CN103260799B - 聚晶金刚石切割元件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于井下工具的钻头的聚晶金刚石切割元件(50)。切割元件(50)包括基底(24)和结合至基底(24)的金刚石台。金刚石台包括金刚石填料，其中沿金刚石台的至少一个工作表面将金刚石填料装满在至少一个浸出聚晶金刚石段(54)中。通过将金刚石台定位在基底(24)上并且将金刚石台结合到基底(24)上可以形成切割元件(50)，从而使聚晶金刚石段(54)沿着金刚石台的至少一个工作表面定位。电火花等离子烧结或双压操作可用于将金刚石台结合到基底(24)上。

Description

聚晶金刚石切割元件
技术领域
本文所公开的是在高温、高压过程中合成的并用于磨制、切割、拉形及其它应用的超硬聚晶材料制成的元件。这些元件在可需要耐磨性的位置处具有专门放置的超硬表面。特别地，本文所公开的是：具有合适的耐磨性和耐冲击韧性的聚晶金刚石以及聚晶金刚石类(统称为PCD)切割元件以及制造它们的方法。PCD切割元件的可用于针对钻地层的钻头中的一个特定形式被称为聚晶金刚石刀具(PDC)。
背景技术
美国专利No.6,861,098公开了用于制作PCD切割元件、刀片和刀具的方法。为该说明书的目的，聚晶金刚石以及聚晶金刚石类切割元件一般已知为PCD切割元件。PCD切割元件可以由在相邻原子之间具有短的原子间距离的碳基材料形成。已知为碳氮化物(CN)的一种类型的聚晶金刚石类材料在美国专利No.5,776,615中进行了描述。另外，在下面更详细地描述了PCD的形式。在一般情况下，PCD切割元件由材料混合而成，所述材料在高温和高压(HTHP)下处理成中间结合的超硬碳基晶体的聚晶基体。PCD切割元件的特点可以是在其形成期间使用催化材料，从中的残余物可以限制PCD切割元件在使用中的最大可用工作温度。
PCD切割元件的一种制造形式是两层或多层的PCD切割元件，其中聚晶金刚石的复面台(facingtable)被一体地结合到次级硬度材料制成的基材，诸如碳化钨硬质合金。PCD切割元件可以采用圆形或部分圆形片状物的形式，或者可以形成为适合诸如空心模具、散热片、摩擦轴承、阀表面、压头、工具芯轴等应用的其它形状。这种类型的PCD切割元件可以用于硬质且耐磨耗和耐侵蚀材料所需要的应用中。PCD切割元件的基底可以钎焊到载体，载体也可以由碳化钨硬质合金制成。针对PCD用作切割元件，当接收于钻头的插口中时，或者当固定至位于机床中的柱用于加工时，该构造可以例如用于固定刀具或滚刀地镗孔钻头(rollingcutterearthboringbits)中。为此目的所使用的PCD切割元件可称为聚晶金刚石刀具(PDC)。
PCD切割元件可以在高压高温的压具(press)下通过将具有适当的粘合剂催化材料的金刚石粉末与次级硬度材料制成的基底烧结而成。形成该聚晶金刚石的一种方法例如在第3,141,746号美国专利中进行了公开。在用于制造PCD切割元件的一个工艺中，金刚石粉末被施加至预成型碳化钨基底的加入了钴的表面。然后，组件在压具中可经受高的温度和压力。在该工艺期间，钴从基底迁移到金刚石层中，并作为粘合剂催化材料，导致金刚石颗粒利用金刚石到金刚石的结合而彼此结合，并且还导致金刚石层结合至基底。
完成后的PCD切割元件可以具有彼此结合的至少一种金刚石晶体基体，其具有含如上所述粘合剂催化材料金属的许多空隙。金刚石晶体可以形成金刚石的第一连续基体，并且空隙可以形成含粘合剂催化材料的空隙的第二连续基体。另外，可存在一些区域，其中金刚石到金刚石的生长已装入了一些粘合剂催化材料。这些“孤岛”可以不是粘合剂催化材料的连续空隙基体的一部分。
