CN105026678A - 用于切削元件的聚晶复合片台和制造方法 - Google Patents

用于切削元件的聚晶复合片台和制造方法 Download PDF

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Abstract

用于切削元件的聚晶复合片台，包括超硬材料晶粒的区域。一个区域的晶粒(“第一晶粒”)和另一个区域的晶粒(“第二晶粒”)具有不同的性质，例如不同的平均晶粒尺寸、不同的超硬材料体积密度或者二者。第一晶粒的区域和第二晶粒的区域在晶粒界面处彼此邻接，所述晶粒界面可包括在所述台的垂直横截面中的弯曲部分。在一些实施方案中，第一晶粒的离散区域可垂直地设置于第二晶粒的离散区域之间。如此，所述台会具有不同性质的有序晶粒区域，当与切削元件联合使用时，其可抑制经过所述台的脱层和裂纹扩展。形成所述台的方法包括形成所述区域并使晶粒经受高压高温过程以烧结所述晶粒。

Description

用于切削元件的聚晶复合片台和制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月1日提交的未决的、名称为“Polycrystalline Compact Tables for Cutting Elements andMethods of Fabrication”的美国临时专利申请号61/771,404的申请日权益。
技术领域
本公开内容的实施方案涉及聚晶复合片和形成这样的聚晶复合片的方法。
背景技术
用于在地下地层中形成井眼的钻地工具通常包括固定于本体的多个切削元件。例如，固定式切刀钻地旋转钻头(还称为“刮刀钻头”)包括多个切削元件，其固定连接至固定式切刀钻头的钻头体。类似地，牙轮钻地旋转钻头包括安装在由钻头体的腿部延伸的牙轮轴上的锥体，从而使得每个锥体能够围绕锥体被安装在其上的牙轮轴旋转。在这样的牙轮钻头的每个锥体上可以安装多个切削元件。
在固定式切刀、牙轮和其它钻地工具中使用的切削元件通常包括聚晶复合片切削元件，例如聚晶金刚石复合片(“PDC”)切削元件。所述聚晶复合片切削元件包括聚晶材料例如金刚石或其它超硬材料(在这里总体称为“超硬材料”)的聚晶复合片的切削面。
可以通过在金属溶剂催化剂的存在下将超硬材料的晶粒或晶体烧结并结合在一起来形成聚晶复合片切削元件。(术语“晶粒”和“晶体”在这里同义并可互换地使用)。在高温和高压条件(在这里称为“高压高温过程”(“HPHT过程”)或者“高温高压过程”(“HTHP过程”))下烧结和结合超硬材料晶粒。HPHT过程在超硬材料的晶粒之间形成直接的晶粒间结合，并且晶粒间结合的晶粒形成聚晶材料(例如金刚石或可替代的超硬材料)的“台”。所述台可在切削元件支撑基材上形成或者随后接合至切削元件支撑基材。
发明内容
在一些实施方案中，本公开内容包括用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含具有第一性质的超硬材料晶粒的第一区域和具有不同于第一性质的第二性质的超硬材料晶粒的第二区域。第一区域和第二区域限定了晶粒界面，所述晶粒界面在所述台的垂直横截面内具有弯曲部分。
在其它实施方案中，本公开内容包括用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含超硬材料的第一晶粒的第一簇离散区域和所述超硬材料的第二晶粒的第二簇离散区域。第二晶粒具有与第一晶粒的性质不同的性质。第一簇的至少一个离散区域垂直地设置于第二簇的至少两个离散区域之间。
本公开内容还包括形成用于钻具的切削元件的聚晶复合片的方法。所述方法包含形成台结构。形成台结构包含形成具有第一性质的超硬材料的第一晶粒的第一区域和形成具有第二性质的超硬材料的第二晶粒的第二区域。使所述台结构经受高压高温过程来烧结第一晶粒和第二晶粒。
附图说明
虽然本申请文件以特别地指出并清楚地要求保护被认为是本公开的实施方案的权利要求结尾，但是本公开内容的不同特征和优点将根据下文对参考附图提供的示例性实施方案的说明而更加容易地得到确定，其中：
图1为包括根据本公开内容的实施方案的切削元件的固定式切刀钻地旋转钻头的透视图；
图2为示意性地描述本公开内容的包含聚晶复合片(在这里还称为“台”)的切削元件的俯视和正视的局部切开的透视图；
图3为根据本公开内容的实施方案的台的俯视和正视透视图；
图4为图3的台沿着垂直横截面4-4取得的正面横截面视图；
图5为用于形成图3的台的前体结构的俯视和正视透视图；
图6为图3的台的替代实施方案取自与垂直横截面4-4相同的视图的正面横截面视图；
图7为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视平面图，其中所述台包含不同性质的晶粒区域，所述晶粒区域以横跨所述台的水平横截面的正方形棋盘状的图案排列；
图8为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域延伸经过所述台的高度(即垂直横截面)；
图9为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域限定了以经过所述台的垂直横截面的棋盘状图案排列的离散区域；
图10为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中离散晶粒区域还以经过所述台的垂直横截面的偏置砖块状图案排列；
图11为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域还以重复经过所述台的垂直横截面的矩形波区域排列；
图12为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域还以相对于所述台的上表面呈一定角度的区域排列；
图13为图7的台沿着垂直横截面X-X取得的正面横截面视图，其中晶粒区域还以重复经过所述台的垂直横截面的限定金刚石棋盘状图案的离散区域排列；
图14为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视平面图，其中在所述台中包含不同性质的晶粒区域，所述晶粒区域以横跨所述台的水平横截面的金刚石棋盘状图案排列；
图15为图14的台沿着垂直横截面15-15取得的俯视和正视透视图；
图16为用于形成根据本公开内容的另一种实施方案的台的前体结构的俯视和正视透视图，其中以具有多层螺旋横截面的环构造晶粒区域；
图17为由图16的前体结构形成的台沿着垂直横截面17-17取得的正面横截面视图；
图18为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视和正视透视图，其中所述台包含不同性质的晶粒区域，所述晶粒区域以部分重叠的同心局部环排列；
图19为图18的台沿着垂直横截面19-9取得的正面横截面视图；
图20为用于形成根据本公开内容的另一种实施方案的台的前体结构的俯视和正视透视图，其中一种性质的晶粒限定由另一种性质的晶粒所填充的起伏结构；
