JP6511475B2

JP6511475B2 - 化学蒸着修飾した多結晶ダイヤモンド

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Publication number: JP6511475B2
Application number: JP2016575674A
Authority: JP
Inventors: ガガンサイニ; チーリャン
Original assignee: ハリバートンエナジーサヴィシーズインコーポレイテッド
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2034-08-01
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Description

本開示は、特に無機材料を用いた研磨材工具作製プロセス、材料、または組成物に関し、また特にダイヤモンドインサートを用いたボーリングまたは地面を貫通することに関する。

石油抽出または採掘の目的のための地面への穴あけの間には、一般的に極端に高い温度及び圧力に遭遇する。ダイヤモンドは、地面への穴あけで使用するための切削エレメントまたは耐摩耗接触エレメントで適正に使用されるとき、その卓越した機械的特性により、もっとも効果的な材料である可能性がある。ダイヤモンドは群を抜いて硬く、研磨材表面との接触点から熱を取り去るように伝導し、かつかかる条件で他の利点を提供しうる。

多結晶形態のダイヤモンドは、ダイヤモンド結晶の無作為な分布に起因して単結晶ダイヤモンドに見出される特定の劈開の面が避けられるので、単結晶ダイヤモンドと比較して追加的な強靱性を有する。したがって、数多くの穴あけ用途ではＰＣＤは多くの場合ダイヤモンドの好ましい形態である。ＰＣＤを利用するドリルビット切削エレメントは、一般的に多結晶ダイヤモンドカッター（ＰＤＣ）と称される。それに応じて、ＰＣＤ切削エレメントを組み込むドリルビットはＰＤＣビットと称される場合がある。

ダイヤモンドの小さい粒子及び他の開始材料に超高圧及び超高温条件を供することによって、ＰＣＤエレメントをプレス加工で製造することができる。１つのＰＣＤ製造プロセスは、タングステンカーバイド基材などの基材の上に直接的にＰＣＤテーブルを形成することを含む。このプロセスは基材を触媒と混合されたばらばらになっているダイヤモンド粒子とともに容器または缶の中へと配置することを含む。次いで、容器または缶は圧力伝達セルの中に配置され、そして高温高圧（ＨＴＨＰ）プレスサイクルに供される。高温及び高圧、ならびに触媒は、小さいダイヤモンド粒子から基材に密接に結合した一体化ＰＣＤテーブルを形成させる。しかしながら、触媒の特性は穴あけなどの数多くの用途で悪影響を有するので、ＰＣＤの使用の前に触媒を除去することが有用である。こうして、ＰＣＤの全体または一部から触媒結合剤を除去するためにＰＣＤは溶出される場合がある。しかしながら、溶出するプロセスは、特に基材とＰＣＤとの境界の近くで触媒が除去される場合、基材を損傷する可能性がある。基材が完全に除去される溶出プロセスは、結果としてしばしば新しい基材またはドリルビットに取り付けるのが困難なＰＣＤをもたらす。

本実施形態及びその利点のより完全な理解は、本開示の特定の実施形態を示す添付の図面（その中で同様の数字は類似の構成要素を指す）と併せて以下の記述を参照することにより得られうる。

ＣＶＤダイヤモンド蒸着物を有するＰＣＤテーブルの前面図を示す。ＣＶＤダイヤモンド蒸着物を有する代替的なＰＣＤテーブルの前面図を示す。ＣＶＤダイヤモンド蒸着物を有する代替的なＰＣＤテーブルの前面図を示す。基材にろう付けしたＣＶＤダイヤモンド蒸着物を有するＰＣＤテーブルの断面側面図を示す。基材に入ったＣＶＤダイヤモンド蒸着物を有するＰＣＤテーブルの断面側面図を示す。ＣＶＤダイヤモンド蒸着物を含み、かつ基材にろう付けしたＰＣＤディスク付きのＰＣＤエレメントを含む地面ボーリングドリルビットを示す。ＣＶＤダイヤモンド蒸着物付きのＰＣＤテーブルを形成する方法を示す。図１Ａのパターンを有するマスクアセンブリの前面図を示す。ＣＶＤダイヤモンド蒸着物付きのＰＣＤテーブルをカッターに取り付ける方法を示す。

本開示は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）に関し、特に追加的なダイヤモンド蒸着物を含むように化学蒸着（ＣＶＤ）によって修飾された熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）に関する（かかる蒸着物は、本明細書では「ＣＶＤダイヤモンド」とも称される）。本開示は、かかるＣＶＤ修飾したＰＣＤを含むカッターまたは地面ボーリングドリルビットの浸食制御エレメントなどのＰＣＤエレメントにさらに関する。本開示は、かかるＰＣＤエレメントを含む地面ボーリングドリルビットまたはダウンホール工具にさらに関する。加えて、本開示は、ＣＶＤを用いて形成された追加的なダイヤモンド蒸着物をＰＣＤ上に配置する方法、ならびにかかるＰＣＤを基材に取り付ける方法に関する。

