CN107635699A - 用以提供的增强金属组分和复合组分之间的粘合力的预扩散心轴涂层 - Google Patents

用以提供的增强金属组分和复合组分之间的粘合力的预扩散心轴涂层 Download PDF

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Abstract

钻头和相关联的制造和使用方法采用粘合至复合金属基体材料的预先扩散心轴。所述预扩散心轴包括化学改变的表面组成，所述表面组成增强与通过用粘合剂渗透金属基体组分形成的复合金属基体组分的粘合。所述化学改变的表面可被构造为减小邻近所述心轴的富含粘合剂的区域、与所述复合金属基体组分机械地互锁或防止沿所述粘合形成脆性金属间颗粒。

Description

用以提供的增强金属组分和复合组分之间的粘合力的预扩散 心轴涂层
发明背景
1.发明领域
本公开一般涉及井下工具，诸如可用于在与油气勘探、钻探和生产有关的操作中的钻头。更具体而言，本公开的实施方案涉及与由粘合至金属心轴的金属-基体复合材料(MMC)构成的钻头相关的工具、系统和方法。
2.背景技术
通常在勘探、钻探和生产烃类物、水、地热能或其它地下资源的操作中，旋转钻头用于形成通过地质构造的井筒。旋转钻头通常包括旋转锥钻头或牙轮钻头和固定切割钻头或刮刀钻头。固定切割钻头通常由具有切割元件或设置在选定位置以与地质结构接合的插入件的钻头主体形成。钻头主体通常由金属-基体复合材料构成，因此这种固定切割钻头有时可被称为“基体钻头”。
基体钻头的制造过程通常包括在诸如石墨的材料块中形成模腔。模腔可被加工为具有钻头的期望外部特征的负轮廓。钻头的其它特征(诸如刀片、切割凹穴和/或流体流动通道)可通过使模腔成形和/或通过将临时置换材料定位在模腔内来提供。预成型金属心轴可放置在模腔内，以提供对基体钻头主体的增强，并且便于将所得基体钻头主体与在其上具有钻柱连接器的金属柄部附连。一旦形成模具，一定量的松散增强材料或金属-基体组分(诸如碳化钨粉末)可被放入模腔中。为了形成金属-基体复合材料，然后可用粘合剂(诸如熔融铜合金)渗透金属-基体组分。在粘合剂与金属-基体组分凝固之后形成基体钻头主体。
已经观察到，在某些情况下，可能会在心轴和金属-基体复合材料之间形成的粘合处发生钻头的结构性故障。因此，粘合的改善可能是妥当的。
附图简述
以下基于附图中所示的实施方案详细描述本公开，其中：
图1是可结合根据本公开的一个或多个示例实施方案构造的基体钻头的钻井系统的实施例的正视图；
图2是示出其基体钻头主体的图1的基体钻头的透视图；
图3是示出粘合至基体钻头主体的金属心轴的图2的基体钻头的截面图；
图4是可用于形成基体钻头主体并将基体钻头主体粘合至图3的金属心轴的模具组件的截面图；
图5A至图5C是在用于化学改变心轴的表面并与心轴形成钻头部件的制造过程的各个阶段中的金属心轴的局部截面图；
图6A至图6C是在用于化学改变心轴的表面以产生宏观变化表面特征以与基体钻头主体机械地互锁的制造过程的各个阶段中的金属心轴的替代实施方案的局部截面图；
图7A至图7D是分别包括植入颗粒、机械加工表面特征、多孔化学改变表面和多个扩散剂层的金属心轴的替代实施方案的局部截面图；和
图8是示出根据本公开的各方面的用于制造和使用固定切割器钻头的过程的流程图。
具体实施方式
本公开可在各种实施例或附图中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，且本身并不指示所讨论的各种实施方案和/或构造之间的关系。此外，为了便于描述，在本文可使用空间相对术语(诸如下面、以下、下方、上方、上面、井上、井下、上游、下游等)来描述一个元件或特征与其他元件或特征的关系(如图所示)，向上方向朝向对应图的顶部，且向下方向朝向对应图的底部，井上方向朝向井筒的表面，井下方向朝向井筒的底部。除非另有说明，否则空间相对术语旨在涵盖除了在附图中描绘的定向之外的装置在使用或操作中的不同定向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为“在其它元件或特征“以下”或“下面”的元件将被定向在其它元件或特征”上方“。因此，示例术语“以下”可涵盖上方和下方的定向。装置可以其它方式定向(旋转90度或在其它取向)，并且这里使用的空间相关描述符同样可被相应地解释。
