CN108474240B - 具有保护元件的聚晶金刚石构造 - Google Patents

Abstract

所公开的PCD构造包括超硬本体，所述超硬本体沿着在所述本体与金属衬底之间延伸的界面与所述衬底附接。所述构造包括保护特征或元件，所述保护特征或元件被构造成保护存在于所述构造中的富含金属的区域或区免受不想要的腐蚀或侵蚀作用。所述保护元件在所述界面上并沿着所述衬底的一部分从所述本体延伸并且可与所述本体成整体。

Description

具有保护元件的聚晶金刚石构造

背景技术

聚晶金刚石(PCD)材料和由其形成的PCD元件是本领域中熟知的。常规PCD是通过将金刚石晶粒与合适的溶剂催化剂材料组合并使所述金刚石晶粒和溶剂催化剂材料经受极度高压/高温(HPHT)的加工条件而形成。在这种HPHT加工期间，溶剂催化剂材料促进晶粒之间所需的晶间金刚石与金刚石键合，由此形成PCD结构。所得到的PCD结构产生增强的耐磨性和硬度性质，从而使PCD材料在需要高水平的耐磨性和硬度的侵蚀性磨损和切割应用中非常有用。在诸如用于钻探地下地层的钻头的应用中使用的PCD元件的快速发展使得钻探时间更长且应用范围更广泛。在这种使用中，PCD元件可在腐蚀性更强的钻探环境中暴露更长的总钻探时间。

通常用于形成常规PCD的溶剂催化剂材料包括来自周期表的第VIII族的金属，其中钴(Co)是最常见的。常规PCD可包含85-95体积％的金刚石和剩余量的溶剂催化剂材料。溶剂催化剂材料存在于所得PCD材料的存在于键合在一起的金刚石晶粒之间的间隙或间隙区域内的微结构中。

溶剂催化剂材料通常在HPHT过程中由待与所得PCD本体连接在一起的衬底提供，由此形成PCD复合片。当经受HPHT工艺时，所述衬底内的溶剂催化剂材料熔化并渗透到相邻的金刚石晶粒体积中，从而催化金刚石晶粒的键合在一起。在这种HPHT工艺中，通常由衬底供应溶剂金属催化剂，从而在PCD本体与衬底之间的界面附近形成富含金属催化剂的区。

期望聚晶金刚石构造以最小化或消除PCD构造的不希望的腐蚀或侵蚀的方式进行工程化，由此最小化或消除可能与常规PCD构造相关的任何分层或其他失效模式。

发明内容

如本文所公开的PCD构造可以切割元件构造的形式提供，其中这种切割元件包括金刚石键合本体，所述金刚石键合本体具有键合在一起的金刚石晶体的基体且包括分散在所述基体内的多个间隙区域。在一个实例中，所述本体由聚晶金刚石形成，并且至少一组间隙区域包括用于在高压/高温条件下烧结所述本体的溶剂金属催化剂。如果需要，可对一部分聚晶本体进行处理以使其热稳定。金属衬底沿着在所述本体与所述衬底之间延伸的界面附接至所述本体衬底。

如本文所公开的PCD构造的特征在于它们包括保护元件或特征，所述保护元件或特征沿着所述衬底从所述本体轴向延伸一定距离并被构造成覆盖所述界面的外侧区域。所述保护元件沿着所述衬底的总直径的至少一部分周向地延伸。在一个实例中，所述保护元件是本体的整体构件。在一个实施方案中，所述保护元件由用于形成构造本体的相同材料形成。在一个实例中，所述衬底包括直径减小的区段和剩余直径区段，其中所述保护元件安置在所述直径减小的区段内，并且所述保护元件具有与所述聚晶金刚石本体和衬底剩余直径区段的外径相同的外径。所述保护元件可具有恒定的或沿着所述构造轴向移动的变化的径向厚度。所述保护元件可围绕所述构造的整个直径或仅在所述直径的一部分上周向地延伸。

本概述旨在介绍一系列概念，所述概念将在以下详述中进一步描述。本概述并不意图鉴定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作限制要求保护的主题的范围的辅助。

