CN102844135A - 聚晶金刚石复合片以及相关的方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方案涉及聚晶金刚石复合片(“PDC”)和以有利于去除在此类PDC的聚晶金刚石台的制造中使用的金属溶剂催化剂的方式制造聚晶金刚石台和PDC的方法。在一种实施方案中，可以将牺牲颗粒与金刚石颗粒混合，其有利于在沥滤其间从烧结的聚晶金刚石台中去除金属溶剂催化剂。

Description

聚晶金刚石复合片以及相关的方法和应用
相关申请的交叉引用
本申请要求在2009年10月29日提交的美国专利申请No.12/608,155的优先权，在此通过引用将其整体并入本文。
背景技术
耐磨的超硬磨料复合片被用于各种机械应用中。例如，聚晶金刚石复合片(“PDC”)(polycrystalline diamond compact)被用于钻具(例如，切削元件、修孔器等)、机加工设备、轴承装置、拉丝机具和其它的机械装置中。
PDC已得到特殊应用，作为在旋转钻头(如牙轮钻头和固定切削刃钻头)中的超硬磨料切削元件。PDC切削元件通常包括常被称为金刚石台的超硬磨料金刚石层。使用高压/高温(“HPHT”)工艺形成金刚石台并将其与基底接合。PDC切削元件也可被直接硬钎焊到预先形成的凹部、槽口或在钻头本体内形成的其它接纳部中。基底常常可被硬钎焊或以另外方式接合到附加部件，例如柱型背衬。旋转钻头通常包括附着于钻头本体上的若干PDC切削元件。还已知的是：可使用承载PDC的栓钉作为PDC切削元件，这时通过压力配合、硬钎焊或其它的方式将栓钉(stud)固定于在钻头本体中形成的容座内来将其安装到旋转钻头的钻头本体上。
一般通过如下方式来制造常规的PDC：将烧结碳化物基底放入具有大量金刚石颗粒的容器内，所述金刚石颗粒被置于所述烧结碳化物基底邻近。可以将若干这种容器装载到HPHT压力机中。然后在HPHT条件下在催化剂材料的存在下处理所述基底和所述大量金刚石颗粒，所述催化剂材料引起金刚石颗粒相互接合从而形成接合在一起的金刚石晶粒的基质，该基质限定出与基底接合的聚晶金刚石(“PCD”)台。催化剂材料通常是被用于促进金刚石颗粒的交互生长的金属-溶剂催化剂(例如，钴、镍、铁、或其合金)。
在一种常规的方法中，在HPHT处理期间，烧结碳化物基底的组分(例如来自钴烧结的碳化钨基底的钴)液化并从所述大量金刚石颗粒邻近的区域扫掠(sweep)到金刚石颗粒之间的间隙区域中。钴充当催化剂从而促进金刚石颗粒之间的交互生长，这导致形成接合一起的金刚石晶粒，这些金刚石晶粒在其间表现出金刚石与金刚石接合。通常，在使金刚石颗粒和基底经受HPHT处理之前，可将溶剂催化剂与金刚石颗粒混合。
PCD台中金属溶剂催化剂的存在被认为降低PCD台在高温下的热稳定性。例如，据认为在钻进或切削操作期间，金刚石晶粒与金属溶剂催化剂之间的热膨胀系数差异导致PCD台的碎裂或开裂，这会使PCD台的力学性能劣化或引起失效。另外，一些金刚石晶粒会通过与金属溶剂催化剂的交互作用而经历化学损坏或转变回石墨。在提高的高温下，部分金刚石晶粒会转变成一氧化碳、二氧化碳、石墨、或其组合，由此使PCD台的力学性能劣化。
一种用于改善PDC的PCD台的热稳定性的方法是：通过酸沥滤(acid leaching)从PCD台中至少部分地去除金属溶剂催化剂。用于形成PDC另一种常规方法包括：单独形成烧结PCD台，随后对该烧结PCD台进行沥滤，以便从接合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域去除溶剂催化剂。可将沥滤的PCD台接合到基底，并且在独立的HPHT处理中用非催化剂材料(如硅)进行浸渗。硅可浸渗沥滤PCD台的间隙区域并与金刚石晶粒反应形成碳化硅，溶剂催化剂已被从该间隙区域沥滤。
尽管存在许多不同的PDC，但是，PDC的制造商和用户继续寻求表现改善的韧性、耐磨性、热稳定性、易加工性或前述性能组合的PDC。
发明内容
本发明的实施方案涉及PDC和以有利于去除在此类PDC的PCD台制造中使用的金属溶剂催化剂的方式制造PDC的方法。在一种实施方案中，PDC包括基底和PCD台，该PCD台包括工作表面和相对的与基底接合的界面表面。PCD台包括限定间隙区域的多个接合金刚石晶粒。该PCD台还包括沥滤第一体积，该沥滤第一体积从工作表面向内延伸并且包括位于其间隙区域至少一部分中的金属浸渗剂(infiltrant)。该沥滤第一体积的金属浸渗剂可以按小于0.85wt％(“重量％”)的浓度存在。PCD台还包含从界面表面向内延伸的第二体积。该第二体积的间隙区域包括位于其中的金属浸渗剂。
在一种实施方案中，公开了一种制造沥滤PCD台的方法。该方法包括将多个金刚石颗粒与多个牺牲颗粒混合以形成混合物。该方法还包括在金属溶剂催化剂的存在下烧结所述混合物以形成PCD台。该PCD台包含牺牲材料，所述牺牲材料包括所述多个牺牲颗粒、所述多个金刚石颗粒与所述多个牺牲颗粒的至少一种反应产物、或其组合。该方法还包括从所述PCD台沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料。
在一种实施方案中，公开了一种制造沥滤PDC的方法。该方法包括邻近基底设置混合物。该混合物包括多个金刚石颗粒和多个牺牲颗粒。该方法还包括使所述混合物和基底经受HPHT处理，以便在金属溶剂催化剂的存在下烧结所述多个金刚石颗粒，从而在基底上形成PCD台。该PCD台包含牺牲材料，所述牺牲材料包括所述多个牺牲颗粒、所述多个金刚石颗粒与所述多个牺牲颗粒的至少一种反应产物、或其组合。该方法还包括从所述PCD台的体积中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料。
在一种实施方案中，公开了另一种制造沥滤PDC的方法。该方法包括将多个金刚石颗粒与多个牺牲颗粒混合以形成混合物。该方法还包括在金属溶剂催化剂的存在下烧结该混合物从而形成PCD台。该PCD台包含牺牲材料，所述牺牲材料包括所述多个牺牲颗粒、所述多个金刚石颗粒与所述多个牺牲颗粒的至少一种反应产物、或其组合。该方法还包括从该PCD台沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料，使得金属溶剂催化剂以少于0.85wt％的浓度存在于其中。该方法还包括将沥滤PCD台定位于基底邻近以形成组件。该方法还包括使所述组件经受HPHT处理以便用金属浸渗剂浸渗该沥滤PCD台。
在一种实施方案中，PDC包括烧结碳化钨基底和与该烧结碳化钨基底接合的预烧结PCD台。该预烧结PCD台包括工作表面和相对的与烧结碳化钨基底接合的界面表面。该预烧结PCD台包括多个接合的金刚石晶粒，这些晶粒限定出多个间隙区域。该预烧结PCD台包括从工作表面向内延伸的第一体积，所述第一体积基本上不含金属溶剂催化剂以及钨或碳化钨中的至少一种。该预烧结PCD台还包括从界面表面向内延伸的第二体积，该第二体积包含以填隙方式位于其接合金刚石晶粒之间的钨或碳化钨中的至少一种。