ＰＣＤをより熱的に安定にするために、ＰＣＤの形成で使用される金属触媒（例えば、コバルト、鉄、またはニッケルなどの第ＶＩＩＩ属金属を含む実質的に純粋な金属または合金、または銅などの別の触媒金属などの材料）が、ＰＣＤの全体または一部から溶出する場合がある。ＰＣＤのすべてまたは実質的にすべてが溶出した場合、ＴＳＰと称される場合がある。ＴＳＰは一部の残留触媒を含んでもよいが、一部の実施形態ではＴＳＰを形成するために本来ＰＣＤ内にあった金属触媒の少なくとも７０％が除去されている。他の実施形態では、本来ＰＣＤ内にあった金属触媒の少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９９％が除去されている。別の実施形態では、ＴＳＰは、大気圧にて、少なくとも７５０℃、またはさらに９００℃の温度において熱的に安定である。さらに別の実施形態では、ＴＳＰは、熱膨張係数が典型的な金属触媒よりダイヤモンドの熱膨張係数に近い非金属触媒などの、少なくともいくつかの非金属触媒を用いて形成される。非金属触媒は、ＴＳＰ内に残留する場合がある。非金属触媒としては、Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、ＭｇＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃、ＣａＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃などのアルカリ及びアルカリ土類炭酸塩、Ｎａ₂ＳＯ₄、ＭｇＳＯ₄、及びＣａＳＯ₄などのアルカリ及びアルカリ土類硫酸塩、ならびにＭｇ（ＯＨ）₂、Ｃａ（ＯＨ）₂などのアルカリまたはアルカリ土類水和物が挙げられる。

しかしながら、ＴＳＰは、しばしば基材または地面ボーリングドリルビットのビット本体などの他の材料に取り付けるのが困難である。実施形態については、濡れにくいことが従来のろう付けプロセスを用いた取り付けを妨害する場合がある。

図１に示す一実施形態によると、ＰＣＤテーブル１００はＰＣＤ１１０及びＣＶＤダイヤモンド１２０の両方を含んで形成されてもよい。ＰＣＤテーブル１００は全体がＴＳＰであってもよく、または部分的にＴＳＰであってもよい。

一実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド１２０は実質的に純粋なダイヤモンドである。別の実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド１２０はろう付け材料への取り付けを容易にするためにドーパント材料を用いてドープされる。実施形態については、ろう付け材料を用いて、または金属もしくは合金を用いてドープされる場合がある。

一実施形態では、ＣＶＤダイヤモンドはろう付け材料への取り付けを容易にするために特定の結晶配向を有する。例えば、これは［１００］＞［１１１］＞［１１０］配向であってもよい。

図１に示す実施形態では、ＣＶＤダイヤモンドはＰＣＤの取り付け表面（作業面ではなく、最終的に基材またはドリルビットなどのデバイスに取り付けられる全表面）の一部分のみを覆う。より具体的な実施形態では、ＣＶＤダイヤモンドは、取り付け表面の１０％以下、取り付け表面の２５％以下、取り付け表面の５０％以下、または取り付け表面の７５％以下を覆う場合がある。

図１Ａに示す実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド１２０は不均一なサイズ及び形状の蒸着物で、不規則なパターンで蒸着されている。図１Ｂに示す実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド１２０は不均一なサイズ及び形状の蒸着物で、不規則なパターンで蒸着されている。図１Ｃに示す実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド１２０は不均一なサイズ及び形状の蒸着物で、規則的なパターンで蒸着されている。示してはいないが、ＣＶＤダイヤモンドに対して、規則的なパターンと不規則なパターン、均一なサイズと不均一なサイズ、及び均一な形状と不均一な形状のすべての組み合わせが可能である。規則的なサイズ、形状、及びパターンは形成するのがより困難である場合があるが、特定の方向での力に対する抵抗などの利点をもたらす場合があり、また後に続く取り付けプロセスの間に残留応力の管理を助ける可能性もある（ろう付け操作を用いる実施形態に対して）。使用時には、ＰＣＤは、特定の方向の力に対して抵抗する能力の利点を得られるように配向される場合がある。実施形態については、使用中に作業面にかけられる力にパターンが抵抗するように、１８０度対称な規則的なＣＶＤダイヤモンドパターンを有するＰＣＤを含むカッターがビット内に配向される場合がある。次いで、かかるカッターは作業面上に摩耗を呈し始めたときに１８０度回転される場合がある。

ＣＶＤダイヤモンド１２０は、それらの取り付け表面内でマイクロメートルからミリメートルの規模で、またはさらにセンチメートルの規模で異なる寸法を有する形状で蒸着される場合がある。

ＣＶＤダイヤモンド１２０は、ＰＣＤ１１０上に数百または数千ほどの多くの異なる蒸着物で蒸着されてもよく、またはＰＣＤ１１０上に３個、５個、１０個、もしくは２０個ほどの少ない異なる蒸着物で蒸着されてもよい。