图21为由图20的前体结构形成的台沿着垂直横截面21-21取得的正面横截面视图；
图22为根据本公开内容的另一种实施方案的台的俯视图，其中一种性质的晶粒限定了拱形格栅状图案，并且另一种性质的晶粒限定了填充所述拱形格栅状图案的离散特征；
图23为图22的台沿着垂直横截面23-23取得的正面横截面视图；
图24为根据本公开内容的另一种实施方案的台沿着与垂直横截面23-23相同的视图取得的正面横截面视图，其中所述台包括图22的结构，底部还填充有另一种性质的晶粒；
图25为包括图24的台的切削元件沿着与垂直横截面23-23相同的视图取得的正面横截面局部视图；
图26为用于形成根据本公开内容的一种实施方案的切削元件的一步法HPHT过程的简化工艺流程图；和
图27为用于形成根据本公开内容的一种实施方案的切削元件的两步法HPHT过程的简化工艺流程图。
发明详述
在苛刻的钻孔环境中经常使用钻地工具及其切削元件。因此，切削元件在使用过程中经常经受由于在切削元件和地层之间的接触点处的摩擦而产生的热量。这种热量和磨蚀相互作用可导致钻探过程中的热和结构损坏。例如，切削元件内不同材料之间热膨胀系数的不同可导致不同材料之间的界面处的破裂或脱层。也就是说，当在使用过程中加热或者在此后冷却切削元件时，材料可以以不同的速率膨胀或收缩，并导致聚晶台中的热损坏。由此，当切削元件用于切削地层材料时，切削元件和孔壁表面之间的摩擦加热所述切削元件，并且支撑基材内的材料例如碳化物可以以聚晶台内的超硬材料例如金刚石的两倍快地膨胀。所述膨胀可导致聚晶材料内材料的原子显微结构中的结构失效。另外，与地层的磨蚀相互作用还可导致切削元件外表面中的裂纹。例如在切削元件的台中，在显微结构中作为结构失效开始的或者小的裂纹可导致进一步扩展至切削元件中的较大裂纹。特别是沿着界面，这样的失效可导致脱层。甚至是除了界面以外，裂纹扩展可最终导致切削元件自身的毁坏。
本聚晶复合片台包括具有不同性质(例如不同平均晶粒尺寸、不同超硬材料体积密度或者二者)的超硬材料的有序区域，其中一个晶粒区域与另一个晶粒区域在晶粒界面处邻接。当所述台与切削元件联合使用时，不同性质的有序晶粒区域和所述区域之间的晶粒界面可抑制脱层和经过所述台的裂纹扩展。
可以将包括根据本公开内容的实施方案的台的切削元件配置成用于苛刻的钻孔环境中。所述切削元件可经受在使用过程中由于在切削元件和地层之间的接触点处的摩擦而产生的热量。在使用时，例如由于切削元件内不同材料之间的热膨胀系数的不同，这种热量和磨蚀相互作用可在切削元件上导致机械应力。当在使用过程中加热或者在此后冷却切削元件时，切削元件中的材料可以以不同的速率膨胀或收缩并导致聚晶台内的应变。与地层的磨蚀相互作用还可在切削元件上产生应力。尽管在使用中在所述台和切削元件的其它部件上的应力，可以将根据本公开内容的实施方案的切削元件的台的有序晶粒区域配置成抑制脱层或裂纹扩展。例如，如果在所述台的侧边引发所述台中的裂纹，那么当裂纹在晶粒界面处截断不同性质(例如不同的平均晶粒尺寸或不同的超硬材料体积密度)的晶粒区域时，裂纹的扩展可停止或者朝向所述台的机械强度大的区域转移。可以调整所述台内的晶粒区域的相对尺寸、形状和位置以抑制脱层和裂纹扩展。
如在这里所使用的，术语“钻头”是指并包括在井眼的形成和扩大过程中用于钻探的任何类型的钻头或工具，并且例如包括旋转钻头、冲击钻头、取心钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、可膨胀扩孔钻、磨机、刮刀钻头、牙轮钻头、混合式钻头和本领域中已知的其它钻探头和工具。
如在这里所使用的，术语“聚晶材料”是指并包括包含通过晶粒间结合直接结合在一起的材料的多个晶粒(还称为“晶体”)的任何材料。所述材料的单独晶粒的晶体结构在聚晶材料内的空间中可以是无规取向的。
如在这里所使用的，术语“聚晶复合片”是指并包括包含通过将压力(例如压实作用)施加至用于形成聚晶材料的前体材料(或者多种材料)的方法形成的聚晶材料的任何结构。如在这里所使用的，术语“聚晶复合片”与术语“台”和“聚晶复合片台”具有相同的含义。
如在这里所使用的，术语“超硬材料”是指并包括Knoop硬度值为约2,000Kgf/mm2(20GPa)或更大的任何材料。在一些实施方案中，在这里采用的超硬材料可具有的Knoop硬度值为约3,000Kgf/mm2(29.4GPa)或更大。这样的材料例如包括金刚石和立方氮化硼。
如在这里所使用的，术语“超硬材料体积密度”意指在确定体积的材料中(例如晶粒区域的体积或者所述台的体积)超硬材料的密度(质量/体积)。
如在这里所使用的，“第一”、“第二”、“第三”等为用于描述与一个物品或多个物品不同的另一个物品或多个物品的术语。它们不必意指暗示时间序列，除非另外指明。据此，“第一晶粒”的区域可不必是在“第二晶粒”的区域之前制造的，除非另外指明。此外，在这里的一种实施方案中称为“第一晶粒”的平均晶粒尺寸或超硬材料体积密度可以是在这里的另一种实施方案中称为“第二晶粒”的平均晶粒尺寸或超硬材料体积密度。
如在这里所使用的，相对术语“大”、“中”和“小”为用于描述超硬材料的一簇晶粒的平均晶粒尺寸相对于超硬材料的另一簇晶粒的平均晶粒尺寸的术语。因此，虽然在一种实施方案中，晶粒簇在这里称为“中等晶粒”，但是在另一种实施方案中，相同尺寸的晶粒可称为“小晶粒”或者“大晶粒”，这取决于在这些实施方案中其它晶粒簇的存在和相对平均尺寸。
如在这里所使用的，当提及区域或特征时，术语“离散”是指具有相对的最高和最低高度的区域或特征，所述高度不同时与台的最上表面和最下表面共平面，并且具有相对的最宽点(例如横向表面)，所述的最宽点不同时与台的外部横向表面(例如侧壁)共平面。例如，“离散”区域可以具有与所述台的最上表面共平面的最上表面，与所述台的外部侧壁共平面的侧壁，但是最下表面设置在所述台之内(不与所述台的最下表面共平面)，并且相对的侧壁设置于所述台之内(不与所述台的相对外部侧壁共平面)。
如在这里所使用的，术语“晶粒间结合”是指并包括材料的相邻晶粒内的原子之间的任何直接的原子键(例如离子的、共价的、金属的，等等)。
如在这里所使用的，术语“催化剂材料”意指在HPHT过程中能够显著催化超硬材料晶粒之间的晶粒间结合的形成的任何材料。例如，用于金刚石的催化剂材料包括钴、铁、镍，元素周期表第VIIIA族的其它元素，及其合金和混合物。因此，催化剂材料可以是金属溶剂催化剂。
如在这里所使用的，当提及任何材料时，术语“纳米”是指并包括平均颗粒直径为约500nm或更小的任何材料。
如在这里所使用的，术语“……之间”为空间相对术语，用于描述一种材料或区域分别相对于至少两种其它材料或区域的相对布置。术语“……之间”可涵盖将一种材料或区域分别直接相邻于其它材料或区域的布置，以及将一种材料或区域分别非直接地相邻于其它材料或区域的布置。
