CN103477015A - 形成多晶台和多晶元件的方法以及相关结构 - Google Patents

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Abstract

形成多晶元件的方法，该方法包括将包含超级磨料材料的第一多个粒子、包含该超级磨料材料的第二多个粒子以及催化剂材料置于模具中。将第一和第二多个粒子烧结以形成多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域。从多晶台至少基本上除去催化剂材料。将多晶台附接到基底端部，使至少第二区域介于第一区域和基底之间。多晶元件包括基底。将包含超级磨料材料的多晶台附接到基底端部，并且该多晶台具有表现出第一渗透率的第一区域和表现出第二更大渗透率的至少第二区域。

Description

形成多晶台和多晶元件的方法以及相关结构
优先权要求
本申请要求2011年3月4日提交的、名称为“形成多晶台和多晶元件的方法以及相关结构”的美国专利申请序列号13/040,900的提交日权益。
技术领域
本发明的实施方案总体上涉及形成多晶台的方法，形成多晶元件的方法，以及相关结构。具体地，本发明的实施方案涉及将完全浸提的或者基本上完全浸提的多晶台附接到基底来形成多晶元件的方法，和与之有关的中间结构。
背景技术
用于在地下地层形成井筒的钻地工具可以包括多个安装在机身上的切割元件。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，其固定附接到钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头可以包括牙轮，其安装到从钻头体的支架延伸的轴承销，以使得每个牙轮都能够绕着它安装到其上的轴承销旋转。多个切割元件(本领域称作“嵌入件”)可以安装到钻头的每个牙轮。
用于这种钻地工具的切割元件经常包括多晶金刚石复合片(经常称作“PDC”)切割元件，也称作“刀具”，其是包含多晶金刚石(PCD)材料的切割元件，其特征可以是作为超级磨料或者超硬材料。这种多晶金刚石材料是如下来形成的：在高温和高压条件下、在催化剂(例如钴、铁、镍或者它们的合金和混合物)存在下，将相对小的合成、天然或者合成和天然金刚石晶粒或晶体的组合(称作“粗砂”)烧结和结合在一起，以形成多晶金刚石材料区域，也称作金刚石台。这些处理经常称作高温/高压(“HTHP”)处理。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。在一些例子中，多晶金刚石台可以例如在HTHP烧结处理过程中在切割元件上形成。在这些例子中，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或晶体中，并且充当催化剂材料用于由金刚石晶粒或晶体形成金刚石台。在HTHP处理中将晶粒或者晶体烧结在一起之前，也可以将粉末化的催化剂材料与金刚石晶粒或晶体混合。但是在其他方法中，金刚石台可以与切割元件基底分别形成，并随后附接到其上。
为了减少与PDC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“热稳定的”多晶金刚石复合片(也称作热稳定产品或者“TSP”)。这种热稳定的多晶金刚石复合片可以通过将催化剂材料从金刚石台中的相互键合的晶粒之间的间隙中浸提出来而形成。当金刚石台是分别形成和随后附接到基底时(在本领域中也称作“重新附接”方法)，不充分的附接会导致金刚石台从基底上脱层和切割元件的过早失效。另外，催化剂材料会在附接过程中从基底进入多晶台，并且多晶台会再次需要浸提来降低与热膨胀率差异和金刚石晶体的化学损坏有关的问题。
发明内容
在一些实施方案中，本发明包括形成多晶元件的方法，其包括将包含超级磨料材料的第一多个粒子、包含超级磨料材料的第二多个粒子以及催化剂材料置于模具中。在催化剂材料存在下将第一和第二多个粒子烧结以形成多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域。将催化剂材料至少基本上从多晶台除去。将多晶台附接到包含硬质材料的基底的端部，使至少第二区域介于第一区域与基底之间。
在其他实施方案中，本发明包括将多晶台附接到基底的方法，其包括形成超级磨料材料的多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域。将催化剂材料至少基本上从多晶台中除去。使多晶台接触包含硬质材料的基底的端部，使第二区域介于第一区域与基底之间。用来自基底的可流动材料浸润多晶台的至少第二区域。
另外的实施方案中，本发明包括多晶元件，其包括包含硬质材料的基底。将包含超级磨料材料的多晶台附接到基底端部，并且该多晶台具有表现出第一渗透率的第一区域和表现出第二更大渗透率的至少第二区域，该至少第二区域介于基底与第一区域之间。
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是包括本发明的多晶台的切割元件的局部剖视透视图；
