CN105143148A - 包括金刚石纳米颗粒的聚晶金刚石复合片、包括这样的复合片的切削元件和钻地工具及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

聚晶复合片包含多个微米尺寸、亚微米尺寸或者二者的金刚石晶粒和置于所述多个金刚石晶粒之间的间隙空间中的多个金刚石纳米颗粒。形成聚晶复合片的方法包含结合多个微米和/或亚微米尺寸金刚石晶粒与多个金刚石纳米颗粒以形成混合物，和在渗碳粘结剂的存在下烧结所述混合物以形成包含多个相互结合的金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒的聚晶硬质材料。还公开了包含聚晶复合片的切削元件和具有这样的复合片的钻地工具。

Description

包括金刚石纳米颗粒的聚晶金刚石复合片、包括这样的复合片的切削元件和钻地工具及其形成方法
优先权要求
本申请要求2013年3月15日提交的序列号为13/839,589的美国专利申请“PolycrystallineDiamondCompactsIncludingDiamondNanoparticles,CuttingElementsandEarth-BoringToolsIncludingSuchCompacts,andMethodsofFormingSame.”的申请日权益。
技术领域
本公开内容整体上涉及聚晶金刚石复合片，其例如可用作用于钻地工具的切削元件，并且更特别地涉及包括金刚石纳米颗粒的聚晶金刚石复合片、形成这样的复合片的方法以及包含这样的复合片的切削元件和钻地工具。
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，其固定连接至钻头的钻头体。牙轮钻地旋转钻头可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。可以将多个切削元件安装到钻头的每个锥体。换句话说，钻地工具典型地包括钻头体，而切削元件与钻头体连接。
在这样的钻地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金刚石复合片(经常称为“PDC”)，其充当聚晶金刚石材料的切削面。聚晶金刚石材料为包括金刚石材料的晶粒或晶体形式的相互结合的颗粒的材料。换句话说，聚晶金刚石材料包括金刚石材料的晶粒或晶体之间直接的晶粒间结合。术语“晶粒”、“晶体”和“颗粒”在本文中同义地和可互换地使用。
通常通过在高温和高压的条件下在催化剂(例如钴、铁、镍或其合金和混合物)的存在下将相对小的金刚石晶粒烧结和结合在一起以在切削元件基材上形成聚晶金刚石(PCD)材料的层(称为“复合片”或“台”)来形成PDC切削元件。这些过程经常称为高温/高压(HTHP)方法。切削元件基材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，切削元件基材中的钴(或其它催化剂材料)可以在烧结过程中液化并扩散至金刚石晶粒中，并用作用于形成晶粒间金刚石至金刚石结合的催化剂(其还可表征为粘结剂)，并由金刚石晶粒获得金刚石台。在其它方法中，粉末状催化剂材料可以在HTHP方法中将晶粒烧结在一起之前与金刚石晶粒混合。
在使用HTHP方法形成金刚石台时，催化剂材料可以留在所得PDC中的金刚石晶粒之间的间隙空间中。当在使用过程中加热切削元件时，由于在切削元件和地层之间的接触点处的摩擦，催化剂材料在金刚石台中的存在可导致金刚石台中的热损坏。
聚晶金刚石(PCD)典型地包含大于80体积％的烧结金刚石晶粒，并且余量为粘结剂相。如上所述的，通常通过由支撑的烧结碳化物基材的渗透来提供这种粘结剂相，但是也可以将其作为掺和物纳入起始金刚石粉末中。金刚石晶粒典型地位于1至50微米尺寸范围之内，但是对于纳入纳米金刚石晶粒组分存在很大的关注，其可以构成显著部分，用于提高的PCD耐磨性、断裂韧性和热稳定性。认为这样的增强性能可归因于PCD中提高的金刚石体积百分比、增加的金刚石颗粒相互结合和催化剂材料体积的降低。
然而，当将金刚石纳米颗粒纳入PCD中时，遇到了显著的问题。在HTHP工艺条件下金刚石纳米颗粒可以溶解在液体状态的源自基材的渗透粘结剂或者掺合粘结剂，导致由金刚石纳米颗粒的存在所提供的耐磨性、断裂韧性和热稳定性的有益特性的损失。此外，当采用常规的钴－烧结碳化钨基材时，由于可用于烧结过程的粘结剂体积的损失，可损害烧结品质。当使用相对较高浓度(例如大于约10体积％)的金刚石纳米颗粒来形成PCD时，这种现象变得更加明显。此外，经历HTHP处理的金刚石晶粒体积中紧密堆积的金刚石纳米颗粒的存在抑制了液态粘结剂从基材渗透穿过金刚石台，随着与金刚石台和基材之间的界面距离的增加，造成金刚石台中的不太好的烧结区域，导致金刚石台不良的耐磨性和下降的机械完整性。
