CN103459750B - 包括在硬质材料晶粒之间的间隙中的金属合金组合物的多晶复合片，包括这种多晶复合片的切割元件和钻地工具，和相关方法 - Google Patents

包括在硬质材料晶粒之间的间隙中的金属合金组合物的多晶复合片，包括这种多晶复合片的切割元件和钻地工具，和相关方法 Download PDF

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Abstract

一种多晶复合片，其包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分该金属材料包含金属合金，其包含两种或更多种元素。该两种或更多种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种。该两种或更多种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。该金属合金可以包括共晶或者近共晶组合物，并且可以具有相对低的熔点。一种切割元件和一种钻地工具，其包括这种多晶复合片。一种方法，其包括形成这种多晶复合片、切割元件和钻地工具。

Description

包括在硬质材料晶粒之间的间隙中的金属合金组合物的多晶 复合片，包括这种多晶复合片的切割元件和钻地工具，和相关 方法
优先权要求
本申请要求2011年2月17日提交的、名称为“包括在硬质材料晶粒之间的间隙中的金属合金组合物的多晶复合片，包括这样的多晶复合片的切割元件和钻地工具，和相关方法”的美国专利申请序列号13/029,930的提交日权益。
技术领域
本发明总体上涉及多晶复合片，其可以例如作为切割元件用于钻地工具，和涉及形成这种多晶复合片、切割元件和钻地工具的方法。
发明背景
用于在地下地层的形成井筒的钻地工具通常包括多个固定在工具体上的切割元件。例如，固定刀具的钻地旋转钻头(也称作“刮刀钻头”)包括多个切割元件，其固定连接到钻头的钻头体上。类似地，牙轮钻地旋转钻头会包括牙轮，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承销上，以使得每个牙轮能够绕它所安装到的轴承销旋转。多个切割元件可以安装到钻头的每个牙轮上。换句话说，钻地工具经常包括切割元件所连接到的体(例如钻头体或者牙轮)。
在这种钻地工具中所用的切割元件经常包括多晶金刚石复合片(经常称作“PDC”)，其一个或多个表面可以充当切割元件的切割面。多晶金刚石材料是包括金刚石材料的相互键合的晶粒或者晶体的材料。换句话说，多晶金刚石材料包括在金刚石材料的晶粒或者晶体之间的直接的晶粒间键。术语“晶粒”和“晶体”在这里是同义和可互换使用的。
多晶金刚石复合片切割元件典型的是在催化剂(例如钴、铁、镍或者它们的合金和混合物)存在下，在高温和高压条件下将相对小的金刚石晶粒烧结和结合在一起以形成多晶金刚石材料在切割元件基底上的层(例如复合片或者“台”)而形成的。这些处理经常称作高温/高压(HTHP)处理。这种切割元件基底可以包含金属陶瓷材料(即，陶瓷-金属复合材料)，例如钴烧结碳化钨。在这样的情况中，切割元件基底中的钴(或其他催化剂材料)可以在烧结过程中进入金刚石晶粒中，并且充当催化剂材料，用于由金刚石晶粒形成晶粒间的金刚石-金刚石键，和形成金刚石台。在其他方法中，粉末状的催化剂材料在将晶粒在HTHP处理中烧结到一起之前可以与金刚石晶粒相混合。
通过使用HTHP处理形成金刚石台，催化剂材料可以保持在所形成的多晶金刚石复合片中的金刚石晶粒之间的间隙中。金刚石台中催化剂材料的存在会导致当切割元件在使用过程中受热时金刚石台中的热损伤，这归因于在切割元件和地层之间的接触点处的摩擦。
虽然切割元件中的内应力在超过约三百五十摄氏度(350℃)的温度时会开始形成，但多晶金刚石复合片切割元件(在其中催化剂材料保持在该多晶金刚石复合片中)通常在高到约七百五十摄氏度(750℃)的温度是热稳定的。这种内应力至少部分归因于金刚石台和它所结合到的切割元件基底之间的热膨胀率的差异。这种热膨胀率差异会在金刚石台和基底之间的界面处产生相当大的压应力和张应力，并且会导致金刚石台从基底上脱层。在约七百五十摄氏度(750℃)和更高的温度，由于金刚石台中金刚石材料和催化剂材料之间热膨胀系数的差异，金刚石台本身中的应力会明显增加。例如，钴热膨胀明显快于金刚石，这会导致金刚石台中裂纹形成和蔓延，最终导致金刚石台劣化和切割元件失效。
此外，在处于或高于约七百五十摄氏度(750℃)的温度，多晶金刚石复合片中的一些金刚石晶体会与催化剂材料反应，导致金刚石晶体经历化学损坏或者转化回碳的另一种同素异形体或者另一碳基材料。例如，该金刚石晶体可以在金刚石晶体边界处石墨化，其会明显削弱该金刚石台。另外，在极高的温度，除了石墨，一些金刚石晶体也会转化成一氧化碳和二氧化碳。
为了减少与多晶金刚石复合片切割元件中的热膨胀差异和金刚石晶体的化学损坏有关的问题，已经开发了所谓的“热稳定的”多晶金刚石复合片(其也称作热稳定的产物或者“TSP”)。这种热稳定的多晶金刚石复合片可以通过使用例如酸或者酸的组合(例如王水)，将催化剂材料(例如钴)从金刚石台中相互键合的金刚石晶体之间的间隙中浸提出来而形成。全部的催化剂材料可以从金刚石台中除去，或者催化剂材料可以仅从金刚石台的一部分中除去。已经报道了热稳定的多晶金刚石复合片(在其中基本上全部的催化剂材料已经从金刚石台中浸提出去)在高到约一千二百摄氏度(1200℃)的温度是热稳定的。但是，也报道了与非浸提的金刚石台相比，这种完全浸提的金刚石台相对更脆和易受到剪应力、压应力和张应力损坏。另外，难以将完全浸提的金刚石台固定到载体基底上。对于与非浸提的多晶金刚石复合片相比更加热稳定，而与完全浸提的金刚石台相比也不那么脆和易受到剪切、压缩和张应力损坏的的多晶金刚石复合片而言，在提供具有这种多晶金刚石复合片的切割元件的努力中，已经提供了包括金刚石台的切割元件，其中催化剂材料已经从该金刚石台的一个或多个部分中浸提。例如，已知的是从切割面、从金刚石台侧或者从二者到该金刚石台内所需深度浸提催化剂材料，但是不从金刚石台中浸提全部的催化剂材料。
发明内容
在一些实施方案中，本发明包括多晶复合片。该多晶复合片包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分该金属材料包含金属合金，其包含两种或更多种元素。该两种或更多种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种。该两种或更多种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。该金属合金可以具有约七百五十摄氏度(750℃)或更低的熔融温度。
多晶复合片的另一实施方案包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分该金属材料包含具有至少两种元素的近共晶组合物的金属合金。该至少两种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种。该至少两种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
