CN112513407B - 多晶金刚石刀具元件和地钻工具 - Google Patents

多晶金刚石刀具元件和地钻工具 Download PDF

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Abstract

一种用于地钻工具的刀具元件，包括在界面边界处接合到硬质合金基底的多晶金刚石(PCD)体。PCD体积包括与界面边界相对的前刀面，前刀面的边缘适合作为刀具元件的切削刃。PCD体积包括在层间边界处彼此直接连接的多个层，其中第一多个层中的每个包括具有第一金刚石含量的PCD材料。第二多个层中的每个包括具有第二金刚石含量的PCD材料。第二金刚石含量大于第一金刚石含量；第一和第二复数层彼此交替布置。构造和布置层，以使穿过边缘和界面边界质心的径向线在距离边缘1,000微米内相交，每个层间边界以及与每个层间边界的切线平面相交。各个相交点相对于径向线以不小于30°的最小角度布置。

Description

多晶金刚石刀具元件和地钻工具
技术领域
本公开总体上涉及一种用于地钻工具的多晶金刚石(PCD)刀具元件，特别地但非排他地用于钻入到岩石中以进行石油或天然气钻探，并且涉及一种包括多晶金刚石刀具元件的地钻工具。
背景技术
美国专利第8,590,643号公开了一种多晶金刚石(PCD)体，其包括与拉伸层交错的压缩层，所述拉伸层分别包括不同等级的PCD材料，并且通过直接的金刚石与金刚石结合而彼此接合。PCD主体可以被结合到硬质合金支撑主体上，该硬质合金支撑主体被构造成被用作诸如钻头之类的工具，以用于钻入到地下，或者被用作镐或砧以用于使诸如沥青或岩石之类的坚硬材料降解或破碎。压缩层和拉伸层可以是大约50微米至大约500微米的厚度；它们可以基本上平行于PCD主体的工作表面来布置，或者相对于工作表面被倾斜或弯曲。
美国专利号9 428 967公开了一种用于切削元件的PCD主体，该PCD主体包括具有不同的相应属性的有序区域，诸如不同的平均晶粒尺寸和/或每单位体积的不同的超硬材料含量。这些区域限定了在PCD主体的垂直横截面中具有弯曲部分的晶粒界面。
需要用于钻入到地下的超硬刀具元件，该刀具元件具有延长的工作寿命，特别地但不排他地用于石油或天然气钻探，并且还需要包括刀具元件的地钻工具。
发明内容
从第一方面来看，可以提供一种用于地钻工具的刀具元件，诸如用于石油或天然气钻探的钻头，其包括在界面边界处接合到硬质合金基底的多晶金刚石(PCD)；PCD体积包括
与界面边界相对的前刀面，该前刀面的边缘适合作为刀具元件的切削刃；PCD体积包括在层间边界处彼此直接接合的多个层(或基本上由其组成)，其中第一多个层中的每一层包括具有第一金刚石含量的PCD材料或基本上由其组成；第二多个层中的每一层包括具有第二金刚石含量的PCD材料或基本上由其组成；第二金刚石含量大于第一金刚石含量；第一多个层和第二多个层相对于彼此以交替布置而被安置；所述层被构造和布置成使得穿过边缘的径向线(在某些示例中，也就是说，穿过边缘上的点或穿过边缘上的任何点)和界面边界的质心在距边缘的最大距离为1000微米内与每个层间边界相交，在相应交点处与每个层间边界的相应切平面被安置成相对于径向线呈不小于约30°的最小角度。
相邻层的金刚石晶粒通过直接相互结合而彼此烧结，因此PCD材料从一个层到相邻层不间断。
从第二方面来看，提供了一种包括示例刀具元件的地钻工具。
本公开内容设想了刀具元件和工具的各种示例布置、构造和用途，包括非限制性和非穷举性的示例在下面被描绘。
在一些示例中，边缘可以围绕前刀面的外围基本上一直延伸；在一些示例中，边缘可以沿着前刀面的外围的一部分延伸，并且不是连续地围绕外围一直延伸；并且在一些示例中，PCD体积可以具有多个不连续的边缘。
在一些示例中，第一多个层的每个层可以具有沿着径向线的厚度，该厚度大于第二多个层的每个层的厚度(即，沿着径向线测量的厚度)。
在一些示例中，第一多个层可以包括或基本上由包括第一含量的粘合剂材料的PCD材料组成，第二多个层可以包括或基本上由包括第二含量的粘合剂材料的PCD材料组成；第一含量的粘合剂材料基本上大于第二含量的粘合剂材料。粘合剂材料可以包括非金刚石催化剂材料或基本上由其组成，该非金刚石催化剂材料能够促进金刚石晶体的生长和/或相互生长。在其他示例中，第一多个中的至少一个层或第一多个层中的每个层的径向线厚度(也就是说，沿着径向线测量的)可以大于第二多个中的至少一个相邻层的厚度。在一些示例中，第一多个中的每个层的平均厚度可以基本上大于第二多个中的每个层的平均厚度。
在一些示例刀具元件中，沿着径向线距边缘的最大距离可以是大约500微米；或者至少约500微米至至多约1,000微米。
在一些示例刀具元件中，一方面与相应层间边界的每个切平面与另一方面径向线之间的最小角度可以为大约35°；或大约40°；或大约45°；或大约50°；或大约80°至90°。
在一些示例刀具元件中，与层间边界的切平面(在与径向线的相应交点处)可以基本上彼此平行；或者相邻的层间边界可以随着距界面边界的纵向距离而朝向彼此会聚或发散；和/或层间边界可以基本上彼此同心或同轴；和/或与刀具元件的纵轴基本上同心或同轴。
在一些示例刀具元件中，每个层间边界可以在包括径向线的纵向横截面中描绘直线、曲线或弧形线。在一些示例布置中，每个层间边界可以包括径向线穿过的相应的锥形区间；每个锥形区间可以对应于80°至100°的相应锥角。
在一些示例布置中，每个层可以具有环形构造；和/或当从纵向横截面观察时，每个层可以是楔形的。相邻层可以具有互补的楔形构造，其中一个层在纵向方向上(也就是说，随着从界面边界朝向前刀面的距离，反之亦然)会聚，而另一个层在纵向方向上发散。
