CN105531440B - 热稳定多晶金刚石及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造切割元件的方法，包括将金刚石颗粒与碳酸盐材料的混合物暴露于高压高温烧结条件下以形成烧结的具有金刚石基质的碳酸盐多晶金刚石本体，所述基质具有由结合在一起的金刚石晶粒和驻留于所述金刚石晶粒之间的间隙区域中的碳酸盐，所述碳酸盐材料非均匀地分布遍及金刚石基质。将所述碳酸盐多晶金刚石本体进一步暴露于受控的温度、受控的压力或它们的组合下，以实现所述碳酸盐材料的至少部分分解。

Description

热稳定多晶金刚石及其制造方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2014年9月9日提交的美国专利申请第14/481570号和于2013年9月11日提交的美国临时专利申请第61/876696号的优先权及权益，它们的全文内容在此通过参引方式纳入本文。
背景技术
多晶金刚石(“PCD”)材料和由其形成的PCD元件在本领域中是公知的。传统的PCD可通过在适宜的溶剂金属催化剂材料的存在下将金刚石颗粒暴露于高压/高温(HPHT)工艺条件下来形成，其中，所述溶剂金属催化剂促进颗粒之间的所期望的晶间金刚石与金刚石结合，从而形成PCD结构。所得PCD结构产生增强的耐磨和硬度特性，使得这样的PCD材料在需要高水平的耐磨和硬度的激烈磨损和切割应用中非常有用。图1示出传统形成的PCD材料10的微观结构，其包括多个被彼此结合以形成晶间金刚石基质第一相的金刚石晶粒12。用于促进在所述烧结工艺中发生的金刚石与金刚石结合的催化剂/结合剂材料14，例如钴，分散于所述金刚石基质第一相之间形成的间隙区域中。术语“颗粒”指的是在烧结超硬磨料之前所用的粉末，而术语“晶粒”指的是在烧结之后可见的超硬磨料区域，如本领域已知并确定的。
通常可以以两种方式提供用于促进金刚石与金刚石结合的催化剂/结合剂材料。该催化剂/结合剂可被提供为在烧结前与所述金刚石晶粒或砂砾预混合的原料材料粉末的形式。在一个或多个其他实施例中，可通过从最终PCD材料待被结合到的底层基体材料渗透到所述金刚石材料中(在高温/高压工艺过程中)提供催化剂/粘结剂。在催化剂/结合剂材料促进所述金刚石与金刚石的结合之后，所述催化剂/结合剂材料通常分布在整个金刚石基质的在金刚石晶粒之间形成的间隙区域中。具体地，如图1所示，结合剂材料14在传统的PCD材料10的整个微观结构中是不连续的。相反，传统的PCD材料10的微观结构中的结合剂可以在所述PCD晶粒之间均匀分布。因此，穿过传统的PCD材料的裂纹扩展往往会通过更少韧性和脆性的金刚石晶粒，无论是以穿晶方式通过金刚石晶粒/结合剂界面15，或以沿晶方式通过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面16。
溶剂催化剂材料可以促进金刚石晶间结合和PCD层彼此间以及至下面基体的结合。通常用于形成传统的PCD的溶剂催化剂材料包括选自元素周期表第VIII族的金属，如钴、铁或镍和/或其混合物或合金，其中钴是最常见的。传统的PCD可以包括从85至95体积百分比的金刚石以及剩余量的溶剂催化剂材料。然而，虽然更高的金属含量通常会增加所得PCD材料的韧性，但是更高的金属含量也降低了PCD材料的硬度，从而限制了能够同时提供具有所需水平的硬度和韧性的PCD涂层的灵活性。此外，当变量被选择为增加PCD材料的硬度时，通常也增加了脆性，从而降低了PCD材料的韧性。
PCD通常被用于地下钻井应用中，例如在各种类型的钻头上使用的切割元件中。尽管PCD极其坚硬和耐磨，但PCD切割元件在正常操作期间仍然可能失效。失效可能以三种常见形式发生，即磨损、疲劳和冲击开裂。磨损机制的发生是由于PCD相对于地层的相对滑动，且这种失效模式主要与地层的磨蚀性，以及诸如地层硬度或强度、以及与地层接触时所涉及的相对滑动量等其他因素相关。过高的接触应力和高温连同非常恶劣的井下环境也趋于引起所述金刚石层的严重磨损。疲劳机制涉及从PCD层开始的表面裂纹逐渐传播到PCD层下面的材料，直到裂纹长度足以产生剥落或破碎。最后，冲击机制涉及从PCD层开始的表面裂纹或内部缺陷突然传播到PCD层下面的材料，直到裂纹长度足以使切割元件产生剥落、碎裂或灾难性故障。