图2示意了包括本发明的穹形多晶台的另一切割元件的截面图；
图3显示了本发明的多晶台的第一区域放大后的微观结构的简化图；
图4是本发明的多晶台第二区域的微观结构在放大下如何显示的简化图；
图5示意了包括本发明的多晶台的另一构造的切割元件的截面图；
图6显示了包括本发明的多晶台的另一构造的切割元件的截面图；
图7是切割元件的截面图，该切割元件包括在基底与本发明的多晶台之间的界面处的非平坦界面设计；
图8示意了切割元件的截面图，该切割元件包括在本发明的多晶台内区域之间的界面处的非平坦界面设计；
图9A-9F显示了与本发明的多晶台有关的非平坦界面设计的截面图；
图10是用于将本发明的多晶台附接到基底的方法的模具的截面图；
图11示意了在将本发明的多晶台附接到基底的方法中，中间结构的截面图；
图12显示了图11所示的中间结构的第二区域放大后的微观结构的简化图；
图13是在将多晶台附接到基底上的方法中所用的模具的截面图；
图14示意了模具的截面图，类似于图10所示的模具，其用于将本发明的多晶台附接到基底上的方法中；和
图15示意了钻地工具的透视图，包括本发明的多晶台的切割元件可以附接到该钻地工具上。
具体实施方式
这里所提出的图示并不表示任何具体的钻地工具、切割元件或轴承的实际视图，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或类似的附图标记。
作为此处使用的，术语“钻地工具”和“钻地钻头”表示和包括在地下地层中形成和扩大井筒过程中用于钻探的任何类型的钻头或者工具，并且包括例如固定刀具钻头、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、研磨机、刮刀钻头、混合式钻头和本领域已知的其他钻探钻头和工具。
作为此处使用的，术语“多晶台”表示和包括任何这样的结构，其包含通过晶粒间键直接结合到一起的材料(例如超级磨料材料)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内的空间内无规定向。
作为此处使用的，术语“晶粒间键”和“相互键合的”表示和包括在超级磨料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“烧结”表示温度驱动的质量传递，其可以包括微粒组分的致密化和/或粗化，并且典型地包括(通过收缩来实现)除去起始粒子之间的至少一部分的孔，并结合相邻粒子之间的聚结和结合。
作为此处使用的，术语“纳米粒子”和“纳米尺寸”表示和包括平均粒径为500nm或更低的粒子(例如晶粒或者晶体)。
作为此处使用的，术语“材料组成”表示材料的化学组成和微观结构。换句话说，具有相同化学组成但是不同微观结构的材料被认为具有不同的材料组成。
作为此处使用的，术语“碳化钨”表示包含钨和碳的化学化合物的任何材料组合物，化合物例如WC、W2C以及WC和W2C的组合。碳化钨包括例如铸造碳化钨、烧结碳化钨和粗晶碳化钨。
参见图1，表示了包括多晶台102的切割元件100的局部剖视透视图。切割元件100的多晶台102附接到基底104的端部。多晶台102可以与基底104分别形成，并且随后在重新附接方法中附接到基底104。多晶台102包括具有第一渗透率的第一区域106和具有第二更大渗透率的第二区域108。多晶台102的第二区域108可以与基底104紧邻，并且第一区域106可以位于第二区域108的与基底104相对的端部。因此，第二区域108可以介于第一区域106和基底104之间。多晶台102可以在界面110处附接到基底104。因此，界面110可以包括第二区域108和基底104之间的边界。第一区域106可以在多晶台102的另一界面112处形成与第二区域108的边界。在一些实施方案中，第一区域106的表面可以形成多晶台102的切割面114。
切割元件100可以形成为大致圆柱形体。因此，基底104可以包括圆柱体，和多晶台102可以包括附接到基底104端部上的另一圆柱体或圆盘。圆柱形基底104可以具有圆形截面。在一些实施方案中，可以围绕多晶台102、基底104或者二者的外周边缘形成倒角116。
多晶台102可以包含超级磨料(有时候可互换地用于表示“超硬”多晶材料)。例如，超级磨料材料可以包含合成金刚石、天然金刚石、合成和天然金刚石的组合、立方体氮化硼、氮化碳和本领域已知的其他超级磨料材料。超硬材料的单个晶粒可以形成晶粒间键，以形成超级磨料多晶材料。
典型地，超级磨料多晶材料是通过在催化剂材料存在下、使用高温/高压(HTHP)烧结超级磨料材料粒子来形成的。合适的催化剂材料可以包括例如合金(例如钴基、铁基、镍基、铁和镍基、钴和镍基以及铁和钴基)或者市售的纯单质(例如钴、铁和镍)，其催化晶粒生长和粒间结合。在形成超级磨料多晶材料之后，催化剂材料可以保留在超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中，形成多晶结构。
