MX2013001241A - Elementos cortantes que incluyen nanoparticulas en por lo menos una porcion de los mismos, herramientas para perforacion en la tierra que incluyen tales elementos cortantes, y metodos relacionados. - Google Patents

Abstract

Elementos cortantes que comprenden un material policristalino de multi-porción. Por lo menos una porción del material policristalino de multi-porción comprende un volumen más alto de nanoparticulas que por lo menos la otra porción. Las herramientas para perforación en la tierra comprenden un cuerpo y por lo menos un elemento cortante unido al cuerpo. El por lo menos un elemento cortante comprende un material policristalino duro. El material policristalino duro comprende una primera porción que comprende un primer volumen de nanoparticulas. Una segunda porción del material policristalino duro comprende un segundo volumen de nanopartículas. El primer volumen de nanopartículas difiere del segundo volumen de nanopartículas. Los métodos para formar elementos cortantes para herramientas para perforación en la tierra comprenden formar un volumen de material superabrasivo, que incluye formar una primera porción del material superabrasivo que comprende un primer volumen de nanopartículas. Se forma una segunda porción del material superabrasivo que comprende un segundo volumen de nanopartículas, el segundo volumen que difiere del primer volumen.

Description

ELEMENTOS CORTANTES QUE INCLUYEN NANOPARTíCULAS EN POR LO MENOS UNA PORCIÓN DE LOS MISMOS, HERRAMIENTAS PARA PERFORACIÓN EN LA TIERRA QUE INCLUYEN TALES ELEMENTOS CORTANTES, Y MÉTODOS RELACIONADOS . CAMPO TÉCNICO Las modalidades de la presente invención generalmente se relacionan a elementos cortantes que incluyen una tabla o faceta de material superabrasivo (por ejemplo, diamante policristalino o nitruro de boro cúbico) formada en un sustrato, a herramientas para perforación en la tierra que incluyen tales elementos cortantes y a métodos para formar tales elementos cortantes y herramientas para perforación en la tierra.

ANTECEDENTES Las herramientas para perforación en la tierra para formar pozos en formaciones de tierra subterránea generalmente incluyen una pluralidad de elementos cortantes asegurados a un cuerpo. Por ejemplo, las brocas de barrena rotatorias para perforación en la tierra de cortador fijado (también referidas como "brocas de arrastre") incluyen una pluralidad de elementos cortantes que se unen fijamente a un cuerpo de broca de la broca de barrena. De manera similar, las brocas de barrena rotatorias para perforación en la tierra de cono y rodillo pueden incluir conos que están montados sobre pernos de cojinete que se extienden desde las patas de un cuerpo de broca tal que cada cono es capaz de rotar alrededor del perno de cojinete al cual está montado. Una pluralidad de elementos cortantes se puede montar a cada cono de la broca de barrena.

Los elementos cortantes utilizados en tales herramientas para perforación en la tierra frecuentemente incluyen elementos cortantes compactos de diamante policristalino (frecuentemente referido como "PDC") , que son elementos cortantes que incluyen caras cortantes de un material de diamante policristalino. Tales elementos cortantes de diamante policristalino se forman al sinterizar y enlazar conjuntamente granos o cristales relativamente pequeños con enlaces de diamante a diamante bajo condiciones de alta temperatura y alta presión en la presencia de un catalizador (tal como, por ejemplo, metales del Grupo VIIIA que incluyen a manera de ejemplo cobalto, hierro, níquel o aleaciones y mezclas de los mismos) para formar una capa o "tabla" de material de diamante policristalino en un sustrato de elemento cortante. Estos procesos son referidos frecuentemente como procesos de alta temperatura/alta presión (o "HTHP") . El sustrato de elemento cortante puede comprender un material cermet (es decir, un material compuesto de cerámica-metal) tal como, por ejemplo, carburo de tungsteno cementado de cobalto. En tales casos, el cobalto (u otro material de catalizador) en el sustrato de elemento cortante puede ser barrido en los cristales de diamante durante la sinterización y sirven como el material de catalizador para formar la tabla de diamante de los cristales de diamante. En otros métodos, el material de catalizador en polvo se puede mezclar con los cristales de diamante antes de sinterizar los cristales conjuntamente en un proceso HTHP.

En la formación de una tabla o faceta de diamante utilizando un proceso HTHP, el material de catalizador puede permanecer en espacios intersticiales entre los cristales de diamante' en la tabla de diamante policristalino resultante. La presencia del material de catalizador en la tabla de diamante puede contribuir -al daño térmico en la tabla de diamante cuando el elemento cortante se calienta durante el uso debido a la fricción en el punto de contacto entre el elemento cortante y la formación. Por consiguiente, el elemento cortante de diamante policristalino se puede formar al lixiviar el material de catalizador (por ejemplo, cobalto) fuera de los espacios intersticiales entre los cristales de diamante en la tabla de diamante utilizando, por ejemplo, un ácido o combinación de ácidos, por ejemplo, agua regia. Sustancialmente todo del material de catalizador se puede remover de la tabla de diamante, o el material de catalizador se puede remover de solamente una porción del mismo, por ejemplo, de la cara cortante, del lado de la tabla de diamante, o ambos, a una profundidad deseada.

Los cortadores PDC típicamente son cilindricos en forma y tienen un borde cortante en la periferia de la cara cortante para acoplar una formación subterránea. A través del tiempo, el borde cortante llega a ser debilitado. Conforme el borde cortante se debilita, el área de superficie en la cual el borde cortante del cortador PDC se acopla la formación incrementa debido a la formación de un llamado plano de desgaste o marca de desgaste que se extiende en la pared lateral de la tabla de diamante. Conforme el área de superficie de la tabla de diamante se acopla la formación incrementa, se genera más calor inducido por fricción entre la formación y la tabla de diamante en el área del borde cortante. Adicionalmente, conforme el borde cortante se debilita, la fuerza o peso hacia abajo en la broca (WOB) debe ser incrementada para mantener la misma velocidad de penetración (ROP) como un borde cortante agudo. Consecuentemente, el incremento en el calor inducido por fricción y fuerza hacia abajo puede causar astillado, desprendimiento, agrietamiento o deslaminación del cortador PDC debido a una desigualdad en el coeficiente de expansión térmica entre los cristales de diamante y el material de catalizador. Además, a temperatura de aproximadamente 750 °C y arriba, la presencia del material de catalizador puede causar la llamada retro-grafitización de los cristales de diamante en carbono elemental.

