CN107250481A - 聚晶金刚石复合片及制造方法 - Google Patents

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CN107250481A CN201580075814.4A CN201580075814A CN107250481A CN 107250481 A CN107250481 A CN 107250481A CN 201580075814 A CN201580075814 A CN 201580075814A CN 107250481 A CN107250481 A CN 107250481A
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Abstract

一种示例性聚晶金刚石复合片包括基底和附接到所述基底的金刚石台。多层接头插入所述基底与所述金刚石台之间并且包括选自由基层、一个或多个中间层和钎焊层组成的组的至少两个组成部分。所述至少两个组成部分是经由薄膜沉积工艺形成的。

Description

聚晶金刚石复合片及制造方法
背景技术
用于石油和天然气工业的井筒通常通过旋转钻井的方法钻孔。在传统的钻井中，钻头安装在钻柱的末端，钻柱长度可能是几英里。在井筒表面，旋转台或顶部驱动器转动钻柱，包括布置钻孔底部的钻头，以越来越多地穿透地下地层，同时钻井流体被泵送穿过钻柱。在其他钻井构型中，可以在井下环境使用邻近钻头轴向布置的泥浆马达来旋转钻头，并使用循环的钻井流体来为钻头供以动力。
用于钻井的一种常见类型的钻头被称为“固定齿”或“刮刀”钻头。固定齿钻头通常包括由高强度材料形成的钻头主体和在钻头主体周围的选定位置处附接的多个切削齿。固定齿钻头上的切削齿通常包括由碳化物(例如，碳化钨)制成的基底或支撑柱以及可由聚晶金刚石制成的切削表面层或“金刚石台”。此类切削齿通常被称为聚晶金刚石复合片(“PDC”)切削齿。
已经积极研究了将金刚石材料固定到基底上的各种方法。通常，使用单个高温高压(HTHP)压制周期同时形成金刚石并将其结合到基底上。然而，该方法通常使用所谓的催化材料例如钴，以促进金刚石颗粒之间以及形成的金刚石与基底之间的结合。金刚石中的残留催化材料的存在可导致热稳定性降低，因此常常对PDC切削齿进行沥滤以从工作表面除去残留钴。在其他情况下，代替将金刚石附接到压机中的基底上，可以首先形成PDC，然后将其附接到基底，例如通过使用活性金属钎焊合金进行钎焊。
附图说明
以下图示被包括来说明本公开的某些方面，并且不应该被看作是排他性实施方案。所公开的主题能够在不脱离本公开的范围的情况下在形式和功能上进行相当多的修改、改变、组合以及等效化。
图1A是可以采用本公开的原理的示例性固定齿钻头的等距示意图。
图1B是可与图1A的钻头一起使用的示例性切削齿的示意图。
图2是示例性切削齿的截面示意图。
图3是另一个示例性切削齿的截面示意图。
图4是切削齿的制造方法的示意性流程图。
图5是切削齿的另一种方法的示意性流程图。
图6是采用轴承元件的示例性滚转切削齿的截面顶视图。
具体实施方式
本申请涉及井下工具，更具体地讲，涉及聚晶金刚石复合片如切削齿和轴承元件，以及具有多层接头的聚晶金刚石复合片的制造方法。
本公开的实施方案涉及将金刚石台或“盘”附接到基底以形成用于钻地钻头的聚晶金刚石复合片。可以使用使用薄膜沉积工艺如溅射或化学气相沉积形成的多层接头将金刚石台耦接到基底。沉积工艺导致产生一个或多个金属薄膜，该一个或多个金属薄膜提高了金刚石台与基底的接合强度。此外，可以选择沉积过程中所使用的材料以更好地管理金刚石台与基底之间的残留应力和热膨胀系数不匹配。薄膜沉积工艺可以在相对较低温度下进行，这使得金刚石台与基底之间的接合处的残余应力最小化。因此，可以提高聚晶金刚石复合片的热机械完整性和耐磨性，从而使接头处的失效最小化。聚晶金刚石复合片可包括钻头中所使用的切削齿或轴承元件。
图1A是可以采用本公开的原理的示例性固定齿钻头100的等距图。钻头100具有钻头主体102，该钻头主体包括具有前沿面106的径向和纵向延伸的刀片104，和用于将钻头主体102连接到钻柱(未示出)的螺纹销连接件108。钻头主体102可由钢或较硬材料如碳化钨的金属基体制成。钻头主体102被构造用于围绕纵向轴线110旋转以通过在钻头主体102上施加重量而钻入地下地层中。对应的排屑槽112被限定于沿圆周方向相邻的刀片104之间，并且多个喷嘴或端口114可被布置在排屑槽112内用于注入钻探流体，该钻探流体冷却钻头100并且冲去在钻井时生成的切削和碎屑。
