CN107709692A - 具有增强的粘结剂区的钻头 - Google Patents

Abstract

公开一种具有增强的粘结剂区的钻头及其形成方法。所述方法包括以下步骤：将增强颗粒与粘结剂增强材料混合；将所述增强颗粒和粘结剂增强材料的混合物放置在用于形成所述钻头的主体的模具中；将通用粘结剂放置在所述模具中；以及加热所述模具。所述通用粘结剂渗入所述粘结剂增强材料，由此形成增强的粘结剂区。

Description

具有增强的粘结剂区的钻头

技术领域

本公开大体上涉及钻井工具(诸如钻地钻头)，并且更具体地涉及具有增强的粘结剂区的金属基体复合材料(MMC)钻头。

背景技术

各种类型的钻井工具用于在井下地层中形成井筒，所述钻井工具包括但不限于旋转钻头、铰刀、取芯钻头、管下扩眼器、开孔器、稳定器以及其他井下工具。旋转钻头的实例包括但不限于与形成延伸穿过一个或多个井下地层的油气井相关联的固定刀具钻头、刮刀钻头、多晶金刚石复合片(PDC)钻头、胎体钻头以及混合式钻头。

胎体钻头通常通过将通常为粉末形式的松散的增强颗粒(例如碳化钨)放置在模具中并使粘结剂材料(诸如铜合金)渗入所述增强颗粒而形成。渗入有熔融的金属合金或粘结剂材料的增强颗粒可在粘结剂材料与增强颗粒固化之后形成胎体钻头体。可以类似的方式形成含有胎体钻头特征的混合式钻头。

附图简述

为了更完全地理解本发明及其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，附图中：

图1是钻井系统的正视图；

图2是以经常用于建模或者设计固定刀具钻头的方式向上取向的旋转钻头的等距视图；

图3是形成根据本公开MMC钻头的示例方法的流程图；

图4A-4E是钻头体的区域的示意图，其在微观水平上示出由增强本文所述的粘结剂区的各种不同方式造成的增强的粘结剂区的结构；并且

图5是其中一些部分剖开的截面的示意图，其示出模具组件的实例，所述模具组件具有定位于刀翼的外表面和金属基体复合材料(MMC)钻头的顶尖附近的局部粘结剂增强材料的层。

详述

在地下操作期间，各种井下工具(包括，钻头、取芯钻头、铰刀和/或扩孔器)可下降到井筒中并且可由金属基体复合材料(MMC)形成。

根据本文公开的各种系统和方法，用于形成MMC的材料可包括在制造期间并入的粘结剂增强材料，其可被构造来在整个钻头体中或在井下工具的选定区域中提供增强的粘结剂池，使得选定区域的特性针对在地下操作期间选定区域所经历的条件而被优化。可基于在地下操作期间井下工具区域中存在的有害条件和/或井下工具区域的功能选择局部增强的粘结剂区，以提供局部特性。所公开的钻头中的粘结剂材料使得材料更有效的装填，其理想地可避免在增强的区域内形成池或区。与未如本文所公开的用碳化钨或其他增强材料增强的常规钻头体的对应区域相比，这些区域经历优先腐蚀或磨损的倾向降低。

通过参考图1至5最好地理解本公开和其优点，各图中相同编号用于指示相同和对应部分。图1是钻井系统的正视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。诸如旋转台、钻井液泵和钻井液槽(未明确地示出)的各种类型的钻井装备可位于井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与陆地钻机相关联的各种特性和特征。然而，并入有本公开的教义的井下钻井工具可令人满意地与位于海上平台、钻探船、半潜式装置和/或钻井驳船(未明确地示出)上的钻井装备一起使用。

钻井系统100可包括与钻头101相关联的钻柱103，所述钻头101可用于形成广泛多种井筒或者井眼，诸如大体垂直井筒114a或大体水平井筒114b或者其组合。各种定向钻井技术和钻柱103的底部钻具组合(BHA)120的相关联部件可用于形成水平井筒114b。例如，横向力可在接近开始位置113处施加给BHA 120以形成从大体垂直井筒114a延伸的大体水平井筒114b。术语定向钻井可用于描述钻探以相对于垂直的一个或多个所需的角度延伸的井筒或者井筒的部分。此类角度可大于与垂直井筒相关联的正常变化。定向钻井可包括水平钻井。

钻井系统100还可包括旋转钻头(钻头)101。在图2中进一步详细讨论的钻头101可以是MMC钻头，其可通过将松散的增强颗粒/材料(包括碳化钨粉末)放置在模具中并且使通用粘结剂材料(包括铜合金和/或铝合金)渗入所述增强颗粒来形成。根据本公开的一个方面，可以通过改换用特殊类型的粘结剂(不同于渗入型粘结剂)来增强富含粘结剂的区域来降低可能相当昂贵的松散的增强颗粒的添加量。这种粘结剂增强材料可包括金属、合金、金属间化合物、陶瓷或其任何组合。模具可通过铣削材料块体(诸如石墨)形成以限定具有与钻头101的外部特征大致对应的特征的模腔。

钻头101可包括一个或多个刀翼126，所述刀翼126可从钻头101的旋转钻头体124的外部部分向外设置。旋转钻头体124可以是大体上圆柱形的，并且刀翼126可以是从旋转钻头体124向外延伸的任何合适类型的突起。钻头101可在由方向箭头105限定的方向上相对于钻头旋转轴104旋转。刀翼126可包括从每个刀翼126的外部部分向外设置的一个或多个切割元件128。刀翼126还可包括设置在刀翼126上的一个或多个保径垫(未明确地示出)。钻头101可根据本公开的教义来设计和形成，并且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、构型和/或尺寸。

在一些实施方案中，在模具装载过程期间，可使用增强材料来增强钻头101。增强材料可针对在地下钻井操作期间钻头所经历的条件在微观水平上优化钻头101的完整性。粘结剂增强材料也可用于增强形成的粘结剂区。粘结剂增强材料可基于钻头101的放置粘结剂增强材料的区域的选定局部特性而以多种构型放置，如参照图5更详细地描述的。增强颗粒和局部粘结剂增强材料可渗入有熔融的通用粘结剂材料，以在通用粘结剂材料和局部粘结剂增强材料固化之后形成钻头体124。

图2是以经常用于建模或者设计固定刀具钻头的方式向上取向的旋转钻头的等距视图。就钻头的至少一部分由MMC形成来说，钻头可以是各种类型的固定刀具钻头中的任一种，包括可操作来形成延伸通过一个或多个井下地层的井筒114(如图1中示出)的PDC钻头、刮刀钻头、胎体钻头、钢体钻头、混合式钻头和/或包括固定刀具钻头和牙轮钻头的组合钻头。钻头101可根据本公开的教义来设计和形成，并且可根据钻头101的特定应用而具有许多不同的设计、构型和/或尺寸。

