CN109312605A - 使金刚石颗粒的表面改性的方法以及相关的金刚石颗粒和钻地工具 - Google Patents

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Abstract

一种使金刚石颗粒的表面改性的方法包括：在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层；对所述旋节线合金涂层进行热处理以形成改性涂层，每个涂层独立地展现活性金属相和基本上非活性金属相；以及用所述改性涂层的所述活性金属相的至少一种活性金属蚀刻所述离散金刚石颗粒的表面。还描述了金刚石颗粒和钻地工具。

Description

使金刚石颗粒的表面改性的方法以及相关的金刚石颗粒和钻 地工具
优先权要求
本申请要求2016年5月27日提交的“使金刚石颗粒的表面改性的方法以及相关的金刚石颗粒和钻地工具(METHODS OF MODIFYING SURFACES OF DIAMOND PARTICLES,ANDRELATED DIAMOND PARTICLES AND EARTH-BORING TOOLS)”的第15/167,781号美国临时专利申请的申请日的权益。
技术领域
在各种实施方案中，本公开总体涉及使金刚石颗粒的表面改性的方法，以及相关的金刚石颗粒和钻地工具。
背景技术
已证实金刚石颗粒可用于各种应用(例如，钻孔应用、切割应用、研磨应用、抛光应用、加工应用等)。例如，许多钻地工具具有包括相互键合的金刚石颗粒的组件(例如，聚晶金刚石复合片(PDC)切割元件)，和/或包括分散在基质材料中的离散(例如，非相互键合)金刚石颗粒的组件(例如，钻头体、插入件等)。在这种钻地工具中包括金刚石颗粒(例如，相互键合的金刚石颗粒和/或离散金刚石颗粒)可以通过增加钻地工具的强度和耐磨性来增加钻地工具的使用寿命。金刚石颗粒也经常用作涂料用助剂(例如，表面硬化)、润滑剂(例如，油)、浆料(例如，抛光浆料)、以及提供涂料、润滑剂、浆料的结构(例如，聚合物结构)和具有所需性能(例如，强度、耐磨性、磨蚀性、导热性、导电性等)的结构。许多应用将受益于表现出尤其有纹理的表面和/或相对较大的比表面积的金刚石颗粒。
发明内容
本文描述的实施方案包括使金刚石颗粒的表面改性的方法，以及相关的金刚石颗粒和钻地工具。例如，根据本文描述的一个实施方案，一种使金刚石颗粒的表面改性的方法包括：在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层；对所述旋节线合金涂层进行热处理以形成改性涂层，每个涂层独立地展现活性金属相和基本上非活性金属相；以及用所述改性涂层的所述活性金属相的至少一种活性金属蚀刻所述离散金刚石颗粒的表面。
在另外的实施方案中，一种金刚石颗粒包括纹理化表面，所述纹理化表面展现凸起区域和在所述凸起区域之间的凹陷区域，所述凹陷区域的横向尺寸和间隔分别对应于在高于或等于约650℃温度下与金刚石基本反应的旋节线分解合金的至少一相的区域的横向尺寸和间隔。
在另外的实施方案中，一种钻地工具包括至少一种含金刚石颗粒的结构，所述金刚石颗粒中的至少一种具有纹理化表面，所述纹理化表面展现凸起区域和在所述凸起区域之间的凹陷区域，所述凹陷区域的横向尺寸和间隔分别对应于在高于或等于约650℃温度下与金刚石基本反应的旋节线分解合金的至少一相的区域的横向尺寸和间隔。
附图说明
图1是描绘根据本公开的实施方案的使金刚石颗粒的表面改性的方法的简化流程图。
图2是根据本公开的实施方案的包括改性表面的金刚石颗粒的简化横截面图。
图3是根据本公开的实施方案的浸渍钻头的实施方案的透视图。
图4是根据本公开的实施方案的固定切割器钻头的实施方案的透视图。
具体实施方式
描述了使金刚石颗粒的表面改性的方法，以及相关的金刚石颗粒和钻地工具。在一些实施方案中，使金刚石颗粒的表面改性的方法包括在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层以形成离散复合颗粒。对所述离散复合颗粒进行热处理以形成改性涂层，每个改性涂层展现至少两种共存同晶相，这些相具有彼此不同的材料组成。此后，使用改性涂层的共存同晶相之一的活性金属去除离散金刚石颗粒的部分。活性金属可与其下方的金刚石颗粒的一部分反应，以破坏金刚石颗粒的所述部分的结晶度。任选地，在使用另一个共存同晶相的活性金属去除离散金刚石颗粒的部分之前，可以选择性地去除(例如，选择性地蚀刻)改性涂层的另一个共存同晶相。本公开的方法有助于受控地且一致地形成展现所需表面构型(例如，特征尺寸，特征间距等)的金刚石颗粒。