钻头主体102还包括多个切削齿116，该多个切削齿各自设置在对应的切削齿凹槽118内，该对应的切削齿凹槽的尺寸和形状适于接纳切削齿116。切削齿116在预先确定的角度取向和径向位置被固持在刀片104和对应切削齿凹槽118中，以将切削齿116定位成相对于正被穿透的地层具有期望的后倾角。随着钻头主体102的旋转，切削齿116通过钻头100上呈现的钻压和扭矩的结合力而通过下面的岩石驱动。
现在参考图1B，同时继续参考图1A，示出了可用于图1A的钻头100的切削齿116之一的平面图。如图所示，切削齿116可包括大致圆柱形基底120和在基底120与金刚石台124之间的接口122处耦接到基底120的金刚石台124(或者称为盘)。基底120可由极硬材料如烧结碳化钨(WC)制成。在一些实施方案中，基底120可包括圆柱形WC“坯件”，该圆柱形WC“坯件”是充分长的，以充当金刚石台124的安装柱。然而，在其他实施方案中，基底120可包括在另一接口上结合到另一金属安装柱的中间层，而不脱离本公开的范围。
金刚石台124可包括超硬材料如聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼、孕镶金刚石或另一超耐磨材料的一个或多个层。在一些实施方案中，可通过使颗粒材料经受高温高压(HTHP)压制周期而形成金刚石台124。在至少一个实施方案中，可以提供一种材料，其在本领域中非正式地称为催化剂或催化材料如钴，以在金刚石台124的形成期间促进金刚石颗粒之间的结合。在HTHP压制周期后，在一些实施方案中，可以制备金刚石台124以获得较高的耐温性和/或较高的耐磨度/耐磨性。这可以通过在将金刚石台124粘合到将用于将所得切削齿附接到钻头的基底之前从金刚石台124中除去残留钴催化剂如通过浸出工艺来实现。在此情况下，可将浸出金刚石台124的所得材料称为热稳定聚晶(TSP)金刚石。
在其他实施方案中，可在无浸出的情况下，通过在HTHP压制周期期间利用非钴催化剂形成金刚石而产生TSP材料。在这样的实施方案中，可使包含硬质材料晶粒和非钴或碳酸盐催化剂材料晶粒(例如，由镁、钙、锶、钡中的一种或多种构成的碳酸盐)的颗粒混合物经受升高的温度(例如，大于约2000℃的温度)和升高的压力(例如，大于约7GPa的压力)。这个HTHP压制周期可导致在硬质材料颗粒之间形成粒间结合，从而形成TSP金刚石材料的互相结合的晶粒，而不需要浸出。因此，在至少一个实施方案中，金刚石台124可包括TSP金刚石，但通常可以包括已经变得热稳定的任何PCD，无论是否浸出。随后将形成的金刚石台124结合到基底120，如下所述。
所得切削齿116可以被表征或在本文以其他方式称为“聚晶金刚石复合片”。实际上，包括附接到基底的PCD台的任何结构均可表征为聚晶金刚石复合片。例如，如下所述，另一种类型的聚晶金刚石复合片包括由附接到基底的PCD台制成的轴承元件。本领域技术人员将容易地理解，可以使用本文所述的方法制造任何聚晶金刚石复合片。
金刚石台124一般限定或提供工作表面126，工作表面126的至少一部分在钻孔期间与地层啮合以切削/破坏地层。在图1B所示的取向上，金刚石台124与基底120之间的接口122在基底120的顶表面128与金刚石台124的底表面130之间延伸，在那里底表面130与工具表面126相对。根据本公开的实施方案，金刚石台124可使用定位在接口122处的多层接头附接到基底120。多层接头可以有利于帮助更好地管理金刚石台124与基底120之间的残留应力和热膨胀系数(CTE)不匹配。因此，可以提高所得切削齿116的热机械完整性，包括在操作期间提高切削齿116的耐磨性，并且可以使接口122处的故障最小化。
现在参考图2，示出了根据一个或多个实施方案的示例性切削齿200的示意性截面侧视图。切削齿200可以与图1B的切削齿116相同或类似，并且因此可以通过参考图1B得到更好地理解，在图1B中，相同的附图标记表示未再描述的相同的元件或部件。例如，与图1B的切削齿116类似，切削齿200可包括金刚石台124和基底120。如图所示，多层接头202可定位在金刚石台124与基底120之间的接口122(图1B)处，并且一般可以其他方式插入金刚石台124与基底120之间。多层接头202可用于将金刚石台124附接到基底120，使得切削齿200可用于井下操作。