本发明另外的实施方案包括切割元件，其包括切割元件基底和连接到该切割元件基底的多晶复合片。该多晶复合片包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分该金属材料包含金属合金，其包含两种或更多种元素。该两种或更多种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种。该两种或更多种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。该金属合金可以具有约七百五十摄氏度(750℃)或更低的熔融温度。
切割元件另外的实施方案包括切割元件基底和连接到该切割元件基底的多晶复合片。该多晶复合片包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分该金属材料包含金属合金，其具有至少两种元素的近共晶组合物。该至少两种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种。该至少两种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
本发明另外的实施方案包括钻地工具，其包括此处所述的包括多晶复合片的切割元件。例如，本发明的钻地工具可以包括工具体和连接到该工具体上的至少一个切割元件。该至少一个切割元件包括多晶复合片，其包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分该金属材料包含金属合金。该金属合金包含两种或更多种元素。该两种或更多种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种。该两种或更多种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
在另外的实施方案中，本发明包括制作此处所述的多晶复合片的方法。可以形成未烧结的复合片预制件，其包含硬质材料的多个晶粒。该复合片预制件可以在用于催化在硬质材料的多个晶粒的硬质材料晶粒之间形成晶粒间键的催化剂材料存在下进行烧结。烧结该复合片预制件可以包括通过将硬质材料的多个晶粒结合在一起，以形成包含硬质材料的相互键合的晶粒的多晶材料。可以在硬质材料的相互键合的晶粒之间的至少一些间隙中提供金属合金。该金属合金可以配制以包含至少两种元素。该至少两种元素的第一元素可以选自钴、铁和镍。该至少两种元素的第二元素可以选自镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨。
附图说明
虽然说明书结束于具体指出和明确主张何为本发明实施方案的权利要求书，但是当结合附图来阅读时，可以从下面对本发明实施方案的说明中更容易地确定本发明实施方案的不同特征和优点，附图中：
图1是一个部分截断透视图，其表示了包含本发明的多晶复合片的切割元件的一个实施方案，其包括两个区域，在所述区域内硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中具有不同组成的材料；
图2是图1所示的切割元件的横截面侧视图；
图3是一个简化的图，其表示了在放大倍率下图1和2的多晶复合片的微观结构表现；
图4A是类似于图2那样的横截面侧视图，并且表示了切割元件的另一实施方案，该切割元件包括具有两个区域的多晶复合片，所述区域中具有不同的空隙材料；
图4B是图4A所述切割元件沿着其中所示的截线4B-4B所取的横截面图；
图5是组件简化的横截面侧视图，其能够用于本发明方法的实施方案中，其可以用于制作此处所述的切割元件，例如图1和2所示的切割元件；
图6是切割元件简化的横截面侧视图，该切割元件具有部分浸入到熔融金属材料中的多晶复合片，并且用于描述本发明方法的实施方案，其能够用于制作切割元件，例如图1和2所示的切割元件；
图7是位于切割元件的多晶复合片上的金属材料简化的横截面侧视图，并且用于描述本发明方法另外的实施方案，其可以用于制作切割元件，例如图1和2所示的切割元件；和
图8是固定刀具钻地旋转钻头的一个实施方案的透视图，所述钻头包括如图1和2所示的多个多晶复合片。
具体实施方式
这里所提出的图示并不表示任何具体的多晶复合片、多晶材料的微观结构或者钻地工具的实际视图，并且不是按照比例绘制的，而仅仅是理想化的表示，其用于描述本发明的实施方案。此外，图之间共同的元件能够保持相同的附图标记。
术语“多晶材料”表示和包括任何这样的材料，其包含通过晶粒间键直接结合到一起的材料的多个晶粒(即晶体)。该材料的单个晶粒的晶体结构可以在多晶材料的空间内无规定向。
作为此处使用的，术语“晶粒间键”表示和包括在材料相邻晶粒中的原子之间的任何直接原子键(例如共价键、金属键等)。
作为此处使用的，术语“近共晶组合物”表示两种或更多种元素的组合物，其中组合物中每个元素的原子百分比处于两种或更多种元素的共晶组合物中的元素的原子百分比的7原子%(7at%)内。两种或更多种元素的近共晶组合物包括和包含两种或更多种元素的共晶组合物。换句话说，共晶组合物是近共晶组合物的子集。
图1和2是简化的图，表示了切割元件10的一个实施方案，其包括结合到切割元件基底14上的多晶复合片12。多晶复合片12包括硬质多晶材料16的台或者层，其提供在载体切割元件基底14的表面上(例如，形成于或者固定于其上)。切割元件基底14可以包含金属陶瓷材料，例如钴烧结碳化钨。
硬质多晶材料16包含硬质材料的多个相互键合的晶粒。在一些实施方案中，硬质材料包括金刚石。换句话说，在一些实施方案中，硬质多晶材料16可以包括多晶金刚石。在其他实施方案中，硬质多晶材料16可以包括多晶立方体氮化硼。
简单地参见图3，如下面进一步详细讨论的，金属材料50(图3中的阴影黑色)位于多晶复合片12的至少一部分硬质多晶材料16中的硬质材料的相互键合的晶粒30、32之间的间隙中。此外，至少一部分金属材料50包含金属合金，该金属合金包含两种或更多种元素。金属合金的两种或更多种元素的一种元素包括钴、铁和镍的一种或多种。金属合金的两种或更多种元素的另一元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
再次参见图1和2，如下面进一步详细讨论的，在一些实施方案中，多晶复合片12可以包括多个区域，其中具有不同组成的金属材料50(图3)。如图1和2所示，作为非限定性的例子，多晶复合片12可以包括第一区域20和第二区域22。第二区域22可以与第一区域20相邻布置，并且可以直接连接到和与第一区域20整体形成。在一些实施方案中，在第一区域20和第二区域22之间可以存在着可识别的边界或者界面24。例如，当在放大下观察时或者以另外的方式分析时(例如，使用现有技术中已知的化学或者微结构分析装置和技术)，可以识别硬质多晶复合片12的微观结构中的第一区域20和第二区域22之间的边界或界面24。但是在其他实施方案中，位于硬质材料的相互键合的晶粒30、32之间的间隙中的金属材料50的组成(图3)可以以连续或者逐步的方式沿着多晶复合片12变化，以使得在硬质多晶复合片12的微观结构中的第一区域20和第二区域22之间不存在离散的、可识别的边界或者界面24。在该实施方案中，可以识别和限定多晶复合片12内的区域，其中该多晶复合片具有不同平均组成的金属材料50(图3)。
