CN107790731B - 使用增材制造来制造工具冠部的设备和系统 - Google Patents

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Abstract

一种工具包括基部，其具有从基部延伸的冠部。冠部增材地制造在基部上，形成冠部与基部之间的一接合部。至少一个突起可以从基部表面延伸到冠部中的凹陷中，使得冠部围绕突起。突起可以将基部与冠部机械地互锁，以改善冠部与基部之间的扭矩传递。基部与冠部之间的接触部处的接合部可以包括用基部的材料浸透的冠部的至少一部分，或用冠部的材料浸透的基部的至少一部分，所述至少一部分可以改善冠部与基部之间的连接。

Description

使用增材制造来制造工具冠部的设备和系统
技术领域
本发明属于钻井装备和切削加工领域，涉及切削工具和制造切削工具的方法，特别地涉及使用增材制造(additive manufacturing)来制造工具冠部的设备和系统。
背景技术
在地下钻探中，钻头用来将井眼钻到地下岩层。钻头可以为井下仪器串(BHA)的部分，井下仪器串可以包括传感器、电池、遥测设备、扩孔器以及位于钻头附近的其他装备。BHA附接到钻柱，钻柱由延伸到表面的管的区段构成。钻井液，或“泥浆”，通过钻柱从表面泵到钻头。泥浆的基本功能是冷却钻头和将钻屑从井眼的底部携带离开且向上通过钻杆与井眼之间的环空。
因为钻头经受高侵蚀和高磨损环境，钻头主体有时由抗侵蚀材料构建，抗侵蚀材料包括金属碳化物强化的基体，比如具有金属粘结剂的碳化钨。钻头上的切削元件可以包括天然金刚石、合成金刚石、立方氮化硼(CBN)，或多晶金刚石复合体(PolycrystallineDiamond Compact,PDC)刀具。这些切削元件可以铸造到钻头主体中(如在浸透的钻头中)，或钎焊到位于钻头主体的表面上的囊中。抗侵蚀和磨损材料在张力下相对脆性且在拉伸负荷下(比如在螺纹接触部处)可能破裂，并且需要到钻柱的其他部分的专门连接。传统地用基体主体的中央中的钢件铸造钻头主体。之后将钢机加工并焊接到连接，以连接到钻柱。
发明内容
在一些实施例中，切削工具包括基部和接合到基部的冠部。基部具有基部表面和从基部延伸的扭矩传递特征部。基部可以包括第一材料。冠部可以包括切削结构，并且可以至少部分地由第二材料形成，第二材料具有比第一材料更高的硬度。冠部的至少一部分接触基部表面和扭矩传递特征部，其将扭矩从基部传递到冠部。可选地，连接部耦接到与冠部相反的基部和基部表面。连接部可以包括一螺纹连接部分。
在一些实施例中，制造切削工具的方法包括提供包括第一材料的基部。基部可以包括基部表面和大致法向于基部表面的至少一部分的旋转轴线。基部进一步可以包括从基部表面延伸的突起。第二材料的第一层施加到基部表面。第二材料具有高于第一材料的硬度并且施加在突起附近。可以在基部表面上同时烧结第二材料的第一层。
制造切削工具的另一实施例包括通过施加第一材料形成基部的至少一部分。烧结第一材料，并且第二材料施加为在一接触部处至少部分地与第一材料相邻。第二材料形成切削工具的冠部的至少一部分。烧结第二材料，并且第一材料和第二材料的烧结形成一接合部，其中第一材料的至少一部分浸透第二材料或第二材料的至少一部分浸透第一材料。
在另一实施例中，切削工具包括第一材料的基部，以及比第一材料更硬的第二材料的冠部。冠部具有切削结构并且接合到基部。基部的至少一部分浸透冠部和/或冠部的至少一部分浸透基部。可选地，基部可以包括内螺纹。在一些实施例中，基部可以为钢且冠部可以包括金属基体材料。
提供本发明内容以介绍构思的选择，其在具体实施方式中进一步描述，且不意图指出所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图用作所要求保护的主题的限制的辅助。将在下面的说明书中提出本公开的实施例的附加特征和方面。从以下的说明书和附图，这些和其他特征将变得更完全显而易见，或可以通过如本文提出的这样的实施例的实践学习。
附图说明
为了以能够获得本公开的上述和其他特征的方式描述，将通过参考附图中图示的其具体实施例进行更特定的描述。尽管附图中的一些可能为构思的示意性或夸张的表现，附图中的至少一些对于本公开的一些实施例成比例。理解附图绘示了一些示例性实施例，将通过使用附图以附加的具体说明和细节描述和解释实施例，附图中：
图1A是根据本公开的一些实施例的具有连接到基部的冠部的钻头的侧视图；
图1B是根据本公开的一些实施例的图1A的钻头的纵向截面图，示出了基部与冠部之间的扭矩传递特征部；
图2是根据本公开的一些实施例的制造工具的方法的流程图；
图3是根据本公开的一些实施例的钻头的基部的等轴侧视图；
图4-6是根据本公开的一些实施例的钻头基部的示意截面图，冠部直接增材地制造在基部上；
图7是根据本公开的附加实施例的具有连接到基部的冠部的钻头的等轴侧视图；
图8是根据本公开的一些实施例的具有内部机械连接的基部上制造的另一工具的示意截面图；
图9是根据本公开的一些实施例的具有使用机械紧固件耦接到冠部的基部的钻头的等轴侧视图；
图10是根据本公开的一些实施例的具有与连接部可分离的基部的工具的纵向截面图；
图11是根据本公开的一些实施例的具有互锁扭矩传递设备的工具的纵向截面图；
图12是根据本公开的实施例的具有冠部和基部的工具的侧视截面图；
图13是根据本公开的实施例的用来制造工具的方法的流程图；
图14是根据本公开的实施例的制造工具的另一方法的流程图；
图15是根据本公开的实施例的部分完成的工具的示意侧视截面图，其中增材地制造基部和冠部；
图16是根据本公开的另一实施例的部分完成的工具的示意侧视截面图，其中增材地制造基部和冠部；
图17是根据本公开的实施例的具有完成的基部的部分完成的工具的示意侧视截面图；
图18是根据本公开的实施例的具有围绕基部的完成的冠部的基部的示意侧视截面图，基部包括机械连接表面；
图19是根据本公开的实施例的基部与冠部之间的之间的接触表面的示意截面图；
图20是根据本公开的附加实施例的基部与冠部之间的接触表面的示意截面图，图示了接触部处的材料的浸透；以及
图21-23是根据本公开的实施例的基部与冠部之间的接触表面的示意截面图。
具体实施方式
应当理解，以下公开提供许多不同实施例或示例，以实现各种实施例的不同特征。下面描述了部件和布置的具体示例以简化本公开。这些当然仅为示例，并且不意图为限制性。此外，本公开可能在各示例中重复参考数字和/或字母。此重复为简化和清楚的目的，而自身不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
图1A示出了工具10，包括基部12和冠部14，根据本公开的实施例。在一些实施例中，工具10可以为切削工具，比如钻头、磨具、扩孔器、开孔器，或其他切削工具。在一些实施例中，工具10是旋转钻头，其具有切削结构(例如，刃片)，切削结构构造成保持一个或多个切削元件(例如，在一个或多个刃片中的囊中或钻头的其他特征部中)。基部12包括至少第一材料，并且冠部14包括至少第二材料。在一些实施例中，第一材料和第二材料可以为不同材料。例如，第一材料可以包括钢，而冠部14的第二材料可以包括碳化钨(WC)。在其他示例中，第一材料可以为金属合金、可焊接材料、另一材料，或前述的一些组合。在一些实施例中，第一材料可以具有比第二材料更高的韧性、更低的脆性或更高的延展性(或前述的组合)。基部12可以构造成钻柱的其他部件配合。在一些实施例中，第二材料可以具有比第一材料更高的硬度、更高的抗侵蚀性或更高的抗磨损性(或前述的组合)。
在一些实施例中，第二材料可以包括金属基体。金属基体可以包括具有粘结剂的基体中的金属碳化物。例如，金属碳化物可以包括来自周期表IVB族元素的碳化物。在其他示例中，金属碳化物可以包括来自周期表VB族元素的碳化物。其他示例包括金属碳化物，其包括来自周期表VIB族元素的碳化物。其他示例包括来自周期表VIIB族元素的金属碳化物。