如在这里所使用的，提到一种要素在另一种要素“上”(“on”)或者“上方”(“over”)是指并包括这种要素直接位在其它要素之上，与其相邻，在其下方或者与其直接接触。其还包括这种要素非直接地在其它要素之上，与其相邻，在其下方，或者在其附近，其它要素存在于其间。与之相比，当提到一种要素“直接在另一种要素上”或者“直接与另一种要素相邻”时，不存在插入的要素。
如在这里所使用的，其它空间相对术语，例如“在……下方”、“在……之下”、“下方”、“底部”、“在……之上”、“上方”、“顶部”、“前”、“后”、“左”、“右”等，出于便于说明的目的，可用于描述在附图中说明的一种要素或特征与另外一种或多种要素或一种或多种特征的关系。除非另外指明，除了在附图中描述的方向，空间相对术语意图涵盖材料的不同方向。例如，如果反转附图中的材料，那么描述为“在其它要素或特征之下”、“在其下方”或“其下方”或“其底部”的要素会被定位于“其它要素或特征之上”、“在其顶部”。由此，术语“在……之下”可涵盖上和下的方向，这取决于使用术语的上下文，其对于本领域普通技术人员来说将是可见的。所述材料可以以其它方式取向(旋转90度，反转等)，并且在这里使用的空间相对描述用词据此来解释。
如在这里所使用的，“和/或”包括一个或多个所列出的相关物品的任何或所有的组合。
如在这里所使用的，单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”还意图包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。
在这里所提出的说明并不是任何特定钻头、切削元件、其部件、其前体结构或工艺阶段的实际视图。更确切地说，它们仅为用于描述本公开内容的实施方案的仅仅理想化的表述。
图1描述了固定式切刀类型的钻地旋转钻头10，包括钻头体12和切削元件20。在其它实施方案中，另一种类型的钻头，例如如上所述的任何钻头，可包括在图2中描述的形式的或者替代结构的切削元件20。可以根据在这里描述的任何结构或方法来形成钻头(例如图1的钻头10)所包括的切削元件(例如图2的切削元件20)。
图2为本公开内容的切削元件20结构的简化的、部分切掉的透视示意性描述。切削元件20包含聚晶复合片，该聚晶复合片处于可由金刚石形成的超硬材料的区域形式。聚晶复合片在这里还称为“台”22。在支撑基材24上提供(例如形成或者连接)所述台22，界面23位于其间。
尽管在图2中描述的实施方案中的切削元件20描述为柱形的或者盘形的，但是在其它实施方案中，切削元件20可以具有任何所需的形状，例如拱形、锥形、凿子等等。另外地，尽管在图2中描述的实施方案中切削元件20的台22和支撑基材24之间的界面23描述为水平平面的，但是在其它实施方案中，如下所讨论的，界面23可以是非水平的、非平面的、或者二者。此外，在一些实施方案中，切削元件20可以由未被置于任何支撑基材24上的台22构成。
在一些实施方案中，台22的聚晶材料包含金刚石。在这样的实施方案中，切削元件20可称为“聚晶金刚石复合片”(PDC)切削元件，其中所述台22可称为“金刚石台”。在其它实施方案中，台22的聚晶材料可包含另一种超硬材料，例如聚晶立方氮化硼(PCBN)。
支撑基材24例如可包括金属陶瓷，例如钴－烧结碳化钨。
在图3至25中描述了所述台的数个实施方案。所描述的任何实施方案均可替代在图2中描述的台22，并与钻头(例如钻头10)的切削元件(例如切削元件20)一起使用。因此，虽然图2的台22描述为具有超硬材料的单一区域，但是根据本公开内容，设想台22可包括超硬材料的多于一个限定区域。也就是说，台22可以包括具有第一性质的超硬材料的第一簇晶粒(即“第一晶粒”)和至少一个具有第二性质的超硬材料的第二簇晶粒(即“第二晶粒”)，第二性质与第一簇的晶粒的第一性质不同。在一些实施方案中，台22还可以包括具有第三性质的超硬材料的第三簇晶粒(即“第三晶粒”)，第三性质不同于第一晶粒和第二晶粒的性质。还可以包括具有不同性质的超硬材料的其它簇晶粒。
第一晶粒和第二晶粒以及其它晶粒(如果存在)的不同性质，可以包括不同的平均晶粒尺寸、不同的超硬材料体积密度、或者二者。据此，与相邻的第二晶粒的晶粒区域相比，第一晶粒的晶粒区域可以具有更大的平均晶粒尺寸。可替代地或者另外地，第一晶粒的晶粒区域在所述晶粒区域的体积内的超硬材料的质量大于相邻的第二晶粒的晶粒区域在其体积内具有的质量。
在其中晶粒区域之间不同的性质为平均晶粒尺寸的一些实施方案中，限定第一簇晶粒的第一平均晶粒尺寸可为限定第二簇晶粒的第二平均晶粒尺寸的约一百五十(150)分之一。在其它实施方案中，第一平均晶粒尺寸可为第二平均晶粒尺寸的约五百(500)分之一。在另外的实施方案中，第一平均晶粒尺寸可为第二平均晶粒尺寸的约七百五十分之一。在其它实施方案中，第一平均晶粒尺寸可为第二平均晶粒尺寸的约一百五十(150)分之一，并且可为限定第三簇的晶粒的第三平均晶粒尺寸的约五百(500)分之一至约七百五十(750)分之一。
第一晶粒、第二晶粒、第三晶粒等的材料可以是相同的或不同的材料或者材料混合物。例如，第一晶粒可以包含第一性质的金刚石晶粒或由其构成，而第二晶粒可以包含不同于第一性质的第二性质的PCBN晶粒或由其构成。作为另一种实例，第一晶粒可以包含第一性质的金刚石和PCBN晶粒的混合物，而第二晶粒可以由不同于第一性质的第二性质的金刚石构成。据此，虽然不同区域的晶粒的至少一个性质(例如平均晶粒尺寸、超硬材料体积密度或者二者)从一个区域到另一个区域是不同的，但是其材料或混合物可以是不同的或相同的。
所述的晶粒簇在所述台内以这样的方式排列：不同区域的晶粒之间的晶粒界面包括非水平平面的界面，即相对于所述台的水平平面的横截面，水平平面的下表面或上表面，或者邻接所述台的支撑基材的水平平面的表面，限定具有非零斜率的至少一个部分的界面。因为晶粒界面不仅仅是水平面，所以可以抑制或阻止晶粒区域之间的裂纹扩展和脱层。在一些实施方案中，晶粒界面包括至少一个弯曲部分。因此，有序晶粒区域的结构可以提供用于切削元件(例如切削元件20)的台，与具有常规台的常规切削元件相比，其不太易于产生结构和热损坏。
参见图3和4，描述了用于切削元件(例如图2的切削元件20)的台322的实施方案。台322包括具有第一性质(例如平均晶粒尺寸、超硬材料体积密度或者二者)的第一簇晶粒的特征，该第一簇晶粒在这里称为“第一晶粒”326。可以以一系列间隔的、细长特征使第一晶粒326图案化。可以平行于台322的直径来布置第一晶粒326的区域。
在这里称为“第二晶粒”328的具有第二性质(例如平均晶粒尺寸、超硬材料体积密度或者二者)的第二簇晶粒以第二晶粒328的连续区域围绕所述第一晶粒326。与第一晶粒326相比，第二晶粒328可以具有更大的平均晶粒尺寸、更加致密的超硬材料体积密度或者二者。如在图4中所示的，可以构造所述台322以使得第一晶粒326的区域垂直延伸经过所述台322的高度。据此，第一晶粒326的每个特征(例如细长特征)与第二晶粒328的区域在不是水平平面的晶粒界面329处邻接。例如，因为第一晶粒326的每个特征在所有侧边上可被第二晶粒328的区域围绕，所以第一晶粒326的每个特征通过包含四个垂直平面表面的晶粒界面329与第二晶粒328的区域邻接。通过第二晶粒328围绕第一晶粒326的每个特征可以抑制在晶粒界面329处的脱层。此外，由第二晶粒328间隔开的第一晶粒326的图案可以抑制裂纹横跨所述台322的宽度的扩展。因此，与常规台322相比，所述台322可不太易于脱层和裂纹扩展。