当切割元件10用于切割地层材料时，第一区域20和第二区域22可以具有一定尺寸和进行一定配置，以使得硬质多晶材料16表现出所需的物理性能，例如耐磨性、断裂韧性和热稳定性。例如，当切割元件10用于切割地层材料时，第一区域20和第二区域22可以选择性地具有一定尺寸和进行一定配置，以提高(例如优化)硬质多晶材料16的耐磨性、断裂韧性和热稳定性的一种或多种。
图3是一个放大图，表示了在放大下多晶复合片12的第一区域20和第二区域22中的硬质多晶材料16的微观结构表现。如其中所示的，多晶复合片12包含硬质多晶材料16的多个交替散布的和相互键合的晶粒。在一些实施方案中，硬质多晶材料16的相互键合的晶粒可以具有单峰粒度分布。但是，如图3所示，在其他实施方案中，硬质多晶材料16的这些相互键合的晶粒可以具有多峰(例如双峰、三峰等)粒度分布。例如，如图3所示，硬质多晶材料16可以包括具有第一平均粒度的硬质材料的第一多个晶粒30，和具有不同于第一多个晶粒的第一平均粒度的第二平均粒度的硬质材料的至少第二多个晶粒32。第二多个晶粒32可以小于第一多个晶粒30。虽然图3表示了第二多个晶粒32平均小于第一多个晶粒30，但是该图不是按比例绘制的，并且为了示意的目的而进行了简化。在一些实施方案中，第一多个晶粒30和第二多个晶粒32的平均尺寸间的差异会大于或者小于图3所示的平均粒度中的差异。在一些实施方案中，第二多个晶粒32可以包含平均粒度是约五百纳米(500nm)或更低的纳米晶粒。
硬质材料的晶粒30、32可以交替散布和相互键合以形成硬质多晶材料16。换句话说，在其中硬质多晶材料16包含多晶金刚石的实施方案中，较大的晶粒30和较小的晶粒32可以混合在一起和通过晶粒间金刚石-金刚石键而彼此直接结合。
继续参见图3，作为非限定性的例子，第一多个晶粒30的第一平均粒度可以是至少约五微米(5μm)，和第二多个晶粒32的第二平均粒度可以是约1微米(1μm)或更低。在一些实施方案中，第二多个晶粒32的第二平均粒度可以是约五百纳米(500nm)或更低，约二百纳米(200nm)或更低，或者甚至约一百五十纳米(150nm)或更低。在一些实施方案中，第一多个晶粒30的第一平均粒度可以是约五微米(5μm)至约四十微米(40μm)，和第二多个晶粒32的第二平均粒度可以是约五百纳米(500nm)或更低(例如，约六纳米(6nm)至约一百五十纳米(150nm))。在一些实施方案中，相比于第二多个晶粒32的第二平均粒度，第一多个晶粒30的第一平均粒度可以是至少约五十(50)倍以上，至少约一百(100)倍以上，或者甚至至少约一百五十(150)倍以上。
硬质多晶材料16的第一区域20中的第一多个晶粒30和硬质多晶材料16的第二区域22中的第二多个晶粒32可以具有相同的平均粒度和粒度分布。在另外的实施方案中，它们可以具有不同的平均粒度和/或粒度分布。
如现有技术中已知的，微观结构中晶粒的平均粒度可以通过放大测量微观结构的晶粒来测定。例如，扫描电镜(SEM)、场发射扫描电镜(FESEM)或者透射电镜(TEM)可以用于观察或者成像硬质多晶材料16的表面(例如，硬质多晶材料16的抛光和蚀刻表面)。经常使用具有这些显微工具的市售视觉系统或者图像分析软件，并且这些视觉系统能够测量微观结构内晶粒的平均粒度。
在一些实施方案中，硬质材料的晶粒30、32可以占多晶复合片12体积的约百分之八十(80%)至约百分之九十九(99%)。金属材料50可以占多晶复合片12体积的约百分之一(1%)至约百分之二十(20%)。在一些实施方案中，金属材料50可以至少基本上占据没有被硬质材料的晶粒30、32所占据的多晶复合片12的剩余体积。
继续参见图3，金属材料50位于硬质材料的相互键合的晶粒30、32之间的间隙中。如前所述，至少一部分金属材料50包含金属合金，该金属合金包含两种或更多种元素。金属合金的两种或更多种元素的一种元素包括钴、铁和镍的一种或多种。金属合金的两种或更多种元素的另一种元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
可以配制这种金属合金，以使得它们的熔融温度接近或者低于约七百五十摄氏度(750℃)的温度，在该温度及其附近，该硬质多晶材料会降解。如前所述，例如，已知的是在铁、镍或钴金属催化剂材料存在下，金刚石在约七百五十摄氏度(750℃)的温度会经历化学损坏或者转化回碳的另一种同素异形体或者另一种碳基材料。
因此，通过使至少一部分金属材料50包含金属合金，该金属合金具有熔融温度为约七百五十摄氏度(750℃)或更低的组成，则金属材料50的该部分会熔融和从多晶复合片12中除去(在钻地过程中使用该硬质多晶材料16切割或者以其他方式除去地层材料之前或者期间)，而不以任何明显的方式对硬质多晶材料16产生不利的影响。
在一些实施方案中，至少约5重量%(5wt%)或更多的金属合金可以包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种。更具体地，至少约五十重量%(50wt%)或更多、或者甚至约六十重量%(60wt%)或更多的金属合金可以包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种。
据信元素镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨中的每种与钴、铁和镍的至少一种形成至少一种共晶组合物。在一些实施方案中，金属合金可以包括近共晶组合物。在一些实施方案中，金属合金可以包括共晶组合物。此外，共晶组合物可以包括二元共晶组合物、三元共晶组合物和四元共晶组合物。
作为非限定性的例子，下表1列出了钴与镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨中每种的二元共晶组合物。
在上表1中，第二列的近似重量%是钴与分别的稀土或镧系元素的二元共晶组合物中分别的稀土或者镧系元素的近似重量百分比。左手性化合物是钴和分别的稀土或者镧系元素的二元相图中在共晶组合物左手侧上的化合物，右手性化合物是钴和分别的稀土或者镧系元素的二元相图中在共晶组合物右手侧上的化合物。表1第5列提供的熔融温度是钴和分别的稀土或者镧系元素的共晶组合物的近似熔融温度。
因此，在一些实施方案中，金属合金可以包括任何下面的共晶或者近共晶组合物：钴和镝，钴和钇，钴和铽，钴和钆，钴和锗，钴和钐，钴和钕，以及钴和镨。
另外的实施方案中，金属合金可以包括任何下面的共晶或者近共晶组合物：铁和镝，铁和钇，铁和铽，铁和钆，铁和锗，铁和钐，铁和钕，以及铁和镨。
在另外的实施方案中，金属合金可以包括任何下面的共晶或者近共晶组合物：镍和镝，镍和钇，镍和铽，镍和钆，镍和锗，镍和钐，镍和钕，以及镍和镨。
金属合金的熔融温度可以是约七百五十摄氏度(750℃)或更低，或者甚至约六百五十摄氏度(650℃)或更低。在一些实施方案中，金属合金的熔融温度可以是约三百摄氏度(300℃)或更高，或者甚至约五百五十摄氏度(550℃)或更高。在一些实施方案中，金属合金的熔融温度可以是约五百五十摄氏度(550℃)至约六百五十摄氏度(650℃)。
在一些实施方案中，第二区域22中硬质材料的相互键合的晶粒30、32之间的一部分间隙可以至少基本上没有金属材料50。晶粒30、32之间的这种间隙可以包含填充有气体(例如空气)的空隙。