在一些实施例中，金属基体系统中的粘结剂可以包括金属钴粘结剂、镍粘结剂、铜粘结剂或其他粘结剂材料。在一些实施例中，粘结剂可以包括金属合金，其比金属碳化物更软。其他实施例中，粘结剂可以包括钢。
在一些实施例中，基部12可以包括或固定到连接部16。连接部16可以包括机械连接表面28，构造成将工具10连接到钻柱中的多种设备或部件、井下仪器串(BHA)或其他系统。例如，连接部16可以包括API、双肩型或其他螺纹，以将切削工具10连接到钻杆或钻铤。在其他示例中，连接部16可以将工具10连接到井下仪器，包括方向钻探组件、泥浆马达、孔扩大器或其他仪器。
图1B是切削工具10的截面图。基部12可以包括基部表面18。基部12可以为总体上平面的、非平面的，或可以具有平面和非平面表面的组合。一个或多个突起20可选地从基部表面18突出或延伸。在一些实施例中，(一个或多个)突起20可以充当基部12与冠部14之间的扭矩传递特征部。从冠部14的鼻部到基部表面18的最近部分的纵向上的距离可以称为冠部14的冠部高度11。冠部14可以包括其中和/或穿过其的一个或多个流体通路，以将通过冠部14从基部12接收的流体导向，以例如冷却切削工具10或冲洗来自切削工具10的碎屑。
突起20或扭矩传递特征部可以具有任意的各种形状。例如，突起20可以至少部分地为圆柱形。在其他示例中，突起20可以至少部分地圆锥形、角锥形、截头角锥形或长方体形。在一些实施例中，突起20可以一体地形成为基部12的一部分。在其他示例中，突起20可以分开构建，并且之后附接到基部12。冠部14可以包括至少一个凹陷22，其可以接收突起20。在一些实施例中，凹陷22可以完全围绕至少一个突起。在其他示例中，凹陷22可以围绕至少一个突起的一部分。用冠部14围绕突起20可以将冠部14与基部12机械地互锁。在一些实施例中，机械地互锁冠部14和基部12，以辅助将扭矩从冠部14传递到基部12，其可以通过基部12相对于冠部14(并且反之亦然)的相对转动来加强基部12与冠部14之间的连接。在一些实施例中，基部12可以具有凹陷，并且冠部14可以包括延伸到凹陷中的突起。
在一些实施例中，可以增材地制造冠部14。增材制造，或3D打印，包括以离散层的系列制造物件的过程。增材制造可以由多种材料制造物件，包括金属合金、陶瓷以及塑料。增材制造可以用来制造各种物件，包括紧固件、钻头以及本文公开的实施例的其他各种零件。
图2细化了增材制造方法121，通过其组装工具(例如，工具10)，根据本公开的实施例。方法包括在步骤123处提供基部。可以通过各种技术在步骤123提供基部，包括机加工、铸造、增材制造或前述的组合。在步骤125处，材料(例如，与基部的第一材料不同的第二材料)的层可以施加到基部。也可以在步骤127烧结施加的材料的层。
在一些实施例中，冠部14可以与基部12分开构建。例如，可以在步骤125、步骤127处直接在基部表面18的顶部上建造和烧结冠部14。特别地，可以通过施加基部表面18上的多个层构建冠部，包括在步骤125处的材料的第一层。在一些实施例中，施加的材料可以为粉末形式。在步骤125处施加第二材料之后或同时，可以在步骤127处发生烧结。在一些实施例中，可以在步骤125处分批施加材料，之后是在步骤127处分批烧结。例如，可以在步骤125处将整个第一层施加为完整的片，之后是在步骤127处同时烧结第一层。其他示例包括步骤125处的施加材料的层的一部分，之后是在步骤127处烧结材料的该部分。例如，可以在步骤125处施加材料的层的10％，之后是在步骤127处烧结材料的层的10％部分，之后是材料的层的在步骤125处施加和在步骤127处烧结的重复，直到施加和烧结完整的层。
在步骤125处的每次施加不必施加相同百分比的第二材料的层的面积或材料。例如，方法121可以包括在步骤125、步骤127处施加和烧结上至材料的层的5％，之后是在步骤125、步骤127处施加和烧结材料的层的上至10％，之后是在步骤125、步骤127处施加和烧结材料的层的上至20％，之后是在步骤125、步骤127处施加和烧结材料的层的上至5％，之后是在步骤125、步骤127处施加和烧结材料的层的至少60％。此过程为阐述性的，并且在其他实施例中，施加和烧结的层的一部分可以在具有下限值、上限值或下限值和上限值的范围内，上限值和下限值包括0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％直到任意值或其间的任意值。增材制造方法121的在步骤125处的施加和在步骤127处的烧结可依所需用单一材料的层的一部分的许多不同组合来重复，以完成层。
在其他示例中，材料的在步骤125处的施加和在步骤127处的烧结可以同时发生或接近同时发生。例如，施加器可以在步骤125处将一定量材料施加到聚焦的位置，并且烧结设备可以在步骤127处在施加后立即烧结材料。在一些实施例中，烧结设备为激光或电子束烧结设备。在步骤125、步骤127处同时地施加和烧结材料允许材料的沉积的可变图案。例如，材料的层可以沉积为系列的同心环。其他示例包括将第二材料的第一层沉积为线性图案、螺旋图案、网格图案、系列的堆叠正弦曲线、随机或不规则图案，或前述的组合。
在步骤125、步骤127处施加和烧结的步骤可以重复如所需多次，以完成工具的制造。例如，在材料的第一层的完成之后，可以在步骤125、步骤127处或在步骤125、步骤127处的施加和烧结的多次重复中施加和烧结相同或不同材料的第二层。在一些实施例中，可以使用与底层相似的技术、材料或图案来沉积连续层。在其他示例中，可以使用与先前层不同的技术、材料或图案沉积连续层。例如，可以分批在步骤125处施加且在步骤127处烧结层。可由将下一层在步骤125处施加且在步骤127处烧结为完整的片或不同比例、位置、图案等的批次。
层中的每一个的厚度不特别地限制，但可以根据期望的工具10的性质、材料成分的性质，制层设备或其组合确定。例如，层中的每一个可以具有厚度，厚度在具有下限、上限，或下限与上限两者的范围内，上限和下限包括约0.0005cm、0.001cm、0.002cm、0.005cm、0.01cm、0.02cm、0.03cm、0.035cm、0.04cm、0.045cm、0.05cm、0.055cm、0.06cm、0.1cm中的任一个，或其间的值。另一示例中，层可以具有从约0.001cm至约0.06cm、约0.002至约0.05cm，约0.005至约0.04cm，或约0.01至约0.03cm的厚度。本领域技术人员将理解，可以基于期望的终端用途性能、装备能力、材料成分或制造能力、材料形状，以及其他附加因素来调整层的厚度。
图3是基部112的实施例的等轴侧视图，根据本公开的实施例。为了阐述性目的，且在不限制本公开的范围的情况下(包括权利要求)，基部的旋转轴线119可以大致法向于基部表面118的全部或局部部分。在一些实施例中，基部112可以包括八个相等尺寸的突起120或其他扭矩传递特征部，其可选地绕基部112的旋转轴线119等距地间隔，且其从基部表面118轴向延伸。在一些实施例中，突起120可以绕旋转轴线119以相等角度间隔且以与旋转轴线119相同的径向距离间隔。在一些实施例中，突起120可以位于基部表面118的中央周围。至少一个实施例中，基部表面118的中央可以与旋转轴线119一致。其他实施例可以包括任意数目的突起120，设置为绕旋转轴线119的任意图案(包括以不等的角度间隔或不同径向位置)。例如，突起120的数目可以与钻头上的刃片的数目有关。在具有六个刃片的钻头上，基部表面118可以包括从每个刃片径向朝内的六个对应的突起120。其他示例包括具有六个刃片的钻头，其包括位于从排屑槽径向朝内的六个突起120，排屑槽径向地位于刃片之间。另一示例中，具有六个刃片的钻头可以包括基部表面118的相反端上的两个突起120。更多的示例包括具有四个刃片的钻头，其具有四个突起120，位于刃片或排屑槽的径向朝内。具有四个刃片的钻头进一步可以具有两个、六个或八个突起120，位于从刃片和排屑槽两者径向朝内，或其中一个或多个可以与刃片对准。