在一种实施方案中，制造PDC的方法包括在烧结碳化钨基底和至少部分沥滤的PCD台之间设置金属浸渗剂层以形成组件，所述至少部分沥滤的PCD台在其中包括多个间隙区域。该金属浸渗剂层基本上不含钨、碳化钨、或其组合。该方法还包括：使所述组件经受HPHT处理以便用来自金属浸渗剂层的第一金属浸渗剂浸渗该间隙区域的第一部分，和用来自包含钨、碳化钨、或或其组合的烧结碳化钨基底的第二金属浸渗剂浸渗该间隙区域的第二部分。
在一种实施方案中，制造PDC的方法包括在金属浸渗剂层和烧结碳化钨基底之间设置至少部分沥滤的PCD台以形成组件，所述至少部分沥滤的PCD台在其中包含多个间隙区域。金属浸渗剂层基本上不含钨、碳化钨、或其组合。该方法还包括使所述组件经受HPHT处理以便使来自金属浸渗剂层的第一金属浸渗剂浸渗所述间隙区域的第一部分，并且用来自包含钨、碳化钨、或其组合的烧结碳化钨基底的第二金属浸渗剂浸渗所述间隙区域的第二部分。
在一种实施方案中，制造PDC的方法包括形成具有PCD台(其中包括多个间隙区域)、基底、位于基底与PCD台之间的金属浸渗剂层和位于PCD台邻近的排放区(dump region)的组件。该PCD台的至少一部分间隙区域包括金属溶剂催化剂和含钨材料。该方法还包括使所述组件经受HPHT处理，以便用来自金属浸渗剂层的第一金属浸渗剂浸渗所述间隙区域的第一部分，并且用来自基底的第二金属浸渗剂浸渗所述间隙区域的第二部分，由此使基本上所有的含钨材料转移到排放区中。该方法还包括将其中含有转移的含钨材料的排放区去除。
在一种实施方案中，制造PDC的方法包括至少贴近基底放置金刚石颗粒的物料。该方法还包括用第一金属溶剂催化剂材料浸渗金刚石颗粒物料的第一部分，以便烧结该第一部分并形成第一PCD体积。该方法还包括用第二金属溶剂催化剂浸渗所述金刚石颗粒物料的第二部分，以便烧结所述第二部分并形成第二PCD体积，所述第二金属溶剂催化剂的可沥滤性小于所述第一金属溶剂催化剂。所述第一PCD体积和所述第二PCD体积限定了PCD台。该方法还包括将所述PCD台接合到基底。该方法还包括从PCD台沥滤出第一金属溶剂催化剂材料，以形成沥滤区域。在一些实施方案中，该方法还包括用浸渗剂浸渗所述沥滤区域，所述浸渗剂诸如硅、硅合金或至少一种碱金属碳酸盐。
其它实施方案涉及在各种制品和装置中利用公开的PDC的应用，例如旋转钻头、轴承装置、拉丝模具、机加工装置和其它的制品和装置。
来自任一所公开实施方案中的特征可以不受限制地相互组合使用。另外，通过考虑下面的详细描述和附图，本公开的其它特征和优点对于本领域技术人员来说将是清楚的。
附图说明
附图显示出本发明的几个实施方案，其中，在不同的视图或附图所示的实施方案中，相同的附图标记指代相同的要素或特征。
图1A、图1B、图1D、图1E和图1F是图解制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段以及如此形成的PDC的截面图。
图1C是图1B中所示的PDC的等视距图。
图2A-2F是图解制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段以及如此形成的PDC的截面图。
图3A-3C是图解制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段和如此形成的PDC的截面图。
图4A-4D是图解制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段和如此形成的PDC的截面图。
图5A-5C是图解制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段和如此形成的PDC的截面图。
图6是可使用所公开的PDC实施方案中的一种或多种的旋转钻头的实施方案的等视距图。
图7是图6中所示的旋转钻头的顶视图(top elevation view)。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及PDC和制造PDC和PCD台的方法，其方式有利于去除在此类PDC的PCD台的制造中使用的金属溶剂催化剂。本文公开的PDC实施方案可用于各种应用，例如旋转钻头、轴承装置、拉丝模具、机加工装置和其它制品和装置。
图1A-1F示出制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段以及如此形成的PDC。根据关于图1A-1F描述的各种实施方案，通过用牺牲颗粒烧结金刚石颗粒来形成PDC的PCD台，所述牺牲颗粒有利于从如此形成的PCD台除去金属溶剂催化剂。
参照图1A，可通过邻近于基底106的界面表面104放置混合物102来形成组件100。混合物102可包括多个金刚石颗粒和多个牺牲颗粒。如下面更详细所述，该牺牲颗粒有利于从混合物102中去除用于催化PCD台形成的金属溶剂催化剂。例如，所述牺牲颗粒在混合物中的存在浓度可以为大于0wt％至约15wt％、约1.0wt％至约10wt％、约1.0wt％至约5wt％、约1.5wt％至约2.5wt％、约1.0wt％至约2.0wt％、或约2.0wt％，余量为金刚石颗粒。发明人目前认为，相对少量(例如，少于约5wt％、少于约3wt％、或少于约2wt％)的牺牲颗粒在不明显影响PCD台的磨损性能的情况下增加沥滤PCD台的可及性(accessibility)。牺牲颗粒可表现约亚微米到约10μm、约亚微米到约5μm、小于约5μm、约亚微米到约2μm、约亚微米到约1μm、小于约1μm、或诸如约10nm-约100nm的纳米尺寸的平均颗粒尺寸(例如，平均直径)。
可由熔化温度比用以催化从金刚石颗粒形成PCD的金属溶剂催化剂的熔化温度更高并且可通过沥滤处理从如此形成的PCD沥滤的任何材料制成牺牲颗粒。所述牺牲颗粒可选自由金属、合金、碳化物、及其组合制成的颗粒，且这些金属、合金、碳化物、及其组合的熔化温度比用以催化从金刚石颗粒形成PCD的金属溶剂催化剂的熔化温度更高并且可通过沥滤处理从如此形成的PCD沥滤。例如，所述牺牲颗粒可选自由熔化温度比用以催化从金刚石颗粒形成PCD的金属溶剂催化剂的熔化温度更高并且可通过沥滤处理从如此形成的PCD沥滤的难熔金属(例如，铌、钼、钽、钨、铼、铪、和其合金)、其它金属或合金制成的颗粒，以及其组合。作为另一例子，牺牲颗粒可选自熔化温度比用以催化从金刚石颗粒形成PCD的金属溶剂催化剂的熔化温度更高并且可通过沥滤处理从如此形成的PCD沥滤的钛、钒、铬、铁、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、任何其它金属或合金、任何上述金属的合金、任何上述金属或合金的碳化物、以及它们的组合的颗粒。例如，在更具体的实施方案中，所述牺牲颗粒可选自钨颗粒和/或碳化钨颗粒。
在一些实施方案中，用于催化PCD形成的金属溶剂催化剂可以在用以形成PCD的HPHT工艺期间扩散和/或相互扩散到牺牲颗粒中。注意，虽然上述的牺牲颗粒是无机的(例如，金属、合金或碳化物)，但是在其它的实施方案中，可以使用有机牺牲材料。例如，有机牺牲材料可以是蜡、聚乙二醇、其混合物、其组合或其它适宜的牺牲材料。
