KR20170119716A - 구배 계면층을 갖는 다결정 다이아몬드 컴팩트 - Google Patents

구배 계면층을 갖는 다결정 다이아몬드 컴팩트 Download PDF

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KR20170119716A
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앤디 쳉 창
가간 사이니
퀴 리앙
폴 비. 리블리
윌리엄 브라이언 앳킨스
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핼리버튼 에너지 서비시즈 인코퍼레이티드
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Abstract

본 발명은 열적으로 안정된 다이아몬드(TSP) 테이블과, 기재 또는 굴착용 드릴 비트 몸체와 같은 베이스 사이에 구배 계면층을 포함하는 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC)에 관한 것이다. 상기 구배 계면층은 다이아몬드의 열 팽창 계수와 베이스의 열 팽창 계수 사이의 열 팽창 계수의 구배를 갖는다. 본 발명은 또한 구배 계면층을 형성하는 방법 및 상기 층을 포함하는 PDC에 관한 것이다.

Description

구배 계면층을 갖는 다결정 다이아몬드 컴팩트
본 발명은 굴착용 드릴 비트(earth-boring drill bit)의 커터(cutter)와 같은 열적으로 안정된 다이아몬드(thermally stable diamond)(TSP)를 포함하는 다결정 다이아몬드 컴팩트(polycrystalline diamond compact: PDC)에 관한 것이다.
다양한 산업용 장치의 구성 요소들은 단단한(hard) 표면 및/또는 연마성(abrasive) 표면과 높은 충돌 접촉 및 고온과 같은 극한 상태를 종종 받는다. 예를 들어, 극한 온도 및 압력은 일반적으로 석유 추출 또는 채광을 위한 드릴링(drilling) 동안 발생한다. 탁월한 기계적 성질을 가진 다이아몬드는 드릴링에 사용되는 절삭 요소(cutting element) 또는 내연마성 접촉 요소에 적절히 사용될 때 가장 효과적인 재료일 수 있다. 다이아몬드는 매우 단단하며, 연마 표면과의 접촉점으로부터 열을 멀리 전도하고, 이런 상태에서 다른 장점을 제공할 수 있다.
다결정 형태의 다이아몬드는 다이아몬드 결정이 단결정 다이아몬드에서 발견되는 특정 분열면(cleavage of plane)을 피하는 무작위적인 분포를 갖는 것으로 인해 단일 결정 다이아몬드에 비해 추가된 인성(toughness)을 갖는다. 따라서, 다결정 다이아몬드는 빈번히 많은 드릴링 용도에서 다이아몬드의 바람직한 형태이다. 다결정 다이아몬드를 사용하는 드릴 비트 절삭 요소는 일반적으로 다결정 다이아몬드 커터 또는 컴팩트(PDC)라고 지칭된다. 따라서 PDC를 포함하는 드릴 비트는 PDC 비트라고 지칭될 수 있다.
PDC는 작은 그레인(grain)의 다이아몬드 및 다른 출발 재료에 초고압 및 온도 조건을 가하여 프레스에서 제조될 수 있다. 하나의 PDC 제조 공정은 텅스텐 탄화물 기재(tungsten carbide substrate)와 같은 기재 상에 다결정 다이아몬드 테이블(diamond table)을 직접 형성하는 것을 포함한다. 이 공정은 촉매와 혼합된 느슨한 다이아몬드 그레인들과 함께 기재를 프레스의 용기 내에 넣고, 이 프레스의 내용물에 고온 고압(high-temperature high-pressure: HTHP) 프레스 사이클을 가하는 것을 포함한다. 높은 온도와 압력에 의해, 작은 다이아몬드 그레인들은, 촉매로 작용하는 텅스텐 탄화물 기재 내 코발트에 의해, 기재에 밀접하게 결합된 일체화된 다결정 다이아몬드 테이블로 형성된다. 이렇게 형성된 다결정 다이아몬드 테이블은 이후 다결정 다이아몬드의 전부 또는 일부로부터 촉매를 제거하기 위해 침출(leached)될 수 있다. 촉매의 대부분이 침출되면 TSP 테이블이 생성된다. 보통 대기압에서, 특정 온도에서, 일반적으로 적어도 750℃에서, TSP는 균열되거나 흑연화되지 않는다. 이후 TSP는 (다결정 다이아몬드가 형성된 원래의 기재는 종종 침출 공정 전에 제거되거나 이 침출 공정에서 파괴되어서) 새로운 기재에 재부착되어 PDC가 생성될 수 있다.
본 발명의 실시예 및 그 장점의 보다 완전한 이해는 동일한 참조 번호들이 유사한 구성 요소들을 지칭하는 본 발명의 특정 실시예를 도시하는 첨부 도면들과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 파악될 수 있을 것이며, 도면에서:
도 1은 구배 계면층(gradient interfacial layer)을 갖는 PDC의 제1 실시예의 축척에 맞지 않는 단면도;
도 2는 구배 계면층을 갖는 PDC를 형성하는 방법의 흐름도;
도 3은 TSP 테이블, 구배 계면층, 및 텅스텐 탄화물 기재를 갖는 PDC에 걸친 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion: CTE)의 변화를 나타내는 그래프이며, 여기서 녹색 및 적색 라인은 비-선형 CTE 프로파일의 개략도;
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 구배 계면층을 포함하는 PDC의 상이한 형성 단계 동안의 측면도;
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 구배 계면층을 포함하는 PDC의 상이한 형성 단계 동안의 측면도;
도 6은 PDC 커터의 형태로 적어도 하나의 PDC를 포함하는 굴착용 드릴 비트를 도시한 도면.
본 발명은 기재에 TSP 테이블을 부착하여 PDC를 형성하기 위한 구배 계면층에 관한 것이다. 또한 본 발명은 구배 계면층을 포함하는 PDC 커터와 같은 PDC 및 예를 들어 PDC를 포함하는 굴착용 드릴 비트와 같은 산업용 장치에 관한 것이다.
다결정 다이아몬드를 보다 열적으로 안정되게 만들기 위해, 드릴 비트의 설계자는 다결정 다이아몬드를 형성하는데 사용된 촉매(예를 들어, 코발트(Co) 또는 코발트 합금과 같은 VIII족 금속 또는 금속 합금을 포함하는 재료)의 일부를 침출시킬 수 있다. 전체 다결정 다이아몬드 테이블 또는 실질적으로 그 전체가 침출되면, 이 테이블은 TSP 테이블일 수 있다. 또한 TSP를 생성하는데 사용된 다결정 다이아몬드를 형성하는 동안 존재할 수 있었던 기재가 TSP 테이블에는 없을 수 있다. 이 기재는 기계적으로 제거되었거나, 침출 공정에 의해 파괴되었거나, 또는 이들 둘 모두에 의해 사라졌을 수 있다. TSP 테이블은 중량 또는 부피 기준으로 PCD 테이블에서 원래 발견된 촉매의 70% 이하 또는 1% 이하의 촉매와 같은 일부 잔류 촉매를 포함할 수 있다. TSP 테이블은 대기압에서 적어도 750℃, 적어도 1050℃ 또는 심지어 적어도 1200℃의 온도에서 열적으로 안정적일 수 있다. 그 밖의 경우에도, TSP 테이블은 촉매의 존재 하에서 다이아몬드의 흑연화가 일어날 것으로 예상되는 온도 및 압력에서 열적으로 안정적일 수 있다.
TSP 테이블은 PDC를 형성하기 위해 새로운 기재에 부착될 수 있다. 대부분의 브레이징(brazing) 재료, 기재 및 다른 부착 재료에 비해 다이아몬드의 CTE는 낮기 때문에, 심지어 부착 후에도, TSP, 기재 및/또는 부착 재료의 상이한 열 팽창률로부터 오는 응력으로 인해 TSP 요소가 파손될 수 있다.
본 발명은 TSP 테이블과 기재 사이의 상이한 CTE들로부터 오는 잔류 응력을 제어하기 위해 낮은 CTE를 갖는 가변적인 양의 재료를 포함하는, 기재와 TSP 테이블 사이의 구배 계면층에 관한 것이다.
본 발명은 TSP 테이블을 기재에 부착시키는 것에 초점을 맞추었지만, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 유사한 방법을 사용하여 TSP 테이블이 비트 몸체(bit body)와 같은 다른 베이스에 유사하게 부착될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 이것은 HIP-소결된 텅스텐 탄화물을 사용하는 기존의 방법에 비해 개선을 나타낸다.
이 기재는 적절한 바인더(binder)를 갖는 텅스텐 탄화물(WC 또는 W2C)과 같은 초경합금(cemented carbide)을 포함할 수 있다. 이 기재는 다결정 다이아몬드를 형성하는데 사용된 촉매와 동일하거나 상이할 수 있는 VIII족 금속 또는 금속 합금, 특히 코발트(Co) 또는 Co 합금과 같은 금속 또는 금속 합금 바인더를 더 포함할 수 있다.