附图说明

如本文公开的聚晶金刚石构造的这些和其他特征和优点将被理解，因为当结合附图考虑时，通过参考以下描述，所述特征和优点变得更好理解，其中：

图1是如本文公开的示例性聚晶金刚石构造的区域的示意性微结构视图；

图2是根据本发明的一个实施方案，常规聚晶金刚石构造的透视图，所述透视图说明在投入使用时易受腐蚀或侵蚀的区域或区；

图3是根据本发明的一个实施方案，聚晶金刚石构造的透视图；

图4是根据本发明的一个实施方案，图2中所示的聚晶金刚石构造的侧视图；

图5是根据本发明的一个实施方案，图3和图4中所示的聚晶金刚石构造的截面侧视图；

图6是根据本发明的一个实施方案，类似于图4中所示的聚晶金刚石构造的截面侧视图；

图7是根据本发明的一个实施方案，金刚石构造的截面侧视图；

图8是根据本发明的一个实施方案，聚晶金刚石构造的透视图；

图9是根据本发明的一个实施方案，包括聚晶金刚石构造的剪切切割器的透视图；并且

图10是根据本发明的一个实施方案，包括多个图9的剪切切割器的刮刀钻头的透视图。

具体实施方式

如本文所公开的聚晶金刚石(PCD)构造包括附接至衬底的金刚石键合本体，并且被具体地工程化为具有沿着所述构造安置的保护元件，所述保护元件起作用来保护邻近所述金刚石键合本体与衬底之间的界面的富含溶剂催化剂的区域免受不想要的腐蚀或侵蚀作用，由此最小化或消除这种区域内的不想要的腐蚀或侵蚀作用，以确保所述本体与衬底之间的牢固键合和不受损害的附接。当以在地下钻探等中使用的切割元件的形式提供的PCD构造被放置到某些最终用途应用(诸如例如由于腐蚀性化学化合物如H₂S、HCl等的存在而具有腐蚀性井下环境的那些应用)中时，已经发现，此类腐蚀性化学化合物起作用来沿着所述构造的外表面沿着富含此类材料成分的区侵袭或以其他方式除去诸如溶剂催化剂金属(例如钴)的材料成分。

当PCD构造以切割元件的形式提供时，富含溶剂金属的区或区域邻近金刚石键合本体和衬底界面存在，并且在邻近与界面的衬底处发生金属耗尽的不想要的腐蚀作用。随时间推移，在衬底外表面的这一区域中的溶剂金属催化剂被浸出或以其他方式除去，其起作用以暴露金刚石本体的界面和下侧表面，这可起作用来削弱所述金刚石键合本体与所述衬底之间的附接键合。已知由PCD构造与钻探中的岩石之间的摩擦产生的热量会加速所述区和相邻衬底中的上述腐蚀。最终，PCD构造的这种腐蚀性侵袭可导致金刚石键合本体和衬底的分层，从而导致切割元件失效并减少有效切割元件使用寿命。

如本文所用，术语“PCD”用于指通过使用金刚石晶粒或粉末和合适的催化剂材料在HPHT条件下形成的聚晶金刚石。在一个示例性实施方案中，所述催化剂材料是金属溶剂催化剂，所述金属溶剂催化剂可包括周期表的第VIII族中的那些金属。所述溶剂金属催化剂材料在其已被烧结之后保留在材料微结构的间隙区域内。然而，如下文所详细描述的，可对PCD材料进行处理以从其热稳定区域中除去催化剂材料，或者可对PCD材料进行处理以从整个金刚石键合本体中除去催化剂材料，从而使整个金刚石键合本体热稳定。如上所述，如本文公开的PCD构造是使用高压/高温“HPHT”工艺条件形成的。

如本文所用，术语“催化剂材料”应理解为指在HPHT工艺期间促进超硬晶粒(例如金刚石晶粒)键合在一起的那些材料。当超硬材料是金刚石晶粒时，催化剂材料促进金刚石晶体的形成和/或石墨变成金刚石或金刚石变成另一种基于碳的化合物，例如石墨。在本文公开的构造的背景下，催化剂材料包括易受腐蚀和/或侵蚀侵袭的那些，如包括钴的溶剂金属催化剂。

尽管如本文公开的构造被称为PCD构造，但应理解，在本文公开的实施方案的范围内的构造可包括除PCD以外的超硬材料，如具有大于约4,000的洛氏A硬度的那些材料。此类超硬材料的实例包括hNB、cBH、聚晶cBN等。包括这种非PCD的构造将类似地与包括邻近超硬本体的溶剂金属催化剂区或区域的金属衬底键合，否则所述超硬体将易于受到与上述针对常规PCD构造所描述的相同类型的腐蚀性侵袭的影响。

图1示出从如本文公开的PCD构造10取得的区域，并且其被示出具有包括以下材料相的材料微结构。聚晶基体第一材料相12包括多个超硬晶体，所述超硬晶体通过相邻超硬晶粒在HPHT条件下键合在一起而形成。第二材料相14被间隙地安置在键合在一起的超硬晶体之间并且包括用于促进所述超硬晶体键合在一起的催化剂材料。用于形成聚晶超硬材料的超硬晶粒可包括选自由以下各项组成的材料组的那些：金刚石、立方氮化硼(cBN)以及其混合物。在一个示例性实施方案中，所述超硬晶粒是金刚石，并且所得到的聚晶超硬材料是PCD。