参见图5，描述了可由其形成图3和4的台322的前体结构330。所述前体结构330可仅由第二晶粒328形成。例如，第二晶粒328的连续结构可以形成为所示的例如由有机粘结剂互相粘附的晶粒的“生坯”或者未烧结体。可替代地，可将生坯体形成为盘，并随后机加工或者以其它方式图案化以限定延伸经过前体结构330的高度的空隙332。据此，前体结构330占据具有多于一个水平面的外表面(即相对于外表面的其它区域具有升高或下陷的区域)。空隙332(即由前体结构330限定的负空间)随后可填充有第一晶粒326来形成图3的台322。在其它实施方案中，可将第一晶粒326和第二晶粒328每个形成为一个或多个前体结构，每个前体结构包含生坯体，随后在高温高压处理之前组装所述前体结构。
参见图6，在可替代的实施方案中，图3的台322可结合至第二晶粒328的上部区域和下部区域，从而将台322的结构利用为台622的中间区域322A。中间区域322A例如可在金刚石压机中结合至第二晶粒328的上部区域322B和第二晶粒328的下部区域322C中的一者或二者，从而形成台622。由此，所述台622内第一晶粒326的特征不仅沿着垂直晶粒界面329与第二晶粒328的区域邻接，而且还沿着上和下水平晶粒界面629与其邻接。被构造成不仅仅是水平平面的晶粒界面329、629可以抑制晶粒区域之间的脱层，并抑制垂直地和水平地经过所述台622的裂纹扩展。
设想第一晶粒326和第二晶粒328之间的不同性质可以是不同的平均晶粒尺寸。在这样的实施方案中，图3至6的实施方案的第一晶粒326与所述实施方案的第二晶粒328相比，可具有更小的平均晶粒尺寸。然而，还设想第一晶粒326可具有比第二晶粒328更大的平均晶粒尺寸。当与切削元件(例如切削元件20，台322、622由图2的台22替代)联合使用时，选择来用于第一晶粒326和第二晶粒328的特定的平均晶粒尺寸可以经选择以实现台322、622的脱层和裂纹扩展的最大抑制。
在其它实施方案中，第一晶粒326和第二晶粒328之间的不同性质可以是不同的超硬材料体积密度。在这样的实施方案中，图3至6实施方案的第一晶粒326可以具有与第二晶粒328相同的平均晶粒尺寸，但是与第二晶粒328的各个区域相比，在遍及第一晶粒326的各个区域的间隙空间内具有更少的催化剂材料或者具有额外的超硬材料。由此，与第二晶粒328的区域相比，第一晶粒326的区域可具有更高的超硬材料体积密度。还设想的是，在其它实施方案中，与第一晶粒326的各个区域相比，第二晶粒328的区域可在遍及第二晶粒328的各个区域的间隙空间内包括更少的催化剂材料或额外的超硬材料。由此，与第一晶粒326的区域相比，第二晶粒328的区域可具有更高的超硬材料体积密度。
参见图7，描述了台722的另一种实施方案，该台包含不同性质(例如不同的平均晶粒尺寸、不同的超硬材料体积密度或者二者)的晶粒例如第一晶粒726和第二晶粒728的有序区域。可构造台722以使得第一晶粒726的区域和第二晶粒728的区域横跨台722的宽度(即水平横截面)形成棋盘图案。例如，每个区域可限定矩形(例如正方形)水平横截面，并且一种晶粒(例如第一晶粒726)的每个区域可在其每个侧边与另一种晶粒(例如第二晶粒728)的区域接界。据此，不同性质的区域之间的晶粒界面729不是水平平面的，而相反地，晶粒界面729可为至少部分地垂直的。
参见图8至13，可不同地构造台722的垂直横截面。例如，参见图8，具有在图7中示出的台722俯视图案的台722A可具有在图8中所示的垂直横截面。如所示的，可将每个晶粒区域即第一晶粒726的区域和第二晶粒728的区域构造为延伸经过台722的高度的块。因此，不同性质的区域之间的晶粒界面729A为垂直平面的，而不是水平平面的。当所述台722A与切削元件(例如图2的切削元件20)联合使用时，由此可将台722A配置成抑制例如经过台722A的宽度的脱层和裂纹扩展。
参见图9，具有在图7中示出的台722的俯视图案的台722B可以具有在图9中所示的垂直横截面。如所示的，还可以排列不同性质的晶粒区域以限定重复经过台722B的垂直横截面的棋盘状图案的离散区域。例如，第一晶粒726的区域可在每个侧边上方、下方和侧边处与第二晶粒728的区域接界。据此，第一晶粒726的一个离散区域可垂直地设置于第二晶粒728的至少两个离散区域之间，和/或反之亦然。因此，除了水平平面界面(即垂直相邻的区域之间)以外，不同尺寸、密度等的区域之间的晶粒界面729B还包括垂直平面界面(即横向相邻的区域之间)。当所述台722B与切削元件(例如图2的切削元件20)联合使用时，由此可以将台722B配置成抑制例如经过台722B的宽度和经过台722B的高度的脱层和裂纹扩展。
参见图10，具有在图7中所示的台722的俯视图案的台722C可具有在图10中所示的垂直横截面。如所示的，可排列不同性质的晶粒的离散区域以限定经过台722C的垂直横截面的偏置块状图案。例如，第一晶粒726的离散区域可与第二晶粒728的离散区域的上方和下方部分地接界，并在每个侧边处完全接界。在另一种实施方案中，还使第一晶粒726的离散区域偏置以横向邻近第二晶粒728的离散区域。除了水平平面界面(即垂直相邻的离散区域之间)以外，不同性质的离散区域之间的晶粒界面729C还包括垂直平面界面(即横向相邻的离散区域之间)。当所述台722C与切削元件(例如图2的切削元件20)联合使用时，由此可以将台722C配置成抑制例如经过台722C的宽度和经过台722C的高度的脱层和裂纹扩展。
参见图11，具有在图7中所示的台722的俯视图案的台722D可具有在图11中所示的垂直横截面。如所示的，可排列不同性质的晶粒区域以限定矩形波的上表面和下表面。由此，每个矩形波晶粒区域，例如第一晶粒726的区域可与第二晶粒728的相应波形晶粒区域在上方和下方接界。因此，除了水平平面表面部分(即垂直相邻的区域部分之间)，不同性质的区域之间的晶粒界面729D还包括垂直平面表面部分(即横向相邻的区域部分之间)。横跨台722D的宽度，连续的晶粒界面729D还限定了矩形波。当台722D与切削元件(例如图2的切削元件)联合使用时，由此可以将台722D配置成抑制例如经过台722D的宽度和高度的脱层和裂纹扩展。
参见图12，具有图7中所示的台722的俯视图案的台722E可具有在图12中所示的垂直横截面。如所示的，可以将不同性质的晶粒区域以相对于台722E的上表面呈一定角度的堆叠区域排列。例如，所述区域相对于台722E的上表面可呈约四十五度(45°)的角度，从而使得区域之间的晶粒界面729E同样呈角度。因此，晶粒界面729E不是水平平面的。然而设想的是，可以调整所选择的角度以最大化台722E的性能。当台722E与切削元件(例如图2的切削元件20)联合使用时，由此可将台722E配置成抑制例如经过台722E的宽度和高度的脱层和裂纹扩展。