Por consiguiente, aun permanece una necesidad en la técnica para elementos cortantes que incrementen la durabilidad asi como la eficiencia cortante del cortador.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Mientras que la especificación concluye con las reivindicaciones que particularmente puntualizan y distintamente reivindican lo que se considera como modalidades de la presente invención, las ventajas de la invención se pueden averiguar más fácilmente a partir de la descripción de algunas modalidades de ejemplo de la invención proporcionada enseguida, cuando se leen en conjunción con los dibujos acompañantes, en los cuales: La FIG. 1 ilustra una vista en sección transversal longitudinal agrandada de una modalidad de un elemento cortante de la presente invención; la FIG. 2 ilustra una vista en sección transversal longitudinal agrandada de una modalidad de un material policristalino de multi-porción de la presente invención; la FIG. 3 es una figura simplificada que ilustra como una microestructura del material policristalino de multi-porción de la FIG. 2 puede aparecer bajo aumento; las FIGS. 4-9 ilustran modalidades adicionales de vistas en sección transversal longitudinales agrandadas de un material policristalino de multi-porción de la presente invención; y las FIGs. 10A-10 son vistas en sección transversal longitudinal agrandadas de modalidades de un material policristalino de multi-porción de la presente invención.

MODO(S) PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN Las ilustraciones presentadas aquí no se proponen para ser vistas reales de cualquier material o dispositivo particular, sino que son meramente representaciones idealizadas que se emplean para describir algunos ejemplos de las modalidades de la presente invención. Adicionalmente, los elementos comunes entre las figuras pueden retener la misma designación numérica.

Las modalidades de la presente invención incluyen métodos para fabricar elementos cortantes que incluyen múltiples porciones o regiones de material, relativamente duro, en donde una o más de las múltiples porciones o regiones incluyen nanoparticulas (por ejemplo, granos de tamaño manométrico) en las mismas. Por ejemplo, en algunas modalidades, el material relativamente duro puede comprender material de diamante policristalino. En algunas modalidades, los métodos emplean el uso de un material de catalizador para formar una porción del material relativamente duro (por ejemplo, material de diamante policristalino) .

Como se utiliza en la presente, el término "broca de barrena" significa e incluye cualquier tipo de broca o herramienta utilizada para taladrar durante la formación o agrandamiento de un pozo en una formación subterránea e incluye, por ejemplo, brocas de barrena rotatorias, brocas de percusión, brocas de núcleo, brocas eccéntricas, brocas bicéntricas, ensanchadores, molinos, brocas de arrastre, brocas de cono de rodillo, brocas híbridas y otras brocas y herramientas de perforación conocidas en la técnica.

Como se utiliza en la presente, el término "compacto policristalino" significa e incluye cualquier estructura que comprende un material policristalino formado por un proceso que involucra la aplicación de presión (por ejemplo, compactación) a un material precursor o materiales utilizados para formar el material policristalino.

Como se utiliza en la presente, el término "enlace inter-granular" significa e incluye cualquier enlace atómico directo (por ejemplo, covalente, metálico, etc.) entre átomos en granos adyacentes de material.

Como se utiliza en la presente el término "nanopartículas" significa e incluye cualquier partícula que tiene un diámetro de partícula promedio de aproximadamente 500 nm o menos.

Como se utiliza en la presente, el término "material de catalizador" se refiere a cualquier material que es capaz de catalizar sustancialmente la formación de enlaces inter-granulares entre granos de material duro durante un HTHP pero por lo menos contribuye a la degradación de los enlaces inter-granulares y material granular bajo temperaturas elevadas, presiones y otras condiciones que se pueden encontrar en una operación de perforación para formar una perforación de pozo en una formación subterránea. Por ejemplo, los materiales de catalizador para diamante incluyen cobalto, hierro, níquel, otros elementos del Grupo VIIIA de la Tabla Periódica de los Elementos y aleaciones de los mismos .

La FIG. 1 es una vista en sección transversal simplificada de una modalidad de un elemento cortante 100 de la presente invención. El elemento cortante 100 se puede unir a una herramienta para perforación en la tierra tal como una broca de barrena rotatoria para perforación en la tierra (por ejemplo, una broca de barrena rotatoria de cortador fijado). El elemento cortante 100 incluye una tabla policristalina de multi-porción o capa de material policristalino de multi-porción dura 102 que se proporciona en (por ejemplo, formado sobre o unido a) un sustrato de soporte 104. En modalidades adicionales, el material policristalino de multi-porción 102 de la presente invención se puede formar sin un sustrato de soporte 104, y/o se puede emplear sin un sustrato de soporte 104. El material policristalino de multi-porción 102 se puede formar en el sustrato de soporte 104, o la tabla de diamante de multi-porción 102 y el sustrato de soporte 104 se puede formar separadamente y subsecuentemente unir de manera conjunta. En todavía modalidades adicionales, el material policristalino de multi-porción 102 se puede formar en el sustrato de soporte 104, después de lo cual el sustrato de soporte y el material policristalino de multi-porción 102 se puede separar y remover de entre sí y el material policristalino de multi-porción 102 subsecuentemente se puede unir a otro sustrato que es similar a, o diferente de, el sustrato 104. El material policristalino de multi-porción 102 incluye una cara cortante 117 opuesta al sustrato de soporte 104. El material policristalino de multi-porción 102 también puede tener, opcionalmente, un borde biselado 118 en una periferia de la cara cortante 117 (por ejemplo, a lo largo de por lo menos una porción de un borde periférico de la cara cortante 117). El borde biselado 118 del elemento cortante 100 mostrado en la FIG. 1 tiene una sola superficie biselada, aunque el borde biselado 118 también puede tener superficies biseladas adicionales y tales superficies biseladas se püeden orientar en ángulos biselados que difieren del ángulo biselado del borde biselado 118, como se muestra en la técnica. Adicionalmente, en vista de un borde biselado 118, el borde se puede redondear o comprender una combinación de una o más superficies biseladas y unas o más superficies arqueadas .