基底104可以包含适用于钻地应用的硬质材料。例如，硬质材料可以包括陶瓷-金属复合材料(即“金属陶瓷”材料)，其包含分散在整个金属基质材料中的多个硬质陶瓷粒子。硬质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))。更具体地，硬质陶瓷粒子可以包括由例如W、Ti、Mo、Nb、V、Hf、Ta、Cr、Zr、Al和Si的元素制成的碳化物和硼化物。作为举例而非限制，能够用于形成硬质陶瓷粒子的材料包括碳化钨、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、二硼化钛(TiB2)、碳化铬、氮化钛(TiN)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)。陶瓷-金属复合材料的金属基质材料可以包括例如钴基、铁基、镍基、铁和镍基、钴和镍基以及铁和钴基。基质材料也可以选自市售的纯单质，例如钴、铁和镍。作为具体的非限定性例子，硬质材料可以包括在钴基质中的多个碳化钨粒子(在本领域中称作钴烧结碳化钨)。
参见图2，表示了另一切割元件100’，例如用于牙轮钻地钻头中的牙轮的嵌入件，其包括穹形多晶台102。切割元件100’的多晶台102附接到基底104的端部。多晶台102可以与基底104分别形成，并且随后在重新附接方法中附接到基底104。多晶台102包括具有第一渗透率的第一区域106和具有第二更大渗透率的第二区域108。第二区域108可以介于第一区域106和基底104之间。基底104可以包括紧邻第二区域108的中间区域118，并且在多晶台102和基底104之间的界面110处形成与第二区域108的边界。中间区域118可以包括在多晶台102和基底104的其余部分之间的材料层。中间区域118可以包含多晶台102的超级磨料材料与基底104的其余部分的硬质材料的组合。因此，中间区域118可以通过提供材料之间更大的渐变，来增强多晶台102附接到基底104的强度。
多晶台102可以包括穹形，例如半球。多晶台102可以包括所示的中空穹形。基底104可以包括相应的穹形凸起，其在它们之间的界面110处接触多晶台102。基底104的其余部分可以是圆柱形的。在其他实施方案中，多晶台102可以包括位于圆柱形基底104的实心穹顶。在另外的实施方案中，多晶台102和切割元件100可以具有本领域已知的其他形式、形状和构造，例如凿形、碑形等。
参见图3，表示了多晶台102的第一区域106(例如图1、2和5-9F所示的第一区域106)放大后的微观结构的简化图。第一区域106可以包含双峰粒度分布，包括超级磨料材料的较大晶粒120和较小晶粒122。在其他实施方案中，第一区域106可以包含单峰粒度分布或者非双峰的多峰粒度分布(例如三峰、五峰等)。多峰粒度分布可以使得晶粒120和122能够更致密地填装(即，相对较小晶粒122可以占据较大晶粒120之间的部分，否则这些部分将没有超级磨料材料)，从而在第一区域106内得到密度更高的超级磨料材料。在一些实施方案中，第一区域106可以包括超级磨料材料的至少一些纳米尺寸的晶粒(即，平均粒径为500nm或更小的晶粒)。例如，双峰粒度分布中较小晶粒122可以包含纳米尺寸的晶粒。较大晶粒120的平均粒度可以例如大于5μm，和较小晶粒122的平均粒度可以例如小于1μm。作为具体的非限定性例子，较大晶粒120的平均粒度可以是5μm、25μm或者甚至40μm，和较小晶粒的平均粒度可以是1μm、500nm、250nm、150nm或者甚至6nm。
第一区域106可以具有第一体积百分比的超级磨料材料。例如，超级磨料材料的晶粒120和122可以占据多晶台102的第一区域106的92-99体积%。作为具体的非限定性例子，超级磨料材料的晶粒120和122可以占据多晶台102的第一区域106的95体积%。多峰粒度分布例如可以使得第一区域106具有相对高体积百分比的超级磨料材料的晶粒120和122。替代地或者另外地，使用相对较小晶粒可以使得晶粒120和122能够比相对较大晶粒更致密地填装，并因此赋予第一区域106更高体积百分比的超级磨料材料。因为第一区域106大的体积百分比被超级磨料材料的晶粒120和122所占据，因此流体能够从中流过的间隙124相对较少和较小。因此，第一区域106会表现出相对低的渗透率。
第一区域106可以具有间隙124之间的第一互连性，间隙124分散于超级磨料材料的相互键合的晶粒120和122之间。例如，至少一些间隙124可以在第一区域106的微观结构中形成流体能够从中流过的开放、互连的网络。其他的间隙124可以保留在晶粒120和122之间的封闭、隔离的空间区域中，流体不能流到其中或者向其流动至少会被阻止。因为相对更少的间隙124可以连接到第一区域106的微观结构中开放、互连的网络，所以穿过该网络的流体流动会被阻止。因此，第一区域106会表现出相对低的渗透率。