参见图13，具有在图7中所示的台722的俯视图案的台722F可具有在图13中所示的垂直横截面。如所示的，不同性质的晶粒的离散区域可以以重复经过台722F的垂直横截面的金刚石棋盘状图案排列。例如，离散区域可以限定垂直横截面中的平行四边形(例如矩形，例如正方形)周界，主对角线尺度对齐垂直于台722F的上表面。一种性质(例如平均晶粒尺寸、超硬材料体积密度或者二者)的晶粒的每个离散区域可在其侧部与另一种性质的晶粒的离散区域接界。如此，晶粒界面729F可相对于台722F的上表面呈一定角度，并且因此不是水平平面的。当台722F与切削元件(例如图2的切削元件20)联合使用时，由此可以将台722F配置成抑制例如经过台722F的宽度和高度的脱层和裂纹扩展。
在图7至13中所示的每个实施方案中，设想：与第二晶粒728相比，第一晶粒726可具有更小的平均晶粒尺寸，更大的超硬材料体积密度，或者二者。然而还设想的是，与第一晶粒726相比，第一晶粒726可具有更大的平均晶粒尺寸，更小的超硬材料体积密度，或者二者。由此，可以调整对于第一晶粒726和第二晶粒728所选择的平均晶粒尺寸和超硬材料体积密度以最大化脱层和裂纹扩展的抑制。此外，设想所述区域可包括多于两簇具有不同性质的晶粒。在任何方面中，所述的实施方案包括以重复横跨所述台的水平横截面和所述台的垂直横截面中的至少一个的图案排列的晶粒区域。此外，在所述台中不同高度处的剖面(elevation)(例如水平横截面)包括不同性质的至少两个区域，从而使得一种性质的每个晶粒区域与另一种性质的每个晶粒区域沿着晶粒界面接界，所述晶粒界面相对于所述台的上表面或下表面呈一定角度(以非零角度)。
根据本公开内容的实施方案，可以通过制造包含每个不同晶粒性质的生坯体的前体结构并随后将前体结构机加工、模制、填充或者以其它方式成形为所示的有序图案的晶粒区域来形成任何上文和下文的台的结构。本领域普通技术人员可利用已知的方法来制造所示的结构。因此，在这里并未详细描述这些制造方法，除了在这里所指出的。
参见图14和15，描述了台1422的另一种实施方案，该台包含不同性质的晶粒例如第一晶粒1426和第二晶粒1428的有序区域。可以构造所述台1422以使得第一晶粒1426的区域和第二晶粒1428的区域横跨所述台1422的宽度(即水平横截面)形成金刚石棋盘状图案。因此，每个晶粒区域可在水平面中限定具有平行四边形形状的外周界的特征，所述形状可以包括约45°至约30°的锐角。设想的是，可以选择金刚石的角度和取向以将所述台1422调整为最大化地抑制脱层和裂纹扩展。
一种性质的每个晶粒区域可与另一种性质的其它晶粒区域横向邻接，在其间限定了晶粒界面1429。如在图15中所示的，晶粒界面1429可包括非水平平面的界面部分，例如垂直晶粒界面1429A。例如，每个晶粒区域可以延伸台1422的高度，沿着晶粒区域的每个侧壁限定垂直晶粒界面1429A。然而设想的是，可以不同地构造垂直横截面，例如在图9至13的实施方案中所示的。
根据本公开内容的台内的晶粒区域还可以包括非平面的晶粒界面。例如，参见图16和17，所示的为由前体结构1630形成的台1622(图17)，其中以环1640和任选的中心球1642来构造第一晶粒1626的区域和第二晶粒1627的区域，其中垂直横截面限定了多层螺旋，如在图17中所示的。据此，前体结构1630包括占据多于一个水平面的外表面(即相对于外表面的其它区域来说具有升高或下降的区域)。
通过以下方式形成环：将第一晶粒1626的层与第二晶粒1627的层叠加，并随后将所述层在一起卷绕成具有多层螺旋垂直横截面的柱形结构。随后可将所述柱形结构模制或者以其它方式成型为环1640。可以使用类似的方法由第一晶粒1626和第二晶粒1627的卷绕结构来成型中心球1642，从而形成如在图17中所示的具有多层螺旋垂直横截面的中心球1642。如果存在的话，可以将环1640和中心球1642布置为如在图16中所示的，即中心球1642占据前体结构1630宽度的中心，环1640环绕中心球1642，并且另一个环1640环绕其它的环1640。
因此，环1640和中心球1642的晶粒区域沿着不是水平平面的晶粒界面1629彼此邻接。此外，晶粒界面1629不是平面的。更确切地说，晶粒界面1629为弯曲的。例如，如在图17中所示的，晶粒界面1629限定了沿着台1622的垂直横截面的弯曲部分。如在图16中所示的，晶粒界面1629还可限定沿着台1622的水平横截面的弯曲部分。晶粒界面1629可不限定平面部分，从而使得晶粒界面1629可以是整体弯曲的。晶粒界面1629的弯曲属性可以转移以基本上直的轨迹移动的裂纹扩展。毕竟因为直线为两个点之间的最短距离，所以与由这样的直线轨迹转移的裂纹相比，能够以直线轨迹经过台扩展的裂纹可更快地实现更大量的结构损坏。
另一种性质(即第三平均晶粒尺寸、第三超硬材料体积密度或二者)的第三簇晶粒，例如第三晶粒1628随后可以填充环1640和中心球1642之间的空间(即由前体结构1630限定的负空间)，从而例如填充柱形形状并形成台1622。当所述台1622与切削元件(例如图20的切削元件20)联合使用时，由此可将台1622配置成抑制例如经过所述台1622的宽度和高度的脱层和裂纹扩展。
设想的是，第一晶粒1626可比第二晶粒1627具有更小的平均晶粒尺寸，可比第二晶粒1627的区域具有更大的超硬材料体积密度，或者二者。第二晶粒1627可比第三晶粒1628具有更小的平均晶粒尺寸，更大的超硬材料体积密度，或者二者。然而还设想的是，第一晶粒1626、第二晶粒1627和第三晶粒1628可以具有不同的相对平均晶粒尺寸、超硬材料体积密度或者二者。此外，在一些实施方案中，填料晶粒可以是额外量的第一晶粒1626或第二晶粒1627，而不是不同尺寸的晶粒或者不同超硬材料体积密度的区域(即第三晶粒1628)。因此，可调整对于每个晶粒区域所选择的平均晶粒尺寸和超硬材料体积密度以实现脱层和裂纹扩展的最大化抑制。
参见图18和19，描述了另一种实施方案的台1822，其包含不同性质的晶粒例如第一晶粒1826、第二晶粒1827和第三晶粒1828的有序区域。可以以同心局部环1850(例如具有半圆形垂直横截面的同心环)和任选的同心局部球1852(例如同心半球)来构造第一晶粒1626和第二晶粒1827。每个同心局部环1850和同心局部球1852内的晶粒区域可限定每个结构内的层次。例如，每个同心局部环1850的芯部可以是第一晶粒1826的局部环，该局部环可以由第二晶粒1827的区域围绕，该第二晶粒的区域可以由第一晶粒1826的区域围绕，并如此交替，经过同心局部环1850的横截面直径。如在图18和19中所示的，对于同心局部球1852也是如此。由此，晶粒区域可以限定晶粒界面1829，其为非水平平面的，此外还是整体非平面(即整体弯曲)的。因此，晶粒界面1829可以在水平横截面(图18)和垂直横截面(图19)的至少一个中包括弯曲部分。