以下描述提供了具体细节，例如材料类型和处理条件，以便提供对本公开的实施方案的详尽描述。然而，所属领域的普通技术人员将理解，可以在不使用这些具体细节的情况下实践本公开的实施方案。实际上，本公开的实施方案可以结合工业中采用的传统制造技术来实践。另外，下面提供的描述不形成用于制造结构或工具的完整工艺流程。以下仅详细描述理解本公开的实施方案所必需的那些处理动作和结构。可以通过传统的制造技术来执行根据各种结构形成完整结构或完整工具的附加动作。本申请所附的附图仅用于说明目的，且并未按比例绘制。另外，图之间共同的元件可以保留相同的附图标记。
如本文所使用，术语“包括(comprising/including)”、“含有(containing)”及其语法等同物是包含性或开放式术语，其不排除另外的、未列举的元素或方法步骤，但还包括更具限制性的术语“由……组成”和“基本上由……组成”及其语法等同物。如本文所使用，关于材料、结构、特征或方法动作的术语“可以”表示预期用于实现本公开的实施方案，并且此类术语优先于更具限制性的术语“是”使用，以便避免应该或必须排除与其组合使用的其它相容材料、结构、特征和方法的任何暗示。
如本文所用，出于便于描述的目的，例如“下方”、“之下”、“下部”，“底部”、“之上”，“上部”，“顶部”、“前方”、“后方”、“左侧”、“右侧”等空间相对术语可以用于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，如图所示。除非另有说明，否则空间相对术语旨在包括除了图中所示的取向之外的材料的不同取向。例如，如果图中的材料被反转，则描述为在其它元件或特征的“之下”或“下方”或“下面”或“底部”的元件将被定向为在其它元素或特征“之上”或“顶上”。因此，术语“之下”可以包括之上和之下的取向，这取决于使用此术语的上下文，这对于所属领域的普通技术人员来说是显而易见的。材料可以按其它方式定向(例如，旋转90度、倒置、翻转)，并且相应地解释本文使用的空间相对描述符。
如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。
如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
如本文所用，关于给定参数、性质或条件的术语“基本上”是指并且包括所属领域的普通技术人员将理解给定参数、性质或条件满足方差程度的程度，例如在可接受的制造公差范围内。举例来说，取决于基本上满足的特定参数、性质或条件，参数、性质或条件可以满足至少90.0％，满足至少95.0％，满足至少99.0％，或甚至满足至少99.9％。
如本文所用，关于给定参数的术语“约”包括所述值并且具有由上下文指示的含义(例如，其包括与给定参数的测量相关联的误差程度)。
图1是说明根据本公开的实施方案的使金刚石颗粒的表面改性(例如，纹理化)的方法的简化流程图。如下面进一步详细描述，所述方法包括金刚石颗粒选择工艺100、旋节线合金涂覆工艺102、热处理工艺104、可选的选择性相去除工艺106和金刚石蚀刻工艺108。根据如下文提供的描述，对于所属领域的普通技术人员来说显而易见的是，本文描述的方法可以用于各种应用中。换句话说，每当希望使金刚石颗粒的表面改性(例如，纹理化)，就可以使用所述方法。
金刚石颗粒选择工艺100包括选择离散金刚石颗粒以随后形成为展现纹理化表面的改性金刚石颗粒。可以至少部分地基于改性金刚石颗粒的所需最终用途来选择离散金刚石颗粒，如下面进一步详细描述。离散金刚石颗粒可以由单晶金刚石、多晶金刚石或其组合形成并包括单晶金刚石、多晶金刚石或其组合。离散金刚石颗粒中的每一个可以独立地展现所需的粒度，例如小于或等于约1000微米(μm)的粒度。离散金刚石颗粒可以包括例如离散微米尺寸金刚石颗粒和离散纳米尺寸金刚石颗粒中的一种或多种。如本文所用，术语“微米尺寸”是指并包括范围为约一(1)μm至约1000μm的粒度，例如约1μm至约500μm、约1μm至约100μm、或约1μm至约50μm的粒度。如本文所用，术语“纳米尺寸”是指并包括小于1μm的粒度，例如小于或等于约500纳米(nm)，或小于或等于约250nm的粒度。另外，离散金刚石颗粒中的每一个可以独立地展现期望的形状，例如球形、六面体形、椭圆形、圆柱形、圆锥形和不规则形状中的一种或多种。离散金刚石颗粒可以是单分散的，其中离散金刚石颗粒中的每一个展现基本相同的材料组成、尺寸和形状，或者离散金刚石颗粒可以是多分散的，其中至少一个离散金刚石颗粒展现与至少一个另外的离散金刚石颗粒不同的材料组成、不同的粒度和不同的形状中的一种或多种。