在地下操作期间，钻头101的不同区域可暴露于不同的力和/或应力。因此，在钻头101的制造期间，可定制钻头101的特性，使得钻头101的一些区域可具有与钻头101的其他区域不同的特性。局部特性可通过将粘结剂增强材料放置成在钻头101的模具中的选定位置中并呈选定构型来实现。可基于钻头101的区域所经历的井下条件和/或钻头101的区域的功能选择局部粘结剂增强材料的类型、位置和/或构型，以为钻头101提供局部特性。

钻头101可以是MMC钻头，其可通过将松散的增强颗粒(包括碳化钨粉末)放置在模具中并且使通用粘结剂材料(其可以是铜合金)渗入所述增强颗粒来形成。钻头101还可包括具有增强的粘结剂区的选定/局部区域，尤其是在经受高应力的那些区域中。增强的粘结剂区含有形成难熔金属间相的至少两种材料，所述难熔金属间相是具有比熔融粘结剂温度或炉处理温度更高的熔点的金属间相。所述至少两种材料中的第一种可包括铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟和/或其合金或组合。所述至少两种材料中的第二种可包括与所述第一种材料形成金属间化合物的任何元素。金属间化合物颗粒可通过扩散、原位化学反应或固化后来形成。这些颗粒可位于通用粘结剂的晶粒边界内、沿着或靠近所述晶粒边界。下面提供根据本公开的增强的粘结剂区的进一步细节。

模具可通过铣削材料块体(诸如石墨)形成以限定具有与钻头101的外部特征大致对应的特征的模腔而形成。钻头101的各种特征，包括刀翼126、刀具凹窝166和/或流体流动通道，可通过成型模腔和/或通过将临时性置换材料定位于模腔的内部部分内提供。预成型的钢柄或钻头心轴(有时称为坯件)可放置在模腔内，以提供钻头体124的增强并允许钻头101与钻柱和/或BHA的附接。一定数量的增强颗粒和粘结剂增强材料可放置在模腔内并渗入有熔融的通用粘结剂材料，以在通用粘结剂材料与增强颗粒和粘结剂增强材料固化之后形成钻头体124。

钻头101可包括柄部152，其上形成有钻杆螺纹155。在图1中示出，螺纹155可用于使钻头101与底部钻具组合(BHA)(诸如BHA120)可释放地接合，由此钻头101可相对于钻头旋转轴104旋转。多个刀翼126a-126g可具有设置在其间的相应的排屑槽或流体流动路径140。由于地下操作期间的腐蚀，钻头101可具有放置在排屑槽140附近的粘结剂增强材料以提供抗腐蚀性。可选择粘结剂增强材料来减小排屑槽140中的表面能，以提供通过排屑槽140的优化流体流动。

钻井液可被传送到一个或多个喷嘴156。喷嘴156附近的钻头101的区域可在地下操作期间经受应力，其可导致钻头101中的裂纹。可在喷嘴156附近加入粘结剂增强材料以增加强度或回弹性并且在钻头101的喷嘴156附近提供抗裂特性。可选择局部粘结剂增强材料来减小喷嘴156附近的表面能，以提供通过喷嘴156的优化的钻井液流动。

钻头101可包括一个或多个刀翼126a-126g(统称为刀翼126)，所述刀翼126a-126g可从旋转钻头体124的外部部分向外设置。旋转钻头体124可具有大体上圆柱形的主体，并且刀翼126可以是从旋转钻头体124向外延伸的任何合适类型的突起。例如，刀翼126的一部分可直接地或间接地联接至钻头体124的外部部分，而刀翼126的另一部分可远离钻头体124的外部部分突出。根据本公开的教义形成的刀翼126可具有广泛多种构型，包括但不限于大致上拱形、螺旋状、螺旋形、锥形、会聚式、发散式、对称和/或非对称的构型。

刀翼126中的每一个可包括接近或朝向钻头旋转轴104设置的第一末端，和接近或朝向钻头101的外部部分设置(即，大体上远离钻头旋转轴104并且朝向钻头101的井上部分设置)的第二末端。刀翼126可具有顶尖142，所述顶尖142可对应于距离钻头体124最远的刀翼126的部分，并且刀翼126可在平台145处连接钻头体124。顶尖142和平台145可在地下操作期间经受应力，其可导致顶尖142和平台145中的裂纹。因此，根据本公开的粘结剂增强材料可在顶尖142和平台145附近添加以增加强度或回弹性并在顶尖142和平台145处提供抗裂性。

在一些情况下，刀翼126可具有大致上拱形的构型，大体上螺旋状的构型、螺旋形构型或者适用于每个钻井工具的任何其他构型。一个或多个刀翼126可具有从接近钻头101的旋转轴104处延伸的大致上拱形的构型。拱形构型可部分地由从接近钻头旋转轴104处延伸的大体上凹入的凹陷形部分来限定。拱形构型还可部分地由设置在凹入的凹陷部分与每个刀翼的外部部分之间的大体上凸出的向外弯曲部分来限定，所述外部部分大体上与旋转钻头的外径相对应。刀翼126的外表面可在地下操作期间经受高应力，其可导致沿刀翼126的外表面形成裂纹。根据本公开的粘结剂增强材料可在刀翼126的外表面附近添加以增加强度或回弹性并在刀翼126的外表面提供抗裂性。

刀翼126可具有从旋转轴104径向延伸的大体弓形构型。刀翼126的弓形构型可彼此配合以便部分地限定设置成相邻于钻头旋转轴并且从所述钻头旋转轴径向向外延伸的大体上锥形或凹陷部分。刀翼126的外部部分、切割元件128和其他合适的元件可被描述为钻头面的形成部分。

刀翼126a-126g可包括围绕钻头旋转轴104设置的主刀翼。例如，在图2中，刀翼126a、126c和126e可以是主刀翼或主要刀翼，因为刀翼126a、126c和126e中的每一个的相应第一末端141可被设置成紧邻于相关联的钻头旋转轴104。在一些构型中，刀翼126a-126g还可包括设置在主刀翼之间的至少一个副刀翼。在图2中示出的位于钻头101上的刀翼126b、126d、126f和126g可以是副刀翼或次要刀翼，因为相应的第一末端141可被设置在井下末端151上与相关联钻头旋转轴104相距一定距离。主刀翼和副刀翼的数量和位置可变化，使得钻头101包括更多或者更少的主刀翼和副刀翼。刀翼126可相对于彼此和钻头旋转轴104对称地或者非对称地设置，其中所述设置可基于钻井环境的井下钻井条件。在一些情况下，刀翼126和钻头101可在由方向箭头105限定的方向上围绕旋转轴104旋转。