図２Ａに関してさらに記述されるように、ＣＶＤダイヤモンド１２０は、ＰＣＤテーブル１００を基材またはドリルビットなどの別の物体に取り付けるために使用されるいかなるろう付け材料の理想的な厚さよりも薄い厚さまたは高さをＰＣＤ１１０の上方に有する場合がある。図２Ｂを参照してさらに記述されるように、他の実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド１２０はいかなるろう付け材料の厚さより厚い厚さを有する場合があり、また基材またはビットの凹部内に嵌合する場合がある。特定の実施形態では、ＣＶＤダイヤモンド１２０は千分の一インチ〜一万分の一インチの厚さまたは高さをＰＣＤ１１０の上方に有する。

一般に、ＣＶＤダイヤモンド１２０は、ろう付けのためのＰＣＤテーブル１００の合計ダイヤモンド表面積を高めるように設計された様式で構成及び蒸着される場合がある。ＣＶＤダイヤモンド１２０は、ＰＣＤテーブル１００とろう付け材料との間の機械的相互係止を高めるように設計された様式で蒸着される場合がある。

図２を参照すると、ＰＣＤエレメント２００は、さらに基材２１０に取り付けられるろう付け材料２２０に取り付けられるＰＣＤテーブル１００を含む。一実施形態によると、基材２１０はタングステンカーバイドなどの炭化物を含む。図２に示す実施形態によると、ＰＣＤエレメント２００は地面ボーリングドリルビット用のカッターである。示されていない他の実施形態では、ＰＣＤテーブル１００はドリルビットまたは他の物体に直接的にろう付けされる場合がある。例えば、ＰＣＤテーブル１００は耐浸食エレメントであってもよく、または切削制御エレメントの深さであってもよい。

ろう付け材料２２０は、活性ろう付け材料のみを含んでもよく、不活性ろう付け材料のみを含んでもよく、または活性ろう付け材料と不活性ろう付け材料の組み合せを含んでもよい。ろう付け材料２２０は、ＰＣＤテーブル１００と基材２１０との間にろう付け接続部を形成することができるいかなる材料で構成されてもよい。

活性ろう付け材料は、炭素の存在中で容易に炭化物を形成する材料を含む。かかるろう付け材料は、ＰＣＤ１１０中（そしておそらくＣＶＤダイヤモンド１２０中でも）のダイヤモンドの低い濡れ性を克服する能力の改善を呈し、また別の方法で不活性ろう付け材料と比較してろう付け材料のＰＣＤテーブル１００への結合を容易にする場合がある。

活性ろう付け材料の構成要素は、ＰＣＤ１１０またはＣＶＤダイヤモンド１２０の取り付け表面上の炭素と反応して、次いで不活性ろう付け材料またはより一般的なろう付け材料などの異なるろう付け材料とろう付けされる場合がある炭化物の層を形成する場合がある。活性ろう付け材料としては、チタン、ジルコニウム、バナジウム、クロム、及びマンガンなどの元素の合金が挙げられる場合がある。より一般的な不活性ろう付け材料としては、銀、銅、ニッケル、金、亜鉛、コバルト、鉄、またはパラジウムなどの元素が挙げられる場合がある。特定の実施形態では、不活性ろう付け材料としては、マンガン、アルミニウム、リン、ケイ素、または亜鉛の、ニッケル、銅、または銀との合金が挙げられる。

図２Ａに図示されるように、ＣＶＤダイヤモンド１２０はろう付け材料２２０の厚さより低い高さを有してもよい。

図２Ｂに図示されるように、ＣＶＤダイヤモンドは、ろう付け材料２２０の厚さより大きい高さを有してもよく、また基材２１０中の凹部に対応して嵌合してもよい。この実施形態は、ＰＣＤテーブル１００と基材２１０との間に追加的な機械的相互係止をさらに提供する。

図３に図示されるように、ＰＣＤテーブル１００は、カッターの形態のＰＣＤエレメント３３０を含む固定カッタードリルビット３００などの地面ボーリングドリルビットに取り付けられてもよい。固定カッタードリルビット３００はビット本体３１０を含み、複数のブレード３２０がビット本体３１０から延在する。ビット本体３１０は、鋼、鋼合金、マトリックス材料、または他の好適なビット本体材料から形成されてもよい。ビット本体３１０は、望ましい摩耗、浸食、及び他の特性（望ましい強度、強靭性、及び機械加工性など）を有するように形成されてもよい。ＰＣＤエレメントは、カッターとして、またはカッター以外のエレメント（耐浸食エレメントまたは切削深さ制御エレメント（図示せず）など）としてビット上に据え付けられてもよい。

