CN108559971A

CN108559971A - 一种金刚石厚膜切削齿的制备方法

Info

Publication number: CN108559971A
Application number: CN201810204462.3A
Authority: CN
Inventors: 简小刚; 王俊鹏; 何嘉诚
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2018-09-21

Abstract

本发明涉及一种金刚石厚膜切削齿的制备方法，包括以下步骤：1)将打磨后的硅衬底置于金刚石微粉悬浮液中，并进行超声处理；2)对超声处理后的硅衬底进行刻蚀；3)采用化学沉积法在硅衬底表面沉积一层金刚石厚膜，之后快速冷却；4)将金刚石厚膜从硅衬底上剥离；5)将金刚石厚膜钎焊在切削齿上。与现有技术相比，本发明利用硅衬底与金刚石厚膜之间热膨胀系数的差异，控制工艺参数使得两者的热应力较大、结合力较弱，再通过手动或借助简单工具将金刚石厚膜剥离，以便焊接到切削齿上，得到表面焊接有金刚石厚膜的切削齿，相比于PDC钻头其耐磨性和使用寿命都得到了较大提高。

Description

一种金刚石厚膜切削齿的制备方法

技术领域

本发明属于石油钻探技术领域，涉及一种金刚石厚膜切削齿的制备方法。

背景技术

随着现代社会的发展，人们对资源的消耗不断增加，地质找矿钻探正向深部、超深部发展。随着钻探深度的增加，地质硬度也随之增加，使得深孔地质钻探的难度越来越大。普通钻头在钻进坚硬岩石地层时，容易出现钻进效率及采取率低、钻头寿命短等问题，影响了钻探工作的进行。

目前在石油钻探中较为常用的钻头主要有两种：

一种是聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头)，其在适应地层中具有机械钻速快、进尺高、钻压较小特点，在钻井工程中得到了广泛应用，但因为PDC钻头的金刚石复合片中金刚石层只有2mm左右，因而金刚石含量较低，对于研磨性硬地层来说，PDC钻头的金刚石复合片容易脆裂并磨损失效，导致其寿命短，进尺低。因此，PDC钻头在研磨性硬地层中存在一定的局限性。

另一种是孕镶金刚石钻头，其钻头上的金刚石颗粒会随着胎体的不断磨削而持续脱落，最终胎体对金刚石的包镶力度不够而使金刚石发生脱落，从而导致钻头寿命与钻进效率大大降低。

公开号为CN101608533A的中国发明专利公开了一种孕镶金刚石膜的钻头及其制作方法，其先通过化学方法处理掉硅衬底，再通过激光切割机将CVD金刚石厚膜切割成片状和条柱状，与胎体材料烧结成型后再焊接到刚体上，使得钻头的耐磨性更强，钻进效率和使用寿命都得到了提高，但其需要通过化学方法处理硅衬底，并通过激光切割剥离金刚石厚膜，制备方法较为繁琐。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种金刚石厚膜切削齿的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种金刚石厚膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将打磨后的硅衬底置于金刚石微粉悬浮液中，并进行超声处理；

2)对超声处理后的硅衬底进行刻蚀；

3)采用化学沉积法在硅衬底表面沉积一层金刚石厚膜，之后快速冷却；

4)将金刚石厚膜从硅衬底上剥离。

进一步地，步骤1)中，所述的打磨过程为：将硅衬底在盛放有金刚石微粉的砂纸上打磨10-20min。金刚石微粉具有很高的硬度，在打磨过程中可以加速去除硅衬底表面的氧化物并降低其界面能，同时，用金刚石微粉打磨会起到籽晶效应，即残留在硅衬底上的金刚石颗粒会起到同质外延形核的作用，提高形核率。

进一步地，步骤1)中，所述的金刚石微粉悬浮液中，金刚石微粉为微晶金刚石微粉或纳米金刚石微粉，溶剂为乙醇或丙酮。金刚石微粉悬浮液中，金刚石微粉的质量浓度为0.05-0.15g/mL，优选为0.1g/mL。

进一步地，步骤1)中，所述的超声处理过程中，超声波频率为36-45KHz，超声时间为0.2-0.8h。采用超声处理方式，不仅能较彻底地清洗硅衬底表面，同时也可将分散的金刚石微粉播植于硅衬底上，以提高金刚石厚膜的形核率。

进一步地，步骤2)中，所述的刻蚀为等离子体刻蚀，所述的刻蚀过程为：通入氢气，在气压为10-15kPa、微波功率为1000-1500W下刻蚀0.4-0.6h。由于硅在空气中极易被氧化，在形核前需要彻底除去硅衬底表面的氧化物，除了之前的打磨步骤以外，还需通过较高浓度的氢原子来刻蚀掉氧化物。