每个刀翼可具有在钻头101的旋转方向上设置在刀翼一侧上的前导(或者前)表面130，和远离钻头101的旋转方向设置在刀翼相对侧上的尾随(或者后)表面132。前导表面130可在地下操作期间经受腐蚀。根据本公开的粘结剂增强材料可在刀翼126的前导表面130的区域附近使用，以增加前导表面130的抗裂性、抗腐蚀性和刚度。刀翼126可沿着钻头体124定位以使得它们具有相对于旋转轴104的螺旋形构型。在其他构型中，刀翼126可沿着钻头体124相对于彼此和钻头旋转轴104以大体上平行的构型来定位。

刀翼126可包括从每个刀翼126的外部部分向外设置的一个或多个切割元件128。例如，切割元件128的一部分可直接地或间接地联接到刀翼126的外部部分，而切割元件128的另一部分可远离刀翼126的外部部分突出。切割元件128可以是被构造来切进地层中的任何合适的设备，包括但不限于主切割元件、备用切割元件、副切割元件或其任何组合。举例而非限制地来说，切割元件128可以是适用于广泛多种钻头101的各种类型的刀具、紧凑件、按钮件、插入件和保径刀具。

切割元件128可包括相应衬底，其中一层硬质切割材料(包括切割台162)设置在每个相应衬底(包括衬底164)的一端上。刀翼126可包括可被构造来接收切割元件128的凹部或刀具凹窝166。例如，刀具凹窝166可以是刀翼126上的凹形切口。刀具凹窝166可在地下操作期间经受冲击力。因此，可使用局部粘结剂材料来向刀具凹窝166提供冲击韧性。此外，局部粘结剂材料可用于增加刀具凹窝166的表面能，以有助于增加结合粘附力。此外，局部粘结剂材料可用于在刀具凹窝166中产生粗糙表面，从而当切割元件128联接到刀具凹窝166时，在钎焊过程期间提供机械互锁。

刀翼126还可包括设置在刀翼126上的一个或多个保径垫(未明确地示出)。保径垫可以是设置在刀翼126的外部部分上的保径件、保径分段或者保径部分。保径垫可常常接触由钻头101形成的井筒114的相邻部分。刀翼126的外部部分和/或相关联的保径垫可以相对于井筒114的大体上垂直部分的相邻部分的各种角度(正、负和/或平行)设置。保径垫可包括一层或多层的表面硬化材料。

可使用模具组件来形成钻头，诸如钻头101。图3是形成具有增强的粘结剂区特性的金属基体复合材料钻头的示例方法的流程图。方法300的步骤可由人或被构造来填充用于形成MMC钻头的模具的制造设备(称为制造者)来执行。

方法300可以在步骤302处(或者在下文描述的步骤304处)开始，其中制造者可将增强颗粒(诸如碳化钨粉末)例如和粘结剂增强材料放置在胎体钻头体模具中。增强颗粒和粘结剂增强材料可在被放入钻头体模具之前进行共混。可替代地，粘结剂增强材料可分层地放置在钻头体的需要更大的韧性、抗腐蚀性和其他优先特性的局部区域中。胎体钻头体模具可以类似于关于图5描述的模具。

可选择增强颗粒/材料以为所得的钻头提供设计的特征，诸如抗断裂性、韧性和/或抗腐蚀性、耐磨蚀性和耐磨损性。增强颗粒可是任何合适的材料，诸如但不限于金属、金属合金、超合金、金属间化合物，硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、陶瓷、金刚石等或其任何组合的颗粒。更具体地，适用于与本文所述的实施方案结合使用的增强颗粒的实例可包括以下颗粒，其所述颗粒包括但不限于钨、钼、铌、钽、铼、铱、钌、铍、钛、铬、铑、铁、钴、镍、氮化物、氮化硅、氮化硼、立方氮化硼、天然金刚石、合成金刚石、烧结碳化物、球形碳化物、低合金烧结材料、铸造碳化物、碳化硅、碳化硼、立方硼化碳、碳化钼、碳化钛、碳化钽、碳化铌、碳化铬、碳化钒、碳化铁、碳化钨、微晶碳化钨、铸造碳化钨、粉碎烧结碳化钨、渗碳碳化钨、钢、不锈钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢、沉淀硬化钢、双相不锈钢、陶瓷、铁合金、镍合金、钴合金、铬合金、合金(例如，可从Haynes International获得的含镍铬的合金)、合金(例如，可从Special Metals公司获得的含奥氏体镍-铬的超合金)、(例如，基于奥氏体镍的超合金)、合金(例如，可从Altemp Alloys,Inc.获得的含有镍-铬的合金)、合金(例如，可从HaynesInternational获得的含镍-铬的超合金)、合金(例如，可从Mega Mex获得的含铁-镍的超合金)、MP98T(例如，可从SPS Technologies获得的镍-铜-铬超合金)、TMS合金、合金(例如，可从C-M Group获得的基于镍的超合金)、钴合金6B(例如可从HPA获得的基于钴的超合金)、N-155合金、其任何混合物和其任何组合。在一些实施方案中，增强颗粒可以是被涂覆的。在一些情况下，可使用多种类型的增强颗粒来形成单一的所得钻头。

粘结剂增强材料可包括金属、合金、金属间化合物、陶瓷或其任何组合。粘结剂增强材料的更多细节在下面提供。

在步骤304处，制造者可任选地在胎体钻头体模具内的选定位置处将粘结剂增强材料放置在增强材料中。粘结剂增强材料可与增强颗粒分层放置和/或混合。粘结剂增强材料放置在选定位置可提供局部特性，如关于图5进一步详细描述的。可基于材料的扩散特性来选择局部粘结剂增强材料的类型。例如，一些材料可提供更慢、更集中的扩散速率，其可以更适用于局部区域；而其他材料可提供更快的扩散速率并且可在更大区域上扩散，其可以更适用于较大区域。可调节增强颗粒的装填以有助于控制扩散速率。

粘结剂增强材料可根据选定的局部特性和/或所述粘结剂增强材料的选定的扩散速率而具有各种大小和形状，其中一个示例性实施方案是关于图5进一步详细描述的。粘结剂增强材料可基于选定的特性和/或局部特性将散布于的区域的大小而被放置成多种构型。

在步骤306处，制造者可任选地确定是否存在应放置粘结剂增强材料的另一选定位置。如果存在应放置粘结剂增强材料的另一选定位置，则方法300可返回到步骤304并将粘结剂增强材料放置在下一选定位置中，否则方法300可进行到步骤308。步骤302和304可同时进行，直到胎体钻头体模具已经被填充。