在其他示例中，突起120的数目可以与刃片的数目无关，例如具有四个刃片的钻头可以具有五个突起120，或具有四个刃片的钻头可以具有三个突起120。其他示例包括具有三个刃片的钻头，其具有五个突起120。更多的示例包括具有一个至三个之间的刃片的钻头，其具有六个突起120。
附加实施例可以包括突起120绕旋转轴线119的不规则旋转间隔。例如，八个突起120可以设置在绕旋转轴线119从突起120起始的0°、30°、45°、120°、150°、270°、320°以及340°位置处。附加示例包括位于0°、90°以及180°位置处的三个突起120。附加示例包括位于0°、60°、155°以及270°位置处的四个突起120。其他示例可以包括任意数目的突起，其位于绕旋转轴线119沿着任意旋转间隔。
在一些实施例中，每个突起120可以距旋转轴线119相同径向距离。一个实施例中，每个突起120的径向最内部分可以在从旋转轴线119到基部112的周界的距离的50％的径向位置处。其他实施例中，每个突起120的径向最内部分—或在其他实施例中中央或径向最外部分—可以在从旋转轴线119到基部112的周界的距离的百分比处，包括在具有下限值、上限值，或下限值和上限值的范围内，上限值和下限值包括0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％中的任一个，或其间的任意值。例如，每个突起120可以具有在从旋转轴线119到基部112的周界的距离的0％处的最内部分。在其他示例中，每个突起120可以设置为具有在从旋转轴线119到基部112的周界的距离的100％处的最外部分。在其他示例中，每个突起120可以设置在旋转轴线119与基部112的周界之间的距离的0％至100％的范围内。更多的实施例可以包括位于距旋转轴线119不同半径处的突起120。
在一些实施例中，突起120绕旋转轴线119的设置可以遵循距基部112的中央的旋转间隔和距离的任意组合。例如，八个突起120可以位于从旋转轴线119到基部112的周界的距离的10％、20％、40％、50％、60％、70％、80％以及90％中的每一个处。八个突起120可以位于沿着0°、45°、120°、180°、215°、250°、270°以及300°角度位置中的每一个处。附加示例包括四个突起120，其中两个起始于从旋转轴线119到基部112的周界的距离的25％处且位于0°和120°位置处，并且其中两个起始于从旋转轴线119到基部112的周界的距离的70％处且位于90°和300°位置处。
仍参考图3，突起120可以具有长方体形或立方体或矩形棱柱形状，根据实施例。突起120可选地包括突起120与基部表面118之间的倒角的边缘和/或倒角的连接。在其他示例中，突起120可以具有如本文讨论的其他形状，或可以为穹顶形，或包括多个边缘、面或曲线。
在一些实施例中，突起120的长度113可以为在径向方向上测量的尺寸，并且可以为基部112的径向跨度的百分比。径向跨度可以为从旋转轴线119到基部112的周界的距离。在一些实施例中，例如，长度113可以为基部112的径向跨度的10％。在其他示例中，突起120可以具有长度113，其作为基部的径向跨度的百分比，在具有下限值、上限值，或下限值和上限值的范围内，上限值和下限值包括0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％、200％中的任一个，或其间的任意值。例如，突起120可以具有大于基部112的径向跨度的0％的长度113。在其他示例中，突起120可以具有小于基部112的径向跨度的200％的长度113，或换句话说基本上跨过基部112的整个直径。在其他示例中，突起120可以具有在基部112的径向跨度的0％至200％范围内的长度113。
在一些实施例中，突起120的宽度115可以为在旋转方向上的尺寸，并且可以为基部112的径向跨度的10％。在其他示例中，突起120可以具有作为基部112的径向跨度的百分比的宽度115，其在具有下限值、上限值，或下限值和上限值的范围内，上限值和下限值包括0％、10％、20％、30％、40％、50％中的任一个，或其间的任意值。例如，突起120可以具有大于基部112的径向跨度的0％、小于基部112的径向跨度的50％，或在基部112的径向跨度的5％至50％的范围内的宽度115。
在一些实施例中，突起120的高度117可以为冠部的高度的10％(例如，图1B的高度11的10％)。在其他示例中，突起120可以具有为冠部高度的百分比的高度117。高度117可以为，作为冠部高度的百分比，在具有下限值、上限值，或下限值和上限值的范围内，上限值和下限值包括5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％中的任一个或其间的任意值。例如，突起120可以具有大于冠部高度的0％或大于冠部高度的5％的高度117。在其他示例中，突起120可以具有小于冠部高度的100％或小于冠部高度的95％的高度117。在其他示例中，突起120可以具有在冠部高度的5％至95％、5％至50％，或5％至25％的范围内的高度117。
在一些实施例中，突起120的尺寸、形状以及数目可能力和扭矩从冠部到基部112的传递。例如，较高和/或较宽的突起120可以具有更高的负载分布，以更有效地从基部112到冠部传递扭矩(或允许更高的扭矩传递)，而较短和/或较窄的突起120可能对传递扭矩效率较低，可以具有更高的应力密度，或可以传递较小的扭矩。相似地，更多的突起120可以将负载分布，以从基部112传递更大扭矩，而较少的突起120可以传递较小的扭矩。提高的扭矩的传递，或负载的分布，可以导致冠部与基部112之间的较强的连接，其可以帮助避免冠部和基部112断开。
图4-6示出了增材制造工艺中的不同阶段的冠部214、314、414的实施例。图4示出了直接施加到基部212的冠部214的第一层234。第一层234可以为材料236，其采用任意各种技术沉积。在一些实施例中，材料236可以为第二材料，其与基部212的第一材料不同。在烧结之前或同时，第一层234可以分批施加或施加为单层，如本文关于图2所讨论的。
可以重复施加和烧结的步骤以形成多个层，并且可以重复如所需的次数，以完成切削工具的制造。例如，在材料236的第一层234的完成之后，可以在施加和烧结的一个或多个重复中施加和烧结第二层(例如，作为单层、分批，同时或随后的烧结等)。第二层可以由与用来形成第一层234的相同的材料236形成，或可以包括不同材料。在一些实施例中，可以使用与底层相似或不同的技术、图案，或材料来沉积连续层。
在一些实施例中，可以通过将第一层直接沉积在基部212上且在突起220周围，在增材制造期间将接收突起220的凹陷222构建到冠部214中。相应地，冠部214的横向截面积可以为非均匀的。在一些实施例中，可以使用施加器224和烧结设备226构建凹陷222，以将第二材料236沉积为突起220周围的图案。在相同或其他实施例中，可以使用一个或多个材料236的批量沉积，用沉积在突起220周围的批量来构建凹陷222。
在一些实施例中，层可以在单个平面上。在一些实施例中，材料236的第一层234可以形成非平面或杂乱的(disjointed)表面。例如，可以使用施加器224和烧结设备226在突起220的壁和/或顶表面上直接沉积材料236的第一层234。可以通过使用施加器224和烧结设备226重复地施加和烧结，在突起上沉积材料236的多个层。在其他示例中，通过在相同面积之上使用施加器224和烧结设备226重复地施加和烧结，冠部214的一个区段可以接收第二材料236的较厚的沉积。