硬质材料的晶粒30、32之间的间隙主要包括在硬质多晶材料16微观结构内的开放的、空间区域相互连接的网络。相对小部分间隙可以包括在微观结构内的封闭的、隔离的空间区域。当据称第二区域22中硬质材料的相互键合的晶粒30、32之间的一部分间隙可以至少基本上没有金属材料50时，意味着虽然相对少量的金属材料50会保留在晶粒30、32之间的封闭的、隔离的空间区域中(因为难以或者不可能除去在这种封闭的、隔离的空间区域中的大量金属材料50)，但是将金属材料50从该部分中微观结构内的晶粒30、32之间的开放的、空间区域相互连接的网络中除去。
如上文所述，在一些实施方案中，基本上全部的金属材料50可以包含金属合金，其包含表1所列出的一种或多种稀土或者镧系元素。在另外的实施方案中，仅一部分金属材料50可以包含金属合金，其包含表1所列出的一种或多种稀土或者镧系元素。在该实施方案中，另一部分金属材料50可以包含常规的铁，钴或镍基金属催化剂材料，例如现有技术通常已知的那些。换句话说，在一些实施方案中，至少一部分金属材料50可以包含催化剂材料，其用于催化在硬质多晶材料16的晶粒30、32之间形成晶粒间键。在其中硬质多晶材料16包含多晶金刚石的实施方案中，至少一部分金属材料50可以包含第VIIIA族元素(例如，铁，钴或镍)或者它们的合金或混合物。
再次参见图1和2，多晶复合片12具有通常平坦的、圆柱的和圆盘形构造。多晶复合片12的第一区域20的暴露的、平坦的主表面26限定了切割元件10的前切割面。多晶复合片12的一个或多个侧表面在切割元件10的侧面上从多晶复合片12的主表面26延伸到基底14。在图1和2所示的实施方案中，硬质多晶材料16的每个第一区域20和第二区域22包括通常平坦的层，其延伸到并且在多晶复合片12的侧面上暴露。例如，硬质多晶材料16的第一区域20的侧表面可以具有通常圆柱形形状，和硬质多晶材料16的第二区域22的侧表面会具有成角度的、截头圆锥体形状，并且可以限定或包括切割元件10的倒角表面。
本发明的切割元件10和多晶复合片12的实施方案可以具有不同于图1和2所示的那些的形状和构造。例如，图4A和4B中示出本发明的切割元件110另外的实施方案。切割元件110在许多方面类似于切割元件10，并且包括结合到切割元件基底14上的多晶复合片112。多晶复合片112包括如前所述的硬质多晶材料16的台或者层，并且已经提供在(例如，形成在或者固定到)载体切割元件基底14的表面上。如图4A和4B所示，多晶复合片112包括第一区域120和第二区域122。第一区域120和第二区域122可以具有参考图1-3关于第一区域20和第二区域22所述的组成和微观结构。
但是，在图4A和4B的实施方案中，第一区域120没有延伸到和没有暴露于切割元件110的侧面。第二区域122在其与基底14相对的一侧上在第一区域120的主平坦表面上延伸，以及在第一区域120的侧表面之上和周围延伸到基底14。在这种构造中，一部分第二区域122具有环形，其在第一区域120圆柱形的侧表面周围圆周状延伸。可以想到，第一区域120和第二区域122可以具有不同的形状和构造，并且第二区域122的一个或多个部分可以以许多不同的构造穿过或通过第一区域120延伸到基底14。
本发明另外的实施方案包括制造多晶复合片和切割元件例如上述多晶复合片和切割元件的方法。通常，该方法包括形成未烧结的复合片预制件，其包含硬质材料的多个晶粒。然后，该未烧结的复合片预制件可以在催化剂材料存在下烧结，以形成硬质多晶材料，该材料包含通过未烧结的复合片预制件中存在的硬质材料的多个晶粒结合在一起形成的硬质材料的相互键合的晶粒。该催化剂材料用于催化形成硬质材料的晶粒之间的晶粒间键。如上所述，将金属合金提供在硬质材料的相互键合的晶粒之间的至少一些间隙中。例如，可以配制金属合金以包含至少两种元素。该至少两种元素的第一元素可以选自钴、铁和镍，和该至少两种元素的第二元素可以选自镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨。
如前所述，可以选择硬质材料的多个晶粒以包含硬质材料例如金刚石或者立方体氮化硼。在一些实施方案中，可以配制金属合金以包含近共晶组合物，和可以配制以包含共晶组合物。共晶组合物可以包含例如如下之一：二元共晶组合物、三元共晶组合物和四元共晶组合物。
作为非限定的示例性实施方案，可以配制金属合金以包含如下的至少一种：钴和镝的近共晶或者共晶组合物，钴和钇的近共晶或者共晶组合物，钴和铽的近共晶或者共晶组合物，钴和钆的近共晶或者共晶组合物，钴和锗的近共晶或者共晶组合物，钴和钐的近共晶或者共晶组合物，钴和钕的近共晶或者共晶组合物，钴和镨的近共晶或者共晶组合物，铁和镝的近共晶或者共晶组合物，铁和钇的近共晶或者共晶组合物，铁和铽的近共晶或者共晶组合物，铁和钆的近共晶或者共晶组合物，铁和锗的近共晶或者共晶组合物，铁和钐的近共晶或者共晶组合物，铁和钕的近共晶或者共晶组合物，铁和镨的近共晶或者共晶组合物，镍和镝的近共晶或者共晶组合物，镍和钇的近共晶或者共晶组合物，镍和铽的近共晶或者共晶组合物，镍和钆的近共晶或者共晶组合物，镍和锗的近共晶或者共晶组合物，镍和钐的近共晶或者共晶组合物，镍和钕的近共晶或者共晶组合物以及镍和镨的近共晶或者共晶组合物。
另外，可以配制金属合金以具有约七百五十摄氏度(750℃)或更低的熔融温度。例如，可以配制金属合金以具有约六百五十摄氏度(650℃)或更低的熔融温度，和在一些实施方案中可以配制以具有约五百五十摄氏度(550℃)至约六百五十摄氏度(650℃)的熔融温度。
此外，如上所述，金属合金可以提供在多晶材料的第一区域中，和多晶材料的第二区域可以形成为至少基本上没有金属合金。
如下面进一步详细讨论的，金属合金可以在用于形成硬质多晶材料的烧结过程中，或者在用于形成硬质多晶材料的烧结过程之后提供在硬质材料的相互键合的晶粒之间的至少一些间隙中。
图5表示了在烧结过程之前，在容器210中的未烧结的复合片预制件200。该未烧结的复合片预制件200包括颗粒物质202。如图5所示，该未烧结的复合片预制件200任选地可以进一步具有切割元件基底14。将颗粒物质202用于形成图1和2的多晶复合片12的硬质多晶材料16。
容器210可以包括一个或多个通常杯形的元件，例如杯形元件212、杯形元件214和杯形元件216，其可以组装和型锻和/或焊接在一起以形成容器210。如图5所示，颗粒物质202和任选的切割元件基底14可以位于内杯形元件212中，其具有环形端壁和通常从圆形端壁垂直延伸的圆柱形侧壁，以使得内杯形元件212通常是圆柱形，并且包括第一封闭端和第二、对面的开放端。
颗粒物质202可以提供到与基底14的表面相邻。颗粒物质202包括硬质材料例如金刚石的晶体或者晶粒。颗粒物质202中的金刚石晶粒可以具有单峰或多峰(例如双峰，三峰等)粒度分布。例如，颗粒物质中的金刚石晶粒可以包括具有第一平均粒度的硬质材料的第一多个晶粒30，和具有不同于第一多个晶粒30的第一平均粒度的第二平均粒度的硬质材料的第二多个晶粒32，它们处于未结合的状态。虽然要注意的是在用于形成硬质多晶材料16的烧结过程中会发生某些程度的晶粒生长和/或收缩，但是未结合的第一多个晶粒30和第二多个晶粒32可以具有参考图3如前所述的相对和实际的尺寸。例如，在烧结过程中，第一多个晶粒30会经历某些程度的晶粒生长，和在烧结过程中，第二多个晶粒32会经历某些程度的晶粒收缩。换句话说，在烧结过程中，第一多个晶粒30会在损害第二多个晶粒32的情况下生长。