混合物102的金刚石颗粒可表现相对较大的尺寸和至少一个相对较小的尺寸。本文中所使用的短语“相对较大”和“相对较小”指的是相差至少两倍的颗粒尺寸(例如，30μm和15μm)(通过任何适当的方法)。根据各种实施方案，金刚石颗粒可包括表现出相对较大尺寸(例如，30μm、20μm、15μm、12μm、10μm、8μm)的部分和表现至少一个相对较小尺寸(例如，6μm、5μm、4μm、3μm、2μm、1μm、0.5μm、小于0.5μm、0.1μm、小于0.1μm)的另一部分。在一种实施方案中，金刚石颗粒可包括表现约10μm至约40μm的相对较大尺寸的部分和表现约1μm至约4μm的相对较小尺寸的另一部分。在一些实施方案中，金刚石颗粒可包含三种或更多种不同的尺寸(例如，一个相对较大尺寸和两个以上的相对较小尺寸)，但不限于此。
基底106可包括烧结碳化物，但不限于此，例如以铁、镍、钴或其合金烧结的碳化钨、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化钽、碳化钒或其组合。例如，在一种实施方案中，基底106包含钴烧结碳化钨。虽然基底106的界面表面104被示为是基本上平坦的，但是该界面表面104可表现出所选的非平面形貌。
组件100可被放置在压力传递介质中，例如难熔金属罐、石墨结构、叶蜡石(pyrophyllite)或其它压力传递结构。该压力传递介质(包含组件100在内)可经受使用HPHT压力机的HPHT处理，从而产生对于金刚石稳定的温度和压力条件。该HPHT处理的温度可为至少约1000℃(例如，约1300℃至约1600℃)，并且该HPHT处理的压力可以为至少4.0GPa(例如，约5.0GPa至10.0GPa、约6.0GPa至约8.5GPa等)，持续足以用来自基底106的金属溶剂催化剂(即，金属浸渗剂)浸渗该混合物106从而形成PDC 108的时间。浸渗的金属溶剂催化剂催化从金刚石颗粒形成PCD以便形成图1B和图1C中所示的PCD台110。例如，来自钴烧结碳化钨基底的钴可浸渗到混合物102中以催化PCD台110的形成。该PCD台110与基底106一体化形成(即，通过烧结在基底106上的前体材料来形成)。
PCD台110包括多个直接接合在一起的金刚石晶粒，这些晶粒在其间表现出金刚石与金刚石接合(例如，sp3接合)。作为金属溶剂催化剂浸渗的结果，PCD台110通过强的接合(如冶金接合)与基底102的界面表面104接合。PCD台110包括：上部工作表面112、侧表面114和在其间延伸的斜面116。可在形成PCD台110之后在其中机加工斜面116或者可在PCD台110中预先形成斜面116。一般而言，在混合物102中使用的牺牲颗粒的平均颗粒尺寸越小，则纳入PCD台110中的金属溶剂催化剂的浓度越大。
PCD台110的接合在一起的金刚石晶粒限定了多个间隙区域。这些间隙区域包括牺牲材料(例如，碳化钨晶粒)和/或位于其中的浸渗金属溶剂催化剂。所述牺牲材料可包括由牺牲颗粒形成的至少一种反应产物(所述牺牲颗粒在HPHT处理期间至少部分与金刚石颗粒反应)和/或存在于混合物102中的牺牲颗粒。例如，钨牺牲颗粒至少部分与金刚石颗粒反应从而形成碳化钨晶粒。与如果不使用牺牲颗粒形成PCD台110的情形相比，纳入到PCD台110中的金属溶剂催化剂的浓度可更大。当基底106包括钴烧结碳化钨颗粒时，钴合金浸渗到混合物102中并且以填隙方式位于接合在一起的金刚石晶粒之间。钴合金可包括与钴固溶的钨，并且可包括碳化钨析出物。
参照图1D，使图1B和图1C中所示的PDC 108的PCD台110与酸接触，以便从间隙区域沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料，从而形成沥滤的第一体积118，并且将相对未受影响的下方的PCD台110称为第二体积120。适宜的酸包括但不限于稀硝酸(例如，约0.5M至约1.5M)、浓硝酸(例如，约4M至约5M)、氢氟酸、或其混合物。例如，可使PCD台110与这些酸中的任何酸接触持续约2-7天(例如，3、5或7天)或者甚至持续几周(例如，约2-4周)。由于可能以与水之间的反应产物形式形成氧化钨，并且碳化钨可溶于氢氟酸中，因此氢氟酸可增强碳化钨晶粒的去除。
沥滤的第一体积118从工作表面112、侧表面114和斜面116向内延伸到沥滤深度d。虽然沥滤深度d被显示为在整个沥滤第一体积118内是均匀的，但是在一些实施方案中，沥滤深度d可在PCD台110的斜面116和侧表面114处或附近的周边体积中减小。
残留在沥滤第一体积118内的金属溶剂催化剂的浓度可以为小于0.85wt％、约大于0wt％至约0.80wt％、约大于0wt％至约0.75wt％、约0.20wt％至约0.75wt％、约0.20wt％至约0.65wt％、约0.20wt％至约0.55wt％、约0.3wt％至约0.55wt％、或约0.50wt％至约0.78wt％。沥滤的第一体积118的沥滤深度d可以为约250μm至约400μm、约250μm至约350μm、约250μm至约300μm或约250μm至约275μm。发明人目前认为，在PCD台110中存在牺牲材料(例如，碳化钨晶粒)可增加接合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域的体积，由此增加酸的沥滤效率。换而言之，酸更好地接近以填隙方式位于接合在一起的金刚石晶粒之间的金属溶剂催化剂，由此，与如果不使用混合物102的牺牲颗粒制造PCD台110的情况相比，允许待沥滤/去除的金属溶剂催化剂的量增加。一般而言，在混合物102中使用的牺牲颗粒的平均颗粒尺寸越小，则PCD台110中的间隙区域的体积越大。
如上文所述，在一些实施方案中，基底102可包括钴烧结的碳化钨颗粒。在这些实施方案中，尽管在浸渗的钴合金中存在可能使得钴合金更难以沥滤的钨，但是由于牺牲材料预先占据一些间隙区域而致的增加的间隙区域体积或可及性仍允许更有效地从PCD台110去除金属溶剂催化剂。
可使用若干不同的分析技术来确定沥滤第一体积118中的残余金属溶剂催化剂的浓度。例如，可以使用能量色散谱(例如，EDAX)、波长分散X射线光谱(例如，WDX)和/或卢瑟福背散射谱来确定沥滤第一体积118中的金属溶剂催化剂的量。
也可基于沥滤第一体积118的磁性能来确定沥滤第一体积118中的金属溶剂催化剂的浓度。例如，可通过放电机加工、研磨、或其组合去除基底106和第二体积120以形成PCD样品。可使用反复法来确定PCD样品中的金属溶剂催化剂的具体磁饱和常数。可以反复选择PDC样品中的金属溶剂催化剂的具体磁饱和常数的值，直到通过使用所选值通过市售的KOERZIMAT CS 1.096仪器的分析软件计算的金属溶剂催化剂浓度基本上匹配通过另一分析技术(例如能量色散谱、波长分散X射线光谱、卢瑟福背散射谱、或其组合)确定的金属溶剂催化剂浓度。