如在图19中所示的，同心局部环1850和同心局部球1852中的每个的弯曲外部可以设置于台1822的外表面的内部。据此，同心局部环1850和同心局部球1852内的每个层次的晶粒区域可暴露在台1822的表面处。此外，可以至少局部彼此垂直叠加地布置同心局部环1850和同心局部球1852，如在图19中所示的。
第三晶粒1828可填充其它的空隙或负空间以限定台1822基本上柱形的形状。当所述台1622与切削元件(例如图20的切削元件20)联合使用时，由此可以将台1822配置成抑制例如经过台1622的宽度和高度的脱层和裂纹扩展。
设想的是，第一晶粒1826可比第二晶粒1827具有更小的平均晶粒尺寸、更大的超硬材料体积密度或者二者，并且第二晶粒1827可比第三晶粒1828具有更小的平均晶粒尺寸，更大的超硬材料体积密度或者二者。然而还设想的是，第一晶粒1826、第二晶粒1827和第三晶粒1828可具有不同的相对性质。此外，在一些实施方案中，填料晶粒可以为额外量的第一晶粒1826或第二晶粒1827，而不是不同性质的晶粒区域(即第三晶粒1828)。因此，可调整对于每个晶粒区域所选择的平均晶粒尺寸和超硬材料体积密度以实现脱层和裂纹扩展的最大化抑制。
参见图20和21，示出根据本公开内容的一种实施方案的台2022(图21)的另一种实施方案。可以制造一种性质的晶粒例如第一晶粒2026以限定具有三维结构的前体结构2030，例如在与前体结构2030的水平横截面的周界邻近的最大高度的剖面处向下朝向与在前体结构2030的水平横截面的中心邻近的最小高度逐渐变细的辐射楔体的起伏结构。可以在前体结构2030的上表面和下表面两者中限定起伏结构，如在图21中所示的，或者可替代地仅在一个表面中限定。如在图21中所示的，前体结构2030的上表面可限定的起伏结构为与由前体结构2030的下表面限定的起伏结构的镜像图像。前体结构2030包括占据多于一个水平面的外表面(即相对于外表面的其它区域具有上升或下降的区域)。
前体结构2030的负空间随后可填充有至少一个其它性质的晶粒，例如第二晶粒2028。由此，所获得的台2022可以具有基本上柱形的形状，其中具有不同性质的多个晶粒区域，其中一个区域的晶粒例如第一晶粒2026与另一种晶粒性质的区域例如第二晶粒2028沿着不是水平平面的晶粒界面2029邻接。当然，除了水平部分以外，晶粒界面2029还可以包括呈角度的部分和垂直部分。
尽管在图20和21中示出了一种起伏结构，但是设想可以改变起伏结构以提供在第一晶粒2026和第二晶粒2028之间限定非水平平面的晶粒界面2029的任何起伏结构。此外，不同性质的其它晶粒区域可包括在前体结构2030中，或者填充由前体结构2030限定的负空间。
虽然设想第一晶粒2026的平均晶粒尺寸可比第二晶粒2028的平均晶粒尺寸大或第一晶粒2026区域的超硬材料体积密度可比第二晶粒2028区域的超硬材料体积密度小，或者二者，但是还设想第一晶粒2026和第二晶粒2028的相对性质可以是反转或者以其它方式改变。由此，可选择晶粒区域的所选择的平均晶粒尺寸和超硬材料体积密度以调整所述台2022，从而实现脱层和裂纹扩展的最大化抑制。在任何方面中，当台2022与切削元件(例如图20的切削元件20)联合使用时，可以将台2022配置成抑制例如经过台2022的宽度和高度的脱层和裂纹扩展。
参见图22和23，示出台2222的另一种实施方案，其中排列不同性质的区域例如第一晶粒2226和第二晶粒2227以在不同区域之间限定非水平平面的晶粒界面2229(例如垂直平面的晶粒界面2229)。根据图22和23的实施方案，可以以拱形格栅来构造一种晶粒性质的前体结构例如第二晶粒2227，并且所述拱形格栅的空隙可以填充有另一种晶粒性质的晶粒例如第一晶粒2226，从而提供通过第二晶粒2227而彼此间隔的第一晶粒2226的多个离散特征。第一晶粒2226的每个离散特征可延伸拱形格栅台2222的高度，其限定弯曲(拱形)上表面和弯曲(拱形)下表面两者。由此可以将所述台2222配置成抑制例如经过所述台2222宽度的脱层和裂纹扩展。
参见图24，在一些实施方案中，图22和23的台2222可以在底部填充有其它的超硬材料晶粒，例如第三性质的晶粒，例如第三晶粒2428。据此，由第二晶粒2227间隔开的第一晶粒2226的离散区域的拱形结构可以在底部填充有第三晶粒2428，从而限定具有拱形上表面的台2422的平坦下表面。这样的台2422因此不仅包括第一晶粒2226和第二晶粒2227之间的非水平平面的晶粒界面2229(例如垂直晶粒界面2229)，而且还包括第三晶粒2428与第一晶粒2226和第二晶粒2227中每个之间的非平面晶粒界面2429(例如拱形晶粒界面2429)。由此，第一晶粒2226的区域和第二晶粒2227的区域可以限定弯曲晶粒界面2429的部分，如在图24中所示的，其经过台2422的垂直横截面可为弯曲的。再次，当所述台2422与切削元件(例如图2的切削元件20)联合使用时，可以将这样的台2422配置成抑制经过所述台2422(例如其宽度和高度)的脱层和裂纹扩展。也就是说，支撑基材2524可以邻接至台2422，在台2422和支撑基材2524之间形成界面2523，从而形成切削元件2520，如在图25中所示的。
据此，公开了台(例如322(图3和4)，622(图6)，722至722F(图7至13)，1422(图14和15)，1622(图17)，1822(图18和19)，2022(图21)，2222(图22和23)和2422(图24))，其包含不同性质(例如不同的平均晶粒尺寸、不同的超硬材料体积密度或者二者)的晶粒的有序区域。有序区域之间的晶粒界面包括非水平平面的界面。当然，晶粒界面包括具有至少一部分限定比零度大的斜率(相对于支撑基材的宽度)的晶粒界面。(作为参考，在这里将水平平面界面限定为横跨所述台的宽度具有零度的一致斜率)。此外，沿着所述台的高度的至少一个剖面(即至少一个水平面)由多于一个的晶粒区域占据，从而使得至少一个剖面包含至少两簇具有不同性质的晶粒，在不同的区域排列簇(即不仅是相互混合)。晶粒界面可以包括经过所述台的垂直横截面的弯曲部分，并且可以以重复横跨水平横截面和/或垂直横截面的有序图案来布置晶粒区域。当在切削元件中使用任何所述的台时，这种结构的有序晶粒区域可以抑制脱层和裂纹扩展。
例如可以使用HPHT过程将在这里公开的任何台(622、722至722F、1422、1622、1822、2022、2022和2422)邻接至支撑基材(例如图2的支撑基材24或者图25的2524)，从而形成切削元件(例如图2的切削元件20或者图25的2520)。HPHT过程可以在有序台结构的每个区域内的晶粒之间形成晶粒间结合(例如晶粒间结合第一晶粒和晶粒间结合第二晶粒)。所述HPHT过程还可以在相邻区域的晶粒之间即横跨晶粒界面形成晶粒间结合(例如晶粒间结合第一晶粒与第二晶粒)。