金刚石增强的碳化物(DEC)基材的使用已经证明产生更加耐用和抗冲击的PDC切削元件的改进，如在2011年9月22日公开的并且名称为“InsertforanAttackTool,MethodforMakingSameandToolsIncorporatingSame”的美国专利申请公开号US2011/0226532A1中描述的，通过引用将其公开内容全部并入本文。形成DEC基材的方法描述于2009年10月22日公开的并且名称为“Super-HardEnhancedHard-Metals”的国际专利公开WO2009/128034A1中，通过引用将其公开内容全部并入本文。
如在美国专利申请公开号US2011/0226532A1中描述的，PDC切削元件耐久性和抗冲击性的改进是由于包含DEC的切削元件基材的“支撑”部分的杨氏模量的提高，由于在钴或其它金属－烧结碳化物基材中分散的金刚石晶粒的存在，以及所采用的金刚石晶粒的尺寸。基材结构提供了切削元件的PCD台的提高的支撑刚度，其优于由常规的钴金属－烧结碳化物基材所提供的刚度。然而，使用DEC基材烧结包含微米尺寸金刚石晶粒的PCD台的所不需要的结果在于形成状态的PCD台中过高的钴粘结剂含量，并因此可导致较低的耐磨性。
发明内容
在一些实施方案中，制作聚晶金刚石的方法包括在容器中包封微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒，和使所包封的金刚石颗粒和金刚石纳米颗粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，从而在金刚石颗粒之间形成晶粒间结合。
聚晶复合片包括多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒，所述多个金刚石纳米颗粒置于多个金刚石材料晶粒之间的间隙空间中并与所述多个金刚石材料晶粒结合。通过使金刚石纳米颗粒和金刚石材料晶粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，使所述多个金刚石纳米颗粒与所述金刚石材料晶粒结合。
钻地工具包括钻头体和固定于所述钻头体的聚晶金刚石复合片。聚晶复合片包含多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒，所述多个金刚石纳米颗粒置于金刚石材料晶粒之间的间隙空间中并与所述金刚石材料晶粒结合。通过使金刚石纳米颗粒和金刚石材料晶粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，使所述多个金刚石纳米颗粒与所述金刚石材料晶粒结合。
附图说明
虽然本说明书以特别地指出并清楚地要求被视为是本公开内容的实施方案的权利要求结束，但是可在结合附图阅读时由下文的公开内容的一些实施方案的说明更加容易地确定本公开内容的实施方案的各种特征和优点，其中：
图1A为描述包含本公开内容的聚晶复合片的切削元件的实施方案的局部切开的透视图；
图1B为示出图1A的聚晶复合片的显微结构在放大条件下可如何显现的简化图，并且描述了相互结合和散布的较大和较小的硬质材料晶粒；
图2为描述在容器中包封的金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒的混合物的简化横截面视图，为使所述容器和其中的混合物经历HTHP烧结过程以形成聚晶金刚石复合片切削元件作准备；
图3为固定式切刀钻地旋转钻头的实施方案的透视图，该钻头包括如在图1A和1B中所示的多个聚晶复合片；
图4至6为如分别在实施例1至3中描述的所形成的PDC的SEM图像。
发明详述
在这里所提供的说明不是任何特定的聚晶复合片、聚晶复合片显微结构、颗粒、切削元件或钻地工具的实际视图，并且未按比例绘制，而仅仅是用于描述本公开内容的理想化表示。此外，附图之间共同的元件可以保留相同的附图标记。