第一区域106内的晶粒(例如较大和较小晶粒120和122)可以在三维中相互键合，以形成超级磨料材料的多晶结构。超级磨料材料的相互键合的晶粒120和122之间的间隙124可以至少基本上没有催化剂材料。因此，催化剂材料可以例如通过浸提方法从全部或者基本上全部的第一区域106中除去。当所称多晶台102的第一区域106中的超级磨料材料的相互键合的晶粒120和122之间的间隙124可以至少基本上没有催化剂材料时，意味着催化剂材料被从第一区域106的微观结构内的晶粒120和122之间空间区域的开放、互连的网络中除去，尽管相对少量的催化剂材料可能保留在晶粒120和122之间封闭、隔离的空间区域中，这是因为浸提剂不能达到这样的封闭、隔离的空间区域中大量的催化剂材料。
参见图4，表示了多晶台102的第二区域108(例如图1、2和5-9F所示的第二区域108)放大后的微观结构的简化图。第二区域108可以包含单峰粒度分布。在其他实施方案中，第二区域可以包含多峰粒度分布。在每种情况中，第二区域108内的晶粒126的平均粒度可以大于第一区域106内的晶粒120和122的平均粒度(参见图3)。例如，第二区域108内的晶粒126的平均粒度可以是第一区域106内的晶粒120和122的平均粒度的50-150倍。第二区域108内的晶粒126的平均粒度可以是例如至少5μm。因此，第二区域108可以没有或基本没有纳米尺寸晶粒。作为具体的非限定性例子，第二区域108内的晶粒126的平均粒度可以是5μm、25μm或者甚至40μm。在一些实施方案中，第二区域108内的晶粒126的平均粒度可以与第一区域106内的至少一些晶粒(例如较大晶粒120)相同。在其他实施方案中，第二区域108内的晶粒126的平均粒度可以大于第一区域106内的晶粒(例如较大晶粒120或较小粒子122)的任何平均粒度。
第二区域108可以具有第二体积百分比的超级磨料材料，其大于第一区域106的第一体积百分比的超级磨料材料。例如，超级磨料材料的晶粒126可以占据多晶台102的第二区域108的小于91体积%和甚至低至80体积%。作为具体的非限定性例子，超级磨料材料的晶粒126可以占据多晶台102的第二区域108的85体积%。当与第一区域106中的超级磨料材料的体积百分比相比时，单峰粒度分布例如可以使得第二区域108具有低体积百分比的超级磨料材料的晶粒126。替代地或者另外地，使用较大晶粒可以使得晶粒126比较小晶粒(例如第一区域106的晶粒120和122)更不致密地填装，并因此与第一区域106的超级磨料材料的体积百分比相比，赋予第二区域108更低体积百分比的超级磨料材料。因为第二区域108较小的体积百分比被超级磨料材料的晶粒126所占据，因此流体能够从中流过的间隙124相对较多和较大。因此，第二区域108会表现出比第一区域106更高的渗透率。
当与第一区域106内的间隙124之间的第一互连性相比时，第二区域108可以具有间隙124之间的第二更大互连性，间隙124分散于超级磨料材料的相互键合的晶粒126之间。例如，更大量的间隙124可以在第二区域108的微观结构中形成流体能够从中流过的开放、互连的网络。第二区域108中较少的间隙124可以保留在晶粒126之间的封闭、隔离的空间区域中，流体不能流到其中或者向其流动至少会被阻止。因为相对更多的间隙124可以连接到第二区域108的微观结构中开放、互连的网络，所以穿过该网络的流体流动会受到较小程度的阻止。因此，第二区域108会表现出比第一区域106更大的渗透率。
超级磨料材料的晶粒126可以相互键合以形成多晶结构。催化剂材料可以位于超硬材料的相互键合的晶粒126之间的间隙124中。相同的催化剂材料也可以存在于基底104中(参见图1和2)。例如，基底104的硬质材料的金属基质可以包含催化剂材料，例如在重新附接方法过程中，在多晶台102附接到基底104的端部的同时，催化剂材料从基底104流入和移入(即进入)多晶台102的第二区域108。在一些实施方案中，位于超级磨料材料的相互键合的晶粒126之间的间隙124中的催化剂材料，可以是与初始用于形成多晶台102的催化剂材料不同的催化剂材料。作为具体的非限定性例子，钴可以用于催化形成多晶台102，和镍可以随后在重新附接方法过程中进入多晶台102的第二区域108。在其他实施方案中，位于超级磨料材料的相互键合的晶粒126之间的间隙124中的催化剂材料，可以与初始用于形成多晶台102的催化剂材料相同。
参见图5，表示了包括多晶台102的另一构造的切割元件100。多晶台102的第一区域106可以在多晶台102的外周上朝着基底104延伸，在第二区域108和切割元件100的外部之间形成环形体。因此，第一区域106(其可以至少基本上没有催化剂材料)可以从切割元件100的切割面114朝着基底104和围绕多晶台102的外周延伸。第二区域108可以介于第一区域106和基底104之间。
参见图6，表示了包括多晶台102的另一构造的切割元件100。多晶台102可以包括多晶超级磨料材料的第三区域128。第三区域128可以位于第一区域106与第二区域108相对的一端上。因此，第一区域106可以介于第二区域108和第三区域128之间，和第二区域108可以介于第一区域106和基底104之间。第一、第二和第三区域106、108和128可以以层的形式提供在基底104上。第三区域128的暴露表面可以形成切割元件100的切割面114。第三区域128可以具有低于第一区域106的第一渗透率的第三渗透率。在一些实施方案中，第三区域128可以包含与第二区域108基本相同的材料组合物。在其他实施方案中，第三区域128可以具有与第一和第二区域106和108的材料组合物不同的材料组合物。类似于第一区域106，第三区域128可以至少基本上没有催化剂材料，否则催化剂材料会位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中。
