布在基体中的密集烧结碳化物球粒和碳化物颗粒；
图22是图21所示密集烧结碳化物球粒的放大图；和
图23A-23B显示了耐磨表面堆焊材料的显微放大图，体现了本发明的教导并且包括大体上随机分布在基体中的密集烧结碳化物颗粒。
具体实施方式
这里显示的附图在有些情况下不是任何特定钻头，钻头的切削元件、表面耐磨堆焊材料或其它特征的真实视图，只是用于描述本发明的理想视图。另外，为方便起见，不同附图中的相似元件和特征用相同或相似的参考数字表示。
可以使用本发明的实施例增强旋转钻头，尤其是具有耐磨表面堆焊材料的旋转钻头的耐磨性，所述耐磨表面堆焊材料施加到旋转钻头的低应力表面部分上。图5显示了根据本发明实施例的旋转钻头140。钻头140包括钻头体112，所述钻头体具有由排屑槽116隔开的通常径向突出且纵向延伸的翼部或刀翼114。如图6所示，每个刀翼114可以包括锥部区域150、鼻部区域152、侧翼区域154、肩部区域156和保径区域158(侧翼区域154和肩部区域156在本领域统称为刀翼的″侧翼″或″肩部″)。在一些实施例中，刀翼114可以不包括锥部区域150。这些区域中的每一个包括最外侧表面，其构造为在钻凿期间与围绕钻孔的地下地层相接合。锥部区域150、鼻部区域152和侧翼区域154构造和定位成与位于钻孔底部的地层表面接合并支撑通过钻柱施加的大部分″钻压″(WOB)。这些区域承载安装在位于刀翼114的表面120上的凹窝122中的大部分切削元件118，其用于切削或刮削位于井孔底部的下伏地层。肩部区域156构造和定位成桥接钻孔底部及其壁部之间的过渡区域，保径区域158构造和定位成与钻孔横向侧面上的地层表面相接合。
当刀翼114的各个区域的地层接合表面在施加WOB和旋转期间抵靠地层滑动和刮削以钻凿地层，刀翼114在其地层接合表面处的材料易于磨损。刀翼114在地层接合表面处的材料磨损会导致切削元件损耗和/或钻头失稳(例如，钻头涡动)，其进一步导致钻头140突然失效。
在减少刀翼114在地层接合表面处的材料磨损的尝试中，在刀翼114的这些表面上和/或中设置各种耐磨结构和材料。举例来说，由例如碳化钨的耐磨材料形成的诸如磨块、柱块和抗磨结的硬合金齿插入刀翼114的地层接合表面中。
如图5所示，多个耐磨硬合金齿126(每个耐磨硬合金齿可以包括例如碳化钨磨块)可以在位于保径区域158中的刀翼114的地层接合表面121处插入刀翼114中。在附加实施例中，刀翼114可以包括位于刀翼114的其它区域的地层接合表面上或中的耐磨结构，所述其它区域包括如参照图6所述的锥部区域150、鼻部区域152、侧翼区域154和肩部区域156。举例来说，耐磨硬合金齿可以设置在位于一个或多个切削元件118旋转后方的刀翼锥部区域150和/或鼻部区域152的地层接合表面上或中。
耐磨表面堆焊材料(即，表面耐磨堆焊材料)还可以施加在位于刀翼114的地层接合表面上的选定位置处，尤其是例如切削元件118的切削表面之后不直接经受极大作用力和应力的低应力表面部分。举例来说，可以使用用于施加氧乙炔焊接(OAW)的焊枪或电弧焊机至少部分地熔化耐磨表面堆焊材料以有助于耐磨表面堆焊材料施加到刀翼114的表面上。下文描述了耐磨表面堆焊材料(即表面耐磨堆焊材料)施加到钻头体112上。
继续参考图5，可以在刀翼114中形成用于在内部容纳耐磨表面堆焊材料的凹部142。作为实例并且非限制性的，凹部142可以沿着刀翼114大致纵向延伸，如图5所示。可以沿着由刀翼114的地层接合表面121和旋转前缘面146之间的交接部界定的边缘形成或以其他方式设置纵向延伸凹部142。另外，可以沿着由刀翼114的地层接合表面121和旋转后缘面148之间的交接部界定的边缘形成或以其他方式设置纵向延伸凹部142。一个或多个凹部142可以沿着刀翼114与一个或多个耐磨硬合金齿126相邻地延伸。可以认识到，耐磨表面堆焊材料可以直接施加到有或没有如图所示凹部142的钻头体112的低应力表面部分上。
图7A是沿着剖面线7A-7A剖开的图5所示刀翼114的剖视图。如图7A所示，凹部142可以具有大致半圆形横截面形状。然而，本发明不限于此，在附加实施例中，凹部142可以具有大致三角形、大致矩形(例如，正方形)、或任意其它形状。
凹部142形成或以其他方式设置在刀翼114中的方式取决于制造刀翼114的材料。举例来说，如果刀翼114包括硬质合金或其它颗粒基体复合材料，如下所述，凹部142可以利用例如传统铣床或其它传统机加工工具(包括手持式机加工工具)形成在刀翼114中。选择性地，凹部142可以在刀翼114形成期间设置在刀翼114中。然而，本发明不限于凹部142形成在钻头140的钻头体112的刀翼114中的方式，可以使用在特定钻头中形成凹部142的任何方法提供体现本发明教导的钻头。
如图7B所示，耐磨表面堆焊材料160可以设置在凹部142中。在一些实施例中，设置在凹部142中的耐磨表面堆焊材料160的暴露外表面可以与刀翼114的相邻暴露外表面大体上共同延伸。换句话说，耐磨表面堆焊材料160可以不从刀翼114的表面显著伸出。在这个构造中，在用耐磨表面堆焊材料160充满凹部142之后的刀翼114的外表面的形貌特征可以与形成凹部142之前的刀翼114的外表面的形貌特征大体上相似。描述另一个方法，耐磨表面堆焊材料160的暴露表面可以沿着刀翼114与耐磨表面堆焊材料160相邻的区域大致垂直的方向与刀翼114邻近耐磨表面堆焊材料160的表面大体上平齐或齐平。通过大体上保持刀翼114的外表面的原始形貌特征，施加到刀翼114的外表面上的作用力可以按照钻头设计师的要求更均匀地分布在刀翼114上。相反地，当耐磨表面堆焊材料160从刀翼114的外表面伸出时，随着地层接合耐磨表面堆焊材料160的这些突出部分，可以在紧邻耐磨表面堆焊材料160的突出部分的区域内的刀翼中产生增大的局部应力。这些增大的局部应力的大小通常与突出部分从刀翼114的表面沿朝向被钻地层的方向伸出的距离成正比。因此，通过将耐磨表面堆焊材料160的暴露外表面构造为与形成凹部142时去除的刀翼114的暴露外表面相匹配，可以减少或消除这些增大的局部应力，这还有助于减少钻头140的磨损和延长钻头140的使用寿命。