如在这里所使用的，术语“钻地工具”是指并包括用于在形成或扩大井眼的过程中进行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、取芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、扩孔钻、磨机、刮刀钻头、牙轮钻头、混合钻头以及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“颗粒”是指并包括具有约2mm或更小平均尺度的任何相互密合体积的固体物质。晶粒(即晶体)和涂覆晶粒为颗粒的类型。如在这里所使用的，术语“纳米颗粒”是指并包括平均颗粒直径为约500nm或更小的任何颗粒。纳米颗粒包括聚晶硬质材料中的晶粒，其平均晶粒尺寸为约500nm或更小。
如在这里所使用的，术语“纳米金刚石”是指并包括包含sp-3和sp-2结合的碳的混合物的纳米晶体碳材料的任何单晶或聚晶或聚集体，其中单个颗粒或晶体无论是单一的还是聚集体的一部分均主要由sp-3键构成。可商购的纳米金刚石源自爆炸源(UDD)和破碎源，并可以是天然出现的或合成制造的，其中天然出现的纳米金刚石包括与陨星沉积物一致的天然六方碳相。
如在这里所使用的，术语“聚晶硬质材料”是指并包括包含通过晶粒间结合而直接结合在一起的多个材料晶粒或晶体的任何材料。聚晶硬质材料的单个晶粒的晶体结构可以是在聚晶硬质材料内的空间中无规取向的。
如在这里所使用的，术语“聚晶复合片”是指并包括包含聚晶硬质材料的任何结构，所述聚晶硬质材料包含通过涉及将压力施加于前体材料或者用于形成聚晶硬质材料的材料(例如压实)的方法形成的晶粒间结合。
如在这里所使用的，术语“晶粒间结合”是指并包括在材料的相邻晶粒中的原子之间任何直接的原子键(例如共价的、金属的、等等)。
如在这里所使用的，术语“催化剂材料”和“粘结剂材料”分别是指并包括在烧结过程(例如HTHP过程)中能够催化硬质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、元素后期表的第VIII-A族的其它元素及其合金，包括但不限于Co-Ni、Co-Fe、Ni-Fe、和合金。
如在这里所使用的，术语“硬质材料”是指并包括Knoop硬度值为约3,000Kgf/mm2(29,420MPa)或更大的任何材料。硬质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“渗碳”是指并包括具有提高的碳浓度。例如，金属(例如钴)粘结剂可以是渗碳的，如果其与硬质金属基材典型的碳浓度相比包括更高的碳浓度，例如超过在室内温度和压力条件下金属的碳饱和极限。
图1A为本公开内容的切削元件10的实施方案的简化的部分切开的透视图。所述切削元件10包括硬质聚晶硬质材料层12的形式的聚晶复合片，其在本领域中还已知为聚晶台，提供在(例如形成于或连接于)支撑基材16上，在其间具有界面14。尽管在图1A中描述的实施方案中切削元件10为柱形或者盘形的，但是在其它实施方案中，切削元件10可以具有任何所需的形状，例如拱形、锥形、凿子形等。
在一些实施方案中，聚晶硬质材料12包含聚晶金刚石。在这样的实施方案中，切削元件10可称为PDC切削元件。
在一些实施方案中，基材16包含DEC基材，例如金刚石增强的碳化钨基材，而在其它实施方案中，基材16可以包含常规的钴－烧结碳化物基材，例如具有渗碳粘结剂的钴－烧结碳化钨基材。
图1B为描述切削元件10的聚晶硬质材料12(图1A)的显微结构在放大条件下可如何显现的放大的简化视图。如在下文进一步详细地讨论的，聚晶硬质材料12可以包括金刚石材料的相互结合的微米尺寸晶粒18。聚晶硬质材料12还包括置于微米尺寸的相互结合的金刚石材料晶粒18之间的间隙空间22中并如以26所表示的与其相互结合的其它的较小金刚石颗粒19(例如金刚石纳米颗粒(纳米金刚石))。在一些实施方案中，并如在图1B中所示的，聚晶硬质材料12内的金刚石材料晶粒18可以具有基本上均匀的单峰晶粒尺寸分布，并且金刚石纳米颗粒也可以是基本上均匀的尺寸。在一些实施方案中，催化剂材料24可以位于未由金刚石纳米颗粒19占据的间隙空间22的区域内。
在另外的实施方案中，聚晶硬质材料12的晶粒18和金刚石纳米颗粒19中的一者或二者可以具有多峰(例如双峰、三峰等等)晶粒尺寸分布。