图2示出常规PCD构造20，其包括附接至金属衬底24的PCD本体22，其中附接键合沿着本体22与衬底24之间的界面26发生。所述金属衬底是用于形成PCD构造的常规金属衬底。例如，所述金属衬底可包括胶结碳化钨(WC-Co)，其中钴是溶剂金属催化剂。如上所述，这种常规构造包括金属溶剂催化剂或富含“金属”的区28，所述区具有在所述构造内的邻近界面的轴向厚度，并在整个构造中径向延伸至外侧壁表面30。这种富含金属的区28在其存在于衬底中时易受腐蚀侵袭并除去(例如，浸出)沿着这一侧壁表面的溶剂金属催化剂(例如，钴)。另外，取决于具体的最终用途应用和应用环境，存在于衬底中的这种富含金属的区可能易受侵蚀，这也可能导致从其中除去溶剂金属催化剂。随时间推移，这种腐蚀性和/或侵蚀性侵袭起作用来从侧壁表面30除去溶剂催化剂材料，从而最终暴露PCD本体的界面和下侧并减少键合的界面区域，这可能导致本体与衬底的不想要的分层。

图3至图5示出根据本发明的一个实施方案的示例性PCD构造40，所述构造包括超硬本体42，如PCD本体，所述超硬本体沿着所述本体与衬底之间的界面46与金属衬底44键合在一起。金属衬底44可以是用于形成PCD构造的常规金属衬底，如包含钴作为溶剂金属催化剂的WC-Co。这种PCD构造的特征在于它包括呈带状形式的保护特征或元件48，所述保护特征或元件在衬底44的侧壁表面上从界面46轴向向下延伸一定距离并且沿着这一区域围绕所述构造的直径周向地延伸。在一个实例中，所述保护元件或带48由超硬材料形成，与单独溶剂金属催化剂材料的易感性相比，所述超硬材料显著不太易受金属腐蚀性或侵蚀性侵袭。在一个实例中，所述超硬材料可由PCD形成。

在本体由PCD形成并且PCD用于形成保护元件的实例中，用于形成保护元件的PCD可具有与本体相同的成分组成，或者可形成为具有不同的金刚石体积含量和/或具有不同的金刚石晶粒尺寸。在一个实施方案中，所述保护元件与本体成整体，从而与本体一起形成单件式构造。在一个实施方案中，用于形成保护元件的PCD的金刚石体积含量高于本体中的PCD的金刚石体积含量，以提供增加水平或程度的保护来防止不想要的腐蚀性或侵蚀性金属侵袭。在PCD本体中的金刚石体积含量为大约85％的实例中，用于形成保护特征的PCD可具有大于85％、并且可能大于95％的金刚石体积含量，这取决于特定的最终用途应用和应用环境。

在图3至图5中所示的实施方案中，期望保护带48具有轴向长度“L”(如从界面所测量)，所述轴向长度足以向富含金属的区提供所需程度的保护以保护所述区免受不想要的腐蚀和侵蚀，同时不会损害所述构造的所需界面性质并维持足够的衬底暴露以用于将由所述构造形成的切割器钎焊到钻头中。在一个实例中，所述轴向长度可以是至少约25微米、约25微米至5,000微米、约50微米至500微米以及约75微米至250微米。在一个实施方案中，修整公差是大约127微米。尽管已经提供了用于保护带的某些轴向长度，但应理解，精确的轴向长度可能并且可以取决于包括但不限于以下各项的因素从此类提供的量变化：PCD构造的尺寸、材料、体积量、以及用于形成PCD本体和/或衬底的材料的尺寸和特定的最终用途应用和应用环境。

在图3至图5的实施方案中，期望保护带48具有径向厚度，所述径向厚度足以向衬底的富含金属的区提供所需程度的保护，以保护所述区免受不想要的腐蚀和侵蚀，同时不会损害所述构造的所需界面性质。因为所述保护带不参与切割或刨削待除去的井下表面的操作，所以所述材料的层厚度不需要具有类似于PCD构造的磨损表面的性质，并且仅需要足以覆盖和保护富含金属的区表面免受腐蚀或侵蚀的量。例如，所述径向宽度或厚度可以是至少约25微米、约25微米至500微米以及约125微米至255微米。尽管已经提供了某些带径向厚度，但应理解，精确的径向厚度可能并且可以取决于包括但不限于以下各项的因素从此类提供的量变化：PCD构造的尺寸、材料、体积量、以及用于形成PCD本体和/或衬底的材料的尺寸和特定的最终用途应用和应用环境。

