CN105229255B - 超硬结构体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

超硬多晶结构体，包含多晶超硬材料的本体，该多晶超硬材料的本体包含具有第一平均晶粒尺寸的第一超硬相，以及具有第二平均晶粒尺寸的第二超硬相。第二超硬相位于第一超硬相中的一个或多个通道或缝隙中，第一超硬相在超硬材料主体上形成骨架。第二超硬相通过非超硬相接合于第一超硬相。第一超硬相和第二超硬相在晶粒尺寸和/或组成上不同。还公开了制造此类超硬多晶结构体的方法。

Description

超硬结构体及其制造方法

技术领域

本公开涉及超硬结构体和制造此类结构体的方法，特别但非排它地涉及包含连接到基材的多晶金刚石(PCD)结构的结构体，以及包含其的工具，特别但非排它地用于岩石破解或钻孔，或用于钻入地中。

背景技术

多晶超硬材料，如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可用于多种用于切削、机加工、钻孔或破解硬质或磨蚀性材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料的工具。特别地，包含PCD材料的切削元件形式的工具插入件广泛用于钻入地中以开采石油或天然气的钻头中。超硬工具插入件的使用寿命可能受到超硬材料的破碎的限制，包括受到散裂和剥落的限制，或受到工具插入件磨损的限制。

切削元件，如用于岩石钻头或其它切削工具的那些，通常具有基材形式的本体(body)，其具有界面末端/表面和通过例如烧结过程形成接合到该基材的界面表面的切削层的超硬材料。该基材通常由碳化钨-钴合金构成，有时称为烧结碳化钨，该超硬材料层通常是多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产物TSP材料如热稳定多晶金刚石。

多晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超硬磨料或超级硬材料)的一个实例，其包含大量互生(inter-grown)的金刚石晶粒，构成了限定金刚石晶粒之间间隙的骨架物(mass)。PCD材料通常包含至少约80体积％的金刚石，并且在常规上通过对金刚石晶粒的聚集物施以例如大于约5GPa的超高压力和至少约1,200℃的温度来制造。完全或部分填充该间隙的材料可以称为填料或粘合剂材料。

PCD通常在烧结助剂如钴的存在下形成，所述烧结助剂促进了金刚石晶粒的互生。适于PCD的烧结助剂通常也称为金刚石的溶剂-催化剂材料，这是由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能。用于金刚石的溶剂-催化剂理解为是能够在金刚石热动力学稳定的压力和温度条件下促进金刚石生长或金刚石晶粒之间的直接金刚石-金刚石互生的材料。因此，在烧结PCD产物的间隙中可以完全或部分填充有残余溶剂-催化剂材料。最通常地，PCD常常在钴-结碳化钨基材上形成，该基材提供了用于PCD的钴溶剂-催化剂的源。不能促进金刚石晶粒之间的实质性相关互生的材料本身可以构成与金刚石晶粒的牢固键合，但是并非适于PCD烧结的溶剂-催化剂。

可用于形成合适基材的烧结碳化钨通过将碳化钨颗粒/晶粒和钴混合在一起并随后加热以凝固而由分散在钴基质中的碳化物颗粒构成。为了形成具有超硬材料层如PCD或PCBN的切削元件，金刚石颗粒或晶粒或CBN晶粒在难熔金属外壳如铌外壳中邻近该烧结碳化钨本体放置并施以高压和高温，使得发生金刚石晶粒或CBN晶粒之间的晶粒间接合，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。

在一些情况下，该基材可以在连接至超硬材料层之前完全固化，而在其它情况下，该基材可以是生坯，也就是说没有完全固化。在后一种情况下，该基材可以在HTHP烧结过程中完全固化。该基材可以为粉末形式，并可以在用于烧结该超硬材料层的烧结过程中凝固。

在地球钻探领域对改进的生产率的不断提高的驱动力导致对用于切削岩石的材料的需求不断提高。具体而言，需要具有提高的耐磨蚀性与耐冲击性的PCD材料以实现更快的切削速率和更长的工具寿命。