在一个特定形式中，金刚石元件可以占“PDC”体积的85％至95％，而粘合剂催化材料占其余的5％至15％。虽然钴可以用作粘合剂催化材料，但可以采用其它第VIII族的元素，包括钴、镍、铁以及它们的合金。
美国专利No.7,407,012描述了高度耐冲击工具的制造，在非平面界面处结合至硬质合金基底的金属基体中，该工具具有金刚石或类金刚石颗粒的烧结体。用于使金刚石到金刚石烧结的催化剂也可以由基底提供。PDC、刀片或刀具的总体制造可以使用硬质合金基底，以提供催化剂来辅助烧结金刚石颗粒。
已出版的美国专利申请US2005/0044800描述了使用可熔密封胶屏蔽件，以经由紧随在密封胶熔化之后的真空热还原来净化PCD切割元件组件，以提供用于进一步高温高压(HTHP)处理--利用可高于1300℃的温度和可大于65KBar的压力--的罐中的密封。罐的密封需要限制金刚石颗粒床在HTHP处理期间的污染，并且也需要保持罐中的高真空以限制氧化和其它污染。HTHP罐组件可以有助于防止PCD切割元件台的污染，并且也可以通过使用诸如电子束焊接等用于刀具和刀片标准生产的工艺来密封。
美国专利No.6,045,440描述了一种结构化PDC，其面向的是地钻方面的使用，其中成形屑和碎片经由使用PDC上的凸起顶面而传送远离切割刃。碎片的重定向可以通过创建PDC切割面上的高低表面来实现。用于在PDC上形成突起的方法在该专利中没有详细描述，这种刀具表面的表面纹理和几何形状可受限于挤出和/或形成密封罐表面的能力，这是所期望PDC前表面挤出的负面(negative)，该表面纹理和几何形状或者替代地通过后HTHP处理而成，诸如EDM(电火花加工)和激光切割--其需要在切割面上形成表面。
发明内容
本文中描述了一种用于以“双压”操作制造PCD切割元件的工艺。该工艺可以提供比现有PCD切割元件在磨损寿命方面有所改进的PCD切割元件。先前，由于在成形过程中逐渐形成的应力，将圆盘高温高压(HTHP)烧结到在第二HTHP挤压周期制造的PCD(聚晶金刚石)材料(或段)中往往导致PDC面上的金刚石材料破裂。
本文中公开的本“双压”HTHP烧结PDC可以具有增强的物理特性。用于制造双压HTHP烧结PDC的方法使用了先前HTHP受压的PCD材料，其可以浸出(leached)或不含所有的或基本上所有的金属材料。然后，可以将该PCD材料粉碎并确定尺寸，以形成可以用其它材料分层或分散的PCD砂粒，然后在第二HTHP挤压操作中将之罐装并烧结成成品PDC。
在一个优选实施方式中，由先前受压PCD切割元件制成的这些罐装和烧结的PDC可以形成片或段(矩形或弧形)，然后可浸出(或基本上不含)所有金属材料、铺设于单层或多层中、用金刚石填料(例如，常规金刚石原料或金刚石粉末)装满，进而以正常的方式第二次HTHP烧结到本公开的PDC中。
用于制造双压HTHP烧结PDC的该方法可以开始于：布置先前受压PCD段的以下段--该段被浸出(如上文所述)，并铺设于单层或多层中、用金刚石填料(例如，常规金刚石原料)装满，进而以正常的方式HTHP烧结到PDC中。
在另一实施方式中，可以将先前受压PCD的其它各种形状选择、设计和/或构造用于在操作时将应力场有利地布置在PDC内。可以使这些先前受压的PCD切割元件浸出或以其它方式不含金属，然后可以与金刚石砂粒、金刚石“组块”和/或成型PCD段的各种组合相结合，并且以性能优化并进行第二次HTHP周期的模式几何排列、清理以及准备使用地钻或行业已知的其它相关操作。