在本发明的其它实施例中可以认识到，表面耐磨堆焊材料可以在不产生凹部142的情况下有选择地直接施加到钻头体112的表面120上，同时仍然提高钻头体表面的耐磨性。
图8显示了根据本发明实施例的另一个旋转钻头170。钻头170通常与先前参照图5描述的钻头140类似，并且包括由排屑槽116隔开的多个刀翼114。多个耐磨硬合金齿126插入位于钻头体112的保径区域158中的每个刀翼114的地层接合表面121内。钻头170还包括多个凹部172，所述凹部与每个刀翼114包括多个耐磨硬合金齿126的区域相邻地形成。凹部172通常与先前参照图5、6和7描述的凹部142类似。然而，位于钻头表面120内的凹部172围绕钻头170沿与钻头170在钻凿期间的旋转方向大致平行的方向大致周向延伸。
图9显示了体现本发明教导的又一钻头180。钻头180通常与钻头140和钻头170类似，并且包括多个刀翼114、排屑槽116和耐磨硬合金齿126，所述耐磨硬合金齿插入位于刀翼保径区域158内的每个刀翼114的地层接合表面121内。然而，钻头180包括如同钻头140的大致纵向延伸凹部142和如同钻头170的大致周向延伸凹部172。在这个构造中，每个耐磨硬合金齿126的外周大体上由充满耐磨表面堆焊材料160(图7)的凹部142、172围绕，通常直到刀翼114的暴露外表面。通过大体上围绕包括多个耐磨硬合金齿126的刀翼114的每个区域的外周，可以减少或消除与多个耐磨硬合金齿126的高应力部分相邻的刀翼114的低应力部分中的材料磨损，这可以防止在钻凿期间一个或多个耐磨硬合金齿126的损耗。
在图9所示实施例中，刀翼114包括多个耐磨硬合金齿126的区域在外周大体上由充满耐磨表面堆焊材料160(图7A)的凹部142、172围绕。在附加实施例中，钻头的一个或多个耐磨硬合金齿在外周大体上分别由充满耐磨表面堆焊材料的凹部围绕。
图10是根据本发明实施例的另一钻头的刀翼114的剖视图。该剖视图与图7A-7B所示剖视图类似。然而，图10所示刀翼114包括耐磨硬合金齿126，所述耐磨硬合金齿在外周大体上分别由充满耐磨表面堆焊材料160的凹部182围绕。凹部182可以与先前所述凹部142、172大体上类似，并且可以充满耐磨表面堆焊材料160。在这个构造中，硬合金齿126的暴露外表面、耐磨表面堆焊材料160和刀翼114与耐磨表面堆焊材料160相邻的区域通常为同延的和平面的，以减少或消除由从刀翼114通常朝向被钻地层伸出的任何耐磨表面堆焊材料160引起的应力局部集中。
在附加实施例中，可以围绕切削元件设置用于容纳耐磨表面堆焊材料的凹部。图11是一个切削元件118的透视图，所述切削元件固定在位于与每个前述钻头相似的钻头的刀翼114上的切削件凹窝122内。如图11-13所示，凹部190可以形成在大体上在外周围绕切削元件118的刀翼114上。如图12-13所示，凹部190可以具有大体三角形的横截面形状，但是，在附加实施例中，凹部190可以具有任何其他形状。切削元件118可以利用粘接材料124固定在切削件凹窝122内，例如，粘合剂或钎焊合金可以设置在接合面处并用于将切削元件118固定和附接到刀翼114上。
图14-16分别与图11-13大体上类似，但进一步显示了布置在围绕切削元件118设置的凹部114中的耐磨表面堆焊材料160。耐磨表面堆焊材料160的暴露外表面和刀翼114与耐磨表面堆焊材料160相邻的区域通常可以为同延的。此外，耐磨表面堆焊材料160可以构造为不延伸穿过刀翼114的相邻表面，从而减少或消除由从刀翼114通常朝向被钻地层伸出的任何耐磨表面堆焊材料160引起的应力局部集中。
另外，在这种构造中，耐磨表面堆焊材料160可以覆盖和保护用于将切削元件118固定在切削件凹窝122内的一部分粘接材料124，可以使粘接材料124在钻凿期间免受磨损。通过使粘接材料124在钻凿期间免受磨损，耐磨表面堆焊材料160可以有助于防止切削元件118与刀翼114分离、对钻头体造成损坏和钻头的突然失效。
此外，可以认识到，示意性地显示了切削元件118，其中，耐磨表面堆焊材料160布置在围绕切削元件116的凹部114中。对于更易受温度偏差和高温影响的切削元件118的材料来说，耐磨表面堆焊材料160可以在将切削元件114粘结到切削件凹窝122中之前施加到凹部114内，可能需要例如磨削耐磨表面堆焊材料160以便预先形成用于可定位容纳切削元件114的切削件凹窝122。同样，耐磨表面堆焊材料160可以在将切削元件114粘接到切削件凹窝122中期间或之后施加到凹部114内。例如，当切削元件116的切削台，即聚晶金刚石复合台不易受到施加耐磨表面堆焊材料160期间的温度转变影响或者切削台布置在凹部114前方以便在施加到凹部114中期间不直接接触耐磨表面堆焊材料时，可以在不损坏切削元件的情况下实现将耐磨表面堆焊材料160施加到围绕切削元件114布置的凹部116中。
图17-19分别与图11-13大体上类似，但进一步显示了布置在将切削元件118固定到旋转钻头140上的粘接材料124上的耐磨表面堆焊材料160。旋转钻头140在结构上类似于图1所示的旋转钻头10，并且包括多个切削元件118，所述切削元件定位并固定于设置在钻头体112的外表面上的凹窝内。如图17所示，每个切削元件118可以沿其与钻头体112之间的接合面固定到钻头140的钻头体112上。例如粘合剂或钎焊合金的粘接材料124可以布置在接合面处，并用于将每个切削元件118固定和附接到钻头体112上。粘接材料124不如钻头体112和切削元件118的材料耐磨损。每个切削元件118可以包括沿接合面附接和固定到切削元件主体或基底123上的聚晶金刚石复合台128。
旋转钻头140还包括布置在钻头140的表面上的耐磨材料160。此外，耐磨材料160的区域可以构造为保护粘接材料124的暴露表面。