包含PCD材料的切削元件或工具插入件广泛用于石油和天然气钻探行业中用于钻入地中的钻头。岩石钻探和其它操作需要高耐磨蚀性与耐冲击性。限制多晶金刚石(PCD)磨料刀具成功的因素之一是由于PCD与加工材料之间摩擦而生成热。这种热导致金刚石层的热降解。通过提高的PCD层的开裂与剥落以及金刚石反向转化为石墨，造成提高的磨料损耗，该热降解提高了该刀具的磨耗率。

用于改善PCD复合材料的耐磨性的方法通常导致该复合材料的耐冲击性的降低。

最耐磨等级的PCD通常受困于刀具在其磨损殆尽之前的灾难性断裂。在使用这些刀具的过程中，裂纹生长，直到它们达到可发生灾难性失效时的临界长度，即当大部分PCD以脆性方式脱落时。在使用常规烧结PCD过程中遭遇这些长的、快速生长的裂纹，导致短暂的工具寿命。

此外，不考虑它们的高强度，多晶金刚石(PCD)材料因其低断裂韧性而通常容易遭受冲击断裂。在不会不利地影响该材料的高强度和耐磨性(其对于切穿岩石的能力是重要的)的情况下改进断裂韧性是一项具有挑战性的任务。

因此需要具有良好或改进的耐磨蚀性、抗断裂性和耐冲击性的PCD复合材料以及形成此类复合材料的方法。

发明概述

从第一方面来看，提供了一种超硬多晶结构体，包含：

多晶超硬材料的本体，该多晶超硬材料的本体包含：

具有第一平均晶粒尺寸的第一超硬相；和

具有第二平均晶粒尺寸的第二超硬相；

其中第二超硬相位于第一超硬相中的一个或多个通道或缝隙中，第一超硬相形成超硬材料本体中的骨架，第二超硬相通过非超硬相接合于第一超硬相；和

其中第一超硬相和第二超硬相在平均晶粒尺寸和/或组成方面不同。

从第二方面来看，提供了一种形成超硬多晶结构体的方法，包含：

提供用于形成第一超硬相的第一超硬材料的颗粒或晶粒物；烧结第一超硬相和形成其中具有多个通道和/或缝隙的骨架；

提供用于形成第二超硬相的第二超硬晶粒或颗粒物；

将第二超硬晶粒或颗粒物放置在由第一超硬相形成的骨架中的一个或多个通道和/或缝隙中以形成预烧结组装件；其中第一超硬相和第二超硬相在平均晶粒尺寸和/或组成方面不同；和

在用于该超硬晶粒的催化剂/溶剂材料的存在下，在约5.5GPa或更高的超高压力下和该超硬材料比石墨更热力学稳定的温度下处理该预烧结组装件以将超硬材料晶粒烧结在一起，以形成多晶超硬结构体，该超硬晶粒表现出粒间接合，并在其间限定多个间隙区域，其中多晶超硬材料主体包含工作表面，该工作表面由骨架和位于骨架中的多个通道和/或缝隙中的第二超硬相的交替性部分形成。

从另一方面来看，提供了一种包含上文定义的超硬多晶结构体的工具，该工具用于切削、铣削、研磨、钻孔、钻地、钻岩或其它磨削应用。

该工具可以包含例如用于钻地或钻岩的钻头、用于石油和天然气钻探行业的旋转固定刀具钻头、或滚锥钻头、开孔工具、膨胀工具、扩眼器或其它钻地工具。

从另一方面来看，提供了一种包含上文定义的超硬多晶结构体的钻头或刀具或用于此的部件。

附图概述

现在将通过实施例并参照附图描述本发明，其中：

图1是用于钻入地中的钻头的PCD刀具元件的一个实例的透视图；

图2是PCD刀具元件的实例的平面图；

图3是形成例如图2所示的PCD刀具元件的实例的方法的示意性流程图；

图4是穿过PCD刀具元件的另外实例的示意性部分横截面；

图5a是穿过PCD刀具元件的另一实例的示意性部分横截面；

图5b是PCD刀具元件的另外实例的平面图；以及

图6是显示垂直钻孔试验的结果的曲线图，比较了具有不同平均晶粒尺寸的两个常规PCD刀具和如图2所示的PCD刀具元件。

相同的附图标记在所有附图中是指相同的一般特征。

发明详述

本文中所用的“超硬材料”是具有至少约28GPa的维氏硬度的材料。金刚石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的实例。