尽管图3至图5的PCD构造似乎示出为平面的界面46，但应理解，如本文公开的PCD构造也可用于与具有非平面界面的衬底一起使用。非平面界面特征可提供例如增加水平的键合和机械界面附接。图6示出如本文公开的示例性PCD构造60，所述构造出于参考目具有在PCD本体64与衬底66之间的示例性非平面界面62，并且包括呈连续带形式的保护元件68。因此，应理解，如本文所公开的PCD构造意图包括具有平面和非平面的所有不同类型的界面几何形状的用途。

返回参考图3至图5的示例性PCD构造，保护带48可具有如由衬底的内壁表面限定的恒定径向厚度。如图5中最佳示出，此示例性PCD构造中的保护带沿其轴向长度具有恒定的径向厚度，并且具有如由衬底的内壁表面限定的大约90度的偏向角度“A”(如沿着平行于界面的轴线所测量)。所述保护元件的特征在于其起作用来提供富含金属的区的所需程度的保护而不损害沿着所述界面的附接强度。使用90度的偏向角度起作用来使沿着所述界面用于衬底与本体之间的附接的剩余表面区域最大化。

图7示出如本文公开的示例性PCD构造70，所述PCD构造包括沿着界面76附接至衬底74并且包括沿着所述衬底的富含金属的区域延伸的保护元件78的PCD本体72。与图3至图5中所示的实例不同，保护元件78具有大于90度的偏向角度“A”，所述偏向角度由径向向外渐缩的内壁表面(从所述界面向下移动)提供，这也产生不恒定并从所述界面向下移动减小的保护元件厚度。在这种实例中，所述偏向角度可大于90度，例如约100至180度或介于约90至105度之间。在某些PCD构造中，提供以这种方式构造的具有渐缩的径向宽度的保护带可起作用来提供所需程度的保护而不损害沿着界面的附接强度。

图8示出在某种程度上类似于上文公开的PCD构造的如本文公开的示例性PCD构造80，所述PCD构造包括沿着界面86附接至衬底84的PCD本体82。然而，与上文公开且在图3至图5中所示的实例不同，用于此实例的保护元件88以一个或多个离散元件或贴片的形式提供，而不是沿着富含金属的区的整个圆周延伸并覆盖所述富含金属的区的整个圆周的连续带。呈连续带形式的保护元件对于某些最终用途应用可能是有用的，例如，其中大部分或全部PCD构造侧壁表面暴露于腐蚀性或侵蚀性元件和/或通过旋转元件而重复使用所述元件以使得边缘的不同部分被暴露的那些应用。在另一个实施方案中，仅一部分PCD切割元件可暴露于腐蚀性或侵蚀性元件，和/或所需程度的衬底暴露出于附接目的是有用的，例如在制造过程中将所述构造钎焊至钻头。在此类应用中，使用一个或多个离散的保护元件起作用来提供所需程度的腐蚀和侵蚀保护，同时优化制造它们的时间和成本。在这种实例中，保护元件88以与上文描述的相同方式形成，并且可具有如上所述的轴向长度、径向厚度和偏向角度。应理解，保护元件的确切放置位置和截面长度可以并且将取决于特定的最终用途应用而变化。在一个实例中，单个离散保护元件可覆盖总构造周长的至少10％和约20％至90％。多个此类离散元件可用来覆盖所需量的总构造周长。

在所述构造中的超硬材料是PCD的实例中，用于在HPHT工艺期间形成所得金刚石键合本体的金刚石晶粒包括平均直径晶粒尺寸在亚微米尺寸至约0.1mm、约0.002mm至约0.08mm或约0.008至0.04mm范围内的金刚石粉末。金刚石粉末可含有具有单模态或多模态粒度分布的晶粒。在一个实施方案中，所述金刚石粉末具有大约5至50微米的平均颗粒粒度。

然而，应理解，可根据特定的最终用途应用来使用具有大于或小于所述量的粒度的金刚石晶粒。例如，当聚晶超硬材料作为被构造用作用于地下钻探和/或切割应用的切割元件的复合片提供时，被钻探或切割的特定地层可影响所选择的金刚石粒度以提供所需的切割元件性能性质。在所使用的金刚石粉末具有不同尺寸的晶粒的情况下，通过常规工艺(如通过球磨或脱布勒混合)将金刚石晶粒一起混合所需长的时间，以确保基本均匀的混合物和所需的粒度分布。

用于制备烧结金刚石键合本体的金刚石粉末可以是合成金刚石粉末。合成金刚石粉末可包括少量的溶剂金属催化剂材料和夹带在金刚石晶体本身内的其他材料。或者，用于制备金刚石键合本体的金刚石粉末可以是天然金刚石粉末。无论是合成的还是天然的金刚石晶粒粉末都可与所需量的催化剂材料组合以促进HPHT加工期间所需的晶间金刚石键合。