用于制造依据本公开的PDC的替代成形工艺可以利用电火花等离子烧结工艺(SPS)来代替第二HTHP挤压周期。利用电火花等离子烧结工艺(SPS)的成形工艺也可以设置为PDC制造的补充或替代工艺。在该工艺中，粉末材料可以堆叠在位于一腔室中烧结平台上的模具和冲头之间，并保持在一组电极之间。当受压下提供脉冲或脉冲流时，温度可迅速上升至烧结温度，即从约1000℃至约2500℃，导致仅在几分钟内生产出烧结的PDC。
公开了一种用于井下工具的钻头的聚晶金刚石切割元件，包括基底以及结合至基底的金刚石台，金刚石台包括金刚石填料，其中沿金刚石台的至少一个工作表面将金刚石填料装满在至少一个浸出聚晶金刚石段中。至少一个浸出聚晶金刚石段可包括成镶嵌构造的多个片。至少一个浸出聚晶金刚石段包括一盘。至少一个浸出聚晶金刚石段包括组装成圆形构造的多个弧形段。至少一个浸出聚晶金刚石段可以定位成分层构造。至少一个浸出聚晶金刚石段可包括多个浸出饼形段，金刚石填料位于其间。聚晶金刚石切割元件还可包括多个非浸出聚晶金刚石段，多个非浸出聚晶金刚石段包括与多个浸出饼形段交替构造的多个非浸出饼形段。聚晶金刚石切割元件还可包括多个非浸出聚晶金刚石段。基底可包括碳化钨、钴、镍-纳米-碳化钨以及它们的组合中的一种。金刚石填料可包括金刚石原料、金刚石粉末以及它们的组合中的一种。非平面界面可以设置在金刚石台和基底之间。金刚石台可以双压至基底。金刚石台可以电火花等离子烧结至基底，以形成聚晶金刚石刀具。至少一个浸出聚晶金刚石段可以沿着端部工作表面定位。至少一个浸出聚晶金刚石段可以沿着周界工作表面定位。聚晶金刚石切割元件还可包括载体，基底结合至该载体。
公开了一种用于制造聚晶金刚石切割元件的方法，该聚晶金刚石切割元件用于井下工具的钻头，该方法包括：将金刚石台定位在基底上，金刚石台包括金刚石填料和至少一个浸出聚晶金刚石段；将金刚石台结合到基底上，使得至少一个聚晶金刚石段沿着金刚石台的至少一个工作表面定位。结合可包括受压加热。结合可包括双压。结合可包括电火花等离子烧结。至少一个工作表面可以是端部工作表面、周界工作表面和它们的组合中的一个。该方法还可包括：在结合之后修整金刚石台。该方法还可包括：粉碎并确定聚晶金刚石材料的尺寸，以形成至少一个聚晶金刚石段。该方法还可包括：浸出至少一个聚晶金刚石段，以形成至少一个浸出聚晶金刚石段。定位可包括：以镶嵌模式分布至少一个浸出聚晶金刚石段。定位可包括：以周界模式分布至少一个浸出聚晶金刚石段。定位可包括：以盘模式分布至少一个浸出聚晶金刚石段。定位可包括：使至少一个浸出聚晶金刚石段分层。结合可包括：用纳米合金复合物将台结合至基底。复合物可包括镍-纳米-碳化钨和镍铬铁硼硅酸盐(NiCrFeBSi)之一。
公开了一种用于制造聚晶金刚石切割元件的方法，该聚晶金刚石切割元件用于井下工具的钻头，该方法包括：以挤压方式将金刚石台定位在基底上，金刚石台包括金刚石填料和至少一个浸出聚晶金刚石段；以及经由挤压施加压力和热，直到金刚石台结合到基底上，使得至少一个聚晶金刚石段沿着金刚石台的至少一个工作表面定位；以及重新施加热和压力。温度可以在1000℃以上。温度可以在1000℃和2500℃之间。施加可包括电火花等离子烧结。
附图说明
图1是典型的地镗钻机的操作示意图。
图2是本公开中典型的PCD切割元件。
图3是可利用本公开PCD切割元件的钻头。
图4和图5是本公开一个实施方式的透视图，其使用浸出PCD材料的分段件。
图6和图7是浸出PCD材料的各块的透视图，其布置在本公开PCD切割元件的另一实施方式中。
图8是浸出PCD材料的透视图全景，其位于本公开PCD切割元件的又一实施方式中。
图9示出了电火花烧结工艺，这是用于形成本公开PCD切割元件的替代工艺。