旋节线合金涂覆工艺102包括用至少一种旋节线合金涂覆离散金刚石颗粒以形成离散复合颗粒。如本文所用，术语“旋节线合金”是指并包括具有能够进行旋节线分解的化学组成的合金。反过来，如本文所用，术语“旋节线分解”是指连续相变的机制，通过所述机制，均质的无序溶液(例如，固体溶液、液体溶液)分离成不同的相。不同的相可包括有序相和/或无序相。相分离是源自与两相场中平衡有序结构的成核和生长有关的能量不稳定性的驱动力的结果。在固体中，通过构成材料的局部原子扩散来控制旋节线分解，从而形成调制的组成分布，使得体积(平均)组成不变。此外，如本文所用，术语“复合颗粒”是指并包括含有至少两种组成材料的颗粒，所述组成材料在形成单个颗粒的同时在微米级别上保持不同。例如，每个离散复合颗粒可以独立地包括至少部分地(例如，基本上)由旋节线合金的涂层(壳、层等)包封(例如，覆盖、包围等)的金刚石颗粒。
旋节线合金包括至少一种与金刚石反应的金属元素(下文中称为“活性金属”)。如本文所用，与金刚石“反应”的材料(例如，金属)是指在一个或多个温度下破坏金刚石结晶度的材料。相反，与金刚石基本上“不反应”的材料(例如，金属)是指在一个或多个温度下基本上不破坏金刚石结晶度的材料。活性金属可以例如在一个或多个升高的温度下，例如在高于或等于约650℃的温度下溶解金刚石，而基本上非活性的金属在一个或多个升高的温度下基本上不会溶解金刚石。活性金属可以通过选择性地去除金刚石颗粒的部分来促进离散复合颗粒中的金刚石颗粒的表面纹理的改性，如下面进一步详细描述。例如，旋节线合金可以包括含镍旋节线合金、含铁合金和含钴合金中的一种或多种，例如以下合金中的一种或多种：铜镍(Cu-Ni)旋节线合金、铜镍锡(Cu-Ni-Sn)旋节线合金、铜镍锡钴(Cu-Ni-Sn-Co)旋节金合金、金镍旋节金合金(Au-Ni)、镍铂旋节线合金(Ni-Pt)、镍-铑旋节线合金(Ni-Rh)、钴-镍-铁旋节线合金(Co-Ni-Fe)、钴-铁旋节线合金(Co-Fe)、钴-铂旋节线合金(Co-Pt)和铁-铑旋节线合金(Fe-Rh)。在一些实施方案中，旋节线合金包括Cu-Ni旋节线合金。旋节线Cu-Ni合金可以例如包括约50重量百分比(重量％)的镍(Ni)至约90重量％的Ni，和约10重量％的铜(Cu)至约50重量％的Cu。在另外的实施方案中，旋节线合金包括Cu-Ni-Sn旋节线合金。例如，Cu-Ni-Sn合金可以包括约5重量％的Ni至约35重量％的Ni、约6重量％的Sn至约13重量％的Sn、和约52重量％的Cu至约89重量％的Cu。合适的Cu-Ni-Sn旋节线合金的非限制性实例包括Cu-9Ni-6Sn(9重量％的Ni、6重量％的Sn、85重量％的Cu)和Cu-15Ni-8Sn(15重量％的Ni、8重量％的Sn、77重量％Cu)。还如下文进一步详细描述，旋节线合金的选择可以至少部分地基于通过随后旋节线合金的热处理形成的不同相(例如，活性金属相和非活性金属相)的所需尺寸和所需间距，以及基于旋节线合金的可混溶性间隙的上临界溶解温度边界(例如，相图的共存曲线内的区域，例如等压相图，其中至少两个不同的相共存)。
离散复合颗粒中的每一个可以形成为在其金刚石颗粒上展现任何所需厚度的旋节线合金涂层。离散复合颗粒的旋节线合金涂层的厚度可至少部分地取决于金刚石颗粒的几何构型(例如，尺寸和形状)，以及取决于用于在金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层的工艺。作为非限制性实例，离散复合颗粒中的每一个可以独立地展现大于或等于约一(1)nm的旋节线合金涂层厚度。