图18是沿剖面线18-18剖开的图17所示切削元件118的横向剖视图。如图18所示，耐磨材料160的连续部分可以粘接到钻头体112的外表面区域和切削元件118的基底123的侧表面上，并且每个连续部分可以在钻头体112和切削元件118的基底123的侧表面之间的至少一部分接合面上延伸。
图19是沿剖面线19-19剖开的图17所示切削元件118的纵向剖视图。如图19所示，耐磨材料160的另一连续部分可以粘接到钻头体112的外表面区域和切削元件118的基底123的侧表面上，并且可以在钻头体112和与聚晶金刚石复合台128相对的切削元件118的纵向端面之间的至少一部分接合面上延伸。在钻头体112的外表面区域和切削元件118的基底123的侧表面上施加耐磨材料160给粘接材料124提供了耐磨损保护。另外，基底123可以足以耗散和经受在给其施加耐磨材料160期间产生的热量，允许聚晶金刚石复合台128免受加热引起的破裂和石墨化影响。
在这种构造中，耐磨材料160的连续部分可以覆盖布置于切削元件118和钻头体112之间的至少一部分粘接材料124并防止其在钻凿操作期间磨损。通过防止粘接材料124在钻井操作中受到磨损，耐磨材料160有助于防止切削元件118和钻头体112在钻井操作期间分离，损坏钻头体112以及旋转钻头140突然失效。
覆盖和保护粘接材料124的暴露表面的耐磨材料160的连续部分可以构造为沿着钻头体112和切削元件118的接合面边缘并于其上设置的耐磨材料160制成的凸缘。耐磨材料160提供了增强粘接材料124的耐磨性以有助于防止切削元件118在钻井操作期间损坏的有效方法。
图20是根据本发明实施例的又一旋转钻头200的端视图。如图20所示，在本发明的一些实施例中，凹部202可以设置在切削元件118之间。例如，凹部202可以围绕钻头(未显示)的纵向轴线在定位于锥部区域150(图6)和/或鼻部区域152(图6)中的切削元件118之间大致周向延伸。此外，如图20所示，在本发明的一些实施例中，凹部204可以设置在切削元件118的旋转后方。例如，凹部204可以沿着位于定位在锥部区域150(图6)和/或鼻部区域152(图6)中的一个或多个切削元件118旋转后方的刀翼114大致纵向延伸。在附加实施例中，凹部204可以不是细长的，并且可以具有通常圆形或通常矩形形状。这种凹部204可以位于一个或多个切削元件118的旋转正后方，或者位于相邻切削元件118的旋转后方，但是位于相邻切削元件118之间的径向位置(从钻头200的纵向轴向算起)。耐磨材料160可以施加在凹部202、204中或者可以施加在暴露给旋转钻头低应力的其他表面上，以便有助于减少尤其是由夹带微粒的泥浆所造成的腐蚀和磨损。
这里描述的耐磨表面堆焊材料可以包括例如陶磁金属复合材料(即，″金属陶瓷″材料)，该陶磁金属复合材料包括分布在整个金属基体材料中的多个硬陶瓷相区域或颗粒。硬陶瓷相区域或颗粒可以包括碳化物、氮化物、氧化物和硼化物(包括碳化硼(B4C))。更具体地，硬陶瓷相区域或颗粒可以包括由例如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素组成的碳化物和硼化物。作为实例并且非限制性的，可用于形成硬陶瓷相区域或颗粒的材料包括碳化钨、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB2)、碳化铬、氮化钛(TiN)、氧化铝(A12O3)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)。陶磁金属复合材料的金属基体材料可以包括例如钴基、铁基、镍基、铁镍基、钴镍基、铁钴基、铝基、铜基、镁基和钛基合金。基体材料还可以选择商业纯元素，例如，钴、铝、铜、镁、钛、铁和镍。
在本发明的实施例中，耐磨表面堆焊材料可以施加到钻头体或钻具主体上，并且包括如下文所述的材料。当在此使用时，术语″钻头″不仅包括传统的钻头，还包括取芯钻头、双中心钻头、偏心钻头、三牙轮钻头和在钻凿井孔中使用的工具。
图21显示了根据本发明实施例，尤其适合于将″表面耐磨堆焊″材料施加到具有颗粒基体复合材料的钻头上的耐磨材料54的抛光和腐蚀面。图23A和23B是根据本发明实施例的耐磨材料的抛光和腐蚀面的实际显微放大图。参考图21，耐磨材料54包括大体上随机分布在基体材料60中的多个密集烧结碳化物球粒56和多个碳化物细粒58。每个密集烧结碳化物球粒56可以具有通常球形球粒结构。在此使用的术语″球粒″表示具有通常球形形状的任何颗粒。球粒不是真正的球形，而是缺少通常在压碎及其它非球形碳化钨颗粒中发现的角、锋利边缘和角状突起。在此使用的术语″密集烧结碳化物球粒″，还称作″超密集颗粒″包括如美国专利公开文本No.2003/0000339中公开的烧结颗粒等级。密集烧结碳化物球粒为大体上球形形状并且具有大量闭合空隙或没有气孔。制造这种球粒的方法使用具有局部多孔内部结构的粉末材料，所述粉末材料导入熔炉并且在金属粘接材料呈现糊状的温度下烧结，同时施加压力以减少原始材料的气孔含量以获得最终密度。
本发明的这个实施例中的多个密集烧结碳化物球粒56是碳化钨材料，但是可以包括这里指出的其它材料。多个碳化物细粒58可以包括碳化钨或这里指出的其它材料。多个碳化物细粒58可以是或包括铸造碳化物球粒、碎铸造碳化物、球形铸造碳化物和球形烧结碳化物，并且还可以包括其组合。多个碳化物细粒58还可以包括粗结晶碳化物。
在本发明的至少一个实施例中，耐磨材料54可以包括多个密集烧结碳化物球粒56，其大体上随机分布在有或没有如图21所示碳化钨细粒58的基体材料60中。
在本发明的一些实施例中，耐磨材料54可以包括大体上随机分布在基体材料60中的多个密集烧结碳化钨球粒56、多个烧结碳化物细粒58和多个球形铸造碳化钨球粒59。图23A显示了包括镍基合金材料的基体材料60。
在本发明的另外一些实施例中，耐磨材料54可以包括大体上随机分布在基体材料60中的多个密集烧结碳化钨球粒56、多个碎铸造碳化物细粒58和多个球形铸造碳化钨球粒59。图23B显示了包括铁基合金材料的基体材料60。