图10绘出描绘了制造本公开PCD切割元件的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，下文中描述的烧结复合材料可以由聚晶金刚石(或PCD)形成。然而，这个过程也可以适用于其它的超硬研磨材料，包括但不限于合成的或天然的金刚石、立方氮化硼和其它有关材料。
聚晶金刚石刀具(PDC)可以作为用于将井眼形成于地中的钻头中的切割元件，并且可以用于但不限于从地下勘探并生产烃类矿物的钻孔工具。
仅出于示意目的，典型的钻孔操作在图1中示出。图1示出了由井架4悬置的钻柱2的示意图，其用于将井眼6钻入到地中以待矿物勘探和采收，特别是石油产品。井底组件(BHA)8位于井眼6的底部。BHA8可以具有井下钻入电机9，以旋转钻头1。
当钻头1从表面和/或由井下电机9旋转时，它钻入到地中，使钻柱2推进，形成井眼6。对于图1中所示类型的钻井系统，为了理解这些系统是如何进行操作的，钻头1可以是石油和天然气勘探业务中技术人员所熟知的多种类型中的任意一种，诸如设置有PCD切割元件的钻头，这在本文中将进一步描述。这仅仅是井底组件8中许多类型和构造之一，然而仅出于示意目的而加以示出。存在许多可用于将井眼钻入到地中的布置及装备构造，并且本公开并不限于本文中示出并描述的任意一种特定构造。
本公开PCD切割元件10的更详细视图在图2中示出。现在参照图2和图3，本公开的PCD切割元件10可以是预成型切割元件10(如图2所示)，用于图3的固定刀具旋转钻头11。钻头1的钻头体14可以用多个刀片16形成，刀片大致从钻头1的旋转中心纵轴18向外延伸。沿着每个刀片16前端面(leadingface)20并排间隔开的是本公开的多个PCD切割元件10。
PCD切割元件10可以具有采用圆形片状物形式的主体，其具有金刚石的、在“双压”工艺中结合的、薄的前复面金刚石台22，“双压”工艺可以是例如高压高温(HPHT)工艺。双压工艺可用于将金刚石台22挤压到次级硬度材料制成的基底24，该材料诸如是碳化钨硬质合金或其它金属材料--这将详细地说明。切割元件10可以预成型(这也将进行描述)，然后可以结合到也可以由碳化钨硬质合金形成的大致柱形载体26上，或者可替换地直接附接至刀片16。切割元件10也可以具有位于金刚石台22和基底24之间的非平面界面27。此外，PCD切割元件10可以具有如图所示可基本上相互垂直的周界工作表面28和端面工作表面30。
柱形载体26被接收在刀片16中的相应形状的插口或凹处内。载体26可以钎焊、冷缩配合或压入到钻头1的插口(未示出)中。凡钎焊时，钎焊接头可延伸在载体26和一部分基底24上。在操作中，旋转固定刀具钻头1并施加重量。这会将切割元件10推动到正待钻探的地中，影响切割和/或钻探行动。
这些PCD切割元件10可以在常规的非常高的温度和高压(HTHP)挤压(或烧结)操作(这在行业中是众所周知的)中制成，然后完成机加工成为所示的柱形。用于制造这些PCD切割元件10的这样一个过程可涉及：将各种尺寸的金刚石晶体的混合物相结合，其混合在一起，并加工成如前面所述的PCD切割元件1。
用一个以上HTHP周期形成这些切割元件10可以被称为“双压”。刀具的“双压”在过去已尝试过，并可以提供产品磨损寿命结果的一些改进，但用于制造的过程可带来困难和内部缺陷。这些缺陷可涉及所得到产品的有限磨损寿命。特别地，由于在该过程中形成的应力，在第二挤压周期中将圆盘HTHP烧结到PDC中可导致金刚石层破裂。
用于双压本文所述PCD切割元件的替代过程涉及：双压HTHP烧结的PDC。先前受压的PCD材料可以例如通过酸浸使所有的金属材料从它的结晶结构除去。然后，PCD材料可被粉碎，并且按尺寸形成精细的PCD砂粒。PCD砂粒可以分层(或以其它方式分散)于通常罐装并烧结的PCD切割元件中。可选地，在罐装以及烧结之前，所述砂粒可以与具有选定形状和尺寸的“原始的”金刚石晶体混合。在先前受压的PCD材料粉碎和/或形成之前和/或之后，将之进行浸出。