发明内容
提供本发明内容部分是为了介绍一系列概念，这些概念在下面的详细说明中进一步被描述。本发明内容部分不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
在一方面，本发明的实施例涉及一种制造切割元件的方法，包括：将金刚石颗粒与碳酸盐材料的混合物暴露于高压高温烧结条件下以形成烧结的具有金刚石基质的碳酸盐多晶金刚石本体，所述基质具有结合在一起的金刚石晶粒以及驻留于所述金刚石晶粒之间的间隙区域中的碳酸盐，所述碳酸盐材料非均匀地分布遍及金刚石基质；以及将所述碳酸盐多晶金刚石本体进一步暴露于受控的温度、受控的压力或它们的组合下，以实现所述碳酸盐材料的至少部分分解。
在另一方面，本发明的实施例涉及一种切割元件，包括：氧化物基多晶金刚石本体，其包括形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒、介于结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及非均匀地布置在所述间隙区域内的氧化物材料。所述氧化物基多晶金刚石本体进一步包括形成并邻近切割边缘的第一区域以及远离所述第一区域轴向、径向或以两种方式相结合的方式延伸的第二区域，所述第二区域比所述第一区域具有更高浓度的碳酸盐材料。
在又一个方面，本发明的实施例涉及一种切割元件，包括：碳酸盐基多晶金刚石本体，其包括形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒、介于结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域以及非均匀地布置在所述间隙区域内的碳酸盐材料。所述碳酸盐基多晶金刚石本体进一步包括形成并邻近切割边缘的第一区域以及远离所述第一区域轴向、径向或以两种方式相结合的方式延伸的第二区域，所述第二区域比所述第一区域具有更高浓度的碳酸盐材料。
从下面的描述和所附的权利要求，所要求保护的主题的其它方面和优势将会明显。
附图说明
参考附图描述本发明的实施例。在整个附图中使用相同的附图标记来指代类似的特征和部件。
图1显示出了传统形成的多晶金刚石的微观结构。
图2显示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石本体。
图3和4显示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石本体。
图5显示出了PDC钻头。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“碳酸盐基多晶金刚石”是指，通过在存在碳酸盐材料的情况下将各金刚石颗粒暴露于足够高压高温(HPHT)条件下，使得在相邻的金刚石晶体之间发生晶间结合以形成金刚石与金刚石间的结合以及分散在该结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域的网络或基质相所产生的最终材料。本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以被称为多晶金刚石或PCD，但是与过渡金属溶剂催化剂所形成的传统形成的多晶金刚石(在背景部分中描述)不同。此外，一个或多个实施例还涉及通过分解碳酸盐基多晶金刚石本体形成的氧化物基多晶金刚石。
碳酸盐基多晶金刚石本体可具有包括基质相的微观结构，所述基质相由多个结合在一起的金刚石晶粒和介于所述结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区以及布置于该间隙区域中的碳酸盐材料构成，其中，所述碳酸盐材料选自碱土金属碳酸盐。在本发明的碳酸盐基多晶金刚石材料中，不需要包括过渡金属催化剂、硅和/或含硅化合物来形成金刚石与金刚石的结合，因此，碳酸盐基多晶金刚石本体可以不包含这些材料。此外，氧化物基多晶金刚石本体可以具有包括基质相的微观结构，所述基质相由多个结合在一起的金刚石晶粒和介于所述结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区以及布置于该间隙区域中的氧化物材料构成。这种氧化物可以通过分解碱土金属碳酸盐来形成。