ブレード３２０はカッター３３０を含んでもよい。ビット３００はＣＶＤダイヤモンドを使用して形成された複数のカッター３３０を有して示されるが、わずか１つのカッターがＣＶＤダイヤモンドを含んでもよい。特定の実施形態では、ブレード３２０上の対応する場所にある一組のカッター３３０は、それぞれＣＶＤダイヤモンドを含んでもよい。別の実施形態では、すべてのゲージカッターはＣＶＤダイヤモンドを含んでもよい。別の実施形態では、すべての非ゲージカッターはＣＶＤダイヤモンドを含んでもよい。さらに別の実施形態では、すべてのカッター３３０はＣＶＤダイヤモンドを含んでもよい。一部の実施形態では、ＣＶＤダイヤモンドを含むカッターは、ＣＶＤダイヤモンドを含むカッターによってより良好に持ちこたえられる力または応力（剪断応力などの）が他のカッターの場所より高い場所によって選択されてもよい。同様に、耐浸食エレメント、切削深さ制御エレメント、またはＰＣＤから形成される他のビット構成要素は、場所に基づいて力及び応力により良好に持ちこたえるために、ＣＶＤダイヤモンドを含むように選択されてもよい。

図３に示す実施形態に対しては、固定カッタードリルビット３００は５つのブレード３２０を有する。一部の用途に対しては、本開示の教示に組み込まれる固定カッタードリルビット上に配置されるブレードの数は、４つ〜８つのブレードまたはそれ以上などと異なる場合がある。それぞれのジャンクスロット３４０は、隣接するブレード３２０の間に位置付けられる場合がある。坑井の底部から対応する坑井表面への掘削流体、形成切削物、及びダウンホール岩屑の流れを最適化するために、ブレード３２０及びジャンクスロット３４０の数、サイズ、及び構成は選択されてもよい。

ドリルビット３００に関連付けられた掘削動作は、坑井の底部（明示的に図示せず）に対してビット本体３１０が回転すると、ドリルストリング（明示的に図示せず）の回転に応じて発生する場合がある。組み込まれたブレード３３０上に配置された少なくとも一部のカッター３３０は、掘削の間、ダウンホールの形成（明示的に図示せず）と隣接する部分に接触する場合がある。関連付けられた坑井の内径は、一般にブレード３３０のそれぞれのゲージ部分３５０によって決定される組み合わせられた外径またはゲージ径によって少なくとも部分的に画定される場合がある。カッター３３０は、ＰＣＤが形成に接触するように配向される。図１Ｃに示すようにＣＶＤダイヤモンド１２０が特定のパターンで蒸着される実施形態では、ＰＣＤエレメントは、パターンが掘削の間、抵抗応力または抵抗力を補助するように配向される場合がある。パターンが対称である場合、少なくとも一方の側が摩耗したとき、ＰＣＤエレメントを回転してもよい。

本開示は、図４に図示されるように、ＣＶＤダイヤモンド蒸着物を有するＰＣＤテーブルを形成する方法４００にさらに関する。工程４１０では、マスク５１０は図５にさらに図示されるようにＰＣＤ１１０（図示せず）上に配置される。マスク５１０は、ＰＣＤ１１０の区域をＣＶＤダイヤモンド蒸着から保護するパターンを有し、一方で他の区域の上には蒸着することができる。工程４２０では、図５に示すように、マスクされたＰＣＤアセンブリ５００で、ＣＶＤダイヤモンド１２０が蒸着されるようにＣＶＤプロセスは実行される。ＣＶＤプロセスは、ダイヤモンドを蒸着することができることが知られている任意のプロセスとしてもよい。

一実施形態では、ＣＶＤプロセスは、ＰＣＤ１１０及びマスク５１０を炭化水素気体の存在下で、気体からのダイヤモンドの蒸着を発生するための十分なエネルギー供給源の存在下で配置することによって実施される。

一部の実施形態では、気体は、ＣＶＤプロセスの間、非ダイヤモンド炭素を除去する水素気体を含む。特定の一実施形態では、炭化水素気体の水素気体に対する比は、１：５０以下、１：９９以下、または１：２００以下である。一部の実施形態では、炭化水素気体は、本質的にメタンから成る場合がある。

一部の実施形態では、ＣＶＤプロセスは３０ｋＰａ以下、または１００ｋＰａ以下の圧力で実施される。

一部の実施形態では、エネルギー供給源はマイクロ波動力、高温フィラメントなどの熱供給源、アーク放電、溶接トーチ、レーザー、または電子ビームであってもよい。一部の実施形態では、ＣＶＤプロセスは、３００℃〜１０００℃、より具体的には３００℃〜７００℃の温度で実施される。

一部の実施形態では、マスク５１０が配置されるＰＣＤ１１０の取り付け表面は、ＣＶＤプロセスの前にクリーニングされるか、または他の方法でＣＶＤのために準備される。このクリーニングまたは他の準備はマスク５１０の配置の前に行われてもよく、または後で行われてもよい。

ＰＣＤ１１０の取り付け表面の調製、使用する気体、混合気体、圧力、エネルギー供給源及びエネルギー供給源のパラメータを含むＣＶＤプロセスのパラメータは、ＣＶＤダイヤモンド１２０の特定の結晶配向を得るために、制御される場合がある。

一部の実施形態では、ＣＶＤプロセスはＣＶＤチャンバ内で行われてもよい。チャンバがケイ素またはホウ素を含む場合、これらの元素がＣＶＤダイヤモンド１２０中に組み込まれる場合がある。