在所示实施方案中，多层接头202可包括基层204、一个或多个中间层206和钎焊层208。基层204、中间层206和钎焊层208可在本文统称为多层接头202的组成部分。每个组成部分都可以使用本领域技术人员已知的任何化学或物理薄膜沉积技术来形成或以其他方式沉积。可以采用的合适的薄膜沉积工艺包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、化学溶液沉积、等离子体增强化学气相沉积、阴极电弧沉积、电流体力学沉积(即，电喷射沉积)、离子辅助电子束沉积、电镀、热蒸发和旋涂。多层接头202的组成部分可以在薄膜沉积工艺期间在高真空和/或惰性气氛下形成。
在一些实施方案中，多层接头202的组成部分可以在薄膜沉积工艺期间直接依次沉积在金刚石台124上。在这样的实施方案中，金刚石台124可以定位在特定薄膜沉积技术的沉积室内，并且可以用作某种类型的基底或载体来构建多层接头202。在沉积工艺之后，上面沉积或以其它方式形成有多层接头202的金刚石台124随后可以通过钎焊耦接或附接到基底120，这导致形成了切削齿200。在一些实施方案中，钎焊工艺可以在选择性温度和/或压力参数下以及在存在选择性气体的情况下进行。因此，钎焊工艺可以结合有或以其他方式包括真空钎焊、热压和/或“下部”HPHT工艺。因此，在一些实施方案中，切削齿200可以通过至少通常如上所述的形成金刚石台124的初始HTHP压制周期(以及任选地接着是浸出工艺)，然后是随后的使用多层接头202将金刚石台124结合到基底120的钎焊操作而形成。
然而，在其他实施方案中，可以使用薄膜沉积工艺而独立于金刚石台124构建多层接头202。在这样的实施方案中，单独的载体基底可以被定位在沉积室内并且多层接头202的组成部分可以在薄膜沉积工艺期间依次沉积在载体基底上。在沉积工艺后，多层接头202可以作为独立的多层膜(有时称为“箔”)从载体基底脱离。多层接头202然后可以被定位在金刚石台124与基底120之间且随后经受钎焊以使用多层接头202将金刚石台124结合到基底120，由此形成切削齿200。
如图所示，基层204可以构成多层接头202的初始层(即，邻近金刚石台124的层)以直接接触钻石台124(即，在图1B的底表面130处)。基层204可以由被配置成与金刚石台124形成化学结合和/或碳化物的各种材料制成。适用于基层204的材料包括但不限于钛、钨、铬、锆、锰、钒、钇、铌、钼、铪、钽、铜、银、金、镍、钯、硼、硅、铁、铝、钴、铟、磷或其任何合金(例如，钨钛合金)。上述材料可以表征为“活性”或“非活性”。“活性”材料是可与聚晶超硬材料反应的材料，“非活性”材料是不一定与聚晶超硬材料反应的材料。在一些实施方案中，所使用的不同材料可以基于活性或非活性和/或基于给定材料的熔融(液相线)温度和/或固化(固相线)或结晶温度来选择。
在一些实施方案中，基层204可以用一种或多种材料进行掺杂和/或渗透，以增强与金刚石台124的结合和/或操纵基层204的热膨胀系数(CTE)。例如，基层204的材料可以用陶瓷、具有高延展性或屈服应力的金属、聚合物材料或其混合物或组合进行掺杂和/或渗透。可用于掺杂基层204的合适的陶瓷包括但不限于碳化钨、金刚石、纳米金刚石、纳米碳、石墨烯、碳纳米管等。可以理解的是，在形成与金刚石台124的附接之前，在其他元件可以优先地结合或消耗碳化物形成物的情况下，用碳化物形成器掺杂基层204是有利的。可用于掺杂基层204的合适的金属包括但不限于铜、银，金、镍及其任意组合。
钎焊层208可以是与基底120相邻的材料层，并且可以被配置为将多层接头202以及因此金刚石台124结合到基底120(即，在图1B的顶表面128处)。钎焊层208可由惰性抗氧化金属或金属合金制成，其可以被钎焊到基底120而较少地或不生成氧化物。适用于钎焊层204的材料包括但不限于银、铜、金、它们的任意合金以及它们的任意共晶/非共晶组合。类似于基层204，在一些实施方案中，钎焊层208还可以用各种材料掺杂和/或渗透以增强与基底120的结合和/或优化钎焊层208的CTE。合适的掺杂或渗透材料与上文列出的相同，因此不再列出。
一个或多个中间层206可以被配置成为多层接头202提供最佳的剪切强度和最小的热应力。虽然在图2中示为包括三个不同的材料层，但中间层206可以包括任何数量的材料层，仅包括单个材料层，而不脱离本公开的范围。此外，在一些实施方案中，基层204或钎焊层208中的一个可以形成中间层206的整体部分并且另外用中间层206计数。因此，在这样的实施方案中，多层结构206可以仅包括两个组成部分，其中基层204或钎焊层208中的一个被视为中间层206的一部分。例如，在一个实施方案中，多层结构206可以包括基层204和一个或多个中间层206，其中中间层206包括钎焊层208，或者中间层206仅包括钎焊层208。在另一个实施方案中，多层结构206可以包括钎焊层208和一个或多个中间层206，其中中间层206包括基层204，或者中间层206仅包括基层204。