例如，所述聚晶硬质材料12可以包含如在2011年2月10日公开的并且名称为“PolycrystallineCompactsIncludingIn-SituNucleatedGrains,Earth-BoringToolsIncludingSuchCompacts,andMethodsofFormingSuchCompactsandTools”的美国专利申请公开号US2011/0031034A1；2011年3月17日公开的并且名称为“PolycrystallineCompactsHavingMaterialDisposedinInterstitialSpacesTherein,CuttingElementsandEarth-BoringToolsIncludingSuchCompacts,andMethodsofFormingSuchCompacts”的美国专利申请公开号US2011/0061942A1；和2011年4月21日公开的并且名称为“PolycrystallineCompactsIncludingNanoparticulateInclusions,CuttingElementsandEarth-BoringToolsIncludingSuchCompacts,andMethodsofFormingSuchCompacts”的美国专利申请公开号US2011/0088954A1中的至少一个专利申请中公开的多峰晶粒尺寸分布，通过引用将其每个的公开内容全部并入本文。
更特别地，聚晶硬质材料12可以包括形成金刚石材料的三维网络的散布和相互结合的金刚石晶粒18和纳米颗粒19。金刚石晶粒18和/或较小的金刚石纳米颗粒19可以具有小于1mm、小于0.1mm、小于0.01mm、小于1μm、小于0.1μm或者甚至小于0.01μm的平均颗粒尺度(例如平均直径)。也就是说，较大的金刚石晶粒18可以包括微米尺寸金刚石颗粒(处于从约1μm至约500μm(0.5mm)范围内的金刚石晶粒)和亚微米尺寸金刚石颗粒(处于从约500nm(0.5μm)至约1μm的金刚石晶粒)。金刚石纳米颗粒19可以具有约500nm或更小的平均颗粒直径。在一些实施方案中，较大的金刚石晶粒18可以是微米尺寸金刚石颗粒和亚微米尺寸颗粒中的一者或二者，与金刚石纳米颗粒19组合。间隙空间存在于聚晶硬质材料12的相互结合的金刚石晶粒18和金刚石纳米颗粒19之间。这些间隙空间可以至少部分地填充有固体物质，例如金属溶剂催化剂材料24(例如铁、钴、镍或者其合金或混合物)。在其它实施方案中，所述间隙空间可以在聚晶硬质材料12内包括不含有固体或液体物质的空孔隙(但是气体例如空气可存在于所述孔隙中)。可以通过在形成聚晶硬质材料12之后从所述间隙空间去除(例如浸出)掉固体材料来形成这样的空孔隙。在另外的实施方案中，在聚晶硬质材料的一个或多个区域中间隙空间可以至少部分地填充有固体物质，而在聚晶硬质材料12的一个或多个区域中的间隙空间包括空孔隙。
如在本领域中已知的，可以通过在放大条件下测量显微结构的晶粒来确定显微结构内晶粒的平均晶粒尺寸。例如，扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)或者透射电子显微镜(TEM)可用于观察或者成像聚晶硬质材料12的表面(例如聚晶硬质材料12的抛光和蚀刻的表面)。经常将可商购的视觉系统与这样的显微系统一起使用，并且这些视觉系统能够测量显微结构内晶粒的平均晶粒尺寸。
在一些实施方案中，至少一些金刚石材料晶粒18可以包括原位成核的金刚石材料晶粒，如在美国专利申请公开号US2011/0031034A1中公开的，先前通过引用将其并入本文。
再次参见图1A和1B，由聚晶硬质材料12内的金刚石纳米颗粒19占据的体积可以处于聚晶硬质材料12体积的从约0.01％至约50％，例如聚晶硬质材料12体积的从约0.1％至约10％的延伸范围内。聚晶硬质材料12内的金刚石纳米颗粒19的重量百分比可以处于从约0.1wt％至约50wt％，例如从约0.1wt％至约10wt％的延伸范围内。
在聚晶硬质材料12包括聚晶金刚石的实施方案中，催化剂材料24可以是第VIII-A族元素(例如铁、钴、镍等)或其合金，并且催化剂材料24可以介于聚晶硬质材料12体积的约百分之零点一(0.1％)和约百分之十(10％)之间。
可以使用HTHP方法来形成切削元件10的聚晶硬质材料层12。这样的方法以及用于执行这样的方法的系统在本领域中通常为已知的，并且在这里没有详细地描述。在一些实施方案中，聚晶硬质材料12可以在通过在1973年7月17日授权的并且名称为“DiamondToolsforMachining”的美国专利号3,745,623中的非限制性例子所描述的类型的常规HTHP方法中在烧结碳化钨或另外的合适基材材料的支撑基材16上形成(如在图1A中所示的)，或者可以通过在1992年7月7日授权的并且名称为“CompositeAbrasiveCompactHavingHighThermalStability”的美国专利号5,127,923中的非限制性例子所描述的类似的常规HTHP方法中形成为独立式的聚晶硬质材料12(即没有支撑基材16)，通过引用将其每个的公开内容全部并入本文。在一些实施方案中，可以在用于形成聚晶硬质材料12的HTHP方法过程中由支撑基材16来供给催化剂材料24。例如，支撑基材16可以包含金刚石增强的钴烧结碳化钨材料，如在美国专利申请公开号US2011/0226532A1和国际专利公开WO2009/128034A1中描述的。钴－烧结碳化钨的钴可在HTHP方法过程中用作催化剂材料24。