本文中所用的“超硬结构体”指的是包含多晶超硬材料的本体的结构体。在此类结构体中，基材可以连接于其，或者该多晶材料的本体可以是无支撑的(free-standing)和无背衬的。

本文中所用的多晶金刚石(PCD)是一种类型的多晶超硬(PCS)材料，其包含多个金刚石晶粒，其大部分直接彼此相互接合，并且其中金刚石含量为该材料的至少约80体积％。在PCD材料的一个实施方案中，金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分填充有包含用于金刚石的催化剂的粘合剂材料。本文中所用的“间隙”或“间隙区域”是PCD材料的金刚石晶粒之间的区域。在PCD材料的实施方案中，间隙或间隙区域可以基本或部分填充有金刚石之外的材料，或它们可以是基本空的。PCD材料可以包含至少一个已经从间隙中除去催化剂材料的区域，在该金刚石晶粒之间留下间隙空隙。

用于超硬材料的“催化剂材料”能够促进该超硬材料的生长或烧结。

本文中所用的术语“基材”指的是在其上方形成该超硬材料层的任何基材。例如，本文中所用的“基材”可以是在另一基材上方形成的过渡层。

本文中所用的术语“整体成型的”区域或部分彼此邻接地产生并且没有被不同种类的材料分隔。

在如图1中显示的实施方案中，切削元件1包括基材10以及在该基材10上形成的超硬材料层12。该基材10可以由硬质材料如烧结碳化钨构成。该超硬材料12可以是例如多晶金刚石(PCD)或热稳定产物如热稳定PCD(TSP)。该切削元件1可以安装到钻头体如刮刀钻头体中(未显示)，并可以例如适于用作钻入地中的钻头的刀具插入件。

与该基材相对的该超硬材料的暴露上表面构成切削面14，该切削面是在使用中与其边缘16进行切削的表面。

在该基材10的一端是与超硬材料层12构成界面的界面表面18，该超硬材料层12在该界面表面处连接于其。如图1的实施方案中所示，基材10整体是圆柱形的，并具有圆周表面20和外周顶部边缘22。

如本文中所用，PCD等级是在金刚石晶粒的体积含量与尺寸、金刚石晶粒之间的间隙区域的体积含量以及可存在于间隙区域中的材料的组成的方面表征的PCD材料。可以通过以下方法制造一定等级的PCD材料，该方法包括提供具有适于该等级的尺寸分布的金刚石晶粒的聚集物，任选向该聚集物中引入催化剂材料或添加剂材料，并在用于金刚石的催化剂材料源的存在下对该聚集物施以一压力和温度，在该压力和温度下金刚石比石墨更热力学稳定并且该催化剂材料熔融。在这些条件下，熔融的催化剂材料可能由该来源渗入到该聚集物中，并有可能在烧结过程中促进金刚石晶粒之间的直接互生以形成PCD结构。该聚集物可以包含松散的金刚石晶粒或由粘合剂材料保持在一起的金刚石晶粒，并且所述金刚石晶粒可以是天然或合成的金刚石晶粒。

不同的PCD等级可以具有不同的显微组织和不同的机械性质，如弹性(或杨氏)模量、弹性模数、横向断裂强度(TRS)、韧度(如所谓的K₁C韧度)、硬度、密度和热膨胀系数(CTE)。不同的PCD等级还可能在使用中表现不同。例如，不同PCD等级的磨耗率和抗断裂性可能不同。

所有的PCD等级可以包含填充有包含钴金属的材料的间隙区域，所述钴金属是用于金刚石的催化剂材料的一个实例。

该PCD结构体12可以包含一个或多个PCD等级。

图2是形成图1的超硬层12的PCD材料的实施方案的平面图。超硬层12包含形成骨架或框架100的第一超硬材料相，其在图2的实例中是具有从中心部分延伸的轮辐的有辐盘状物或部分的形式，且第二超硬相120位于邻近轮辐中。