在步骤308处，制造者可将通用粘结剂材料放置在胎体钻头体模具中。通用粘结剂材料可在增强颗粒和粘结剂增强材料已经装填到模具中之后被放置在模具中。通用粘结剂材料可包括任何合适的粘结剂材料，诸如铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟和/或其合金。通用粘结剂是渗入整个钻头体并形成所得金属基体复合材料的基体的粘结剂。粘结剂增强材料(例如，局部粘结剂材料)以及增强颗粒被通用粘结剂渗入并封装。可选择通用粘结剂材料和/或局部粘结剂材料，使得地下操作期间的井下温度小于通用粘结剂材料、局部粘结剂材料和/或在通用粘结剂材料与局部粘结剂材料之间形成的任何合金的熔点。

在步骤310处，制造者可通过任何合适的加热机制(包括炉子)来加热胎体钻头体模具和设置在其中的材料。当通用粘结剂材料的温度超过通用粘结剂材料的熔点时，液体通用粘结剂材料可流入增强颗粒中。

在步骤312处，当通用粘结剂材料渗入增强颗粒时，通用粘结剂材料可另外与粘结剂增强材料反应和/或扩散到粘结剂增强材料中。在一些反应中，通用粘结剂材料与粘结剂增强材料之间的反应可形成金属间化合物材料组合物。在其他反应中，通用粘结剂材料与粘结剂增强材料之间的反应可形成刚性合金组合物。

在步骤314处，制造者可冷却胎体钻头体模具、增强颗粒、粘结剂增强材料和通用粘结剂材料。所述冷却可以受控的速率进行。在冷却过程完成之后，可使模具脱离以暴露所得钻头的主体。可使所得钻头体经受进一步制造过程以完成钻头。图4A示出使用参考图3描述的方法制造的钻头体的小区域的微观视图。阴影区域表示增强材料，其通常由粗粒和细粒的碳化物颗粒构成。图4A中的白色区域表示通用粘结剂，其形成复合材料的基体。贯穿本图的粘结剂纹路表示粘结剂池，其可以根据本公开的教义来增强。图4B-E示出在通用粘结剂内形成增强粘结剂的各种方法，并且更具体地，在粘结剂池中，由此产生增强的粘结剂池。

上述方法同形成具有增强的粘结剂区的胎体钻头体的一种示例性方法一致。基于材料选择和设计，例如熔融的或非熔融的粘结剂增强材料、在渗入之前或渗入期间或渗入后的热处理循环期间(由此可形成增强的粘结剂区)形成金属间化合物颗粒，存在若干可能的实施方案。图4B-4E所示的增强结构可位于粘结剂池中的任何位置，其由图4A所示的白色空隙占据的区域表示。实例包括：

(1)通过扩散或原位反应与粘结剂形成金属间化合物增强颗粒的材料。例如，金属间化合物形成材料可在渗入过程期间立即与通用粘结剂反应，以在金属间化合物材料先前位于的位置中形成金属间相。作为替代性实例，金属间化合物形成材料可以与通用粘结剂缓慢地相互扩散，产生由于扩散传输而潜在地具有不同形状和/或形态的金属间相。通过扩散形成金属间相可完全在渗入过程期间进行，或者其可在渗入过程期间开始并且在随后的高温制造过程期间继续进行。考虑到不同的扩散系数、形成的吉布斯自由能以及与材料传输和相形成相关联的其他材料特异性特性，任一类型的金属间化合物形成都可依赖于被选作通用粘结剂和粘结剂增强材料的材料而发生。在基于Cu的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、Au、Ba、Be、Ca、Cd、Ce、Dy、Er、Eu、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、I、In、La、Lu、Mg、Nd、O、Pm、Pr、Pt、Pu、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Te、Th、Ti、Tm、U、Y、Yb、Zn和Zr。在基于Ni的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、B、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、In、La、Mg、Mn、Mo、N、Nb、Nd、O、P、Pr、Pt、Pu、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Ta、Tb、Te、Th、Ti、U、V、W、Y、Yb、Zn和Zr。在基于Mn的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、Au、B、Bi、C、Co、Cr、Dy、Er、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、In、Ir、Lu、Mo、N、Nb、Nd、Ni、O、P、Pd、Pm、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Tb、Te、Th、Ti、Tm、U、V、Y、Zn和Zr。在基于Zn的粘结剂的情况下，其可包括Ag、As、Au、Ba、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Hg、Ho、I、K、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、O、P、Pd、Pr、Pt、Pu、Rb、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Sr、Tb、Tc、Te、Th、Ti、Tm、U、V、Y、Yb和Zr。在基于Ag的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、B、Ba、Be、Ca、Cd、Ce、Dy、Er、Eu、Ga、Gd、Hf、Hg、Ho、In、La、Li、Lu、Mg、Na、Nd、P、Pm、Pr、Pt、Pu、S、Sb、Sc、Se、Sm、Sn、Sr、Tb、Te、Th、Ti、Tm、Y、Yb、Zn和Zr。在基于Al的粘结剂的情况下，其可包括As、Au、B、Ba、C、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Hf、Ho、I、Ir、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、N、Nb、Nd、Ni、O、P、Pd、Pm、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Sm、Sr、Ta、Tb、Te、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb和Zr。在基于Au的粘结剂的情况下，其可包括Al、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Ga、Gd、Hf、Hg、Ho、In、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Na、Nb、Nd、Pb、Pd、Pm、Pr、Pu、Rb、Sb、Sc、Se、Sm、Sn、Sr、Ta、Tb、Te、Th、Ti、Tm、U、V、Yb、Zn和Zr。在基于B的粘结剂的情况下，其可包括Ag、Al、As、Ba、Be、C、Ca、Ce、Co、Cr、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Hf、Ho、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、N、Nb、Nd、Ni、Np、Os、Pd、Pm、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、S、Sc、Se、Si、Sm、Sr、Ta、Tb、Tc、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb和Zr。在基于Co的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、B、Be、Ce、Cr、Dy、Er、Ga、Gd、Ge、Hf、Ho、In、La、Lu、Mg、Mn、Mo、N、Nb、Nd、O、P、Pr、Pt、Pu、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Tb、Te、Th、Ti、U、V、W、Y、Yb、Zn和Zr。在基于Cr的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、B、Be、C、Co、Ga、Ge、Hf、I、In、Ir、Mn、N、Nb、O、Os、P、Pd、Pt、Re、Rh、Ru、S、Sb、Se、Si、Ta、Tc、Te、Ti、Zn和Zr。在基于Fe的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、B、Be、C、Ce、Dy、Er、Eu、Ga、Gd、Ge、Hf、Ho、I、Ir、Lu、Mo、N、Nb、Nd、Ni、Np、O、P、Pd、Pm、Pr、Pt、Pu、Re、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Tb、Tc、Te、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb、Zn和Zr。在基于In的粘结剂的情况下，其可包括Ag、As、Au、Ba、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Gd、Hg、Ho、I、Ir、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、N、Na、Nb、Nd、Ni、O、P、Pb、Pd、Pm、Pr、Pt、Pu、Rb、Rh、S、Sb、Sc、Se、Sm、Sn、Sr、Tb、Te、Th、Ti、Tl、Tm、U、Y、Yb和Zr。在基于Mo的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、B、Be、C、Co、Fe、Ga、Ge、Hf、I、Ir、Mn、N、Ni、O、Os、P、Pt、Re、Rh、Ru、S、Sb、Se、Si、Sn、Tc、Te、U、Zn和Zr。在基于P的粘结剂的情况下，其可包括Ag、Al、As、Ba、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Ge、In、Ir、Mn、Mo、Ni、Os、Pd、Pr、Pt、Rh、Ru、S、Se、Si、Sn、Te、Th、Ti和Zn。在基于Pb的粘结剂的情况下，其可包括Au、Ba、Bi、Ca、Ce、Cs、Dy、Eu、Gd、Hg、I、In、K、La、Li、Lu、Mg、Na、O、Pd、Pr、Pt、Pu、Rb、Rh、S、Sc、Se、Sm、Sr、Te、Th、Ti、U、Y、Yb和Zr。在基于Pd的粘结剂的情况下，其可包括Al、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Cr、Dy、Er、Eu、Fe、Ga、Gd、Ge、Hf、Hg、Ho、In、Li、Lu、Mg、Mn、Na、Nb、Nd、P、Pb、Pr、Pu、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Ta、Tb、Te、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、W、Y、Yb、Zn和Zr。在基于Si的粘结剂的情况下，其可包括As、B、Ba、C、Ca、Ce、Co、Cr、Cu、Dy、Er、Fe、Gd、Hf、Ho、Ir、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、N、Nb、Nd、Ni、O、Os、P、Pd、Pr、Pt、Pu、Re、Ru、S、Sc、Se、Sm、Sr、Ta、Tb、Te、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb和Zr。在基于Sn的粘结剂的情况下，其可包括Ag、As、Au、Ba、Ca、Ce、Co、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Hf、Hg、Ho、I、In、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Nd、Ni、O、P、Pd、Pr、Pt、Pu、Rb、Rh、Ru、S、Sb、Sc、Se、Sm、Sr、Ta、Tb、Te、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Yb和Zr。在基于W的粘结剂的情况下，其可包括Al、B、Be、C、Co、Fe、Ge、Hf、Ir、N、Ni、O、Os、Pd、Re、Rh、S、Si、Sm、Tc、Te和Zr。