在HTHP烧结处理过程中，为了催化颗粒物质202中金刚石晶粒之间形成晶粒间键，颗粒物质202中的金刚石晶粒可以在烧结过程中物理暴露于催化剂材料。换句话说，在开始HTHP处理之前，催化剂材料的粒子可以提供在颗粒物质202中，或者在HTHP处理过程中，催化剂材料可以允许或者可以用于从一种或多种催化剂材料源迁移到颗粒物质202中。例如，颗粒物质202任选可以包含含有催化剂材料(例如，钴、铁、镍或者它们的合金和混合物的晶粒)的粒子。另外的实施方案中，如果基底14包含催化剂材料(例如，钴烧结碳化钨中的钴)，在烧结过程中，催化剂材料可以从基底14的表面进入颗粒物质202中，并且催化颗粒物质202中的金刚石晶粒之间形成晶粒间金刚石键。在这样的情况中，不必或不需在颗粒物质202中包含催化剂材料的粒子。
如果催化剂材料的粒子在烧结之前混入到颗粒物质202中，则这种催化剂材料的粒子会具有约10纳米(10nm)至约1微米(1μm)的平均粒度。此外，令人期望的是可以选择催化剂晶粒的平均粒度，以使得催化剂粒子的平均粒度与该粒子混合其中的硬质材料的晶粒的平均粒度之比是约1:10至约1:1000，或者甚至约1:100至约1:1000，如于2010年7月29日公布的、申请人为Burgess等人的美国专利申请公布No.US2010/0186304A1所公开。可以使用现有技术已知的技术(例如常规的研磨技术、溶胶-凝胶技术)通过形成和混合包含在液体溶剂中的催化剂材料的粒子和硬质材料的晶粒的浆料，和随后干燥该浆料等，以将催化剂材料的粒子与硬质材料的晶粒混合。
在一些实施方案中，每个均包含金属合金的多个粒子也可以提供在颗粒物质202中，如上文所述，所述金属合金包含稀土或者镧系金属元素。换句话说，颗粒物质202可以进一步包含含有金属合金的粒子，所述金属合金包含两种或更多种元素，其中该至少两种元素的第一元素是钴、铁和镍的一种或多种，和至少两种元素的第二元素是镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种。这种金属合金粒子的平均粒度可以是约10纳米(10nm)至约1微米(1μm)，并且可以使用现有技术已知的技术(例如常规的研磨技术、溶胶-凝胶技术)通过形成和混合包含在液体溶剂中的金属合金粒子和硬质材料的晶粒的浆料，和随后干燥该浆料等，以与硬质材料的晶粒混合。
在如图5所示在容器210中提供颗粒物质202和任选的基底14之后，该组件任选可以进行冷压缩处理以压实容器210中的颗粒物质202和任选的基底14。
然后，所形成的组件可以在HTHP处理中根据现有技术中已知的步骤烧结以形成切割元件10，其具有包含硬质多晶材料16的多晶复合片12。
虽然HTHP处理确切的运行参数将根据要烧结的不同材料的具体组成和量而变化，但是加热的压机中的压力可以大于约五千兆帕(5.0GPa)和温度可以大于约1300摄氏度(1,300℃)。在一些实施方案中，加热的压机中的温度可以大于约1500摄氏度(1,500℃)。另外，在一些实施方案中，加热的压机中的压力可以大于约6.5GPa(例如，约6.7GPa)。此外，要烧结的材料可以在这样的温度和压力保持约30秒(30s)至约20分钟(20min)。
在其中不在用于形成硬质多晶材料16的烧结处理过程中将金属合金提供在硬质多晶材料16中的实施方案中，可以在烧结处理之后将金属合金提供在硬质多晶材料16中。例如，可以使用现有技术中已知的技术来形成硬质多晶材料16，以使得硬质多晶材料16的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料50至少基本包含钴，铁，镍或者它们的合金或混合物，但是不包含含有如此处所述的镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种的金属合金。在该实施方案中，在烧结处理中形成硬质多晶材料16之后，多晶复合片12可以进行合金化处理，在其中改变在至少一部分多晶复合片12中的金属材料50的组成，以形成包含如此处所述的镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种的金属合金。
例如，图6表示了切割元件310，其包括在使用现有技术中已知的方法形成的切割元件基底314上的多晶复合片312。多晶复合片312包含多晶金刚石材料316，和包含处于多晶金刚石材料316中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中的钴基金属催化剂材料。参考图1-3如上所述的切割元件10可以通过在一部分多晶金刚石材料316中提供金属合金来形成，该金属合金包含此处所述的镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种。
作为举例而非限制，熔融金属320可以提供在坩埚322或其他容器中。熔融金属320可以包含镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种。在一些实施方案中，熔融金属320可以包含市售纯度的镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨之一。在其他实施方案中，熔融金属320可以包含基于镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种的合金。此外，如此前所述，在一些实施方案中，熔融金属320可以包含钴、铁和镍的一种或多种与镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种的近共晶或者共晶合金。任选地，熔融金属320可以包含这样的近共晶合金，其贫含一种或多种铁族元素(钴、铁和镍)。换句话说，该一种或多种铁族元素的原子百分比可以小于共晶组合物的一种或多种铁族元素的原子百分比。此外，熔融金属320的熔点可以处于前述的范围内。
金属320可以在炉子中在坩埚322中加热到约七百五十摄氏度(750℃)或更低的温度，并且可以使用例如电阻或者感应加热元件来加热。任选地，熔融金属320可以在炉子中在惰性气氛中加热以避免任何不需要的化学反应(例如氧化)，否则其可能在升高的温度下发生。
然后，如图6所示，至少一部分多晶复合片312可以浸入熔融金属320中。熔融金属320可以与多晶复合片312保持接触几秒钟至几小时的时间段，以将熔融金属320中的元素合金化以扩散到多晶复合片312中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中。熔融金属320可以在多晶复合片312中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中与钴、铁或者镍基催化剂材料以这样的方式相互作用(例如，与之混合或者合金化)，以形成或以其他方式在至少一部分多晶复合片312中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中提供此处所述的金属合金。