第一和第二相100，200的超硬材料可以包含超硬材料例如金刚石晶粒或颗粒的相互接合的晶粒。在每一相中，在烧结前的初始混合物可以是单峰或多峰的，例如双峰的，也就是说，该进料包含金刚石晶粒的粗粒级和金刚石晶粒的细粒级(它们要形成交替性层或层面的一个或多个)的混合物。在一些实施方案中，该粗粒级可以具有例如约10至60微米的平均颗粒/晶粒尺寸。“平均颗粒或晶粒尺寸”指的是个别颗粒/晶粒具有一尺寸范围，平均颗粒/晶粒尺寸呈现“平均值”。细粒级的平均颗粒/晶粒尺寸小于粗粒级的尺寸，例如为粗粒级尺寸的约1/10至6/10，并且在一些实施方案中可以为例如约0.1至20微米。

在一些实施方案中，粗金刚石粒级对细金刚石粒级的重量比为约50％至约97％的粗金刚石，并且细金刚石粒级的重量比可以为约3％至约50％。在其它实施方案中，粗粒级对细粒级的重量比将为约70:30至约90:10。

在进一步的实施方案中，粗粒级对细粒级的重量比例如可以为约60:40至约80:20。

在一些实施方案中，该粗和细粒级的颗粒尺寸分布不会重叠，并且在一些实施方案中该复合片的不同尺寸组分在构成多峰分布的单独尺寸粒级之间以数量级相区分。

一些实施方案可包含超硬材料的粗与细粒级之间的宽双峰尺寸分布，但是一些实施方案可以包括三峰或甚至四峰或甚至更多尺寸模式，其可以例如在尺寸上以数量级相区分，例如，其平均颗粒尺寸为20微米、2微米、200纳米和20纳米的粒度混合。

金刚石颗粒/晶粒按尺寸分为细粒级、粗粒级或在此之间的其它尺寸可以通过已知方法进行，如喷射研磨较大的金刚石晶粒等等。

在其中该超硬材料是多晶金刚石材料的实施方案中，用于形成该多晶金刚石材料的金刚石晶粒可以是天然的或合成的。

在一些实施方案中，该粘合剂催化剂/溶剂可以包含钴或某些其它铁族元素如铁或镍，或其合金。周期表中第IV-VI族的金属的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物是可以添加到该烧结混合物中的非金刚石材料的其它实例。在一些实施方案中，该粘合剂/催化剂/烧结助剂可以是Co。

烧结金属碳化物基材在组成上可以是常规的，并由此可以包括任何的第IVB、VB或VIB族金属，其在钴、镍或铁或其合金的粘合剂的存在下压制和烧结。在一些实施方案中，该金属碳化物是碳化钨。

图1的刀具可以例如由图3所示的流程图制造。

本文中所用的“生坯”是包含待烧结的晶粒和将该晶粒保持在一起的手段如粘合剂，例如有机粘合剂的本体。

显示为如图3中那样制备的PCD元件200的介观结构包含两种PCD相，第一相具有第一金刚石颗粒尺寸分布，第二相具有第二金刚石颗粒尺寸分布。如上所述，不同的颗粒尺寸分布又可能是单峰的，包含单一级别的金刚石晶粒；或双峰的，包含两种以上级别的金刚石晶粒或颗粒。通过球磨单独地制备每一材料级别粉末以产生所感兴趣的颗粒尺寸分布。可以通过与催化剂粘合剂例如Co、Ni、Fe、Mn、Pt和Ir和/或其组合球磨来混合单独的粉末。在一些实施方案中，在该方式中不包括附加的催化剂粘合剂。

如图3所示，在第一阶段中，在高压(优选高于5GPa)和高温(优选高于1400摄氏度)下，通过从WC基材的钴渗透烧结一种金刚石晶粒尺寸级别的金刚石粉末。

在另一实施方案中，可以将一种级别的金刚石粉末烧结为固体PCD而无渗透。这可以例如通过第三代混合来实现。

可以如上所示那样制备要形成PCD台12中的骨架或框架的一个或多个烧结PCD的盘状物。然后将盘状物抛光并使用例如EDM法、激光磨蚀或烧蚀或刻模(die sinking)法在PCD中切割所设计的槽或缝隙以产生所需骨架介观结构或框架200。