在一些实施方案中，为了增强PDC 308的耐磨性，浸渗剂/替换材料可填充第一沥滤体积118的间隙区域。参照图1E，浸渗剂材料的层122可位于工作表面112邻近。在一种实施方案中，层122可包含硅颗粒或硅的薄片。在另一实施方案中，层122可包含硅和另一成分例如钴、铁、镍、或其合金，使得在浸渗到沥滤第一体积118的间隙区域中时形成硅合金。在另一实施方案中，层122可包含与钴、铁、镍或其组合合金化的硅合金。在又一实施方案中，层122可包含碱金属碳酸盐，例如Li、Na或K的至少一种碱金属碳酸盐。在美国专利申请12/185,457中公开了各种碱金属碳酸盐材料，这里通过引用将其整体并入本文。图1E中所示的处理中(in-process)结构可经受足以熔化所述层122的HPHT处理，使得浸渗剂/替换材料浸渗到所述沥滤第一体积118的间隙区域中从而形成图1F所示的浸渗第一体积118′。
在层122包含硅的实施方案中，在HPHT浸渗处理期间浸渗到沥滤第一体积118中的硅与金刚石晶粒反应，从而形成以填隙方式位于所述接合在一起的金刚石晶粒之间的碳化硅。在层122包含一种或多种碱金属碳酸盐的实施方案中，浸渗过的间隙区域可包括一种或多种碱金属碳酸盐、一种或多种碱金属氧化物、或其组合。
图2A-2F是图解“二步骤”PDC的制造方法的各种实施方案中的不同阶段以及如此形成的PDC的截面图。根据参照图2A-2F描述的各种实施方案，通过在第一HPHT处理中用牺牲颗粒烧结金刚石颗粒来形成PCD台，将如此形成的PCD台沥滤，并且在第二HPHT处理中可将沥滤过的PCD台与基底接合。
参照图2A，提供包括多个金刚石颗粒和多个牺牲颗粒的混合物200。例如，所述牺牲颗粒在混合物中的存在浓度可以为大于0wt％至约15wt％、约1.0wt％至约10wt％、约1.0wt％至约5wt％、约1.5wt％至约2.5wt％、约1.0wt％至约2.0wt％、或约2.0wt％，余量是金刚石颗粒。牺牲颗粒可选自本文公开的任何牺牲颗粒和/或材料，并且可表现出上文关于牺牲颗粒所公开的平均颗粒尺寸中的任何平均颗粒尺寸。金刚石颗粒可表现出本文所公开的任何金刚石颗粒尺寸和分布。在一种实施方案中，牺牲颗粒的平均颗粒尺寸可以小于金刚石颗粒的平均颗粒尺寸。
可将混合物200邻近于金属溶剂催化剂放置，例如金属溶剂催化剂的层202。在一种实施方案中，金属溶剂催化剂的层202可包含铁、镍、钴、或其合金。在一种实施方案中，作为层202的替代或者在层202以外，可通过如下方式提供金属溶剂催化剂：将金属溶剂催化剂颗粒与金刚石颗粒和牺牲颗粒混合、浸渗来自烧结碳化物基底的金属溶剂催化剂(例如，来自钴烧结碳化钨基底的钴)、或前述方式的组合。
可将混合物200和层202放入适当的压力传递介质中，并且经受第一HPHT处理，该第一HPHT处理使用HPHT压力机且使用与用以处理图1A所示的组件100的相同或类似的HPHT处理条件。在该第一HPHT处理期间，混合物200被浸渗以来自层202的金属溶剂催化剂(即金属浸渗剂)从而形成PCD台。该金属溶剂催化剂催化从金刚石颗粒形成PCD，从而形成PCD台。该PCD台包括多个直接接合在一起的金刚石晶粒，这些金刚石晶粒在其间表现出金刚石与金刚石接合(例如，sp3接合)。
该PCD台的接合在一起的金刚石晶粒限定了多个间隙区域。这些间隙区域包括牺牲材料(例如，碳化钨晶粒)和/或位于其中的浸渗的金属溶剂催化剂。该牺牲材料可包括：由所述牺牲颗粒(其在HPHT处理期间与金刚石颗粒至少部分反应)形成的至少一种反应产物和/或存在于混合物200中的牺牲颗粒。例如，当存在时，钨牺牲颗粒可至少部分地与金刚石颗粒反应从而形成碳化钨晶粒。
如此形成的PCD台表现出的金刚石晶粒尺寸分布可与本文公开的任何金刚石颗粒分布相同或类似。例如，金刚石晶粒可小于约30μm、小于约20μm、小于约15μm、小于约12μm、小于约10μm、小于约8μm、约10μm至约30μm、或约15μm至约19μm。在一些实施方案中，金刚石晶粒可包括表现相对较大平均晶粒尺寸(例如，30μm、20μm、15μm、12μm、10μm、8μm)的部分和表现至少一种相对较小平均晶粒尺寸(例如，6μm、5μm、4μm、3μm、2μm、1μm、0.5μm、小于0.5μm、0.1μm、小于0.1μm)的另一部分。
参照图2B，使PCD台与酸接触以便从间隙区域中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料，从而形成至少部分沥滤的PCD台204。适宜的酸包括但不限于稀硝酸(例如，约0.5M至约1.5M)、浓硝酸(例如，约4M至约5M)、氢氟酸、或其混合物。至少部分沥滤的PCD台204包括第一表面206和相对的第二表面208，且间隙区域被沥滤出金属溶剂催化剂和牺牲材料，使得这些间隙区域形成至少部分相互连接的孔隙的网络，其被配置为允许流体在第一表面206和第二表面208之间流动或流通。侧表面210在第一表面206和第二表面208之间延伸。
在沥滤之后残留于沥滤过的PCD台204中的金属溶剂催化剂的浓度可为小于0.85wt％、约大于0wt％至约0.80wt％、约大于0wt％至约0.75wt％、约0.20wt％至约0.75wt％、约0.20wt％至约0.65wt％、约0.20wt％至约0.55wt％、约0.3wt％至约0.55wt％、或约0.50wt％至约0.78wt％。
参照图2C，可通过在基底106的界面表面104邻近放置至少部分沥滤的PCD台204的第二表面208，来形成组件212。虽然基底106的界面表面104被显示为是基本上平坦的，但是界面表面104可表现非平坦的形貌，并且所述至少部分沥滤的PCD台204的第二表面208可表现相应构造的非平面形貌。组件212可被包封在适当的压力传递介质中，并且通过经受第二HPHT处理，所述第二HPHT处理使用与第一HPHT处理相同或类似的条件。在所述第二HPHT处理期间，所述至少部分沥滤的PCD台106被来自基底106的金属浸渗剂所浸渗从而形成图2D所示的浸渗PCD台204′(即，预烧结的PCD台)。例如，来自钴烧结碳化钨基底的钴可在所述第二HPHT处理期间浸渗所述至少部分沥滤的PCD台204。基底106在冷却时与浸渗的PCD台204′接合从而形成图2D中也示出的PDC 214。如图2D所示，可通过例如研磨来机加工所述浸渗的PCD台204′，以形成在第一表面206(即，工作表面)和侧表面210之间延伸的斜面216。在另一实施方案中，可在浸渗之前的至少部分沥滤的PCD台204中形成斜面116。
即使不进行沥滤，图2D中所示的浸渗的PCD台204′也可表现优异的热稳定性，该热稳定性优于一体化形成于烧结碳化物基底上并被沥滤到约80μm至约100μm深度的常规形成的PCD台的热稳定性。例如，浸渗的PCD台204′可在车床测试中(例如，垂直转塔车床试验)能够切削花岗岩工件至少约600m的距离而不失效，例如约900m至约2300m、约1500m至约2000m或约2000m至约2300m。可用于确定浸渗PCD台204′的热稳定性的立式转塔车床试验的适宜参数的例子是约1.27mm的PDC的切削深度、约20度的PDC的倾角(rake angle)、约1.524mm/转的PDC的进刀量、约1.78m/sec的被切削工件的切削速度，并且工件可由具有914mm外径和254mm内径的Barre花岗岩制成。