マスク５１０は、フォトリソグラフィーの使用のために好適な任意の材料で形成されてもよい。しかしながら、金属もしくは合金、二酸化ケイ素、またはホウ素系の材料などのフォトリソグラフィーマスクに使用される一部の材料は、結果としてケイ素、ホウ素、または他の元素のＣＶＤダイヤモンド１２０中への混入をもたらす場合がある。当業者は、ＣＶＤダイヤモンド１２０中への他の元素の組み込みが望ましいかまたは回避を許容されるか、及び選択されたＣＶＤプロセスでの温度及びエネルギー供給源をその材料が許容することができるかどうかに基づいて、好適なマスク材料を選択することができる。一般に、ＣＶＤダイヤモンド１２０は、周辺効果または他の規模が小さいことに基づくフォトリソグラフィーの複雑化に考慮が必要なそのように小さい蒸着物には蒸着されないことになる。

一実施形態では、マスク５１０は、上述のように特にろう付けを容易にするためまたは他の特性を付与するように材料がＣＶＤダイヤモンド１２０内でドーパントとなるように、特定の材料から形成されてもよい。ＣＶＤダイヤモンド１２０も、ＣＶＤのプロセス中にＢ₂Ｈ₆、ＳｉＨ₄、またはＴｉＣｌ₄などの気体の形態のドーパントを供給するなどの従来の方法を用いてドープされてもよい。

工程４３０では、マスク５１０はマスクアセンブリ５００から除去される。これはマスク５１０の機械的除去により、または化学的分解によって達成されてもよい。実施形態については、マスクアセンブリ５００全体を単にマスク５１０を溶解することができる薬品中に溶解されるまで配置する。マスク５１０、ＰＣＤ１１０、またはＣＶＤダイヤモンド１２０に対する許容できないレベルの損傷なしに達成することができる場合、マスク５１０を再使用できるので、機械的除去が好ましい場合がある。

図６は、カッターなどのＰＣＤエレメントを形成するためにＰＣＤテーブルをろう付け材料及び基材に取り付ける方法６００を図示する。先ず工程６１０では、ＰＣＤテーブルと基材との間にろう付け材料が配置される。ろう付け材料は、任意の形状で提供しうるが、特定の実施形態では、薄い箔もしくはワイヤ、またはペーストとしてもよい。

次に、工程６２０では、ろう付け材料は、ＰＣＤテーブル及び基材の両方に取り付けることができるようにろう付け温度まで加熱される。実施形態については、ろう付け温度は、制御された雰囲気下でのＴＳＰのグラファイト化温度である１１００℃〜１２００℃より低くてもよい。ＰＣＤテーブルがＴＳＰではない一部のＰＣＤを含む場合、ろう付け温度はより低い場合がある。ろう付けプロセスは、典型的にはろう付け材料が十分に溶融し、かつ活性ろう付け材料の場合、ＰＣＤテーブルの表面上での炭素との反応が発生しうる温度で行われる。

一旦形成されると、ＰＣＤエレメントをドリルビットに基材を介して取り付けることができる。ある特定の方法を使用するとき、濡れ性などの材料特性の差異に起因して、典型的には基材が別の表面と結合するのはダイヤモンドが別の表面と結合するのより容易である。実施形態については、ＰＣＤエレメントをその基材においてドリルビットにハンダ付けまたはろう付けを介して取り付けることができるが、一方で基材を有しないＰＣＤは、掘削の条件で持ちこたえるために十分な強度でドリルビットに容易に結合することができない。ハンダ付け及びろう付けは、エレメントのＰＣＤ部分が安定なままである比較的低い温度で実行されてもよく、このためＰＣＤ部分はビットへの接合のプロセスによって悪影響を受けない。あるいは、ハンダ付けまたはろう付けを介する実施形態については、上述のようにＰＣＴテーブルは基材を介在することなくドリルビットに直接的に取り付けられてもよい。

具体的な一実施形態では、本開示は、基材と、ＰＣＤテーブル取り付け表面を有するＰＣＤテーブルと、マスクによって画定されたパターンで化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して取り付け表面上に蒸着したＣＶＤダイヤモンドと、ＰＣＤテーブル取り付け表面及び基材の基材取り付け表面に取り付けられたろう付け材料と、を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスを提供する。ＣＶＤダイヤモンドは事前選択された結晶配向を有してもよい。ＣＶＤダイヤモンドはドープされていてもよい。ＰＣＤテーブルは熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含んでもよい。ろう付け材料は活性ろう付け材料を含んでもよい。ろう付け材料は不活性ろう付け材料を含んでもよい。

別の特定の実施形態では、本開示は、ビット本体と、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスと、を含むドリルビットを提供する。多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスは、基材と、ＰＣＤテーブル取り付け表面を有するＰＣＤテーブルと、マスクによって画定されたパターンで化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して取り付け表面上に蒸着したＣＶＤダイヤモンドと、ＰＣＤテーブル取り付け表面及び基材の基材取り付け表面に取り付けられたろう付け材料と、を含む。ＣＶＤダイヤモンドは事前選択された結晶配向を有してもよい。ＣＶＤダイヤモンドはドープされていてもよい。ＰＣＤテーブルは熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含んでもよい。ろう付け材料は活性ろう付け材料を含んでもよい。ろう付け材料は不活性ろう付け材料を含んでもよい。