在一些示例布置中，层中的至少一个可以是不连续的并且终止于PCD体积内。例如，不连续的层可以围绕刀具元件的纵向轴线延伸一部分并且具有终止于PCD体积内的方位角相对的端部。
在一些示例刀具元件中，PCD体积可以包括一个或多个斜切表面，并且在与径向线的交点处与每个层的相应切线面可以基本上平行于与斜切表面的切平面。至少一个斜切可以与边缘相连。
在一些示例刀具元件中，在与径向线的交点处与每个层间边界的相应切平面可以基本上平行于纵轴。
在一些示例刀具元件中，层可以至少部分地围绕或完全包围PCD体积的芯区域，它们可以与之同轴。芯区域可以包括基本上均匀等级的PCD材料或多个等级的PCD材料或基本上由其组成。
在一些示例刀具元件中，PCD体积可以具有由界面边界限定(或与之相连)的近端边界；远端边界；连接近端边界和远端边界的侧边界；远端边界和侧边界限定工作边界；并且第一多个层和第二多个层可以在近端边界和工作边界之间延伸。层可以与工作边界和/或界面边界相交；也就是说，至少一些层的近端可以与界面边界(PCD体积的近端边界)相连；和/或至少一些层的远端可以与PCD体积的工作边界相连。在一些示例布置中，PCD体积可以包括在界面边界(PCD体积的近端边界)与至少一些层的近端之间的近端区域；和/或PCD体积可以包括在至少一些层的远端与PCD体积的工作边界之间的远端区域。PCD体积的近端区域和远端区域可以各自包括相应的均匀PCD等级或相同的PCD等级或基本上由其组成。
在一些示例布置中，层可以被成形为使得它们在包括径向线的平面上的纵向横截面是细长的，具有基本上大于1的纵横比；例如，至少一些层的横截面区间可以描绘纵向长度基本上大于径向宽度的形状。
在一些示例布置中，第一多个层和第二多个层可以被构造和布置成使得相邻的层间边界随着距近端边界的距离而彼此发散；或者随着距近端边界的距离而彼此会聚；或基本上彼此平行。
在一些示例刀具元件中，PCD体积可以包括与前刀面和边缘相连的第一区域，以及与第一区域邻接并且远离前刀面区间的边缘的第二区域；第一区域包括第一多个层和第二多个层，并且第二区域包括PCD材料的第三多个层和第四多个层；其中第三层的PCD材料包括与第四层的PCD材料基本上不同的金刚石含量。第三多个层和第四多个层可以相对于彼此以交替布置而被安置，并且可以在层间边界处彼此直接接合。第三多个层和第四多个层可以被构造和布置成使得它们之间的相邻的层间边界随着距界面边界的距离而会聚或发散。第三多个层可以包含与其他多个层基本上不同的粘合剂材料含量。
在一些示例刀具元件中，PCD体积可以包括表面区域，该表面区域与工作边界的至少一个区间相连并且包括不超过约2％重量的用于金刚石的催化剂材料。例如，表面区域可以与前刀面的区间和/或PCD体积的侧面相连；和/或表面区域可以在多个直接相互结合的金刚石晶粒之中包括间隙空隙，其可以通过从间隙中酸浸出粘结剂材料来提供。在一些示例中，空隙可以至少部分地填充有不适合作为用于烧结金刚石的催化剂材料的材料。
在一些示例刀具元件中，第一多个和第二多个中的至少一个或两个层或全部层可以基本上不含用于金刚石的催化剂材料；和/或第一多个和/或第二多个的烧结金刚石晶粒之间的间隙可以包括空隙，或者包括不适合于促进金刚石晶粒直接烧结的粘结剂或填充材料。
在一些示例刀具元件中，第一多个的PCD材料可以包括具有第一平均尺寸的金刚石晶粒，并且第二多个的PCD材料可以包括具有第二平均尺寸的金刚石晶粒；第一平均晶粒尺寸小于第二平均晶粒尺寸。例如，第一多个的PCD材料可以由具有平均晶粒尺寸为至少约0.5微米和/或至多约15微米的金刚石晶粒形成；并且第二多个的PCD材料可以由具有平均晶粒尺寸为至少约10微米和/或至多约90微米或至多约30微米的金刚石晶粒形成。
在一些示例刀具元件中，第二多个的PCD材料可以比第一多个的PCD材料硬。
在一些示例刀具元件中，第一多个层中的每个层可以具有第一平均厚度；并且第二多个层中的每个层可以具有第二平均厚度；第一平均厚度和第二平均厚度为至少约8微米，或至少约50微米；和/或至多约500微米。层的平均厚度或最小厚度可以是层中包括的金刚石晶粒的D90尺寸的至少约两倍或三倍。
在一些示例刀具元件中，第一多个层的PCD材料可以包括至少约10％重量和/或至多约25％重量的粘合剂含量；并且第二多个层的PCD材料可以包括至少约5％重量和/或至多约15％重量的粘合剂含量。
在一些示例刀具元件中，第一多个层的PCD材料可以包括至少约85％体积和/或至多约95％体积的金刚石含量；和第二多个层的PCD材料可以包括至少约90％体积和/或至多约98％体积的金刚石含量。
在一些示例刀具元件中，PCD体积可以包括PCD材料的第三多个层；第一、第二和第三层彼此以交替布置被安置，使得所述第二多个的每个层在一侧上的层间边界处接合到第一多个层，并且在相对侧的另一层间边界处接合到第三多个层；其中第三多个的PCD材料中的金刚石材料的含量大于第二多个层和第一多个层中的金刚石材料的含量。
在一些示例刀具元件中，第一多个层和/或第二多个层的PCD材料可以包括非金刚石材料的细长晶粒(例如，陶瓷晶须，诸如SiC晶须)。
在一些示例刀具元件中，第一多个层和第二多个层可以各自包括不同的相应等级的PCD或基本上由其组成，不同的等级展现出基本上不同的机械属性，诸如不同的热膨胀系数(CTE)、断裂韧性(例如，K1C韧性)和/或磨损率(可以使用维度适当的、主要由相关PCD等级组成的主体来测量等级的属性)。