进一步地，步骤3)中，所述的化学沉积过程为：通入CH₄气体，在沉积气压为12-16kPa、微波功率为1000-1500W、硅衬底温度为800-900℃下沉积12-13h。化学沉积过程在化学气相沉积设备中进行，通过化学沉积，得到表面生长有金刚石厚膜的硅衬底。

进一步地，步骤3)中，所述的CH₄气体在空气中的体积百分含量为1-2％。

进一步地，步骤3)中，所述的快速冷却过程在空气中进行，冷却时间≤20min。快速冷却过程具体为：迅速调小微波功率，待微波源消失后，关闭化学气相沉积设备，并打开反应腔室，将表面沉积有金刚石厚膜的硅衬底在空气中迅速冷却。

进一步地，步骤4)中，所述的金刚石厚膜的厚度为2-3mm。根据硅衬底和金刚石厚膜的结合力水平，可以选择手动剥离或借助简单工具剥离。

一种金刚石厚膜切削齿的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)采用所述的方法制备金刚石厚膜；

2)将金刚石厚膜钎焊在切削齿上。钎焊优选为真空钎焊，其工艺条件为：焊料是含有钛的银铜合金，不加助熔剂，在惰性保护气体或真空中焊接，采用高频感应加热，加热温度为830-850℃，冷却时采用逐渐冷却方式，以减少内应力。通过真空钎焊，将剥离下的金刚石厚膜焊接在石油钻探用钻头的切削齿上。

本发明在制备金刚石厚膜时，通过预处理工艺去除硅衬底表面不利于金刚石涂层沉积的因素(氧化物)，同时降低表面能；硅衬底表面残留的金刚石颗粒会在沉积过程中达到同质外延形核的效果，为后续在硅衬底上沉积金刚石厚膜提供有利的条件；之后在预处理过的硅衬底上沉积生长一层金刚石厚膜，并通过快速冷却的方式增大金刚石厚膜与硅衬底之间的热应力，即可通过手动或借助简单工具将金刚石厚膜从硅衬底上轻松剥离。将剥离后的金刚石厚膜焊接到钻头的切削齿上，得到了石油钻探用长寿命金刚石厚膜切削齿，其外表面上金刚石厚膜的存在能有效延缓切削齿的磨损，解决了现有石油钻探用钻头的寿命短且钻进效率低的问题。

其中，金刚石与硅衬底之间的热膨胀系数存在较大的差异，当降至室温时，会存在较高的残余应力，过高的残余应力会降低金刚石厚膜与硅衬底之间的结合力，甚至出现金刚石厚膜脱落现象。利用这样的性质，在化学沉积过程中先升高沉积温度，再通过快速冷却过程，增大金刚石厚膜与硅衬底之间的热应力，以降低两者结合力从而使得金刚石厚膜容易剥离。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)利用硅衬底与金刚石厚膜之间热膨胀系数的差异，控制工艺参数使得两者的热应力较大、结合力较弱，再通过手动或借助简单工具将金刚石厚膜剥离，以便焊接到切削齿上，得到表面焊接有金刚石厚膜的切削齿，相比于PDC钻头其耐磨性和使用寿命都得到了较大提高；

2)将金刚石厚膜焊接在切削齿上，可以有效减少原切削齿的磨损，当钻头使用较长时间后，首先磨损的是焊接在切削齿表面的金刚石厚膜，而后其内部的切削齿材料才会暴露出来，因而其使用寿命得到了大大提升。