为了在HTHP过程中形成聚晶硬质材料12(图1A)，包括微米尺寸金刚石材料颗粒(例如晶粒)18和金刚石纳米颗粒19(图1B)的粒料混合物可以经历提高的温度(例如高于约1,000℃的温度)和提高的压力(例如大于约5.0千兆帕(GPa)的压力)。这些条件可以促进微米尺寸金刚石材料颗粒和金刚石纳米颗粒19之间的晶粒间结合26的形成。在一些实施方案中，粒料混合物可以经历大于约6.0GPa、大于约8.0GPa或者甚至大于约9.0GPa的压力。所述粒料混合物可以在HTHP方法中经历从约1,200℃至约1,700℃的温度，例如大于约1,500℃的温度。
在一些实施方案中，所述粒料混合物可以包括粉末或粉末状物质。然而，在其它实施方案中，所述粒料混合物可以由另外的材料例如带或膜承载(例如在该材料上或在该材料中)，在堆叠至所选择的厚度之后，其可以经历HTHP过程。所述粒料混合物还可以包括有机材料来帮助处理。例如，一些合适的材料描述于2012年8月23日公开的并且名称为“MethodsofFormingPolycrystallineCompacts,CuttingElementsandEarth-BoringTools”的美国专利申请公开号US2012/0211284A1中，通过引用将其公开内容全部并入本文。
如在图2中所描述的，在经历用于形成聚晶硬质材料12的HTHP过程之前，可将金刚石晶粒118布置在容器100(例如金属容器)内。金刚石晶粒118可以包括微米和/或亚微米尺寸金刚石晶粒或晶体(例如金刚石砂粒)，其最终将形成烧结的聚晶硬质材料12中的金刚石晶粒18(参见图1A和1B)。金刚石纳米颗粒119也可以存在于容器100内的金刚石晶粒118之间的空间内。如在图2中所示的，容器100可以包括内杯102，可在其中提供金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒119。如果切削元件10将包括基材16，那么还可以任选地将基材坯料116在金刚石晶粒118和金刚石纳米颗粒119的上方或下方提供在内杯102中，并最终可以将其包封在所述容器100中。容器118可以包括顶端部件104和底端部件106，其可以围绕其中具有金刚石晶粒118、金刚石纳米颗粒119以及任选的基材坯料116的内杯102进行组装并结合在一起(例如模锻结合)。在一些实施方案中，基材坯料116可以包括DEC基材坯料。在其它实施方案中，基材坯料116可以包括常规的钴－烧结基材坯料。在后者的情况下，渗碳粘结剂24’(由虚线表示)可以与金刚石晶粒118和金刚石纳米颗粒119混合。在一些实施方案中，基材坯料116可以包括常规基材坯料，在其上具有DEC或其它渗碳材料。例如，DEC或渗碳材料可以在基材坯料116上方并与金刚石晶粒118和金刚石纳米颗粒119相邻地形成薄层(例如2-3mm厚的层)。
在所述容器100内，金刚石晶粒118可以具有从约80％至约99％的充填率(即孔隙空间为总体积的约20％和约1％之间)，例如从约85％至约95％(即孔隙空间为总体积的约5％和约15％之间)。金刚石纳米颗粒119可以占据金刚石晶粒118之间的孔隙空间，以使得金刚石纳米颗粒位于与金刚石晶粒118邻近。例如，在一些实施方案中，金刚石纳米颗粒可以基本上填充金刚石晶粒118之间的孔隙空间。在其它实施方案中，渗碳粘结剂24’可以部分地填充金刚石晶粒118之间的孔隙空间。随后执行用于形成聚晶硬质材料12和切削元件10的常规HTHP方法。
任选地，可以在HTHP过程之后使用本领域中已知的方法从形成状态的聚晶硬质材料12去除催化剂材料24(例如渗碳粘结剂24’的一部分)。例如，可以使用浸出方法从聚晶硬质材料12的至少一部分中的金刚石材料晶粒18和金刚石纳米颗粒19之间的间隙空间22去除催化剂材料24。通过示例而非限制的方式，可以使用例如在先前通过引用并入本文的美国专利号5,127,923和通过引用将其公开内容全部并入本文的于1980年9月23日授权的并且名称为“TemperatureResistantAbrasiveCompactandMethodforMakingSame”的美国专利号4,224,380中更加全面地描述的浸出剂和方法来浸出聚晶硬质材料12的一部分。