参见图7，表示了切割元件100，其包括在基底104和多晶台102之间的界面110处的非平坦界面设计。非平坦界面设计能够提高多晶台102附接到基底104的强度，由此防止或者使多晶台从基底104脱层的可能性降至最低。非平坦界面设计可以包括多个凸起和凹进，它们提高了基底104和多晶台102之间的界面110的整体接触面积。非平坦界面设计可以包括例如一系列同心环、放射状延伸辐条或者本领域已知的其他非平坦界面设计。
参见图8，表示了切割元件100，其包括在多晶台102内的第一和第二区域106和108之间的另一界面112处的非平坦界面设计。非平坦界面设计可以使得所选择的区域(例如第一区域106)至少基本上没有催化剂材料，而其他区域(例如第二区域108)可以具有位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的催化剂材料。因此，催化剂材料不会存在于所选择的所需区域中，例如切割面114附近或者围绕多晶台102的外周。非平坦界面设计也可以通过包括多个凸起和凹进(其增加了第一和第二区域106和108之间的其他界面112的整体接触面积)来提高第一和第二区域106和108之间的结合。非平坦界面设计可以包括例如一系列的同心环、放射状延伸辐条或者本领域已知的其他非平坦界面设计。
参见图9A-9F，表示了可以用于多晶台102和/或基底104的非平坦界面设计。所示视图是在多晶台102内所取的截面，并且显示了第一区域106和第二区域108的部分。虽然非平坦界面设计显示为处于超级磨料多晶材料的第一和第二区域106和108之间的多晶台102内，但是类似的界面设计也可以位于多晶台102和基底104之间(参见图7)。
参见图10，表示了用于将多晶台102附接到基底104的方法中的模具130。模具130可以包括一个或多个大致杯形的元件，例如杯形元件132a、杯形元件132b和杯形元件132c，它们可以组装和型锻和/或焊接在一起来形成模具130。基底104、催化剂材料134、第一多个粒子136和第二多个粒子138可以置于内杯形元件132c内，如图10所示，其具有环形端壁和从环形端壁垂直延伸的大致圆柱形的侧壁，以使得内杯形元件132c大致为圆柱形，并且包括第一封闭端和第二、相对的开放端。因此，模具130可以赋予其中形成的切割元件100大致圆柱形的形状。在其他实施方案中，模具可以赋予切割元件其他形状，例如前面关于图2所述的形状。另外，基底104在一些其他实施方案中可以省掉，并且仅仅催化剂材料134、第一多个粒子136和第二多个粒子138可以位于模具130中。在另外的实施方案中，陶瓷粒子和金属粒子可以位于模具内，并且随后烧结以形成包含在金属基质中的陶瓷粒子的基底104。
第一多个粒子136可以配置来形成多晶台102的具有第一渗透率的第一区域106。第二多个粒子138可以配置来形成多晶台102的具有第二更大渗透率的第二区域108。因此，第一和第二多个粒子136和138可以包含超级磨料材料，例如前面关于图1所述的任何超级磨料材料。在模具130中，第一多个粒子136可以具有第一填装密度，和第二多个粒子138可以具有第二更低填装密度。例如，第二多个粒子138可以具有单峰粒度分布，和第一多个粒子136可以具有多峰粒度分布，其比第二多个粒子138填装更致密。第一多个粒子136可以具有第一平均粒度，和第二多个粒子138可以具有第二更大平均粒度，例如前面关于图3和4所述的任何尺寸和尺寸差异，尽管要注意的是由于粒子结合以形成超级磨料多晶材料的晶粒，粒子会发生一些尺寸增加和也会发生一些尺寸减小(例如通过在HTHP处理中在压力下压碎和压裂)。第一多个粒子136的至少一些粒子可以包含纳米粒子。
催化剂材料134可以包括前面关于图1所述的任何催化剂材料。在第一和第二多个粒子136和138置于具有基底104的模具130的实施方案中，催化剂材料134可以存在于基底104中。例如，基底104可以包含金属陶瓷材料，和该金属陶瓷材料的金属基质可以是催化剂材料。另外，催化剂材料134可以以催化剂粉末形式置于模具130中，其可以与第一和/或第二多个粒子136和138互混和散布在其中。在一些实施方案中，额外的催化剂材料134(例如一定量的催化剂材料，其超过了催化晶粒生长和粒子相互结合所必需的最小量)可以与第二多个粒子138互混和散布在其中。由此，与第一多个粒子136的填装密度相比，第二多个粒子138的填装密度可以进一步降低。在一些实施方案中，催化剂材料134可以使用例如化学品溶液沉积方法(在本领域通常已知为“溶胶-凝胶”方法)涂覆到模具130中其他粒子的外表面上。例如，第一多个粒子136的至少一些粒子可以涂覆有催化剂材料134。在第一多个粒子136包含至少一些纳米粒子的实施方案中，纳米粒子可以涂覆有催化剂材料134。催化剂材料134可以具体位于第一多个粒子136内或者其附近，这是因为催化剂材料134在第一多个粒子136之间的流动会受到限制或阻止。通过紧邻第一多个粒子136提供催化剂材料134，可以确保充分的烧结和晶粒生长。