附图说明

图1为实施例1中在硅衬底上沉积生长金刚石厚膜后的结构示意图；

图2为实施例1中切削齿上焊接金刚石厚膜后的结构示意图；

图3为实施例1中切削齿在长时间使用后的磨损状态示意图；

图中标记说明：

1—硅衬底、2—金刚石厚膜、3—钻探切削齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示，通过化学气相沉积的方法在硅衬底1上沉积的一层金刚石厚膜2作为改良涂层，金刚石厚膜2的厚度为2-3mm。制备时，需要对硅衬底1进行一定的预处理工艺：将硅衬底1放在盛有金刚石微粉的砂纸上打磨10-20min，以除去硅衬底1表面的氧化物，并降低其表面能，创造利于形核的环境；之后利用微晶或纳米大小的金刚石微粉的悬浮液(溶剂为乙醇或丙酮等)对硅衬底1表面进行处理，不仅能较彻底地清洗硅衬底1表面，同时也可将分散的金刚石微粉播植于硅衬底1上，以提高金刚石厚膜2的形核率；再进行氢等离子体刻蚀，将经过研磨处理和超声清洗的硅衬底1放入化学气相沉积设备中，在一定的实验条件下，通入一段时间的氢气，达到脱碳的效果；之后向上述反应体系中再通入CH₄气体，保持CH₄的浓度1.5％左右，同时选择15kPa作为沉积气压，微波功率采用1400W左右，此时测得硅衬底1温度约为850℃，之后沉积12-13小时，快速调低微波功率，待微波源消失后，关闭设备，打开反应腔室，使硅衬底1和金刚石厚膜2在空气中快速冷却至室温，取出样品并将金刚石厚膜2从硅衬底1上剥离。如图2所示，将金刚石厚膜2钎焊到钻探切削齿3上，即得到金刚石厚膜切削齿。其中，利用金刚石和硅衬底1热膨胀系数的差异，调整沉积工艺参数，以增大金刚石厚膜2和硅衬底1之间的热应力，降低两者结合力，使得金刚石厚膜2易于从硅衬底1上剥离，从而无需通过化学处理、激光切割得到金刚石厚膜2，在一定程度上降低了成本，简化了工艺。

如图3所示，当使用一定时间后，石油钻探用长寿命金刚石厚膜切削齿表面焊接的金刚石厚膜2受到磨损而脱落，作为基体的钻探切削齿3逐渐暴露出来，并继续工作。因此，相比于现有的石油钻探用切削齿，表面焊接有金刚石厚膜2的金刚石厚膜切削齿具有更好的耐磨性和更长的使用寿命。

实施例2：

一种石油钻探用长寿命金刚石厚膜切削齿的制备方法，包括以下步骤：

1)打磨：

将硅衬底放在盛有金刚石微粉的砂纸上摩擦15分钟，去除硅衬底表面氧化物并降低其界面能，增强形核；

2)超声清洗：

取打磨后的硅衬底，置于微晶或纳米大小的金刚石微粉的悬浮液中，超声处理，处理时间为0.2h，超声频率为45KHz；

(3)氢等离子体刻蚀：

再将打磨和超声清洗后的硅衬底放入化学气相沉积设备中，在气压为12kPa，微波功率为1200W的条件下，通入200sccm的氢气刻蚀0.5h，达到脱碳的效果；

(4)沉积生长金刚石涂层：

刻蚀完成后，通入CH₄气体，保持硅衬底沉积时周围的CH₄的体积浓度1％左右，同时选择12kPa作为沉积气压，微波功率采用1500W左右，此时可测得硅衬底温度约为850℃，之后沉积13小时；

(5)快速冷却：

迅速调小微波功率，微波源消失后，关闭设备，打开反应腔室，将沉积有金刚石厚膜的硅衬底在空气中迅速冷却，整个冷却过程控制在15分钟以内；

(6)剥离金刚石厚膜：

利用简单工具将金刚石厚膜从硅衬底上剥离；

(7)焊接金刚石厚膜：

使用含有钛的银铜合金作为焊料，不加助熔剂，在惰性保护气体将金刚石厚膜焊接到钻探切削齿上，采用高频感应加热，加热温度为850℃，逐渐冷却，以减少内应力。

实施例3：

(1)打磨：

将硅衬底放在盛有金刚石微粉的砂纸上摩擦20分钟，去除硅衬底表面氧化物并降低其界面能，增强形核；

(2)超声清洗：

取打磨后的硅衬底，置于微晶或纳米大小的金刚石微粉的悬浮液中，超声处理，处理时间为0.8h，超声频率为45KHz；

(3)氢等离子体刻蚀：

再将打磨和超声清洗后的硅衬底放入化学气相沉积设备中，在气压为16kPa，微波功率为1200W的条件下，通入200sccm的氢气刻蚀0.5h，达到脱碳的效果；

(4)沉积生长金刚石涂层：

刻蚀完成后，通入CH₄气体，保持CH₄的体积浓度2％左右，同时选择16kPa作为沉积气压，微波功率采用1200W左右，此时可测得体温度约为880℃，之后沉积12小时；

(5)快速冷却：

迅速调小微波功率，微波源消失后，关闭设备，打开反应腔室，将沉积有金刚石厚膜的硅衬底在空气中迅速冷却，整个冷却过程控制在17分钟以内；

(6)剥离金刚石厚膜：

手工将金刚石厚膜从硅衬底上剥离；

(7)焊接金刚石厚膜：

使用银铜合金作为焊料，在钎剂中加入少量Ti、Cr、Zr元素，并在真空条件下将金刚石厚膜焊接到钻探切削齿上，采用高频感应加热，加热温度为830℃，逐渐冷却，以减少内应力。