도 1은 TSP 테이블(4), 기재(6), 및 명암 계조로 표시된 하위층들을 갖는 구배 계면층(8)을 포함하는 PDC(2)의 단면 개략도이다. 구배 계면층(8)의 하위층들은 TSP 테이블(4)로부터 더 멀어져 기재(6)에 더 가까울수록 증가하는 CTE를 가질 수 있다. TSP 테이블(4), 기재(6) 및 구배 계면층(8)이 평면인 인접한 외부 표면들을 갖는 것으로 도 1에 도시되어 있으나, 본 발명은 이들 구성 요소에 대해 모든 가능한 비-평면인 인접한 외부 계면들 또는 표면들을 포함한다. 구배 계면층(8)은 적어도 2개의 하위층, 적어도 5개의 하위층, 적어도 10개의 하위층, 적어도 20개의 하위층, 또는 적어도 50개의 하위층을 포함할 수 있는 복수의 하위층을 가질 수 있다.
도 2는 PDC(2)와 같은, 구배 계면층을 갖는 TSP 요소를 제조하는 방법(10)의 흐름도이다. 단계(12)에서, 구배 계면층의 제1 하위층이 형성된다. 단계(14)에서, 제2 또는 다른 후속 하위층이 형성된다. 단계(16)에서, 최종 하위층에 도달했는지가 결정된다. 최종 하위층에 도달하지 않았다면, 단계(14)가 반복된다. 최종 하위층에 도달하였다면, 단계(18)에서, 구배 계면층, TSP 테이블 및/또는 기재를 서로 부착시킴으로써 PDC가 형성된다.
형성 전에, PDC(2)에 도시되거나 제조 방법(10)으로 형성된 하위층들은 적어도 3개의 구성 요소, 다이아몬드 그레인들을 포함하는 다이아몬드 분말 또는 그릿(grit), 다이아몬드 그레인들 사이의 결합(bonding)을 일으킬 수 있는 촉매, 및 예를 들어, 하위층을 형성하는 동안 또는 구배 계면층을 TSP 테이블 및/또는 기재에 부착시키는 동안, 희생 바인더(sacrificial binder)가 열화 및/또는 배출(expelled)될 때까지 다이아몬드 그레인들을 접착시킬 수 있는 희생 바인더를 포함할 수 있다. 하위층마다 다이아몬드 그레인들의 농도, 중량 비율 또는 부피 비율은 일반적으로, TSP 테이블 부분이거나 이 TSP 테이블에 부착되는 부분으로부터 멀어지는 방향으로 그리고 기재 부분이거나 이 기재에 부착되는 부분 쪽으로 이동함에 따라, 구배 계면층 내에서 감소한다. 상대적인 비율들은, 하위층들 사이 또는 TSP 테이블과 기재 사이의 CTE 차이들로 인해 나타나는 응력들이 특정 미리 선택된 임계값들 아래에 있도록, 특히 의도된 용도 및 TSP 테이블의 침출 정도, 및 기재의 조성에 기초하여 결정될 수 있다. 이들 임계값은, 특히 드릴링 동안 형성부와 PDC의 접촉 동안 그리고 또한 드릴링 동안 냉각 재료, 예를 들어, 드릴링 유체와 TSP 요소의 접촉 동안 구배 계면층이 받는 시간 프레임 및 온도 범위에 걸쳐 CTE의 불일치로 인해 디본딩(debonding) 또는 균열을 회피하도록 선택될 수 있다. 일반적으로 서로 다른 하위층들의 조성은 각 층마다 다르지만, 때때로 다수의 층, 특히 인접한 다수의 층을 동일한 조성으로 제공하는 것이 유리할 수 있다.
TSP 테이블에 인접한 구배 계면층의 다이아몬드 농도는 50 부피% 이상, 60 부피% 이상, 70 부피% 이상 또는 심지어 80 부피% 이상일 수 있다. TSP 테이블에 인접한 구배 계면층에서 텅스텐 탄화물(WC 또는 W2C)과 같은 임의의 촉매 또는 촉매 포함 재료의 농도는 50 부피% 이하, 40 부피% 이하, 30 부피% 이하, 또는 20 부피% 이하일 수 있다. TSP 테이블에 인접한 구배 계면층에서 희생 바인더의 농도는 30 부피% 이하, 20 부피% 이하, 10 부피% 이하, 또는 5 부피% 이하일 수 있다.
단계(12) 내지 단계(16)에 의해 형성된 구배 계면층(8) 또는 다른 층과 같은 구배 계면층의 CTE 프로파일은 선형, 비-선형(하위층에 의해 예를 들어 계단 형상으로), S자형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 예시적인 CTE 프로파일이 도 3에 도시되어 있다. TSP 테이블은 일반적으로 1 x 10-6 인치/인치*/℃의 CTE를 가지거나, 또는 만약 완전히 침출되지 않은 경우에도, 여전히 이 수치에 매우 가깝다. 초경합금(cemented tungsten carbide)은 4 ~ 7 x 10-6 인치/인치*/℃의 CTE를 가진다. 따라서 텅스텐 탄화물 기재를 갖는 PDC에서 구배 계면층은 1 x 10-6 인치/인치*/℃로부터 근 4 ~ 7 x 10-6 인치/인치*/℃로 점진적으로 증가하는 CTE를 갖는다. 유사한 증가가 다른 기재에서 제공될 수 있다.
단계(12) 내지 단계(16)에 의해 형성된 구배 계면층(8) 또는 다른 구배 계면층의 두께는 하위층들을 형성하는데 사용되는 공정, 하위층들의 내용물, 하위층들 사이에서 허용 가능한 CTE의 차이, TSP 테이블과 기재에 부착시키는 방법, 및 다른 요인에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로, 구배 계면층은 1 미크론 내지 200 미크론이지만, 층은 서브 미크론 두께를 가질 수도 있고 최대 5 mm 두께일 수도 있다. 하위층들은 각각 거의 동일한 두께를 갖거나 상이한 두께를 가질 수 있다. 하위층의 두께는, CTE 프로파일의 차이를 생성하고, 소결 동안 상이한 양의 경화(consolidation)를 수용하고, 다양한 다른 특성 및 공정 요구를 수용하도록 조절될 수 있다.
다이아몬드 그레인의 크기는 하위층마다 다를 수 있다. 또한, 하위층 내에서 다이아몬드 그레인들은 하나를 초과하는 개수의 크기를 나타낼 수 있다. 다이아몬드 그레인의 크기는, 예를 들어, 다이아몬드 그레인들을 하나 이상의 사이징 체(sizing sieve)에 통과시키는 것에 의해 또는 임의의 다른 방법에 의해 결정될 수 있다. 상이한 하위층들 또는 동일한 하위층 내 다이아몬드 그레인들은 상대적으로 더 큰 크기 및 적어도 하나의 상대적으로 더 작은 크기를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "상대적으로 더 큰" 및 "상대적으로 더 작은"이라는 문구는 임의의 적절한 방법에 의해 결정된 입자 크기를 지칭하며, 이는 적어도 2배만큼 상이하다. 상대적으로 더 큰 크기는 100㎛, 90㎛, 80㎛, 70㎛, 60㎛, 50㎛, 40㎛, 30㎛, 20㎛, 15㎛, 12㎛, 10㎛ 또는 8㎛를 포함할 수 있다. 상대적으로 더 작은 크기는 30㎛, 20㎛, 10㎛, 15㎛, 12㎛, 10㎛, 8㎛, 4㎛, 2㎛, 1㎛, 0.5㎛, 0.5㎛ 미만, 0.1㎛, 0.1㎛ 미만을 포함할 수 있다. 상대적으로 더 큰 크기를 나타내는 다이아몬드 그레인은 40㎛ 내지 15㎛일 수 있고, 상대적으로 더 작은 크기를 나타내는 다이아몬드 그레인은 12㎛ 내지 2㎛일 수 있다. 다이아몬드 그레인은 또한 3개 이상의 상이한 크기를 포함할 수 있다.
다이아몬드 그레인의 크기는 마모 또는 기계적 특성을 개선하고 사용 동안 균열을 제어하기 위해 층 내 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 하위층은 하나의 그레인 크기를 가진 내부 링 및 다른 그레인 크기를 갖는 외부 링을 포함할 수 있다. 하위층은 나머지 하위층과 다른 그레인 크기를 갖는 다이아몬드 스트립을 포함할 수도 있다.