角、锋利边缘和角状突起可以产生残余应力，其可能导致在耐磨材料54施加到钻头表面上的时候，紧邻残余应力的颗粒区域内的碳化钨材料在较低温度下熔化。碳化钨材料在施加期间熔化或部分熔化会有利于碳化钨颗粒和周围基体材料之间的溶解作用。如先前所讨论的，基体材料60和密集烧结碳化物球粒56以及碳化物细粒58之间的溶解作用会使围绕碳化钨球粒56、58的区域内的基体材料60脆化，并且尤其是当基体材料为铁基时降低表面耐磨堆焊材料的硬度，如图23B所示。这种溶解作用可以削弱耐磨材料54的整体物理性质。使用密集烧结碳化物球粒56(可选择地，碳化物细粒58和碳化物球粒59)代替包括角部、锋利边缘和角状突起的传统碳化钨颗粒可以削弱这种溶解作用，在将耐磨材料54施加到钻头及其它工具表面上期间保持基体材料60和密集烧结碳化物球粒56(可选择地，和碳化物细粒58)的物理性能。
基体材料60可以占耐磨材料54的重量比的大约20％到大约75％。更特别地，基体材料60可以占耐磨材料54的重量比的大约55％到70％。多个密集烧结碳化物球粒56可以占耐磨材料54的重量比的大约25％到70％。更特别地，多个密集烧结碳化物球粒56可以占耐磨材料54的重量比的大约10％到大约45％。而且，多个铸造碳化物细粒58可以占耐磨材料54的重量比的大约35％以下。例如，基体材料60可以占耐磨材料54的重量比的大约60％，多个密集烧结碳化物球粒56可以占耐磨材料54的重量比的大约30％，多个碳化物细粒58可以占耐磨材料54的重量比的大约10％。作为另一实例，基体材料60可以占耐磨材料54的重量比的大约65％，多个密集烧结碳化物球粒56可以占耐磨材料54的重量比的大约35％。
密集烧结碳化物球粒56可以包括-40/+80 ASTM目球粒。当在此使用时，短语″-40/+80 ASTM目球粒″是指能够穿过ASTM No.40美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.80美国标准试验筛的球粒。这种密集烧结碳化物球粒可以具有小于大约425微米且大于大约180微米的平均直径。密集烧结碳化物球粒56的平均直径为碳化物细粒58或球粒59的平均直径的大约0.4倍到大约10倍。碳化物细粒58可以包括-16 ASTM目细粒。当在此使用时，短语″-16 ASTM目细粒″是指能够穿过ASTM No.16美国标准试验筛的细粒。更特别地，碳化物细粒58可以包括-100 ASTM目细粒。当在此使用时，短语″-100 ASTM目细粒″是指能够穿过ASTM No.100美国标准试验筛的细粒。这种铸造碳化物细粒具有小于大约150微米的平均直径。
举例来说，密集烧结碳化物球粒56可以包括-45/+70 ASTM目球粒，铸造碳化物细粒58可以包括-100/+325 ASTM目细粒。当在此使用时，短语″-45/+70 ASTM目球粒″是指能够穿过ASTM No.45美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.70美国标准试验筛的球粒。这种密集烧结碳化物球粒可以具有小于大约355微米且大于大约212微米的平均直径。而且，当在此使用时，短语″-100/+325 ASTM目细粒″是指能够穿过ASTM No.100美国标准试验筛，但不能穿过ASTMNo.325美国标准试验筛的细粒。这种碳化物细粒58可以具有大约45微米到大约150微米的平均直径。
作为另一实例，多个密集烧结碳化物球粒56可以包括多个-60/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒和多个-16/+270 ASTM目烧结碳化钨细粒。多个-60/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒可以占耐磨材料54的重量比的大约10％到45％，多个-16/+270 ASTM目烧结碳化物球粒可以占耐磨材料54的重量比的大约35％以下。当在此使用时，短语″-16/+270 ASTM目球粒″是指能够穿过ASTM No.16美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.270美国标准试验筛的球粒。这种密集烧结碳化物球粒56可以具有大约180微米到大约250微米的平均直径。
作为又一实例，多个密集烧结碳化物球粒56可以包括多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒。多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒可以占耐磨材料54的重量比的大约35％，基体材料60可以占耐磨材料54的重量比的大约65％。
在一个特定实施例中，仅仅举例说明，耐磨材料54可以包括大约40％重量比的基体材料60，大约48％重量比的-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒56，和大约12％重量比的-140/+325 ASTM目碳化物细粒58。当在此使用时，短语″-40/+80 ASTM目球粒″是指能够穿过ASTM No.40美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.80美国标准试验筛的球粒。类似地，短语″-140/+325 ASTM目碳化物细粒″是指能够穿过ASTM No.140美国标准试验筛，但不能穿过ASTM No.325美国标准试验筛的碳化物细粒。基体材料60可以包括镍基合金，其还可以包括一种或多种例如铬、硼和硅的添加元素。基体材料60还可以具有低于大约1100℃的熔点，并且在洛氏硬度C标下具有大约20到大约55的硬度。更具体地，基体材料60在洛氏硬度C标下具有大约35到大约50的硬度。例如，基体材料60在洛氏硬度C标下具有大约40的硬度。
还可以使用除了碳化钨之外的碳化物铸造细粒和烧结球粒来提供体现本发明教导的耐磨材料。其它这类碳化物包括但不限于碳化铬、碳化钼、碳化铌、碳化钽、碳化钛和碳化钒。