(2)粘结剂增强材料，其利用至少两种材料以原位或在装载之前在其自身内形成金属间化合物增强。在本实施方案中，金属间化合物增强颗粒通过渗入过程(例如预成型)而变得难熔或通过扩散而不是降温(例如原位)固化。在基于Cu的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Be。在基于Ni的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、Be、Ca、Ce、Dy、Er、Eu、Ga、Gd、Ge、Hf、Ho、La、Mo、Nb、Nd、O、Pr、Pu、Si、Sm、Ta、Tb、Th、Ti、V、Y、Yb和Zr。在基于Mn的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、B、C、Cr、Er、Ga、Hf、Ir、Lu、Mo、N、Nb、O、Pd、Pt、Re、Rh、Ru、S、Se、Si、Ta、Ti和Tm。在基于Zn的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Pd。在基于Al的粘结剂增强材料的情况下，其可包括B、C、Co、Cr、Fe、Hf、Ir、Mn、Mo、N、Nb、Nd、Ni、O、Pd、Pm、Pr、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、Sc、Sm、Ta、Th、Ti、U、V、W和Zr。在基于Au的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Dy、Er、Gd、Hf、Ho、Lu、Nb、Nd、Pr、Sc、Ta、Tb、Th、Ti、Tm、U、V和Zr。在基于B的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、As、Ba、Be、C、Ca、Ce、Co、Cr、Dy、Er、Eu、Fe、Gd、Hf、Ho、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、N、Nb、Nd、Np、Os、Pm、Pr、Pu、Re、Ru、Sc、Si、Sm、Sr、Ta、Tb、Tc、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb和Zr。在基于Co的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、B、Be、Ce、Cr、Dy、Er、Gd、Hf、Ho、La、Lu、Mo、Nb、Nd、O、Pr、Pu、Si、Sm、Ta、Tb、Th、Ti、V、W、Y、Yb和Zr。在基于Cr的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、B、Co、Be、C、Ga、Ge、Hf、In、Ir、Mn、N、Nb、O、Os、P、Pt、Re、Rh、Ru、S、Se、Si、Ta、Tc、Te、Ti和Zr。在基于Fe的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、B、Be、Dy、Er、Eu、Gd、Hf、Ho、Lu、Mo、Nb、Nd、O、P、Pt、Re、Sc、Si、Sm、Ta、Tb、Tc、Th、Ti、Tm、V、W、Y、Yb和Zr。在基于In的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Cr、Dy、Er、Gd、Ho、Ir、Lu、Pd、Pt、Sc、Tb、Th、Ti、Tm、Y和Zr。在基于Mo的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、As、B、Be、C、Co、Fe、Ga、Ge、Hf、Ir、Mn、N、Ni、O、Os、P、Pt、Re、Rh、Ru、S、Se、Si、Sn、Tc、Te和Zr。在基于P的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Ba、Cr、Fe、Ga、Ir、Mo、Rh、Ru、Th和Ti。在基于Pb的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Dy、La、Lu、Pd、Pr、Pu、Sc、Th、Ti、U、Y和Zr。在基于Pd的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、Ba、Be、Ce、Dy、Er、Eu、Ga、Gd、Hf、Ho、In、Li、Lu、Mg、Mn、Nb、Nd、Pb、Pu、Sc、Sm、Sn、Ta、Tb、Th、Ti、Tl、U、Y、Yb、Zn和Zr。在基于Si的粘结剂增强材料的情况下，其可包括B、C、Ca、Ce、Co、Cr、Dy、Er、Fe、Gd、Hf、Ho、Ir、La、Lu、Mn、Mo、N、Nb、Nd、Ni、O、Os、Pr、Pu、Re、Ru、Sc、Se、Sm、Ta、Tb、Th、Ti、Tm、U、V、W、Y、Yb和Zr。在基于Sn的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Ce、Dy、Er、Gd、Hf、Ho、La、Mo、Nb、Nd、Pd、Pr、Pt、Pu、Rh、Ru、Sc、Sm、Sr、Tb、Th、Ti、U、V、Y、Yb和Zr。在基于W的粘结剂增强材料的情况下，其可包括Al、B、Be、C、Co、Fe、Hf、Ir、N、O、Os、Re、Rh、S、Si、Sm、Tc和Zr。