흑연 입자, 풀러렌(fullerene), 다른 비-다이아몬드 카본 또는 이들의 조합과 같은 비-다이아몬드 카본이 다이아몬드 그레인과 혼합될 수 있다. 비-다이아몬드 카본은 구배 계면층 또는 PDC를 형성하는데 사용되는 HTHP 공정 동안 실질적으로 다이아몬드로 변환된다. 비-다이아몬드 카본이 존재하면 구배 계면층의 다이아몬드 밀도를 향상시킬 수 있다. 비-다이아몬드 카본은 0.1 중량% 내지 20 중량%, 예를 들어 0.1 중량% 내지 10 중량%, 1 중량% 내지 9 중량%, 2 중량% 내지 9 중량%, 3 중량% 내지 6 중량%, 4.5 중량% 내지 5.5 중량%, 5 중량%, 0.1 중량% 내지 0.8 중량% 또는 0.1 중량% 내지 0.50 중량%의 양으로 전체적으로 하위층 또는 구배 계면층에 존재하도록 선택될 수 있다. 비-다이아몬드 카본 내 임의의 흑연 입자는 1㎛ 내지 5㎛의 평균 입자 크기, 예를 들어, 1㎛ 내지 3㎛의 평균 입자 크기를 가질 수 있어서, 흑연 입자는 다이아몬드 그레인에 의해 형성된 간극 구역(interstitial region) 내에 끼워 맞춰질 수 있다. 흑연 입자는 결정질 흑연 입자, 비정질 흑연 입자, 합성 흑연 입자 또는 이들의 조합일 수 있다. "비정질 흑연"이라는 용어는 자연적으로 발생하는 마이크로 결정 흑연을 지칭한다. 결정질 흑연 입자는 자연적으로 발생하거나 또는 합성일 수 있다. 다양한 유형의 흑연 입자는 미국 펜실베니아주 키타닝에 소재하는 애쉬버리 그래파이트 밀스(Ashbury Graphite Mills)사로부터 상업적으로 이용가능하다.
또한, 촉매는 하위층마다 조성이 다를 수 있다. 일반적으로, 이 촉매는 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 이들의 합금과 같은 VIII족 금속 또는 합금 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 촉매는 다이아몬드 그레인과 크기 면에서 유사한 입자로 존재할 수 있다. 촉매 입자는 평균 1㎛ 직경 또는 가장 긴 치수일 수 있다. 종래의 촉매가 본 명세서에서 기본적으로 논의되었지만, 신규하고 비-종래의 촉매들도 또한 사용될 수 있다.
희생 바인더는 에틸렌 비닐 아세테이트, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀; 에틸렌 에틸 아크릴레이트, 그래프트된 말레산 무수물 및 이오노머와 같은 작용화된 폴리올레핀; 카르나우바(carnauba), 꿀벌 왁스 및 꿀벌 왁스 블렌드와 같은 왁스; 열가소성 폴리우레탄; 폴리-아릴-에터-에터-케톤; 무수물 그래프트된 스타이렌계 블록 공중합체와 같은 작용화된 스타이렌계 블록 공중합체; 및 로진의 펜타에리트리톨 에스터, 말레산 무수물로 변성된 로진의 글리세로-에스터, 부분적으로 수소화된 로진검(gum rosin), 발사믹 수지, 에스터화된 열가소성 수지, 부분 중합된(이량체화된) 로진, 지방족 탄화수소 수지, 지방족 탄화수소 수지, 방향족 변성 지방족 탄화수소 수지, 지환족 탄화수소 수지, 방향족 변성 지환족 탄화수소 수지, 폴리에틸렌-부틸 아세테이트(PEBA), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 에틸 아세테이트, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리 비닐 알코올(PVA), 폴리스타이렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리 에틸렌 카보네이트(PEC), 폴리알킬렌 카보네이트(PAC), 폴리카보네이트, 폴리 프로필렌 카보네이트(PPC), 나일론, 폴리비닐 염화물, 폴리부텐, 폴리에스터와 같은 점착제를 포함할 수 있다.
바인더는 또한 수성 및 겔화 중합체 또는 무기 중합체를 포함할 수 있다. 적절한 수성 및 겔화 중합체는 셀룰로스, 알긴산염, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리사카라이드(polysaccharide), 물, 및 이들의 혼합물로부터 형성된 것들을 포함할 수 있다. 무기 중합체 바인더는 실리콘을 포함한다. 다른 바인더는 왁스 또는 천연 및 합성 오일, 예를 들어, 광물 오일 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 적절한 바인더는 HTHP 공정을 거친 후 숯과 같은 잔류물을 최소량 남기도록 선택될 수 있다.
희생 바인더는 평균 직경 또는 가장 긴 치수가 100㎛인 입자와 같은 입자로 존재할 수 있다.
구배 계면층은 또한 그 밖의 경우 고체의 안정한 층을 형성하는 것과 양립 가능한 CTE 조절 재료를 포함할 수 있다. 이 CTE 조절 재료는 다이아몬드의 CTE와 기재의 CTE 사이의 CTE를 가질 수 있다. 적절한 CTE 조절 재료는 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물, 지르코늄 탄화물, 티타늄 탄화물 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
사용된 방법에 따라, 구배 계면층(8)과 같은 구배 계면층은 나중에 TSP 테이블과 기재 모두에 부착되는 별도의 구성 요소로서 단계(12 내지 16)에서 형성될 수 있거나, 또는 이 구배 계면층은 TSP 테이블 상에 또는 기재 상에 형성되고 나서 이후 다른 구성 요소에 부착될 수 있다. 구배 계면층이 처음에 별도의 구성 요소로서 형성되면, 이 구배 계면층은 TSP 테이블과 기재에 부착되기 전에 또는 이 부착과 관련하여 임의의 수송 또는 취급을 견딜 만큼 충분히 응집성(coherent)이 있을 수 있다.
또한, 사용된 방법에 따라, 제2 또는 후속 하위층들은 제1 또는 선행 하위층들 상에 형성될 수 있거나, 또는 하위층들은 별도로 또는 하위층들의 그룹들로 형성될 수 있다. 별도의 하위층들 또는 하위층들의 그룹들은 구배 계면층(8)과 같은 구배 계면층을 형성하도록 조립될 수 있다. 하위층들 또는 하위층들의 조합들이 처음에 별도의 구성 요소들로 형성되면, 이들 하위층들 또는 하위층들의 조합들은 서로 부착되기 전에 또는 서로 부착되는 것과 관련하여 또는 TSP 테이블과 기재에 부착되기 전에 또는 TSP 테이블과 기재에 부착되는 것과 관련하여 임의의 수송 또는 취급을 견딜 만큼 충분히 응집성이 있을 수 있다.
일반적으로, 3D 인쇄와 같은 적층 가공 방법(additive manufacturing method)은 구배 계면층(8)과 같은 구배 계면층을 형성하기 위해 단계(12) 및 단계(14)에서 사용될 수 있다. 이러한 적층 가공는 별개의 하위층들을 순차적으로 형성할 수 있게 한다. 예를 들어, 3D 인쇄는 각 하위층을 위한 재료를 쌓는데 사용될 수 있다. 각 하위층은 다음 하위층이 첨가되기 전에 경화 공정과 같은 마무리 공정을 거치거나, 또는 하위층들의 그룹들이 마무리 공정을 거치거나, 또는 심지어 전체 구배 계면층이 마무리 공정을 거칠 수도 있다. 마무리 공정은 용융 및 압축 몰딩을 포함할 수 있다. 마무리 공정은 공기의 존재 하에 900℃ 미만의 온도 또는 진공 상태에서 1050℃ 미만의 온도와 같이 다이아몬드 그레인의 흑연화를 방지하도록 조건 하에서 수행될 수 있다.
그 밖의 경우 본 명세서에 개시된 방법을 사용하는 일부 대안적인 공정에서, 제1 하위층은 기재 또는 TSP 테이블 상에 형성될 수 있고, 최종 하위층은 이 하위층이 기재 또는 TSP 테이블에 부착되는 시간에 형성될 수 있다. 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 망간(Mn), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 이트륨(Y), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf) 또는 탄탈륨(Ta)과 같은 탄화물 형성원소(carbide former)는 HTHP 공정을 요구함이 없이 TSP 테이블에 부착되는 하위층으로 사용될 수 있다. 탄화물을-형성하는 하위층은 또한 3D 인쇄와 같은 적층 가공 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, HTHP 공정이 사용될 때, 구배 계면층에서 발견되는 바인더 또는 촉매는 기재 및/또는 TSP 테이블 내로 확산되고, 거기에 구배 계면층을 결합시킬 수 있다.