在一个或多个实施例中，本发明的碳酸盐基多晶金刚石本体可以通过使用碳酸盐烧结剂和任选的渗透材料形成。例如，一种制造多晶金刚石本体的方法可以包括：形成多层预混合的金刚石颗粒和碳酸盐材料，其中，所述碳酸盐材料选自碱土金属碳酸盐。如本文所使用的，一个层可以包括延伸一定厚度的一定数量的预混合的金刚石颗粒和碳酸盐材料，以及垂直于所述厚度测量的一个区域。一层预混合材料层中金刚石与碳酸盐的重量百分比比例沿该厚度和/或在该层的区域上可以是均匀或不均匀的。在一个或多个实施例中，多个均匀层可以被组合，其中，每个层具有不同的金刚石和碳酸盐浓度。在一个或多个其他实施例中，至少一层沿所述厚度和区域中的一个具有非均匀分布的金刚石和碳酸盐。同样也在本发明的范围之内的是，所述各层沿所述厚度不需要有均匀区域(如上所定义的)，或各层不需要轴向堆叠。因此，各层可以彼此同心地或以其它方式形成。此外，各层可以采取除盘状、圆柱体、环形体等外的其它形状的形式，并且可以根据所得到的碳酸盐本体内所希望的碳酸盐布置而变化。可以通过使各层暴露于高压高温条件下将预混合层烧结在一起，例如所述高压高温条件为超过6GPa的压力以及高于1700℃且在金刚石热力学稳定性范围内的温度。例如，在一些实施例中，预混合层可以在6-10GPa的压力和大于2000℃的温度下烧结，或在7-9GPa的压力和大于2000℃的温度下烧结。另外，由一种或多种碱土金属的碳酸盐制成的渗透层可以邻近所述预混合层中的一层定位，其中，在烧结过程中，渗透层的碳酸盐渗透到所述预混层中的某一深度。渗透的深度例如可取决于预混合层的组分和烧结条件。
根据本文公开的方法形成碳酸盐基多晶金刚石本体可以用于形成固体多晶金刚石。例如，图2显示出了根据本发明的一些实施例的碳酸盐多晶金刚石的高压高温烧结本体。本体200具有上表面201、底表面202、上表面和底表面之间的圆周侧表面203以及上表面和圆周侧表面之间的圆周切割边缘204，其中，高度205是在上表面和底表面之间测量的。根据一些实施例，碳酸盐多晶金刚石的高压高温烧结本体的高度205小于直径206。如本文中所使用的，工作表面可以是指多晶金刚石本体接触并切割工件或土层的外表面。因此，在图2中所示的工作表面可以包括本体200的上表面201，并且还可以包括圆周侧表面203的一部分，而非工作表面被示为所述本体的底表面202。此外，在图2中所示的本体具有圆柱形状。然而，本发明的碳酸盐基多晶金刚石材料可以形成为其它形状，例如矩形或三角形棱柱，或者可具有非平面切割端，例如具有圆顶形、鞍形(双曲抛物面)、抛物柱面形、圆锥形、或弹头形状的切割端。但是，还意图可以使用其它几何形状。
如图2所示，本体200包括第一区域207和第二区域208。第一区域207包括设置在结合在一起的金刚石晶粒的间隙区域中的第一碳酸盐材料，并形成所述圆周切割边缘。具体地，在所示实施例中，第一区域从所述上表面201和圆周切割边缘204向所述本体200中延伸一个轴向深度，并从而形成整个上表面201、整个圆周切割边缘204和圆周侧表面203的一部分。如图所示，第一区域207向所述金刚石本体中延伸一个非均匀的深度。具体地，第一区域207沿圆周侧表面203比本体200的径向最内部延伸更大的深度。第二区域208从第一区域至少轴向向下延伸，其中，第二区域包括设置在结合在一起的金刚石晶粒的间隙区域中第二碳酸盐材料，并形成底表面202和圆周侧表面203的剩余部分。
在一个或多个实施例中，第二区域可以比第一区域具有更高浓度的碳酸盐材料。在另一个实施例中，第一区域可以具有设置在结合在一起的金刚石晶粒的间隙区域内的碳酸镁，第二区域可以具有设置在结合在一起的金刚石晶粒的间隙区域内的碳酸钙。在其他实施例中，第一区域可以由金刚石和碳酸镁形成，第二区域可以由金刚石、碳酸镁和碳酸钙形成。然而，在又一其他实施例中，整个多晶金刚石本体可以由设置在结合在一起的金刚石晶粒的间隙区域中的单一类型的碳酸盐或均匀分布的多于一种类型的碳酸盐形成。在一个具体的实施例中，碳酸盐基多晶金刚石本体的第一区域包括从约0.5至5重量百分比的碳酸盐材料。在又一个实施例中，第二区域包括从约2至9重量百分比的碳酸盐材料。上述各实施例的每一个可以包含与碳酸盐和金刚石粉末的混合物相分离的一层碳酸盐材料，该层用作在HPHT烧结期间向含金刚石区域渗透碳酸盐提供渗透源的目的。