(3)具有混溶性间隙的合金，使得合金的至少一种组分可通过熔融、扩散或非相互作用形成单独的晶粒和/或颗粒，这些晶粒和/或颗粒不会溶解于合金中的至少一种其他组分中。这种不混溶的合金可形成于粘结剂增强材料的组分之间，或通过通用粘结剂与粘结剂增强材料的组分之间的相互作用形成，并且将成为复合体的一部分。在基于Cu的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、B、Bi、C、Co、Cr、Cs、Fe、Ir、Li、Mn、Mo、Na、Nb、Os、Pb、Re、Rh、Ru、Ta、Tc、Tl、V和W。在基于Ni的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Au、Ba、C、Li、Pb和Tl。在基于Mn的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Ba、Ca、Cd、Ce、Cu、Eu、La、Li、Mg、Pb、Sr、Tl和Yb。在基于Zn的不混溶合金的情况下，其可包括Al、B、Be、Bi、Ga、Ge、In、Pb、Si、Sm、Sn和Tl。在基于Ag的不混溶合金的情况下，其可包括Bi、C、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、Ir、Mn、Mo、Ni、Os、Pb、Re、Si、Tl、U、V和W。在基于Al的不混溶合金的情况下，其可包括Be、Bi、Cd、Ga、Ge、Hg、In、K、Na、Pb、Si、Sn、Tl和Zn。在基于Au的不混溶合金的情况下，其可包括As、B、C、Co、Cr、Fe、Ge、Mo、Ni、P、Pt、Rh、Ru、S、Si、Tl和W。在基于B的不混溶合金的情况下，其可包括Au、Bi、Cd、Cu、Ga、Ge、Hg、In、Pb、Sb、Sn、Te、Tl和Zn。在基于Co的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Au、Bi、C、Cd、Cu、Hg和Pb。在基于Cr的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Au、Bi、Cd、Ce、Cu、Dy、Er、Eu、Gd、Hg、Ho、K、La、Li、Lu、Mg、Na、Nd、Np、Pb、Pm、Pr、Pu、Rb、Sc、Sm、Sn、Tb、Th、Tm、U、W、Y和Yb。在基于Fe的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Al、Ba、Bi、Ca、Cd、Cu、Hg、In、K、La、Li、Mg、Na、Pb和Sr。在基于In的不混溶合金的情况下，其可包括Al、B、Be、Fe、Ga、Ge、Mo、Si、Ta、V和Zn。在基于Mo的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Au、Ba、Bi、Ca、Cd、Ce、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、Gd、Hg、Ho、In、K、La、Li、Lu、Mg、Na、Nd、Np、Pb、Pm、Pr、Pu、Rb、Sc、Sm、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、Y和Yb。在基于P的不混溶合金的情况下，其可包括Au、Bi、C、Hg和Sb。在基于Pb的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Al、As、B、C、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Ge、Mn、Mo、Ni、Sb、Si、W和Zn。在基于Pd的不混溶合金的情况下，其可包括C、Ir、Re和Rh。在基于Si的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Al、Au、Be、Bi、Cd、Ga、Hg、In、Pb、Sb、Sn、Tl和Zn。在基于Sn的不混溶合金的情况下，其可包括Al、B、Be、Cd、Cr、Ga、Ge、Re、Si和Zn。在基于W的不混溶合金的情况下，其可包括Ag、Au、Bi、Ce、Cr、Cu、Dy、Er、Eu、Gd、Hg、Ho、La、Lu、Nd、Pb、Pr、Pu、Sb、Sc、Tb、Th、Ti、Tm、U、Y和Yb。

(4)金属基体复合材料，诸如在由Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Cu、Fe、In、Mn、Mo、Ni、P、Pb、Pd、Si、Sn、W和Zn、其任何合金和其任何组合形成的基体中的碳化物、硼化物、硅化物、氮化物或氧化物增强。

在具有金属间化合物的合金的情况下，粘结剂增强材料可以是均匀分散的金属间相或颗粒，如图4B所示。此类金属间相或颗粒可在整个晶粒结构中沉淀析出，如图4C所示。可替代地，金属间相可形成并位于合金的晶粒边界内，如图4D所示。金属间相形成的位置可取决于局部化学或组成。例如，如果粘结剂增强材料在整个粘结剂材料中表现出相当高且均匀的扩散，则所得的金属间相可在整个晶粒结构中相当均匀地沉淀析出(参见图4C)。如果粘结剂增强材料沿着粘结剂材料的晶粒边界轻微分配，则较高密度的所得金属间相可沿着或者靠近晶粒边界而以较高密度沉淀析出。最后，粘结剂增强材料沿着粘结剂材料的晶粒边界的重质分配或偏析可导致仅或主要沿着粘结剂材料的(前)晶粒边界形成金属间相(参见图4D)。金属间化合物可原位(渗入期间)形成、在粘结剂增强材料的制造期间或在制造后热处理期间形成。在具有混溶性间隙的粘结剂增强材料的情况下，次级合金化剂可以是难熔的或者与初级合金化剂和/或浸渗剂具有较低的溶解度。与粘结剂材料混合并且含有混溶性间隙的粘结剂增强材料的微观结构可参见图4E。暗区域是不溶解的晶粒。混溶性间隙或不混溶的区域是相图中的宽两相区域，其表明给定材料不能混合形成合金或第二相。当混合时，不混溶的材料(诸如水和油或Cu和W)将在高浓度材料的连续基体相中形成低浓度材料的分散胶体或沉淀物。组合物也可以是其中一种组分可溶解的共晶。

粘结剂增强材料颗粒可以具有任何形状，并且可以与增强颗粒混合，作为现有渗入助剂的替代物或附加物。粘结剂增强材料颗粒可具有例如1与1000μm之间的任何大小的直径。如上所述，分散体可以是分层的以提供钻头面中大部分的增强。可替代地，粘结剂增强材料颗粒可以通过复合体分散，以提供可通过复合材料均匀分布的强度与韧性之间的适当且加强的调和。此外，粘结剂增强材料颗粒可以层或分区的形式设置以在关键位置提供加强的特性。

图5是其中一些部分剖开的截面的示意图，其示出模具组件的实例，所述模具组件具有定位于刀翼的外表面和MMC钻头的顶尖附近的根据本公开的粘结剂增强材料的层。模具组件400可包括可由任何合适的材料(诸如石墨)形成的模具470、规环472和漏斗474。环规472可与模具470的顶部螺纹联接，并且漏斗474可与环规472的顶部螺纹联接。漏斗474可用于基于待使用模具组件400制造的钻头的大小将模具组件400延伸到一定高度。模具组件400的部件可使用任何合适的制造过程(诸如铸造、烧结和/或机械加工)来产生。模具组件400的形状可具有与待使用模具组件400形成的钻头(所得的钻头)的外部特征相反的轮廓。