방법(10)의 단계(12 및 14)와 같은 제조 방법에 따라 층(8)과 같은 구배 계면층의 하위층들을 형성하기 위한 적절한 방법은, 예를 들어 분말을 결합시키기 위해 액체 결합제(liquid bonding agent)를 선택적으로 증착(deposited)시킬 때와 같은 바인더 분사; 예를 들어 빌드 재료(building material)의 점적(droplet)을 선택적으로 증착시킬 때와 같은 재료 분사; 열 에너지가 분말 베드(powder bed)의 구역을 선택적으로 용합(fuse)시키는 분말 베드 융합; 재료를 증착시킬 때 열 에너지가 재료를 용융시키는 직접 에너지 증착; 재료 시트(sheet)들을 함께 결합시키는 시트 적층; 액체 광중합체를 광 활성에 의해 선택적으로 경화시키는 수조 중합(vat polymerization); 및 종이, 중합체 또는 금속과 같은 얇은 층을 절삭하여 성형하고 결합한 다음 리보캐스팅(Robocasting)하는 LOM(laminate object manufacturing)을 포함하는, 노즐이나 오리피스를 통해 재료를 선택적으로 분배하는 재료 압출을 포함한다. 또한 적절한 방법은 금속 입자를, 재료를 용합시키지만 완전히 용융시키지는 않는 온도로 가열하는 직접 금속 레이저 소결(direct metal laser sintering: DMLS)을 포함한다. DMLS는 3차원 CAD(3D Computer Aided Design) 데이터를 사용하여 제조 장비로 전송되는 파일(예를 들어, .stl 파일)을 생성한다. DMLS는 17-4 및 15-5 스테인리스와 같은 스테인리스 강; 인코넬(INCONEL)
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(Special Metals Corp., New Hartford, NY) 625 또는 718과 같은 오스테나이트계 니켈-크롬계 초합금; 또는 티타늄, 및 Ti6AlV4와 같은 티타늄 합금과 사용하기에 양립 가능하다. 적절한 방법은 금속 입자를, 재료를 융합시키지만 완전히 용융시키지는 않는 온도로 가열하는 선택적 레이저 소결(selective laser sintering: SLS)을 더 포함한다. SLS에 사용하기에 적절한 재료는 플라스틱, 유리 및 세라믹을 포함한다. 적절한 방법은 미세 금속 분말을 고출력 레이저로 융합시키는 선택적 레이저 용융(selective laser melting: SLM)을 더 포함한다. 입자들은 균질한 성분으로 완전히 용융된다. 3D CAD는 SLM 장비의 정보 소스로 사용된다. SLM의 하위 범주인 레이저 소결은 아르곤 또는 질소와 같은 비활성 또는 비-반응성 분위기에서 수행된다. 하나의 또 다른 적절한 방법은 플라스틱 필라멘트 또는 금속 와이어를 권출하여 부품을 생산하기 위한 재료를 공급하는 융합 증착 모델링(fused deposition modeling; FDM)이다. FDM은 "와이어 공급 3D 인쇄"라고도 지칭된다. 다수의 재료가 동일한 성분 상에 인쇄되고 예를 들어 구배 계면층의 하위층 내에서 변형될 수 있다. 권출 후, 재료는 압출 노즐에서 용융될 때까지 가열된 다음, 제 위치에 증착된다. 수직 및 수평 증착이 가능하다. 수치 제어 메커니즘이 사용될 수 있다. CAM(Computer-Aided Manufacturing) 소프트웨어는 도구 경로를 제공할 수 있다. 상기 방법들의 임의의 조합들은 임의의 하위층을 포함하는 구배 계면층을 형성하는데 사용될 수 있다.
부착 단계(18)는 소결, 전자빔 용접 또는 다른 고온 고압 공정과 같은 임의의 적절한 방법을 포함할 수 있다. 구배 계면층에 포함된 바인더는 일부 공정에서 이 부착 단계까지 열화되거나 배출되지 않을 수 있다.
본 명세서에 개시되거나 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여 제조된 임의의 PDC는 구배 계면층을 형성하거나 및/또는 구배 계면층에 부착시키는 동안 TSP 테이블에 진입하는 임의의 촉매 또는 바인더를 제거하기 위해 추가적인 침출 단계를 거칠 수 있다. 이러한 추가적인 침출은 구배 계면층과의 결합을 파괴하지 않고 가능한 한 TSP 테이블 내로 연장되거나, 또는 이러한 추가적인 침출은 작업 표면 또는 측면 표면과 같은 표면으로 제한될 수 있다.
본 명세서에 개시된 제조 방법 및 PDC의 보다 일반적인 설명의 요소들을 더 포함할 수 있는 특정 예에서, 구배 계면층을 갖는 TSP는 1400℃만큼 높은 온도 및 6㎬만큼 높은 압력에서 수행되는 공정과 같은 HTHP 소결 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 TSP 테이블을 기재에 부착시키는 동안 촉매의 침윤(infiltration) 율 및 침윤 정도를 변경(modifying)하는 것을 포함한다. HTHP 공정은 공정 파라미터의 변화 율을 제어하는 기능이 제한되어 있다. 특히, HTHP 공정은 구배 계면층을 통해 TSP 테이블 내로 촉매의 과도한 침윤을 유발하여 구배를 감소시켜 열적 안정성을 감소시킬 수 있다. 그 결과 과도한 촉매 침윤을 피하기 위해 촉매 침윤 율을 감속시키는 것이 유리할 수 있다. 적어도 하나의 성분 또는 적어도 하나의 이산 하위층이 촉매 침윤 율 및 촉매 침윤 정도를 변경할 수 있다. 이러한 변경 및 그 위치는, 원하는 수준의 촉매 확산 및 제한된 침윤을 달성하기 위해 온도, 압력 및 다른 HTHP 공정 파라미터와 함께 조절될 수 있다.
하나의 변경은, 700℃를 초과하는 소결 공정 동안 탄화물을 형성하는, 규소(Si), 붕소(B), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 및 이들의 조합과 같은 비-촉매 소결 보조제를 도입하는 것을 포함한다. 이러한 금속은 다이아몬드를 소결하는 것을 도와주고, 생성되는 탄화물 결합 매트릭스는 매우 단단하고 연마성이 있다. 또한 생성되는 탄화물은 다이아몬드의 CTE와 유사한 CTE를 구비하고 화학적으로 비활성이어서 이 탄화물은 다이아몬드가 흑연으로 변환되는 것에 촉매 작용을 하지 않는다.
규소 원소 또는 그 합금과 같은 촉매의 용융점 미만의 용융점을 초고압에서 갖는 임의의 비-촉매 소결 보조제는 간극을 통해 구배 계면층, TSP 및 기재 내로 침윤하여, 탄화물 형태 또는 비-촉매성 규화물 또는 붕화물 형태로 변환될 수 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 2의 공정(10)으로서 보다 일반적으로 도시된 것과 같은 공정을 통해 형성 동안 상이한 단계의 PDC(2)와 같은 PDC를 도시한다. 기재(104)의 계면 표면(106)에 인접하고 TSP 테이블(108)의 계면 표면(110)에 인접하게 구배 계면층(102a)의 적어도 2개의 하위층을 배치함으로써 조립체(100)가 형성될 수 있다. 구배 계면층(102), 기재(104), 및 TSP 테이블(108)은 200℃ 내지 1400℃ 범위의 온도 및 대기압 내지 9㎬ 범위의 압력을 사용하는 공정에서 결합될 수 있다.
조립체(100)는 엽납석(pyrophyllite) 또는 다른 압력 전달 매체에 매립된 내화 금속 캔과 같은 압력 전달 매체에 배치될 수 있다. 내부에 에워싸인 조립체(100)를 포함하는 압력 전달 매체는 다이아몬드가 안정된 온도 및 압력 조건을 생성하기 위해 초고압 프레스를 사용하여 HTHP 공정을 거칠 수 있다. HTHP 공정의 온도는 적어도 1000℃, 적어도 1200℃ 또는 적어도 1600℃일 수 있고, 압력은 적어도 4.0㎬, 5.0㎬ 내지 12㎬ 또는 7.5㎬ 내지 11㎬일 수 있다. 이 공정은 다이아몬드 그레인들을 소결시켜 소결된 구배 계면층(102b)을 형성하기에 충분한 시간 기간 동안 발생할 수 있다. 예를 들어, 고온 고압 공정의 압력은 8㎬ 내지 10㎬일 수 있고, 온도는 1150℃ 내지 1450℃일 수 있다. HTHP 공정 후 냉각시, 소결된 계면 구배 층(102b)은 기재(104)와 TSP 테이블(108)에 결합된다.
HTHP 공정에서 사용된 상기 압력 값들은 초고압 프레스로부터의 압력을 조립체(100)로 전달하는 압력 전달 매체 내의 압력을 지칭한다.
HTHP 공정 동안, 구배 계면층(102a)에 존재하는 촉매는 액화되어, 소결된 구배 계면층(102b)을 형성하도록 직접 함께-결합된 다이아몬드 그레인들이 형성되는 것을 촉매 작용을 한다. 추가적으로, (구배 계면층(102)의 하나 이상의 하위층에 존재하는 바인더와 동일하거나 상이할 수 있는) 기재(104)로부터의 촉매는 액화될 수 있고, 구배 계면 하위층(102)의 하나 이상의 하위층의 다이아몬드 그레인들 내로 침윤할 수 있다. 침윤된 촉매는 소결된 구배 계면층(102b)을 형성하도록 직접 함께-결합된 다이아몬드 그레인들이 형성되는 것을 촉매할 수 있다. 이후 소결된 구배 계면층(102b)은 결합된 다이아몬드 그레인들 사이의 간극에 배치된 침윤된 촉매를 갖는 직접 함께-결합된 다이아몬드 그레인들을 포함한다.