中间层206可以由表现出介于金刚石台124和基底120之间的CTE的各种材料制成。例如，碳化钨表现出约4.5至约6.5的CTE(10-6/°K)，金刚石表现出约1的CTE(10-6/°K)，大多数金属表现出约10至约20的CTE(10-6/°K)。适用于中间层206的材料包括但不限于钛、钨、铬、锆、锰或其任何合金(例如，钨钛合金、铁镍合金、Invar(64FeNi))。与基层204和钎焊层208类似，中间层206中的一个或多个可以掺杂和/或渗透某种材料以操纵给定中间层206的CTE。合适的掺杂或渗透材料与上文列出的相同，因此不再列出。在多层接头202中使用的中间层206的组成、厚度和数量取决于用于提供最佳剪切强度和最小热应力的最终接合厚度。
用于任何基层204、中间层206和钎焊层208的材料可以基于材料的一个或多个临界性质来选择，例如熔融温度、CTE、延展性和耐腐蚀性。可以理解的是，沉积工艺中的沉积材料的温度通常应保持低于金刚石台124的石墨化温度，以防止金刚石台124中的金刚石石墨化。对于石墨化来说，典型金刚石具有约800℃至1200℃(取决于大气条件)的温度极限。对于TSP金刚石来说，这些值在真空下的范围为1000℃至1200℃。在某些情况下，石墨化温度可至少部分取决于正采用的特定薄膜沉积技术的沉积室内的气氛。
现在参考图3，示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性切削齿300的示意性截面侧视图。切削齿300在某些方面可以与图2的切削齿200类似，因此可以通过参考图2得到最好地理解。例如，与图2的切削齿200类似，切削齿300可包括金刚石台124和基底120。此外，切削齿300可以包括通常插入金刚石台124与基底120之间的多层接头302。与图2的多层接头202类似，多层接头302可用于将金刚石台124耦接或附接到基底120，使得切削齿300可用于井下操作，诸如在图1的钻头100中。为了实现这一点，在一些实施方案中，多层接头302可以包括钎焊层208。
然而，与图2的多层接头202不同，多层接头302通常不提供不同且限定的材料层。相反，多层接头302可以被表征为通过基层204、中间层206和钎焊层208中的一个或多个的材料层的梯度分层而产生的“梯度”多层接头302，使得从一种材料到下一种材料的过渡是渐进的而不是突然的。可以理解的是，梯度多层接头302中的梯度材料层可有利于使得金刚石台124与基底120之间的CTE发生连续变化而不是逐步变化。
虽然钎焊层208在图3中被描绘为限定的或不同的材料层，但钎焊层208也可以包括从相邻梯度中间层206逐渐过渡的梯度层。此外，在所示实施方案中，基层204(图2)可以形成中间层206的整体部分。然而，在其他实施方案中，基层204可以包括限定的材料层，而钎焊层208相反可以形成梯度中间层206的整体部分。在其他实施方案中，基层204和钎焊层208两者均可形成梯度中间层206的整体梯度部分。
在梯度多层接头302中，在用于形成梯度多层接头302的薄膜沉积工艺期间，材料层可以以两种或多种材料的混合物或共混物过渡。可以理解的是，梯度多层接头302可以为操作者提供改变化学组成的能力，从而将梯度多层接头302的材料设计或调节到预定或设计的梯度。与图2的多层接头202类似，梯度多层接头302可以使用本文列出的任何化学或物理薄膜沉积技术来形成。在一些实施方案中，梯度多层接头302可以在给定薄膜沉积工艺期间直接依次沉积在金刚石台124上。在沉积工艺之后，上面沉积或以其它方式形成有梯度多层接头302的金刚石台124随后可以通过钎焊周期耦接到基底120形成切削齿300。然而，在其他实施方案中，可以在薄膜沉积工艺期间，诸如在定位在沉积室内的载体基底上，独立于金刚石台124构建梯度多层接头302。在沉积工艺后，多层接头302可以作为独立的多层膜从载体基底脱离，并且随后被定位在金刚石台124与基底120之间，与经受钎焊周期，由此形成切削齿300。