骨架200中的槽或缝隙可以呈对特定用途所需的任何形状，例如圆形、方形、矩形、或多边形或其混合。

在图3所示的第二阶段中，将骨架200引入铌杯中。将第二相材料300方粉末混合物例如金刚石粉末、金刚石碎纸或例如惰性液体中的金刚石浆料放置在杯中，以便填充骨架200中的开放体积和形成与基材320的界面，所述界面置于组装件顶部以形成预复合物。基材320可以是例如氧化铝或WC的复合物，且可包括烧结催化剂例如Co、Ni、Fe或Mn，其例如在HPHT烧结期间渗透该骨架。

然后，通过例如振动压制、冷等静压或HIP将预复合物压实(consolidate)以增加生坯的密度。在一些实施方案中，可以通过在650℃下在5％H2/N2气氛中的热处理从预复合物移除粘结剂材料。

然后，可在1050℃在真空(10^－5mbar)中将预复合物除气。

然后，在约1400℃的温度和例如大于5GPa的压力下在HPHT方法中烧结预复合物以形成如图1所示的PCD复合片。

在替代性实施方案中，在醇例如甲醇或乙醇与塑化剂例如DBP的混合物中制备金刚石或超硬材料粉末的浆料。然后，在管式混合器中将该浆料均化。通过在移动的桌上浇注并在约60℃下干燥制备了金刚石或超硬材料纸。纸厚度可以是例如200微米以下。在例如由WC、硬化钢或任何高强度材料制成的实心冲头上形成再现所需介观结构的阳模结构。使用该冲头来在单独的纸中产生要形成介观结构的开放空间/体积。将多张单独的穿孔纸堆叠在一起以产生所需厚度的骨架介观结构。然后将纸堆叠在铌杯中，然后采用上述方法填充介观结构中的空隙，并烧结以形成PCD复合片。

在用于产生骨架的另外替代性实施方案中，使用合适的粘结剂，将具有所需介观结构的一种金刚石级别的生坯骨架进行注射成型或3D打印。骨架中的开放体积可呈任何形状，例如圆形、方形、矩形或多边形或其任何所需组合。然后将该骨架置于铌杯中，然后采用上述方法填充介观结构中的空隙，并烧结以形成PCD复合片。

在另一实施方案中，可如下形成骨架。使用合适的粘结剂，将具有所需介观结构的一种金刚石级别的阳模生坯骨架进行注射成型或3D打印。使用合适的粘结剂，将具有所需介观结构的一种金刚石级别的阴模生坯骨架进行注射成型或3D打印。骨架中的开放体积可呈任何形状，例如圆形、方形、矩形和多边形或其任何组合。

组装阳模和阴模部件，置于铌杯中的WC催化剂基材顶部，如上述方法中所述的那样，并在HPHT下烧结预复合物，例如在高于1400℃的温度和高于5GPa的压力下。

在又一实施方案中，可如下形成骨架。使用合适的粘结剂，将由替代性材料相构成的具有所需介观结构的生坯进行3D打印。替代性的材料相可以例如是不同级别的PCD、PCD和氧化物或陶瓷或WC或任何其他硬质金属。将生坯置于预成型的WC催化剂基材顶部，然后如上所示那样在HPHT下烧结。

在其中预烧结该骨架或框架100、200的实施方案中，可对骨架施以处理例如酸浸出，以从相互接合的金刚石晶粒之间的一些或基本所有间隙移除残余催化剂/粘合剂，从而减少其中的催化剂含量。这是在对骨架施以第二HPHT烧结循环之前，其中在骨架中的空隙或通道中的体积填充有第二超硬相。因而，骨架经受两个HPHT烧结循环(称为双重烧结)。