在各种示例中，第一多个层和第二多个层可以被布置为控制裂纹通过PCD体积散播的速率和/或路径，特别是距离使用中的边缘在约1mm内、或者在约0.5mm内、或者在约0.5mm至1mm内源发的裂纹。PCD层的示例组成、构造和布置可以减轻、避免或延迟对PCD体积的灾难性破坏。
尽管不希望受到特定理论的束缚，但是由于与层间边界相交呈至少约为30°的角度而导致的、距边缘在约1mm内、或者距边缘在约0.5mm内源发并散播到PCD体积中的裂纹可以被偏离、延迟或停止。在一些示例中，层可以被布置成使得可以将裂纹偏离这样的PCD体积的区域：在该区域中，PCD体积的散裂或其他断裂的风险很高；换句话说，层可以被布置用于将裂纹偏离或引导至这样的PCD体积的区域：在该区域中，可以大大降低刀具元件的灾难性故障的风险，从而潜在地延长了刀具元件的工作寿命。
附图说明
将参考附图描述刀具元件和地钻工具的非限制性示例构造和布置，其中：
图1是通过示例刀具元件的纵向横截面图的示意图；
图2是示例地钻头的示意性透视图；
图3和图4是通过示例刀具元件的各部分的纵向横截面的示意图；和
图5至图10是通过示例刀具元件的PCD体积的纵向横截面的示意图。
具体实施方式
参考图1，示例刀具元件100包括在界面边界113处接合至基底120的多晶金刚石(PCD)体积110，该基底120可以包括例如钴结碳化钨材料或由其形成。PCD体积110包括与界面边界113相对的前刀面112，以及连接界面边界113和前刀面112的侧表面118。在刀具元件100被安装到用于钻入到岩石中的工具钻头上时，前刀面112的边缘114将适合用作切削刃，其中形成切削刃的边缘114将抵着岩石以足够的力被驱动，以破碎或削切岩石，并且破碎的岩石片将在前刀面112上被去除。PCD体积110的侧表面118可以包括在边缘114处与前刀面112相连的斜切部分116。在一些示例构造中，刀具元件100可以具有基本圆柱形的外部形状，即边缘114和斜切部分116围绕前刀面112的外围一直延伸；并且在其他示例构造中，刀具元件100可以是基本上非圆柱形的形状；并且边缘114可以仅围绕前刀面112延伸一部分。在各种示例构造中，前刀面112可以是基本上平坦的或基本上非平坦的。
参考图2，用于石油和天然气钻探的示例固定刀具钻头200可以包括附接到钻头200的主体的多个示例刀具元件100。每个刀具元件100的基底120的近端可以被钎焊到设置在钻头主体中相应的凹口中，相应的PCD体积110限定了刀具元件100的暴露的前刀面112(即，远端)。
参考图3和图4，PCD体积110可以包括至少两对以交错布置的层106A、104A和106B、104B，并且各对中的每层沿着相应的层间边界直接彼此接合。在具体图示的示例中，第一对的两个层104A、104B可以包括第一等级的PCD材料，并且第二对的两个层106A、106B可以包括第二等级的PCD材料，就体积百分比而言，第一等级的PCD例如含有比第二等级PCD少的金刚石。在特定示例中，第一对层104A、104B可以包含比第二对层106A、106B更少的粘合剂材料。在示例布置中，随着从一个层104A、104B过渡到下一层106A、106B，PCD体积的某些机械属性作为交替的金刚石层含量和关联的微观结构的函数而交替。在图3和图4中所图示的特定示例中，除了层104A、104B、106A、106B之外，PCD体积110还可以包括非分层区域108。在该示例中，层106A、104A、106B、104B在所图示的纵向横截面视图和横向横截面视图(未示出)中均朝向边缘114凸出地弯曲，使得每个层间边界包括相应的弯曲区域S，该弯曲区间S也向边缘凸出地延伸。在距边缘114(沿径向线R)的最大距离D最多为大约1mm的距离处，连接边缘114和界面边界113的质心C1的假想径向线R(见图4)与层间边界的弯曲区间S和到弯曲区间S的切平面P恰好相交。在所图示的示例中，切平面P和径向线R之间的最小角度θ可以为大约35°至40°；并且在一些示例中，最小角度θ可以为大约45°至55°。
在图3和图4中所图示的特定示例中，连接界面边界113与前刀面112的侧表面118包括基本上圆柱形的区间，该侧表面118在边缘114处与前刀面相遇。刀具元件100的纵轴A可以被限定为分别穿过界面边界113的质心C1、C2和基底120的近端的直线。因为投影到横向平面上的界面边界113的周界描绘了一个圆，所以径向线R和纵轴所穿过的质心C1是投影圆的中心。图3中所示的示例刀具元件不包括与边缘114相邻的斜切；而图4中所图示的示例刀具元件确实包括与边缘114邻近的斜切区间116。在一些示例刀具元件中，PCD体积110的侧表面118可以包括多个斜切部分或区域。前刀面112和界面边界113被图示为在它们大部分的相应区间上是非平坦的，但是在其他示例中，它们中的一个或两个可以是基本上非平坦的。
为了图示交替的PCD层104、106的各种示例构造，图5至图10示出了具有基本上相同外部形状的示例PCD体积110。每个示例PCD体积110具有近端边界113、远端边界112和连接近端边界113和远端边界112的侧表面118。PCD体积110可以在与PCD体积110的近端边界113相对应的界面边界处被冶金结合到硬质合金基底(未示出)，并且PCD体积110的远端边界限定了刀具元件的前刀面112。在这些示例中，斜切部分116从远端边界112的边缘114成圆锥形地延伸到侧表面118，并且圆柱形区间连接斜切部分116和近端边界113。边缘114和斜切部分116围绕远端边界112的外围按方位角一直延伸。尽管PCD体积的近端边界113和远端边界112被图示为是平坦的，但是这些边界113、112中的一个或两个可以是非平坦的。可以通过基底120的近端边界(界面边界)113的质心C1和基底120的近端的质心C2来限定刀具元件(和它本身上的PCD体积110)的纵轴A。在该特定示例中，由于基底120的界面边界113和近端具有相应的圆形外围，所以纵轴A是穿过由基底的底部和从中延伸的侧表面118所限定的圆柱形部分的中心纵轴。例如，图5示出了PCD体积110的近端边界113的外围115在横向平面(即，垂直于纵轴A的平面)上的圆形投影C。在各种非限制性示例中，圆形投影C的直径可以是大约9mm、大约12mm、大约16mm或大约22mm。