基体材料60可以包括熔点低于大约1100℃的金属合金材料。而且，多个密集烧结碳化物球粒56中的每个密集烧结碳化物球粒56可以包括利用熔点高于大约1200℃的粘结合金(binder alloy)结合在一起的多个碳化钨颗粒。例如，粘结合金可以包括熔点低于大约1200℃的钴基金属合金材料或镍基合金材料。在这种构造中，基体材料60在将耐磨材料54施加到钻具(例如，钻头)表面上的时候大体上熔化，但碳化物细粒58、或粘结合金或密集烧结碳化物球粒56的碳化钨颗粒大体上不熔化。这能够使耐磨材料54在较低温度下施加到钻具表面上，从而使密集烧结碳化物球粒56和基体材料60以及碳化物细粒58和基体材料60之间的溶解作用减到最小。
如先前所讨论的，将基体材料60与密集烧结碳化物球粒56以及碳化物细粒58之间的原子扩散减到最小有助于在将耐磨材料54施加到钻头及其它钻具表面上的时候保持基体材料60、密集烧结碳化物球粒56和碳化物细粒58的化学成分和物理性质。
基体材料60还可以包括较少数量的其它元素，例如碳、铬、硅、硼、铁和镍。而且，基体材料60还可以包括例如硅锰合金的助熔剂、例如铌的合金元素、以及例如聚合物材料的结合剂。
图22是图21所示密集烧结碳化物球粒56的放大图。密集烧结碳化物球粒56的硬度在所有球粒中大体上相同。例如，密集烧结碳化物球粒56可以包括密集烧结碳化物球粒56的外周或外部区域57。外部区域57可以粗略地包括位于假想线64以外的密集烧结碳化物球粒56的区域。密集烧结碳化物球粒56在由假想线64包围的球粒的中心区域具有第一平均硬度，在位于假想线64以外的球粒的外周区域57内的部位具有第二平均硬度。密集烧结碳化物球粒56的第二平均硬度可以高于密集烧结碳化物球粒56的第一平均硬度的大约99％。举例来说，第一平均硬度在洛氏硬度A标下为大约90到92，第二平均硬度在洛氏硬度A标下对于镍基基体材料来说为大约90，在洛氏硬度A标下对于铁基基体材料来说为大约86。
密集烧结碳化物球粒56相对于碳化物细粒58而言具有较高的抗裂韧性，而碳化物细粒58相对于密集烧结碳化物球粒56而言具有较高的硬度。通过使用此处描述的基体材料60，在将耐磨材料54施加到钻头或其它钻具上时，在耐磨材料54中可以保持密集烧结碳化物球粒56的抗裂韧性和碳化物细粒58的硬度，从而提供相对于本领域已知耐磨材料性能提高的耐磨材料54。
根据本发明实施例的耐磨材料(例如图21-22所示的耐磨材料54)可以施加给旋转钻头(例如图1所示旋转钻头10)、滚动切削钻头(通常称作″牙轮钻头″)、以及经受磨损的其它钻具(例如随钻扩眼工具及可扩张的扩眼器刀翼)的表面上的选定区域，所有这些及其它设备包括在先前所述的术语″钻头″的范围内。
钻头表面上的某些位置可能需要较高硬度，而钻头表面上的其它位置可能需要较高的抗裂韧性。可以有选择地改变基体材料60、多个密集烧结碳化物球粒56和(可选择的)多个碳化物细粒58的相对重量百分比，从而提供具有适合于特定工具或工具表面上特定区域的物理性质的耐磨材料54。
除了施加到经受磨损的钻头和钻具的表面上之外，可以使用根据本发明实施例的耐磨材料以保护更易受到磨损的钻头和钻具的结构特征或材料，包括上面提到的实例。
耐磨材料54可用于覆盖和保护钻头或其它钻具的任意两个结构或特征之间的接合面。例如，钻头体和抗磨结或钻头体中的各种硬合金齿的外周之间的接合面。另外，耐磨材料54不限于在结构或特征之间的接合面处使用，而是可以在位于经受磨损的钻头或钻具的任何表面上的任何位置处使用，例如但不限于位于围绕喷嘴出口、位于排屑槽116内、以及位于切削件118之间的钻头体的表面上。
根据本发明实施例的耐磨材料(例如耐磨材料54)可以利用本领域已知方法的变形施加到钻头或钻具的选定表面上。例如，根据本发明实施例的使用前耐磨材料可以焊条形式提供。焊条可以包括由耐磨材料54构成的固态的铸造或挤压棒材。可选地，焊条可以包括由基体材料60制成并充满多个密集烧结碳化物球粒56和多个碳化物细粒58的中空圆柱形管。可以使用OAW焊枪或任何其他类型的气体燃料焊枪将焊条的至少一部分加热到高于基体材料60的熔点的温度。这可以使发生于基体材料60和密集烧结碳化物球粒56及碳化物细粒58之间的原子扩散程度减到最小。
发生于基体材料60和密集烧结碳化物球粒56以及碳化物细粒58之间的溶解速率至少部分地与发生溶解的温度相关。因此，溶解作用的程度至少部分地与发生溶解作用的温度和允许发生溶解作用的时间两者相关。因此，可以通过使用良好的热管理控制手段控制发生于基体材料60和密集烧结碳化物球粒56以及碳化物细粒58之间的溶解作用的程度。
OAW焊枪能够将材料加热到超过1200℃的温度。有利地是仅仅在将耐磨材料54施加到表面上之前，使将要施加耐磨材料54的钻头或钻具的表面略微熔化。例如，可以使OAW焊枪非常接近钻头和钻具的表面，并且使该表面加热到足够高的温度以略微熔化或″熔解″所述表面。包括使用前耐磨材料的焊条随后可以非常接近所述表面，并且焊枪和焊条之间的距离可以调节至将至少一部分焊条加热到高于基体材料60的熔点的温度，从而使基体材料60熔化。熔化的基体材料60、至少一部分密集烧结碳化物球粒56和至少一部分碳化物细粒58可以施加到钻头的表面上，并且熔化的基体材料60可以通过控制冷却而凝固。可以控制冷却速率来控制耐磨材料54的微观结构和物理性质。
可选地，耐磨材料54可以利用诸如等离子转移弧焊接方法的电弧焊方法施加到钻头或钻具的表面上。例如，基体材料60可以粉末(基体材料60的小颗粒)形式提供。多个密集烧结碳化物球粒56和多个碳化物细粒58可以与粉末状基体材料60混合，从而提供粉末混合物形式的使用前耐磨材料。随后可以使用等离子转移弧焊机将使用前耐磨材料的至少一部分加热到高于基体材料60的熔点且低于大约1200℃的温度，从而使基体材料60熔化。