特别地，王水(浓硝酸(HNO3)和浓盐酸(HCl)的混合物)可用于从间隙空间22至少基本上去除催化剂材料24。还已知的是，使用沸腾盐酸(HCl)和沸腾氢氟酸(HF)作为浸出剂。一种特别合适的浸出剂为在大于约110℃温度下的盐酸(HCl)，其可被提供为与聚晶硬质材料12接触约两(2)小时至约六十(60)小时的时间，这取决于聚晶硬质材料12本体的尺寸。在浸出聚晶硬质材料12之后，经历浸出过程的聚晶硬质材料12内的相互结合的硬质材料晶粒18之间的间隙空间22可以至少基本上不含有用于催化聚晶硬质材料12内的晶粒之间的晶粒间结合26的形成的催化剂材料24。所述浸出过程可以仅施加于聚晶硬质材料12的一部分，或者施加于聚晶硬质材料12的整个本体。
本公开内容的包括包含如上所述地在DEC基材上形成的聚晶硬质材料12的聚晶复合片的切削元件10(例如在图1A中描述的切削元件10)的实施方案可以形成并固定于钻地工具，例如旋转钻头、冲击钻头、取芯钻头、偏心钻头、扩孔钻工具、磨机工具等，用于在地下地层中形成井眼。作为非限制性的实施例，图3描述了固定式切刀类型的钻地旋转钻头36，其包括多个切削元件10，每个切削元件10包括如上所述的在DEC基材上包含聚晶硬质材料12的聚晶复合片。钻地旋转钻头36包括钻头体38和切削元件10，所述切削元件10包括聚晶硬质材料12(参见图1A)，其与钻头体38结合。可以在钻头体38的外表面中形成的袋状部内钎焊(或者以其它方式固定)切削元件10。
用于改进包含金刚石纳米颗粒的PCD的烧结的渗碳粘结剂的使用包含使用碳来浸透渗透或掺合的粘结剂。这降低金刚石(包括金刚石纳米颗粒)在粘结剂中的溶解速率，用以提高金刚石纳米颗粒的保留率和残存率。碳浸透还降低渗透粘结剂的粘度，因为粘结剂中的过量的碳降低了粘结剂熔点，用于更为有效地渗透遍及PDC台的紧密堆积的微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒。
可将粘结剂渗碳至过饱和，在这种情况下过量的碳可在PCD烧结的HTHP条件下转化为金刚石。如果如在国际专利公开WO2009/128034A1中所描述的由渗碳基材渗透，或者在掺合渗碳粘结剂的情况下提高的金刚石含量，渗碳粘结剂至金刚石的转化可以导致基材的“金刚石增强的碳化物”部分。这两种情况均带来进一步的益处。
如在这里所描述的，在相互结合的较大金刚石材料晶粒之间的间隙空间中包括并且与金刚石材料晶粒结合的金刚石纳米颗粒的聚晶硬质材料，相对于先前已知的聚晶硬质材料可以表现出改进的热稳定性并在耐磨性和抗冲击性方面表现出改进的机械耐久性。通过在相互结合的硬质材料晶粒之间的间隙空间中包括金刚石纳米颗粒，可在所得的聚晶硬质材料中的所述晶粒之间的间隙空间中布置较少的催化剂材料，这可以改进最终聚晶硬质材料的热稳定性和机械耐久性中的一者或二者。
实施例
实施例1：以7.0kW烧结金刚石和WC/Co基材
将金刚石晶粒置于金属容器内。将包含WC/Co(钴－烧结碳化钨)的基材坯料置于金属容器内的金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒上方。将基材坯料和金刚石晶粒包封在所述容器中，并通过施加7.0kW的电功率经历在约7.7GPa的压力和从约1550℃至约1600℃的温度下的HPHT过程。HPHT过程形成PDC，使用SEM(扫面电子显微镜)拍照，如图4所示。金刚石台为充分烧结的，并包括金刚石晶粒之间的显著金刚石交互生长。
实施例2：以6.5kW烧结金刚石和WC/Co基材
如在对比例1中所描述的形成PDC，但是仅施加6.5kW的功率，并且烧结温度因此介于约1440℃至约1485℃之间。使用SEM对所获得的PDC拍照，如图5所示。金刚石台为欠烧结的，并缺乏显著的金刚石交互生长。
实施例3：以6.5kW烧结金刚石和DEC基材
将金刚石晶粒置于金属容器内。将包含90体积％WC/Co和10体积％金刚石的基材坯料置于金属容器内的金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒上方。将基材坯料和金刚石晶粒包封在所述容器内，并通过施加6.5kW的电功率经历在约7.7GPa的压力和从约1440℃至约1485℃的温度下HPHT过程。HPHT过程形成PDC，使用SEM对其进行拍照，如图6所示。金刚石台是充分烧结的，并包括显著的金刚石交互生长。由此，具有WC/Co和金刚石的基材的PDC可以在较低的功率水平和较低的温度下形成，而仍然可以保持显著的金刚石交互生长。
在下文描述本公开内容的其它非限制性的示例性实施方案。