任选地，切割元件310可以绕着切割元件310的中心轴A旋转，同时多晶复合片312保持浸入在熔融金属320中。在一些实施方案中，磁力搅拌装置和/或电磁场源可以位于坩埚322之外和用于提供搅拌或者搅动磁场，其由于熔融金属320和多晶复合片312内的至少一些元素的磁性性质，而能够增强熔融金属320与在多晶复合片312内的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中的钴、铁或者镍基催化剂材料相互作用的速率。
在从熔融金属320中移出切割元件310之后，可以将多晶材料316中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙内的熔融金属320冷却和凝固。
在图6的实施方案中，对切割元件310和熔融金属320进行定向和定位，以使得当切割元件310的多晶复合片12从熔融金属320移出时，熔融金属320的表面张力和/或重力可以使多晶复合片312中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙内的至少一部分熔融金属320从接近多晶复合片312主表面的一些间隙内脱出。在该实施方案中，多晶复合片312中的硬质材料的相互键合的金刚石晶粒之间的接近其表面的一部分间隙可以至少基本上没有金属材料50(图3)，并且可以包括只用空气填充的空隙。
图7表示了方法的另一实施方案，其可以用于在硬质多晶材料中的间隙内提供包含如此处所述的镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种的金属合金。参考图6如前所述的多晶复合片312可以提供在坩埚350中。如图7所示，多晶复合片312可以邻接切割元件310的侧表面，以使得材料不能渗入切割元件310和坩埚350之间的任何空间中。在该构造中，该多晶复合片312的一个或多个表面可以暴露在坩埚350中。
固体形式的金属360(例如固体粉末、固体膜等)可以提供在坩埚350内多晶复合片312的暴露表面上。金属360可以包含镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种。在一些实施方案中，金属360可以包含市售纯度的镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨之一。在其他实施方案中，金属360可以包含基于镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种的合金。此外，如前所述，在一些实施方案中，金属360可以包含钴、铁和镍的一种或多种与镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的一种或多种的近共晶或者共晶合金。任选地，金属360可以包含这样的近共晶合金，其贫含一种或多种铁族元素(钴、铁和镍)。换句话说，该一种或多种铁族元素的原子百分比可以小于共晶组合物的一种或多种铁族元素的原子百分比。此外，金属360的熔点可以处于前述的范围内。
金属360可以在炉子中在坩埚350中以类似于图6所述的方式加热。金属360可以加热到约七百五十摄氏度(750℃)或更低的温度。在一些实施方案中，金属360可以在坩埚350中熔融。在其他实施方案中，金属360可以在坩埚350中保持为固体形式。金属360可以与多晶复合片312保持接触几秒钟至几小时的时间段，以将金属360中的元素合金化以扩散到多晶复合片312内的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中。金属360可以在多晶复合片312中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中与钴、铁或镍基催化剂材料以这样的方式相互作用(例如，与之混合或者合金化)，以形成或以其他方式在至少一部分多晶复合片312中的相互键合的金刚石晶粒之间的间隙中提供此处所述的金属合金。
在至少一部分该多晶复合片312中的相互键合的金刚石晶粒之间的至少一部分间隙中提供金属合金之后，切割元件310可以从坩埚350中移出，并且位于多晶复合片312上的任何过量的金属360可以从其中移出。
此处所述的金属合金(其提供在至少一部分多晶复合片的硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中)会表现出一定的熔融温度，其处于或者低于多晶硬质材料将分解或者以其他方式降解的温度。同样，在使用多晶复合片以在钻地方法中除去地层材料之前，可以通过加热多晶复合片以熔融金属合金，和从多晶材料中排出或抽出熔融金属合金，以任选地从多晶复合片中除去金属合金。在其他实施方案中，在使用多晶复合片在钻地方法中除去地层材料的过程中，金属合金可以原地留在多晶复合片内。在该钻地方法中，由该钻地方法中多晶复合片和地层材料之间的摩擦所产生的热能够原位加热和熔融多晶复合片内的金属合金，并且熔融金属合金可以在钻地方法过程中从多晶复合片中除去。因此，与现有技术中以前已知的至少一些多晶复合片相比，本发明多晶复合片的实施方案可以相对较少的受到热降解和/或分解的影响。
本发明实施方案的多晶复合片和切割元件，例如上述参见图1-4所述的切割元件10和多晶复合片12，可以形成和固定到钻地工具上，用于在地下地层中形成井筒。作为非限定性例子，图8表示了一个固定刀具类型的钻地旋转钻头300，其包括此前所述的多个切割元件10。旋转钻头300包括钻头体302，和切割元件10结合到钻头体302上。切割元件10可以钎焊(或者以其他方式固定)在钻头体302的多个刀片306每个的外表面中形成的凹处304内。
此处所述的切割元件和多晶复合片可以结合到和用于其他类型的钻地工具上，包括例如牙轮钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩眼钻头、可膨胀扩眼钻头、研磨机、混合式钻头和本领域已知的其他钻头和工具。
下面描述本发明另外的非限定示例性实施方案。
实施方案1：一种多晶复合片，其包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分金属材料包含熔融温度是约七百五十摄氏度(750℃)或更低的金属合金。金属合金包含两种或更多种元素，该两种或更多种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种，该两种或更多种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
实施方案2：实施方案1的多晶复合片，其中镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种占金属合金的至少约5重量%(5wt%)或更多。
实施方案3：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中金属合金包括近共晶组合物。
实施方案4：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中金属合金是共晶组合物。
实施方案5：实施方案4的多晶复合片，其中金属合金包括二元共晶组合物、三元共晶组合物和四元共晶组合物之一。