可以使用本文没有详细描述的常规设备和常规工艺在离散金刚石颗粒上或上方形成旋节线合金涂层。作为非限制性实例，可以使用以下工艺中的一种或多种在离散复合颗粒上或上方形成旋节线合金涂层：物理气相沉积(PVD)(例如，溅射、蒸发、电离PVD等)、等离子体增强物理气相沉积(PEPVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)、电解电镀、旋涂、浸涂、喷涂和毯式涂覆。在一些实施方案中，旋节线合金涂层的旋节线合金与离散金刚石颗粒分开形成，然后沉积在离散金刚石颗粒上或上方以形成离散复合颗粒。在另外的实施方案中，通过将前体(例如，金属元素、有机金属化合物等)沉积(例如，顺序沉积、同时沉积等)到离散金刚石颗粒上或上方的旋节线合金，然后处理(例如，加热、反应等)前体以形成旋节线合金，在离散金刚石颗粒上或上方形成旋节线合金涂层的旋节线合金。作为非限制性实例，可以从不同金属源(例如，Ni源、Cu源、Sn源等)的表面溅射不同的金属原子(例如，Ni原子、Cu原子、Sn原子等)，并且可以将所述不同的金属原子沉积在离散金刚石颗粒的表面上或上方，同时使离散金刚石颗粒在颗粒分散设备(例如，振动结构、流化床等)上、上方或之内移动。在存在施加的热能的情况下，不同的沉积金属原子可以彼此相互作用(例如，混合)以形成旋节线合金。可以从不同的金属源同时溅射(例如，共溅射)不同的金属原子以形成旋节线合金，和/或可以从不同的金属源按顺序溅射不同的金属原子以形成不同的金属层(例如，Cu层、Ni层、Sn层等)，然后可以彼此相互作用以形成旋节线合金。对于旋节线合金的每种金属元素(例如，Ni、Cu、Sn等)，可以控制从相应的金属源(例如，Ni源、Cu源、Sn源等)溅射的金属原子(例如，Ni原子、Cu原子、Sn原子等)的量以控制所得到的旋节线合金中金属元素的浓度。
继续参考图1，热处理工艺104包括对离散复合颗粒进行受控的热处理，以将离散复合颗粒的旋节线合金涂层转化为改性涂层(例如，旋节线分解合金涂层和/或空间无序合金涂层)，所述涂层展现具有彼此不同的材料组成的至少两个共存的同晶相。例如，每个改性涂层可以展现两相结构，包括活性金属相(例如，Ni相、Ni-Sn相等)和基本上非活性的金属相(例如，Cu相)。活性金属相可以分散在整个非活性金属相中，或者非活性金属相可以分散在整个活性金属相中。如下文进一步详细描述，热处理工艺104可以包括在高于旋节线合金的上临界溶解温度(UCST)的一个或多个温度下使旋节线合金涂层均质化，将均质化的旋节线合金涂层淬火至低于旋节线合金的可混溶性间隙的旋节线区域的温度范围的一个或多个温度，以及在旋节线合金的可混溶性间隙的旋节线区域的温度范围内的一个或多个温度下加热(例如退火)淬火的旋节线合金涂层达预定的时间段，以确保在没有开始有序反应的情况下发生分解，对于旋节线合金的每个标准时间-温度-转变(TTT)响应，这可以使活性金属相基本上不反应。
离散复合颗粒的旋节线合金涂层的均质化可采用高于旋节线合金的UCST的任何均质化(例如，固溶处理)温度和足以形成旋节线合金涂层的金属元素(例如，Cu、Ni、Sn等)的固溶体的持续时间。可以至少部分地基于旋节线合金涂层的材料组成来选择均质化温度和持续时间。在一些实施方案中，离散复合颗粒的旋节线合金涂层的均质化包括将离散复合颗粒加热至高于或等于约650℃的温度(例如，在约650℃至约900℃的范围内，例如约700℃至约850℃)，持续时间大于或等于约15秒(例如，在约15秒至约15分钟的范围内，例如约30秒至约10分钟，或约60秒至约5分钟)。作为非限制性实例，在其中旋节线合金涂层由Cu-Ni-Sn旋节线合金(例如，Cu-9Ni-6Sn、Cu-15Ni-8Sn等)形成并且包括Cu-Ni-Sn旋节线合金的一些实施方案中，可以将离散复合颗粒加热至高于或等于约500℃(例如，在约500℃至约850℃的范围内，例如约650℃至约850℃，约800℃至约850℃，或约825℃至约850℃)的温度，持续大于或等于约3分钟(例如，在约3分钟至约100小时的范围内)，以均质化其旋节线合金涂层。作为另一个非限制性实例，在其中旋节线合金涂层由Cu-Ni旋节线合金形成并包括Cu-Ni旋节线合金的一些实施方案中，可以将离散复合颗粒加热至高于或等于约650℃(例如，在约650℃至约800℃的范围内)的温度，持续大于或等于约3分钟(例如，约3分钟至约100小时的范围内)，以均质化其旋节线合金涂层。