适用于形成PCD本体的合适催化剂材料是金属溶剂催化剂，所述金属溶剂催化剂包括选自周期表的第VIII族的那些金属，其中钴(Co)是最常见的，以及这些材料中的两种或更多种的混合物或合金。金刚石晶粒粉末和催化剂材料混合物可包含约85至95体积％的金刚石晶粒粉末和剩余量的催化剂材料。在某些应用中，所述混合物可包含大于约95体积％的金刚石晶粒粉末。在一个示例性实施方案中，所述溶剂金属催化剂通过在HPHT加工期间从位于金刚石粉末体积附近的衬底渗透而引入金刚石晶粒粉末中。

在某些应用中，可能期望具有包括单个含金刚石体积或区域的金刚石键合本体，而在其他应用中，可能期望金刚石键合本体被构造为具有两个或更多个不同的含金刚石体积或区域。例如，可能期望，所述金刚石键合本体包括从工作表面延伸一定距离的第一含金刚石区域，和从第一含金刚石区域延伸至衬底的第二含金刚石区域。此类含金刚石区域可被工程化为具有不同的金刚石体积含量和/或使用不同尺寸的金刚石晶粒来形成。因此，应理解，如本文公开的PCD构造可包括一个或多个区域，所述一个或多个区域包括不同的超硬组分密度和/或粒度，例如金刚石密度和/或金刚石粒度，如特定切割和/或磨损最终用途应用所要求的。

适用作衬底的合适材料包括用作用于形成常规PCD复合片的衬底的那些材料，如由陶瓷材料、金属材料、胶合材料、碳化物、氮化物以及其混合物形成的那些材料。在一个实施方案中，所述衬底以预先形成的刚性状态提供，并且包括金属溶剂催化剂成分，所述金属溶剂催化剂成分能够在HPHT加工期间渗透到相邻的金刚石粉末体积中以促进烧结并提供与所得到的烧结金刚石键合本体的键合附接。合适的金属溶剂催化剂材料包括选自如上所述的周期表的第VIII族元素的那些。在一个实施方案中，所述金属溶剂催化剂是钴(Co)，并且所述衬底材料是烧结碳化钨(WC-Co)。

用于形成如本文公开的PCD构造的衬底被构造成具有减小的外径区段，所述减小的外径区段提供如上所述的保护元件。减小的外径区段远离金刚石本体界面表面轴向延伸一定距离(对应于如上所述的保护元件的轴向长度)，并且具有从剩余的衬底直径减少一定量的直径(对应于如上所述的保护元件的径向厚度)。所述衬底外径区段可沿着轴向长度恒定或者如上所述关于衬底内侧壁表面渐缩。直径减小的区段可通过机械加工或模制或通过本领域中已知的其他方法形成，并且在一个实例中通过机械加工形成。

在一个实例中，将所述衬底负载到容器中，并且将适用于形成PCD本体的所需体积的金刚石晶粒安置到衬底上。在将所述体积的金刚石晶粒添加到容器的步骤期间，所述金刚石晶粒可沿着直径减小的区段迁移。如果需要，可将粘合剂施加至衬底直径减小的区段，并且可例如通过喷雾、浸渍、刷涂或其他技术将金刚石晶粒粘附到所述衬底直径减小的区段上，之后将所述衬底放置到容器中并添加所述体积的金刚石晶粒，例如以确保将金刚石晶粒放置在所述衬底直径减小的区段中来确保由烧结PCD形成保护元件。或者，可使用胶带等形式的金刚石晶粒，其中所述金刚石晶粒以柔性聚合物形式提供，以确保金刚石晶粒放置在衬底直径减小的区段内。这些只是可用于确保用于形成保护元件的超硬材料在烧结之前沿着衬底直径减小的区段安置的一些技术。在使用粘合剂或胶带或其他使用粘合剂等的技术的情况下，期望在HPHT加工之前使容器及其内容物经受足以使粘合剂馏出或挥发的升高的温度(其可处于真空环境中)。

如上所述，可能期望由具有与超硬本体不同的组成的材料形成保护元件。在这样一个实施方案中，用于形成保护元件的材料可以上述方法中的任一种提供在衬底直径减小的区段中。

负载的容器被构造用于放置在合适的HPHT固结和烧结装置内。将HPHT装置激活以使容器及其内容物经受足以熔化衬底中的溶剂金属催化剂的HPHT条件，以扩散到金刚石晶粒体积中来形成PCD本体和保护元件。如果需要，可将溶剂催化剂材料与金刚石晶粒体积混合，并且所选择的衬底可以或可以不包括溶剂金属催化剂。在一个实例中，对HPHT装置进行控制以使容器经受包括在5至7GPa范围内的压力和在约1,320℃至1,600℃范围内的温度的HPHT过程持续约50至500秒的时间段。在HPHT过程期间，所述溶剂金属催化剂熔化并渗透到金刚石晶粒体积中以促进晶粒间金刚石键合，从而烧结PCD本体并形成保护元件。因此，如本文所公开的构造的特征是保护元件可在用于烧结PCD本体并将衬底附接到其上的同一HPHT过程期间形成。