实施方案1：制作聚晶金刚石的方法，包含:在容器中包封微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒，和使所包封的金刚石颗粒和金刚石纳米颗粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，从而在金刚石颗粒之间形成晶粒间结合。
实施方案2：实施方案1的方法，其中在容器中包封微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒包括使渗碳粘结剂与微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒混合。
实施方案3：实施方案1或实施方案2的方法，进一步包含使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积。
实施方案4：实施方案3的方法，其中使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积包括使用碳浸透粘结剂。
实施方案5：实施方案3的方法，其中使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积包括使用碳过度浸透粘结剂。
实施方案6：实施方案3至5任一项的方法，其中使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积包括使源自金刚石增强的碳化物基材的碳扩散至微米尺寸金刚石晶粒之间的体积内。
实施方案7：实施方案1至6任一项的方法，进一步包含从聚晶金刚石浸出至少一部分渗碳粘结剂。
实施方案8：聚晶复合片，包含多个金刚石材料晶粒和置于多个金刚石材料晶粒之间的间隙空间中并与多个金刚石材料晶粒结合的多个金刚石纳米颗粒。通过使金刚石纳米颗粒和金刚石材料晶粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，使所述多个金刚石纳米颗粒与金刚石材料晶粒结合。
实施方案9：实施方案8的聚晶复合片，其中通过在容器中包封多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒来形成聚晶复合片。
实施方案10：实施方案8或9的聚晶复合片，其中通过使渗碳粘结剂与多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒混合来形成聚晶复合片。
实施方案11：实施方案8至10任一项的聚晶复合片，其中通过使用渗碳粘结剂至少部分地填充多个金刚石材料晶粒之间的体积来形成聚晶复合片。
实施方案12：实施方案11的聚晶复合片，其中通过使用碳浸透粘结剂来形成所述渗碳粘结剂。
实施方案13：实施方案11的聚晶复合片，其中通过使用碳过度浸透粘结剂来形成所述渗碳粘结剂。
实施方案14：实施方案11至13任一项的聚晶复合片，其中通过使源自金刚石增强的碳化物基材的碳扩散至多个金刚石材料晶粒之间的体积中来形成渗碳粘结剂。
实施方案15：实施方案8至14任一项的聚晶复合片，其中通过从所述聚晶复合片浸出至少一部分渗碳粘结剂来形成聚晶复合片。
实施方案16：钻地工具，包含钻头体和固定于所述钻头体的聚晶金刚石复合片。所述聚晶复合片包含多个金刚石材料晶粒和置于金刚石材料晶粒之间的间隙空间中并与金刚石材料晶粒结合的多个金刚石纳米颗粒。通过使金刚石纳米颗粒和金刚石材料晶粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，使多个金刚石纳米颗粒与金刚石材料晶粒结合。
实施方案17：实施方案16的钻地工具，其中通过在容器中包封多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒来形成聚晶复合片。
实施方案18：实施方案16或17的钻地工具，其中通过使渗碳粘结剂与多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒混合来形成聚晶复合片。
实施方案19：实施方案16至18任一项的钻地工具，其中通过使用渗碳粘结剂至少部分地填充多个金刚石材料晶粒之间的体积来形成聚晶复合片。
实施方案20：实施方案19的钻地工具，其中通过使源自金刚石增强的碳化物基材的碳扩散至多个金刚石材料晶粒之间的体积中来形成渗碳粘结剂。
实施方案21：实施方案16至20任一项的钻地工具，其中聚晶复合片包含浸出的聚晶复合片。