起始骨架盘状物100、200可以由比用于填充骨架中的空隙或通道的那些更磨蚀和高度冲击抵抗性的PCD级别(或材料)300制成，或反之亦然，如所需地取决于烧结的PCD复合片的预期应用，骨架盘状物的空的体积填充有例如在组成和/或颗粒尺寸方面不同于在起始骨架生坯中所用的金刚石粉末级别的金刚石粉末级别，从而实现所需结构体。

如上所述，还可以使用3D打印或注射成型将起始骨架盘状物制备成生坯。在此阶段，插入价仅经过一个HPHT烧结循环。

如上所述，骨架100、200可以由一个或多个其中形成有空隙或通道的任何所需组合(以特定所需构造排列)的层或堆叠的盘状物形成。图2、4、5a和5b显示了用于骨架的替代性构造，如图2所示的构造是有辐结构，使得在最终烧结产物中，超硬材料本体包含交替性部分，其可以为如图2所示的同心竖直层，或在其他实施方案中可为相对于竖直轴倾斜的(如图4所示)，或如图5a和5b所示的区域。在高压高温烧结期间，通过渗透和与催化剂材料的反应，交替性部分、层或区域结合在一起。

如上所述，骨架100、200和/或填充骨架中的空隙或通道的第二超硬相300的实施方案可以通过制备生坯的多种方法制成。一种或多种生坯包含超硬材料的晶粒或颗粒和粘合剂例如有机粘合剂。一种或多种生坯还可以包含用于促进超硬晶粒烧结的催化剂材料。可以通过合并该晶粒或颗粒与该粘合剂/催化剂并将它们成型为具有与意欲烧结的本体基本相同的大致形状的本体，无论其是骨架还是要填充骨架中的通道或空隙的第二超硬相，并干燥粘合剂来制造一种或多种生坯。至少一部分该粘合剂材料可以通过例如将其烧掉来去除。该生坯可以通过包括压实过程、注塑过程或其它方法如模塑、挤出、沉积建模方法来成型。

该基材320可以提供用于促进超硬晶粒烧结的催化剂材料的源。在一些实施方案中，该超硬晶粒可以是金刚石晶粒，且该基材可以是钴-结碳化钨，该基材中的钴是用于烧结该金刚石晶粒的催化剂的源。该预烧结组装件可以包含附加的催化剂材料的源。

在烧结后，该多晶超硬结构体可以研磨至一定尺寸，并且如果需要的话可以包括在由此制得的多晶超硬材料本体上约0.4毫米高度的45°倒角。

在其中烧结碳化物基材320不含有足够的用于金刚石的溶剂/催化剂并且其中该PCD结构在烧结过程中在超高压力下整体成型到基材上的实施方案中，溶剂/催化剂材料可以包含在金刚石晶粒的聚集物中或由烧结碳化物基材之外的材料源引入到金刚石晶粒的聚集物中。该溶剂/催化剂材料可以包含钴，其在超高压力下在烧结步骤之前和在烧结步骤过程中由该基材渗透到金刚石晶粒的聚集物中。但是，在其中基材中钴或其它溶剂/催化剂材料的含量为低的实施方案中，特别是当其低于该烧结碳化物材料的约11重量％时，那么可能需要提供替代源以便确保该聚集物的良好烧结以形成PCD。

用于金刚石的溶剂/催化剂可以通过各种方法引入到金刚石晶粒的聚集物中，包括将粉末形式的溶剂/催化剂材料与该金刚石晶粒共混，将溶剂/催化剂材料沉积到该金刚石晶粒表面上，或者在烧结步骤之前或作为烧结步骤的一部分由基材之外的材料源将溶剂/催化剂材料渗透到该聚集物中。将用于金刚石的溶剂/催化剂(如钴)沉积到金刚石晶粒表面上的方法在本领域是公知的，并包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射涂覆、电化学法、无电涂覆法和原子层沉积(ALD)。要理解的是，各自的优点与缺点取决于烧结助剂材料的性质和待沉积的涂层结构，以及该晶粒的特性。