根据本发明的实施例，可以使用所有电弧方法(无论连续电弧还是脉冲电弧)。例如金属惰性气体(MIG)电弧焊方法、钨极隋性气体(TIG)电弧焊方法和火焰喷焊方法的其它焊接方法在本领域中已知，并且可用于将耐磨材料54施加到钻头或钻具的表面上。其它方法可以包括等离子转移弧(PTA)和埋弧。电弧方法可以包括通过粉末、电线或管进给机构施加。由于施加耐磨材料54的上述电弧方法仅仅是举例说明性质，因此不限于这里提出的方法。
耐磨材料(即，表面耐磨堆焊)适合于施加在由钢材、颗粒基体复合材料或所谓″硬质合金″材料制成的钻头体上。提交于2005年11月10日、名称为″钻地旋转钻头和制造具有颗粒基体复合钻头体的钻地旋转钻头的方法″的美国申请序列号11/272,439中公开了用于钻头体的颗粒基体复合材料。
尽管这里已经相对于特定的优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当考虑和认识到本发明不限于此。相反，在不脱离如下文要求保护的本发明范围的情况下，可以对优选实施例进行多种增加、删除和改变。另外，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征结合，但仍然处于由本发明人考虑的发明范围内。另外，本发明在具有不同和各种钻头外形及切削元件类型的钻头和取芯钻头中具有实用性。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种包括具有下列比率的使用前材料的耐磨材料：
基体材料，所述基体材料占耐磨材料重量比的大约20％到大约75％，和
大体上随机散布在所述基体材料中的多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒，所述多个密集烧结碳化物球粒占耐磨材料重量比的大约25％到大约70％。
2.如权利要求1所述的耐磨材料，其中，所述基体材料包括至少75％重量比的镍并且具有低于大约1100℃的熔点；并且其中，每个密集烧结碳化物球粒包括利用粘结合金结合在一起的多个密集烧结碳化钨颗粒，所述粘结合金具有高于大约1200℃的熔点。
3.如权利要求1所述的耐磨材料，还包括大体上随机散布在基体材料中的多个-16 ASTM目碳化物细粒，所述多个碳化物细粒占所述耐磨材料重量比的大约35％以下。
4.如权利要求3所述的耐磨材料，其中，所述多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒包括多个-45/+70 ASTM目密集烧结碳化物球粒，并且其中，所述多个-16 ASTM目碳化物细粒包括多个-100/+325ASTM目铸造碳化钨球粒。
5.如权利要求3所述的耐磨材料，其中，所述多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒包括多个-60/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒，并且其中，所述多个-16 ASTM目碳化物细粒包括多个-140/+325ASTM目碳化物球粒和多个-16 ASTM目球形烧结碳化物球粒，所述多个-60/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒占所述耐磨材料重量比的大约25％到大约35％，所述多个-140/+325 ASTM目碳化物球粒和多个-16 ASTM目球形烧结碳化物球粒占所述耐磨材料重量比的大约10％到大约15％。
6.如权利要求1所述的耐磨材料，其中，所述耐磨材料中的每个密集烧结碳化物球粒在球粒中心区域中具有第一平均硬度，在球粒周边区域中具有第二硬度，所述第二硬度大于所述第一硬度的大约99％。
7.如权利要求6所述的耐磨材料，其中，所述第一硬度和第二硬度在洛氏硬度A标下高于大约89。
8.如权利要求1所述的耐磨材料，其中，所述多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒包括多个-45/+70 ASTM目密集烧结碳化钨球粒和多个-60/+80 ASTM目密集烧结碳化钨球粒中的至少之一。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的耐磨材料，其固定到用于钻凿至少一个地下地层的旋转钻头上，所述旋转钻头还包括大体上由包括钢材、颗粒基体复合材料和烧结基体材料之一的材料制成的钻头体，所述钻头体具有外表面，其中，所述耐磨材料布置在所述钻头体外表面的至少一部分上。
10.如权利要求9所述的耐磨材料，其中，所述旋转钻头还包括至少一个凹部，所述凹部从包括布置在内部的耐磨材料的外表面延伸到钻头体中，沿与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大致垂直的方向观察，所述耐磨材料的暴露表面与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大体上平齐。
11.如权利要求9所述的耐磨材料，其中，所述旋转钻头还包括沿接合面固定到所述钻头体上的至少一个切削元件；布置在所述钻头体和位于所述接合面处的所述至少一个切削元件之间的钎焊合金，所述耐磨材料的至少连续部分粘接到所述钻头体的外表面和所述至少一个切削元件的表面上，在所述钻头体和所述至少一个切削元件之间的接合面上延伸并且覆盖所述钎焊合金的至少一部分。
12.如权利要求11所述的耐磨材料，其中，所述旋转钻头的钻头体还包括位于所述钻头体外表面上的凹窝，所述至少一个切削元件的至少一部分布置在所述凹窝内，所述接合面沿着所述钻头体和所述至少一个切削元件的邻接面延伸，并且其中，所述钻头体还包括形成在所述钻头体外表面上与所述接合面相邻的至少一个凹部，所述耐磨材料的至少一部分布置在所述至少一个凹部内。
13.一种用于将耐磨材料施加到钻头表面上的方法，所述方法包括：
提供钻头，所述钻头具有由包括钢材、颗粒基体复合材料和烧结基体材料之一的材料制成的钻头体，所述钻头体具有外表面；