此外，尽管附图可描绘垂直井筒中的井筒，但是除非另有说明，否则本领域技术人员应理解，根据本公开的装置同样适用于具有其它定向的井筒，包括垂直井筒、倾斜井筒、多边井筒等。同样地，除非另有说明，否则尽管附图可能描述了陆地操作，但是本领域技术人员应理解，根据本公开的装置同样适用于海上操作。此外，除非另有说明，否则尽管附图可能描述了无套管钻井操作，但是本领域技术人员应理解，根据本公开的装置同样适用于套管钻井操作。
1.示例实施方案的描述
本公开包括可避免在制造钻头期间在金属心轴、粘合剂和/或金属-基体组分之间发生化学相互作用的方法和装置，以保持在心轴和金属-基体复合材料之间形成的粘合的强度。特别而言，所公开的方法和装置可避免沿粘合线形成脆性金属间颗粒，并且避免富含粘合剂区域在邻近心轴的增强金属基体组分的浓度较低。在下面描述的一些示例实施方案中，描述了用于制造钻头的方法，该方法包括在将心轴装载至用于形成钻头的模具中之前化学改变心轴的表面。当金属基体组分在模具中用粘合剂渗透时，化学改变的表面可例如通过阻止形成脆性金属间颗粒和/或通过宏观地改变心轴的表面纹理以促进心轴与金属-基体复合材料的互锁来提高粘合的强度。
图1是可结合根据本公开的一个或多个示例实施方案构造的基体钻头100的钻井系统10的实施例的正视图。钻井系统10部分地设置在从表面位置“S”延伸并贯穿地质构造“G”的井筒14内。在所示的实施例中，井筒14被示为大致竖直，但应理解，井筒14可包括其中的各种各样的垂直、定向、偏斜、倾斜和/或水平部分中的任何一个，并且可沿通过地质构造“G”的任何轨迹延伸。
旋转钻头100设置在钻柱18的下端以用于切入地质构造“G”中。当旋转时，旋转钻头100操作以打破且一般分解地质构造“G”。旋转钻头100可以各种方式中的任何一种旋转。在该实施例中，在表面位置“S”处，钻机22包括转台28，该转台可被操作以使整个钻柱18和耦接至钻柱18的下端的旋转钻头100旋转。转台28由发动机30、链条驱动系统或其它装置选择地驱动。在一些实施方案中，设置在钻柱18中的井底钻具组件或BHA 32可包括井下马达34，以使钻头100相对于钻柱18的其余部分选择地旋转。马达34可响应于穿过其中的钻井液(诸如泥浆36)的循环产生扭矩。如本领域技术人员应认识，使旋转钻头100相对于钻柱18选择地旋转的能力在定向钻井和/或其它操作中可能是有用的。
泥浆36可由泥浆泵38在井下泵送通过钻柱18的内部。泥浆36穿过BHA 32的井下马达34，在那里从泥浆36中提取能量以使旋转钻头100转动。在泥浆36穿过BHA 32时，泥浆36可润滑限定在其中的轴承(未明确示出)，然后通过限定在旋转钻头100中的喷嘴124(图2)排出。在泥浆36继续向上循环通过限定在钻柱18和地质构造“G”之间的环形空间40时，泥浆冲刷地质切屑和/或来自旋转钻头100的路径的其它碎屑。地质切屑和其它碎屑由泥浆36携带至表面位置“S”，在该位置，切屑和碎屑可被从泥浆流中去除。
图2是示出其基体钻头主体102的旋转钻头100的透视图。对于如图1所示的实施方案，基体旋转钻头100可包括固定至复合基体钻头主体102的金属柄部104。金属柄部104可具有中空的大致圆柱形构造，例如以允许泥浆从钻柱18(图1)流至旋转钻头100的内部部分。各种类型的连接器108可限定在金属柄部104上以用于将旋转钻头100耦接至钻柱18(图1)。在一些示例实施方案中，连接器108可包括具有限定在其上的美国石油学会(API)螺纹的螺纹销。
在一些示例实施方案中，基体钻头主体102通过心轴110耦接至金属柄部104。金属柄部104和心轴110可由低碳钢或一般与制造旋转钻头相关联的各种金属合金构造。心轴110可通过环形焊缝112或通过本领域公认的其它各种耦接机构固定至金属柄部104。心轴110延伸至基体钻头主体102中，并且沿预扩散粘合位置粘合至其上(如下面更详细描述)。如本文所使用，术语预扩散意指至少在渗透金属基体组分之前扩散剂化学改变心轴的表面组成，以形成与心轴粘合的基体钻头主体。
基体钻头主体102包括围绕旋转钻头100周向布置的多个切割刀片114a、114b。主切割刀片114a一般延伸穿过基体钻头主体102的中心部分至其两个侧面，并且副切割刀片114b周向地插入其间。排屑槽116限定在切割刀片114a、114b之间，并且便于从旋转钻头100的路径去除地质材料和碎屑。
切割刀片114a、114b将多个切割元件118支撑在限定在基体钻头主体102中的凹陷或凹穴120中。切割元件118可通过钎焊或本领域公认的其它制造技术牢固地安装至凹穴120。切割元件118接合并去除地质构造“G”(图1)的相邻部分。在旋转钻头100在井下旋转时，切割元件118可从井筒14(图1)的底部和侧面刮擦、剪切、压碎、凿削或以其它方式破坏地质材料。在一些示例实施方案中，切割元件118可包括各种类型的多晶金刚石复合片(PDC)切割器部件。包括这种PDC切割器的旋转钻头有时可被称为“PDC钻头”。