尽管已经公开了在单个HPHT过程期间形成PCD本体和保护元件的特定方法，但是如果需要，可在随后HPHT过程期间继形成PCD本体之后形成保护元件。

如果需要，例如，对于要求改进的热稳定性程度的某些最终用途应用，可能需要对超硬材料或PCD本体进行处理以从所述本体的选定区域的间隙区域除中除去催化剂材料。这可例如通过合适的工艺，例如通过酸浸、王水浴、电解工艺、化学工艺、电化学工艺、超声工艺或其组合通过从选定区域中除去基本上所有的催化剂材料而完成。

期望的是，待除去催化剂材料的选定区域或金刚石键合本体的将使得基本上不含催化剂材料的区域是从金刚石键合本体的表面(例如工作或切割表面)延伸预定深度的与工作或切割表面取向无关的区域。此外，应理解，工作或切割表面可包括金刚石键合本体的多于一个表面部分，所述表面部分可以是金刚石键合本体的顶表面和/或侧面。

在一个实例中，期望基本上不含催化剂材料的区域从金刚石键合本体的工作或切割表面延伸一定深度，所述深度被计算为足以向金刚石本体提供热稳定性的所需改进。因此，此区域的确切深度应被理解为取决于诸如金刚石密度、金刚石粒度、最终最终用途应用以及所需的热稳定性增加等因素而变化。

在一个实例中，所述区域可从工作表面延伸至至少约0.02毫米的平均深度，约0.02毫米至约0.1毫米、约0.04毫米至约0.08毫米的平均深度。在另在另一个实例中，例如，对于需要甚至更高程度的热稳定性的更具侵袭性的工具加工、切割和/或磨损应用，使得基本上不含催化剂材料的区域可从工作表面延伸大于约0.1毫米、例如约0.1mm至0.45mm的深度。

用于除去催化剂材料的目标区域可包括金刚石键合本体的任何表面区域，包括但不限于金刚石台，围绕金刚石台的周向边缘延伸并限定金刚石台的周向边缘的斜面区段，和/或远离金刚石台朝向衬底界面轴向延伸一定距离或轴向延伸一定距离至所述衬底界面的侧壁部分。因此，在一个实例中，使得基本上不含催化剂材料的区域可沿着金刚石台延伸，且然后围绕金刚石键合本体的侧壁表面延伸一定距离，所述距离可到达衬底界面。

应理解，除去催化剂材料的区域的深度被表示为通过沿着此区域以预先选定的间隔进行多次测量且然后确定所有点的平均值所得到的标称平均值。应理解，金刚石键合本体的剩余/未处理的区域仍含有均匀分布于其中的催化剂材料，并且包含上述PCD材料。

另外，当处理金刚石键合本体时，期望使得基本上不含催化剂材料的区域的选定深度是允许足够深度的剩余PCD以便不会不利地影响在金刚石键合本体与衬底之间形成的附接或键合的深度。在一个实例中，期望金刚石键合本体内未处理或剩余的PCD区域具有如从衬底测量的至少约0.01毫米的厚度。然而，应理解，剩余PCD区域的精确厚度可以并且将取决于诸如复合片的尺寸和构造以及特定PCD复合片应用的因素从所述量变化。

如果需要，如本文公开的PCD构造可被形成为使得整个金刚石键合本体变得热稳定。在这样一个实例中，热稳定的金刚石本体可通过以下方式形成：首先通过使一定体积的金刚石晶粒经受HPHT过程以在溶剂金属催化剂存在下烧结所述金刚石晶粒来以上述方式形成聚晶金刚石本体。在HPHT过程期间，溶剂金属催化剂的来源可从衬底(例如，如上文公开的衬底之一)扩散。在这种实例中，将不形成保护元件，因为衬底将是牺牲性的，因为衬底将仅在催化剂源将不会用于形成如本文公开的包括保护元件的PCD构造时使用。在这种实例中，一旦形成烧结的PCD本体，就将对整个金刚石本体进行处理以使其热稳定，在这种情况下，将在处理过程之前或之后除去衬底，从而留下热稳定的聚晶金刚石本体或“TSP”本体。或者，可将溶剂金属催化剂与金刚石晶粒混合在一起，在这种情况下不使用衬底，并且金刚石晶粒和溶剂金属催化剂混合物经受HPHT过程以形成烧结的PCD本体。然后将如上所述对所得到的整个PCD本体进行处理以使其热稳定，从而形成TSP本体。