所图示的示例PCD体积110由两组PCD层104、106形成，它们在层间边界处彼此直接相互结合(在所图示的各种示例中大约为10-28个层)。每个层可以具有大约200微米至大约300微米的平均厚度。两组104、106的层可以包括两个不同的相应等级的PCD；换句话说，第一组104的每个层可以包括第一等级的PCD材料，并且第二组106的每个层可以包括第二等级的PCD材料，这两个等级至少在烧结金刚石晶粒的体积含量上不同。两组104、106的层以交替的顺序来布置，其中相邻层的金刚石晶粒彼此直接烧结(相互结合)以形成连续的PCD体积。
参考图5，层104、106被构造成使得层间边界描绘基本上圆锥形的表面区间，每个表面区间被安置成相对于纵轴A呈大约45°的锐角。当在纵向横截面中观察时，层间边界基本上彼此平行并且与斜切116基本平行，每个层104、106的相应近端与PCD体积110的近端边界113或侧表面118相连，并且每个层104、106的相应远端与PCD体积110的远端边界112相连。在该示例中，到层间边界的切平面相对于径向线R成大约60°的锐角θ，该径向线R将边缘114上的点连接到PCD体积110的近端边界113的质心C1(在此示例中，任何径向线R都将在距边缘至少1mm的距离D内以相同的角度θ与多个层间边界相交)。
参考图6，示例刀具元件可以包括由两组PCD层104、106形成的PCD体积110，每个层被构造为具有楔状纵向横截面的环。每个层104、106的相应近端与PCD体积110的近端边界113相连，并且每个层104、106的相应远端与PCD体积110的远侧(工作)边界112相连。第一组104的每个层被构造成使得其侧面随着从近端边界113朝向远端边界112的距离而发散，并且第二组106的每个层被构造成使得其侧面随着从近端边界113朝向远端边界112的距离而会聚；因此，第一组104和第二组106的层被协作地构造和布置。第一组层间边界中的每一个被安置成相对于径向线R呈大约72°的锐角θ1，并且第二组层间边界中的每一个均被安置成相对于径向线R呈大约60°的锐角θ2。
参考图7，示例刀具元件可以包括由两组PCD层104、106形成的PCD体积110，每个层被构造为向内弯曲的环；也就是说，随着与PCD体积110的近端边界113的距离的增加而向内弯曲。在该示例中，层104、106被构造和布置成使得层间边界基本上彼此“平行”；也就是说，它们沿着基本上相同的弧弯曲，所述弧沿着其长度基本上等距地被间隔开。每个层104、106的相应近端与PCD体积110的近端边界113相连(除了径向最外层，其近端与侧表面118相连)，并且每个层104、106的相应远端与PCD体积110的远端边界112相连。取决于径向线R与每个层间边界相交的位置(在距边缘最大距离D为1mm内的相应距离处)，到径向线R同时相交的每个层间边界的切平面P1-P2被安置成相对于径向线R呈在大约80°-90°的角度θ1–θ2范围内的锐角。
参考图8，示例刀具元件可以包括由两组PCD层104、106形成的PCD体积110，每个层被构造为向内弯曲的环；也就是说，随着与PCD体积110的近端边界113的距离增加而向内弯曲。在此示例中，层104、106被构造和布置成使得层间边界随着从近端边界113朝向远端边界112的距离而彼此会聚。每个层104、106的相应近端与PCD体积110的近端边界113或侧表面118相连，并且每个层104、106的相应远端与PCD体积110的远端边界112相连。取决于径向线R与每个层间边界相交的位置(在距边缘最大距离D为1mm内的相应距离处)，到径向线R恰好相交的每个层间边界的切平面P1-P2被安置成相对于径向线R呈在大约47°-72°的角度θ1–θ2范围内的锐角。
参考图9，示例刀具元件可以包括由两组PCD层104、106形成的PCD体积110，每个层被构造成向内弯曲的环；也就是说，随着与PCD体积110的近端边界113的距离的增加而向内弯曲。如参考图8描述的示例中那样，层104、106被构造和布置成使得层间边界随着从近端边界113朝向远端边界112的距离而彼此会聚。但是，在此示例中，PCD体积100包括一个没有层的基本上圆柱形中心区域102，例如具有基本上均匀的微观结构和体积百分比的烧结金刚石晶粒的单一PCD等级。在该示例中，径向线R以小于1mm的最大距离D的距离而与中心区域102的直径相交，并且一些层的相应远端与中心区域102的圆柱侧相连。取决于径向线R与每个层间边界相交的位置(在距边缘最大距离D为1mm内的相应距离处)，到径向线R同时相交的每个层间边界的切平面P1-P2被安置成相对于径向线R呈在大约47°-69°的角度θ1–θ2范围内的锐角。
参考图10，示例刀具元件可以包括由两组PCD层104、106形成的PCD体积110，每个层被构造成向内弯曲的环，其中层104、106被构造和布置成使得如层间边界基本上彼此“平行”，如参考图7所描述的那样。然而，在该示例中，PCD体积110包括与PCD体积110的远侧边界112和一部分侧表面118相连的表面区域1104，并且其包含小于2％重量的粘合剂材料。这可以通过用酸处理PCD体积110以浸出大部分或基本上所有已被包括在烧结金刚石晶粒之间的间隙中的金刚石催化剂材料来实现。取决于径向线R与每个层间边界相交的位置，到径向线R恰好相交的每个层间边界的切平面P1-P2被安置成相对于径向线R呈在大约83°-90°的角度θ1–θ2范围内的锐角。