使多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒混合在基体材料中以提供使用前耐磨材料，所述基体材料占所述使用前耐磨材料重量比的大约20％到大约75％，所述多个密集烧结碳化物球粒占所述使用前耐磨材料重量比的大约25％到大约70％；
加热所述基体材料，包括将所述使用前耐磨材料的至少一部分加热到高于所述基体材料熔点的温度以使所述基体材料熔化；
将熔化的基体材料和至少一部分密集烧结碳化物球粒施加到所述钻头体外表面的至少一部分上；和
凝固熔化的基体材料。
14.如权利要求13所述的方法，其中，将多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒混合在基体材料以提供使用前耐磨材料还包括使多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒和多个-16 ASTM目碳化物细粒混合在基体材料中以提供使用前耐磨材料，多个铸造碳化钨细粒占所述使用前耐磨材料重量比的大约35％以下。
15.如权利要求13所述的方法，其中，将多个-40/+80 ASTM目密集烧结碳化物球粒混合在基体材料中以提供使用前耐磨材料包括提供具有至少75％重量比的镍并且熔点小于大约1100℃的基体材料；并且其中，每个密集烧结碳化物球粒包括利用粘结合金结合在一起的多个密集烧结碳化物颗粒，所述粘结合金具有高于大约1200℃的熔点。
16.如权利要求15所述的方法，还包括设置至少一个凹部，所述凹部延伸到钻头的钻头体外表面；将所述熔化的基体材料施加到所述至少一个凹部中；和沿着与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大致垂直的方向，使所述熔化基体材料的表面与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大体上平齐。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述钻头体包括多个刀翼，并且还包括使所述至少一个凹部中的至少之一延伸到所述多个刀翼中一个刀翼的低应力表面部分中，并且使所述至少一个凹部沿着由包括所述钻头体外表面的一部分的两个表面之间的接合面界定的边缘延伸。
18.如权利要求16所述的方法，还包括将至少一个切削元件布置在所述钻头体的外表面上，以及使所述至少一个凹部设置成与位于所述钻头体外表面上或钻头体外表面中的至少一个切削元件相邻。
19.如权利要求13所述的方法，其中，加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料包括下列之一，利用电弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；利用等离子转移弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；通过使乙炔在大体上纯氧中燃烧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料以加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；利用金属惰性气体弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；利用钨极隋性气体弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；以及利用埋弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料。

Claims (19)

1.一种包括具有使用前比率的下列材料的耐磨材料：
基体材料，所述基体材料占耐磨材料重量比的大约20％到大约75％，和
大体上随机散布在所述基体材料中的多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒，所述多个密集烧结碳化物球粒占耐磨材料重量比的大约25％到大约70％。
2.如权利要求1所述的耐磨材料，其中，所述基体材料包括至少75％重量比的镍并且具有低于大约1100℃的熔点；并且其中，每个密集烧结碳化物球粒包括利用粘结合金结合在一起的多个密集烧结碳化钨颗粒，所述粘结合金具有高于大约1200℃的熔点。
3.如权利要求1所述的耐磨材料，还包括大体上随机散布在基体材料中的多个-16ASTM目碳化物细粒，所述多个碳化物细粒占所述耐磨材料重量比的大约35％以下。
4.如权利要求3所述的耐磨材料，其中，所述多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒包括多个-45/+70ASTM目密集烧结碳化物球粒，并且其中，所述多个-16ASTM目碳化物细粒包括多个-100/+325ASTM目铸造碳化钨球粒。
5.如权利要求3所述的耐磨材料，其中，所述多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒包括多个-60/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒，并且其中，所述多个-16ASTM目碳化物细粒包括多个-140/+325ASTM目碳化物球粒和多个-16ASTM目球形烧结碳化物球粒，所述多个-60/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒占所述耐磨材料重量比的大约25％到大约35％，所述多个-140/+325ASTM目碳化物球粒和多个-16ASTM目球形烧结碳化物球粒占所述耐磨材料重量比的大约10％到大约15％。
6.如权利要求1所述的耐磨材料，其中，所述耐磨材料中的每个密集烧结碳化物球粒在球粒中心区域中具有第一平均硬度，在球粒周边区域中具有第二硬度，所述第二硬度大于所述第一硬度的大约99％。