尽管图2已被描述为涉及碳酸盐基多晶金刚石本体，但是根据本发明形成的碳酸盐基本体也可以被暴露于分解工艺，以将碳酸盐分解为二氧化碳和金属氧化物。即便是分解，如图2所示的所得本体200仍然可以具有包括替代所述两个区域中的碳酸盐的金属氧化物和/或不同的金刚石浓度的第一和第二区域207和208，这取决于如何形成所述碳酸盐基本体。
此外，在一些实施例中，第二区域可以从第一区域轴向和/或径向延伸。在一个或多个实施例中，第二区域(比第一区域具有更多量的碳酸盐)可延伸到所述金刚石本体的圆周侧表面和上表面中的至少一个。在这种实施例中，第二区域可以与所述圆周切割边缘隔开0.050”至0.250”(0.127厘米至0.635厘米)的距离。
图3示出根据本发明的一些实施例的碳酸盐多晶金刚石的高压高温烧结本体300，其中，金刚石本体300包括形成并邻近圆周切割边缘304的第一区域307，以及从所述第一区域307轴向及径向延伸的第二区域308，其中，所述第二区域308比第一区域307具有更高浓度的碳酸盐材料。具体地，图3示出了上表面301同时由第一区域307和第二区域308形成，且第一区域307沿着上表面301和圆周侧表面303的一部分在第二区域308的径向外部。在该实施例中，第一区域307沿着圆周侧表面303延伸少于50％的本体300的高度，具体地少于30％。在一个或多个实施例中，第一区域307可以占据至少15％或至少20％或25％(包括最多100％)的圆周侧表面303。该轴向延伸也可被认为是从上表面301的深度。在一个或多个实施例中，第一区域307沿圆周侧表面303的深度可以是至少100微米，或者在一个或多个其他实施例中是至少200、250或500微米。
尽管圆周侧表面303被示为同时包括第一区域307和第二区域308，但本发明并不限于此。例如，现在参照图4，在一个或多个实施例中，第一区域407可以沿本体400的整个圆周侧表面403延伸。类似于图3，本体400包括同时包括第一区域407和第二区域408的上表面401，其中，第一区域407位于第二区域408的径向外部。但是，在该实施例中，第一区域407比图3中示出的实施方式向径向中心410延伸得更远。在图3中所示的实施例中，第一区域307向所述径向中心延伸上表面301的至少一半，而在图4中所示的实施例中，第一区域407延伸从边缘404至所述径向中心410的距离的至少75％。因此，在一个或多个实施例中，第一区域可以延伸从本体的圆周边缘到本体的径向中心的距离的至少30％、至少50％、至少75％或整个距离。
根据本发明的实施例，在用于形成第一和/或第二区域的预混合层中的碳酸盐的重量百分比可以在从大于0重量百分比的碳酸盐至少于约20重量百分比的碳酸盐范围内，并且在预混合层中的金刚的石重量百分比可以在大于80重量百分比的金刚石至少于100％重量百分比的金刚石范围内。例如，一些实施例可以包括金刚石和碳酸盐混合物，其中金刚石与碳酸盐的重量百分比比例包括大于约90重量百分比的金刚石和少于约10重量百分比的碳酸盐材料。在另一个实施例中，一个或多个预混合层可以具有金刚石与碳酸盐的重量百分比比例，其包括大于95重量百分比的金刚石和少于5重量百分比的碳酸盐。例如，在一些实施例中，预混合层组合体的一个或两个外层可以具有4重量百分比或更少的碳酸盐材料，以及96重量百分比或更多的金刚石。在其他实施例中，预混合层组合体的一个或两个外层可以具有2重量百分比或更少的碳酸盐材料，以及98重量百分比或更多的金刚石，这取决于粒径。在一些实施例中，第一区域的预混合层可以包括约0.1至10重量百分比的碳酸盐，第二区域的预混合层可以包括约1至30重量百分比的碳酸盐。在其他实施例中，第一区域的预混合层可以包括0.5至3重量百分比的碳酸盐，第二区域的预混合层可以包括约2至7重量百分比的碳酸盐。上述各实施例中的每一个可以包含与碳酸盐和金刚石粉末的混合物相分离的一层碳酸盐材料，该层用作在HPHT烧结期间向含金刚石区域渗透碳酸盐提供渗透源的目的。