El sustrato de soporte 104 puede tener una forma generalmente cilindrica como se muestra en la FIG. 1. El sustrato de soporte 104 puede tener una primera superficie final 110, una segunda superficie final 112 y una superficie lateral generalmente cilindrica 114 que se extiende entre la primera superficie final 110 y la segunda superficie final 112.

Aunque la primera superficie final 110 mostrada en la FIG. 1 es por lo menos sustancialmente plana, es bien conocido en la técnica emplear geometrías de interface no planas entre los sustratos y las tablas de diamante formadas en los mismos, y modalidades adicionales de la presente invención pueden emplear tales geometrías de interface no planas en la interface entre el sustrato de soporte 104 y el material policristalino de multi-porción 102. Adicionalmente, aunque los sustratos de elementos cortantes comúnmente tienen una forma cilindrica, similar al sustrato de soporte 104, otras formas de sustratos de elementos cortantes también son conocidas en la técnica y modalidades de la presente invención incluyen elementos cortantes que tienen formas diferentes a una forma generalmente cilindrica.

El sustrato de soporte 104 se puede formar de un material que es relativamente duro y resistente al desgaste. Por ejemplo, el sustrato de soporte 104 se puede formar de e incluye un material compuesto de cerámica-metal (que frecuentemente son referidos como materiales de "cermet") . El sustrato de soporte 104 puede incluir un material de carburo cementado, tal como un material de carburo de tungsteno cementado, en el cual las partículas de carburo de tungsteno se cementan conjuntamente en un material de matriz metálica. El material de matriz metálica puede incluir, por ejemplo, metal catalizador tal como cobalto, níquel, hierro o aleaciones y mezclas de los mismos. Además, en algunas modalidades, el material de matriz metálica puede comprender un material de catalizador capaz de catalizador los enlaces inter-granulares entre los granos de material duro en el material policristalino de multi-porción 102.

En algunas modalidades, el elemento cortante 100 puede ser funcionalmente graduado entre el sustrato de soporte 104 y el material policristalino de multi-porción 102. De esta manera, un extremo del sustrato de soporte 104 próximo al material policristalino de multi-porción 102 puede incluir por lo menos algún material del material policristalino de multi-porción 102 entremezclado entre el material del sustrato de soporte 104. De igual manera, un extremo del material policristalino de multi-porción 102 puede incluir por lo menos algún material del sustrato de soporte 104 entremezclado entre el material del material policristalino de multi-porción 102. Por ejemplo, el extremo del sustrato de soporte 104 próximo al material policristalino de multi-porción 102 puede incluir por lo menos 1% en volumen, por lo menos 5% en volumen, o por lo menos 10% en volumen del material del material policristalino de multi-porción 102 entremezclado entre el material del sustrato de soporte 104. Como un ejemplo continúo, el extremo del material policristalino de multi-porción 102 próximo al sustrato de soporte 104 puede incluir por lo menos 1% en volumen, por lo menos 5% en volumen, o por lo menos 10% en volumen del material del sustrato de soporte 104 entremezclado entre el material del material policristalino de multi-porción 102. Como un ejemplo no limitante, especifico, el extremo de un sustrato de soporte 104 que comprende partículas de carburo de tungsteno en una matriz de cobalto próxima a un material policristalino de multi-porción 102 que comprende diamante policristalino puede incluir 25% en volumen de partículas de diamante intermezcladas entre las partículas de carburo de tungsteno y matriz de cobalto y el extremo del material policristalino de multi-porción 102 puede incluir 25% en volumen de partículas de carburo de tungsteno y matriz de cobalto intermezclada entre las partículas de diamante inter-enlazadas . De esta manera, clasificar funcionalmente el material del elemento cortante 100 puede proporcionar una transición gradual del material del material policristalino de multi-porción 102 al material del sustrato de soporte 104. Al clasificar funcionalmente el material próximo a la interface entre el material policristalino de multi-porción 102 y el sustrato de soporte 104, la resistencia de la unión entre el material policristalino de multi-porción 102 y el sustrato de soporte 104 se puede incrementar con relación a un elemento cortante 100 que incluye clasificación no funcional.

La FIG. 2 es una vista en sección transversal agrandada de una modalidad del material policristalino de multi-porción 102 de la FIG. 1. El material policristalino de multi-porción 102 puede comprender por lo menos dos porciones. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 2, la tabla de diamante de multi porción 102 incluye una primera porción 106, una segunda porción 108 y una tercera porción 109 como es. discutido en detalle adicionalmente enseguida. EL material policristalino de multi-porción 102 está comprendido principalmente de un material duro o superabrasivo. En otras palabras, el material duro o superabrasivo puede comprender por lo menos aproximadamente setenta por ciento (70%) en volumen del material policristalino de multi-porción 102. En algunas modalidades, el material policristalino de multi-porción 102 incluye granos o cristales de diamante que se enlazan conjuntamente (por ejemplo, de manera directa enlazados conjuntamente) para formar el material policristalino de multi-porción 102. Las regiones o espacios intersticiales entre los granos de diamante se pueden vaciar o se pueden rellenar con material o materiales adicionales, como es discutido enseguida. Otros materiales duros que se pueden utilizar para formar el material policristalino de multi-porción 102 incluye nitruro de boro cúbico policristalino, nitruro de silicio, carburo de silicio, carburo de titanio, carburo de tungsteno, carburo de tantalio u otro material duro.