在一个或多个示例实施方案中，多个喷嘴开口122被限定在基体钻头主体102中。各个喷嘴124可设置在每个喷嘴开口122中，以用于排出泵送通过钻柱18(图1)的各种类型的钻井液或泥浆36(图1)。
图3是示出粘合至基体钻头主体102的金属心轴110的钻头100的局部截面图。如图3的截面所示，喷嘴开口122流体地耦接至延伸通过旋转钻头100的流体通道128。流体通道128延伸通过基体钻头主体102、心轴110和通过环形焊缝112与其耦接的金属柄部104。
如图3所示，心轴110在其上限定粘合位置130，心轴110穿过该粘合位置粘合至至少一种基体材料，诸如基体钻头主体102的金属-基体复合材料132。如下面更详细描述，粘合位置130的至少一部分被预先去除，使得在将心轴110粘合至金属-基体复合材料132之前，化学改变心轴110的基底材料。在金属-基体复合材料132在心轴110周围冷却并硬化时(如下所述)，可形成预扩散粘合位置130处的粘合。
图4是可用于形成基体钻头主体102(图3)并将基体钻头主体102粘合至金属心轴110的模具组件200的截面图。模具组件200包括模具202、连接环204和漏斗206，它们一起限定与钻头主体102的至少一部分的外轮廓对应的负轮廓。模具202、连接环204和漏斗206可由石墨或一旦形成就容易从钻头主体102上去除的其它材料构成。可使用各种技术，包括但不限于加工石墨块以在模具组件200内产生模腔208。腔可例如限定钻头主体102的外部特征(诸如切割刀片114a、114b(图2)、排屑槽116(图2)和凹穴120(图2))的负轮廓。
各种类型的临时置换插入件可安装在模腔208内，以便于形成期望钻头主体102(图3)的内部特征或部分内部特征。例如，喷嘴开口122(图3)和流体通道128(图3)的部分可分别对应于置换插入件210、212。置换插入件214可设置在邻近模具202和/或连接环204的模腔208内，以便于一旦形成钻头主体102时可能难以加工或以其它方式形成的底切或一些其它特征。在一些示例实施方案中，置换插入件210、212和214可由固结砂子、树脂和/或石墨的各种构造构成。
至少一种增强材料或基体组分(诸如金属-基体组分220)可放置在模腔208中、预扩散心轴110和置换插入件210、212、214之间。在一些示例实施方案中，金属-基体组分220可包括碳化钨颗粒或粉末(其可包括碳化钨、碳化二钨和/或微晶碳化钨晶粒)。球形铸造碳化钨可在没有粘合材料的情况下形成。在其它示例实施方案中，金属-基体组分220可包括胶结碳化物。如本文所使用，术语胶结碳化物可包括WC(碳化钨)、MoC、TiC、TaC、NbC、Cr3C2、VC和混合碳化物的固体溶液，诸如金属粘合剂(基体)相的WC-TiC、WC-TiC-TaC、WC-TiC-(Ta，Nb)C。胶结碳化物一般可被描述为粉末状耐火碳化物，该耐火碳化物已通过压缩和加热与粘合剂材料(诸如粉末状钻、铁、镍、钼和/或其合金)结合在一起。胶结碳化物也可根据需要进行烧结、压碎、筛选和/或进一步处理。胶结碳化物有时可被称为“复合”碳化物或烧结碳化物。一些胶结碳化物也可被称为球形碳化物。然而，胶结碳化物可具有不同于球形的许多构造和形状。
为了形成金属-基体复合材料132(图3)，基体金属-基体组分220用粘合剂224渗透。粘合剂224可包括但不限于以下材料，诸如铜(Cu)、镍(Ni)、钻(Co)、铁(Fe)、铝(Al)、钼(Mo)、铬(Cr)、锰(Mn)、锡(Sn)、锌(Zn)、铅(Pb)、硅(Si)、钨(W)、硼(B)、磷(P)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铟(In)，它们的任意组合或基于这些金属的合金。粘合剂224提供延展性和韧性，这经常致使所得钻头主体128(图3)具有更大的抗破裂性(韧性)。虽然为了清楚起见，图4中示出粘合剂224设置在金属-基体组分220上方(其间没有互相混合)，但是本领域技术人员应理解，在渗透或流入金属-基体组分220达一定程度之前，粘合剂224可能不会保持完全与金属-基体组分220分离。
在一些示例实施方案中，模具组件200可包括具有耦接在漏斗206上方的盖或帽232的粘合剂碗230。在渗透金属-基体组分220之前，粘合剂224可存储在粘合剂碗230中，限定在粘合剂碗230的下部分中的孔234允许熔融状态的粘合剂224穿过进入模腔208中。