在一些实施方案中，浸渗的PCD台204′可被沥滤到所选的深度d，以进一步改善PDC 214的热稳定性。参照图2E，可使图2D中所示的浸渗的PCD台204′与本文公开的任何酸接触，以便从间隙区域中沥滤金属浸渗剂，从而形成沥滤的第一体积218。相对未受影响的下层浸渗PCD台204′被标为第二体积220。沥滤的第一体积118从加工表面208、侧表面210和斜面216向内延伸到沥滤深度d。虽然沥滤深度d被显示为在整个沥滤第一体积218上是均匀的，但是在一些实施方案中，沥滤深度d可在浸渗PCD台204′的斜面216和侧表面210处和附近的周边体积中减小。
在沥滤之后残留于沥滤的第一体积218中的金属浸渗体的浓度可以为小于0.8wt％、约大于0wt％至约0.75wt％、约0.20wt％至约0.75wt％、约0.20wt％至约0.65wt％、约0.20wt％至约0.55wt％、约0.30wt％至约0.55wt％、或约0.50wt％至约0.78wt％。沥滤的第一体积218的沥滤深度d可以为约250μm至约400μm、约250μm至约350μm、约250μm至约300μm、或约250μm至约275μm。目前认为，在至少部分沥滤的PCD台204的制造中使用牺牲颗粒增加了所述至少部分沥滤的PCD台204中的接合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域的体积。所述至少部分沥滤的PCD台204中的增加的体积还有助于在第HPHT处理之后从中去除金属浸渗剂。
对于参照图1A-1F描述的实施方案而言，在一些实施方案中，基底102可包括钴烧结的碳化钨颗粒。在这些实施方案中，尽管在浸渗的钴合金中存在钨(其通常使钴合金更难以去除)，但是由于接合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域体积增加，因此甚至在牺牲材料已被去除之后，形成至少部分沥滤的PCD台204且其中纳入牺牲颗粒仍能增强从浸渗PCD台204′的金属溶剂催化剂的去除。
参照图2F，在一些实施方案中，为了增强沥滤第一体积218的耐磨性，浸渗剂/替换材料可填充沥滤第一体积218的间隙区域，从而形成浸渗第一体积218’。可以使用参照图1E和图1F所述的任何浸渗剂/替换材料和处理来对沥滤第一体积218进行浸渗。
图3A-3C是图解用于制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段和如此形成的PDC的截面图。根据参照图3A-3C所述的各种实施方案，如此形成的PDC的PCD台可包括基本上不含钨和/或碳化钨的区域以便有利于从中去除金属浸渗剂。
参照图3A，可通过在烧结的碳化钨基底304和至少部分沥滤的PCD台306之间设置金属浸渗剂层302来形成组件300。所述至少部分沥滤的PCD台306包括工作表面308、位于金属溶剂催化剂层302邻近的相对的界面表面310、和在工作表面308和界面表面310之间延伸的侧表面311。所述至少部分沥滤的PCD台306还包括事先被金属溶剂催化剂占据的多个间隙区域，所述金属溶剂催化剂用于初始催化所述至少部分沥滤PCD台306的形成并且形成在工作表面308和界面表面310之间延伸的至少部分互连的孔隙的网络。可使用牺牲颗粒、以与图2B所示的至少部分沥滤PCD台204相同的方式来形成所述至少部分沥滤的PCD台306，或者可以在不使用牺牲颗粒的情况下来形成所述至少部分沥滤的PCD台306。应当注意，所述至少部分沥滤的PCD台306可包括在工作表面306和侧表面311之间延伸的斜面。该斜面和/或一部分侧表面311也可充当工作表面或区域。
金属浸渗剂层302可包含钴、镍、铁、或其合金，并且也可基本上不含钨和/或碳化钨。在一种实施方案中，金属浸渗剂层302可包含基本上纯钴(例如，包含大于约95wt％的钴的钴基材料)或者基本上不含钨和/或碳化钨的钴合金。在更具体的实施方案中，金属浸渗剂层302可包含基本上纯钴或钴合金的薄片，该薄片基本上不含钨和/或碳化钨。例如，基本上纯钴可以是商业纯钴。在另一更具体的实施方案中，金属浸渗剂层302可包含通过有机粘接剂保持在一起的钴颗粒从而形成钴颗粒的生材层(green layer)，且所述钴颗粒基本上不含钨和/或碳化钨。
烧结碳化钨基底304可包含钴烧结的碳化钨材料。所述烧结碳化钨基底304还可包括碳化钨以外的烧结碳化物，包括但不限于：用钴、铁、镍、或其合金烧结的碳化钛、碳化铌、碳化铬、碳化钽、碳化钒、或任何前述碳化物的组合。
可将组件300放入适宜的压力传递介质中，并且经受使用HPHT压力机的HPHT处理，以产生金刚石在其中稳定的温度和压力条件。该HPHT处理的处理条件可以与形成图1B中所示的PDC 108所用的处理条件相同或类似。在该HPHT处理期间，对至少部分沥滤的PCD台306进行浸渗以形成浸渗的PCD台306’，并且在冷却时与烧结碳化钨基底304接合从而形成PDC 312。
在该HPHT处理期间，第一金属浸渗剂(例如，基本上不含钨和/或碳化钨的商业纯钴)从金属浸渗剂层302浸渗并且占据PCD台306’的从工作表面308向内延伸的第一体积314中的间隙区域的显著部分。该HPHT处理的温度还足以熔化承载有钨和/或碳化钨的基底304的第二金属浸渗剂(例如，来自钴烧结碳化钨基底的钴)。PCD台306’的第二体积316从界面表面310向内延伸，并且其间隙区域被来自含有钨和/或碳化钨的基底304的液化的第二金属浸渗剂所浸渗。例如，第二金属浸渗剂可作为烧结组分存在于基底304中，并且可包含在第二体积316的浸渗期间从基底304扫掠到钨和/或碳化钨中的钴、镍、铁、或其合金。在一些实施方案中，可选择金属浸渗剂层302的体积，使得第一体积314与第二体积316相比相对较厚，并且，来自金属浸渗剂层302的第一金属浸渗剂占据PCD台306’的至少大部分间隙区域。
作为在HPHT处理期间钨和/或碳化钨随第二金属浸渗剂扫掠到第二体积316中的结果，在PCD台306’的第二体积316的间隙区域中存在若干不同的相。例如，可在第二体积316的间隙区域中存在下列相中的一种或多种：包含钨作为合金化元素的金属合金(例如钴-钨合金)(其由第二金属浸渗剂与来自基底304的钨合金化而形成)、基本上纯的钨、或碳化钨(例如，WC和/或W2C)。当基底304包括碳化铬和/或碳化钽时，第二体积316的间隙区域中也可存在一种或多种下列相：铬、碳化铬、钽、或碳化钽。
参照图3C，为了改善PDC 312的热稳定性，占据第一体积314中的间隙区域的第一金属浸渗剂可从工作表面308被沥滤到沥滤深度d。在一种实施方案中，可执行该沥滤处理持续至少约2天到约7天，以从第一体积314中去除基本上所有第一金属浸渗剂。由于第一体积314中的第一金属浸渗剂基本上不含钨和/或碳化钨，因此与如果用包括钨和/或碳化钨的金属浸渗剂材料完全浸渗所述至少部分沥滤的PCD台306的情形相比，可相对更快且更有效地执行沥滤。例如，可以使用本文公开的酸中的任何酸来沥滤第一体积314中的第一金属浸渗剂。尽管从第一体积314沥滤第一金属浸渗剂，仍可存在残余量的第一金属浸渗剂。此外，第一体积可被鉴别为基本上不含钨和/或碳化钨。在一种实施方案中，可从第二体积316去除一部分第二金属浸渗剂以便提高热稳定性。