在一些实施例中，凹陷222完全形成在第二材料236的第一层234中。在一些实施例中，凹陷222完全围绕突起220。在其他示例中，突起220的至少一部分由第一层234限定的凹陷222的一部分延伸。
在一些实施例中，将冠部214直接烧结到基部212可以创建冠部214与基部212之间的接合部。将冠部214接合到基部212可以帮助避免冠部214与基部212意外地断开。此外，在一些实施例中，通过烧结创建的接合和通过突起220与冠部214的机械互锁创建的加强的连接可以有助于冠部214与基部212之间的强壮连接。
参考图5，在沉积材料336的第一层334，可以沉积材料336的第二层328。材料336的第二层328直接沉积在材料336的第一层334上。可以使用为沉积材料336的第一层334所描述的任意技术来沉积材料336的第二层328。例如，材料336的第二层328可以分批施加和烧结或作为完整的层，如关于图2所讨论的。
参考图6，连续层的重复的施加和烧结可以创建完整的冠部414。在一些实施例中，完整的冠部414可以包括凹陷422，其在轴向(图6中朝上)和径向(图6中左和右)上完全围绕突起420。冠部414的增材制造可以允许复杂几何结构形成，否则该复杂几何结构使用其他制造技术将是无法实现的或非成本有效的。
参考图7，在一些实施例中，突起520或其他扭矩传递特征部可以延伸到或超出冠部514的周界。在一些实施例中，冠部514可以围绕突起520的一部分(例如，除一个表面之外的全部)。在图7中，例如，除径向外表面之外的每个表面可以被冠部514覆盖。在一些实施例中，冠部514可以围绕突起520的表面积的90％。在其他示例中，冠部514可以围绕突起520的表面积的一部分，其在具有下限值、上限值，或下限值和上限值的范围内，上限值和下限值包括5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％中的任一个，或其间的任意值。例如，冠部514可以围绕大于突起520的表面积的50％。在其他示例中，冠部514可以围绕小于突起520的表面积的100％。在其他示例中，冠部514可以围绕突起520的表面积的一部分，其在10％至100％、20％至90％、30％至80％，或80％至95％的范围内。
参考图8，在一些实施例中，基部612可以包括连接部，其一体地形成或附接到基部612。在一些实施例中，连接部可以包括连接部和基部612内部的机械连接表面628。例如，机械连接表面628可以包括内螺纹集，以连接到连接杆630的外螺纹端(pin end)。在其他示例中，机械连接表面可以包括机械闩锁、机械紧固件等。
在一些实施例中，基部612可以具有基部表面618，其至少部分地取向在径向方向上。在相同或其他实施例中，基部612可以包括突起620-2或径向方向上突出的其他扭矩传递或互锁特征部。在一些实施例中，突起620-2可以位于基部612距冠部614的鼻部最远的底端部分处。在其他示例中，突起620-2可以位于基部612与冠部614的鼻部最接近的顶部。其他实施例中，突起620-2可以位于基部612的顶部和底端部分之间的途中的一部分处。在一些实施例中，基部612可以包括至少一个突起620-1，其从基部表面618在纵向上延伸，和至少一个突起620-2，其从基部表面618在径向方向上延伸。在一些实施例中，可以使用与本文关于图2-7所公开相似的增材制造工艺制造冠部614。
参考图9，至少一个实施例中，基部712可以使用至少一个紧固件732连接到冠部714。在相同或其他实施例中，基部712和/或连接部716可以使用1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或更多个紧固件732连接到冠部714。其他实施例中，基部712可以使用除在基部712上的材料736的烧结期间建立的接合之外的至少一个紧固件732连接到冠部714。在其他示例中，冠部714与基部分开制造，并且因此使用至少一个紧固件732但在没有冶金的或其他相似接合的情况下连接到基部712。紧固件732可以提供附加支撑，以在工具710处于张力下时，通过限制冠部714相对于基部712的轴向和/或旋转运动(并且反之亦然)来保持冠部714连接到基部712。
紧固件732可以使用各种技术将冠部连接到基部。在一些实施例中，紧固件732可以具有螺纹销或杆，其具有位于冠部714内侧的匹配的内螺纹。在其他示例中，紧固件732可以包括膨胀螺栓。其他实施例中，紧固件732可以包括螺母，在增材制造期间包括在冠部714中，螺栓可以与之连接。其他实施例中，紧固件732的头部可以具有横向于紧固件732的主体的棒状形状。则头部可以延伸到冠部714中的杆中，并且旋转到制造到冠部714中的狭槽中，并且然后使用螺纹的螺母紧固到基部712。
现参考图10，基部812可以分开地连接到连接部816。在一些实施例中，基部812可以通过焊接连接连接到连接部816。在其他示例中，基部812可以用机械连接连接到连接部816。机械连接可以包括螺纹连接部分、紧固件或其他机械连接，包括本文所讨论的那些。冠部814可以连接到基部812并可以使用常规工艺或使用增材制造工艺形成，包括本文所讨论的任意工艺。
参考图11，基部912可以包括突起920或其他扭矩传递或互锁特征部，其造型为与冠部914形成机械连接。在一些实施例中，冠部914的制造可以与基部912分开地发生(例如，通过如本文所描述的增材制造工艺)。凹陷922可以形成为接收突起920，使得创建互锁的、机械的连接。例如，突起920可以形成上下颠倒的“L”形状，然后其可以与相似地造型的凹陷922锁定就位，“L”棒指向工具910的相反旋转。突起920的形状可以用来限制且潜在地防止基部912相对于冠部914的相对轴向和旋转运动。在一些实施例中，系列的突起920构造成与冠部914的内侧上的螺纹连接。其他实施例包括至少一个突起920，其构造成接收紧固件，紧固件构造成通过基部912和冠部914中的匹配的杆连接，并且连接到突起920。
尽管本公开的实施例可以包括突起或其他扭矩传递特征部，本公开不限于制造包括这样的特征部的工具。例如，图12图示了包括基部1212和冠部1214的工具1210，根据本公开的一些实施例。在一些实施例中，工具1210可以为切削工具，比如钻头、磨具、扩孔器、开孔器，或构造成保持至少一个切削元件和/或切削工件的其他切削工具。基部1212和冠部1214可以交会在界面处，比如接触部20。基部1212可以包括第一材料1216，并且冠部1214可以包括与第一材料1216相同或不同的第二材料1218。在一些实施例中，第一材料1216可以具有比第二材料1218更高的韧性或延展性，或更低的脆性，并且可以构造成与钻柱或BHA的部件配合。在一些实施例中，第二材料1218可以具有比第一材料1216更高的硬度、抗磨损性或抗侵蚀性，使得冠部1214可以比基部1212更抗磨损或侵蚀。在一些实施例中，第一材料可以为可机加工的材料。如本文所用的，“可机加工”理解为是指能够被用常规机加工技术切削、成型或在100℃或更低温度下操纵的那些材料。例如，第一材料16可以为钢。在其他示例中，第一材料可以为金属合金。其他示例包括可焊接材料。
在一些实施例中，第二材料1218可以为钢。在其他示例中，第二材料1218可以为金属合金。其他实施例中，第二材料1218可以为超硬材料。如本文所用的，术语“超硬”理解为是指本领域已知具有至少约1500HV(维氏硬度，以kg/mm2计)的颗粒硬度的那些材料。这样的超硬材料可以包括能够在高于约750℃，并且对于某些应用高于约1000℃的温度下展现物理稳定性的那些材料，其由坚固材料形成。这样的超硬材料可以包括但不限于碳化钨、金刚石、多晶金刚石(PCD)，滤除金属催化剂PCD、非金属催化剂PCD、六方金刚石(蓝丝黛尔石，Lonsdaleite)、立方氮化硼(cBN)、多晶cBN(PcBN)、无粘结剂PCD或纳米多晶金刚石(NPD)、Q-碳(Q-carbon)、无粘结剂PcBN、类金刚石碳(diamond-like carbon)、一氧化二硼(boronsuboxide)、硼化铝镁，金属硼化物，氮化硼碳以及硼-氮-碳-氧系统中的已经展示高于1500HV的硬度值的其他材料，以及上述材料的组合。在一些实施例中，超硬材料可以具有高于2000HV、高于2500HV或高于3000HV的硬度值。在其他实施例中，超硬材料可以具有大于80HRa(洛氏硬度A)的硬度值。