现在参考图4，同时继续参考图2和图3，示出了根据一个或多个实施方案的制造切削齿的示例性方法400的示意性流程图。方法400可用于制造本文所述的切削齿200、300中的任一个。根据方法400，可使基层可如402所示在薄膜沉积工艺中沉积。在一些实施方案中，如上所述，可使基层204在沉积工艺期间直接沉积在金刚石台124上。然而，在其他实施方案中，可使基层204沉积在载体基底上。可以选择基层204的材料，使得所述材料在随后的加热和/或钎焊周期内与金刚石台124形成化学结合和/或碳化物。此外，可以选择基层204的材料来展现与金刚石台124的CTE匹配或密切匹配的CTE。
然后，可使一个或多个中间层如404所示沉积在基层上。在一些实施方案中，可使基层204和中间层206沉积在由不同材料构成的离散层或不同层中。然而，在其他实施方案中，从基层204的材料到中间层206的材料的沉积过渡(以及多个中间层206的相邻材料之间的沉积过渡，如果存在的话)之间可以是渐进的，使得可以实现材料的梯度分层。在任一种情况下，沉积的材料层可用于管理热应力，例如金刚石台124与基底120之间的CTE。例如，虽然可以选择基层204的材料使其密切匹配金刚石台124的CTE，但可以选择中间层206的任何后续材料以使CTE逐渐过渡到更接近基底120的CTE。在一些实施方案中，基层204和中间层206中的一个或多个可以在沉积工艺期间被掺杂和/或渗透以帮助操纵或优化CTE。因此，沉积的材料层可以各自表现出落在金刚石台124与基底120之间的CTE，以提供多层接头202、302的两端之间的过渡。
方法400可以通过使钎焊层沉积在一个或多个中间层上而继续进行，如406所示。中间层206的最后一层或材料可以包括材料(例如，金属或金属合金)，所述材料可以导致与钎焊层208的材料发生良好粘合。此外，可以选择钎焊层208的材料，使得钎焊层208与基底120形成化学结合。适用于钎焊层208的一种材料为银基钎焊合金。此外，与基层204和中间层206类似，钎焊层208可以在沉积工艺期间被掺杂和/或渗透，以帮助操纵或优化CTE使其更接近基底120的CTE。金刚石台124随后可利用定位在金刚石台124与基底120之间的多层接头202、302而经由钎焊工艺附接到基底120，如408所示。
现在参考图5，示出了根据一个或多个实施方案的制造切削齿的另一种方法500的示意性流程图。与方法400类似，方法500可用于制造本文所述的切削齿200、300中的任一个。根据方法500，可使多层接头如502所示在薄膜沉积工艺期间沉积在载体上。载体可以是金刚石台和载体基底中的一个，并且多层接头可包括至少两个组成部分，该至少两个组成部分包括基层、一个或多个中间层和钎焊层。在一些实施方案中，至少两个组成部分的材料可以掺杂有掺杂剂以改变所述材料的热膨胀系数。掺杂剂可以选自由陶瓷、金属、聚合物及其任意组合组成的组。
方法500随后可包括使金刚石台经由钎焊工艺附接到基底，其中多层接头插入金刚石台与基底之间，如504所示。在其中载体为载体基底的情况下，多层接头可首先从载体基底脱离且随后定位在金刚石台与基底之间以进行钎焊工艺。504的钎焊工艺可包括真空钎焊、热压和“下部”HPHT工艺，而不脱离本公开的范围。可在经由HTHP压制周期形成金刚石台后，发生钎焊工艺。在钎焊操作后，可从金刚石台浸出金刚石台中的剩余催化材料以及可能在钻孔期间对金刚石台有害的任何其他材料，以使金刚石台热稳定。
在其中载体为金刚石台的情况下，可使多层接头的材料在低于金刚石台的石墨化温度的温度下沉积在载体上。这可能有助于防止金刚石台的石墨化。在一些实施方案中，使多层接头沉积在载体上可包括使一种或多种第一材料沉积在载体上，以及使一种或多种第一材料的沉积逐渐过渡到载体上的一种或多种第二材料的沉积。这导致多层接头的材料层发生梯度分层，这可有利于使得金刚石台与基底之间的CTE发生连续变化而不是逐步变化。此外，梯度分层可以用被配置成优化和以其他方式操纵金刚石台与基底之间的CTE的材料来掺杂和/或渗透。
如上所述，本公开的原理不限于切削齿，但同样适用于金刚石台附接到基底的任何聚晶金刚石复合片。例如，本公开的原理可以应用于金刚石台轴承元件，例如用滚转切削齿组件中的那些。
参考图6，示出了根据一个或多个实施方案的示例性滚转切削齿组件600的截面顶视图。滚转切削齿组件600(下文称为“组件600”)可以用在图1A的钻头100中，并且因此可以通过参考图1A得到最好地理解，在图1A中，相同的附图标记表示不再详细描述的相同的部件或元件。然而，应当注意，尽管在本文中描述为与钻头100一起使用，但本领域技术人员很容易理解，组件600可以同样地用于各种其他类型的钻头或切削工具，而不脱离本公开的范围。例如，可能受益于本文所述实施方案的其他切削工具包括但不限于孕镶钻头、取芯钻头、取芯工具、扩孔器(例如，扩孔工具)和其他已知的井下钻具。