在一个实施方案中，该粘合剂/催化剂如钴可以通过首先沉积前体材料并随后将该前体材料转化为包含元素金属钴的材料沉积到该金刚石晶粒的表面上。例如，在第一步骤中，可以采用以下反应在金刚石晶粒表面上沉积碳酸钴：

Co(NO₃)₂+Na₂CO₃→CoCO₃+2NaNO₃

钴或其它用于金刚石的溶剂/催化剂的碳酸盐或其它前体的沉积可以通过PCT专利公开号WO/2006/032982中描述的方法来实现。碳酸钴可以随后转化为钴和水，例如，通过如下的热解反应：

CoCO₃→CoO+CO₂

CoO+H₂→Co+H₂O

在另一实施方案中，钴粉末或钴的前体，例如碳酸钴，可以与该金刚石晶粒共混。当使用溶剂/催化剂如钴的前体时，有必要热处理该材料以实现反应，以在烧结该聚集物之前制造元素形式的溶剂/催化剂材料。

在一些实施方案中，该烧结碳化物基材可以由通过粘合剂材料接合在一起的碳化钨颗粒构成，该粘合剂材料包含Co、Ni和Cr的合金。该碳化钨颗粒可以构成该基材的至少70重量％和至多95重量％。该粘合剂材料可以包含约10至50重量％的Ni、约0.1至10重量％的Cr，剩余的重量百分比包含Co。

在立式镗床试验中比较了按照一个实施方案的PCD复合片与由具有约4微米的平均晶粒尺寸的金刚石形成的两个常规PCD刀具(FG302)和由具有约22微米的平均晶粒尺寸的金刚石形成的两个PCD刀具(Quadmodal)，所述PCD复合片包含由具有约4微米的平均金刚石晶粒尺寸的PCD形成的骨架或框架100、200和填充有具有约22微米的平均金刚石晶粒尺寸的PCD 300的空隙。结果图示在图6中。PCD实施方案的试验结果在图6中是中间的线。在该试验中，作为刀具元件钻入工件的道次的函数，测量磨损平面面积。所述结果提供了对切削长度绘图的总磨痕面积的指示。将会看出，按照一个实施方案形成的PCD复合片，与由具有约22微米的平均晶粒尺寸的金刚石形成的常规PCD中所发生的相比，能够实现更大的切削长度和更小的磨痕面积；与由具有约4微米的细晶粒尺寸的金刚石形成的常规PCD刀具相比，能够实现更大的切削长度和相似的磨痕。这意味着，对于相似的磨痕形成，具有实施方案刀具的工具的更长工作寿命是可能的。

虽然不希望被特定理论束缚，但据信，在已双重烧结的骨架和在骨架或框架的空隙或通道中的超磨料之间具有交替性超磨料相的功能渐变的PCD的实施方案，使得一个材料相的高磨蚀抵抗性与具有高磨蚀、断裂和冲击抵抗性的PCD材料中所得到的其他的高冲击抵抗性的组合成为可能。此外据信，通过用仅经历单一烧结阶段的超硬相填充已双重烧结的骨架中的空隙或通道而使单一烧结和双重烧结的边界交替可有助于阻止在第一烧结过程中萌生的缺陷在第二烧结过程中生长，否则所述缺陷会导致使用中的裂纹，和/或可有助于抑制使用中的裂纹萌生。此外，据信在第二烧结过程中骨架或框架的热膨胀效果受到未烧结的第二超硬相的存在的控制，所述未烧结的第二超硬相在第二烧结阶段中得到首次烧结。还据信这可有助于在使用过程中阻止裂纹萌生，因为PCD复合片10中的残余应力可得到有利的控制。

参考图1和2描述的PCD元件10可通过研磨以改变其形状而加工。此外，可以从邻接工作表面和/或侧表面的PCD结构的区域中除去催化剂材料。这可以通过用酸处理该PCD结构以从金刚石晶粒之间浸出催化剂材料，或通过其它方法如电化学法来实现。可以由此提供热稳定区域，其基本上可为多孔的，由PCD结构表面延伸至少约50微米或至少约100微米的深度。由于不同的显微组织，在交替性部分、层或区域中的浸出深度将会是不同的。这可用于实现优选的浸出外形。