包含可以通过浸提剂除去的非催化剂材料的另一多个粒子140也可以任选地位于模具130中。例如，其他多个粒子140可以包括镓、铟或钨。其他多个粒子140可以与第二多个粒子138互混和散布在其中。通过将其他多个粒子140置于模具130中，与第一多个粒子136的填装密度相比，第二多个粒子138的填装密度可以进一步降低。
第一多个粒子136、第二多个粒子138、任选的基底104和任选的其他多个粒子140可以在催化剂材料134存在下烧结。例如，HTHP处理可以用于烧结第一多个粒子136和第二多个粒子138以形成多晶台102，其具有具有第一渗透率的第一区域106和具有第二更大渗透率的第二区域108。在基底104也存在于模具130中的实施方案中，所形成的多晶台102可以附接到基底104的端部上，使第二区域108介于第一区域106和基底104之间。虽然HTHP处理的具体参数可以根据模具130中的所用材料和材料量来变化，但是可以向模具130施加至少5GPa的压力，而温度可以升高到高于1320℃，和第一和第二多个粒子136和138以及模具130中的任何其他材料和结构可以在峰值压力和峰值温度保持约5分钟。例如，所施加的峰值压力可以是6GPa、7GPa、8GPa或者甚至更高。峰值温度可以例如是1400℃或者甚至更高。可以调整时间周期，以使得在峰值压力和温度的时间少于5分钟或者多于5分钟。可以选择精确的条件来赋予所需的最终微观结构(例如图3和4所示的微观结构)和所形成的多晶台102相关的性能。因此，可以形成多晶台102，其包括具有第一渗透率的第一区域106和具有第二更大渗透率的第二区域108。
在烧结后，多晶台102可以包含第一体积百分比的催化剂材料134。多晶台102的第一区域106可以包含位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的第一体积百分比的催化剂材料134。第二区域108可以包含位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的第二更大体积百分比的催化剂材料134。例如，多晶台102的第一区域106可以包含1-8体积%的催化剂材料134。与之相比，第二区域108可以包含大于9体积%的催化剂材料134，和可以甚至包含至多20体积%的催化剂材料。作为具体的非限定性例子，第一区域106可以包含位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的5体积%的催化剂材料134，和第二区域108可以包含位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的15体积%的催化剂材料134。
参见图11，表示了用于将多晶台102附接到基底104的方法中的中间结构142。中间结构142可以包括超级磨料多晶材料的多晶台102。多晶台102可以包括具有第一渗透率的第一区域106和具有第二更大渗透率的第二区域108。在多晶台102形成于基底104的端部上的实施方案中，基底104可以从多晶台102除去，例如通过放电机加工、通过在酸中溶解、通过激光除去、通过超声碳化物机加工或者通过本领域已知的用于除去硬质材料基底104的其他方法。中间结构142可以至少基本上没有催化剂材料。催化剂材料可以通过浸提剂(例如王水)从多晶台102除去。因为多晶台102的第一区域106可以具有相对低的渗透率，因此多晶台102可以暴露于浸提剂更多时间，以确保第一区域106至少基本上完全浸提。例如，多晶台102可以浸提3周、4周、5周或者甚至更长的时间，以确保催化剂材料至少基本上从多晶台102除去。多晶台102的第一区域106的微观结构可以与图3所示和所述的微观结构基本相同。
参见图12，图11所示的中间结构142的第二区域108放大后的微观结构的简化图。第二区域108包含已经在多晶结构中形成晶粒间键的超级磨料材料的晶粒126。相互键合的晶粒126之间的间隙124至少基本上没有催化剂材料，因为催化剂材料已经从其中除去。
参见图13，表示了用于将多晶台102附接到基底104的方法中的模具130’。模具130’可以为图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台102可以置于模具中，和基底104也可以置于模具中。在一些实施方案中，基底104可以是事先从多晶台102除去的相同基底104。在其他实施方案中，基底104可以是包含硬质材料的不同基底。在另外的实施方案中，多个陶瓷粒子和金属粒子可以置于模具130’中以代替完全成形的基底104。多晶台102与第一区域106相对的第二区域108的表面可以邻接于基底104的端表面。第二区域108可以介于第一区域106和基底104之间。