在一些实施例中，第二材料1218可以包括如本文所讨论的金属基体，包括来自第IVB族、第VP族，或第VIB族的与粘结剂基体化的金属碳化物。在一些实施例中，金属基体中的粘结剂可以包括金属钴粘结剂。在其他示例中，粘结剂可以包括镍、铜、比金属碳化物更软的金属合金或钢。
在一些实施例中，基部1212可以包括或固定到连接部1222。基部1212可以包括机械连接表面1224。连接部1222进而可以附接到钻柱和/或井下仪器串(BHA)中的各种设备或部件。在其他示例中，连接部1222可以将工具1210连接到井下仪器，包括方向钻探组件、泥浆马达、钻铤、扩孔器或与工具1210连同使用的其他工具或仪器。
图13细化了增材制造方法1326，通过其可以组装工具，比如图12中的工具1210，根据本公开的一些实施例。方法包括在步骤1328处施加第一材料(M1)的至少一部分，在步骤1330处烧结第一材料的一部分，在步骤1332处施加第二材料(M2)的至少一部分，并且在步骤1334处烧结第二材料的一部分。在一些实施例中，可以在步骤1336处机加工第一材料或第二材料的至少一部分。在一些实施例中，在步骤1328处施加第一材料和在步骤1332处施加第二材料可以分开发生，但在其他示例中，可以同时地发生。在一些实施例中，在步骤1330处烧结第一材料和在步骤1334处烧结第二材料可以分开发生，但在其他实施例中可以同时地发生。例如，可以在与施加第二材料(1332)相同的时间施加第一材料(1328)，之后是与第二材料的烧结(1334)相同的时间的第一材料的烧结(1330)。在其他示例中，可以在步骤1328处施加第一材料，其后可以在步骤1332处施加第二材料，随后可以在步骤1330处烧结第一材料，之后可以在步骤1334处烧结第二材料。本公开设想了施加和烧结第一材料和第二材料的任意组合和顺序。
可以通过将在步骤1328处施加、在步骤1330处烧结、在步骤1332处施加以及在步骤1334处烧结的步骤重复如所需次数来制造工具的实施例，以实现期望的几何结构。制造期间的每次重复可以创建层或层的一部分。为创建期望的几何结构，单独层可以含有仅第一材料、仅第二材料，或第一材料和第二材料两者。例如，一次重复可以包括在步骤1328处施加第一材料和在步骤1330处烧结第一材料。另一次重复可以包括在步骤1332处施加第二材料和在步骤1334处烧结第二材料。又另一次重复可以包括在步骤1328处施加第一材料、在步骤1330处烧结第一材料、在步骤1332处施加第二材料以及在步骤1334处烧结第二材料。在一些实施例中，工具可以包括仅包括第一材料的至少一个层、仅包括第二材料的至少一个层、包括第一材料和第二材料两者的至少一个层，或前述的任意组合。其他实施例中，工具的每层可以包括第一材料和第二材料两者。
不特别地限制层中的每一个的厚度，但可以根据要建造的工具的期望的性质、材料成分的性质、制层设备，或其任意组合来确定。例如，层中的每一个可以具有如本文关于图2的方法121所讨论的厚度。
参考图14，制造方法1438的另一实施例包括在步骤1428处施加第一材料、在步骤1432处施加第二材料以及在步骤1440处烧结第一材料和第二材料两者。可选地，进一步可以在步骤1436处机加工或处理第一材料和/或第二材料。在一些实施例中，可以首先施加第一材料，之后施加第二材料。在其他示例中，可以首先施加第二材料，之后施加第一材料。其他实施例包括在步骤1428、1432处应用第一材料和第二材料的连续施加。如本文所用的，同时或并发的事件除了发生在大致相同的时间外，也可发生在彼此物理临近的附近。
为示例性目的且在不限制本公开的情况下，用来制造工具的技术描述为使用施加(1428)和烧结(1440)第一材料。应当理解，相同技术可以用于施加(1432)和烧结(1440)第二材料。可以使用各种技术完成第一材料和/或第二材料的施加。在一些实施例中，且如关于图2更详细讨论的，可以分批施加(1428)第一材料，之后是批量的烧结(1440)，或可以施加(1428)整个层，之后是一次性地烧结(1440)整个层。在步骤1428处施加第一材料的批量的情况下，每次施加可以施加层的大致相等的百分比，或层的不同百分比，如本文所讨论的。在步骤1428处的施加和在步骤1440处的烧结可以依次发生，或同时/并行发生。
在一些实施例中，在步骤1428处施加层的一部分可以包括施加与紧挨着的之前的层不相同的层的一部分。例如，可以在第一层完成之前将第二层的一部分施加到第一层的一部分上。在其他示例中，可以在第二层(或其他层)开始之后施加第一层的附加部分。
图15-18示出了示例性制造关于的各阶段的实施例，根据本公开的一些实施例。图15总览了实施例，其中正在制造工具的底部部分。在一些实施例中，基部1512和冠部1514可以沉积在相同层中，基部1512在冠部1514内部。在其他示例中，可以在基部1512的任何沉积之前沉积冠部1514的完成的层。例如，冠部1514可以覆盖基部1512的径向外表面。至少一个实施例中，第一材料1516可以被第一施加器1542-1施加且被第一烧结设备1544-1烧结为紧挨着相邻于施加第二材料1518的第二施加器1542-2和烧结第二材料1518的第二烧结设备1544-2。
图16是部分完成的工具1610的示意图，根据本公开的实施例。至少一个实施例中，基部1612可以连接在工具1610的顶部上(可选地具有其中的一个或多个通道或孔)。在其他示例中，基部1612可以为单片的块。在一些实施例中，基部1612可以包括内表面1646，其可选地包括机械连接表面1624，比如内螺纹。其他示例包括构造成使用紧固件的机械连接表面1624。其他实施例包括光滑的内表面1646。在一些实施例中，可以在制造基部1612之后通过增材制造工艺来机加工机械连接表面1624，如关于图18所描述的。
在一些实施例中，基部1612可以包括径向壁1647和制造为跨过径向壁1647之间的面积的桥1649。可以通过用沙、蜡或其他容易移除的填充体材料填充径向壁1647之间的面积来制造桥1649。然后可以将第一材料1616施加和烧结在填充体材料和径向壁1647的顶部上以创建桥1649。
图17是部分完成的工具1710的示意图，其中基部1712已经完成，根据本公开的实施例。在一些实施例中，完成冠部1714的附加层可以完全由第二材料1718制成，或可以使用不同材料(例如，与形成基部1712的全部或部分的第一材料全部不同的不同的材料)。在一些实施例中，基部1712可以完全在冠部1714径向内部。例如，基部1712的径向外部表面1748可以接触冠部1714或具有小于冠部1714的最大径向位置的最大径向位置。在其他示例中，基部1712的外部表面1748的至少一部分可以不接触冠部1714。例如，基部1712的底部可以在图17中所示的取向中的朝下方向上延伸越过冠部1714。
参考图18，完成的工具1810可以包括基部1812，其至少部分地在冠部1814的内部，根据本公开的实施例。在一些实施例中，可以在制造之后机加工基部1812，以创建基部1812和冠部1814内部的机械连接表面1824。可以使用许多本领域熟知的程序中的一种来执行基部1812完成之后的的机加工。例如，可以使用攻丝(tap)1850来机加工基部1812，以创建内螺纹的机械连接表面1824。在其他示例中，可以用机械连接表面1824制造基部1812，机械连接表面1824在制造期间包括在基部1812中。