此外，可以产生或完成包含接合到烧结碳化物载体本体上的PCD结构的图1或2的结构中的PCD本体以提供基本柱形并具有基本平坦的工作表面，或大致半球形、尖的、圆锥形或截头圆锥形工作表面的PCD元件。该PCD元件可以适用于例如用于钻入地中的旋转剪切(或切削型)钻头、适用于冲击式钻头或适用于采矿或沥青破解用的镐。

虽然已经参照大量实施例描述了各种实施方案，但本领域技术人员将理解，可以进行各种改变，并且可以用等效物替代其要素，且这些实施例并非意在限制公开的特定实施方案。例如，可以使用一种或多种不同的制备方法，包括但不限于EDM切割和预烧结PCD插入件的烧结、生坯部件的3D打印或注射成型。可以通过EDM切割或激光磨蚀或烧蚀制备含有一个PCD级别的预烧结骨架/穿孔盘状物，且将其用于第二阶段烧结，在该第二阶段烧结中使用不同的PCD级别以添加骨架PCD盘状物中的空的体积。结果是具有不同PCD级别的交替性PCD相的功能渐变的PCD材料。

Claims (9)

1.一种形成超硬多晶结构体的方法，包括：

提供用于形成第一超硬相的第一超硬材料的颗粒物或晶粒物；烧结第一超硬相和形成其中具有多个通道和/或缝隙的骨架；

提供用于形成第二超硬相的第二超硬晶粒物或颗粒物；

将第二超硬晶粒物或颗粒物放置在由第一超硬相形成的骨架中的一个或多个通道和/或缝隙中以形成预烧结组装件；其中第一超硬相和第二超硬相在平均晶粒尺寸和/或组成方面不同；和

在用于该超硬晶粒的催化剂/溶剂材料的存在下，在5.5GPa以上的超高压力下和该超硬材料比石墨更热力学稳定的温度下烧结该预烧结组装件以将超硬材料晶粒烧结在一起，以形成多晶超硬结构体，该超硬晶粒表现出粒间接合，并在其间限定多个间隙区域，其中多晶超硬材料主体包含工作表面，该工作表面由骨架和位于骨架中的多个通道和/或缝隙中的第二超硬相的交替性部分形成。

2.如权利要求1所述的方法，其中提供由烧结的第一超硬材料晶粒物形成的骨架的步骤包括提供由金刚石晶粒物形成的骨架，且其中提供用于形成第二超硬相的第二超硬晶粒物或颗粒物的步骤包括提供第二金刚石晶粒物。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述提供骨架的步骤包括烧结第一超硬晶粒本体；和在烧结之后和在所述通道和/或缝隙中放置第二超硬晶粒物或颗粒物的步骤之前于其中形成通道和/或缝隙。

4.如权利要求1所述的方法，其中形成通道和/或缝隙的步骤包括使用EDM技术或激光烧蚀技术形成所述缝隙和/或通道。

5.如权利要求1所述的方法，还包括处理烧结的第一超硬晶粒物的至少一部分以使所述部分没有用于超硬晶粒的催化剂材料，所述部分形成热稳定区域。

6.如权利要求1所述的方法，其中提供骨架的步骤包括使用3D打印或注射成型技术的一种或多种形成包含其中具有所述通道和/或缝隙的第一超硬颗粒物或晶粒物的生坯。

7.如权利要求1所述的方法，其中提供骨架的步骤包括提供由第一超硬材料颗粒物或晶粒物形成的穿孔盘状物，所述穿孔盘状物在其中具有所述多个缝隙和/或通道，所述第二超硬相填充盘状物中的缝隙和/或通道。

8.如权利要求7所述的方法，其中第一超硬结构体包含多个堆叠的穿孔盘状物。

9.如权利要求8所述的方法，还包括排列盘状物使得填充通道和/或缝隙的第二超硬相形成一个或多个交替性部分、同心层或区域，或者相对于所述盘状物的中心纵向轴倾斜的层或区域，烧结步骤包括通过渗透和与非超硬相反应将盘状物接合在一起。

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