然后可以例如通过将多晶台102和基底104进行另一烧结处理，将多晶台102附接到基底104的端部。烧结处理可以是另一HTHP处理，或者可以包括低于HTHP处理所需的压力和温度。例如，所施加的峰值压力可以小于5GPa，或者可以是5GPa、6GPa、7GPa、8GPa或者甚至更高。峰值温度可以例如低于1320℃，可以是1400℃，或者可以甚至高于1400℃。另外，烧结处理可以在峰值温度和压力保持相对短的时间，例如少于10分钟、少于8分钟、少于5分钟或者甚至少于2分钟。作为具体的非限定性例子，烧结处理可以在峰值温度和压力保持5分钟。因此，作为本领域已知的，立方体压机会特别适于将压力施加到模具130。替代地，作为本领域已知的，带压机可以用于将压力施加到模具130。可以选择精确的条件来赋予所需的最终微观结构(例如图3和4所示的微观结构)和所形成的多晶台102相关的性能。
在烧结处理过程中，基底104内的可流动材料(例如金属催化剂材料134’或者非催化剂可熔融材料)可以熔融和浸润多晶台102的第二区域108。在一些实施方案中，催化剂材料134’可以与用于形成多晶台102的催化剂材料134相同。作为具体的非限定性例子，市售的纯钴可以用于形成多晶台102和用于在浸提后将多晶台102附接到基底104二者。在其他实施方案中，催化剂材料134’可以与用于形成多晶台的催化剂材料134不同。作为具体的非限定性例子，钴基合金可以用于形成多晶台102和镍基合金可以用于在浸提后将多晶台102附接到基底104，或者钴基合金可以用于形成多晶台102和市售的纯钴可以用于在浸提后将多晶台102附接到基底104。在另外的实施方案中，催化剂材料134’的圆盘、箔或者网可以置于多晶台102和基底104之间，但是第二区域108相对低的渗透率可以放弃这种多余的做法。
因为第二区域108可以具有相对低的渗透率，因此至少与第一区域106相比，可流动材料可以相对迅速地进入第二区域108。因此，与常规的重新附接方法相比，可以减少用于将多晶台102附接到基底104的烧结处理中的时间。另外，第一区域106可以形成阻止其中催化剂材料134’流动的障碍。因此，在催化剂材料134’可以进入多晶台102的第二区域108的同时，第一区域106可以保持至少基本上没有催化剂材料134’。
参见图14，表示了用于将多晶台102附接到基底104的方法中所用的模具130，其类似于图10所示的模具130。除了超级磨料材料的第一和第二多个粒子136和138以及基底104之外，包含超级磨料材料的第三多个粒子144也可以置于模具中。第三多个粒子144可以配置以形成关于图6所示和所述的第三区域128。因此，第三多个粒子144可以位于第一多个粒子136的与第二多个粒子138相对的端部。换句话说，第一多个粒子136可以介于第二多个粒子138和第三多个粒子144之间。催化剂材料134可以以催化剂粉末的形式分布在第三多个粒子144中，或者可以涂覆到第三多个粒子上。另外，催化剂材料134可以以圆盘、箔或者网的形式置于模具130中。如所示的，催化剂材料134可以以圆盘、箔或者网的形式位于第一和第二多个粒子136和138之间。在其他实施方案中，催化剂材料134可以以圆盘、箔或者网的形式位于第二多个粒子138和基底104之间，第一多个粒子136和第三多个粒子144之间，或者第三多个粒子144相对于第一多个粒子136的端部上。
参见图15，表示了可以附接有切割元件100(例如前面关于图1、2和5-9F所述的任何切割元件100和100’)的钻地工具146。钻地工具146可以包括钻地钻头和可以具有钻头体148，其具有从钻头体148延伸的刀片150。切割元件100可以固定在刀片150中形成的凹处152内。但是，此处所述的切割元件100和多晶台102可以结合到和用于其他类型的钻地工具，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探钻头和工具。
虽然已经在此参考某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将会认可和理解它不限于此。而是可以对此处所述的实施方案进行许多的增加、删除和改变，而不脱离下文所要求的本发明的范围，包括其法律等价物。另外，来自一个实施方案的特征可以与另一实施方案的特征进行组合，而仍然包括在本发明人所预期的本发明范围内。

Claims (20)

1.一种形成多晶元件的方法，该方法包括：
将包含超级磨料材料的第一多个粒子、包含该超级磨料材料的第二多个粒子以及催化剂材料置于模具中；
在催化剂材料存在下烧结第一和第二多个粒子以形成多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域；
从多晶台至少基本上除去催化剂材料；和
将多晶台附接到包含硬质材料的基底端部，使至少第二区域介于第一区域和基底之间。
2.权利要求1的方法，进一步包括：
在烧结前将包含硬质材料的另一基底置于模具中；
在催化剂材料存在下烧结第一多个粒子、第二多个粒子和另一基底，以形成附接到该另一基底端部的多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域，第二区域介于第一区域和该另一基底之间；和