一旦形成TSP本体，就将其负载到具有衬底的容器中，所述衬底具有直径减小的区段，并且这种区段将包括一定体积的超硬材料，例如可以上文公开的方式提供的金刚石晶粒。将使所述容器及其内容物经受HPHT过程，以便将TSP本体附接至衬底并形成保护元件。所得到的构造将看起来与图3中所示的构造相同，并且包括TSP本体，所述TSP本体附接有衬底并且包括沿着邻近界面的衬底的区域安置的保护元件。这种实例中的保护元件以与上文针对包括非TSP本体的PCD本体的PCD构造所描述的相同方式起作用。

如本文公开的PCD构造的特征是保护元件的特征，所述特征被有意地工程化以用于保护与界面相邻的构造的指定区域在置于最终用途应用中时免受不想要的腐蚀或侵蚀作用。因此，这种保护元件确保超硬本体之间的牢固附接不会由于因腐蚀性或侵蚀性侵袭造成的材料损失而受到损害，从而防止不想要的分层，以提供改进的使用寿命持续时间。

如本文公开的PCD构造可用于许多不同的应用中，如用于采矿、切割、机械加工和工程应用的工具。如本文公开的PCD构造特别适合用作机械工具中的工作、磨损和/或切割部件以及钻孔和采矿钻头，如用于钻探地下地层的牙轮凿岩钻头、冲击或锤钻头、金刚石钻头以及剪切切割器。

图9示出以剪切切割器94的形式体现的如本文公开的PCD构造，所述PCD构造例如与用于钻探地下地层的刮刀钻头一起使用。剪切切割器94包括金刚石键合本体96，所述金刚石键合本体被烧结或以其他方式附接至切割器衬底98并且包括如上所述的保护元件99，所述保护元件在界面100上从所述本体轴向延伸。金刚石键合本体96包括工作或切割表面101。

图10示出包括多个如上所述并且在图9中示出的剪切切割器94的刮刀钻头102。所述剪切切割器各自附接至刀片104，所述刀片从刮刀钻头的头部106延伸，以用于抵靠所钻探的地下地层切割。

虽然上文仅详细描述了PCD构造、用于制造所述PCD构造的方法以及包括所述PCD构造的装置的一些示例性实施方案，但本领域技术人员将容易了解的是，在实质上不脱离如本文公开的概念的情况下，许多修改在示例性实施方案中是可能的。因此，所有此类修改都意图包括在如以下权利要求书中所限定的本公开的范围内。在权利要求书中，装置加功能条款意图涵盖本文所述的如执行所列举功能的结构，并且不仅涵盖结构等效物，而且涵盖等效结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等效物，在于钉子采用圆柱形表面来将木制部件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面来将木制部件固定在一起，但是在紧固木制部件的情况下，钉子和螺钉可以是等效结构。申请人的明确意图是不援引美国法典第35章第112条第六段对本文任何权利要求的任何限制，除了权利要求明确使用词语“用于......的装置”连同相关功能的那些以外。

Claims (23)

1.一种切割元件构造，其包括：

聚晶金刚石本体，所述聚晶金刚石本体包括键合在一起的金刚石晶体的基体和分散在所述基体内的多个间隙区域，其中，所述聚晶金刚石本体具有顶表面和从顶表面轴向向下延伸的侧壁表面，其中，该侧壁表面是圆柱形的，具有恒定的直径；

金属衬底，所述金属衬底沿着在所述聚晶金刚石本体与所述金属衬底之间延伸的界面附接至所述聚晶金刚石本体，其中，所述金属衬底包括直径减小的区段，该直径减小的区段的直径小于聚晶金刚石本体的侧壁表面的直径，并向外伸入聚晶金刚石本体的凹陷部中，并且其中，所述金属衬底包括剩余直径区段，该剩余直径区段从直径减小的区段的壁表面径向向外延伸到金属衬底的外壁表面；以及

保护元件，包括在金属衬底的直径减小的区段的壁表面和沿着金属衬底的剩余直径区段之间的环形空间的至少一部分内周向地延伸的带，其中，所述带沿着聚晶金刚石本体的侧壁表面轴向地延伸到金属衬底的剩余直径区段并延伸超过在金属衬底的直径减小的区段的顶表面与聚晶金刚石本体之间的界面区域，其中，所述带与所述聚晶金刚石本体是一体的，并且其中，所述带的金刚石体积含量不同于所述聚晶金刚石本体中的金刚石体积含量。

2.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述间隙区域包括用于在高压/高温条件下烧结所述聚晶金刚石本体的溶剂金属催化剂。