在一些情况下，取决于所得的钻头的构型，可将各种类型的临时置换材料和/或模具插件安装在模具组件400内。临时置换材料和/或模具插件可由任何合适的材料(诸如固结砂和/或石墨)形成。临时置换材料和/或模具插件可用于在所得钻头中形成空隙。例如，可使用固结砂来形成芯476和/或流体流动通道480。此外，可将模具插件(未明确地示出)放置在模具组件400内，以在刀翼426中形成凹窝466。切割元件(包括图2所示的切割元件128)可附接到凹窝466，如关于图2中刀具凹窝166所描述的。

可将大体上中空的圆柱形金属心轴478放置在模具组件400内。金属心轴478的内径可大于芯476的外径，并且金属心轴478的外径可小于所得钻头的外径。金属心轴478可用于形成钻头内部的一部分。

在将置换材料放置在模具组件400内之后，可用增强颗粒490填充模具组件。可选择增强颗粒以为所得的钻头提供设计的特征，诸如抗断裂性、韧性和/或抗腐蚀性、耐磨蚀性和耐磨损性。增强颗粒可是任何合适的材料，诸如金属、金属合金、超合金、金属间化合物、硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、陶瓷、金刚石等或其任何组合的颗粒。如本领域普通技术人员将理解的，可使用多种类型的增强颗粒490。

在将增强颗粒490装载到模具组件400中的过程期间，粘结剂增强材料492可被装载在特定位置，并且可与增强颗粒490分层和/或混合，如图3中示出的方法300的步骤304所述的。粘结剂增强的材料492放置在选择区域中可在放置所述材料的那些区域中提供局部特性。可基于材料的扩散特征来选择粘结剂增强材料492。通用粘结剂材料494与粘结剂增强的材料492之间更集中的反应可通过选择具有低互扩散系数的材料并且依赖于渗入过程期间材料的重力和合金化来实现，以在局部区域中(例如仅在增强的粘结剂池中)产生局部特性。

粘结剂增强材料492可根据选定的局部特性和/或所述粘结剂增强的材料492的选定的扩散速率而具有各种大小和形状。例如，粘结剂增强材料492可具有几何形状，可以呈箔或板的形式。在大多数情况下，粘结剂增强材料492将呈粉末形式，并且可与增强颗粒490混合并被放置在选定区域中。以粉末形式，粘结剂增强的材料492可具有从微米级到毫米级的大小。

可将粘结剂增强材料492放置在钻头体上的多种位置中。例如，在图5中，可将粘结剂增强材料492a以基本相同厚度的层放置成在排屑槽置换物496的外表面497附近以及在所得钻头的平台区域中。此外，粘结剂增强材料492c可以放置在刀翼426的外表面附近。粘结剂增强材料492b的层的厚度梯度可在刀翼426的整个顶尖区域中提供分级特性。在一些构型中，粘结剂增强材料492可被成型以适形所得钻头的局部几何形状。例如，粘结剂增强材料492a可弯曲成类似于排屑槽置换物496的曲率。

一旦将增强颗粒490和粘结剂增强材料492装载到模具组件400中，那些部件可使用任何合适的机构(诸如一系列振动循环)被装填到模具组件400中。装填过程可有助于确保增强颗粒490的一致的密度，并且在由此类材料形成的所得钻头的整个部分中提供一致的特性。

在装填增强颗粒490和粘结剂增强材料之后，可将通用粘结剂材料494放置在这些部件、芯476和/或金属心轴478的顶部上。通用粘结剂材料494可包括任何合适的粘结剂材料，诸如铜、镍、钴、铁、铝、钼、铬、锰、锡、锌、铅、硅、钨、硼、磷、金、银、钯、铟和/或其合金。可选择通用粘结剂材料494，使得地下操作期间的井下温度小于通用粘结剂材料494、粘结剂增强材料492和/或通用粘结剂材料494与粘结剂增强材料492之间形成的任何合金的临界温度或熔点。

模具组件400和设置在其中的材料可通过任何合适的加热机制(包括炉子)来加热。当通用粘结剂材料494的温度超过通用粘结剂材料494的熔点时，液体通用粘结剂材料494可朝向模具470流入增强颗粒490中。随着通用粘结剂材料494渗入增强颗粒490，通用粘结剂材料494可另外与粘结剂增强材料492反应和/或扩散到粘结剂增强材料492中或渗入粘结剂增强材料492。在一些反应中，通用粘结剂材料494与粘结剂增强材料492之间的反应可形成金属间化合物材料组合物。在其他反应中，通用粘结剂材料494与粘结剂增强的材料492之间的反应可形成刚性合金组合物。通用粘结剂材料494与粘结剂增强材料492之间的扩散可在钻头的含有渗入的增强颗粒的区域与钻头的含有粘结剂增强区的区域之间形成特性的功能性梯度。

一旦通用粘结剂材料494已经渗入增强颗粒490和粘结剂增强材料492，则可将模具组件400从炉子中取出并以受控的速率冷却。在冷却过程完成之后，可使模具组件400脱离以暴露所得钻头的主体。可使所得钻头体经受进一步制造过程以完成钻头。例如，可将切割元件(例如，图2中所示的切割元件128)钎焊到钻头以将切割元件联接到凹窝466。在钎焊过程期间，可将增强的粘结剂区(由图5中的附图标号492c所示)加热到足够的程度，以在凹窝466附近引起另外的局部扩散、相的沉淀、金属间化合物的形成等。此外，制造后热处理可加强增强区的某些特性，诸如增加特性的扩散和粘结剂功能性分级、相的沉淀、金属间化合物的形成等。此类热处理过程可发生在渗入之后的任何阶段，诸如在冷却期间、在冷却之后或在附接切割元件之后。

图5所示的粘结剂增强材料的放置仅是示例性的。粘结剂增强材料的放置可基于钻头的需要附加的韧性、抗腐蚀性和其他所需局部特性的区域。此外，粘结剂增强材料可另选地与整个放置增强材料的区域中或整个钻头中的增强材料混合。

可使用MMC钻头的建模和/或地下操作的模拟来获得地下操作期间MMC钻头可能经受的应力的分析。应力分析可用于选择用于MMC钻头的粘结剂增强材料的类型以及粘结剂增强材料的放置。