도 4a를 참조하면, 소결된 구배 계면층(102b)은 TSP 테이블(108) 또는 기재(104)에 부착하기에 적절하도록 적어도 하나의 표면을 평탄화하기 위해 랩핑 (lapping) 공정과 같은 평탄화 공정을 거칠 수 있다. 연삭(grinding) 공정은, TSP와 기재 중 어느 하나 또는 둘 모두가 비-평면 표면을 갖는 경우, TSP(108) 또는 기재(104)와 결합하기 위한 비-평면 표면을 생성하는데 사용될 수 있다.
도 4c를 참조하면, TSP 테이블(108)의 상부 표면(112)은 작업 표면을 형성하기 위해 랩핑 공정과 같은 평탄화 공정을 거칠 수 있다. 연삭 공정은 평탄화 공정의 전 또는 후에 TSP 테이블(108)에 챔퍼(chamfer)(114)를 형성하는데 사용될 수 있다. 외주 표면(peripheral surface)(116)은 평탄화 공정 및/또는 챔퍼를 형성하는 공정의 전 또는 후에 센터리스(centerless) 연마 연삭 공정 또는 다른 적절한 공정을 사용하여 TSP 테이블(108)에 형성될 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 미리-소결된 구배 계면층(102c)을 사용하여 도 2의 공정(10)으로서 보다 일반적으로 도시된 것과 같은 공정을 통해 형성 동안 상이한 단계의 PDC(2)와 같은 다른 PDC를 도시한다. 조립체(200)는 TSP 테이블(108)의 계면 표면(110)과 기재(104)의 계면 표면(106)을 미리-소결된 구배 계면층(102c)에 인접하게 배치함으로써 형성된다. 미리-소결된 구배 계면층(102c)은 TSP 계면 표면(202), 및 기재(104)의 계면 표면(106)에 인접하게 위치된 기재 계면 표면(204)을 포함한다. 미리-소결된 구배 계면층(102c)의 기재 계면 표면(204)은 기재(104)의 계면 표면(106)의 기하학적 형상에 대응하도록 구성된다. 미리-소결된 구배 계면층(102c)은 적어도 부분적으로 상호 연결된 기공(pore)의 네트워크를 형성하는 간극 구역들을 형성하는 직접 함께-결합된 다이아몬드 그레인들을 포함하며, 이 기공에 의해 유체는 구배 계면층의 계면 표면(202, 204)들 중 적어도 하나의 계면 표면과 기재(104)의 계면 표면(106) 사이에 흐를 수 있다.
구배 구조를 달성하기 위해 3D 인쇄와 같은 적층 가공 방법이 사용될 수 있다.
미리-소결된 구배 계면층(102c)은 본 명세서에 개시된 바와 같은 하위층 또는 조성 구배를 갖는 촉매 또는 바인더의 존재 하에 기재를 갖거나 없는 HPHT 소결 다이아몬드 그레인들에 의해 형성될 수 있다.
HPHT 공정은 또한 조립체를 제조하는데 사용될 수도 있다. 조립체(200)는 엽납석 또는 다른 압력 전달 매체에 매립된 내화 금속 캔과 같은 압력 전달 매체에 배치될 수 있다. 내부에 에워싸인 조립체(200)를 포함하는 압력 전달 매체는 기재(104)로부터의 금속-용매 촉매가 액화되어 미리-소결된 구배 계면층(102c)의 간극 구역 내로 침윤하도록 개시된 HPHT 공정 조건들 중 임의의 공정 조건을 사용하는 초고압 프레스를 사용하여 HPHT 공정을 거칠 수 있다. 예를 들어, HPHT 공정의 압력은 약 5㎬ 내지 약 7㎬일 수 있고, HPHT 공정의 온도는 약 1150℃ 내지 약 1450℃, 예를 들어, 최대 약 1200℃ 또는 최대 약 1400℃일 수 있다. HPHT 공정으로부터 냉각시, 구배 계면층(102c)은 기재(104)와 TSP 테이블(108)에 결합된다.
도 5a를 참조하면, 미리-소결된 구배 계면층(102c)의 TSP 계면 표면(202)과 기재 계면 표면(204)은 랩핑 공정과 같은 평탄화 공정을 거칠 수 있다. 대안적으로, 미리-소결된 구배 계면층(102c)이 부착되어야 하는 비-평면 표면을 갖는 TSP 테이블(108) 또는 기재(104)에 결합하기 위한 비-평면 표면을 생성하는데 연삭 공정이 사용될 수 있다.
도 5c를 참조하면, TSP 테이블(108)의 상부 표면(112)은 랩핑 공정과 같은 평탄화 공정을 거쳐 작업 표면을 형성할 수 있다. 연삭 공정은 평탄화 공정의 전 또는 후에 TSP 테이블(108)에 챔퍼(114)를 형성하는데 사용될 수 있다. 외주 표면(116)은 평탄화 공정 및/또는 챔퍼를 형성하는 공정의 전 또는 후에 센터리스(centerless) 연마 연삭 공정 또는 다른 적절한 공정을 사용하여 TSP 테이블(108)에 형성될 수 있다.
구배 계면층이 PDC로 소결되거나 또는 미리-소결된 다음, 별도의 HTHP 공정에서 기재 또는 TSP 테이블에 결합되었는지 여부에 상관 없이, 대체 재료(replacement material)는 구배 계면층(8)의 적어도 일부의 간극 구역 내로 침윤될 수 있다. 예를 들어, 대체 재료는 다른 HTHP 공정 동안 표면(202)과 같은 TSP 계면 표면 및/또는 구배 계면층(8)의 외주 표면에 인접하게 배치되거나 또는 표면(204)과 같은 기재 계면 표면에 인접하게 배치될 수 있다.
대체 재료는 추가적으로 또는 대안적으로 별도의 HTHP 공정에서 TSP 테이블(4)의 적어도 일부의 간극 구역 내로 침윤될 수 있다. 예를 들어, 대체 재료는 또 다른 HTHP 공정 동안 표면(112)과 같은 상부 표면 및/또는 표면(116)과 같은 외주 표면에 인접하게 배치될 수 있다.
대체 재료는 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba)의 하나 이상의 탄산염을 포함하는 탄산염; Be, Mg, Ca, Sr 및 Ba의 하나 이상의 황산염을 포함하는 황산염; Be, Mg, Ca, Sr 및 Ba의 하나 이상의 수산화물을 포함하는 수산화물; 원소 인(P) 및/또는 그 유도체; Li, Na 및 K의 하나 이상의 염화물을 포함하는 염화물; 원소 황(S); 나프탈렌, 안트라센, 펜타센, 페릴렌, 코로넨, 또는 이들의 조합 및/또는 이들의 유도체 중 하나 이상을 포함하는 다환식(polycyclic) 방향족 탄화수소; 염소화 탄화수소 및/또는 그 유도체; 게르마늄 또는 게르마늄 합금과 같은 반도체 재료; 및 상기의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 적절한 탄산염 재료는 저 융점 삼원 공융계를 형성하는 탄산나트륨, 탄산리튬 및 탄산칼륨의 혼합물을 포함하는 알칼리 금속 탄산염 재료이다. 구배 계면층(102)의 간극 구역에 배치된 침윤된 알칼리 금속 탄산염 재료는 침윤 후 적절한 열 처리에 의해 하나 이상의 대응하는 알칼리 금속 산화물로 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 변환될 수 있다.
TSP 테이블(4)을 위한 대체 재료는 실리콘(Si), 또는 코발트 규화물을 포함하는 실리콘-코발트 합금을 포함할 수 있다. 대체 재료는 실리콘 탄화물, 코발트 탄화물, 코발트와 실리콘의 혼합 탄화물 또는 이들의 조합을 형성하기 위해 TSP 테이블(4)의 적어도 일부분의 다이아몬드 그레인들과 적어도 부분적으로 반응할 수 있다.
실리콘-코발트 대체 재료는 상부 표면(112)에 인접한 층에 존재할 수 있다. 대체 재료 층은 약 50 내지 약 60 중량%의 양으로 존재하는 실리콘 입자 및 약 40 내지 약 50 중량%의 양의 코발트 입자를 포함할 수 있다. 대체 재료 층은 실리콘 입자와 코발트 입자를, 실리콘-코발트 화학계의 공융 조성과 거의 같거나 또는 공융 조성과 유사한 양으로 포함할 수 있다. 실리콘 입자와 코발트 입자는 유기 바인더에 의해 함께 유지되어 코발트 및 실리콘 입자들의 녹색 층을 형성할 수 있다. 대안적으로, 이 층은 저 융점 공융 또는 근 공융 조성을 갖는 기계적 합금에 의해 형성된 실리콘-코발트 합금 입자의 녹색 층 또는 실리콘-코발트 합금의 얇은 시트를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 구배 계면층, 별도의 구배 계면층 또는 하위층을 갖는 부분 PDC는 최종 TSP 요소들을 형성하기 전에 품질 검사를 받을 수 있다. 품질 검사는 컴퓨터 단층 촬영(CT), 비-방사선 검사와 같은 시각적, 음파적, 방사선 검사를 포함할 수 있다.