在所述金刚石和碳酸盐混合物中使用的用于形成本发明的碳酸盐基多晶金刚石本体的金刚石颗粒可以包括，例如，天然或人造金刚石，并且可以具有不同的粒径，这取决于最终应用。例如，金刚石颗粒的尺寸范围可以从亚微米至100微米(细和/或粗尺寸)，以及在一些实施例中从1至5微米，在其他实施例中从5至10微米，在其他实施例中从10至15微米，并且在又一其他实施例中从15至20微米。此外，金刚石颗粒可具有单峰分布(具有相同的总平均粒径)或多峰分布(具有不同体积的不同平均粒径)。可以用于形成本发明的预混合层的金刚石和碳酸盐混合物中的碳酸盐材料(以及在一些实施例中用作渗透材料)可以包括碱土金属碳酸盐，例如，碳酸镁或碳酸钙。碳酸盐材料可以具有从亚微米到100微米以及在一些实施例中从0.1至30微米的粒径范围。
烧结剂和/或渗透材料还可以任选地包括碳添加剂。例如，除了碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐材料外，烧结剂和/或渗透材料还可以包括诸如石墨、金刚石、煤烟或无定形碳的碳添加剂。在使该预混合层和邻近的渗透层暴露于HPHT时，所述碳添加剂可以掺入并分散遍布多晶金刚石本体。例如，根据一些实施例，烧结剂可以包括石墨(除了碳酸盐材料外)，其分散遍布预混合层，并且在被暴露于HPHT条件时可以转换为金刚石，由此提供多晶金刚石本体内增加的金刚石密度。根据一些实施例，烧结剂可以包括最多约6体积百分比的碳添加剂，并且渗透材料可以包括最多约20体积百分比的碳添加剂。
根据本发明的一些实施例，烧结剂和渗透材料可以由相同的材料形成。例如，预混合层可以通过与金刚石粉末混合一定量的碳酸镁形成，并且由碳酸镁形成的渗透层可以邻近所述预混合层形成，使得在使所述层暴露于高压高温条件下时，渗透层的碳酸镁渗入预混合层。
然而，根据本发明的其他实施例，烧结剂和渗透材料可以由不同的材料形成。例如，预混合层可以通过与金刚石粉末混合一定量的烧结剂形成，且由渗透材料形成的渗透层可以邻近所述预混合层形成，其中所述烧结剂具有比渗透材料更低的熔点。例如，预混合层可以包括与碳酸钙混合的金刚石粉末，而相邻的渗透层可以由碳酸镁渗透材料形成。此外，根据一些实施例，预混合层可以包括多于一种的碳酸盐材料和/或渗透层可以包括多于一种的碳酸盐材料。例如，根据一个或多个实施例，预混合层和/或渗透层可以包括碳酸镁和碳酸钙这两者。另外，因为所述碳酸盐材料可能不纯，除至少一种碳酸盐材料外，预混合层和/或渗透层可以包括很小比例的SiO2和/或Al2O3。
根据所述多晶金刚石本体的粒径和厚度，预混合的碳酸盐/金刚石层可以包括占所述预混合层的从大于0体积百分比至约8体积百分比范围的量的烧结剂。其他实施例可以包括从0.1体积百分比、1.0体积百分比、2.0体积百分比、3.0体积百分比中的任意一个下限，和2.0体积百分比、3.0体积百分比、4.0体积百分比、5.0体积百分比、6.0体积百分比、7.0体积百分比、8.0体积百分比、9.0体积百分比或10.0体积百分比的任意一个上限范围的烧结剂，其中，任意下限可与任意上限组合使用。使用少量的预混合碳酸盐可以促进渗透深度并提高最终烧结的质量。
此外，渗透层可以包括占烧结的多晶金刚石本体从约1至约20体积百分比的数量的渗透材料。根据其他实施例，渗透材料占所烧结的多晶金刚石本体的数量可以大于20体积百分比、大于30体积百分比或大于50体积百分比。然而，也可以提供其它数量的渗透材料以确保渗透整个预混合层。例如，根据预混合层的尺寸和厚度，邻近所述预混合层放置并形成所述渗透层的渗透材料的数量可能会有所不同，使得该数量足以充分渗透所述预混合层。例如，在具有相对较厚的预混合层的实施例中，可以提供相对大重量百分比的渗透材料，使得在将该预混合层和邻近的渗透层暴露于HPHT时，浸渗材料可以渗透整个预混层以形成多晶金刚石本体。在具有相对较薄的预混合层的实施例中，可以使用相对较小重量百分比的渗透材料以渗透整个预混合层。
此外，烧结剂可以与金刚石粉末混合以形成预混合层，使得所述烧结剂遍布预混合层均匀地分布。在一个或多个其他实施例中，烧结剂可遍布预混合层非均匀地分布。例如，所述烧结剂可以遍布预混合层成梯度地分布。遍布预混合的碳酸盐/金刚石层分布并暴露于HPHT条件下的预混合烧结剂可以遍布预混合碳酸盐/金刚石层提供湿润金刚石颗粒的局部区域。液体预混合碳酸盐的这些区域可以提供通过所述金刚石材料的通道，其可以有助于在HPHT条件下为相邻的碳酸盐渗透材料提供熔化并流过的路径。因此，在根据本发明的方法将预混合层和邻近的渗透层暴露于HPHT条件下时，渗透材料可以遍布整个烧结的多晶金刚石本体中。