离散复合颗粒的均质旋节线合金涂层的淬火可以将均质化的旋节线合金涂层快速冷却至低于旋节线合金的旋节线区域的温度范围的温度，例如在约15℃与旋节线合金的旋节线区域的下限温度边界之间的温度。均质化的旋节线合金涂层可以例如以大于或等于约100℃/分钟，例如大于或等于约110℃/分钟，大于或等于约125℃/分钟，或大于或等于约150℃/分钟的速率冷却。淬火可以使用任何合适的淬火介质，例如水、盐溶液(例如盐水)、氢氧化钠、苛性钠、油(例如，制备的油、燃料油等)、液氮、空气和惰性气体中的一种或多种。
在淬火之后，可以将离散复合颗粒的淬火后的旋节线合金涂层加热至并保持在旋节线合金的旋节线区域的温度范围内的任何温度下，持续足以促进形成根据TTT图具有彼此不同的材料组成的至少两个共存同晶相(例如，Ni相和Cu相；Ni-Sn相和Cu相等)的任何时间段。作为非限制性实例，在其中离散复合颗粒的旋节线合金涂层由Cu-Ni-Sn旋节线合金(例如，Cu-9Ni-6Sn、Cu-15Ni-8Sn等)形成并包括Cu-Ni-Sn旋节线合金的一些实施方案中，在淬火之后，可以将离散复合颗粒加热至约225℃至约550℃范围内的温度(例如，约225℃至约525℃，约225℃至约500℃，或约225℃至约400℃)，持续大于或等于约15秒(例如，在约15秒至约一(1)周、约15秒至约24小时、约15秒至约一(1)小时、约15秒至约30分钟等的范围内)，以将淬火的旋节线合金涂层转化为改性涂层。作为另一个非限制性实例，在其中旋节线合金涂层由Cu-Ni旋节合金形成并包括Cu-Ni旋节线合金的一些实施方案中，在淬火之后，可以将离散复合颗粒加热至约200℃至约322℃范围内的温度(例如，在约250℃至约300℃的范围内)，持续大于或等于约15秒(例如，在约15秒至约一周的范围内，约15秒至约24小时，约15秒至约一(1)小时，约15秒至约30分钟等)，以将淬火的旋节线合金涂层转化为改性涂层。
接下来，继续参考图1，如果执行可选的选择性相去除工艺106，则可以包括相对于至少另一个共存的同晶相(例如，至少一个反应相)选择性地去除离散复合颗粒的改性涂层的至少一个共存的同晶相(例如，至少一个基本上非活性相)。例如，选择性相去除工艺106可以去除改性涂层的基本上非活性金属相(例如，基本上不与金刚石反应的金属相)，而基本上不去除改性涂层的活性金属相(例如，基本上与金刚石反应的金属相)。作为非限制性实例，如果改性涂层包括旋节线分解的Cu-Ni合金涂层，则选择性相去除工艺106可以去除(例如，完全去除)旋节线分解的Cu-Ni合金涂层的Cu相，而基本上不去除旋节线分解的Cu-Ni合金涂层的Ni相。作为另一个非限制性实例，如果改性涂层包括旋节线分解的Cu-Ni-Sn合金涂层，则选择性相去除工艺106可以去除(例如，完全去除)旋节线分解的Cu-Ni-Sn合金涂层的Cu相，而基本上不去除旋节线分解的Cu-Ni-Sn合金涂层的Ni-Sn相。在选择性相去除工艺106之后剩余的改性涂层的活性金属相可用于通过后续处理去除其下的金刚石颗粒的部分，如下文进一步详细描述。
如果执行选择性相去除工艺106，则可以包括使离散复合颗粒与至少一种湿蚀刻剂接触，所述湿蚀刻剂被配制成相对于改性涂层的活性金属相(例如，Ni相、Ni-Sn相等)选择性地蚀刻改性涂层的基本上非活性金属相(例如，Cu相)。如本文所用，术语“选择性蚀刻”是指材料(例如，Cu)以比另一种材料(例如，Ni)大至少约五倍(5x)的速率进行蚀刻，例如大约十倍(10x)，大约二十倍(2x)，或大约四十倍(40x)。作为非限制性实例，如果改性涂层包括一种或多种旋节线分解的Cu-Ni合金涂层和旋节线分解的Cu-Ni-Sn合金涂层(例如，旋节线分解的Cu-9Ni-6Sn合金涂层、旋节线分解的Cu-15Ni-8Sn合金涂层等)，选择性相去除工艺106可以包括使离散复合颗粒与以下溶液中的一种或多种接触：氯化铜(CuCl2)溶液、氯化铁(FeCl3)溶液、重铬酸钾(K2Cr2O7)溶液、冰醋酸(CH3COOH)溶液、铬/硫酸溶液、过二硫酸(H2S2O8)溶液，碱性亚氯酸钠溶液，碱性过二硫酸盐溶液和碱性过硫酸盐(如过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾等)溶液。在一些实施方案中，选择性相去除工艺106包括使离散复合颗粒与CuCl2溶液接触，以相对于改性涂层的另一相(例如，Ni相、Ni-Sn相等)选择性地去除其改性涂层的Cu相。可以控制(例如，选择、维持等)湿蚀刻剂的化学组成和温度中的一者或多者，以促进改性涂层的非活性金属相的所需蚀刻速率。