Por lo menos una porción 106, 108, 109 del material policristalino de multi-porción 102 comprende una pluralidad de granos que son nanoparticulas. Como es previamente discutido, las nanoparticulas pueden comprender, por ejemplo, por lo menos uno de diamante, nitruro de boro cúbico policristalino, nitruro de silicio, carburo de silicio, carburo de titanio, carburo de tungsteno, carburo de tantalio u otro material duro. Las nanoparticulas no pueden ser partículas duras en algunas modalidades de la invención. Por ejemplo, las nanoparticulas pueden comprender uno o más de carburos, cerámicas, óxido, intermetálicos, arcillas, minerales, vidrios, constituyentes elementales, varias formas de carbono, tales como nanotubos de carbono, fulerenos, adamantanos, grafeno, carbono amorgo, etc. Además, en algunas modalidades, las nanoparticulas pueden comprender un alotropo' de carbono y puede tener una relación de aspecto promedio de aproximadamente cien (100) o menos.

La por lo menos una porción 106, 108, 109 que comprende nanoparticulas puede comprende aproximadamente 0.01% a aproximadamente 99% en volumen o nanoparticulas en peso. Más específicamente, por lo menos una de la primera, segunda y tercera porciones 106, 108 y 109 puede comprender entre aproximadamente 5% y aproximadamente 80% en volumen de nanopartículas . Aun más específicamente, por lo menos una de la primera, segunda y tercera porciones 106, 108 y 109 puede comprender entre aproximadamente 25% y aproximadamente 75% en volumen de nanopartículas. Cada porción 106, 108, 109 del material policristalino de multi-porción 102 puede tener un tamaño de grano promedio diferente de un tamaño de grano promedio en otra porción del material policristalino de multi-porción 102. En otras palabras, la primera porción 106 comprende una pluralidad de granos de material duro que. tiene un primer tamaño de grano promedio, la segunda porción 108 comprende una pluralidad de granos de material duro que tiene un segundo tamaño de grano promedio que difiere del primer tamaño de grano promedio y la tercera porción 109 comprende una pluralidad de granos de material duro que tiene un tercer tamaño de grano promedio que difiere del primer tamaño de grano promedio y el segundo tamaño de grano promedio. La una o más porciones 106, 108, 109 que comprenden nanopartículas opcionalmente pueden incluir granos o partículas adicionales que no son nanopartículas. En otras palabras, tales porciones pueden incluir una primera pluralidad de partículas, que se pueden referir como partículas primarias, y las nanopartículas pueden comprender partículas secundarias que están dispuestas en los espacios intersticiales entre las partículas primarias. Las partículas primarias pueden comprender granos que tienen un tamaño de grano promedio mayor que aproximadamente 500 nanómetros. En algunas modalidades, cada una de las primera porción 106, la segunda porción 108 y la tercera porción 109 puede comprender un volumen de material policristalino que incluye mezclas de granos o partículas como es descrito en la Solicitud de Patente Norteamericana provisional No. de Serie 61/252,049, la cual se presentó el 15 de Octubre del 2009, y se tituló "Polycrystalline Compacts Including Nanoparticulate Inclusions, Cutting Elements And Earth-Boring Tools Including Such Compacts, And Methods Of Forming Such Compacts," pero en donde por lo menos dos de las primera porción 106, la segunda porción 108 y la tercera porción 109 difieren en una o más características que se relacionan al tamaño y/o distribución del grano.

En una modalidad, como se muestra en la FIG. 2 la primera porción 106 se puede formar adyacente al sustrato de soporte 104 (FIG. 1) a lo largo de la superficie 110, la segunda porción 108 se puede formar sobre la primera porción 106 en un lado de la misma opuesta al sustrato y la tercera porción 109 se puede formar sobre la segunda porción 108 en un lado de la misma opuesta a la primera porción 106. En otras palabras, la segunda porción 108 puede estar dispuesta entre la primera porción 106 y la tercera porción 109. La tercera porción 109, que incluye la cara cortante 117 de la tabla de diamante de multi-porción 102, puede comprender las nanoparticulas del material duro. En una modalidad no limitante, la primera porción 106 no puede tener cualquiera de las nanoparticulas, la segunda porción 108 puede comprender entre cinco y diez por ciento en volumen de nanoparticulas que tienen un tamaño de agrupación promedio de 200 nm, la tercera porción 109 puede comprender entre cinco y diez por ciento en volumen de nanoparticulas que tienen un tamaño de agrupación promedio de 75 nm. En otra modalidad no limitante, la primera porción 106 puede comprender entre cinco y diez por ciento en- volumen de nanoparticulas que tienen un tamaño de agrupación promedio de 400 nm, la segunda porción 108 puede comprender entre cinco y diez por ciento en volumen de nanoparticulas que tienen un tamaño de agrupación promedio de 200 nm y la tercera porción 109 puede comprender entre cinco y diez por ciento en volumen de nanoparticulas que tienen un tamaño de agrupación promedio de 75 nm.

En algunas modalidades, el material policristalino de multi-porción 102 puede incluir porciones que comprende nanoparticulas adyacentes a otras porciones que carecen de nanoparticulas. Por ejemplo, las capas alternantes del material policristalino de multi-porción 102 pueden incluir selectivamente y excluir nanoparticulas del material del mismo. Como un ejemplo no limitante, especifico, la tercera porción 109 que incluye la cara cortante 117 del material policristalino de multi-porción 102 y la primera porción 106 adyacente al sustrato de soporte 104 (ver la FIG. 1) puede incluir por lo menos algunas nanoparticulas, mientras que la segunda porción 108 interpuesta entre la primera porción 106 y la tercera porción 109 puede ser carente de nanoparticulas.