別の特定の実施形態では、本開示は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）取り付け表面またはＰＣＤ上にマスクを配置することであって、マスクがパターンを有することと、化学蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンドをＰＣＤ取り付け表面上に有するＰＣＤテーブルを含むＰＣＤアセンブリを形成するためにＣＶＤダイヤモンドをマスクによって画定されたパターンでＰＣＤ上に蒸着するようにＣＶＤプロセスを実行することと、によってＰＣＤデバイスを形成する方法を提供する。方法は、ＰＣＤテーブルを残すためにＰＣＤアセンブリからマスクを除去すること、をさらに含んでもよい。方法は、ろう付け材料をＰＣＤ取り付け表面と基材の基材取り付け表面との間に配置することと、ＰＣＤエレメントを形成するためにろう付け材料のＰＣＤ取り付け表面と基材取り付け表面とへの取り付けができる十分な温度までろう付け材料を加熱することと、をさらに含んでもよい。ＣＶＤプロセスは、ＰＣＤ及びマスクを水素及び炭化水素気体の存在下でチャンバ内に配置することと、ＰＣＤ上にダイヤモンドの蒸着を生じさせるために十分なエネルギー供給源を供給することと、を含んでもよい。ＣＶＤプロセスは３００℃〜１０００℃の温度で行ってもよい。ＣＶＤプロセスはドーパント供給源を供給することをさらに含んでもよい。ろう付け材料は活性ろう付け材料を含んでもよく、また加熱することは活性ろう付け材料がＰＣＤ取り付け表面上で炭素と反応することができるようになる十分な温度まで加熱することを含む。方法は、ＰＣＤテーブルを直接的にまたは基材を介してドリルビットに取り付けることをさらに含んでもよい。