粘合剂224最初可以销售形式放入粘合剂碗230中，然后可将模具组件200随后放入炉(未示出)中以将整个模具组件200加热至预定渗透温度，以使粘合剂224熔化并流过孔234进入模腔208，在该模腔中，粘合剂渗透金属-基体组分220。一旦金属-基体组分220被渗透，模具组件200即可被炉中取出并允许冷却。在渗透的金属-基体组分220冷却以形成金属-基体复合材料132(图3)时，金属-基体复合材料132在预扩散心轴110周围固化以在粘合位置130处与其形成粘合(图3)。
所形成的粘合强度可受到心轴110的金属(例如，铁)的影响，该金属扩散至粘合剂224的材料(例如，铜)中并与金属-基体组分220(例如，碳化钨)反应以形成脆性金属间化合物颗粒。此外，粘合的强度可受到心轴110和金属-基体组分220的热膨胀系数之间的不匹配的影响。心轴110和金属-基体组分220可在炉内以不同量膨胀，使得允许较高浓度的粘合剂224流入粘合位置130附近的区域(图3)。粘合位置130附近的金属-基体复合材料132中的粘合剂224的浓度因此可相对较高。在一些示例实施方案中，预扩散心轴110可提供改性表面以缓减或抑制某些脆性相的形成，或者可提供粘合位置130的增强强度。
图5A至图6C是用于化学改变心轴的表面并且与心轴形成钻头部件的制造过程的各个阶段中的示例金属心轴302a至302f的局部截面图。所示心轴包括其上的化学改性表面320、336，以提供(通常是钢)心轴和金属-基体材料之间的增强的粘合线强度。虽然对心轴表面涂层可以是用于化学改性心轴表面的一个步骤，但是由于允许所涂敷的材料或“扩散剂”扩散或自由散布到心轴的基底金属中，并与其反应，使得在基底金属和扩散剂之间没有明显或视觉可辨别的边界或界面，因此表面改性基本上不同于涂层。
参考图5A，心轴302a(在围绕纵向轴线“X1”的局部截面图中示出)由基底材料310构成。扩散剂312的涂层被涂敷至基底材料310。在一些示例实施方案中，基底材料310可包括钢合金，诸如低碳钢，且扩散剂312可包括以下材料，诸如碳、氮、硼、铍、硫、硅、钍、钛、钇、锆或与基底材料310的钢中的铁形成共晶熔体的另一种材料。替代的扩散剂312材料可包括改变基底材料310的表面能量(可润湿性)或与基底材料310合金以形成低熔点相(诸如包晶相)的元素。在一个或多个示例实施方案中，扩散剂312可包括由用于金属-基体组分220的上述任何材料形成的增强颗粒。扩散剂312涂覆在限定在心轴302a上的粘合区域314的至少一部分上。在一些示例实施方案中，心轴302a被涂覆在其所有外表面上或仅关键位置上。例如，心轴302a的未涂覆区域316可被掩蔽，且可通过任何已知的涂覆工艺(包括例如，溅射涂覆、热喷涂、电镀、化学气相沉积、等离子体气相沉积等)来涂敷扩散剂312。在一些其它示例实施方案中，可用扩散剂312仅涂覆外部径向表面、除了顶部环形表面之外的所有外表面和/或仅半个底部(例如，向上到外部斜面的顶部)。
一旦心轴302a涂覆有扩散剂312，且在被装载至模具组件200(图4)中之前，心轴302a可经受预装载热工艺(高温工艺和环境)以化学改变心轴302a的表面组成。如图5B所示，具有化学改性表面320的预扩散心轴302b可通过预装载热工艺形成。扩散剂312可简单地扩散至基底材料310中，或者扩散剂312可与基底材料310反应以在化学改性表面320中形成合金或金属间化合物。在一些示例实施方案中，预装载热工艺可包括在炉中加热心轴302a至约2000°F以上的预定处理温度。在一些示例实施方案中，预定处理温度可在约2180°F至约2220°F的范围内，并且在一些示例实施方案中，预定处理温度可以是约2200°F。预扩散心轴302b可允许冷却，且然后可通过用粘合剂224(图4)渗透金属-基体组分220(图4)(如上所述)而被装载至模具组件200(图4)中以与基体钻头主体102粘合(图3)。
由于预扩散心轴302b的化学改性表面320，可实现减少在粘合位置130附近的金属-基体复合材料132中形成脆性金属间颗粒。由于扩散剂312(图5A)有机会与基底材料310(图5A)反应，所以化学改性表面320可缓减或减少脆性金属间颗粒的形成，且因此可在渗透工艺中与粘合剂224(图4)反应的程度较小。相反，如果涂覆的心轴302a经受渗透工艺，则扩散剂312将比基底材料310更快速地与粘合剂224反应，从而不会允许扩散剂312扩散到基底材料中。