随后的层中的重复的施加和烧结可以创建完成的工具1810。冠部1814的增材制造支持复杂几何结构，否则其使用其他制造技术将是无法实现或非成本有效的。如本文关于冠部的材料的制层所讨论的，可以使用与下方的层相似的技术或材料，或使用不同的技术或材料沉积、施加以及烧结连续层。
图19是第一材料1916与第二材料1918之间的界面或接触部1920的截面示意图，根据本公开的实施例。在一些实施例中，在接触部1920处或附近与第二材料1918同时烧结第一材料1916可以创建冠部1914与基部1912之间的接合部。冠部1914与基部1912之间的接合部可以帮助避免冠部1914与基部1912断开。在一些实施例中，由冠部1914与基部1912之间的接触部1920的接触粗糙度创建接合。例如，施加器1942-1和1942-2可以分别施加第一材料1916和第二材料1918，并且烧结设备1944-1和1944-2可以分别烧结第一材料1916和第二材料1918。每个施加器1942-1、1942-2可以具有沉积精度和/或分辨率，并且施加的材料的尺寸上的相对变化也可能影响精度和/或分辨率。较高的精度和/或分辨率可能降低接触部1920的接触粗糙度，而较低的精度和/或分辨率可能提高接触部1920的接触粗糙度。较高的接触粗糙度可以加强接合，而较低的粗糙度可能减弱接合，在一些实施例中。
在一些实施例中，第一材料1916可以具有第一热膨胀率。第二材料1918可以具有第二热膨胀率。第一热膨胀率与第二热膨胀率之间的比可以使得当第一材料1916在第二材料1918内部时，可以通过第二材料1918将第一材料1916设置为处于受压。通过第二材料1918将第一材料1916设置为处于受压可以加强接触部1920处的接合。例如，第二材料1918可以具有比第一材料1916更高的热膨胀率，并且第一材料1916和第二材料1918可以在大于25℃的温度下制造。第一材料1916和第二材料1918的温度则可以低于25℃，并且第二材料1918可以收缩得比第一材料1916更多，从而将第一材料1916设置为处于受压。
在一些实施例中，烧结第一材料1916和第二材料1918可以用第一材料1916迁移到第二材料1918中的至少一部分的运动和/或迁移来创建第一材料1916与第二材料1918之间的烧结的接合，并且反之亦然。例如，与第二材料1918同时烧结第一材料1916可以允许第一材料1916内的第二材料1918的部分1952的浸透和/或溶解。在其他示例中，烧结第一材料1916和第二材料1918(例如，同时)可以允许第一材料1916内的第二材料1918的一部分的浸透和/或溶解。
图20表现了第一材料2016与第二材料2018之间的接触部2020的另一实施例的示意性详图，根据本公开的实施例。在一些实施例中，接触部2020可以包括第二材料2018中的第一材料2016的浸透2052和/或到第一材料2016中的第二材料2018的浸透。在一些实施例中，浸透可以包括迁移跨过接触部2020的边界到第二材料2018中的第一材料2016的一部分，并且形成第二材料2018的离散部分周围的基体2053。在其他示例中，浸透2052可以包括第二材料2018的突出到第一材料2016中的一部分，第二材料2018的一部分仍连接到第二材料2018的单片的主体。其他实施例可以包括第一材料2016的与第二材料2018混合的一部分，第一材料2016形成在第二材料2018中的梯度，或二次相形成，比如用接触部2020处的不协调(incongruent)溶解。增加的深度或浸透和/或溶解的发生可以加强第一材料2016与第二材料2018之间的接合。在一些实施例中，浸透的深度可以小于0.5mm。在其他示例中，浸透的深度可以在具有下限值、上限值，或下限值和上限值的的范围内，上限值和下限值包括0mm、0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1mm、2mm中的任一个，或其间的任意值。例如，浸透的深度可以大于0mm或大于0.05mm。在其他示例中，浸透的深度可以小于1mm。其他示例包括在0mm至1mm之间的、0.05mm至0.75mm之间的，或0.1mm至0.5mm之间的范围内的浸透的深度。
在一些实施例中，界面或接触部可以在宏观水平下实质上为线性或平面，具有微观水平下看到的表面粗糙度。如图21-23所示，在其他示例中，接触部可以甚至在宏观水平下不为线性或平面的。非平面和/或非线性接触可以提供附加的表面积，其上可以在工具的增材制造期间形成接合。例如，如图21所示，接触部2120可以包括至少一个脊部2153，并且基部2112和冠部2114具有互补地造型的脊部和谷部。其他示例可以包括多个脊部2153，包括2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个，或更多个脊部2153。在一些实施例中，脊部2153可以至少部分地绕基部2112和冠部2114的周长横贯(例如，绕基部2112的外表面的环)，将基部和冠部在纵向上的张力下机械地互锁。在其他示例中，对于冠部2114的纵向长度的至少一部分(例如，沿着基部2112的外表面的纵向方向的花键(spline))，脊部2153可以纵向地行进到基部2112和冠部2114，将基部和冠部在旋转方向上的扭矩的施加下机械地互锁。其他示例包括至少一个圆锥形、角锥形、长方体形，或延伸到第一材料2116中或第二材料2118中的其他造型的突起(或从第一材料2116或第二材料2118到基部2112中)。
参考图22，在一些实施例中，界面或接触部2220可以包括至少一个平顶的脊部2255，其中基部2212和冠部2214中的每一个具有互补地造型的脊部/谷部。一些实施例可以包括多个平顶的脊部2255，包括2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或更多个平顶的脊部2255。在一些实施例中，平顶的脊部2255可以至少部分地绕基部2212和冠部2214的周长横贯。在其他示例中，平顶的脊部2255可以至少部分地沿着冠部2214的纵向长度纵向地行进到基部2212和冠部2214。
参考图23，在一些实施例中，界面或接触部2320可以包括从基部2312突出的至少一个突起2354，具有冠部2314中的互补地造型的凹陷2355，其构造成接收突起2354。在其他示例中，突起2354可以从冠部2314突出。在一些实施例中，突起2354可以包括悬突于接触部2320的至少一部分。例如，通过增材制造工艺制造的突起2354和互补凹陷2355可以包括倒圆锥形或角锥形(例如，旋转对称的燕尾(dovetail))。其他示例包括“L”或“T”造型的突起，具有“L”或“T”的棒悬突于接触部2320。包括至少一个悬突部分的突起2354可以在旋转和张力中的一个或两个方面加强第一材料2316与第二材料2318之间的接触部2320。其他示例包括至少一个长方体形突起，突出到第一材料2316或第二材料2318中。沿着接触部2320包括一个或多个表面特征部可以加强第一材料2316与第二材料2318之间的机械互锁和/或增大接触部2320的表面积，允许第一材料2316与第二材料2318之间的加强的烧结的接合。
在根据本公开的工具的至少一些实施例中，增材制造可以允许在更高的韧性、较低的脆性的材料的基部上建造包括更高抗磨损性的材料的冠部。至少一个实施例中，碳化钨可以固定到钢基部，以提供可机加工基部上的抗磨损冠部，其可以配合到其他部件。可以用一个或多个机械互锁加固冠部与基部之间的边界，以在冠部和基部的边界处不破裂的情况下传输扭矩。在至少一些实施例中，根据当前描述的方法制造的切削工具可以提供可机加工基部与抗磨损冠部之间的集成式接合。这样的方法可以允许切削工具的更有效的打印，其容易配合到现有的钻柱和/或井下工具，同时采用与岩石或待切削的其他材料接触的抗磨损材料，比如碳化钨。增材制造期间的多个迥异材料的共同打印可以允许创建具有更加复杂的几何结构的切削工具，同时保持与现有系统的兼容性。