实施方案6：实施方案3的多晶复合片，其中近共晶组合物包括如下的至少一种：钴和镝的近共晶组合物、钴和钇的近共晶组合物、钴和铽的近共晶组合物、钴和钆的近共晶组合物、钴和锗的近共晶组合物、钴和钐的近共晶组合物、钴和钕的近共晶组合物以及钴和镨的近共晶组合物。
实施方案7：实施方案3的多晶复合片，其中近共晶组合物包括如下的至少一种：铁和镝的近共晶组合物、铁和钇的近共晶组合物、铁和铽的近共晶组合物、铁和钆的近共晶组合物、铁和锗的近共晶组合物、铁和钐的近共晶组合物、铁和钕的近共晶组合物以及铁和镨的近共晶组合物。
实施方案8：实施方案3的多晶复合片，其中近共晶组合物包括如下的至少一种：镍和镝的近共晶组合物、镍和钇的近共晶组合物、镍和铽的近共晶组合物、镍和钆的近共晶组合物、镍和锗的近共晶组合物、镍和钐的近共晶组合物、镍和钕的近共晶组合物以及镍和镨的近共晶组合物。
实施方案9：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中金属合金的熔融温度是约三百摄氏度(300℃)或更高。
实施方案10：实施方案9的多晶复合片，其中金属合金的熔融温度是约六百五十摄氏度(650℃)或更低。
实施方案11：实施方案10的多晶复合片，其中金属合金的熔融温度是约五百五十摄氏度(550℃)至约六百五十摄氏度(650℃)。
实施方案12：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中多晶材料占多晶复合片的约80体积%(80vol%)至约99体积%(99vol%)。
实施方案13：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中金属材料占多晶复合片的约1体积%(1vol%)至约20体积%(20vol%)。
实施方案14：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中多晶材料包括第一区域和第二区域。位于多晶材料的第一区域中的金属合金的熔融温度是约七百五十摄氏度(750℃)或更低。不位于多晶材料的第二区域中的金属合金的熔融温度是约七百五十摄氏度(750℃)或更低。
实施方案15：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中金属材料不位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的一部分间隙，硬质材料的相互键合的晶粒之间的该部分间隙包括硬质材料的相互键合的晶粒之间的空隙。
实施方案16：实施方案1或者实施方案2的多晶复合片，其中硬质材料包括金刚石。
实施方案17：一种多晶复合片，其包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分金属材料包含金属合金，其包含至少两种元素的近共晶组合物。该至少两种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种，该至少两种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
实施方案18：实施方案17的多晶复合片，其中金属合金的熔融温度是约七百五十摄氏度(750℃)或更低。
实施方案19：实施方案17或者实施方案18的多晶复合片，其中金属合金是共晶组合物。
实施方案20：一种切割元件，其包括切割元件基底和结合到该切割元件基底的多晶复合片。该多晶复合片包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分金属材料包含熔融温度是约七百五十摄氏度(750℃)或更低的金属合金。金属合金包含两种或更多种元素，该两种或更多种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种，该两种或更多种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
实施方案21：实施方案20的切割元件，其中金属合金包括近共晶组合物。
实施方案22：实施方案20或者实施方案21的切割元件，其中硬质材料包括金刚石。
实施方案23：实施方案20或者实施方案21的切割元件，其中金属合金的熔融温度是约五百五十摄氏度(550℃)至约六百五十摄氏度(650℃)。
实施方案24：一种切割元件，其包括切割元件基底和结合到该切割元件基底的多晶复合片。该多晶复合片包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分金属材料包含金属合金，其包含至少两种元素的近共晶组合物。该至少两种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种，该至少两种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
实施方案25：实施方案24的切割元件，其中金属合金的熔融温度是约七百五十摄氏度(750℃)或更低。
实施方案26：实施方案24或者实施方案25的多晶复合片，其中金属合金是共晶组合物。
实施方案27：一种钻地工具，其包括工具体和连接到该工具体上的至少一个切割元件。该至少一个切割元件包括多晶复合片。该多晶复合片包含：包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料，和位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料。至少一部分金属材料包含金属合金，该金属合金包含两种或更多种元素。该两种或更多种元素的第一元素包括钴、铁和镍的至少一种，该两种或更多种元素的第二元素包括镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种。
实施方案28：实施方案27的钻地工具，其中金属合金的熔融温度是约七百五十摄氏度(750℃)或更低。
实施方案29：实施方案27或者实施方案28的钻地工具，其中金属合金包括近共晶组合物。
实施方案30：一种形成多晶复合片的方法，其包括形成包含硬质材料的多个晶粒的未烧结的复合片预制件。在用于催化在硬质材料的多个晶粒的硬质材料的晶粒之间形成晶粒间键的催化剂材料存在下，烧结复合片预制件。复合片预制件的该烧结包括：通过将硬质材料的多个晶粒结合在一起，以形成包含硬质材料的相互键合的晶粒的多晶材料，和在硬质材料的相互键合的晶粒之间的至少一些间隙中提供金属合金。配制该金属合金以包含至少两种元素。该至少两种元素的第一元素选自钴、铁和镍。该至少两种元素的第二元素选自镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨。
实施方案31：实施方案30的方法，其进一步包括在高于约五千兆帕(5.0GPa)的压力和高于约1300摄氏度(1300°C)的温度烧结复合片预制件。
实施方案32：实施方案31的方法，其进一步包括选择硬质材料的多个晶粒以包含多个金刚石晶粒。
实施方案33：实施方案30-32任一项的方法，其进一步包括配制金属合金以包含近共晶组合物。