参见图26和27，当在HPHT过程(即烧结过程)中制造期间压制切削元件20的部件时，往往形成晶粒间结合。在HPHT过程中将晶粒烧结在一起之前，最初可呈粉末形式的催化剂材料可穿插于超硬材料的晶粒之间，即在任何或所有的晶粒区域内。可替代地或者另外地，在其中在包括催化剂材料例如钴或另外的第VIII族元素或其合金的支撑基材24上形成台22的实施方案中，源自支撑基材24的钴或其它这样的材料可在HPHT过程(即烧结过程)中进入超硬材料的晶粒内，并可用作用于形成超硬材料晶粒之间的晶粒间结合的催化剂材料。例如，源自支撑基材24的钴可进入上方的金刚石晶粒以不同晶粒性质的区域排列的有序区域中，并且所述钴可以在每个有序区域内和有序区域之间催化金刚石至金刚石结合的形成。由此，所形成的具有有序区域的台22包括晶粒间结合的超硬材料晶粒。
一些HPHT过程可以进一步包括纳米添加剂在将要形成的台22中的使用。这样的纳米添加剂可用作成核来源，促进晶粒间结合的形成。名称为“Polycrystalline Compacts Including In-Situ NucleatedGrains,Earth-Boring Tools Including Such Compacts,and Methodsof Forming Such Compacts and Tools”的于2010年8月6日提交的序列号为12/852,313的美国专利申请(于2011年2月10日公开为美国专利申请公开2011/0031034，通过引用将其全部公开内容并入本文)描述了使用纳米添加剂的一些这样的方法。
图26和27描述了使用超硬材料进料22’和支撑基材24在压机2625中结合在一起来形成包括由支撑基材24支撑的台22的切削元件20的一步法和两步法HPHT过程。任何如上所述的用于台(例如322(图3和4)，622(图6)，722至722F(图7至13)，1422(图14和15)，1622(图17)，1822(图18和19)，2022(图21)，2222(图22和23)和2422(图24))的结构可以是图26和27的超硬材料进料22’或台22中的任一者或二者的结构。由此，任何如上所述的台结构(例如在图3、4、6至15、17至19以及21至24中所示的)可以用图26和27的超硬材料进料22’来替代。在这样的情况中，在使用压机2625的HPHT过程之后烧结的台可具有更加致密的结构，但是设想的是，最终烧结的台仍包括不同性质的晶粒的有序区域，其具有非水平平面的晶粒界面。可替代地，在使用压机2625的HPHT过程之后，任何如上所述的台结构(例如在图3、4、6至15、17至19以及21至24中所示的)可以是最终台(例如台22)的结构。然而，出于便于讨论的目的，下文对图26和27的讨论简单地提及超硬材料进料22’，台22等，而在每种应用中没有指定如上所述的(图3、4、6至15、17至19以及21至24的)台可以对其进行替代。
如在图26中所示的，本公开内容的实施方案可包括通过在支撑基材24上形成聚晶材料的台22来形成切削元件20。这种方法在这里称为“一步法HPHT过程”2600。可替代地，如在图27中所示的，本公开内容的实施方案可包括通过首先形成聚晶材料的台22并随后将所述台22连接至支撑基材24来形成切削元件20。这种方法在这里称为“两步法HPHT过程”2700。
根据一步法HPHT过程2600，使包括在将要形成的台22中的超硬材料进料22’(例如金刚石进料或其它超硬材料晶体进料，包括非相互结合的超硬材料晶粒(或晶体))和支撑基材24经受压机2625。当经历压机2625时，超硬材料进料22’的晶粒可以以如上所述的结构排列。在一些实施方案中，超硬材料进料22’的晶粒是松散有序的，并且由于一步法HPHT过程2600而变成更加紧密有序的。在一些实施方案中，一些超硬材料进料22’的晶粒可已经预烧结为聚晶结构，而其它晶粒包含晶粒粉末。
在一步法HPHT过程2600的一些实施方案中，在用于形成台22的超硬材料进料22’中还可包括催化剂的纳米级沉淀物。可以使用在超硬材料进料22’的有序晶粒当中添加极其良好地分散的催化剂的方法来形成聚晶材料台22。可替代地或者另外地，在支撑基材24经历压机2625之前，催化剂可包括在支撑基材中。
将压机2625描述为六面顶压机。可替代地，可以使用带式压机或者环形压机来执行所述方法。在压机2625中，超硬材料进料22’和支撑基材24经受升高的压力和温度来形成聚晶复合片结构的聚晶材料(即台22)。所获得的压制制品即切削元件20包括有序的晶粒间结合的超硬材料晶粒的台22，所述台22连接至支撑基材24。
可以使用图27的两步法HPHT过程2700来替代图26的一步法HPHT过程2600。如所示的，超硬材料晶粒的超硬材料进料22’在对应于在上文关于一步法过程所描述的单一阶段的两步法HPHT过程2700的第一阶段2701过程中在压机2625中经受HPHT条件，在存在或不存在支撑基材24的情况下，如果存在支撑基材24，那么随后如本领域普通技术人员已知的将其去除。在压机2625中，超硬材料进料22’经受升高的压力和温度，其结果为具有有序的晶粒间结合的超硬材料晶粒的聚晶材料台22的形成。台22和支撑基材24随后一起在两步法HPHT过程2700的第二阶段2702过程中经受压机2625，从而形成切削元件20，其包括聚晶材料的有序晶粒区域的台22，所述台位于支撑基材24上并沿着界面23结合至支撑基材(图2)。
图27的第二阶段2702可以利用在先烧结的聚晶材料台22，以将该在先烧结的聚晶材料台22结合至支撑基材24。
在两步法HPHT过程2700中，用于形成台22的原始支撑基材24和在切削元件20中纳入的新的支撑基材24可以具有相同的或相似的组成。此外，可以任选地在第二阶段2702之前或之后执行浸出。也就是说，如在下文更加详细地讨论的，在先烧结的台22，要么是在再连接至支撑基材24之前要么在再连接之后，可以任选地经受浸出过程。所述浸出过程例如可以使用酸浸出过程从相互结合的晶粒之间的间隙空间去除一些或者基本上所有的催化剂材料。例如，一种或多种浸出过程描述于1980年9月23日公告的美国专利号4,224,380；1992年7月7日公告的美国专利号5,127,923；和2012年6月5日公告的美国专利号8,191,658中，通过引用将其每个的全部公开内容并入本文，可以使用所述浸出过程从台22去除一些或者基本上所有的催化剂材料。可以在烧结台22之后(即在两步法HPHT过程2700的第一阶段2701之后)、在连接至支撑基材24之前或之后来执行这样的浸出过程。
在其它实施方案中，台22可以在形成之后通过钎焊或者黏结剂结合来固定于支撑基材。
下面描述了本公开内容的其它非限制性示例性的实施方案。
实施方案1：用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含：具有第一性质的超硬材料晶粒的第一区域；和具有第二性质的超硬材料晶粒的第二区域，所述第二性质不同于所述第一性质，第一区域和第二区域限定了在所述台的垂直横截面中具有弯曲部分的晶粒界面。
实施方案2：实施方案1的聚晶复合片台，其中第一性质包含第一平均晶粒尺寸，并且第二性质包含第二平均晶粒尺寸。