En modalidades donde una porción que comprende nanoparticulas se localiza adyacente a otra porción que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanoparticulas o estando por lo menos sustancialmente libre de nanoparticulas, las porciones se pueden clasificar funcionalmente entre una y otra. Por ejemplo, una región de una porción que incluye nanoparticulas (por; ejemplo, tercera porción 109) próxima a otra porción que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanoparticulas o estando por lo menos sustancialmente libre de nanoparticulas (por ejemplo, segunda porción 108) puede comprender un volumen de nanoparticulas que es intermediario (es decir, entre) los volúmenes totales de nanoparticulas en .la porción que incluye nanoparticulas (por ejemplo, tercera porción 109) y la otra porción que tiene la cantidad comparativamente más pequeña de nanoparticulas o estando por lo menos sustancialmente libre de nanoparticulas. Alternativamente o además de, una región de una porción que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanopartículas o estando por lo menos sustancialmente libre de nanoparticulas (por ejemplo, segunda porción 108) próxima a una porción que incluye nanoparticulas (por ejemplo, tercera porción 109) puede comprender un volumen de nanoparticulas que es intermediario (es decir, entre) los volúmenes totales de nanoparticulas en la porción que tiene la cantidad comparativamente más pequeña de nanoparticulas o estando por lo menos sustancialmente libre de nanoparticulas (por ejemplo, segunda porción 108) y la porción que incluye nanoparticulas (por ejemplo, tercera porción 109) . De esta manera, un extremo de una porción (por ejemplo, tercera porción 109) que incluye nanoparticulas próxima a otra porción (por ejemplo, segunda porción 108) generalmente carente de nanoparticulas puede incluir un porcentaje en volumen reducido de nanoparticulas como es comparado con un porcentaje en volumen total de nanoparticulas en la porción. De igual manera, un extremo de una porción (por ejemplo, segunda porción 108) generalmente carente de nanoparticulas próxima a otra porción (por ejemplo, tercera porción 109) que incluye nanoparticulas puede incluir por lo menos algunas nanoparticulas. Por ejemplo, el extremo de una tercera porción 109 que incluye nanoparticulas próxima a una segunda porción 108 generalmente carente de nanoparticulas puede incluir un porcentaje en volumen de nanoparticulas que es 1% en volumen, 5% en volumen, o aun 10% en volumen menos que un porcentaje en volumen total de nanoparticulas en la tercera porción 109. Como un ejemplo continúo, el extremo de una segunda porción 108 generalmente carente de nanoparticulas próxima a una primera porción 109 que incluye nanoparticulas puede incluir por lo menos 1% en volumen, por lo menos 5% en volumen, o por lo menos 10% en volumen de nanoparticulas, mientras que un resto de la segunda porción 108 puede ser carente de nanoparticulas. Como un ejemplo no limitante, especifico, el extremo de una tercera porción 109 que comprende nanoparticulas próxima a una segunda porción 108 generalmente carente de nanoparticulas puede incluir un porcentaje en volumen de. nanoparticulas que es 3% más pequeño que un porcentaje en volumen total de nanoparticulas en la tercera porción 109 y el extremo de la segunda porción 108 próxima a la tercera porción 109 puede incluir 3% en volumen de nanoparticulas, mientras qüe el resto de la segunda porción 108 puede ser carente nanoparticulas.

En algunas modalidades, el material policristalino de multi-porción 102 se puede clasificar funcionalmente entre una porción que incluye nanoparticulas (por ejemplo, tercera porción 109) y otra porción (por ejemplo, segunda porción 108) ya sea que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanoparticulas o estando por lo menos sustancialmente libre de nanoparticulas al proporcionar capas que gradualmente varían la cantidad de las nanopartículas entre las porciones (por ejemplo, entre la segunda y tercera porciones 108 y 109) . Por ejemplo, la cantidad de nanopartículas en las capas de una porción que incluyen nanopartículas (por ejemplo, tercera porción 109) próxima a la interface entre la porción (por ejemplo, tercera porción 109) y otra porción ya sea que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanopartículas o generalmente carente de nanopartículas (por ejemplo, segunda porción 108) puede disminuir gradualmente conforme la distancia de la interface disminuye. Más específicamente, una serie de capas que tienen porcentaje incrementalmente más pequeño en volúmenes de nanopartículas, por ejemplo, se puede proporcionar como una región de la porción que comprende nanopartículas (por ejemplo, tercera porción 109) próxima a la porción ya sea que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanopartículas o estando por lo menos sustancialmente libre de nanopartículas (por ejemplo, segunda porción 108) . Como un ejemplo continúo, la cantidad de nanopartículas en las capas de una porción ya sea que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanopartículas o generalmente carente de nanopartículas (por ejemplo, segunda porción 108) próxima a la interface entre la porción (por ejemplo, segunda porción 108) y otra porción que tiene una cantidad más alta de nanopartículas (por ejemplo, tercera porción 109) puede incrementar gradualmente conforme la distancia de la interface disminuye. Más específicamente, una serie de capas que tienen porcentaje incrementalmente más grande en volúmenes de nanopartículas, por ejemplo, se puede proporcionar como una región de la porción ya sea que tiene una cantidad comparativamente más pequeña de nanopartículas o estando generalmente libre de nanopartículas (por ejemplo, segunda porción 108) próxima a la porción que tiene una cantidad comparativamente más grande de nanopartículas (por ejemplo, tercera porción 109) .

En algunas modalidades, la transición entre las cantidades de nanopartículas en porciones adyacentes (por ejemplo, segunda y tercera porciones 108 y 109) pueden ser tan gradual que no tiene límite distinto entre las porciones es discernible, siendo por lo menos un gradiente sustancialmente continuo en porcentaje en volumen de nanopartículas. Además, el gradiente puede continuar a lo largo de algo o todo del material policristalino de multi-porción 102 en algunas modalidades tal que por lo menos un cambio sustancialmente continuo o gradual en la cantidad de nanopartículas se puede observar, no siendo un límite distinto entre las porciones dispares del material policristalino de multi-porción 102. De esta manera, clasificar funcionalmente las cantidades de nanopartículas puede proporcionar una transición gradual entre las porciones del material policristalino de multi-porción 102. Al clasificar funcionalmente el material próximo a la interface entre las porciones del material policristalino de multi-porción 102, la resistencia de la unión entre las porciones se puede incrementar con relación a un material policristalino de multi-porción 102 que incluye clasificación no funcional.