实施例4：

一种金刚石厚膜切削齿的制备方法包括以下步骤：

1)将硅衬底在盛放有金刚石微粉的砂纸上打磨10min，之后将打磨后的硅衬底置于金刚石微粉悬浮液中，并在超声波频率为45KHz下超声处理0.2h，其中，金刚石微粉悬浮液中，金刚石微粉为微晶金刚石微粉，溶剂为乙醇；

2)对超声处理后的硅衬底进行等离子体刻蚀，刻蚀过程为：通入氢气，在气压为15kPa、微波功率为1000W下刻蚀0.6h；

3)采用化学沉积法在硅衬底表面沉积一层厚度为2mm的金刚石厚膜，化学沉积过程为：通入CH₄气体(CH₄气体在空气中的体积百分含量为2％)，在沉积气压为12kPa、微波功率为1500W、硅衬底温度为800℃下沉积13h；之后在空气中快速冷却20min；

4)将金刚石厚膜从硅衬底上剥离。

5)将剥离后的金刚石厚膜钎焊在切削齿上。

实施例5：

一种金刚石厚膜切削齿的制备方法包括以下步骤：

1)将硅衬底在盛放有金刚石微粉的砂纸上打磨20min，之后将打磨后的硅衬底置于金刚石微粉悬浮液中，并在超声波频率为36KHz下超声处理0.8h，其中，金刚石微粉悬浮液中，金刚石微粉为纳米金刚石微粉，溶剂为丙酮；

2)对超声处理后的硅衬底进行等离子体刻蚀，刻蚀过程为：通入氢气，在气压为10kPa、微波功率为1500W下刻蚀0.4h；

3)采用化学沉积法在硅衬底表面沉积一层厚度为3mm的金刚石厚膜，化学沉积过程为：通入CH₄气体(CH₄气体在空气中的体积百分含量为1％)，在沉积气压为16kPa、微波功率为1000W、硅衬底温度为900℃下沉积12h；之后在空气中快速冷却18min；

4)将金刚石厚膜从硅衬底上剥离。

5)将剥离后的金刚石厚膜钎焊在切削齿上。

实施例6：

一种金刚石厚膜切削齿的制备方法包括以下步骤：

1)将硅衬底在盛放有金刚石微粉的砂纸上打磨15min，之后将打磨后的硅衬底置于金刚石微粉悬浮液中，并在超声波频率为40KHz下超声处理0.6h，其中，金刚石微粉悬浮液中，金刚石微粉为纳米金刚石微粉，溶剂为乙醇；

2)对超声处理后的硅衬底进行等离子体刻蚀，刻蚀过程为：通入氢气，在气压为12kPa、微波功率为1300W下刻蚀0.5h；

3)采用化学沉积法在硅衬底表面沉积一层厚度为2.5mm的金刚石厚膜，化学沉积过程为：通入CH₄气体(CH₄气体在空气中的体积百分含量为1.5％)，在沉积气压为14kPa、微波功率为1300W、硅衬底温度为850℃下沉积12.5h；之后在空气中快速冷却15min；

4)将金刚石厚膜从硅衬底上剥离。

5)将剥离后的金刚石厚膜钎焊在切削齿上。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2)对超声处理后的硅衬底进行刻蚀；

4)将金刚石厚膜从硅衬底上剥离。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的打磨过程为：将硅衬底在盛放有金刚石微粉的砂纸上打磨10-20min。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的金刚石微粉悬浮液中，金刚石微粉为微晶金刚石微粉或纳米金刚石微粉，溶剂为乙醇或丙酮。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的超声处理过程中，超声波频率为36-45KHz，超声时间为0.2-0.8h。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述的刻蚀为等离子体刻蚀，所述的刻蚀过程为：通入氢气，在气压为10-15kPa、微波功率为1000-1500W下刻蚀0.4-0.6h。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的化学沉积过程为：通入CH₄气体，在沉积气压为12-16kPa、微波功率为1000-1500W、硅衬底温度为800-900℃下沉积12-13h。

7.根据权利要求6所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的CH₄气体在空气中的体积百分含量为1-2％。

8.根据权利要求1所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述的快速冷却过程在空气中进行，冷却时间≤20min。

9.根据权利要求1所述的一种金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述的金刚石厚膜的厚度为2-3mm。

10.一种金刚石厚膜切削齿的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)采用如权利要求1至9任一项所述的方法制备金刚石厚膜；

2)将金刚石厚膜钎焊在切削齿上。