在一些示例中，表面区域1104可以包括不同等级的浸出的PCD的交替层，其中相邻层包含基本上不同含量的烧结金刚石晶粒，金刚石晶粒之间的间隙包括空隙(即，气体)。在其他示例中，在表面区域上的金刚石晶粒之间的间隙可以包括非金刚石材料，诸如某些金属合金，其不适于促进金刚石晶粒的烧结。这可以通过用熔融材料填充间隙空隙来实现。在一些示例中，表面区域1104可以是基本上均匀的。表面区域1104可以具有基本上均一的厚度(也就是说，距工作边界118、112的深度)；并且表面区域1104的平均深度可以是至多大约200微米，或者至多大约100微米，或者至多大约50微米。
制造刀具元件的示例方法可以包括：响应于被烧结而形成包含由粘合剂材料保持在一起的金刚石晶粒的两个或更多层状前体主体，其被形成为适于在PCD体积中形成PCD层的形状。设想了各种制造层状前体主体的方法。一些示例方法可以包括：提供包括由粘合剂材料保持在一起的金刚石晶粒的片材，然后处理该片材以形成层状前体主体；其他示例方法可以不涉及提供和处理片材。
用于制造包括包含不同的相应PCD等级的两批多个层的PCD材料体积的示例方法，可以包括：提供两批多个片材，每个片材包括通过有机粘合剂材料保持在一起的金刚石晶粒的聚集体或基本上由其组成。根据相应层的相应PCD材料之间的差异，这两批多个中的每一个的片材可以彼此不同；例如，在两批多个片材中的每个片材中的金刚石晶粒的尺寸分布可以基本上彼此不同；和/或用于金刚石的催化剂材料(或用于催化剂材料的前体材料)的相应含量，和/或相应的添加剂可以基本上彼此不同。片材还可以包含诸如钴之类的用于金刚石的催化剂材料，或用于以合适的形式提供催化剂材料的前体化合物，和/或用于抑制金刚石晶粒的异常生长或用于增强或修改PCD材料的某些属性的添加剂。例如，层状前体主体可以包含大约0.5％重量(重量百分比)至约5％重量的碳化钒、碳化铬或碳化钨中的一种或多种作为添加剂化合物。在一个示例中，多个盘中的每一个可以包括大约10至20个盘。
在各种示例中，第一多个层状前体主体可以包含具有至少约0.1微米至至多约15微米的平均尺寸的金刚石晶粒；和/或第二多个层状前体主体可以包含具有至少约10微米且至多约40微米的平均尺寸的金刚石晶粒。例如，在第一多个层状前体主体中的金刚石晶粒的平均尺寸可以为至少约0.1微米或至少约1微米；和/或至多约10微米，至多约5微米或至多约2微米。在一些示例中，第二多个层状前体主体中的金刚石晶粒的平均尺寸可以为至少约5微米，至少约10微米或至少约15微米；和/或至多约30微米或至多约50微米。
片材可以通过挤出或流延成型工艺来形成。包括具有适合于制造所需PCD等级的相应尺寸分布的金刚石晶粒和水基形式(例如，溶液、乳液或悬浮液形式)的诸如甲基纤维素或聚乙二醇(PEG)之类的有机粘合剂材料的浆液可以被撒在表面上并使其干燥。用于制造含有金刚石的片材的其他方法也可以被使用，诸如美国专利第5,766,394号和第6,446,740号；并且替代方法可以包括喷涂工艺，诸如热喷涂。
在一些示例方法中，可以从多个片材的每一个中切削或冲切相应的第一和第二多个盘或晶片。在各种示例中，可以根据PCD体积中的层的构造和布置而将片材形成为形状。例如，可以从每个片材中切削相应的多个条，并且将条构造成环的形式，描绘为基本上圆柱形或圆锥形的表面。在一些示例中，可以将每个片材切碎或以其他方式加工以形成相应的多个颗粒或碎片，可以将它们组合以形成具有各种形状的含金刚石的主体的相应集合，诸如具有楔形横截面的环。
示例方法可以包括提供硬质合金基底主体，其包括多个碳化钨晶粒和钴硬质材料或基本上由其组成。在其他示例中，硬质合金基底主体可以包括不同种类的金属碳化物颗粒，和/或不同的硬质合金或金属合金。基底主体可以具有通过侧表面连接的近端和远端，该侧表面可以具有圆柱形状，其中该远端可以是基本上平坦的或非平坦的，并且要在其上形成PCD体积。换句话说，基底的远端和PCD体积的近端边界可以在烧结工具元件中限定PCD体积和基底之间的界面边界。界面边界的非平坦形状可以被构造成减小PCD结构和支撑主体之间的不期望的残余应力。
示例方法可以包括提供杯具，在其内可以以交替的顺序布置含金刚石的层状前体主体，并且将基底主体的远端抵靠所布置的层状前体主体进行放置以形成预烧结组件。例如，盘或环形式的层状前体主体可以以交替的顺序进行堆叠或以其他方式布置抵靠杯具的封闭端。在一个示例方法中，可以将一层基本上疏松的金刚石晶粒填装到盘的最上层上，并且将基底主体推向该层基本上疏松的金刚石晶粒，使它们略微移动并根据基底主体的远端的形状定位它们本身。一种示例方法可以包括将预烧结组件填装到用于超高压压力机的胶囊中；并且示例方法可以包括加热层状前体主体以去除包括在其中的有机粘合剂材料。
示例方法可以包括：使胶囊经受至少约5.5GPa、或至少约6.5GPa、或至少约7.5GPa的超高压以及至少约1300℃的高温以烧结金刚石晶粒并形成与支撑主体整体接合的PCD体积。在该方法的一种版本中，当在超高压和高温下处理预烧结组件时，基底主体内的胶结材料可能会熔化并渗入金刚石晶粒之中。在胶合材料包括用于金刚石的催化剂材料(诸如钴)的示例中，来自基底主体的熔融催化剂材料的存在可通过彼此共生来促进金刚石晶粒的烧结，以形成整体的分层PCD体积。