在另一实施方式中，先前受压的PDC段(或片)具有各种形状，包括但不限于三角形、矩形、圆形、椭圆形和弧形，通常在浸出过程中，该PDC段最初基本上不含所有催化及其它金属材料，并用单层或多层构造铺设在模具中。然后，这些片之间的空间可以用具有一个或多个选定尺寸和形状的金刚石填料(例如，常规金刚石原料)装满，并且HTHP烧结第二次，以形成本公开的新PDC。
在一个特定示例中，一些“饼”形的先前受压的PDC段充分浸出催化材料，然后以单层(或替代地以多层)铺设在模具中，并且居间空间然后用细粒度的常规金刚石原料装满。然后，得到的产物以正常的方式第二次HTHP烧结到PDC中。
另外，也可以利用先前受压PCD的“应力设计”形状(例如，PCD切割元件的几何形状，其有利地利用了PCD切割元件的操作特性)。这些“再生的”PCD切割元件可以浸出它们可能剩余的基本上所有的金属和/或催化材料。然后，这些“再生的”PCD切割元件可以结合或选择性地用于被粉碎金刚石砂粒和/或固体形状的各种组合，以形成PDC。以这种方式，PDC然后可以图案化，以优化性能。
如图4至图8中所示，并且如稍后将更详细说明的，采用饼形件、片层、微小块和/或其它段形式的PCD材料可以连同标准的可用金刚石原料一起被组装并结合更精细的PCD砂粒(无论是新的，还是从填充分开罐的更早过程所遗留下来的)，以形成PDC。然后，这些PDC在正常的周期中被HTHP挤压，将第二压力施加到先前受压和浸出的部分。
在另一示例中，制造过程可以开始于：将精细的(～5微米分布)HTHP金刚石原料做成可用于刀具的大直径圆形PDC坯料。然后，这个大的PDC坯料可以切成一些较小件(或段)，其可以是但不限于饼形片、柱、块或许多其它几何形状之一。这些件的对角线尺寸可以但不限于小于约1.0mm的尺寸。然后，可将这些件浸出，以除去所有或基本上所有可能存在的金属材料，诸如碳化钨(WC)基底、钴(Co)，并且除去可能存在的任何其它金属材料。然后，这些受压且浸出的PCD片(或段)可以结合如上所述的细粉金刚石原料，并如前面所述在HTHP过程中进行第二次挤压，形成本公开的预成型PCD切割元件。
在称为G-比(磨耗比)测试的两部分内部标准磨损测试流程中，此预成型PCD切割元件与现有技术PCD切割元件已知的“标准产品”对比测试。
基于历史数据，未浸出的“标准产品”PCD切割元件可以具有约20×105(除去的金刚石体积/除去的花岗岩体积)的G-比(这是PCD材料耐磨性的数字表示)。如果此“标准产品”PCD切割元件的切割面浸出成基本上无催化材料，则通常G-比可增加至约80×105。这种增加的G-比可以是通常用于常规浸出的现有技术切割元件的数字。通过比较，5微米“双压”刀具依据本公开制成，使用5微米平均颗粒尺寸的金刚石原料，并以如上所述的类似方式进行测试，该5微米“双压”刀具在浸出前可以具有50×105的G-比，紧接在浸出后可以具有150×105的G-比--比“标准产品”PDC切割元件改进了近100％。在第二挤压操作期间，金刚石台中先前受压和浸出部分的一些孔隙可以重新填充粘合剂/催化材料(例如，钴)，以降低G-比。
在又一示例中，在浸出前，双压PDC切割元件的磨损测试可以产生约100×105的G比。紧接在浸出后，这个先前受压、浸出、双压和重新浸出的PDC切割元件的G比可以增加到约1000×105，比“标准产品”浸出的PDC产生超过十倍增加的耐磨性。应当注意，实验室测试未能考虑到PDC切割元件在它们现场运行时的所有变化。因此，虽然实验室测试结果可有助于选择哪种切割元件能够更好，但可以进行现场测试用于确认。