本発明の例示的な実施形態のみを具体的に上述したが、当然のことながら本発明の趣旨及び意図される範囲から逸脱することなくこれらの実施形態の修正及び変形が可能である。例えば、他の産業用デバイス上でのＰＣＤエレメントの適正な配置及び配向は、ドリルビットの実施形態を参照して画定されてもよい。さらに、図に示されたＰＣＤ、ＰＣＤテーブル、及びＰＣＤエレメントは平板状のディスクの形態であるが、非平面状表面及び他の形状も使用されてもよい。さらに、ＰＣＤテーブルの基材またはビットへの取り付け方法の実施形態としてろう付けが記述されているが、ハンダ付けまたは溶接などの他の方法も使用されてもよい。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスであって、
基材と、
ＰＣＤテーブル取り付け表面付きのＰＣＤテーブルと、
化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して前記取り付け表面上にマスクによって画定されたパターンで蒸着されたＣＶＤダイヤモンドと、
前記ＰＣＤテーブル取り付け表面及び前記基材の基材取り付け表面に取り付けられたろう付け材料と
を備える前記ＰＣＤデバイス。
〔２〕前記ＣＶＤダイヤモンドが事前選択された結晶配向を有する、前記〔１〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔３〕前記ＣＶＤダイヤモンドがドープされている、前記〔１〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔４〕前記ＰＣＤテーブルが熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含む、前記〔１〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔５〕前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含む、前記〔１〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔６〕前記ろう付け材料が不活性ろう付け材料を含む、前記〔１〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔７〕ドリルビットであって、
ビット本体と、
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスであって、
基材と、
ＰＣＤテーブル取り付け表面付きのＰＣＤテーブルと、
化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して前記取り付け表面上にマスクによって画定されたパターンで蒸着されたＣＶＤダイヤモンドと、
前記ＰＣＤテーブル取り付け表面及び前記基材の基材取り付け表面に取り付けられたろう付け材料と、を備えるＰＣＤデバイスと
を備える、前記ドリルビット。
〔８〕前記ＣＶＤダイヤモンドが事前選択された結晶配向を有する、前記〔７〕に記載のビット。
〔９〕前記ＣＶＤダイヤモンドがドープされている、前記〔７〕に記載のビット。
〔１０〕前記ＰＣＤテーブルが熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含む、前記〔７〕に記載のビット。
〔１１〕前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含む、前記〔７〕に記載のビット。
〔１２〕前記ろう付け材料が不活性ろう付け材料を含む、前記〔７〕に記載のビット。
〔１３〕多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスを形成するための方法であって、
ＰＣＤ取り付け表面またはＰＣＤ上に、パターンを有するマスクを配置することと、
化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスを実行して前記マスクによって画定されたパターンでＣＶＤダイヤモンドを前記ＰＣＤ上に蒸着し、前記ＰＣＤ取り付け表面上にＣＶＤダイヤモンドを有するＰＣＤテーブルを含むＰＣＤアセンブリを形成することと
を含む方法。
〔１４〕前記ＰＣＤアセンブリから前記マスクを除去して前記ＰＣＤテーブルを残すことをさらに含む、前記〔１３〕に記載の方法。
〔１５〕前記ＰＣＤ取り付け表面と基材の基材取り付け表面との間にろう付け材料を配置することと、
前記ろう付け材料の前記ＰＣＤ取り付け表面及び前記基材取り付け表面への取り付けを可能にするために十分な温度まで前記ろう付け材料を加熱し、ＰＣＤエレメントを形成することと
をさらに含む、前記〔１４〕に記載の方法。
〔１６〕前記ＣＶＤプロセスが、
前記ＰＣＤ及びマスクを水素及び炭化水素気体の存在下でチャンバ内に配置することと、
前記ＰＣＤ上でのダイヤモンドの蒸着を発生させるために十分なエネルギー供給源を供給することと
を含む、前記〔１３〕に記載の方法。
〔１７〕前記ＣＶＤプロセスを３００℃と１０００℃との間の温度で行う、前記〔１３〕に記載の方法。
〔１８〕前記ＣＶＤプロセスがドーパント供給源を供給することをさらに含む、前記〔１３〕に記載の方法。
〔１９〕前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含み、また加熱することは前記活性ろう付け材料がＰＣＤ取り付け表面上の炭素と反応することができる十分な温度まで加熱することを含む、前記〔１５〕に記載の方法。
〔２０〕前記ＰＣＤテーブルを直接的にまたは基材を介してドリルビットに取り付けることをさらに含む、前記〔１４〕に記載の方法。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１'〕多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスであって、
基材と、
ＰＣＤテーブル取り付け表面付きのＰＣＤテーブルと、
化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して前記ＰＣＤテーブル取り付け表面上にマスクによって画定されたパターンで蒸着されたＣＶＤダイヤモンドと、
前記ＰＣＤテーブル取り付け表面及び前記基材の基材取り付け表面に取り付けられたろう付け材料と
を備える前記ＰＣＤデバイス。
〔２'〕前記ＣＶＤダイヤモンドが事前選択された結晶配向を有する、前記〔１'〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔３'〕前記ＣＶＤダイヤモンドがドープされている、前記〔１'〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔４'〕前記ＰＣＤテーブルが熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含む、前記〔１'〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔５'〕前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含む、前記〔１'〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔６'〕前記ろう付け材料が不活性ろう付け材料を含む、前記〔１'〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔７'〕ドリルビットであって、
ビット本体と、
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスであって、
基材と、
ＰＣＤテーブル取り付け表面付きのＰＣＤテーブルと、
化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して前記ＰＣＤテーブル取り付け表面上にマスクによって画定されたパターンで蒸着されたＣＶＤダイヤモンドと、
前記ＰＣＤテーブル取り付け表面及び前記基材の基材取り付け表面に取り付けられたろう付け材料と、を備えるＰＣＤデバイスと
を備える、前記ドリルビット。
〔８'〕前記ＣＶＤダイヤモンドが事前選択された結晶配向を有する、前記〔７'〕に記載のビット。
〔９'〕前記ＣＶＤダイヤモンドがドープされている、前記〔７'〕に記載のビット。
〔１０'〕前記ＰＣＤテーブルが熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含む、前記〔７'〕に記載のビット。
〔１１'〕前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含む、前記〔７'〕に記載のビット。
〔１２'〕前記ろう付け材料が不活性ろう付け材料を含む、前記〔７'〕に記載のビット。
〔１３'〕多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスを形成するための方法であって、
ＰＣＤテーブルのＰＣＤ取り付け表面に、パターンを有するマスクを配置することと、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスを実行して前記マスクによって画定されたパターンでＣＶＤダイヤモンドを前記ＰＣＤ上に蒸着し、前記ＰＣＤ取り付け表面上にＣＶＤダイヤモンドを有するＰＣＤテーブルを含むＰＣＤアセンブリを形成することと、
前記ＰＣＤ取り付け表面から前記マスクを除去することと、
前記ＰＣＤ取り付け表面と基材の基材取り付け表面との間にろう付け材料を配置することと、
前記ろう付け材料の前記ＰＣＤ取り付け表面及び前記基材取り付け表面への取り付けを可能にするために十分な温度まで前記ろう付け材料を加熱し、ＰＣＤデバイスを形成することと
を含む方法。
〔１４'〕前記ＣＶＤプロセスが、
前記ＰＣＤ及びマスクを水素及び炭化水素気体の存在下でチャンバ内に配置することと、
前記ＰＣＤ上でのダイヤモンドの蒸着を発生させるために十分なエネルギー供給源を供給することと
を含む、前記〔１３'〕に記載の方法。
〔１５'〕前記ＣＶＤプロセスを３００℃と１０００℃との間の温度で行う、前記〔１３'〕に記載の方法。
〔１６'〕前記ＣＶＤプロセスがドーパント供給源を供給することをさらに含む、前記〔１３'〕に記載の方法。
〔１７'〕前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含み、また加熱することは前記活性ろう付け材料がＰＣＤ取り付け表面上の炭素と反応することができる十分な温度まで加熱することを含む、前記〔１３'〕に記載の方法。
〔１８'〕前記ＰＣＤテーブルを基材を介してドリルビットに取り付けることをさらに含む、前記〔１３'〕に記載の方法。
〔１９'〕前記事前選択された結晶配向が、［１００］＞［１１１］＞［１１０］配向である、前記〔２'〕に記載のＰＣＤデバイス。
〔２０'〕前記事前選択された結晶配向が、［１００］＞［１１１］＞［１１０］配向である、前記〔８'〕に記載のＰＣＤデバイス。