如图所示，组件600可以耦接到钻头100的刀片104或以其他方式与其相关联。然而，在其他实施方案中，组件600可以耦接到钻头100的任何其他静态部件，而不脱离本公开的范围。例如，在至少一个实施方案中，组件600可以耦接到钻头100的刀片104的顶部或者在备用行中。刀片104的前沿面106面向刀片104的大致旋转方向。可以在刀片104中在刀片104的前沿面处形成切削齿凹槽118。切削齿凹槽118可以包括或以其他方式提供接收端602a、底端602b和在接收端602a与底端602b之间延伸的侧壁604。
组件600还可以包括被配置为设置在切削齿凹槽118内的大致圆柱形滚转切削齿606。滚转切削齿606在某些方面可以类似于图1B的切削齿116，诸如包括基底120和附接到基底124的金刚石台124。接收端602a可以限定大致圆柱形开口，该大致圆柱形开口被配置为将滚转切削齿606接收到切削齿凹槽118中。基底120可以提供第一端608a和第二端608b。如图所示，第一端608a可以从切削齿凹槽118向外延伸较短距离，并且第二端608b可以被配置为在底端602b处或附近布置在切削齿凹槽118内。
组件600还可以包括在底端602b处布置在切削齿凹槽118内的轴承元件610。在容纳滚转切削齿606的钻头(例如，图1A的钻头100)的操作期间，滚转切削齿606的第二端608b(例如，基底120)可以被配置为在滚转切削齿606旋转时与轴承元件610啮合。在一些实施方案中，轴承元件610可以被钎焊到切削齿凹槽118的底端602b中。然而，在其他实施方案中，轴承元件610可以被直接铸造到切削齿凹槽118的底端602b中。在至少一个实施方案中，轴承元件610可以通过使用鸠尾状保持机构而固定到切削齿凹槽118的底端602b中。
轴承元件610的构成和构造可以与图1B的切削齿116相同，并且如上所述。更具体地讲，轴承元件610可以包括基底612(与基底120类似)，并且金刚石台614(与金刚石台124类似)可以使用多层接头616(与图2的多层接头202和图3的多层接头302类似)附接到基底612。因此，轴承元件610可以被表征或在本文以其他方式称为“聚晶金刚石复合片”。此外，如上文参考图4和图5所述的制造切削齿的方法400和500可以同样适用于制造轴承元件610，而不脱离本公开的范围。
组件600还可包括保持机构618，该保持机构被配置成将滚转切削齿606固定在切削齿凹槽118内。保持机构618可以是被配置为允许滚转切削齿606围绕其中心轴线620在切削齿凹槽118内旋转的任何装置或机构，同时防止滚转切削齿从切削齿凹槽118中移除。在一些实施方案中，如图所示，保持机构618可以包括球轴承系统，其包括内轴承座622a、外轴承座622b和设置在内轴承座622a与外轴承座622b内的一个或多个球轴承624(示出其中两个)。内轴承座622a可以限定在滚转切削齿606的外表面上(即，基底120的外表面)，而外轴承座622b可以限定在切削齿凹槽118的侧壁604的内径向表面上。
在示例性钻孔操作中，滚转切削齿606可以被配置成啮合下面的地下地层。当滚转切削齿606接触下面的地层时，地层开始剪切并生成在金刚石台214上沿着方向A所呈现的反作用力。此外，地层的剪切可以促使滚转切削齿606围绕中心轴线620旋转。方向A上的反作用力可以传递到滚转切削齿606的第二端608b(例如，基底120)，该第二端啮合轴承元件610。由于轴承元件610由诸如TSP的超硬材料制成，因此第二端608b可以可滑动地啮合轴承元件610，不这样的话，第二端608b有可能会卡住切削齿凹槽118的底端602b。然而，利用轴承元件610，可以显着地减少切削齿凹槽118与滚转切削齿606的第二端608b之间的摩擦，从而也减少在钻孔期间生成的热量。因此，需要较小的力来促使滚转切削齿606旋转，并且钻孔操作者可以能够沿着方向A对滚转切削齿606施加更大的力，从而提高钻孔操作的效率。