3.如权利要求2所述的切割元件构造，其中所述聚晶金刚石本体包括从工作表面延伸部分深度的热稳定区域，其中所述热稳定区域中的所述间隙区域不含所述溶剂金属催化剂。

4.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件的外径等于所述聚晶金刚石本体的侧壁表面的外径和所述金属衬底的外径。

5.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件具有相对于在金属衬底的直径减小的区段的顶表面与聚晶金刚石本体之间的界面90度或更大的偏向角度。

6.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件具有沿着所述保护元件的轴向长度恒定的径向厚度。

7.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件具有沿着所述保护元件的所述轴向长度变化的径向厚度。

8.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件的金刚石体积含量大于所述聚晶金刚石本体中的金刚石体积含量。

9.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件延伸50至500微米的轴向长度。

10.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件围绕所述金属衬底的整个环形空间周向地延伸。

11.如权利要求1所述的切割元件构造，其包括沿周向彼此间隔开的多于一个保护元件。

12.如权利要求1所述的切割元件构造，其中所述保护元件具有至少25微米的径向厚度。

13.一种钻头，其包括钻头本体和多个与所述钻头本体连接的如权利要求1所述的切割元件构造。

14.一种钻头，其包括：

钻头本体，所述钻头本体具有多个可操作地与其附接的切割元件，所述切割元件包括：

聚晶金刚石本体，所述聚晶金刚石本体包括键合在一起的金刚石晶体的基体与分散在所述基体内的多个间隙区域，其中，所述聚晶金刚石本体具有顶表面和远离所述顶表面轴向延伸的圆柱形壁结构；

金属衬底，所述金属衬底与所述聚晶金刚石本体沿着界面连接在一起，其中，所述聚晶金刚石本体包括向内凹陷部分，金属衬底包括设置在聚晶金刚石本体的向内凹陷部分内的向外伸出的直径减小的区段，该金属衬底具有圆柱形的外壁表面；以及

保护元件，所述保护元件围绕金属衬底的直径减小的区段的壁部分周向地延伸到金属衬底的外径，并从所述聚晶金刚石本体的壁结构轴向地延伸，其中，所述保护元件在聚晶金刚石本体的凹陷部分与金属衬底的直径减小的区段之间的界面的富含金属溶剂催化剂材料的区域上轴向地延伸，其中，所述保护元件由聚晶金刚石形成并具有至少25微米的径向厚度，并且其中所述保护元件具有与所述聚晶金刚石本体相同的外径，并且其中，所述保护元件的金刚石体积含量不同于所述聚晶金刚石本体中的金刚石体积含量。

15.如权利要求14所述的钻头，其中所述保护元件呈环形带的形式并具有恒定的径向厚度。

16.如权利要求14所述的钻头，其中所述保护元件具有从保护元件与金属衬底的界面测量的75至250微米的轴向长度。

17.如权利要求14所述的钻头，其中所述保护元件的金刚石体积含量大于所述聚晶金刚石本体的另一区域中的金刚石体积含量。

18.一种制造金刚石键合构造的方法，所述方法包括：

将一定体积的金刚石晶粒邻近金属衬底的界面表面放置，其中所述金属衬底包括直径减小的区段，该直径减小的区段从所述金属衬底的剩余直径区段轴向向外延伸一定距离，其中金刚石晶粒的体积和所述金属衬底形成组件；以及

使所述组件经受高压/高温工艺条件以在存在溶剂金属催化剂的情况下烧结所述金刚石体积来形成聚晶金刚石本体，以将所述聚晶金刚石本体附接至所述金属衬底，其中，由聚晶金刚石形成的保护元件在所述经受步骤中形成，所述保护元件从聚晶金刚石本体轴向地延伸并填充金属衬底的直径减小的区段的壁表面与金属衬底的外径之间的环形空间，其中，所述保护元件的金刚石体积含量不同于所述聚晶金刚石本体的另一区域中的金刚石体积含量。

19.如权利要求18所述的方法，其中在所述经受步骤期间，所述聚晶金刚石本体和所述保护元件整体地组合。

20.如权利要求18所述的方法，其中在所述放置步骤期间，所述金属衬底直径减小的区段中的金刚石晶粒的体积具有比用于形成所述聚晶金刚石本体的所述金刚石晶粒更高的金刚石体积含量。

21.如权利要求18所述的方法，其中在所述放置步骤之前，将所述金属衬底构造成具有所述直径减小的区段，其中所述直径减小的区段具有恒定直径。

22.如权利要求18所述的方法，其中在所述经受步骤期间，所述保护元件具有至少25微米的径向厚度，并且其中所述保护元件具有与所述聚晶金刚石本体的外径相同的外径。

23.如权利要求18所述的方法，其中所述保护元件具有从保护元件与金属衬底的剩余直径区段的界面测量的50至500微米的轴向长度。

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