在图3C所示的图解实施方案中，沥滤深度d可大致延伸第一体积314的整个厚度(其可大于约200μm)。在另一实施方案中，沥滤深度d可以为约50μm-约500μm。在一些实施方案中，沥滤深度d可部分延伸到第二体积316中，并且可除去一部分第二金属浸渗剂。
在一些实施方案中，为了提高所述沥滤第一体积218的耐磨性，浸渗/替换材料可填充沥滤第一体积314的间隙区域。可使用参照图1E和图1F所述的浸渗剂/替换材料和处理中的任何材料和处理来浸渗所述沥滤第一体积314。
在另一实施方案中，可通过使组件经受HPHT处理来形成具有表现与PCD台306’相同或类似构造的PCD台的PDC，其中使至少部分沥滤PCD台306位于金属浸渗剂层302和烧结碳化钨基底304之间。在这种实施方案中使用的HPHT条件可与对图3A中所示的组件300进行HPHT处理所用的HPHT条件相同或类似。在HPHT处理之后，可按上文参照图3C所述那样对如此形成的PDC进行沥滤。
图4A-4D是图解说明制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段和如此形成的PDC的截面图。根据参照图4A-4D所述的各种实施方案，如此形成的PDC的PCD台包括一种或多种金属浸渗剂，所述金属浸渗剂替代事先占据的并用于形成PCD台的金属溶剂催化剂。参照图4A，可通过如下方式形成组件400：在基底402和PCD台404之间设置金属浸渗剂层302，并进一步在PCD台404邻近设置催化剂排放区406。
由于通过在钨和/或碳化钨的存在下烧结金刚石颗粒形成PCD台404，因此PCD台404包括被包含钨和/或碳化钨的金属溶剂催化剂占据的多个间隙区域。例如，可通过如下方式形成PCD台404：在金刚石稳定的适宜HPHT条件下使钴与钨和/或碳化钨一起从钴烧结碳化钨基底浸渗到金刚石颗粒物料中，并随后通过磨削、研磨、放电机加工、其组合或其它适宜的去除处理从如此形成的PCD台404去除钴烧结碳化钨基底。PCD台404包含直接接合在一起的金刚石晶粒，这些金刚石晶粒在其间表现出金刚石与金刚石接合(例如sp3接合)。接合在一起的金刚石晶粒限定出间隙区域，且用于促进金刚石颗粒烧结的金属溶剂催化剂位于在该间隙区域内。
基底402可包括但不限于烧结碳化物，该烧结碳化物包括：以铁、镍、钴、或其合金烧结的碳化钛、碳化铌、碳化铬、碳化钽、碳化钒或任何前述碳化物的组合。在一种实施方案中，基底402可包含钴烧结的碳化钨材料。
排放区406可包含陶瓷颗粒物料。例如，排放区406可包含未烧结的碳化硅颗粒、未烧结的氧化铝颗粒、或其组合。
组件400可经受HPHT处理，该HPHT处理使用的HPHT条件与用于HPHT处理图1A所示的组件100的HPHT条件相同或类似。该HPHT处理使金属浸渗剂层302、基底402中的第二金属浸渗剂和PCD台404中的金属溶剂催化剂液化。在该HPHT处理中，来自第一金属浸渗剂层302的第一金属浸渗剂浸渗到PCD台404中，并且来自基底402的第二金属浸渗剂在第一金属浸渗剂之后浸渗到PCD台404中。第一金属浸渗剂和第二金属浸渗剂使先前占据PCD台404的间隙区域的金属溶剂催化剂转移到排放区406中。
参照图4B，浸渗的PCD台表示为PCD台408。该PCD台408包括：第一体积410，其具有被第一金属浸渗剂占据的间隙区域的第一部分；和与基底402邻近的第二体积412，该第二体积具有被第二金属浸渗剂占据的其间隙区域的第二部分。当基底402包含烧结碳化钨基底时，当第二金属浸渗剂浸渗到PCD台404中时它可扫掠钨和/或碳化钨。先前占据PCD台404的间隙区域的金属溶剂催化剂可连同先前处于PCD台404中的基本上所有的钨和/或碳化钨一起转移到排放区406中。与PCD台408接合的排放区406和该排放区406的陶瓷颗粒可通过先前占据PCD台404的间隙区域的浸渗的金属溶剂催化剂被接合在一起。
参照图4C，可使用适宜的材料去除工艺从PCD台408分离所述排放区406。例如，可使用研磨处理、磨削处理、放电机加工、或其组合来去除该排放区406。在一些实施方案中，也可去除一部分PCD台408。例如，当并非所有的事先占据PCD台404的金属溶剂催化剂转移到排放区406中时，可去除PCD台408的一部分。
参照图4D，可对占据第一体积410中的间隙区域的第一金属浸渗剂进行沥滤，达到距PCD台408的工作表面414的沥滤深度d。在一种实施方案中，可执行沥滤处理持续约2-7天，以便从第一体积410中去除基本上所有的第一金属浸渗剂。由于第一体积410中的第一金属浸渗剂基本上不含钨和/或碳化钨，因此与如果用包含钨和/或碳化钨的金属浸渗剂材料完全浸渗所述至少部分沥滤PCD台408的情形相比，可以相对更快地执行沥滤。例如，可以使用本文公开的酸中的任何酸来沥滤第一体积410中的第一金属浸渗剂。在一种实施方案中，可在沥滤处理中去除来自第二体积412的第二金属浸渗剂的一部分。
在图4D所示的图解实施方案中，沥滤深度d可大致延伸第一体积410的整个厚度，该厚度可大于约200μm。在另一实施方案中，沥滤深度d可以为约50μm-500μm。在一些实施方案中，沥滤深度d可部分延伸到第二体积412中，并且可去除一部分第二金属浸渗剂。
在一些实施方案中，为了提高沥滤第一体积410的耐磨性，浸渗剂/替换材料可填充沥滤第一体积410的间隙区域。为了浸渗所述沥滤第一体积218使用参照图1E和图1F描述的浸渗剂/替换材料和处理中的任何材料和处理。
图5A-5C是图解用于制造PDC的方法的各种实施方案中的不同阶段和如此形成的PDC的截面图。根据参照图5A-5C描述的各种实施方案，可使用两种不同的金属溶剂催化剂(其中的一种比另一种更易沥滤)来形成如此形成的PDC的PCD台。
参照图5A，可通过如下方式形成组件500：在基底502与未烧结金刚石颗粒504物料之间设置第一金属溶剂催化剂层502并进一步设置与金刚石颗粒504(例如，金刚石粉末)邻近的第二金属溶剂催化剂层506。金刚石颗粒504可表现本文公开的任何金刚石颗粒尺寸和金刚石颗粒尺寸分布。第一金属溶剂催化剂层502包含第一金属溶剂催化剂材料，并且第二金属溶剂催化剂层506包含第二金属溶剂催化剂材料，所述第二金属溶剂催化剂材料的可沥滤性小于第一金属溶剂催化剂材料。
在一种实施方案中，第一金属溶剂催化剂材料可包含钴基材料(例如，至少约50wt％钴)，并且第二金属溶剂催化剂材料可包含钴-钨合金。在一种实施方案中，第一金属溶剂催化剂材料可包含钴基材料，并且第二金属溶剂催化剂材料可包含镍基材料(例如，至少约50wt％镍)。例如，所述钴基材料可以是商业纯钴并且所述镍基材料可以是商业纯镍或镍合金。在又一实施方案中，所述第一金属溶剂催化剂材料可包含钴基材料并且第二金属溶剂催化剂材料可包含铁基材料(例如，至少约50wt％铁)。例如，所述铁基材料可以是商业纯铁或铁合金。在各种实施方案的任一项中，层502和层506中的每一个可以是颗粒的生材层或者所选组成的薄片的形式。