7.如权利要求6所述的耐磨材料，其中，所述第一硬度和第二硬度在洛氏硬度A标下高于大约89。
8.如权利要求1所述的耐磨材料，其中，所述多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒包括多个-45/+70ASTM目密集烧结碳化钨球粒和多个-60/+80ASTM目密集烧结碳化钨球粒中的至少之一。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的耐磨材料，其固定到用于钻凿至少一个地下地层的旋转钻头上，所述旋转钻头还包括大体上由包括钢材、颗粒基体复合材料和烧结基体材料之一的材料制成的钻头体，所述钻头体具有外表面，其中，所述耐磨材料布置在所述钻头体外表面的至少一部分上。
10.如权利要求9所述的耐磨材料，其中，所述旋转钻头还包括至少一个凹部，所述凹部从包括布置在内部的耐磨材料的外表面延伸到钻头体中，沿与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大致垂直的方向观察，所述耐磨材料的暴露表面与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大体上平齐。
11.如权利要求9所述的耐磨材料，其中，所述旋转钻头还包括沿接合面固定到所述钻头体上的至少一个切削元件；布置在所述钻头体和位于所述接合面处的所述至少一个切削元件之间的钎焊合金，所述耐磨材料的至少连续部分粘接到所述钻头体的外表面和所述至少一个切削元件的表面上，在所述钻头体和所述至少一个切削元件之间的接合面上延伸并且覆盖所述钎焊合金的至少一部分。
12.如权利要求11所述的耐磨材料，其中，所述旋转钻头的钻头体还包括位于所述钻头体外表面上的凹窝，所述至少一个切削元件的至少一部分布置在所述凹窝内，所述接合面沿着所述钻头体和所述至少一个切削元件的邻接面延伸，并且其中，所述钻头体还包括形成在所述钻头体外表面上与所述接合面相邻的至少一个凹部，所述耐磨材料的至少一部分布置在所述至少一个凹部内。
13.一种用于将耐磨材料施加到钻头表面上的方法，所述方法包括：
提供钻头，所述钻头具有由包括钢材、颗粒基体复合材料和烧结基体材料之一的材料制成的钻头体，所述钻头体具有外表面；
使多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒混合在基体材料中以提供使用前耐磨材料，所述基体材料占所述使用前耐磨材料重量比的大约20％到大约75％，所述多个密集烧结碳化物球粒占所述使用前耐磨材料重量比的大约25％到大约70％；
加热所述基体材料，包括将所述使用前耐磨材料的至少一部分加热到高于所述基体材料熔点的温度以使所述基体材料熔化；
将熔化的基体材料和至少一部分密集烧结碳化物球粒施加到所述钻头体外表面的至少一部分上；和
凝固熔化的基体材料。
14.如权利要求13所述的方法，其中，将多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒混合在基体材料以提供使用前耐磨材料还包括使多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒和多个-16ASTM目碳化物细粒混合在基体材料中以提供使用前耐磨材料，所述多个铸造碳化钨细粒占所述使用前耐磨材料重量比的大约35％以下。
15.如权利要求13所述的方法，其中，将多个-40/+80ASTM目密集烧结碳化物球粒混合在基体材料中以提供使用前耐磨材料包括提供具有至少75％重量比的镍并且熔点小于大约1100℃的基体材料；并且其中，每个密集烧结碳化物球粒包括利用粘结合金结合在一起的多个密集烧结碳化物颗粒，所述粘结合金具有高于大约1200℃的熔点。
16.如权利要求15所述的方法，还包括设置至少一个凹部，所述凹部延伸到钻头的钻头体外表面；将所述熔化的基体材料施加到所述至少一个凹部中；和沿着与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大致垂直的方向，使所述熔化基体材料的表面与邻近所述耐磨材料的钻头体外表面大体上平齐。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述钻头体包括多个刀翼，并且还包括使所述至少一个凹部中的至少之一延伸到所述多个刀翼中一个刀翼的低应力表面部分中，并且使所述至少一个凹部沿着由包括所述钻头体外表面的一部分的两个表面之间的接合面界定的边缘延伸。
18.如权利要求16所述的方法，还包括将至少一个切削元件布置在所述钻头体的外表面上，以及使所述至少一个凹部设置成与位于所述钻头体外表面上或钻头体外表面中的至少一个切削元件相邻。
19.如权利要求13所述的方法，其中，加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料包括下列之一，利用电弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；利用等离子转移弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；通过使乙炔在大体上纯氧中燃烧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料以加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；利用金属惰性气体弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；利用钨极隋性气体弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料；以及利用埋弧加热所述基体材料同时施加所述熔化的基体材料。
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