如本文所使用的，PCD层中的金刚石含量是依据穿过该层的抛光横截面表面上的金刚石的表面积相对于在横截面表面上的非金刚石材料(包括空洞)的表面积来测量的。该测量结果以及在抛光截面的图像上观察时由该层追踪的路径，以及使用抛光截面的图像来对到层间边界的切平面的确定，可以使用常规光学显微镜或SEM图像分析技术来确定/测量。例如，在通过SEM图像的图像分析来测量这些参数时，表面或截面的不同部分的若干图像(以下称为样品)被用来增强可靠性和准确性。被用来测量给定数量或参数的图像数量例如可以在10到30之间。如果所分析的样本是均一的，PCD就是这种情况，取决于放大倍数，10到20个图像可以被认为代表样本足够好。
图像的分辨率需要足够高以便清晰地确定边界，并且对于本文所述的测量，使用了1280x 960像素的图像区间。被用于图像分析的图像是通过使用反向散射电子信号拍摄的扫描电子显微照片(SEM)获得的。选择反向散射模式，以便基于不同的原子数提供高对比度，并降低对表面损伤的敏感性(与二次电子成像模式相比)。
1.用电火花线切割机切削PCD烧结主体的样品片并对其进行抛光。使用扫描电子显微镜以1000倍的放大倍数拍摄样品表面的至少10张反向散射电子图像。
2.将原始图像转换为灰度图像。通过确保灰度直方图图像中的金刚石峰强度出现在10到20之间来设置图像对比度级别。
3.使用自动阈值特征来对图像进行二值化，特别是获得金刚石和粘结剂相的清晰分辨率。
4.具有Soft Imaging
Figure BDA0002887036030000161
GmbH(Olympus Soft Imaging Solutions GmbH的商标)的商品名称为AnalySIS Pro的软件被使用，并将分析中排除触及图像边界的任何颗粒。这需要对图像放大倍数的合适选择：
a.如果太低，则细颗粒的分辨率降低。
b.如果太高，则：
i.粗晶粒分离的效率降低。
ii.大量的粗晶粒被图像的边界切削，因此较少的这些晶粒被分析。
iii.因此，必须分析更多的图像以获得具有统计意义的结果。
5.最后，每个颗粒都由形成该颗粒的连续像素数表示。
6.AnalySIS软件程序继续检测和分析图像中的每个颗粒。针对若干图像自动重复此操作。
7.使用灰度来分析十张SEM图像，以识别粘合剂池与样品中的其他相不同。然后通过选择粘合剂池含量的最大值来确定SEM的阈值，该最大值仅识别粘合剂池，并且排除所有其他相(灰色或白色)。一旦此阈值被识别，就将其使用来对SEM图像进行二值化。)
8.在二值化图像的宽度上叠加一个像素粗线，每条线相隔五个像素(以确保测量在统计方面具有足够的代表性)。在这些测量中排除了由图像边界切削的粘合剂相。
9.计算并记录每个横截面图像中每层的金刚石含量的表面积——每种被分析的材料至少进行10,000次测量——通过测量每个图像中金刚石相平均自由路径的中值来计算表面积。
在此上下文中，术语“中值”被认为具有其常规含义，即将数据样本的上半部分与下半部分分开的数值。
通过此分析技术在两个相邻层/分层之间突出显示的晶粒尺寸对比被用来界定一个层的边界和下一层的起始。与每个层相关联的两个边界之间所测得的距离将限定层的“厚度”。
尽管不希望受到特定理论的束缚，但是当允许分层的PCD体积从通过烧结形成它的高温下冷却时，包含不同量的金属催化剂材料的交替层可能以不同的率收缩。这可能是因为金属在它从高温冷却时基本上比金刚石收缩得多。这种不同的收缩率可能导致相邻层彼此牵拉，从而在它们之间产生相反的应力。
生产工具元件的某些示例方法可以包括：通过研磨来处理PCD体积，以将其形状和维度形成在所需公差内。一些示例方法可以包括：例如通过使用酸从金刚石晶粒之间浸出催化剂材料或者通过使用电化学技术，处理PCD体积以从与工作边界的区间相连的区域中去除催化剂材料。包括至多2％重量的催化剂材料的基本上多孔的区域可以从PCD体积的工作边界的区间延伸到至少约50微米或至少约100微米的深度。
虽然不希望受到特定理论的束缚，但是PCD层的PCD等级、构造和布置可以进行选择，以充分降低裂纹散播速率，从而使发展中的磨损平板(即，由于在使用中去除超硬材料而在超硬主体上演化的磨损表面区间)赶上裂纹，从而随着在使用中磨损掉了周围PCD材料而去除了裂纹。因此，可以减小或基本上消除PCD材料的灾难性断裂的风险。在一些示例中，第二多个层可以被暴露以相对于工件磨损，并且由于其相对柔软性，可以磨损直到第一多个层被暴露给工件。通常，在使用中，当第一多个层与工件啮合时，可以期望在暴露的第一等级PCD的暴露层中引发裂纹。
一些示例超硬主体可以具有以下方面：通过引导裂纹穿过超硬主体远离超硬主体的表面，来降低断裂的风险或延迟断裂。尽管不希望受到特定理论的束缚，但是这可能是由于裂纹以不同的速度通过第一和第二多个层散播的结果而发生的。
当通过PCD体积散播的裂纹进入或离开PCD体积内的拉伸区域时，其方向可能会发生很大变化，例如大约30°至45°。因此，在PCD体积内布置拉伸区域可能会影响裂纹所遵循的路径；特别地，布置拉伸区域，使得在使用中在切削刃附近源发的裂纹被偏离，以便减少剥落或其他灾难性故障事件的风险。
下面简要解释本文中使用的某些术语和概念。
如本文中所使用的，多晶金刚石(PCD)是一种超硬材料，其包括金刚石晶粒的聚集体，其大部分彼此直接相互结合，并且其中金刚石的含量至少占材料体积的约80％。在一些示例中，金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分地填充有包括用于金刚石的催化剂的粘合剂材料；和/或至少一些间隙可以包括空隙。在一些示例布置中，PCD材料的区域内的间隙可以包括通过去除催化剂材料所形成的空隙。如本文中所使用的，用于金刚石的催化剂材料是能够促进金刚石晶粒的直接交互生长的材料；催化剂材料的示例可以包括钴、铁、镍、锰以及包含这些金属中的两种或更多种的某些合金。