新的PDC可以提供优于现有PDC切割元件的改进的耐磨性。另外，包装于PCD材料件内的松散金刚石原料可以在成品中提供应力消除形式。另外，铺盖金刚石层可导致相对而言无应力，但导致很厚的PCD层。另外，在加工期间不使用显著更高压力的情况下，先前受压PCD切割元件的优良原料可提供对所得到的PDC耐磨性的附加增量增加。
PCD砂粒可以在粒度、数量和层厚方面加以改变，以根据需要改变成品的物理特性。各种PCD砂粒选择的可比较磨损模式可以揭示先前受压、浸出、双压和重新浸出的产品与第一次装满于砂粒周围、HTHP烧结和浸出的松散原料之间的不同磨损率。这些不同磨损率可允许PDC切割刃变得“自锐”，用于更有效率地切割作用于岩石。
各种砂粒选择也可对PDC的刃在操作期间切削的情况有用。PDC的不同磨损率可利于较小件被移走，而不是创造更大的组块。这可以是更均匀、常规上产生金刚石台的特征。另外，“双压”产品可以提供一种途径来重新使用从“钝的”、先前使用的刀具所回收的“已用过的”PDC材料。用于HTHP双压的初始受压原料可以制成饼、片或块状。替代地，PDC可以自由站立，从而有可能减少对修整和切割的需要。
在用于PCD50的制造过程中，可取的是控制双压PDC的原料，先前受压PCD砂粒的粒度、PCD砂粒与松散金刚石原料的混合比、松散原料的颗粒尺寸、层厚以及(如果存在的话)PCD段或片的几何排列。这可用于将残余应力减到最小，以提供无应力产品、PCD砂粒混合的受控层厚、浸出过程和浸出深度。
在执行本申请时，有必要控制一些工艺参数。这些参数可以包括例如：“双压”PDC的原料来源、先前受压的砂粒尺寸、PCD砂粒与松散金刚石原料的混合以及松散原料的尺寸。其它工艺参数的控制可涉及：控制层厚以及设计段或片的几何排列，用于无应力产品。另外，PCD砂粒混合的层厚、浸出过程以及浸出深度会需要关闭控制。
在某些情况下，另外可取的是，将另外浸出过程中产生的PCD进行处理，以去除可具有重新渗润PCD层的任何催化剂浸润剂的所有或选定部分。
除了对如图2所示具有完整面(或工作表面30)的PCD切割元件10有用，这些部件也可以用作PCD50，其具有如图4和图5所示的分段面56。
如图4所示，分段面56可具有交替的段52、54：包括基本上无催化材料的浸出PCD段54，这与含催化材料的非浸出PCD段52交替。
在替代实施方式中，如图5中所示，PCD切割元件50可具有各自分段的浸出PCD段54，浸出PCD段54均为PCD材料，被浸出成基本上不含可能存在的任意催化材料或任何金属材料。虽然“楔”形PCD50在本文中已经示出，但应设想，在不脱离本公开范围的情况下，可以将包括圆形、椭圆形、矩形、弧形、三角形、星形等的许多不同形状的PCD部件用作PCD50。
比如，上述的PCD切割元件50可具有位于浸出PCD段54之间的非浸出PCD段52，并可以以具有一体成形面的PCD切割元件10的大致相同方式用作PCD切割元件。
在又一实施方式中，例如如图6、图7和图8所示，预浸出PCD材料54可具有用于PCD50的选定形状和尺寸。在图6和图7中，浸出PCD材料54的基本上无催化材料的各个块放置有生产罐中的金刚石粉末连同金刚石填料(例如，标准的可用金刚石原料)55，使得在第二次HTH挤压周期之后，浸出PCD材料54一体地形成有PCD切割元件50。在图6中，浸出PCD材料54的各个块以镶嵌模式放置在面上，有效地覆盖了PCD50在浸出PCD材料54中的整个面(或端部工作表面30)。
替代地，如图7中所示，浸出PCD材料54的各个块可以成形并围绕PCD切割元件50周界(或周界工作表面28)铺设成弧形。同样，在第二HTHP挤压周期之后，预浸出PCD材料54一体地形成有PCD切割元件50。该布置可以优化每个PCD切割元件所需的预浸出PCD材料54的量，也可以有助于控制第二挤压周期的过程。