如本文所用的，术语“连接”、“连接的”以及“与……连接”可以用来表示与一个或多个元件直接连接或经由一个或多个元件连接。相似地，术语耦接、附接、固定及其变体可以用来表示直接耦接、固定，或附接在一起或耦接、固定，或经由一个或多个元件附接在一起。指代给定点或元件的相对位置的诸如上、下、顶部以及底部的术语等其他术语可以用来更清楚地描述一些元件。通常，这些术语涉及参考点，比如钻探操作从之起始的表面。
未描述为必要的特征是可选的，并且术语“可以”或“可能”明确表示某些特征在实施例中存在，但可能在其他实施例中被排除。冠词“个”“所述”以及“该”意图表示存在先前的描述的元件的一个或多个。术语“包括”“包括”以及“具有”意图为包括的，且表示可以有除列举的元件之外的附加元件。此外，应当理解，涉及本公开的“一个实施例”或“实施例”不意图解释为排除也整合了所列举的特征的附加实施例的存在。数目、百分比、比例，或本文陈述的其他值意图包括值，且也包括“约”或“近似于”所陈述的值的其他值，如本公开的实施例包括的领域的普通技术人员将理解的。所陈述的值因此应理解得足够宽，以至少包括足够接近于所陈述的值以执行期望的功能或实现期望的结果的值。陈述的值至少包括适当的制造或生产工艺中预期的变量，并且可以包括在陈述的值的5％内、1％内、0.1％内，或0.01％内的值。在范围与潜在的下限值或上限值的集以组合描述的情况下，每个值可以用于端开放式的范围中(例如，至少50％，上至50％)，因为单个值，或两个值可以组合以限定范围(例如，在50％与75％之间)。
本领域普通技术人员应理解，鉴于本公开，等效构造不背离本公开的精神和范围，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下，进行本文所公开的实施例的各种改变、替换以及变化。等效构造，包括功能上“机构加功能”条款，意图覆盖本文描述为执行所列举的功能的结构，包括以相同方式运行的结构等同，和提供相同功能的等效结构。本申请的明确意图是不对于任何权利要求援引机构加功能或其他功能要求，除“用于……的机构”与相关功能一同出现的那些。落入权利要求的含义和范围内的对实施例的每个添加、删除以及修改被权利要求包括。
如本文所用的术语“近似”、“约”以及“实质上”代表接近于所陈述的量的量，其仍执行期望的功能或实现期望的结果。例如，术语“近似”、“约”以及“实质上”可以指比所陈述的量小5％之内、小1％之内、小0.1％之内以及小0.01％之内的量。此外，应当理解，前面的说明书中的任何方向或参考框架仅为相对方向或运动。例如，对“上”和“下”或“上方”或“下方”的任意指代对相关元件的相对位置或运动仅为描述性的。
本公开可以实施为其他具体形式，而不背离其精神或特性。所描述的实施例认为是阐述性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而非前述说明书指定。权利要求的等同的意图和范围内的改变包括在其范围内。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月29日提交的申请号为62/380,972的美国专利申请、于2016年8月29日提交的申请号为62/380,994的美国专利申请、以及于2017年8月24日提交的申请号为15/685,351的美国专利申请的权益和优先权，所述申请通过此引用以其整体整合于本文。

Claims (9)

1.一种切削工具，包括：
基部，所述基部具有基部表面顶部和从所述基部表面顶部延伸的至少一个扭矩传递特征部，所述至少一个扭矩传递特征部与所述基部表面顶部一体地形成，所述至少一个扭矩传递特征部包括沿纵向方向从基部表面顶部突出的多个突起，所述基部包括第一材料；
接合到基部的基部表面顶部的冠部，所述冠部包括切削结构和第二材料，所述第二材料具有比所述第一材料更高的硬度，所述冠部的至少一部分接触所述基部表面顶部和所述至少一个扭矩传递特征部，所述至少一个扭矩传递特征部构造成将扭矩从所述基部传递到所述冠部，所述冠部包括接收所述至少一个扭矩传递特征部的突起的凹陷，所述凹陷与所述突起在旋转方向上将基部与冠部机械地互锁，所述冠部由所述第二材料的多个层形成，所述多个层进一步形成所述凹陷。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，所述第一材料为钢，并且所述第二材料为碳化钨。
3.根据权利要求1所述的切削工具，其中，所述冠部完全围绕所述至少一个扭矩传递特征部的高度和宽度。
4.根据权利要求1所述的切削工具，其中，使用机械连接将所述基部连接到所述冠部。
5.根据权利要求1所述的切削工具，其中，使用一个或多个紧固件将所述基部连接到所述冠部。
6.一种用于制造切削工具的方法，包括：
提供包括第一材料的基部，所述基部具有基部表面顶部和旋转轴线，所述旋转轴线大致法向于所述基部表面顶部的至少一部分，所述基部进一步包括沿纵向方向从所述基部表面顶部延伸的至少一个突起，其中，所述至少一个突起包括横向于基部表面顶部的侧表面，并且其中，所述侧表面的至少一部分与所述基部表面顶部的至少一部分是连续的；
直接向所述基部表面顶部施加第二材料的多个层中的第一层，所述第二材料具有比所述第一材料更高的硬度，所述第二材料的至少一部分与所述至少一个突起相邻；
在基部表面顶部上时，接合第二材料的第一层；以及
将所述第二材料的第二层施加到所述第二材料的所述第一层，所述第二层和所述第一层限定至少部分地环绕所述至少一个突起的凹陷的至少一部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，接合第二材料的第一层包括将第二材料的第一层烧结到基部表面顶部的第一材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，烧结所述第二材料包括激光烧结或电子束烧结。
9.一种切削工具，包括：
基部，包括法向于切削工具的纵向轴线的上基部，其中，至少一个扭矩传递特征部从基部表面突出，其中所述至少一个扭矩传递特征部包括基部表面与所述至少一个扭矩传递特征部的壁之间的曲面连接，其中，所述至少一个扭矩传递特征部包括所述壁与所述至少一个扭矩传递特征部的顶表面之间的倒角连接，其中，所述基部包括第一材料；以及
接合到基部的基部表面的冠部，所述冠部包括切削结构和第二材料，所述第二材料具有比所述第一材料更高的硬度，所述冠部由所述第二材料的多个层形成，所述冠部的至少一部分接触所述基部表面和所述至少一个扭矩传递特征部，所述多个层形成接收所述至少一个扭矩传递特征部的凹陷，所述至少一个扭矩传递特征部构造成将扭矩从所述基部传递到所述冠部。
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI128986B (en) * 2017-03-01 2021-04-30 Robit Oyj DRILLING FOR SLOW DRILLING, DRILLING COMPOSITION, AND PROCEDURES FOR PRODUCING SUCH DRILLING BET
EP3631140A4 (en) 2017-05-31 2021-01-20 Smith International, Inc. CUTTING TOOL WITH PREFORMED HARD RELOADING RINGS
US11053743B2 (en) * 2019-07-19 2021-07-06 Seed Technologies Corp., Ltd. Polycrystalline diamond compact drill bit and oil well drilling apparatus having the same