实施方案3：实施方案1的聚晶复合片台，其中第一性质包含第一超硬材料体积密度，并且第二性质包含第二超硬材料体积密度。
实施方案4：实施方案1至3任一项的聚晶复合片台，其中超硬材料晶粒包含金刚石和聚晶立方氮化硼中的至少一种。
实施方案5：实施方案1至4任一项的聚晶复合片台，其中晶粒界面进一步限定了在所述台的水平横截面中的另一个弯曲部分。
实施方案6：实施方案1至5任一项的聚晶复合片台，其中所述晶粒界面为完全弯曲的。
实施方案7：实施方案1至6任一项的聚晶复合片台，进一步包含具有第三性质的超硬材料晶粒的第三区域，所述第三性质不同于第一性质和第二性质。
实施方案8：实施方案1至7任一项的聚晶复合片台，其中：超硬材料晶粒的第一区域占据所述台中水平面的一部分；并且超硬材料晶粒的第二区域占据所述台中水平面的另一部分。
实施方案9：实施方案1至8任一项的聚晶复合片台，其中超硬材料的第一区域和超硬材料的第二区域形成至少局部的环。
实施方案10：实施方案9的聚晶复合片台，其中至少局部的环包含垂直横截面，第一区域的超硬材料和第二区域的超硬材料在所述垂直横截面中限定漩涡形状。
实施方案11：用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含：超硬材料的第一晶粒的第一簇离散区域；和所述超硬材料的第二晶粒的第二簇离散区域，第二晶粒的性质与第一晶粒的性质不同；在第二簇的至少两个离散区域之间垂直地设置的第一簇的至少一个离散区域。
实施方案12：实施方案11的聚晶复合片台，其中第一簇的离散区域和第二簇的离散区域限定了重复横跨所述台的水平横截面的图案。
实施方案13：实施方案11的聚晶复合片台，进一步包含非平面的晶粒界面，其位于第一簇的至少一个区域和第二簇的至少一个区域之间。
实施方案14：实施方案11至13任一项的聚晶复合片台，进一步包含所述超硬材料的第三晶粒的至少一个区域。
实施方案15：实施方案11的聚晶复合片台，其中第一簇的离散区域和第二簇的离散区域限定重复经过所述台的垂直横截面的图案。
实施方案16：形成用于钻具的切削元件的聚晶复合片的方法，所述方法包含：形成台结构，包含：形成具有第一性质的超硬材料的第一晶粒的第一区域；和形成具有第二性质的超硬材料的第二晶粒的第二区域；和使所述台结构经受高压高温过程来烧结第一晶粒和第二晶粒。
实施方案17：实施方案16的方法，其中：形成超硬材料的第一晶粒的第一区域包含形成具有占据多于一个水平面的外表面的前体结构；并且
形成超硬材料的第二晶粒的第二区域包含使用超硬材料的第二晶粒填充由前体结构限定的负空间以形成包含第一晶粒的第一区域和第二晶粒的第二区域的台结构，所述第二晶粒的第二区域与第一晶粒的第一区域至少部分地横向相邻。
实施方案18：实施方案17的方法，其中形成前体结构包含在外表面中形成起伏结构。
实施方案19：实施方案17的方法，其中形成前体结构包含形成具有弯曲外表面的前体结构。
实施方案20：实施方案17的方法，其中形成前体结构包含形成在其中限定包含负空间的多个空隙的前体结构。
尽管上文的说明包含许多细节，但是它们并不构成对本公开内容范围的限定，而仅提供特定的实施方案。类似地，本公开内容的其它实施方案会在不脱离本公开内容范围的情况下设计出。例如，在这里相对于一种实施方案描述的材料、尺寸、密度、形状、技术和条件还可以提供于在这里描述的其它实施方案中。因此，本发明的范围仅通过所附权利要求及它们合法的等价形式来表示和限定，而不是通过上文的说明。如在这里所公开的落入权利要求含义和范围内的对本发明所做的所有的添加、删除和改变均包括在本发明中。

Claims (20)

1.用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含：
具有第一性质的超硬材料晶粒的第一区域；和
具有第二性质的超硬材料晶粒的第二区域，所述第二性质不同于所述第一性质，第一区域和第二区域限定了在所述台的垂直横截面中具有弯曲部分的晶粒界面。
2.权利要求1的聚晶复合片台，其中第一性质包含第一平均晶粒尺寸，并且第二性质包含第二平均晶粒尺寸。
3.权利要求1的聚晶复合片台，其中第一性质包含第一超硬材料体积密度，并且第二性质包含第二超硬材料体积密度。
4.权利要求1的聚晶复合片台，其中超硬材料晶粒包含金刚石和立方氮化硼中的至少一种。
5.权利要求1的聚晶复合片台，其中晶粒界面进一步限定了在所述台的水平横截面中的另一个弯曲部分。
6.权利要求1的聚晶复合片台，其中所述晶粒界面为完全弯曲的。
7.权利要求1的聚晶复合片台，进一步包含具有第三性质的超硬材料晶粒的第三区域，所述第三性质不同于第一性质和第二性质。
8.权利要求1的聚晶复合片台，其中：
超硬材料晶粒的第一区域占据所述台中水平面的一部分；并且
超硬材料晶粒的第二区域占据所述台中水平面的另一部分。
9.权利要求1的聚晶复合片台，其中超硬材料的第一区域和超硬材料的第二区域形成至少局部的环。
10.权利要求9的聚晶复合片台，其中至少局部的环包含垂直横截面，超硬材料的第一区域和超硬材料的第二区域在所述垂直横截面中限定漩涡形状。
11.用于切削元件的聚晶复合片台，所述台包含：
超硬材料的第一晶粒的第一簇离散区域；和
所述超硬材料的第二晶粒的第二簇离散区域，第二晶粒的性质与第一晶粒的性质不同；
在第二簇的至少两个离散区域之间垂直地设置的第一簇的至少一个离散区域。
12.权利要求11的聚晶复合片台，其中第一簇的离散区域和第二簇的离散区域限定了重复横跨所述台的水平横截面的图案。
13.权利要求11的聚晶复合片台，进一步包含非平面的晶粒界面，其位于第一簇的至少一个区域和第二簇的至少一个区域之间。
14.权利要求11的聚晶复合片台，进一步包含所述超硬材料的第三晶粒的至少一个区域。
15.权利要求11的聚晶复合片台，其中第一簇的离散区域和第二簇的离散区域限定了重复经过所述台的垂直横截面的图案。
16.形成用于钻具的切削元件的聚晶复合片的方法，所述方法包含：
形成台结构，包含：
形成具有第一性质的超硬材料的第一晶粒的第一区域；和
形成具有第二性质的超硬材料的第二晶粒的第二区域；和
使所述台结构经历高压高温过程来烧结第一晶粒和第二晶粒。
17.权利要求16的方法，其中：
形成超硬材料的第一晶粒的第一区域包含形成具有占据多于一个水平面的外表面的前体结构；并且
形成超硬材料的第二晶粒的第二区域包含使用超硬材料的第二晶粒填充由前体结构限定的负空间以形成包含第一晶粒的第一区域和第二晶粒的第二区域的台结构，所述第二晶粒的第二区域与第一晶粒的第一区域至少部分地横向相邻。
18.权利要求17的方法，其中形成前体结构包含在外表面中形成起伏结构。
19.权利要求17的方法，其中形成前体结构包含形成具有弯曲外表面的前体结构。
20.权利要求17的方法，其中形成前体结构包含形成在其中限定包含负空间的多个空隙的前体结构。
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