如本文中所使用的，不同等级的PCD材料可以具有不同的微观结构，诸如不同的晶粒尺寸分布和/或连接聚集晶粒的粘合剂材料的不同组成。因此，不同的等级可能展现出不同的机械、电气、化学和其他属性(当将属性测量以批量形式应用于该等级时，与材料的相对薄层相反)；例如，不同的PCD等级可能具有不同的弹性(或杨氏)模量E、弹性模量、横向断裂强度(TRS)、韧性(诸如所谓的K1C韧性)、硬度、密度和热膨胀系数(CTE)。不同的PCD等级在工具中使用时表现也可能有所不同；例如，不同的PCD等级的磨损率和抗断裂性可能有所不同。
可以通过准备PCD材料的许多矩形棒并且使它们经受三点弯曲测试法来测量PCD材料等级的横向断裂强度(TRS)。在室温和大气压条件下实施测试，并测量每个样品失败的载荷。取决于所期望的测量精度，可以使大约10到49个样品经受测试。例如，相对于大范围的金刚石混合层材料，相对标准偏差范围可以是5％至20％。根据如下公式来计算横向断裂强度：
Figure BDA0002887036030000191
其中P、L、W和T分别是断裂点的载荷值，样本在支撑之间的跨距、样品的宽度和样品的厚度。包括相对较小金刚石晶粒的PCD等级可以具有大约为1 876MPa的平均TRS，标准偏差大约为219MPa；并且包括相对较粗金刚石晶粒的PCD等级具有大约为1 222MPa的TRS，标准偏差大约为163MPa。使用预测回归模型，在广泛的PCD等级范围内估算的TRS可能为1700MPa至2 270MPa。
如本文中所使用的，“残余应力状态”是指在没有外部施加的加载力的情况下PCD结构的主体或一部分的应力状态，包括层结构的PCD结构的残余应力状态可以通过应变仪并逐层去除材料来进行测量。
如本文中所使用的，“金刚石”是指为单晶粒或多晶粒的天然或合成(人造)金刚石。
如本文中所使用的，区间(或体积)的“质心”是该区间(或体积)中的所有点的算术平均位置。PCD体积与基底之间的界面边界的质心的位置被确定为由投影到平坦表面上的界面边界的周界所描绘的区间的质心。无论界面边界的构造如何(其可以是基本上平坦的或非平坦的)，其质心(如本文中所使用的)都将通过将其周界投影到平面上以提供平坦形状并计算投影形状的质心来确定。例如，如果界面边界与切削工具的基本上圆柱形的侧区间相交，则投影形状将是圆形，其中心将是界面边界的质心。
除非另有说明，否则如本文中所使用的“平行”线或平面彼此基本上平行，彼此的夹角至少为0°至至多为10°；并且除非另有说明，否则“同轴”特征彼此基本上同轴，相应的中心轴线彼此至少为0°至至多10°。
如本文中所使用的，短语“基本上由……组成”意指“除不可避免的杂质外由……组成”。这也可以包括少量其他材料或存在其他次要特征，只要它们对相关特征或组成部分的基本功能或操作没有实质性影响。

Claims (33)

1.一种用于地钻工具的刀具元件，包括：
在界面边界处接合到硬质合金基底的多晶金刚石PCD体积；
所述PCD体积包括与所述界面边界相对的前刀面，所述前刀面的边缘适合作为所述刀具元件的切削刃；和
所述PCD体积包括在层间边界处彼此直接接合的多个层，其中
第一多个层中的每一层包括具有第一金刚石含量的PCD材料；
第二多个层中的每一层包括具有第二金刚石含量的PCD材料；
所述第二金刚石含量大于所述第一金刚石含量；和
所述第一多个层和第二多个层相对于彼此以交替布置而被安置；
所述层被构造和布置成使得穿过所述边缘的径向线和所述界面边界的质心在距边缘的最大距离为1,000微米内与每个层间边界相交，其中
在相应交点处与每个层间边界的相应切平面被安置成相对于径向线呈不小于30°的最小角度。
2.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述层被构造和布置成使得穿过沿着由所述边缘描绘的弧的所有点的相应径向线在距所述边缘的最大距离内与所述层间边界相交，在相应交点处的相应切平面被安置成相对于每个径向线呈不小于30°的最小角度。
3.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述第一多个层的每个层沿着所述径向线的厚度大于所述第二多个层的每个层的厚度。
4.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述最大距离为500微米至1,000微米。
5.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述最小角度为35°；或
所述最小角度为45°。
6.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述层被构造为环。
7.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述层间边界的切平面彼此平行。
8.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述层间边界彼此同轴。
9.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述层间边界至少部分地围绕所述PCD体积的同轴芯区域。
10.根据权利要求1所述的刀具元件，其中每个层间边界包括相应的锥形表面区间。