虽然已经关于某些实施方案描述了本公开内容，但是本领域普通技术人员将认识到并理解的是，本公开内容不限于此。更确切地说，可以对在这里描述的实施方案做出多种添加、删除和改变而不脱离在下文要求保护的本发明的范围(包括法律等价形式)。此外，可将来自一种实施方案的特征与另一种实施方案的特征组合，同时仍然包括于由发明人所设想的本发明的范围内。另外，本公开内容的实施方案具有不同和各种各样的钻头轮廓以及各种各样的切削元件类型和构造的实用性。

Claims (21)

1.制作聚晶金刚石的方法，包含:
在容器中包封微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒；和
使所包封的金刚石颗粒和金刚石纳米颗粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，从而在金刚石颗粒之间形成晶粒间结合。
2.权利要求1的方法，其中在容器中包封微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒包括使渗碳粘结剂与微米尺寸金刚石晶粒和金刚石纳米颗粒混合。
3.权利要求1的方法，进一步包含使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积。
4.权利要求3的方法，其中使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积包括使用碳浸透粘结剂。
5.权利要求3的方法，其中使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积包括使用碳过度浸透粘结剂。
6.权利要求3的方法，其中使用渗碳粘结剂至少部分地填充微米尺寸金刚石晶粒之间的体积包括使源自金刚石增强的碳化物基材的碳扩散至微米尺寸金刚石晶粒之间的体积内。
7.权利要求1的方法，进一步包含从聚晶金刚石浸出至少一部分渗碳粘结剂。
8.聚晶复合片，包含：
多个金刚石材料晶粒；和
置于多个金刚石材料晶粒之间的间隙空间中并与多个金刚石材料晶粒结合的多个金刚石纳米颗粒；
其中，通过使金刚石纳米颗粒和金刚石材料晶粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，使所述多个金刚石纳米颗粒与金刚石材料晶粒结合。
9.权利要求8的聚晶复合片，其中通过在容器中包封多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒来形成聚晶复合片。
10.权利要求8的聚晶复合片，其中通过使渗碳粘结剂与多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒混合来形成聚晶复合片。
11.权利要求8的聚晶复合片，其中通过使用渗碳粘结剂至少部分地填充多个金刚石材料晶粒之间的体积来形成聚晶复合片。
12.权利要求11的聚晶复合片，其中通过使用碳浸透粘结剂来形成所述渗碳粘结剂。
13.权利要求11的聚晶复合片，其中通过使用碳过度浸透粘结剂来形成所述渗碳粘结剂。
14.权利要求11的聚晶复合片，其中通过使源自金刚石增强的碳化物基材的碳扩散至多个金刚石材料晶粒之间的体积中来形成渗碳粘结剂。
15.权利要求8的聚晶复合片，其中通过从所述聚晶复合片浸出至少一部分渗碳粘结剂来形成聚晶复合片。
16.钻地工具，包含：
钻头体；和
固定于所述钻头体的聚晶金刚石复合片，聚晶复合片包含：
多个金刚石材料晶粒；和
置于金刚石材料晶粒之间的间隙空间中并与金刚石材料晶粒结合的多个金刚石纳米颗粒；
其中，通过使金刚石纳米颗粒和金刚石材料晶粒在渗碳粘结剂的存在下经历至少5.0GPa的压力和至少1000℃的温度，使多个金刚石纳米颗粒与金刚石材料晶粒结合。
17.权利要求16的钻地工具，其中通过在容器中包封多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒来形成聚晶复合片。
18.权利要求16的钻地工具，其中通过使渗碳粘结剂与多个金刚石材料晶粒和多个金刚石纳米颗粒混合来形成聚晶复合片。
19.权利要求16的钻地工具，其中通过使用渗碳粘结剂至少部分地填充多个金刚石材料晶粒之间的体积来形成聚晶复合片。
20.权利要求19的钻地工具，其中通过使源自金刚石增强的碳化物基材的碳扩散至多个金刚石材料晶粒之间的体积中来形成渗碳粘结剂。
21.权利要求16的钻地工具，其中聚晶复合片包含浸出的聚晶复合片。
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