在一些示例实施方案中，涂敷的扩散剂312可能足够厚(在最初涂敷时)，使得化学改性表面320的最终外部组成物仍然类似于涂敷的扩散剂312的最终外部组成物(参见例如，图5B)。在一个或多个其它实施方案中，涂敷的扩散剂312可能足够薄，以至于扩散剂312成为对心轴基底材料310的原始组成物的较少合金化添加。在一些示例实施方案中，化学改性表面320的厚度(在涂敷的扩散剂312中增加)可在约10μm至2.5mm的范围内，这取决于心轴基底材料310和涂敷的扩散剂312的原始组成物(除了化学改性表面320的期望最终组成物之外)。
如图5C所示，在被装载至模具组件200中并经受如上所述的渗透工艺之后，在粘合心轴310c上示出粘合324。粘合324可被限定为基底材料310、扩散剂312(图5A)、粘合剂224(图4)和/或金属-基体组分220(图4)的反应或扩散的产物。粘合324可径向延伸至粘合心轴310c中并径向延伸至由渗透工艺形成的金属-基体复合材料132中。由于各种材料之间的相互扩散和相互作用，粘合324的确切边界可能不容易辨别。预扩散心轴302b的改性表面组成可与粘合剂224反应或扩散至其中，使得产生的粘合剂324是化学粘合和/或功能梯度材料。
现在参考图6A至图6C，在用于化学改变心轴的表面336以产生宏观变化表面特征338、340以与基体钻头主体102(图2)机械地互锁的制造过程的各个阶段中的金属心轴302d-302f的一些示例实施方案。在一些实施方案中，除了在基体钻头主体102和心轴之间形成增强化学粘合之外，心轴的化学改性表面还可便于基体钻头主体102的机械互锁。
如图6A所示，在一些示例实施方案中，扩散剂312可沿粘合位置328以非连续图案涂敷至心轴302d的基底材料310。扩散剂312的径向带330由其间的间隙332间隔开。在一个或多个实施方案中，这些带330可限定大致平行环，所述环沿心轴302d的纵向轴线“X2”纵向间隔开。在一些其它示例实施方案中，带330可限定类似于梯形螺纹的螺旋图案。在一些实施方案中(未示出)，带可在轴向方向上定向。在这样的构造中，扩散剂312可在预扩散心轴302e中产生具有可变径向深度的化学改变表面336，如图6B所示。在一些实施方案中，化学改变表面336的至少一种元素可与渗透粘合剂224(图4)反应，以通过局部区或区域(例如，其中扩散剂312的带330被涂覆)中的显著反应和/或扩散侵蚀到心轴302e中，由此产生具有宏观变化表面342的起伏或波状粘合线，而不是沿粘合位置328的外轮廓的大致直线。如图6C所示，宏观凸起338和/或凹口340可形成于心轴302f中。在一些示例实施方案中，宏观凸起338相对于相邻凹口340的高度“h”可以是25μm或更大。
在一些实施方案中，如图6C所示的宏观变化表面342可表示心轴302f和基体钻头主体102(图2)的材料之间的明显或可辨别的边界。在一些其它实施方案中，宏观变化表面342可以功能梯度粘合指定关键组成物(例如，基底材料310和粘合剂224组成物各50％)。在任何情况下，宏观变化表面342都允许金属-基体复合材料132(图3)填充凹口340，从而使心轴302f和金属-基体复合材料132机械地互锁。
图7A至图7D是分别包括植入颗粒350a、350b(图7A)、机械加工表面特征352(图7B)、多孔化学改变表面354(图7C)和多个扩散层362a、362b(图7D)的金属心轴302g至302j的替代实施方案的局部截面图。参考图7A，在一些示例实施方案中，一种形式的机械互锁可通过将颗粒350a植入心轴302g的外表面(这将增加心轴302g的表面积)中来实现。颗粒350a可由渗透温度高于用于熔化粘合剂224(图4)的熔融温度的材料构造，使得当在渗透工艺期间颗粒350a在与熔融粘合剂224接触时不会熔化。在一些示例实施方案中，颗粒350a可包括碳化钨，和/或金属-基体组分220的增强颗粒(图4)。可替代地或另外地，在一些示例实施方案中，颗粒350a可包括任何合适形状的颗粒，包括晶须、纤维或其它合适形状的耐火材料(可包括碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物或难熔金属或合金)。在涂敷扩散剂312(图5A)之前或之后，或者在将心轴302g装载至模具组件200(图4)中来进行渗透工艺之前的制造过程中的任何时候，可植入颗粒350a。颗粒350a可以不规则、粗糙或随意的方式沉积或植入，以提供心轴302g和钻头主体102(图3)的金属-基体复合材料132(图3)之间的增加界面面积。此外，具有与颗粒350a不同的材料组成物的颗粒350b可沉积在心轴302g的不同区，以在渗透工艺期间提供与粘合剂224和/或金属-基体组分220不同的局部反应。