最后，在如图8所示的再一实施方式中，可取的是，用浸出PCD材料54制成的单个盘来形成整个工作表面(或复面台)。PCD材料定位在原料55上。
在这些实施方式的每个实施方式中，如本文所述的，PDC50的全部工作表面28、30(或其中部分)在浸出过程中可以进行第二次浸出，然后被组装到钻头1或其它磨制部件中。
另外，用于制造PCD切割元件50的替代成形工艺可以利用如图9中示出的电火花等离子烧结工艺(SPS)。在该工艺中，先前受压的金刚石粉末材料的预烧结盘(或堆)100可堆叠于柱形真空室110内布置在上冲头130和下冲头140之间，柱形真空室110安装在烧结模具120内。烧结模具120位于烧结平台170上的上冲头130和下冲头140之间，并保持在一组“电火花”电极200、210之间。生成的“堆”100具有足够高的电阻率，以允许高电压差施加到“堆”100，导致在金刚石粉末材料之间产生电火花。
当如字母“P”所示的适中机械压力被施加到“堆”100时，并且当电压通过上电极200和下电极210维持在整个堆上时，压力P和电火花作用的结合会允许“堆”100形成PCD的金刚石到金刚石结合，这类似于通常用于金刚石合成的常规HTHP工艺中形成的那些金刚石到金刚石结合。由于电脉冲(或多个脉冲)在适度的压缩压力P下设置到盘100，盘100内的温度迅速上升至烧结温度，例如处于约1000℃至约2500℃，导致仅在几分钟内就生产接近完成的烧结PCD切割元件50。紧随在制造各阶段之后，比如在第一次挤压后、第二次挤压后和/或SPS后，PCD切割元件50可以修整(例如，修剪)。
该SPS工艺或其它微波工艺可用于将诸如部分(或完全)浸出的金刚石晶片的金刚石层结合或附接至碳化物基底。这些工艺可以与低温、低压的结合或附接方法一起使用。使用诸如纳米合金复合物(例如，Ni-纳米-WC或镍-纳米金刚石合金)的合金或复合物可以进行结合。例如，Ni-纳米-WC(镍-纳米-碳化钨)可用于将20μm金刚石粉末与WC-Co基底接合。在另一示例中，SPS用于将部分(或完全)浸出的扁平金刚石晶片结合至具有65％纳米-WC+NiCrFeBSi的碳化物基底。
图10示出了用于制造PCD切割元件的方法1000。该方法包括：将金刚石台定位1090在基底上(金刚石台具有金刚石填料和至少一个浸出的聚晶金刚石段)；以及将金刚石台烧结1092到基底上，使得聚晶金刚石段沿着金刚石台的至少一个工作表面定位。各步骤可以以任何顺序执行，并根据需要可以重复。烧结可以是如本文所述的SPS烧结或双压操作。
虽然本发明已经具体描述了所附附图的相关内容，但应当理解，除本文中示出或建议的修改，在本公开范围和精神内可以做出其它的和进一步的修改。

Claims (18)

1.一种用于井下工具的钻头的聚晶金刚石切割元件，包括：
基底；以及
结合至所述基底的金刚石台，所述金刚石台包括与小的聚晶金刚石材料颗粒混合的金刚石材料，所述小的聚晶金刚石材料颗粒沿所述金刚石台的至少一个工作表面基本上不含所有催化及其它金属材料，
其中小的聚晶金刚石材料颗粒包括聚晶金刚石坯料，所述聚晶金刚石坯料已经受到第一高温高压挤压操作，浸出其中基本上所有的金属材料、被粉碎且尺寸形成为精细的砂粒，并且与金刚石材料混合以形成金刚石台；以及
其中在罐中金刚石台受到第二高温高压挤压操作并接着沿着金刚石台的至少一个工作表面浸出。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，小的聚晶金刚石材料颗粒在罐中被分层或者以其它方式随金刚石材料而分散。