在烧结后除去该另一基底。
3.权利要求1的方法，进一步包括：
将包含该超级磨料材料的第三多个粒子置于模具中；和
在催化剂材料存在下烧结第一、第二和第三多个粒子以形成多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域、包含第二更大渗透率的第二区域和位于第一区域的与该至少第二区域相对的端部的第三区域。
4.权利要求1的方法，进一步包括：
将另外的多个粒子置于配置为在烧结后形成第二区域的区域中的第二多个粒子之间，该另外的多个粒子包含可通过浸提剂除去的非催化剂材料。
5.权利要求1的方法，进一步包括：
在将第一多个粒子置于模具中之前，使用化学品溶液沉积用催化剂材料涂覆至少一些第一多个粒子。
6.权利要求1-5任一项的方法，其中将包含超级磨料材料的第一多个粒子、包含该超级磨料材料的第二多个粒子以及催化剂材料置于模具中包括：将具有第一填装密度的第一多个粒子和具有第二更低填装密度的第二多个粒子置于模具中。
7.权利要求1-5任一项的方法，其中将包含超级磨料材料的第一多个粒子、包含该超级磨料材料的第二多个粒子以及催化剂材料置于模具中包括：将具有第一平均粒度的第一多个粒子和具有第二较大平均粒度的第二多个粒子置于模具中。
8.权利要求7的方法，其中将具有第一平均粒度的第一多个粒子和具有第二较大平均粒度的第二多个粒子置于模具中包括：将包含至少一些纳米粒子的第一多个粒子置于模具中。
9.权利要求1-5任一项的方法，其中在催化剂材料存在下烧结第一和第二多个粒子以形成多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域包括：形成具有第一区域和第二区域的多晶台，第一区域具有第一体积百分比的超级磨料材料，和第二区域具有第二更低体积百分比的超级磨料材料。
10.权利要求1-5任一项的方法，其中在催化剂材料存在下烧结第一和第二多个粒子以形成多晶台，该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域包括：在催化剂材料存在下烧结第一和第二多个粒子以形成多晶台，该多晶台具有第一区域和第二区域，第一区域包含位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的第一体积百分比的催化剂材料，和第二区域包含位于超级磨料材料的相互键合的晶粒之间的间隙中的第二更大体积百分比的催化剂材料。
11.权利要求1-5任一项的方法，其中将多晶台附接到基底端部，使至少第二区域介于第一区域和基底之间包括：在烧结处理过程中用来自基底的可流动材料浸润多晶台的至少第二区域。
12.权利要求11的方法，其中在烧结处理过程中用来自基底的可流动材料浸润多晶台的至少第二区域包括：用与用来形成多晶台的催化剂材料不同的另一催化剂材料浸润多晶台的至少第二区域。
13.一种将多晶台附接到基底的方法，该方法包括：
形成超级磨料材料的多晶台，并且该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域；
从多晶台至少基本上除去催化剂材料；
使多晶台接触包含硬质材料的基底端部，使第二区域介于第一区域和基底之间；和
用来自基底的可流动材料浸润多晶台的至少第二区域。
14.权利要求13的方法，其中形成超级磨料材料的多晶台，并且该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域包括：形成该多晶台，该多晶台包括位于第一区域的与该至少第二区域相对的端部的第三区域。
15.权利要求13或14的方法，其中形成超级磨料材料的多晶台，并且该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域包括：形成具有第一区域和第二区域的该多晶台，第一区域包含超级磨料材料的相互键合的晶粒之间具有第一互连性的间隙，和第二区域包含超级磨料材料的相互键合的晶粒之间具有第二更大互连性的间隙。
16.权利要求13或14的方法，其中形成超级磨料材料的多晶台，并且该多晶台包括具有第一渗透率的第一区域和具有第二更大渗透率的第二区域包括：形成包括第一区域和第二区域的该多晶台，第一区域包含具有第一密度的超级磨料材料，和第二区域具有第二更低密度的超级磨料材料。
17.一种多晶元件，该多晶元件包括：
包含硬质材料的基底；和
附接到基底端部的包含超级磨料材料的多晶台，并且该多晶台具有表现出第一渗透率的第一区域和表现出第二更大渗透率的至少第二区域，该至少第二区域介于基底和第一区域之间。
18.权利要求17的多晶元件，其中第一区域至少基本上没有催化剂材料。
19.权利要求17或18的多晶元件，其中多晶台和基底之间的界面为非平坦界面设计。
20.权利要求17或18的多晶元件，其中多晶台进一步包括位于第一区域的与该至少第二区域相对的端部的第三区域。
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