公开一种具有由材料组合物形成的主体的钻头，其包含增强颗粒和在所述增强颗粒之间形成的增强的粘结剂区。增强的粘结剂区包含渗入有通用粘结剂的粘结剂增强材料。在本段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含形成难熔的金属间相的至少两种材料。在本段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含金属间化合物增强颗粒。在本段所述的实施方案的任一个中，金属间化合物增强颗粒可位于通用粘结剂的晶粒边界内(由图4D中的附图标号440所示)、沿着(由图4C中的附图标号430所示)或靠近所述晶粒边界(由图4C中的附图标号431所示)。在本段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料。在本段所述的实施方案的任一个中，基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料还可包括金属。

在本段或前述段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含具有混溶性间隙的合金。在本段或前述段所述的实施方案的任一个中，具有混溶性间隙的合金的至少一种组分可通过熔融、扩散或非相互作用形成单独的晶粒和/或颗粒，这些晶粒和/或颗粒不会溶解到所述合金的至少一种其他组分中。在本段或前述段所述的实施方案的任一个中，具有混溶性间隙的合金可形成于粘结剂增强材料的组分之间，或通过通用粘结剂与粘结剂增强材料的组分之间的相互作用形成。

在本段或前述两段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含金属基体复合材料，其包含金属基体中的选自由以下各项组成的组的组合物：碳化物、硼化物、氮化物、硅化物、氧化物及其组合。

公开一种形成钻头的方法，其包括将增强颗粒与粘结剂增强材料混合、将增强颗粒和粘结剂增强材料的混合物放置在用于形成固定刀具钻头的主体的模具中、将通用粘结剂放置在模具中；并且加热所述模具。通用粘结剂渗入粘结剂增强材料以便形成增强的粘结剂区。

在本段或前述段所述的实施方案的任一个中，在将通用粘结剂放置在模具中之前，可将粘结剂增强材料与增强颗粒分层地预先放置在模具的选定区域中。在本段或前述段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含通过扩散、原位化学反应形成或者在固化后或在渗入后的热处理期间形成的金属间化合物增强颗粒。在本段或前述段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含金属间化合物增强颗粒，其在渗入过程期间形成、被预先放置并共混在模具中或者在渗入后的热处理过程期间形成。

在本段或前述两段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料。在本段或前述两段所述的实施方案的任一个中，基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料还可包括金属。在本段或前述两段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含形成难熔的金属间相的至少两种材料。

在本段或前述三段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含具有混溶性间隙的合金，其中具有混溶性间隙的合金的至少一种组分通过熔融、扩散或非相互作用形成单独的晶粒和/或颗粒，这些晶粒和/或颗粒不会溶解到所述合金的至少一种其他组分中。在本段或前述三段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含具有混溶性间隙的合金，所述合金形成于粘结剂增强材料的组分之间，或通过通用粘结剂与粘结剂增强材料的组分之间的相互作用形成。在本段或前述三段所述的实施方案的任一个中，增强的粘结剂区可包含金属基体复合材料，其包含在金属基体中由碳化物、硼化物、氮化物、硅化物、氧化物及其组合形成的组合物。

因此，本公开非常适合达到所提到的目的和优势以及本文固有的那些目的和优势。上文公开的特定实施方案仅是说明性的，因为本公开可按照受益于本文教义的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践。此外，并不意图对本文示出的构造或设计的细节存在限制，而所附权利要求书中描述的除外。因此，明显的是，上文公开的特定说明性实施方案可加以改变或修改，并且所有这些变化都视为处于本公开的范围和精神内。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的含义。

Claims (20)

1.一种具有由材料组合物形成的主体的钻头，其包括：

增强颗粒，以及

在所述增强颗粒之间形成的增强的粘结剂区，所述增强的粘结剂区包含渗入有通用粘结剂的粘结剂增强材料。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述增强的粘结剂区包含形成难熔的金属间相的至少两种材料。

3.根据权利要求1所述的钻头，其中所述增强的粘结剂区包含金属间化合物增强颗粒。

4.根据权利要求3所述的钻头，其中所述金属间化合物增强颗粒位于所述通用粘结剂的晶粒边界内、沿着或靠近所述晶粒边界。

5.根据权利要求1所述的钻头，其中所述增强的粘结剂区包含基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料。

6.根据权利要求5所述的钻头，其中所述基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料还包括金属。

7.根据权利要求1所述的钻头，其中所述增强的粘结剂区包含具有混溶性间隙的合金。

8.根据权利要求7所述的钻头，其中所述具有所述混溶性间隙的合金的至少一种组分通过熔融、扩散或非相互作用形成单独的晶粒和/或颗粒，所述晶粒和/或颗粒不会溶解到所述合金的至少一种其他组分中。

9.根据权利要求7所述的钻头，其中所述具有混溶性间隙的合金形成于所述粘结剂增强材料的组分之间，或通过所述通用粘结剂与所述粘结剂增强材料的组分之间的相互作用形成。

10.根据权利要求1所述的钻头，其中所述增强的粘结剂区包含金属基体复合材料，其包含金属基体中的选自由以下各项组成的组的组合物：碳化物、硼化物、氮化物、硅化物、氧化物及其组合。

11.一种形成钻头的方法，其包括：

将增强颗粒与粘结剂增强材料混合；

将所述增强颗粒和粘结剂增强材料的混合物放置在用于形成固定刀具钻头的主体的模具中；

将通用粘结剂放置在所述模具中；以及

加热所述模具，

其中所述通用粘结剂渗入所述粘结剂增强材料以便形成增强的粘结剂区。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在将所述通用粘结剂放置在所述模具中之前，所述粘结剂增强材料与所述增强颗粒分层地预先放置在所述模具的选定区域中。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述增强的粘结剂区包含通过扩散、原位化学反应形成或者在固化后或在渗入后的热处理期间形成的金属间化合物增强颗粒。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述增强的粘结剂区包含金属间化合物增强颗粒，其在所述渗入过程期间形成、被预先放置并共混在所述模具中或者在渗入后的热处理过程期间形成。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述增强的粘结剂区包含基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述基于Cu、Ni、Mn、Zn、Ag、Al、Au、B、Co、Cr、Fe、In、Mo、P、Pb、Pd、Si、Sn、W或其组合的粘结剂增强的材料还包括金属。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述增强的粘结剂区包含形成难熔的金属间相的至少两种材料。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述增强的粘结剂区包含具有混溶性间隙的合金，其中所述具有所述混溶性间隙的合金的至少一种组分通过熔融、扩散或非相互作用形成单独的晶粒和/或颗粒，所述晶粒和/或颗粒不会溶解到所述合金的至少一种其他组分中。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述增强的粘结剂区包含具有混溶性间隙的合金，所述合金形成于所述粘结剂增强材料的组分之间，或通过所述通用粘结剂与所述粘结剂增强材料的组分之间的相互作用形成。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述增强的粘结剂区包含金属基体复合材料，其包含金属基体中的选自由以下各项组成的组的组合物：碳化物、硼化物、氮化物、硅化物、氧化物及其组合。