3.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，小的聚晶金刚石材料颗粒在被引入罐之前与金刚石材料混合。
4.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，小的聚晶金刚石材料颗粒在聚晶金刚石材料被粉碎并且尺寸形成为精细的砂粒之前浸出基本上所有的金属材料。
5.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，小的聚晶金刚石材料颗粒在聚晶金刚石材料被粉碎并且尺寸形成为精细的砂粒之后浸出基本上所有的金属材料。
6.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，小的聚晶金刚石材料颗粒具有选定的尺寸和形状。
7.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，所述基底包括碳化钨、钴、镍-纳米-碳化钨以及它们的组合中的一种。
8.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，所述金刚石材料包括金刚石原料、金刚石粉末以及它们的组合中的一种。
9.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，小的聚晶金刚石材料颗粒沿着顶部和周边工作表面中的至少一者而定位。
10.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，其中，第一和第二高温高压挤压操作具有1000至2500℃的温度。
11.根据权利要求1所述的聚晶金刚石切割元件，还包括载体，所述基底结合至所述载体。
12.一种用于制造聚晶金刚石切割元件的方法，所述聚晶金刚石切割元件用于井下工具的钻头，所述方法包括：
通过在第一高温高压挤压操作中烧结聚晶金刚石材料并且将聚晶金刚石材料粉碎并且尺寸形成为精细的砂粒，生成小的聚晶金刚石颗粒；
从烧结的聚晶金刚石材料中去除基本上所有催化及其它金属材料；
将聚晶金刚石颗粒与金刚石材料混合以形成金刚石台；
将金刚石台定位在一基底上；
通过包括第二高温高压挤压操作的烧结工艺将所述金刚石台结合到所述基底上；以及
在结合之后，浸出所述金刚石台的至少一个工作表面。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在罐中被分层或者以其它方式随金刚石材料分散小颗粒而使小的聚晶金刚石材料颗粒混合。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在小的聚晶金刚石材料颗粒在被引入罐之前将小颗粒与金刚石材料混合而使小的聚晶金刚石材料颗粒混合。
15.根据权利要求12所述的方法，其中去除的步骤包括在聚晶金刚石材料被粉碎并且尺寸形成为精细的砂粒之前或之后浸出烧结的聚晶金刚石材料。
16.根据权利要求12所述的方法，其中混合的步骤包括将具有选定尺寸和形状的聚晶金刚石颗粒与金刚石材料混合以形成金刚石台。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括沿着顶部和周边工作表面中的至少一者或多者定位多个小的浸出的聚晶金刚石颗粒。
18.根据权利要求12所述的聚晶金刚石切割元件，其中，第一和第二高温高压挤压操作具有1000至2500℃的温度。
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