参考图7B，在一个或多个示例实施方案中，在化学改性心轴302h的表面组成之前，和/或在将心轴302h装载至模具组件200中来进行渗透工艺之前，表面特征352可被机械加工或以其它方式形成于心轴302h中。表面特征352可包括径向凹槽、凹痕、狭槽、螺纹、凹陷、通道、凸起、穿孔、凸块、鳍状物、滚花、开垛口、雉堞，以及这些表面特征352的任意组合。表面特征352将便于与钻头主体102的金属-基体复合材料132机械地互锁(图3)。
如图7C所示，在一些示例实施方案中，可在心轴302i的外表面中产生化学改变表面354。化学改变表面354可在预装载热工艺期间由扩散剂312(图5A)形成，并且限定化学改变表面354的多孔性或类似海绵的特性。该多孔性允许渗透粘合剂224(图4)填充孔356并在心轴302i和钻头主体102(图3)的金属-基体复合材料132(图3)之间形成机械互锁。
如图7D所示，在一些示例实施方案中，多层362a、362b扩散剂312可被涂敷至心轴302j以化学改变其表面组成。例如，可将具有不同材料组成物的内层362a和外层362b扩散剂312涂覆至心轴302j。在一些示例实施方案中，外层362b的材料组成物可在预装载热循环期间经历很少(如果有的话)变化，而内层362a的所涂敷材料将与外层362b和心轴302j的基底材料310反应和/或扩散至其中，从而使外层362b和基底材料310粘合在一起。
而且，在一个或多个示例实施方案中，多层362a、362b中的任何一层或全部可包括至少一种第二相材料，诸如其中的增强颗粒364。增强颗粒364可由金属-基体组分220材料组成(图4)。增强颗粒364然后可补充形成于心轴302j附近的区域中的金属-基体复合材料132(图3)中的金属-基体组分220的浓度，否则可能在渗透工艺期间形成富含粘合剂224的区域(图4)。增强颗粒364因此可允许金属-基体复合材料132和心轴302j之间更多的内聚粘合。
在一个或多个示例实施方案中，本文所述的各种扩散剂312和/或增强颗粒364也可以不规则、粗糙或随意的方式沉积，以提供金属-基体复合材料132(图3)和心轴之间的增加界面面积302j。此外，不同涂覆材料组成物或扩散剂312可沉积在心轴302j的不同区域，以提供与粘合剂224(图4)和/或金属-基体组分220(图4)不同的局部反应。
2.制造和操作的示例方法
图8是示出根据本公开的各方面的用于制造和使用固定切割器旋转钻头100的过程400的流程图。参考图8，且继续参照图1至图7D，过程400从步骤402开始，其中心轴110由基底材料310构成。可选的表面特征352可被预加工或机械地形成至基底材料110中。接下来，在步骤404，至少一种扩散剂312可被涂敷至心轴110的粘合位置130的至少一部分。至少一种扩散剂312可通过任何已知涂覆工艺被涂敷在一个或多个不同层362a、362b中。接下来，预装载热工艺(步骤406)可化学改变心轴110的表面组成。在预装载热工艺中，涂覆有扩散剂312的心轴110可放如炉(未示出)中，且加热至处理温度以由此化学改变心轴110的表面组成。在一个或多个示例实施方案中，化学改变心轴110的表面组成可包括渗碳、渗氮、渗硼、扩散、反应、相互作用、撞击、冲击、热喷涂、焊接、沉积或机械冲击心轴110的粘合位置130。在一些示例实施方案中，诸如凸起338和凹口340的表面特征可在预装载热工艺期间由扩散剂形成，或类似物表面特征可通过将心轴加热至足以部分熔化心轴110的处理温度来形成。
接下来在决定408，确定是否期望进一步化学改性心轴110。如果期望进一步化学改性，则过程400可返回至步骤404，在该步骤中，可将额外扩散剂312涂敷至化学改性表面，例如表面320或粘合位置130的另一不同区域，且可应用额外预装载热工艺(步骤406)。如果在决定408确定不期望进一步化学改性，则过程400可进行至步骤410，在该步骤中，心轴110可与金属-基体组分220或增强材料一起加载至模具组件200中。
接下来，可进行渗透工艺(步骤412)以便于用粘合剂224渗透模具组件中的金属-基体组分220。渗透工艺可包括将粘合剂224加热至高于熔点的渗透温度以允许熔融粘合剂224流入金属-基体组分220中。由粘合剂224和金属-基体组分220形成的金属-基体复合材料132可被骤冷或允许以其它方式冷却(步骤414)。由此在熔化粘合剂224围绕心轴110固化时，在金属-基体复合材料132和化学改性表面320之间形成粘合。