Claims

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスであって、
基材と、
ＰＣＤテーブル取り付け表面を有するＰＣＤテーブルと、
化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して前記ＰＣＤテーブル取り付け表面上にマスクによって画定されたパターンで蒸着されたＣＶＤダイヤモンドと、
前記ＣＶＤダイヤモンドが蒸着されたＰＣＤテーブル取り付け表面と前記基材の基材取り付け表面との間に配置されたろう付け材料と
を備え、
前記ＰＣＤテーブルが、熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含み、前記ＰＣＤ内に本来あった金属触媒の少なくとも７０％が除去されており、
前記ＣＶＤダイヤモンドが、純粋ダイヤモンドであるかまたはドープされていることを特徴とする、ＰＣＤデバイス。
前記ＣＶＤダイヤモンドが事前選択された結晶配向を有する、請求項１に記載のＰＣＤデバイス。
前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含む、請求項１に記載のＰＣＤデバイス。
前記ろう付け材料が不活性ろう付け材料を含む、請求項１に記載のＰＣＤデバイス。
ドリルビットであって、
ビット本体と、
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスであって、
基材と、
ＰＣＤテーブル取り付け表面を有するＰＣＤテーブルと、
化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して前記ＰＣＤテーブル取り付け表面上にマスクによって画定されたパターンで蒸着されたＣＶＤダイヤモンドと、
前記ＣＶＤダイヤモンドが蒸着されたＰＣＤテーブル取り付け表面と前記基材の基材取り付け表面との間に配置されたろう付け材料と、を備えるＰＣＤデバイスと
を備え、
前記ＰＣＤテーブルが、熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含み、前記ＰＣＤ内に本来あった金属触媒の少なくとも７０％が除去されており、
前記ＣＶＤダイヤモンドが、純粋ダイヤモンドであるかまたはドープされていることを特徴とする、ドリルビット。
前記ＣＶＤダイヤモンドが事前選択された結晶配向を有する、請求項５に記載のビット。
前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含む、請求項５に記載のビット。
前記ろう付け材料が不活性ろう付け材料を含む、請求項５に記載のビット。
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）デバイスを形成するための方法であって、
ＰＣＤテーブルのＰＣＤ取り付け表面に、パターンを有するマスクを配置することと、
化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスを実行して前記マスクによって画定されたパターンでＣＶＤダイヤモンドを前記ＰＣＤ上に蒸着し、前記ＰＣＤ取り付け表面上にＣＶＤダイヤモンドを有するＰＣＤテーブルを含むＰＣＤアセンブリを形成することと、
前記ＰＣＤ取り付け表面から前記マスクを除去することと、
前記ＣＶＤダイヤモンドが蒸着されたＰＣＤ取り付け表面と基材の基材取り付け表面との間にろう付け材料を配置することと、
前記ろう付け材料の前記ＣＶＤダイヤモンドが蒸着されたＰＣＤ取り付け表面及び前記基材取り付け表面への取り付けを可能にするために十分な温度まで前記ろう付け材料を加熱し、ＰＣＤデバイスを形成することと
を含み、
前記ＰＣＤテーブルが、熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）を含み、前記ＰＣＤ内に本来あった金属触媒の少なくとも７０％が除去されており、
前記ＣＶＤプロセスが、ドーパント供給源を供給することをさらに含むことを特徴とする、方法。
前記ＣＶＤプロセスが、
前記ＰＣＤ及びマスクを水素及び炭化水素気体の存在下でチャンバ内に配置することと、
前記ＰＣＤ上でのダイヤモンドの蒸着を発生させるために十分なエネルギー供給源を供給することと
を含む、請求項９に記載の方法。
前記ＣＶＤプロセスを３００℃〜１０００℃の温度で行う、請求項９に記載の方法。
前記ろう付け材料が活性ろう付け材料を含み、また加熱することは前記活性ろう付け材料がＰＣＤ取り付け表面上の炭素と反応することができる十分な温度まで加熱することを含む、請求項９に記載の方法。
前記ＰＣＤテーブルを基材を介してドリルビットに取り付けることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
前記事前選択された結晶配向が、［１００］＞［１１１］＞［１１０］配向である、請求項２に記載のＰＣＤデバイス。
前記事前選択された結晶配向が、［１００］＞［１１１］＞［１１０］配向である、請求項６に記載のビット。