作为非限制性实例，如果湿蚀刻剂包括CuCl2溶液，则可以选择以下项中的一者或多者以促进离散复合颗粒的改性涂层的Cu相的所需蚀刻速率：溶液中CuCl2的浓度、溶液中一种或多种添加剂(例如，盐酸(HCl)、氯化铵(NH4Cl)等)的类型和量，以及CuCl2溶液的温度。在一些实施方案中，选择性相去除工艺106包括将离散复合颗粒暴露于温度为约30℃至约70℃范围内(例如，约35℃至约65℃、或约40℃至约60℃、约45℃至约55℃，或约50℃)的CuCl2水溶液，并包括高达约2.5Mol CuCl2(例如，约0.1Mol CuCl2至约2.5Mol CuCl2，例如约1.0Mol CuCl2至约2.5Mol CuCl2，或约2.0Mol CuCl2至约2.5Mol CuCl2)；约0Mol HCl至约3Mol HCl(例如，约1Mol HCl至约3MolHCl)；约0Mol NH4Cl至约3Mol NH4Cl(例如，约1Mol NH4Cl至约3Mol NH4Cl)。可以使用本文未详细描述的一种或多种常规工艺(例如，常规浸渍工艺、常规浸泡工艺、常规喷涂工艺、常规旋涂工艺、常规蒸气涂覆工艺等)和常规加工设备来提供与离散复合颗粒的改性涂层接触的湿蚀刻剂。
在另外的实施方案中，可以省略选择性相去除工艺106。例如，如果离散复合颗粒的改性涂层的旋节线合金(例如，Cu-Ni合金、Cu-Ni-Sn合金)的UCST大于或等于随后使用改性涂层的活性金属相(例如，Ni相、Ni-Sn相等)去除离散复合颗粒的金刚石颗粒的部分所用的温度，则可任选地省略选择性相去除工艺106。相反，如果改性涂层的旋节线合金的UCST小于随后使用改性涂层的活性金属相去除离散复合颗粒的金刚石颗粒的部分所用的温度，则可以使用(例如，实现)选择性相去除工艺106，以防止改性涂层的共存相(例如，活性金属相和非活性金属相)的再混合。
仍参考图1，金刚石蚀刻工艺108包括加热离散复合颗粒以使其金刚石颗粒与改性涂层的活性金属相(例如，Ni相、Ni-Sn相)的活性金属(例如，Ni)反应，以形成展现所需表面纹理(例如，展现所需特征尺寸、形状和间隔的表面，例如凹陷区域和凸起区域的所需尺寸、形状和间隔)的改性金刚石颗粒。金刚石蚀刻工艺108可以例如包括在高于或等于约650℃的温度(例如，在约650℃至约1000℃的范围内，例如约700℃至约900℃，或者约750℃至约850℃)下加热离散复合颗粒，在还原气氛、真空气氛和惰性气体气氛中的一种或多种中持续大于或等于约30秒(例如，大于或等于约一(1)分钟、大于或等于约十(10)分钟、大于或等于约30分钟、大于或等于约一(1)小时、或大于或等于约两(2)小时)，以形成改性金刚石颗粒。在金刚石蚀刻工艺108期间，活性金属的加热颗粒可破坏金刚石颗粒的部分在活性金属相和金刚石颗粒的部分的界面处的结晶度，以产生可扩散到活性金属中并通过活性金属的无定形碳，从而在金刚石颗粒的表面形成凹陷。金刚石颗粒的去除部分的形状、横向尺寸(例如，宽度、长度)和间隔可以对应于旋节线分解的合金涂层(和/或空间无序的合金涂层)的活性金属相的形状、横向尺寸和间隔(例如，与其基本上相同)。可以使用本文未详细描述的一种或多种常规工艺(例如，基于激光的颗粒评估工艺、光学和扫描电子显微镜、BET气体吸附等)和常规加工设备来评估改性金刚石颗粒的形态。
在金刚石蚀刻工艺108之后，可以执行至少一个清洁工艺以去除覆盖改性金刚石颗粒的材料(例如，剩余的活性金属相、剩余的基本上非反应金属相等)。例如，可以执行至少一种酸处理工艺(例如，盐酸处理工艺、氢氟酸处理工艺、硝酸处理工艺等)以从改性金刚石颗粒的表面去除(例如，完全去除)金属材料。可以使用本文未详细描述的一种或多种常规工艺(例如，常规浸渍工艺、常规浸泡工艺、常规喷涂工艺、常规旋涂工艺、常规蒸气涂覆工艺等)和常规加工设备来提供与金属材料接触的酸(例如，盐酸、氢氟酸、硝酸等)。
图2是根据本公开的实施方案形成的改性金刚石颗粒200的简化横截面图(例如，通过先前关于图1描述的方法)。如图2所示，改性金刚石颗粒200包括纹理化表面202，其展现凸起区域204和在凸起区域204之间的凹陷区域206(例如，凹槽、凹坑、孔、开口、沟槽等)。凹陷区域206的横向尺寸和横向间距可以各自基本上均匀，并且可以分别与旋节线分解的合金(例如，旋节线分解的Cu-Ni合金、旋节线分解的Cu-Ni-Sn合金等)和/或空间无序合金的反应相(例如，活性金属相，例如Ni相、Ni-Sn相等)的区域的横向尺寸和横向间隔基本相同。每个凹陷区域206可以例如展现在约1nm至约500nm范围内的基本相同的宽度，并且每个凹陷区域206可以与其相邻的一个或多个其它凹陷区域206分开在约1nm至约500nm的范围内的基本相同的距离。