组件500可经受使用HPHT处理，该HPHT处理使用与用于HPHT处理图1A所示的组件100的相同或类似的HPHT条件。该HPHT处理的温度足以液化第一金属溶剂催化剂层502和第二金属溶剂催化剂层506。
参照图5B，PDC 508可由如下方式形成：第一和第二金属溶剂催化剂材料浸渗到金刚石颗粒504中以烧结金刚石颗粒504并催化PCD台510形成。PCD台510在从HPHT处理冷却时与基底402接合。第一金属溶剂催化剂材料浸渗到金刚石颗粒504中，从而实现第一部分金刚石颗粒504的烧结并且形成包含接合在一起的金刚石晶粒(例如，sp3金刚石与金刚石接合)的PCD台510的第一PCD体积512，所述金刚石晶粒限定出间隙区域，且这些间隙区域被第一金属溶剂催化剂材料占据。第二金属溶剂催化剂浸渗到金刚石颗粒504中，从而实现第二部分金刚石颗粒504的烧结并且形成包含接合在一起的金刚石晶粒(例如，sp3金刚石与金刚石接合)的PCD台510的第二PCD体积514，所述金刚石晶粒限定出间隙区域，且这些间隙区域被第二金属溶剂催化剂材料占据。在第一和第二PCD体积512和514之间可存在界面区域(未示出)。具有不确定厚度的接合区域(未示出)在PCD台510和基底402之间提供强的接合(例如，冶金接合)。接合区域包括由基底402提供的浸渗剂(例如，金属溶剂催化剂接合组分)，在HPHT处理期间跟随第二金属溶剂催化剂材料的浸渗，所述浸渗剂扫掠到PCD台510或金刚石颗粒504中。
在一种实施方案中，可省略第二金属溶剂催化剂层506。在这种实施方案中，第二金属溶剂催化剂材料可在HPHT处理期间从基底402被扫掠。例如，基底402可包含钴烧结的碳化钨基底，其中钴扫掠到承载有钨和/或碳化钨的第二部分金刚石颗粒504，并且，第一金属溶剂催化剂材料可包含基本上不含钨和/或碳化钨的钴。
参照图5C，以填隙方式位于第一PCD体积512中的接合在一起的金刚石晶粒之间的第一金属溶剂催化剂材料可从PCD台510被沥滤，从而形成基本上没有第一金属溶剂催化剂材料的沥滤区域515。但是，甚至在沥滤之后，也会在第一PCD体积512中存在残余量的第一金属溶剂催化剂材料。可从第二PCD体积514中的第二金属溶剂催化剂材料识别和区分这种残余的第一金属溶剂催化剂材料。沥滤区域515具有从工作表面516测量的沥滤深度d，使得基本上所有的第一金属溶剂催化剂材料被去除。在图5C所示的图解实施方案中，沥滤深度d可大致延伸所述第一PCD体积512的整个厚度，该厚度可大于约200μm。在另一实施方案中，沥滤深度d可以为约50μm至约500μm。在一些实施方案中，沥滤深度d可部分延伸到第二PCD体积514中，并且一部分第二金属浸渗剂可被去除。
在一些实施方案中，为了提高沥滤第一体积410的耐磨性，浸渗剂/替换材料可填充沥滤第一PCD体积512的间隙区域。可使用参照图1E和图1F所述的任何浸渗剂/替换材料、反应产物和处理来浸渗所述沥滤第一PCD体积512。
所公开的PDC实施方案可用于许多不同的应用中，这些应用包括但不限于用于旋转钻头(图6和图7)、止推轴承装置、径向轴承装置、地下钻进系统和拉丝模具、人工关节、机加工元件和散热器。应当强调的是，上述各种应用仅仅是可使用所述PDC实施方案的应用的一些例子。可想到其它应用，例如在摩擦搅拌焊接工具中使用所公开的PDC实施方案。
图6是旋转钻头600的实施方案的等视距图，并且图7是旋转钻头600的实施方案的顶视图。旋转钻头600包括根据任一前述PDC实施方案配置的至少一个PDC。旋转钻头600包含钻头本体602和用于将钻头本体602连接到钻柱的带螺纹销钉连接608，该钻头本体包括具有前导面606的在径向和纵向延伸的刀片604。钻头本体602限定出用于通过绕纵轴610的旋转和钻头上重量的施加钻入地下岩层中的前端结构。可将根据任一上述PDC实施方案(例如，图1D所示的PDC)配置的至少一个PDC切削元件固定到钻头本体602上。参照图6，多个PDC 612被固定于刀片604上。例如，各PDC 612可包括与基底616接合的PCD台614。更一般而言，PDC 612可不受限制地包含本文公开的任何PDC。另外，如希望的话，在一些实施方案中，大量的PDC 612可是常规的结构。并且，如本领域公知的那样，周边邻近的刀片604在其间限定所谓的废料狭缝618。另外，旋转钻头600可包括用于将钻井流体(drilling fluid)从旋转钻头600的内部传送到PDC 612的多个喷嘴腔620。
图6和图7仅不加限制地描绘出使用至少一个切削元件的旋转钻头的一种实施方案，该切削元件包含根据所公开实施方案制造和构建的PDC。使用旋转钻头600来代表许多钻地工具或钻进工具，包括但不限于：例如，取芯钻头、牙轮钻头、固定切削刃钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔器、扩孔器翼、或任何其它的包括PDC的井下工具。
也可在切削技术以外的应用中利用本文公开的PDC。例如，可以在丝线模具、轴承、人工关节、镶嵌体、切削元件、和散热器中使用所公开的PDC实施方案。因此，可以在包括至少一个超硬磨料元件或复合片的制造物品中使用本文公开的任何PDC。
因此，可以在一般使用至少一个常规PDC的任何装置或结构中使用本文公开的PDC的实施方案。在一种实施方案中，被组装形成止推轴承装置的转子和定子可分别包含根据本文所公开的任何实施方案配置的一个或多个PDC，并且可被操作组装为井下钻进组件。美国专利US4,410,054、US4,560,014、US5,364,192、US5,368,398和US 5,480,233(通过引用将其每一篇的公开内容整体并入本文)公开了地下钻进系统，这些系统中可以加入利用本文公开的超硬磨料复合片的承载装置。本文公开的非圆柱形PDC的实施方案也可形成散热器、丝线模具、轴承元件、切削元件、切削嵌体(例如，在牙轮型钻头上)、机加工嵌体、或本领域公知的任何其它制造物品的全部或局部。在美国专利US 4,811,801、US 4,268,276、US 4,468,138、US 4,738,322、US 4,913,247、US 5,016,718、US 5,092,687、US 5,120,327、US5,135,061、US 5,154,245、US 5,180,022、US 5,460,233、US 5,544,713和US 6,793,681中公开了可使用本文公开的任何非圆柱形PDC的制造物品的其它例子，通过引用将这些专利每一篇的公开内容并入本文。
下述加工例进一步提供了与上述一些特定实施方案相关的细节。
比较加工例1
根据以下过程形成200个沥滤的PCD台。将平均颗粒尺寸为约19μm的金刚石颗粒的混合物放置在钴烧结碳化钨基底邻近。将混合物和基底置于叶蜡石管内，并且在高压六面顶压机中在约1400℃的温度和约5-7GPa的压力下进行HPHT处理从而形成PCD台。通过磨削在HPHT处理之后从如此形成的PCD台去除基底。将分离的PCD台浸入氢氟酸和硝酸的混合物中，以便从中沥滤钴。使用由KOERZ IMAT CS 1.096仪器进行的矫顽力测量来确定残留于沥滤PCD台中的钴量。残留于沥滤PCD盘中的最小钴量为0.8720wt％。