由于使用碳酸盐作为烧结剂和任选的渗透材料而非传统地使用诸如钴的金属催化剂，本发明的方法可以提供热稳定多晶金刚石。此外，由预混合的烧结剂为渗透材料提供流过并渗入整个金刚石层的路径，允许相对于碳酸盐材料的数量有更多数量的金刚石(即，更高体积密度的金刚石)，并且从而可以向所述多晶金刚石本体提供增强的耐磨损性或耐岩磨性。
在各个实施例中，所形成的具有驻留在间隙区域中的碳酸盐材料的碳酸盐多晶金刚石本体可以在受控温度和/或受控压力的条件下经受碳酸盐的分解工艺，由此碳酸盐材料在暴露于升高的温度和/或压力时被至少部分地通过化学反应除去。碳酸盐材料的分解可以导致形成金属氧化物和在整个基质上分布的通道。在一些情况下，可能有利的是，使用一些方法来减少当碳酸盐材料进行分解时的二氧化碳分压。这样做的方法包括使用能够吸附/吸收二氧化碳的化学品，例如沸石、有序介孔二氧化硅的组分、含碳材料(如石墨和/或碳纳米管)、锂基材料和钙基材料。
碳酸盐的分解过程可能涉及暴露要被分解的碳酸盐。这样，当BaCO3，MgCO3，CaCO3和CaMg(CO3)2在600℃至1300℃的温度下的真空或减压气氛压力下经受加热时，它们通过化学反应变成氧化物，即氧化钡、氧化镁和氧化钙。在一个或多个实施例中，温度可以包括600℃、800℃、或1000℃的任意下限，以及1000℃、1200℃、1300℃、或1400的任意上限，其中任意下限可与任意上限组合使用。用于热处理的压力可以在10-8、10-6或10-5毫米汞柱的任意下限至10-1、10-2或10-3毫米汞柱的任意上限范围内，其中任意下限可以与任意上限组合使用。在这些压力下，加热可以在空气、氧气、氮气等中进行，并且在一个或多个具体的实施例中，在惰性气氛中以避免金刚石的燃烧。温度可以以任何速率升高，或者在具体的实施例中以从0.1至20℃每分钟的速率升高。
一旦完成分解过程并且形成了多晶金刚石本体，所述金刚石本体的分解部分的所得材料微观结构可以包括形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒，介于所述结合在一起的金刚石晶粒之间的多个空间隙区域或通道，和非均匀地布置于所述间隙区域内的氧化物材料。因此，所述金刚石本体的分解部分可以基本上不含用于最初形成或烧结所述金刚石本体的碳酸盐材料，并且可以被称为氧化物基多晶金刚石。在一个具体的实施例中，具有驻留在间隙区域中的碳酸盐材料的碳酸盐多晶金刚石本体可以经受碳酸盐的部分分解。在另一个实施例中，涉及具有含有如SiO2的杂质的碳酸盐材料的碳酸盐多晶金刚石本体的分解过程将会导致多晶金刚石本体的形成，该多晶金刚石本体可以包括形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒，介于所述结合在一起的金刚石晶粒之间的多个空间隙区域或通道，非均匀地布置在所述间隙区域中的氧化物材料，和在热处理过程中形成的金属硅酸盐。
在一个或多个实施例中，分解与金属氧化物和通道的形成同时发生，其中，通过扩散受控过程从预混合碳酸盐的分解反应中释放二氧化碳气体形成多晶金刚石本体中的通道。因为金属碳酸盐分解成二氧化碳和金属氧化物，因此存在的金属氧化物可以取决于所使用的金属碳酸盐的类型。在一个示例实施例中，金属氧化物可以是碱土金属氧化物。在另一示例实施例中，金属氧化物可以是氧化镁、氧化钙或它们的组合。在一些实施例中，当碳酸盐分解后，金属氧化物的重量为金属碳酸盐的重量的约75％，而在其他实施例中，金属氧化物的重量为金属碳酸盐的重量的约50％(例如，金属氧化物的重量为金属碳酸盐的重量的约50至75％)。金属碳酸盐分解后残留的金属氧化物的重量取决于几个因素，包括所用的金属和分解所实现的程度。在一个实施例中，氧化物基多晶金刚石本体的第一区域可以包括从约0.2到5重量百分比的氧化物材料。在又一个实施例中，第二区包括从约0.5至9重量百分比的氧化物材料。在一个实施例中，氧化物基多晶金刚石本体的第一区域可以包括从约0.2到5重量百分比的氧化物材料，第二区域可以包括从约0.5至9重量百分比的氧化物材料，并且第二区域可以包括比第一区域更多的氧化物材料。