11.根据权利要求1所述的刀具元件，其中层间边界的至少一个切平面平行于所述刀具元件的纵轴。
12.根据权利要求1所述的刀具元件，其中每个层间边界在包括所述径向线的纵向横截面中描绘相应的曲线。
13.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述第一多个层和所述第二多个层被构造和布置为互补的楔形环。
14.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述层中的至少一个是不连续的并且终止于所述PCD体积内。
15.根据权利要求14所述的刀具元件，其中所述不连续的层围绕所述刀具元件的纵向轴线弧形地延伸，并且具有终止于所述PCD体积内的方位角相对的端部。
16.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述PCD体积包括与所述前刀面的所述边缘相连的倒角表面；和
与所述层间边界的所述切平面平行于所述倒角表面的切平面。
17.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述PCD体积具有由所述界面边界限定的近端边界，
远端边界，和
连接所述近端边界和所述远端边界的侧边界；所述远端边界和所述侧边界限定工作边界；
所述第一多个层和所述第二多个层在所述近端边界和所述工作边界之间延伸。
18.根据权利要求17所述的刀具元件，其中所述第一多个层和所述第二多个层分别与所述工作边界和/或所述界面边界相连。
19.根据权利要求17所述的刀具元件，其中所述层间边界随着距所述近端边界的距离而朝向彼此会聚。
20.根据权利要求17所述的刀具元件，其中所述PCD体积包括
在所述层的近端与所述近端边界之间的近端区域；和/或
在所述层的远端与所述工作边界之间的远端区域。
21.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述PCD体积包括：
与所述前刀面和所述边缘相连的第一区域，和
与所述第一区域邻接且远离所述前刀面和所述边缘的第二区域；
所述第一区域包括所述第一多个层和所述第二多个层，和
所述第二区域包括PCD材料的第三多个层和第四多个层，其中所述第三多个层中的金刚石含量不同于所述第四多个层中的金刚石含量；
所述第三多个层和所述第四多个层相对于彼此以交替布置而被安置，以及
在层间边界处彼此直接接合。
22.根据权利要求21所述的刀具元件，其中所述第三多个层和所述第四多个层被构造和布置成使得它们之间的相邻的层间边界随着距所述界面边界的距离而会聚或发散。
23.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述PCD体积包括表面区域，所述表面区域与所述前刀面相连并且包括不超过2％重量的粘合剂材料。
24.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述第一多个层的所述PCD材料包括具有第一平均尺寸的金刚石晶粒，和
所述第二多个层的所述PCD材料包括具有第二平均尺寸的金刚石晶粒；
所述第一平均尺寸小于所述第二平均尺寸。
25.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述第一多个层的所述PCD材料包括具有平均晶粒尺寸为0.5微米至15微米的金刚石晶粒，以及
所述第二多个层的所述PCD材料包括具有平均晶粒尺寸为10微米至90微米的金刚石晶粒。
26.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述第二多个层的所述PCD材料比所述第一多个层的所述PCD材料硬。
27.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述第一多个层中的每个层具有第一平均厚度；和
所述第二多个层中的每个层具有第二平均厚度；
所述第一平均厚度和所述第二平均厚度为8微米至500微米。
28.根据权利要求27所述的刀具元件，其中所述第一平均厚度和所述第二平均厚度为50微米至500微米。
29.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述第一多个层的所述PCD材料包括10％重量至25％重量的粘合剂含量，和
所述第二多个层的所述PCD材料包括5％重量至15％重量的粘合剂含量。
30.根据权利要求1所述的刀具元件，其中
所述第一多个层的所述PCD材料包括85％体积至95％体积的金刚石含量，和
所述第二多个层的所述PCD材料包括90％体积至98％体积的金刚石含量。
31.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述PCD体积包括PCD材料的第三多个层；和
所述第一、第二和第三多个层相对于彼此以交替布置而被安置，使得所述第二多个层的每个层在一侧的层间边界处接合到所述第一多个层的一个层，并且在相对侧的另一层间边界处接合到所述第三多个层的一个层；和
所述第三多个层的所述PCD材料中的金刚石材料的含量大于所述第二多个层和所述第一多个层中的金刚石材料的含量。
32.根据权利要求1所述的刀具元件，其中所述第一多个层或所述第二多个层中的至少一个的层的所述PCD材料包括非金刚石材料的细长晶粒。
33.一种地钻工具，包括根据权利要求1所述的刀具元件。
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