实施方案34：实施方案30-32任一项的方法，其进一步包括配制金属合金以包含共晶组合物。
实施方案35：实施方案34的方法，其进一步包括配制共晶组合物以包含二元共晶组合物、三元共晶组合物和四元共晶组合物之一。
实施方案36：实施方案33的方法，其进一步包括配制近共晶组合物以包含如下的至少一种：钴和镝的近共晶组合物、钴和钇的近共晶组合物、钴和铽的近共晶组合物、钴和钆的近共晶组合物、钴和锗的近共晶组合物、钴和钐的近共晶组合物、钴和钕的近共晶组合物以及钴和镨的近共晶组合物。
实施方案37：实施方案33的方法，其进一步包括配制近共晶组合物以包含如下的至少一种：铁和镝的近共晶组合物、铁和钇的近共晶组合物、铁和铽的近共晶组合物、铁和钆的近共晶组合物、铁和锗的近共晶组合物、铁和钐的近共晶组合物、铁和钕的近共晶组合物以及铁和镨的近共晶组合物。
实施方案38：实施方案33的方法，其进一步包括配制近共晶组合物以包含如下的至少一种：镍和镝的近共晶组合物、镍和钇的近共晶组合物、镍和铽的近共晶组合物、镍和钆的近共晶组合物、镍和锗的近共晶组合物、镍和钐的近共晶组合物、镍和钕的近共晶组合物以及镍和镨的近共晶组合物。
实施方案39：实施方案30-32任一项的方法，其进一步包括配制金属合金以具有约七百五十摄氏度(750℃)或更低的熔融温度。
实施方案40：实施方案39的方法，其进一步包括配制金属合金以具有约六百五十摄氏度(650℃)或更低的熔融温度。
实施方案41：实施方案40的方法，其进一步包括配制金属合金以具有约五百五十摄氏度(550℃)至约六百五十摄氏度(650℃)的熔融温度。
实施方案42：实施方案30-32任一项的方法，其进一步包括使多晶材料占多晶复合片的约80体积%(80vol%)至约99体积%(99vol%)。
实施方案43：实施方案42的方法，其进一步包括使金属合金占多晶复合片的约1体积%(1vol%)至约20体积%(20vol%)。
实施方案44：实施方案30-32任一项的方法，其进一步包括在多晶材料的第一区域中提供金属合金，和形成多晶材料的第二区域以至少基本上没有该金属合金。
实施方案45：实施方案30-32任一项的方法，其中选择第一元素进一步包括选择第一元素以包含至少一部分催化剂材料。
实施方案46：实施方案30-32任一项的方法，其中在硬质材料的相互键合的晶粒之间的至少一些间隙中提供金属合金包括使至少一部分催化剂材料与该至少两种元素的至少第二元素合金化。
实施方案47：实施方案30-32任一项的方法，其进一步包括从硬质材料的相互键合的晶粒之间的至少一部分间隙中除去金属合金。
实施方案48：实施方案47的方法，其中除去金属合金包括将金属合金加热到约七百五十摄氏度(750℃)或更低的温度以熔融该金属合金，和在钻地方法中使用多晶复合片之前从多晶复合片中除去熔融的该金属合金。
实施方案49：实施方案48的方法，其中除去金属合金包括在钻地方法中使用多晶复合片的过程中从多晶复合片中除去该金属合金。
前述说明书涉及出于说明和解释目的具体实施方案。但是对本领域技术人员来说，很显然可以对上述实施方案进行许多改变和变化，而不脱离下面请求保护的所公开的实施方案的范围，包括其法律等价物。下面的权利要求书应解释为包括全部这种改变和变化。

Claims (20)

1.一种切割元件，其包括：
切割元件基底；和
结合到切割元件基底上的多晶复合片，该多晶复合片包含：
包含硬质材料的多个相互键合的晶粒的多晶材料；和
位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的金属材料，至少一部分该金属材料包含熔融温度是七百五十摄氏度或更低的金属合金，该金属合金包含两种或更多种元素，该两种或更多种元素的第一元素选自钴、铁和镍，该两种或更多种元素的第二元素选自镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨。
2.权利要求1的切割元件，其中镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨的至少一种占金属合金的至少5重量％。
3.权利要求1或2的切割元件，其中该金属合金是共晶组合物。
4.权利要求1或2的切割元件，其中该金属合金包括近共晶组合物。
5.权利要求4的切割元件，其中该近共晶组合物包括如下的至少一种：钴和镝的近共晶组合物、钴和钇的近共晶组合物、钴和铽的近共晶组合物、钴和钆的近共晶组合物、钴和锗的近共晶组合物、钴和钐的近共晶组合物、钴和钕的近共晶组合物以及钴和镨的近共晶组合物。
6.权利要求4的切割元件，其中该近共晶组合物包括如下的至少一种：铁和镝的近共晶组合物、铁和钇的近共晶组合物、铁和铽的近共晶组合物、铁和钆的近共晶组合物、铁和锗的近共晶组合物、铁和钐的近共晶组合物、铁和钕的近共晶组合物以及铁和镨的近共晶组合物。
7.权利要求4的切割元件，其中该近共晶组合物包括如下的至少一种：镍和镝的近共晶组合物、镍和钇的近共晶组合物、镍和铽的近共晶组合物、镍和钆的近共晶组合物、镍和锗的近共晶组合物、镍和钐的近共晶组合物、镍和钕的近共晶组合物以及镍和镨的近共晶组合物。
8.权利要求1或2的切割元件，其中该金属合金的熔融温度是三百摄氏度或更高。
9.权利要求8的切割元件，其中该金属合金的熔融温度是五百五十摄氏度至六百五十摄氏度。
10.权利要求1或2的切割元件，其中该金属材料占该多晶复合片的1体积％至20体积％。
11.权利要求1的切割元件，其中该金属材料不位于硬质材料的相互键合的晶粒之间的一部分间隙中，硬质材料的相互键合的晶粒之间的该部分间隙包括硬质材料的相互键合的晶粒之间的空隙。
12.权利要求1、2和11中任一项的切割元件，其中该硬质材料包括金刚石。
13.一种钻地工具，其包括：
工具体；和
连接到该工具体的权利要求1、2和11中任一项的至少一个切割元件。
14.一种形成多晶复合片的方法，其包括：
形成包含硬质材料的多个晶粒的未烧结的复合片预制件；
在用于催化在硬质材料的多个晶粒的硬质材料的晶粒之间形成晶粒间键的催化剂材料存在下，烧结该复合片预制件，烧结该复合片预制件包括通过将硬质材料的多个晶粒结合在一起，以形成包含硬质材料的相互键合的晶粒的多晶材料；
在硬质材料的相互键合的晶粒之间的至少一些间隙中提供具有七百五十摄氏度或更低的熔融温度的金属合金；
配制该金属合金以包含至少两种元素；
从钴、铁和镍中选择该至少两种元素的第一元素；和
从镝、钇、铽、钆、锗、钐、钕和镨中选择该至少两种元素的第二元素。
15.权利要求14的方法，其进一步包括配制该金属合金以包含近共晶组合物。
16.权利要求14的方法，其进一步包括配制该金属合金以包含共晶组合物。
17.权利要求14-16中任一项的方法，其进一步包括配制该金属合金以具有七百五十摄氏度或更低的熔融温度。
18.权利要求17的方法，其进一步包括配制该金属合金以具有五百五十摄氏度至六百五十摄氏度的熔融温度。
19.权利要求14-16中任一项的方法，其进一步包括使该金属合金占该多晶复合片的1体积％至20体积％。
20.权利要求14-16中任一项的方法，其进一步包括：
在该多晶材料的第一区域中提供该金属合金；和
形成该多晶材料的第二区域以没有该金属合金。
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