一旦被冷却，即可将模具组件200从钻头主体102去除，并且可在步骤416完成旋转钻头100。例如，为了完成旋转钻头100，可将心轴110耦接至旋转钻头100的柄部104，且切割元件118可紧固至钻头主体102。完成的旋转钻头100然后可耦接至钻柱18并且旋转(步骤418)以在地质构造中形成井筒“G”。
3.本公开的各方面
提供本部分中描述的本公开的各方面是为了以上面更详细描述的简化形式来描述概念的选择。本部分不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助。
一方面，本公开涉及一种制造钻头部件的方法。该方法包括：(a)将第一扩散剂涂敷至限定在用于钻头部件的心轴上的粘合位置的至少一部分，(b)通过将心轴和第一扩散剂加热至处理温度来化学改性粘合位置的表面组成，(c)在化学改性表面组成之后，由粘合剂渗透基体组分以形成复合材料，和(d)围绕心轴上的粘合位置冷却基体材料，以将基体材料在粘合位置处粘合至心轴。
在一些示例实施方案中，化学改性粘合位置的表面组成包括形成用于与基体钻头体机械地互锁的宏观变化表面特征，并且在一些实施方案中，化学改性表面组成包括将扩散剂预扩散至心轴的粘合位置，使得基体钻头主体与预扩散表面粘合。在一个或多个实施方案中，对粘合位置的表面组成化学改性包括扩散、反应、相互作用、渗碳、渗氮、渗硼、撞击、冲击、热喷涂、焊接、沉积或机械地冲击心轴的粘合位置中的至少一种。
在一个或多个示例实施方案中，方法还包括在化学改性表面组成之前，使表面特征形成于粘合位置中。表面特征可包括凹坑、凹痕、狭槽、凹槽、螺纹、凹陷、通道、凸起、穿孔、凸块、鳍状物、滚花、开垛口和雉堞中的至少一个。在一些示例实施方案中，在涂敷第一扩散剂之前在心轴中形成表面特征。在一些示例实施方案中，(例如，通过与扩散剂反应或相互作用)由第一扩散剂在心轴中形成表面特征。
在示例实施方案中，方法还包括将颗粒植入心轴的粘合位置中。在一些实施方案中，颗粒从心轴的基底材料凸出以增加心轴在粘合位置的表面积，并且在一些实施方案中，颗粒由熔点温度高于渗透温度的材料构成。在一些示例实施方案中，颗粒由限定金属-基体组分的材料构成。在一些示例实施方案中，植入材料可以是颗粒、晶须、纤维或其它合适形状的耐火材料(可包括碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物或难熔金属或合金)的形式。
在一个或多个示例实施方案中，方法还包括将至少第二扩散剂涂敷至第一扩散剂上方的外层中的粘合位置，其中第二扩散剂不同于第一扩散剂。在一些示例实施方案中，方法还包括在对表面组成化学改性之后且在用粘合剂渗透金属-基体组分之前将至少第二扩散剂涂敷至粘合位置。
在一些示例实施方案中，涂敷第一扩散剂包括沿粘合位置以不连续图案涂敷第一扩散剂。在一些实施方案中，不连续图案包括由第一扩散剂中的间隙间隔开的第一扩散剂的带。在一些实施方案中，带可被径向布置，并且在一些实施方案中，带可螺旋地、纵向地或对角地布置。
另一方面，本发明涉及一种钻头，其包括由基底金属构成并在其上限定粘合位置的心轴。扩散剂设置在粘合位置处的基底金属内，使得基底金属的表面组成在粘合位置处被化学改变。金属-基体复合物在粘合位置处粘合至心轴，该金属-基体复合物包括用粘合剂渗透的金属-基体组分。
在一些示例实施方案中，心轴的基底材料是钢，且扩散剂是碳、氮、硼、铍、硫、硅、钍、钛、钇和锆中的至少一种。在一个或多个示例实施方案中，粘合位置还包括用于与金属基体复合物互锁的其上的表面特征。在一些示例实施方案中，表面特征包括多孔化学改变的表面。在一个或多个示例实施方案中，金属基体复合物限定支撑其上的多个切割元件的多个切割刀片。
另一方面，本公开涉及制造和使用钻头的方法。该方法包括(a)将扩散剂涂敷至限定在心轴上的粘合位置的至少一部分，(b)用扩散剂化学改性粘合位置的表面组成，(c)在化学改性表面组成之后由粘合剂渗透金属-基体组分以形成基体复合材料，(d)在粘合位置处将复合材料粘合至心轴，和(e)将心轴耦接至用于将钻头耦接至钻柱的柄部。
在一个或多个示例实施方案中，方法还包括将钻头耦接至钻柱并且旋转钻头以在地质构造中形成井筒。在一个或多个示例性实施方案中，用扩散剂化学改性表面组成包括将心轴加热至处理温度以将扩散剂扩散至心轴的基底材料中。
本公开的摘要仅是为了向美国专利商标局和广大公众提供一种通过粗略阅读来快速确定技术公开的性质和主旨的方式，并且其仅代表一个或多个实施方案。