因此，所公开系统及方法良好适合于获得所提到的目标和优点以及本发明固有的那些目标和优点。以上公开的特定实施方案只是说明性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技术人员显而易知的不同但等效的方式来修改和实践。另外，除非所附权利要求书中另有描述，否则无意限制本文所示的构造或设计的细节。因此明显的是，以上公开的特定例示性实施方案可被改变、结合、或修改，并且所有的此类变化被认为在本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可以合适地在不存在本文未具体公开的任何要素和/或本文公开的任何可选要素的情况下实施。虽然组成和方法已在“包含”、“含有”或“包括”各种部件或步骤方面进行了描述，但是组成和方法还可以“基本上由各种组部件和步骤组成”或“由各种部件和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可以变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在范围内的任何数字和任何包括的范围。具体而言，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权所有人另外明确地和清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其一般的普通含义。此外，如权利要求中使用的不定冠词“一(a或an)”在本文中被定义来意指它所介绍的一个或多个元件。如果本说明书和可能以引用的方式并入本文中的一个或多个专利或其它文件中词或术语的使用存在任何冲突，应采用与本说明书一致的定义。
如本文所使用的，在一系列项之前的短语“至少一个”，以及用于分开所述项中的任何一个的术语“和”或“或”作为整体修改列表，而不是所述列表中的每一个成员(即，每个项)。短语“至少一个”允许包括项中任何一个的至少一个、和/或项的任何组合的至少一个、和/或项中每一个的至少一个的意义。以举例的方式，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自指代仅A、仅B、或仅C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个的至少一个。

Claims (25)

1.一种聚晶金刚石复合片，包括：
基底；
金刚石台，所述金刚石台附接到所述基底；以及
多层接头，所述多层接头插入所述基底与所述金刚石台之间，所述多层接头包括选自由基层、一个或多个中间层和钎焊层组成的组的至少两个组成部分，
其中所述至少两个组成部分是经由薄膜沉积工艺形成的。
2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述金刚石台由超硬材料制成，所述超硬材料选自由以下各项组成的组：聚晶金刚石；聚晶立方氮化硼；孕镶金刚石；热稳定聚晶金刚石；以及它们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述金刚石台通过高温高压(HTHP)压制周期而形成。
4.根据权利要求3所述的聚晶金刚石复合片，其中所述金刚石台被浸出以在所述HTHP压制周期后变得热稳定。
5.根据权利要求3所述的聚晶金刚石复合片，其中所述金刚石台通过钎焊工艺、热压和下部高温高压(HTHP)压制周期中的至少一者而附接到所述基底。
6.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述薄膜沉积工艺选自由以下各项组成的组：物理气相沉积；化学气相沉积；溅射；脉冲激光沉积；化学溶液沉积；等离子体增强化学气相沉积；阴极电弧沉积；电流体力学沉积；离子辅助电子束沉积；电镀；热蒸发；以及旋涂。
7.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述至少两个组成部分包括选自由以下各项组成的组的材料：钛；钨；铬；锆；锰；银；铜；金；钒；钇；铌；钼；铪；钽；镍；钯；硼；硅；铁；铝；钴；铟；磷；以及它们的任意合金。
8.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述至少两个组成部分中的至少一个掺杂有改变热膨胀系数的材料，所述材料选自由以下各项组成的组：陶瓷；金属；聚合物；以及它们的任意组合。
9.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述至少两个组成部分包括表现出在所述金刚石台与所述基底的热膨胀系数之间的对应热膨胀系数的材料。