추가적으로, 임의의 하나의 최종 PDC에서 사용되는 것보다 더 큰 별도의 구배 계면층들 또는 하위층들로 형성된 중간 부분의 경우 이러한 검사는 최종 PDC로부터 제외할 결함 구역을 식별하거나, 또는 중간 부분으로부터 획득되는 사용 가능한 구배 계면층 또는 하위층의 최대 개수를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 중간 부분은 슬래브(slab), 판(plate), 막대(rod), 예비 성형품(preform) 또는 원재료(stock) 형태일 수 있다. 중간 부분에 사용하기에 적절한 성형 및 형성 방법은 절삭, 전자빔, 단조, 열 처리, 및 쇼트 피닝(shot peening)을 포함한다.
본 명세서에 설명된 부착 조인트를 포함하는 PDC는, 도 6에 도시된 바와 같이, 굴착용 드릴 비트와 같은 산업용 장치에 병합될 수 있다. 도 6은, 드릴 비트 몸체(304)에 결합된 복수의 커터(302)를 포함하는 고정 커터 드릴 비트(300)를 도시한다. 커터(302)들 중 적어도 하나의 커터는 도 1에 설명된 PDC(2)와 같은 본 명세서에 설명된 바와 같은 구배 계면층을 포함하는 PDC일 수 있다. 고정 커터 드릴 비트(300)는 연장되는 복수의 블레이드(306)를 갖는 비트 몸체(304)를 포함할 수 있다. 비트 몸체(304)는 강철, 강철 합금, 매트릭스 재료, 또는 원하는 강도, 인성 및 기계 가공성의 다른 적절한 비트 몸체 재료로 형성될 수 있다. 비트 몸체(304)는 원하는 마모 및 침식 특성을 갖도록 형성될 수 있다. PDC 커터(302)는 본 발명의 방법을 사용하거나 다른 방법을 사용하여 비트 상에 장착될 수 있다. PDC 커터는 게이지 구역(gage region)(308), 또는 비-게이지 구역, 또는 이들 둘 모두에 위치될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서, 고정 커터 드릴 비트(300)는 5개의 블레이드(306)를 갖는다. 일부 응용에서, 본 발명의 내용을 포함하는 고정 커터 드릴 비트 상에 배치된 블레이드의 수는 4개 내지 8개 이상의 블레이드로 변할 수 있다.
드릴 비트(300)와 관련된 드릴 동작은, 비트 몸체(304)가 관련된 드릴 스트링(drill string)(명시적으로 도시되지 않음)의 회전에 응답하여 유정 보어(wellbore)의 바닥(명시적으로 도시되지 않음)에 대해 회전할 때, 발생할 수 있다. 관련된 블레이드(306) 상에 배치된 적어도 일부 PDC 커터(302)는 다운홀(downhole) 형성부 (명시적으로 도시되지 않음) 드릴링의 인접한 부분들과 접촉할 수 있다. 이들 PDC 커터(302)는 TSP 테이블이 형성부와 접촉하도록 배향될 수 있다.
PDC는 또한, 노즐 근처 영역, 정크 슬롯(junk slot) 영역, 또는 절삭 제어 구역의 댐핑 또는 깊이 영역을 포함하는 높은 마모 영역과 같은 드릴 비트(300)의 다른 부분(명시적으로 도시되지 않음)에 부착될 수 있다.
또한, TSP 테이블은 중간 기재를 사용하지 않고 드릴 비트(300)에 직접 부착될 수 있다. 이러한 경우에, 본 명세서에 설명된 바와 같은 구배 계면층이 사용될 수 있다. 이러한 TSP 테이블이 부착될 수 있는 비트 몸체 상의 위치는 비트 몸체 재료, 또는 비트 몸체에 미리 설정된 기재 재료와 같은 상이한 재료로 형성될 수 있다.
본 발명은, 적어도 2개의 하위층이 상이한 CTE를 갖는, 복수의 하위층을 형성하고, 상기 복수의 하위층을 서로 부착시킴으로써 TSP 테이블의 CTE와 베이스의 CTE 사이의 CTE의 구배를 갖는 구배 계면층을 형성하는 단계, 상기 구배 계면층을 상기 TSP 테이블에 부착시키는 단계, 및 상기 구배 계면층을 상기 베이스에 부착시키는 단계를 포함하는 PDC를 형성하는 방법에 관한 일 실시예(A)를 제공한다.
본 발명은 또한 TSP CTE를 갖는 TSP 테이블, 베이스 CTE를 갖는 베이스, 및 상기 TSP와 상기 베이스에 결합된 구배 계면층을 포함하는 PDC로서, 상기 구배 계면층은 상기 TSP CTE와 상기 베이스 CTE 사이의 CTE 구배를 갖는, 상기 PDC에 관한 일 실시예(B)를 제공한다. 실시예 B의 PDC는 실시예(A)의 방법을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 실시예(B)의 PDC를 포함하는 굴착용 드릴 비트에 관한 실시예(C)를 더 제공한다.
또한, 실시예(A, B 및 C)는, 명확히 상호 배타적이지 않는 한, 서로 결합될 수도 있는 다음의 추가적인 요소들과 관련하여 사용될 수 있으며, 상기 방법 요소들은 장치를 획득하는데에 사용될 수 있고 상기 장치 요소들은 방법들, 즉 i) CTE의 구배는 선형, 비-선형 또는 S자형일 수 있는 CTE 프로파일을 형성할 수 있다; ii) CTE 프로파일은 비-선형이고 하위층에 의해 계단 형상일 수 있다; iii) 적어도 초기 형성시에 구배 계면층의 각 하위층은 다이아몬드 그레인, 촉매 및 희생 바인더를 포함할 수 있다; iv) 소결된 하위층을 형성하기 위해 초기 형성 후에 하위층은 HTHP 공정을 거칠 수 있다; v) 소결된 하위층은 다이아몬드 그레인과 촉매를 포함할 수 있다; vi) 소결된 하위층은 하위층의 적어도 일부로부터 촉매의 적어도 일부를 제거하도록 침출될 수 있다; vii) 적층 가공 방법을 사용하여 적어도 하나의 하위층이 형성될 수 있다; viii) 적층 가공 방법은 3D 인쇄를 포함할 수 있다; ix) 구배 계면층을 TSP 테이블에 부착하거나 구배 계면층을 베이스에 부착시키는 단계는 HTHP 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다; x) 구배 계면층을 형성하고 이 구배 계면층을 베이스에 부착시키는 단계는 동일한 단계에서 발생할 수 있다; xi) 베이스는 기재를 포함할 수 있고 TSP 요소는 굴착용 드릴 비트를 위한 커터를 포함할 수 있다; xii) 베이스는 초경합금을 포함할 수 있다; xiii) 상기 구배 계면층은 복수의 하위층을 포함할 수 있다; xiv) 구배 계면층의 다이아몬드 그레인의 비율은 CTE가 증가할 때 감소할 수 있다; xv) CTE 구배는 선형, 비-선형 또는 S자형일 수 있는 CTE 프로파일을 형성할 수 있다; xvi) PDC는 비트 몸체에 결결된 PDC 커터를 포함할 수 있다; xvii) 비트 몸체는 베이스를 포함할 수 있다라는 사항으로부터 초래될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 앞서 구체적으로 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이들 실시예에 변형 및 변경이 가능한 것으로 이해된다. 예를 들어 다른 산업용 장치에 TSP 요소를 사용하는 것은 드릴 비트의 예를 참조하는 것에 의해 결정될 수 있다.

Claims (20)

  1. 다결정 다이아몬드 컴팩트(polycrystalline diamond compact: PDC)를 형성하는 방법으로서,
    적어도 2개의 하위층이 상이한 CTE(coefficient of thermal expansion)들을 갖는, 복수의 하위층을 형성하고, 상기 복수의 하위층을 서로 부착시킴으로써 열적으로 안정된 다이아몬드(thermally stable diamond)(TSP) 테이블의 CTE와 베이스의 CTE 사이의 범위에 있는 열 팽창 계수(CTE)들의 구배를 갖는 구배 계면층(gradient interfacial layer)을 형성하는 단계;
    상기 구배 계면층을 상기 TSP 테이블에 부착시키는 단계; 및
    상기 구배 계면층을 상기 베이스에 부착시키는 단계를 포함하는, PDC를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 팽창 계수들의 구배는 선형, 비-선형 또는 S자형일 수 있는 CTE 프로파일을 형성하는, PDC를 형성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 CTE 프로파일은 비-선형이고 하위층에 의해 계단 형상인, PDC를 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구배 계면층의 각 하위층은 적어도 초기 형성 시에 다이아몬드 그레인(grain)들, 촉매 및 희생 바인더(sacrificial binder)를 포함하는, PDC를 형성하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하위층은 소결된 하위층을 형성하기 위해 초기 형성 후에 고온 고압(high temperature high pressure: HTHP) 공정을 받는, PDC를 형성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 소결된 하위층은 다이아몬드 그레인들과 촉매를 포함하는, PDC를 형성하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 소결된 하위층은 상기 하위층의 적어도 일부로부터 상기 촉매의 적어도 일부를 제거하도록 침출되는, PDC를 형성하는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 하위층이 적층 가공 방법(additive manufacturing method)을 이용하여 형성되는, PDC를 형성하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적층 가공 방법은 3차원(3D) 인쇄를 포함하는, PDC를 형성하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 구배 계면층을 상기 TSP 테이블에 부착시키는 단계 또는 상기 구배 계면층을 상기 베이스에 부착시키는 단계는 고온 고압(HTHP) 공정을 수행하는 단계를 포함하는, PDC를 형성하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 구배 계면층을 형성하는 단계 및 상기 구배 계면층을 상기 베이스에 부착시키는 단계는 동일한 단계에서 발생하는, PDC를 형성하는 방법.