可根据需要利用本文所述并根据本公开的实施方案(例如，通过先前关于图1描述的方法)形成的改性金刚石颗粒的实施方案(例如，图2中所示的改性金刚石颗粒)。例如，改性金刚石颗粒可以用作以下结构中的一种或多种的组分：金刚石浸渍结构(例如浸渍钻地工具，例如浸渍钻地钻头)、紧凑结构(例如，PDC)、涂料、热复合材料、润滑剂、抛光介质和填料。在一些实施方案中，改性金刚石颗粒用于一个或多个井下应用(例如，钻井应用、调节应用、测井应用、测量应用、监测应用、勘探应用等)。作为非限制性实例，改性金刚石颗粒可以用于去除地下地层材料时所使用的钻地工具。如本文所用，术语“钻地工具”是指并包括用于在地下地层中形成或扩大井眼期间钻孔的任何类型的工具，并且包括例如固定切割器钻头、牙轮钻头、浸渍钻头、冲击钻头、钻芯钻头、偏心钻头、双中心钻头、铰刀、铣刀、牵引式钻头、混合钻头(例如，滚动部件与固定切割元件相结合)，以及本领域中已知的其它钻头和工具。作为非限制性实例，图3示出了根据本公开的实施方案的浸渍钻头300(例如，浸渍钻地旋转钻头)。浸渍钻头300可以包括钻头体302和附接(例如，钎焊、焊接或以其它方式固定)至钻头体302的插入件304。钻头体302和插入件304中的一者或多者(例如，每个)可以由包括一种或多种本文前述改性金刚石颗粒在内的至少一种金刚石浸渍材料形成，或包括所述金刚石浸渍材料。金刚石浸渍材料可以例如包括分散在另一种材料(例如碳化钨、钨钴合金、元素钨、它们的组合等)的基质中的一种或多种改性金刚石颗粒。钻头体302和插入件304可以通过本文未详细描述的常规工艺(例如，模制工艺、高温高压工艺等)形成。作为另外的非限制性实例，图4示出了根据本公开的另外的实施方案的固定切割器钻头400(例如，固定切割器钻地旋转钻头)。固定切割器钻头400可包括钻头体402和附接(例如，钎焊、焊接或以其它方式固定)至钻头体402的切割元件404。切割元件404中的一个或多个切割元件可以包括PDC 406，PDC 406由本文前述的一种或多种改性金刚石颗粒形成或包括所述一种或多种改性金刚石颗粒。PDC可以例如由一定体积的多晶金刚石(PCD)材料形成并包括一定体积的多晶金刚石(PCD)材料，所述多晶金刚石(PCD)材料包括彼此相互键合的改性金刚石颗粒。换句话说，PCD材料可以包括改性金刚石颗粒之间的直接的颗粒间键合。钻头体402和切割元件404(包括其PDC 406)可以通过本文未详细描述的常规工艺(例如，模制工艺、高温高压工艺等)形成。
尽管本文已经关于某些实例实施方案描述了本公开，但是所属领域的普通技术人员将认识到并理解，本公开并不局限于此。而是，在不脱离如所要求保护的本公开的范围的情况下，可以对本文描述的实施方案进行许多添加、删除和修改。另外，来自一个实施方案的特征可以与另一个实施方案的特征组合，同时仍然包含在本公开的范围内。此外，本公开可用于具有不同钻头轮廓以及不同切割器类型的钻头。

Claims (18)

1.一种使金刚石颗粒的表面改性的方法，所述方法包括：
在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层；
对所述旋节线合金涂层进行热处理以形成改性涂层，每个涂层独立地展现活性金属相和基本上非活性金属相；以及
用所述改性涂层的所述活性金属相的至少一种活性金属蚀刻所述离散金刚石颗粒的表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层包括在所述离散金刚石颗粒中的每一个离散金刚石颗粒上形成旋节线合金，所述旋节线合金包括在大于或等于约650℃的温度下与金刚石反应的至少一种金属元素。
3.如权利要求1所述的方法，其中在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层包括形成以下合金中的一种或多种：Cu-Ni旋节线合金、Cu-Ni-Sn旋节线合金和Cu-Ni-Sn-Co旋节线合金、Au-Ni旋节线合金、Ni-Pt旋节线合金、Ni-Rh旋节线合金、Co-Ni-Fe旋节线合金、Co-Fe旋节线合金、Co-Pt旋节线合金以及Fe-Rh旋节线合金。