在碳酸盐材料分解成二氧化碳和金属氧化物的过程中，二氧化碳有可能引起高内部气体压力，这可能对PCD的热稳定性产生不利影响，和/或在PCD材料中形成裂缝。为了避免PCD材料的开裂，期望地是在低温下使用慢的受控速度分解碳酸盐材料。本发明的发明人还发现，使用两个不同的具有不同的预混合碳酸盐浓度的碳酸盐基金刚石区域，将导致在分解过程中形成不同的通道尺寸。因此，从碳酸盐材料的分解反应中释放的二氧化碳会迅速扩散出PCD层。
通过有策略地放置第一和第二区域，使得所述第一区域(具有较高的金刚石浓度和较低的碳酸盐浓度)在圆周切割边缘处并径向向内和轴向向下地延伸以及使得第二区域(具有较低的金刚石浓度和较高的碳酸盐浓度)远离圆周切割边缘，也可以形成期望的通道的形态，而不牺牲切割边缘的耐磨性。此外，在碳酸盐材料分解之后所形成的非均匀分布的通道可以允许更有效地进行碳酸盐材料向金属氧化物的转化，因此改善了金刚石本体的热稳定性。
根据本发明的实施例制成的多晶金刚石本体可以用作诸如钻头的井下切割工具上的切割元件。例如，本发明的井下工具可以具有本体，从所述本体延伸的多个刀片，以及布置于所述多个刀片上的根据本发明的实施例的至少一个多晶金刚石切割元件。该至少一个多晶金刚石切割元件布置在所述刀片上，使得工作表面，即接触并切割正被钻探的地层的表面，被定位在刀片的前导面上并面朝钻头的旋转方向。多晶金刚石切割元件可以包括多晶金刚石本体，该多晶金刚石本体由形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒，介于所述结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域，以及布置在所述间隙区域内的碳酸盐材料制成，其中，所述碳酸盐材料选自碱金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐中的至少一种。例如，图5示出具有钻头本体501的旋转钻头500。钻头本体501的下端面形成有多个刀片502，其大体地从钻头的中心纵向旋转轴线503向外延伸。多个PDC切割器504沿每个刀片的长度并排地布置。由每个刀片携带的PDC切割器504的数量可以变化。
多晶金刚石切割元件可以被铜焊或机械地保持在钻头上。这样的机械保持可以包括限制切割元件在槽(或其他支撑结构)内移动的一个或多个部件，例如，邻近所述切割元件的前导面的机械保持机构、弹簧保持机构、销、螺钉、夹具、保持环、背部保持器、和类似物。根据所使用的机械保持的类型，在一些实施例中，切割元件可以自由地绕其自身轴线旋转(但仍然通过限制轴向和侧向移动而保持在所述钻头上)。在其他实施例中，本发明的多晶金刚石切割元件可以被铜焊到形成于井下切割工具的刀片或本体上的槽内。
虽然上文仅详细描述了几个示例性的实施例，但所属领域技术人员应该容易理解，在实质上不脱离本发明的情况下，对示例性的实施例进行多种变型是可能的。相应地，所有这样的变型应当被包含于本发明的范围内。在权利要求中，功能性限定的条款被预期覆盖在此描述的执行所引用的功能的结构，不局限于在结构上的等价，还包括等价的结构。因此，尽管钉子和螺钉可能在结构上不等价，因为钉子具有圆柱形表面，以便紧固木质零件，而螺钉具有螺旋形表面，然而在紧固木质零件的环境下，钉子和螺钉可以是等价的结构。申请人的明确意图是不为本文的任何权利要求的任何限制援引35U.S.C.§112第6段，除了权利要求明确使用词语“用于…的装置”和相关联的功能。

Claims (22)

1.一种制造切割元件的方法，包括：
将金刚石颗粒与碳酸盐材料的混合物暴露于高压高温烧结条件下以形成烧结的具有金刚石基质的碳酸盐多晶金刚石本体，所述金刚石基质具有结合在一起的金刚石晶粒以及驻留于所述金刚石晶粒之间的间隙区域中的碳酸盐，所述碳酸盐材料非均匀地分布遍及金刚石基质；以及
将所述碳酸盐多晶金刚石本体进一步暴露于受控的温度、受控的压力或它们的组合下，以实现所述碳酸盐材料的至少部分分解。