  12. 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC)로서,
    TSP 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 열적으로 안정된 다이아몬드(TSP) 테이블;
    베이스 CTE를 갖는 베이스; 및
    상기 TSP와 상기 베이스에 결합된 구배 계면층으로서, 상기 TSP CTE와 상기 베이스 CTE 사이의 CTE 구배를 갖는, 상기 구배 계면층을 포함하는, PDC.
  13. 제12항에 있어서, 상기 베이스는 기재를 포함하고, 상기 PDC는 굴착용 드릴 비트(earth-boring drill bit)용 커터(cutter)를 포함하는, PDC.
  14. 제12항에 있어서, 상기 베이스는 초경합금(cemented carbide)을 포함하는, PDC.
  15. 제12항에 있어서, 상기 구배 계면층은 복수의 하위층을 포함하는, PDC.
  16. 제12항에 있어서, 상기 구배 계면층 내 다이아몬드 그레인들의 비율은 CTE가 증가할 때 감소하는, PDC.
  17. 제12항에 있어서, 상기 CTE 구배는 선형, 비-선형 또는 S자형일 수 있는 CTE 프로파일을 형성하는, PDC.
  18. 굴착용 드릴 비트로서,
    비트 몸체; 및
    다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC)를 포함하되, 상기 다결정 다이아몬드 컴팩트는,
    TSP 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 열적으로 안정된 다이아몬드(TSP) 테이블;
    베이스 CTE를 갖는 베이스; 및
    상기 TSP와 상기 베이스에 결합된 구배 계면층으로서, 상기 TSP CTE와 상기 베이스 CTE 사이의 CTE 구배를 갖는, 상기 구배 계면층을 포함하는, 굴착용 드릴 비트.
  19. 제18항에 있어서, 상기 PDC는 상기 비트 몸체에 결합된 PDC 커터를 포함하는, 굴착용 드릴 비트.
  20. 제18항에 있어서, 상기 비트 몸체는 상기 베이스를 포함하는, 굴착용 드릴 비트.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170131618A (ko) * 2015-05-28 2017-11-29 핼리버튼 에너지 서비시즈 인코퍼레이티드 다결정 다이아몬드 공구를 제조하는 재료 편석 유도 방법

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3426466B1 (en) * 2016-05-12 2022-05-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Predicting quality of a 3d object part
WO2017201611A1 (en) * 2016-05-27 2017-11-30 Husky Injection Molding Systems Ltd. Mold gate structures
CN106563809A (zh) * 2016-11-14 2017-04-19 中石化石油机械股份有限公司江钻分公司 一种聚晶金刚石‑硬质合金复合片及其制备方法
US11035407B2 (en) 2018-07-30 2021-06-15 XR Downhole, LLC Material treatments for diamond-on-diamond reactive material bearing engagements
US11187040B2 (en) 2018-07-30 2021-11-30 XR Downhole, LLC Downhole drilling tool with a polycrystalline diamond bearing
US10760615B2 (en) 2018-07-30 2020-09-01 XR Downhole, LLC Polycrystalline diamond thrust bearing and element thereof
US11286985B2 (en) 2018-07-30 2022-03-29 Xr Downhole Llc Polycrystalline diamond bearings for rotating machinery with compliance
US11054000B2 (en) 2018-07-30 2021-07-06 Pi Tech Innovations Llc Polycrystalline diamond power transmission surfaces
US10465775B1 (en) 2018-07-30 2019-11-05 XR Downhole, LLC Cam follower with polycrystalline diamond engagement element
US11371556B2 (en) 2018-07-30 2022-06-28 Xr Reserve Llc Polycrystalline diamond linear bearings
US11014759B2 (en) 2018-07-30 2021-05-25 XR Downhole, LLC Roller ball assembly with superhard elements
US10738821B2 (en) 2018-07-30 2020-08-11 XR Downhole, LLC Polycrystalline diamond radial bearing
WO2020028674A1 (en) 2018-08-02 2020-02-06 XR Downhole, LLC Polycrystalline diamond tubular protection
US11603715B2 (en) 2018-08-02 2023-03-14 Xr Reserve Llc Sucker rod couplings and tool joints with polycrystalline diamond elements
CN109175377A (zh) * 2018-08-08 2019-01-11 苏州山德精密工具有限公司 钻头刀具的生产工艺
JP7429220B2 (ja) * 2018-08-20 2024-02-07 キョウセラ ファインセラミックス プレシジョン ゲーエムベーハー 添加剤製造方法を使用して部品を製造する製造方法及び部品
CN110757912B (zh) * 2019-11-20 2022-03-11 聊城纬特新材料科技有限公司 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法
CN111408720B (zh) * 2020-04-29 2020-12-15 西北工业大学 一种铁镍-锰铜异种材料金属零件激光增材制造方法
US11614126B2 (en) 2020-05-29 2023-03-28 Pi Tech Innovations Llc Joints with diamond bearing surfaces
US12042868B2 (en) 2020-06-02 2024-07-23 Saudi Arabian Oil Company Producing catalyst-free PDC cutters
US12006973B2 (en) 2020-11-09 2024-06-11 Pi Tech Innovations Llc Diamond surface bearings for sliding engagement with metal surfaces
WO2022099184A1 (en) 2020-11-09 2022-05-12 Gregory Prevost Continuous diamond surface bearings for sliding engagement with metal surfaces
US12024470B2 (en) 2021-02-08 2024-07-02 Saudi Arabian Oil Company Fabrication of downhole drilling tools
CN115213413A (zh) * 2021-06-18 2022-10-21 河南四方达超硬材料股份有限公司 复合超硬零件及其生产工艺
US20230226767A1 (en) * 2022-01-14 2023-07-20 Sakuu Corporation Printing method and system for additive manufacturing, including in-situ powder regeneration
CN114515833B (zh) * 2022-02-28 2023-05-12 中南大学 一种功能梯度结构的聚晶金刚石复合片及其制备方法
US20230366272A1 (en) * 2022-05-10 2023-11-16 Saudi Arabian Oil Company Fabricating drill bits

Family Cites Families (74)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4525178A (en) * 1984-04-16 1985-06-25 Megadiamond Industries, Inc. Composite polycrystalline diamond
US5127923A (en) 1985-01-10 1992-07-07 U.S. Synthetic Corporation Composite abrasive compact having high thermal stability
US4871377A (en) 1986-07-30 1989-10-03 Frushour Robert H Composite abrasive compact having high thermal stability and transverse rupture strength
US6063333A (en) * 1996-10-15 2000-05-16 Penn State Research Foundation Method and apparatus for fabrication of cobalt alloy composite inserts
US6220375B1 (en) 1999-01-13 2001-04-24 Baker Hughes Incorporated Polycrystalline diamond cutters having modified residual stresses
US20040199260A1 (en) 2000-01-30 2004-10-07 Pope Bill J. Prosthetic joint component having at least one sintered polycrystalline diamond compact articulation surface and substrate surface topographical features in said polycrystalline diamond compact
US6592985B2 (en) 2000-09-20 2003-07-15 Camco International (Uk) Limited Polycrystalline diamond partially depleted of catalyzing material
US20050241239A1 (en) * 2004-04-30 2005-11-03 Chien-Min Sung Abrasive composite tools having compositional gradients and associated methods
US7475744B2 (en) 2005-01-17 2009-01-13 Us Synthetic Corporation Superabrasive inserts including an arcuate peripheral surface
US7681669B2 (en) 2005-01-17 2010-03-23 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond insert, drill bit including same, and method of operation
US7435478B2 (en) 2005-01-27 2008-10-14 Smith International, Inc. Cutting structures
US7497280B2 (en) 2005-01-27 2009-03-03 Baker Hughes Incorporated Abrasive-impregnated cutting structure having anisotropic wear resistance and drag bit including same
US7543662B2 (en) * 2005-02-15 2009-06-09 Smith International, Inc. Stress-relieved diamond inserts
US7694757B2 (en) 2005-02-23 2010-04-13 Smith International, Inc. Thermally stable polycrystalline diamond materials, cutting elements incorporating the same and bits incorporating such cutting elements
US7918293B1 (en) 2005-03-09 2011-04-05 Us Synthetic Corporation Method and system for perceiving a boundary between a first region and a second region of a superabrasive volume
US7533739B2 (en) 2005-06-09 2009-05-19 Us Synthetic Corporation Cutting element apparatuses and drill bits so equipped
US7942218B2 (en) 2005-06-09 2011-05-17 Us Synthetic Corporation Cutting element apparatuses and drill bits so equipped
US7635035B1 (en) 2005-08-24 2009-12-22 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact (PDC) cutting element having multiple catalytic elements
US7845436B2 (en) 2005-10-11 2010-12-07 Us Synthetic Corporation Cutting element apparatuses, drill bits including same, methods of cutting, and methods of rotating a cutting element
US7510034B2 (en) * 2005-10-11 2009-03-31 Baker Hughes Incorporated System, method, and apparatus for enhancing the durability of earth-boring bits with carbide materials
US7604073B2 (en) 2005-10-11 2009-10-20 Us Synthetic Corporation Cutting element apparatuses, drill bits including same, methods of cutting, and methods of rotating a cutting element
US7841428B2 (en) 2006-02-10 2010-11-30 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond apparatuses and methods of manufacture
US7493965B1 (en) 2006-04-12 2009-02-24 Us Synthetic Corporation Apparatuses and methods relating to cooling a subterranean drill bit and/or at least one cutting element during use
US8316969B1 (en) 2006-06-16 2012-11-27 Us Synthetic Corporation Superabrasive materials and methods of manufacture
US7516804B2 (en) 2006-07-31 2009-04-14 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond element comprising ultra-dispersed diamond grain structures and applications utilizing same