虽然已经详细说明了各种实施方案，但是本公开不限于所示实施方案。对于本领域技术人员来说，可发生上述实施方案的修改和改变。这样的修改和改变在本公开的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种制造钻头部件的方法，所述方法包括：
将第一扩散剂涂敷至限定在用于所述钻头部件的心轴上的粘合位置的至少一部分；
通过将所述心轴和所述第一扩散剂加热至处理温度来化学改性所述粘合位置的表面组成；
在化学改性所述表面组成之后，由粘合剂渗透基体组分以形成复合材料；和
围绕所述心轴上的所述粘合位置冷却所述复合材料，以将所述复合材料在所述粘合位置处粘合至所述心轴。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述粘合位置的表面组成化学改性包括由以下组成的群组中的至少一种：扩散、反应、相互作用、渗碳、渗氮、渗硼、撞击、冲击、热喷涂、焊接、沉积或机械地冲击所述心轴的所述粘合位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包括在化学改性所述表面组成之前，使表面特征形成于所述粘合位置中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述表面特征包括由以下组成的群组中的至少一种：凹坑、凹痕、狭槽、凹槽、螺纹、凹陷、通道、凸起、穿孔、凸块、鳍状物、滚花、开垛口和雉堞。
5.根据权利要求3所述的方法，其还包括在涂敷所述第一扩散剂之前在所述心轴中形成所述表面特征。
6.根据权利要求3所述的方法，其还包括由所述第一扩散剂在所述心轴中形成所述表面特征。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包括将颗粒植入所述心轴的所述粘合位置中以增加所述心轴在所述粘合位置中的表面积，其中所述颗粒由熔点温度高于熔化所述粘合剂的熔渗温度的材料构成。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述颗粒由限定所述金属基体组分的材料构成。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括将至少第二扩散剂涂敷至所述第一扩散剂上方的外层中的所述粘合位置，其中所述第二扩散剂不同于所述第一扩散剂。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在对所述表面组成化学改性之后且在用所述粘合剂渗透所述金属-基体组分之前将至少第二扩散剂涂敷至所述粘合位置。
11.根据权利要求1所述的方法，其中涂敷所述第一扩散剂包括沿所述粘合位置以不连续图案涂敷所述第一扩散剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述不连续图案包括由所述第一扩散剂中的间隙间隔开的所述第一扩散剂的径向带、轴向带和螺纹带中的至少一种。
13.一种钻头部件，其包括：
由基底金属构成并在其上限定粘合位置的心轴；
设置在所述粘合位置处的所述基底金属内的扩散剂，使得所述基底金属的表面组成在所述粘合位置处被化学改变。
在所述粘合位置处粘合至所述心轴的金属-基体复合物，所述金属-基体复合物包括用粘合剂渗透的金属-基体组分。
14.根据权利要求13所述的钻头，其中所述心轴的所述基底材料是钢且所述扩散剂是由以下组成的群组中的至少一种：碳、氮、硼、铍、硫、硅、钍、钛、钇和锆。
15.根据权利要求13所述的钻头，其中所述粘合位置还包括用于与所述金属基体复合物互锁的其上的表面特征。
16.根据权利要求15所述的钻头，其中所述表面特征包括多孔化学改变的表面。
17.根据权利要求13所述的钻头，其中所述金属基体复合物限定支撑其上的多个切割元件的多个切割刀片。
18.一种制造和使用钻头的方法，所述方法包括：
将扩散剂涂敷至限定在心轴上的粘合位置的至少一部分；
用所述扩散剂化学改性所述粘合位置的表面组成；
在化学改性所述表面组成之后由粘合剂渗透金属-基体组分以形成基体复合材料；
在所述粘合位置处将所述复合材料粘合至所述心轴；和
将所述心轴耦接至用于将所述钻头耦接至钻柱的柄部。
19.根据权利要求18所述的方法，其还包括将所述钻头耦接至钻柱并且旋转所述钻头以在地质构造中形成井筒。
20.根据权利要求18所述的方法，其中用所述扩散剂化学改性所述表面组成包括将所述心轴加热至处理温度以将所述扩散剂扩散至所述心轴的基底材料中。
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