2.如权利要求1所述的方法，其中，碳酸盐材料部分分解成金属氧化物导致形成分布于所述金刚石基质中的通道。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述碳酸盐材料分解后所形成的通道呈现非均匀分布。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述碳酸盐材料包括作为杂质的SiO2。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在所述碳酸盐材料部分分解成至少一种金属氧化物的过程中，所述至少一种金属氧化物与作为杂质存在于所述碳酸盐材料中的SiO2反应，从而导致形成至少一种金属硅酸盐。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述碳酸盐材料包括碱土金属碳酸盐。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述碳酸盐材料包括碳酸镁和碳酸钙中的至少一种。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述碳酸盐材料是碳酸镁。
9.如权利要求1-5、7-8中任一项所述的方法，其中，碳酸盐多晶金刚石的高压高温烧结本体包括上表面、底表面、上表面和底表面之间的圆周侧表面以及上表面和圆周侧表面之间的圆周切割边缘。
10.如权利要求9所述的方法，其中，碳酸盐多晶金刚石的高压高温烧结本体的高度小于碳酸盐多晶金刚石的高压高温烧结本体的直径。
11.如权利要求1-5、7-8、10中任一项所述的方法，其中，碳酸盐多晶金刚石本体包括形成并邻近所述圆周切割边缘的第一区域以及远离所述第一区域轴向、径向或以两种方式相结合的方式延伸的第二区域，其中，所述第二区域比所述第一区域具有更高浓度的碳酸盐材料。
12.如权利要求11所述的方法，其中，碳酸盐基多晶金刚石本体的第一区域包括从约0至5重量百分比的碳酸盐材料。
13.如权利要求11所述的方法，其中，碳酸盐基多晶金刚石本体的第二区域包括从约2至9重量百分比的碳酸盐材料。
14.一种切割元件，包括：
氧化物基多晶金刚石本体，包括：
形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒；
介于结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域；以及
非均匀地布置在所述间隙区域内的氧化物材料；以及
所述氧化物基多晶金刚石本体进一步包括形成并邻近切割边缘的第一区域以及远离所述第一区域轴向、径向或以两种方式相结合的方式延伸的第二区域，所述第二区域比所述第一区域具有更高浓度的碳酸盐材料。
15.如权利要求14所述的切割元件，其中，氧化物材料选自碱土金属氧化物。
16.如权利要求15所述的切割元件，其中，氧化物材料包括氧化镁和氧化钙中的至少一种。
17.如权利要求15所述的切割元件，其中，氧化物材料是氧化镁。
18.如权利要求14-17中任一项所述的切割元件，其中，氧化物基多晶金刚石本体中还包括至少一种金属硅酸盐。
19.如权利要求14-17中任一项所述的切割元件，其中，氧化物基多晶金刚石本体的第一区域包括从约1至3重量百分比的氧化物材料。
20.如权利要求14-17中任一项所述的切割元件，其中，氧化物基多晶金刚石本体的第二区域包括从约2至9重量百分比的氧化物材料。
21.如权利要求14-17中任一项所述的切割元件，其中，氧化物基多晶金刚石本体进一步包括氧化镁、氧化钙和它们的组合中的至少一种，且氧化物基多晶金刚石本体进一步包括通道，而且所述氧化镁、氧化钙和它们的组合中的至少一种遍布金刚石基质分布。
22.一种切割元件，包括：
碳酸盐基多晶金刚石本体，包括：
形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒；
介于结合在一起的金刚石晶粒之间的多个间隙区域；以及
非均匀地布置在所述间隙区域内的碳酸盐材料；以及
所述碳酸盐基多晶金刚石本体进一步包括形成并邻近切割边缘的第一区域以及远离所述第一区域轴向、径向或以两种方式相结合的方式延伸的第二区域，所述第二区域比所述第一区域具有更高浓度的碳酸盐材料。
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