La FIG. 3 es una vista simplificada agrandada de una microestructura de una modalidad del material policristalino de multi-porción 102. Mientras que la FIG. 3 ilustra la pluralidad de granos 302, 304, 306 como que tiene diferentes tamaños de grano promedio, el dibujo no se dibuja a escala y se ha- simplificado para los propósitos de ilustración. Como se- muestra . en la FIG. 3, la tercera porción 109 comprende una tercera pluralidad de granos 302, que tienen un tamaño de gano promedio más pequeño que tanto un tamaño de grano promedio de una segunda pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108 y un tamaño de grano promedio de una primera pluralidad de granos 306 en la primera porción 106. La tercera pluralidad de granos 302 puede comprender nanoparticulas . La segunda pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108 puede tener un tamaño de grano promedio mayor que el tamaño de grano promedio de la tercera pluralidad de granos 302 en la tercera porción 109. Se manera similar, la primera pluralidad de granos 306 en la primera porción 106 puede tener un tamaño promedio mayor que el tamaño de grano promedio de la segunda pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108. En algunas modalidades, el tamaño de grano promedio de la segunda pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108 puede ser entre aproximadamente cincuenta (50) a aproximadamente mil (1000) veces mayor que el tamaño de grano promedio de la tercera pluralidad de granos 302 en la tercera porción 109. El tamaño de grano promedio de la primera pluralidad de granos 306 en la primera porción 106 puede ser entre aproximadamente cincuenta (50) a aproximadamente mil (1000) veces mayor que el tamaño de grano promedio de la segunda pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108. Como un ejemplo no limitante, la segunda pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108 puede tener un tamaño de grano promedio aproximadamente cien (100) veces mayor que el tamaño de grano promedio de la tercera pluralidad de granos 302 en la tercera porción 109, y la primera pluralidad de granos 306 en la primera porción 106 puede tener un tamaño de grano promedio aproximadamente cien (100) veces mayor que el tamaño de grano promedio de la segunda pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108.

La pluralidad de granos 302, 304, 306 en la primera porción 106, la segunda porción 108 y la tercera porción 109 puede ser inter-enlazada para formar el material policristalino de multi-porción 102. En otras palabras, en modalidades en la cuales el material policristalino de multi-porción 102 comprende diamante policristalino, la pluralidad de granos 302, 304, 306 de la primera porción 106, la segunda porción 108 y la tercera porción 109 se puede enlazar directamente entre si mediante enlaces inter-granulares de diamante a diamante.

En algunas modalidades, la pluralidad de granos 302, 304, 306 en cada una de las porciones 106, 108, 109 del material cristalino de multi-porción 102 puede, tener una distribución de tamaño de grano multi-modal (por ejemplo, bi-modal, tri-modal, etc.). Por ejemplo, en algunas modalidades, la segunda porción 108 y la primera porción 106 del material multi-cristalino 102 también puede comprender nanoparticulas, pero en volúmenes menores que la tercera porción 109 tal que el tamaño de grano promedio de la pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108 es más grande que el tamaño de grano promedio de la pluralidad de granos 302 en la tercera porción 109 y el tamaño de grano promedio de la pluralidad de granos 306 en la primera porción 106 es más grande que el tamaño de grano promedio de la pluralidad de granos 304 en la segunda porción 108. Por ejemplo, en una modalidad, la tercera porción 109 puede comprender por lo menos aproximadamente 25% en volumen de nanoparticulas, la segunda porción 108 puede comprender aproximadamente 5% en volumen de nanoparticulas y la primera porción 106 puede comprender aproximadamente 1% en volumen de nanoparticulas .

Como se conoce en la técnica, el tamaño de grano promedio de granos dentro de una microestructura se puede determinar al medir los granos de la microestructura bajo magnificación. Por ejemplo, un microscopio electrónico de exploración (SEM) , un microscopio electrónico de exploración de emisión de campo (FESEM), o un microscopio electrónico de transmisión (TEM) se puede utilizar para ver o imaginar una superficie del material policristalino de multi-porción 102 (por ejemplo, una superficie pulida y grabada del policristalino de multi-porción 102) o una sección adecuadamente preparada de la superficie en el caso de TEM como se conoce en la técnica. Los sistemas de visión comercialmente disponibles o software de análisis de imagen frecuentemente se utilizan con tales herramientas de microscopio y estos sistemas de visión son capaces dé medir el tamaño de grano promedio de los granos dentro de una microestructura .

En algunas modalidades, una o más regiones del material policristalino de multi-porción 102 (por ejemplo, la tabla de diamante 102 de la FIG.l), o el volumen completo del material policristalino de multi-porción 102, se puede procesar (por ejemplo, grabar) para remover el material de metal (por ejemplo, tal como un catalizador de metal utilizado para catalizar la formación de enlaces intergranulares directos entre los granos de material duro en el material policristalino 102) de entre los granos de inter-enlace de material duro en el material policristalino 102. Como un ejemplo no limitante particular, en modalidades en las cuales el material policristalino de multi-porción 102 comprende material de diamante policristalino, material de catalizador de metal se puede remover de entre los granos de inter-enlace de diamante dentro del material de diamante policristalino, tal que el material de diamante policristalino es relativamente más estable térmicamente.

Un material 308 se puede colocar en regiones o espacios intersticiales entre la pluralidad de granos 302, 304, 306 en cada porción 106, 108, 109. En algunas modalidades, el material 308 puede comprender un material de catalizador que cataliza la formación de los enlaces intergranulares directamente entre los granos 302, 304, 306 del material duro durante la formación del material cristalino de multi-porción 102. En modalidades adicionales, el material policristalino de multi-porción 102 se puede procesar para remover el material 308 de las regiones o espacios intersticiales entre la pluralidad de granos 302, 304, 306 que dejan huecos entre los mismos, como es mencionado en lo anterior. Opcionalmente, en tales modalidades, tales huecos se pueden rellenar subsecuentemente con otro material (por ejemplo, un metal) . En modalidades en las cuales el material 308 comprende un material de catalizador, el material 308 también puede incluir inclusiones particuladas (por ejemplo, nanoparticulas) del material no de catalizador, que se pueden utilizar para reducir la cantidad del material de catalizador dentro del material policristalino 102.