US7493972B1 (en) 2006-08-09 2009-02-24 Us Synthetic Corporation Superabrasive compact with selected interface and rotary drill bit including same
US8080071B1 (en) 2008-03-03 2011-12-20 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact, methods of fabricating same, and applications therefor
US8034136B2 (en) 2006-11-20 2011-10-11 Us Synthetic Corporation Methods of fabricating superabrasive articles
US8080074B2 (en) 2006-11-20 2011-12-20 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts, and related methods and applications
US7998573B2 (en) 2006-12-21 2011-08-16 Us Synthetic Corporation Superabrasive compact including diamond-silicon carbide composite, methods of fabrication thereof, and applications therefor
WO2008092093A2 (en) 2007-01-26 2008-07-31 Diamond Innovations, Inc. Graded drilling cutters
US8858871B2 (en) 2007-03-27 2014-10-14 Varel International Ind., L.P. Process for the production of a thermally stable polycrystalline diamond compact
US9468980B2 (en) * 2007-04-03 2016-10-18 H. Sam Cho Contoured PCD and PCBN segments for cutting tools containing such segments
US7951213B1 (en) 2007-08-08 2011-05-31 Us Synthetic Corporation Superabrasive compact, drill bit using same, and methods of fabricating same
US7762359B1 (en) 2007-08-22 2010-07-27 Us Synthetic Corporation Cutter assembly including rotatable cutting element and drill bit using same
US8627904B2 (en) 2007-10-04 2014-01-14 Smith International, Inc. Thermally stable polycrystalline diamond material with gradient structure
US7896551B2 (en) 2007-10-15 2011-03-01 Us Synthetic Corporation Hydrodynamic bearing assemblies, and hydrodynamic bearing apparatuses and motor assemblies using same
US7806206B1 (en) 2008-02-15 2010-10-05 Us Synthetic Corporation Superabrasive materials, methods of fabricating same, and applications using same
US8911521B1 (en) * 2008-03-03 2014-12-16 Us Synthetic Corporation Methods of fabricating a polycrystalline diamond body with a sintering aid/infiltrant at least saturated with non-diamond carbon and resultant products such as compacts
US8393419B1 (en) 2008-03-13 2013-03-12 Us Synthetic Corporation Superabrasive elements having indicia and related apparatus and methods
US8057775B2 (en) 2008-04-22 2011-11-15 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond materials, methods of fabricating same, and applications using same
US7842111B1 (en) 2008-04-29 2010-11-30 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts, methods of fabricating same, and applications using same
US7845438B1 (en) 2008-05-15 2010-12-07 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts, methods of fabricating same, and applications using same
US7866418B2 (en) 2008-10-03 2011-01-11 Us Synthetic Corporation Rotary drill bit including polycrystalline diamond cutting elements
US8083012B2 (en) 2008-10-03 2011-12-27 Smith International, Inc. Diamond bonded construction with thermally stable region
US8297382B2 (en) 2008-10-03 2012-10-30 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts, method of fabricating same, and various applications
US8663349B2 (en) 2008-10-30 2014-03-04 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts, and related methods and applications
US8074566B1 (en) 2009-01-16 2011-12-13 Us Synthetic Corporation Cell assembly for use in a high-pressure cubic press
US8071173B1 (en) 2009-01-30 2011-12-06 Us Synthetic Corporation Methods of fabricating a polycrystalline diamond compact including a pre-sintered polycrystalline diamond table having a thermally-stable region
US7971663B1 (en) 2009-02-09 2011-07-05 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact including thermally-stable polycrystalline diamond body held in barrier receptacle and applications therefor
US8074748B1 (en) 2009-02-20 2011-12-13 Us Synthetic Corporation Thermally-stable polycrystalline diamond element and compact, and applications therefor such as drill bits
US8069937B2 (en) 2009-02-26 2011-12-06 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact including a cemented tungsten carbide substrate that is substantially free of tungsten carbide grains exhibiting abnormal grain growth and applications therefor
US8079431B1 (en) 2009-03-17 2011-12-20 Us Synthetic Corporation Drill bit having rotational cutting elements and method of drilling
US8216677B2 (en) 2009-03-30 2012-07-10 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts, methods of making same, and applications therefor
WO2010117765A1 (en) 2009-03-30 2010-10-14 Schlumberger Canada Limited Double sintered thermally stable polycrystalline diamond cutting elements
US10543548B2 (en) 2009-04-16 2020-01-28 Us Synthetic Corporation Apparatuses and methods for induction heating
US8147790B1 (en) 2009-06-09 2012-04-03 Us Synthetic Corporation Methods of fabricating polycrystalline diamond by carbon pumping and polycrystalline diamond products
US8277722B2 (en) 2009-09-29 2012-10-02 Baker Hughes Incorporated Production of reduced catalyst PDC via gradient driven reactivity
US8596387B1 (en) 2009-10-06 2013-12-03 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact including a non-uniformly leached polycrystalline diamond table and applications therefor
US8353371B2 (en) 2009-11-25 2013-01-15 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact including a substrate having a raised interfacial surface bonded to a leached polycrystalline diamond table, and applications therefor
US20110171414A1 (en) * 2010-01-14 2011-07-14 National Oilwell DHT, L.P. Sacrificial Catalyst Polycrystalline Diamond Element
US8439137B1 (en) 2010-01-15 2013-05-14 Us Synthetic Corporation Superabrasive compact including at least one braze layer thereon, in-process drill bit assembly including same, and method of manufacture
US8479845B1 (en) 2010-04-20 2013-07-09 Us Synthetic Corporation Cutting element assembly including one or more superabrasive cutting elements, drill bit utilizing the same, and methods of manufacture
WO2012006281A2 (en) 2010-07-06 2012-01-12 Baker Hughes Incorporated Methods of forming inserts and earth-boring tools
US8702824B1 (en) 2010-09-03 2014-04-22 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact including a polycrystalline diamond table fabricated with one or more sp2-carbon-containing additives to enhance cutting lip formation, and related methods and applications
US8689912B2 (en) 2010-11-24 2014-04-08 Smith International, Inc. Polycrystalline diamond constructions having optimized material composition
US10309158B2 (en) 2010-12-07 2019-06-04 Us Synthetic Corporation Method of partially infiltrating an at least partially leached polycrystalline diamond table and resultant polycrystalline diamond compacts
US8512023B2 (en) 2011-01-12 2013-08-20 Us Synthetic Corporation Injection mold assembly including an injection mold cavity at least partially defined by a polycrystalline diamond material
US8727044B2 (en) 2011-03-24 2014-05-20 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compact including a carbonate-catalyzed polycrystalline diamond body and applications therefor
US20120241225A1 (en) 2011-03-25 2012-09-27 International Diamond Services, Inc. Composite polycrystalline diamond body
US8727046B2 (en) * 2011-04-15 2014-05-20 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts including at least one transition layer and methods for stress management in polycrsystalline diamond compacts
US8651743B2 (en) 2011-04-19 2014-02-18 Us Synthetic Corporation Tilting superhard bearing elements in bearing assemblies, apparatuses, and motor assemblies using the same
US20140231151A1 (en) 2013-01-28 2014-08-21 National Oilwell Varco, L.P. Optimum powder placement in polycrystalline diamond cutters
US10100583B2 (en) * 2013-09-04 2018-10-16 Smith International, Inc. Cutting elements with wear resistant diamond surface

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170131618A (ko) * 2015-05-28 2017-11-29 핼리버튼 에너지 서비시즈 인코퍼레이티드 다결정 다이아몬드 공구를 제조하는 재료 편석 유도 방법

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