10.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述多层接头是其中所述至少两个组成部分的材料从一种或多种第一材料逐渐过渡到一种或多种第二材料的梯度多层接头。
11.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片，其中所述聚晶金刚石复合片包括切削齿或轴承元件。
12.一种制造聚晶金刚石复合片的方法，所述方法包括：
使多层接头在薄膜沉积工艺期间沉积在载体上，所述载体是金刚石台和载体基底中的一个，并且所述多层接头包括选自由基层、一个或多个中间层和钎焊层组成的组的至少两个组成部分；以及
使所述金刚石台经由钎焊工艺附接到基底，其中所述多层接头插入所述金刚石台与所述基底之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中使所述多层接头沉积在所述载体上之前：
经由高温高压(HTHP)压制周期形成所述金刚石台；以及
在所述HTHP压制周期后，从所述金刚石台浸出催化剂。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括使所述至少两个组成部分的材料掺杂有掺杂剂以改变所述材料的热膨胀系数，所述掺杂剂选自由以下各项组成的组：陶瓷；金属；聚合物；以及它们的任意组合。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述载体为使所述金刚石台附接到所述基底的所述载体基底，所述方法包括：
使所述多层接头从所述载体基底脱离；以及
使所述多层接头沉积在所述金刚石台与所述基底之间以用于进行所述钎焊工艺。
16.根据权利要求12所述的方法，其中使所述多层接头沉积在所述载体上包括：
使一种或多种第一材料沉积在所述载体上；以及
使所述载体上的所述一种或多种第一材料的沉积逐渐过渡到所述载体上的一种或多种第二材料的沉积。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述载体为所述金刚石台并且使所述多层接头沉积在所述载体上包括使一种或多种材料在低于所述金刚石台的石墨化温度的温度下沉积。
18.一种钻头，包括：
钻头主体，所述钻头主体具有一个或多个刀片；
至少一个切削齿，所述至少一个切削齿被定位在所述一个或多个刀片上并且包括：
基底；
金刚石台，所述金刚石台附接到所述基底；以及
多层接头，所述多层接头经由薄膜沉积工艺而形成并且插入所述基底与所述金刚石台之间，所述多层接头包括选自由基层、一个或多个中间层和钎焊层组成的组的至少两个组成部分。
19.根据权利要求18所述的钻头，其中所述金刚石台通过高温高压(HTHP)压制周期形成并且所述金刚石台通过钎焊工艺、热压和下部高温高压(HTHP)压制周期中的至少一者附接到所述基底。
20.根据权利要求19所述的钻头，其中所述金刚石台被浸出以在所述HTHP压制周期后变得热稳定。
21.根据权利要求18所述的钻头，其中所述薄膜沉积工艺选自由以下各项组成的组：物理气相沉积；化学气相沉积；溅射；脉冲激光沉积；化学溶液沉积；等离子体增强化学气相沉积；阴极电弧沉积；电流体力学沉积；离子辅助电子束沉积；电镀；热蒸发；以及旋涂。
22.根据权利要求18所述的钻头，其中所述至少两个组成部分包括选自由以下各项组成的组的材料：钛；钨；铬；锆；锰；银；铜；金；钒；钇；铌；钼；铪；钽；镍；钯；硼；硅；铁；铝；钴；铟；磷；以及它们的任意合金。
23.根据权利要求18所述的钻头，其中所述至少两个组成部分中的至少一个掺杂有改变热膨胀系数的材料，所述材料选自由以下各项组成的组：陶瓷；金属；聚合物；以及它们的任意组合。
24.根据权利要求18所述的钻头，其中所述多层接头是其中所述至少两个组成部分的材料从一种或多种第一材料逐渐过渡到一种或多种第二材料的梯度多层接头。
25.根据权利要求18所述的钻头，其中一个或多个切削齿凹槽被限定在每个刀片中并且所述至少一个切削齿被固定到所述一个或多个切削齿凹槽中的对应一个，所述钻头还包括轴承元件，所述轴承元件被布置在每个切削齿凹槽内并且包括：
轴承元件基底；
轴承元件金刚石台，所述轴承元件金刚石台附接到所述轴承元件基底；以及
轴承元件多层接头，所述轴承元件多层接头通过薄膜沉积工艺形成并且插入所述轴承元件基底与所述轴承元件刚石台之间，所述轴承元件多层接头包括选自由基层、一个或多个中间层和钎焊层组成的组的至少两个组成部分。
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