Con referencia nuevamente a la FIG. 2, la primera porción 106 se puede formar por tener un región limite 118" que está sustancialmente paralela al borde biselado 118. La segunda porción 108 se puede formar sobre la primera porción 106 que se extiende a lo largo de una superficie superior 202 y lados 204 de la primera porción 106. La segunda porción 108 también se puede formar por incluir una región limite 118' que está sustancialmente paralela al borde biselado. La tercera porción 109 se puede formar sobre la segunda porción 108 que se extiende a lo largo de una superficie superior 206 y alrededor de los lados 208 de la segunda porción 108. La tercera porción 109 forma la cara cortante 117 y el borde biselado 118 del material policristalino de multi-porción 102.

En otra modalidad, como se muestra en la FIG. 4, la primera porción 106 y la segunda porción 108 se puede formar sin los limites regionales 118", 118' de la FIG. 2. La superficie superior 202 de la primera porción 106 y los lados 204 de la primera porción 106 pueden intersectarse en un ángulo derecho entre sí. De manera similar, la superficie superior 206 y los lados 208 de la segunda porción 108, formados sobre la primera porción 106, pueden intersectarse en un ángulo derecho entre sí. La tercera porción 109 se puede formar cobre la segunda porción 108 e incluye el borde biselado 118 y cara cortante frontal 117 del material policristalino de multi-porción 102.

En otra modalidad, como se muestra en la FIG. 5, cada una de la primera porción 106 y la segunda porción 108 pueden ser sustancialmente planas y la segunda porción 108 no puede extender hacia abajo un lado lateral de la primera porción 106, como en las modalidades de las FIGS. 2 y 4. Como se muestra en la FIG. 5, la segunda porción 108 se puede formar sobre la superficie superior 202 de la primera porción 106 y la tercera porción 109 se puede formar sobre la superficie superior 206 de la segunda porción 108. Los lados 204 de la primera porción 106 y los lados 208 de la segunda porción 108 se pueden exponer al exterior del material policristalino 102. La tercera porción 109 incluye la cara cortante frontal 117 y el borde biselado 118.

La FIG. 6 ilustra otra modalidad del material policristalino de multi-porción 102. Como es ilustrado en la FIG. 6, la segunda porción 108 se puede formar sobre la superficie superior 202 de la primera porción 106 y la tercera porción 109 se puede formar sobre la superficie superior 206 de la segunda porción 108. Los lados 204 de la primera porción 106 y los lados 208 de la segunda porción 108 se pueden exponer al exterior del material policristalino 102. La tercera porción 109 incluye la cara cortante frontal 117 y el borde biselado 118. La superficie superior 202 de la primera porción 106 y la superficie superior 206 de la segunda porción 108 no son planas y las interfaces entre la primera porción 106, la segunda porción 108 y la tercera porción 109 son por consiguiente no planas. Como se muestra en la FIG. 6, la superficie superior 202 de la primera porción 106 y la superficie superior 206 de la segunda porción 108 son convexamente curvas. En modalidades adicionales, la superficie superior 202 de la primera porción 106 y la superficie superior 206 de la segunda porción 108 pueden ser cóncavamente curvas. En todavía modalidades adicionales, la superficie superior 202 de la primera porción 106 y la superficie superior 206 de la segunda porción 108 pueden incluir otras formas no planas.

En otra modalidad, como se muestra en la FIG. 7, la segunda porción 108 se puede formar sobre los lados laterales 204 de la primera porción 106 y la tercera porción 109 se puede formar sobre los lados laterales 208 de la segunda porción 108. La superficie superior 202 de la primera porción 106 y la superficie superior 206 de la segunda porción 108 se pueden exponer al exterior del material policristalino 102 y formar porciones de la cara cortante 117. En tales modalidades, la segunda porción 108 y la primera porción 106 pueden comprender regiones anulares concéntricas. En una modalidad adicional, los lados 204 de la primera porción 106 pueden estar en ángulo como se muestra, por ejemplo, por la linea discontinua 204'. En otras palabras, la superficie lateral de la primera porción 106 puede tener una forma frustocónica . De manera similar, los lados 208 de la segunda porción 108 pueden estar en ángulo como se muestra, por ejemplo, por la linea discontinua 208' . En otras palabras, la superficie lateral de la segunda porción 108 también puede tener una forma frustocónica . La segunda porción 108 se puede formar sobre los lados 204' de la primera porción 106 y la tercera porción 109 se puede formar sobre los lados 208' de la segunda porción 108. La superficie superior 202 de la primera porción 106 y la superficie superior 206 de la segunda porción 108 se pueden exponer al exterior del material policristalino 102 y pueden formar por lo menos una porción de la cara cortante frontal 117.

En modalidades adicionales, como se muestra en la FIG. 8, la primera porción 106, la segunda porción 108 y la tercera porción 109 puede tener generalmente limites formados aleatoriamente entre los mismos. En tales modalidades, como se muestra en la FIG. 8, la superficie superior 202 de la primera porción 106 y la superficie superior 206 de la segunda porción 108 pueden ser desiguales. En aun modalidades adicionales, como se muestra en la FIG. 9, la primera porción 106, la segunda porción 108 y la tercera porción 109 se pueden entremezclar a lo largo del material policristalino de multi-porción 102. En otras palabras, cada una de la segunda porción 108 y la tercera porción 109 pueden ocupar un número de volúmenes de entremezclado, tri-dimensionales , finitos de espacio entre la primera porción 106, como se muestra en la FIG. 9.