US12018531B2 (en) 2019-08-08 2024-06-25 Halliburton Energy Services, Inc. Earth-boring drill bit mandrel formed by additive manufacturing
US12103086B2 (en) 2019-08-08 2024-10-01 Halliburton Energy Services, Inc. Earth-boring drill bit formed by additive manufacturing
US11565352B2 (en) * 2019-11-15 2023-01-31 Rolls-Royce Corporation Techniques and assemblies for joining components using solid retainer materials
WO2021146673A1 (en) * 2020-01-16 2021-07-22 Schlumberger Technology Corporation Drilling tool having pre-fabricated components
US11814907B2 (en) * 2020-05-05 2023-11-14 Ulterra Drilling Technologies, L.P. Drill coupler for mitigating torsional vibration
US11866372B2 (en) 2020-05-28 2024-01-09 Saudi Arabian Oil Company Bn) drilling tools made of wurtzite boron nitride (W-BN)
EP4157570A1 (en) 2020-06-02 2023-04-05 Saudi Arabian Oil Company Producing catalyst-free pdc cutters
US12031386B2 (en) 2020-08-27 2024-07-09 Schlumberger Technology Corporation Blade cover
CN112828316A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 西安铂力特增材技术股份有限公司 粉状金属实时混合均匀的方法及金属3d打印方法和装置
US12024470B2 (en) 2021-02-08 2024-07-02 Saudi Arabian Oil Company Fabrication of downhole drilling tools

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1995043A (en) * 1932-06-02 1935-03-19 Ray R Sanderson Drill bit
US3726351A (en) * 1971-04-26 1973-04-10 E Williams Mill tool
US6338390B1 (en) * 1999-01-12 2002-01-15 Baker Hughes Incorporated Method and apparatus for drilling a subterranean formation employing drill bit oscillation
US7389833B2 (en) * 2005-06-10 2008-06-24 Keystone Drill Services, Inc. Multi-sectional percussive drill bit assembly
US7419017B2 (en) * 2005-06-10 2008-09-02 Keystone Drill Services, Inc. Multi-sectional percussive drill bit assembly
US9267332B2 (en) * 2006-11-30 2016-02-23 Longyear Tm, Inc. Impregnated drilling tools including elongated structures
US8011456B2 (en) * 2007-07-18 2011-09-06 Baker Hughes Incorporated Rotationally indexable cutting elements and drill bits therefor
US7703556B2 (en) * 2008-06-04 2010-04-27 Baker Hughes Incorporated Methods of attaching a shank to a body of an earth-boring tool including a load-bearing joint and tools formed by such methods
AU2008205690B2 (en) 2008-08-15 2011-06-02 Sandvik Intellectual Property Ab Core drill bit
US20100193255A1 (en) * 2008-08-21 2010-08-05 Stevens John H Earth-boring metal matrix rotary drill bit
US20100192475A1 (en) * 2008-08-21 2010-08-05 Stevens John H Method of making an earth-boring metal matrix rotary drill bit
US8201648B2 (en) * 2009-01-29 2012-06-19 Baker Hughes Incorporated Earth-boring particle-matrix rotary drill bit and method of making the same
US8881791B2 (en) * 2010-04-28 2014-11-11 Baker Hughes Incorporated Earth-boring tools and methods of forming earth-boring tools
US8807242B2 (en) * 2011-06-13 2014-08-19 Baker Hughes Incorporated Apparatuses and methods for determining temperature data of a component of an earth-boring drilling tool
US9079247B2 (en) * 2011-11-14 2015-07-14 Baker Hughes Incorporated Downhole tools including anomalous strengthening materials and related methods
US9631435B2 (en) * 2013-12-10 2017-04-25 National Oilwell DHT, L.P. Matrix fixed cutter drill bits and methods for manufacturing same
CN105649538B (zh) 2015-12-24 2018-02-06 中南大学 栅格状工作层金刚石钻头及其3d打印制作工艺

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