加工例2
根据以下过程形成200个沥滤的PCD台。形成钨颗粒与平均颗粒尺寸约19μm的金刚石颗粒的混合物。钨颗粒为该混合物的约2wt％。将混合物放置在钴烧结碳化钨基底邻近。将该混合物和基底置于叶蜡石管内，并且在高压六面顶压机中在约1400℃的温度和约5-7GPa的压力下进行HPHT处理从而形成PCD台。通过磨削在HPHT处理之后从如此形成的PCD台去除基底。将分离的PCD台浸入氢氟酸和硝酸的混合物中，以便从中沥滤钴。通过使用由KOERZIMAT CS 1.096仪器进行的矫顽力测量来确定残留于沥滤PCD台中的钴量。残留于沥滤PCD盘中的最小钴量为0.7381wt％。因此与比较加工例1相比，发现在加工例2中使用钨颗粒促进了对PCD台中的浸渗钴的沥滤。
虽然本文公开了各种方面和实施方案，但是可想到其它的方面和实施方案。本文公开的各种方面和实施方案是出于解释的目的而并不是意图进行限制。因此，本文(包括权利要求书)中使用的措词“包括”、“具有”和其变体(例如，“包括”和“具有”)应具有与措词“包含”及其变体(例如，“包含”和“含有”)相同的含义。

Claims (21)

1.一种聚晶金刚石复合片，包括：
基底；和
聚晶金刚石台，该聚晶金刚石台包括工作表面和相对的与基底接合的界面表面，该聚晶金刚石台包括限定出间隙区域的接合的金刚石晶粒，该聚晶金刚石台还包括：
沥滤第一体积，该沥滤第一体积从工作表面向内延伸并包括位于所述沥滤第一体积的至少一部分间隙区域中的金属浸渗剂，所述沥滤第一体积的金属浸渗剂的存在浓度为小于0.85wt％；和
从界面表面向内延伸的第二体积，该第二体积的间隙区域包括位于其中的金属浸渗剂。
2.根据权利要求1的聚晶金刚石复合片，其中所述沥滤第一体积中的金属浸渗剂的浓度为约0.20wt％至约0.50wt％。
3.根据权利要求1的聚晶金刚石复合片，其中所述沥滤第一体积中的金属浸渗剂的浓度为约0.50wt％至约0.78wt％。
4.根据权利要求1的聚晶金刚石复合片，其中所述沥滤第一体积的金属浸渗剂包含选自下列中的至少一种：铁，镍，钴，及其合金。
5.根据权利要求1的聚晶金刚石复合片，还包含位于所述沥滤第一体积的至少一部分间隙区域中的替换材料。
6.根据权利要求1的聚晶金刚石复合片，其中，
所述聚晶金刚石台的沥滤第一体积基本上不含钨或碳化钨中的至少一种；并且，
所述聚晶金刚石台的第二体积包含以填隙方式位于其接合的金刚石晶粒之间的钨或碳化钨中的至少一种。
7.根据权利要求1的聚晶金刚石复合片，其中所述聚晶金刚石台是预烧结的聚晶金刚石台或者与基底一体化形成。
8.一种旋转钻头，该旋转钻头包括根据权利要求1-7中任一项所述的聚晶金刚石复合片配置的至少一个聚晶切削元件。
9.一种沥滤的聚晶金刚石台，包含：
多个接合的金刚石晶粒，这些晶粒限定出多个间隙区域；和
位于所述间隙区域的至少一部分中的金属材料，该金属材料的存浓度少于所述沥滤的聚晶金刚石台的0.85wt％。
10.根据权利要求9的沥滤的聚晶金刚石台，其中所述浓度为约0.20wt％至约0.50wt％。
11.一种制造沥滤的聚晶金刚石台的方法，包括：
混合多个金刚石颗粒与多个牺牲颗粒以形成混合物；
在金属溶剂催化剂的存在下烧结所述混合物，从而形成聚晶金刚石台，该聚晶金刚石台包括位于其中的牺牲材料，其中该牺牲材料包括所述多个牺牲颗粒、所述多个金刚石颗粒与所述多个牺牲颗粒的至少一种反应产物、或其组合；和
从所述聚晶金刚石台中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料。
12.根据权利要求11的方法，其中所述多个牺牲颗粒包含由选自下组中的至少一种制成的颗粒：钛、钒、铬、铁、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、其合金以及其碳化物。
13.根据权利要求11的方法，其中所述多个牺牲颗粒在混合物中的存在浓度是约大于0至约5wt％。
14.根据权利要求11的方法，其中从所述聚晶金刚石台中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料包括：从所述聚晶金刚石台中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂，使得金属溶剂催化剂以低于0.85wt％的浓度存在于其中。
15.一种制造沥滤聚晶金刚石复合片的方法，包括：
邻近于基底放置混合物，其中所述混合物包括多个金刚石颗粒和多个牺牲颗粒；
使所述混合物和基底经受高压/高温处理，以便在金属溶剂催化剂的存在下烧结所述多个金刚石颗粒，从而在基底上方形成聚晶金刚石台，其中所述聚晶金刚石台包含牺牲材料，该牺牲材料包括所述多个牺牲颗粒、所述多个金刚石颗粒与所述多个牺牲颗粒的至少一种反应产物、或其组合；和
从聚晶金刚石台的体积中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料。
16.根据权利要求15的方法，其中所述多个牺牲颗粒包含由选自下列中的至少一种制成的颗粒：钛、钒、铬、铁、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、其合金以及其碳化物。
17.根据权利要求15的方法，其中所述多个牺牲颗粒在混合物中的存在浓度是约大于0至约5wt％。
18.根据权利要求15的方法，其中从所述聚晶金刚石台沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分所述多个牺牲颗粒包括：从所述聚晶金刚石台中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂，使得金属溶剂催化剂以低于0.85wt％的浓度存在于其中。
19.一种制造沥滤聚晶金刚石复合片的方法，包括：
使多个金刚石颗粒与多个牺牲颗粒混合以形成混合物；
在金属溶剂催化剂的存在下烧结所述混合物以形成聚晶金刚石台，其中所述聚晶金刚石台包含牺牲材料，该牺牲材料包括所述多个牺牲颗粒、所述多个金刚石颗粒与所述多个牺牲颗粒的至少一种反应产物、或其组合；
从所述聚晶金刚石台中沥滤至少一部分金属溶剂催化剂和至少一部分牺牲材料，使得所述金属溶剂催化剂以少于0.85wt％的浓度存在于其中；
将沥滤的聚晶金刚石台放置在基底邻近以形成组件；
使所述组件经受高压/高温处理从而用金属浸渗剂浸渗所述沥滤的聚晶金刚石台；和
从所述浸渗的聚晶金刚石台的区域中沥滤金属浸渗剂。
20.根据权利要求19的方法，其中所述混合物的所述多个牺牲颗粒包含选自钨颗粒和碳化钨颗粒中的至少一种。
21.根据权利要求19的方法，其中所述混合物的所述多个牺牲颗粒以约大于0至约5wt％的浓度存在于所述混合物中。
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