4.如权利要求1所述的方法，其中在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层包括在所述离散金刚石颗粒上形成Cu-Ni旋节线合金，所述Cu-Ni旋节线合金包括约50重量％的Ni至约90重量％的Ni，以及约10重量％的Cu至约50重量％的Cu。
5.如权利要求1所述的方法，其中在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层包括在所述离散金刚石颗粒上形成Cu-Ni-Sn旋节线合金，所述Cu-Ni旋节线合金包括约5重量％的Ni至约35重量％的Ni、约6重量％的Sn至约13重量％的Sn，以及约52重量％的Cu至约89重量％的Cu。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层包括：
形成旋节线合金；以及
将所述旋节线合金沉积在所述离散金刚石颗粒中的每一个离散金刚石颗粒上。
7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在离散金刚石颗粒上形成旋节线合金涂层包括：
在所述离散金刚石颗粒中的每一个离散金刚石颗粒上沉积旋节线合金前体涂层；以及
将所述旋节线合金前体涂层转化为所述旋节线合金涂层。
8.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中对所述旋节线合金涂层进行热处理包括：
将所述旋节线合金涂层加热至高于其旋节线合金的上临界溶解温度的温度，以形成均质化的旋节线合金涂层；
将所述均质化的旋节线合金涂层冷却至低于所述旋节线合金的旋节线区域的温度范围的温度，以形成淬火的旋节线合金涂层；以及将所述淬火的旋节线合金涂层加热至所述旋节线合金的所述旋节线区域的所述温度范围内的温度，以根据时间-温度-转变图形成旋节线分解的合金涂层。
9.如权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括在用所述改性涂层的所述活性金属相蚀刻所述离散金刚石颗粒的所述表面之前，选择性地去除所述改性涂层的所述基本上非活性金属相。
10.如权利要求9所述的方法，其中选择性地去除所述改性涂层的所述基本上非活性金属相包括去除所述改性涂层的Cu相而基本上不去除所述改性涂层的含Ni相。
11.如权利要求10所述的方法，其中去除所述改性涂层的Cu相而基本上不去除所述改性涂层的含Ni相包括使所述改性涂层与以下溶液中的一种或多种接触：CuCl2溶液、FeCl3溶液、K2Cr2O7溶液、CH3COOH溶液、铬/硫酸溶液、H2S2O8溶液、碱性亚氯酸钠溶液、碱性过二硫酸盐溶液和碱性过硫酸盐溶液。
12.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中用所述改性涂层的所述活性金属相的至少一种活性金属蚀刻所述离散金刚石颗粒的表面包括：将所述改性涂层加热至实现通过所述至少一种活性金属破坏所述离散金刚石颗粒的部分的结晶度的温度。
13.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中用所述改性涂层的所述活性金属相的至少一种活性金属蚀刻所述离散金刚石颗粒的表面包括用Ni蚀刻所述离散金刚石颗粒的所述表面。
14.一种金刚石颗粒，所述金刚石颗粒包括纹理化表面，所述纹理化表面展现凸起区域和在所述凸起区域之间的凹陷区域，所述凹陷区域的横向尺寸和间隔分别对应于在高于或等于约650℃温度下与金刚石基本反应的旋节线分解合金的至少一相的区域的横向尺寸和间隔。
15.如权利要求14所述的金刚石颗粒，其中所述凹陷区域展现与旋节线分解的Cu-Ni合金的Ni相的区域基本相同的横向尺寸和基本相同的间隔。
16.如权利要求14所述的金刚石颗粒，其中所述凹陷区域展现与旋节线分解的Cu-Ni-Sn合金的Ni-Sn相的区域基本相同的横向尺寸和基本相同的间隔。
17.如权利要求14至16中任一项所述的金刚石颗粒，其中所述凹陷区域彼此基本均匀地间隔开。
18.一种钻地工具，所述钻地工具包括含金刚石颗粒的至少一种结构，所述金刚石颗粒中的至少一种包括如权利要求14至16中任一项所述的金刚石颗粒。
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