Las FIGS. 10A-10K son vistas de sección transversal agrandadas de modalidades adicionales de la tabla de diamante de multi-porción 102 de la FIG. 1 tomada a lo largo del plano ilustrado por la linea de sección 10-10 en la FIG. 1. Como se muestra en la FIG. 10A, la tabla de diamante de multi-porción 102 incluye por lo menos dos porciones, tales como una primera porción 402 y una segunda porción 404. Por lo menos una porción del por lo menos dos porciones 402 y 404 comprenden una pluralidad de granos que son nanoparticulas . En otras palabras, el tamaño de grano promedio de una pluralidad de granos (pero no necesariamente todos los granos) en por lo menos una de las dos porciones 402 y 404 pueden ser aproximadamente 500 nanómetros o menos. La por lo menos una porción 402, 404 que comprende nanoparticulas puede comprender aproximadamente 0.01% a aproximadamente 99% en volumen de nanoparticulas. La primera porción 402 comprende una diferente concentración de nanoparticulas que la segunda porción 404. En algunas modalidades, la primera porción 402 puede comprender una concentración más alta de nanoparticulas que la segunda porción 404. Alternativamente, en modalidades adicionales, la primera porción 402 puede comprender una concentración más baja de nanoparticulas que la segunda porción 404. La porción 402, 404 que tiene la concentración más baja de nanoparticulas no puede comprender cualquier de las nanoparticulas en algunas modalidades. Cada porción del por lo menos dos i porciones 402, 404 puede comprender independientemente una distribución de tamaño mono-modal, modal mezclado o aleatorio de granos.

La primera porción 402 puede ocupar un volumen de espacio dentro , del. material policristalino de.-, multi-po.rción 102, el volumen que tiene cualquier número de formas. En algunas modalidades, la primera porción 402 puede ocupar una pluralidad de volúmenes discretos de espacio dentro de la segunda porción 404 y la pluralidad de volúmenes discretos de espacio se pueden localizar y orientar selectivamente en ubicaciones o orientaciones predeterminadas (por ejemplo, en un arreglo ordenado) dentro de la segunda porción 404, o se pueden localizar y orientar aleatoriamente dentro de la segunda porción 404. Por ejemplo, la primera porción 402 puede tener la forma de una o más de esferas, elipses, barras, plaquetas, anillos, toroides, estrellas, polígonos de n lados o irregulares, formas tipo copo, cruces, espirales, etc. Como se muestra en la FIG. 10A, la primera porción 402 puede incluir una pluralidad de diferentes esferas de tamaño dispersadas a lo largo de la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 10B, la primera porción 402 puede incluir una pluralidad de barras dispersadas a lo largo de la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 10C, la primera porción puede comprender una pluralidad de diferentes barras de tamaño dispersadas a lo largo de la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 10D, la primera porción 402 puede comprender una pluralidad de esferas similarmente formadas dispersadas a lo largo de la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 10E, la primera porción 402 puede comprender una pluralidad, de barras que se extienden radialmente hacia afuera de un centro del material policristalino de multi-porción 102, y se dispersan dentro de la segunda porción 402. Como se muestra en la FIG. 10F, no puede ser un limite discreto, definido entre la primera porción 402 y la segunda porción 404, sino más bien la primera porción 402 puede gradualmente transformarse en la segunda porción 404 a lo largo de la dirección ilustrada por la flecha 407. En otras palabras, un gradiente gradual en la concentración de nanoparticulas y otros granos puede existir entre la primera porción 402 y la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 10G, la primera porción 402 puede comprender una región de centro del material policristalino de multi-porción 102 y la segunda porción 404 puede comprender una región exterior del material policristalino de multi-porción 102. Como se muestra en la FIG. 10H, la primera porción 402 puede comprender un volumen en forma de estrella de espacio rodeado por la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 101, la primera porción 402 puede comprender un volumen de forma de cruzada de espacio rodeado por la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 10J, la primera porción 402 puede comprender un volumen anular o en forma de anillo de espacio que tiene la segunda porción 404 en un interior del anillo. Una tercera porción 406 se puede formar en una porción exterior del anillo. La tercera porción 406 puede tener la misma o una diferente concentración de nanoparticulas como la segunda porción 404. Como se muestra en la FIG. 10 , la primera porción 402 puede comprender una pluralidad de volúmenes en forma de barra paralela de espacio dispersado a lo largo de la segunda porción 404. En modalidades en la cuales la primera porción 402 incluye más de una región, tal como la pluralidad de esferas mostradas en la FIG. 10A, el espaciado entre cada región de la primera porción 402 puede ser uniforme o estocástica y la primera porción 402 puede ser homogénea o heterogénea a lo largo de la segunda porción 404.

En algunas modalidades, el material policristalino de multi-porcion 102 puede incluir nanoparticulas en por lo menos una porción en capas 106, 108, 109 del material policristalino de multi-porción 102 como se muestra en las FIGS. 2-9 y nanoparticulas en por lo menos una porción discreta 402 del material policristalino de multi-porción 102 como se muestra en las FIGS. 10A-10K. Que incluyen nanoparticulas en por lo menos una porción 106, 108, 109, 402, 404 del material policristalino de multi-porción 102 puede incrementar la estabilidad durabilidad térmica del material policristalino de multi-porción 102. Por ejemplo, las nanoparticulas en la por lo menos una porción 106, 108, 109, 402, 404 puede inhibir grietas o virutas grandes de formación en el material policristalino de multi-porción 102 durante el uso en material de formación cortante utilizando el material policristalino 102, tal como sobre un elemento cortante de una herramienta para perforación en la tierra.

El material policristalino de multi-porción 102 del compacto 100 se puede formar utilizando un proceso de alta temperatura/alta presión (o "HTHP") . Tales procesos, y sistemas para llevar a cabo tales procesos, son generalmente conocidos en la técnica. En algunas modalidades de la presente invención, las nanoparticulas utilizadas para formar por lo menos una porción 106, 108, 109, 402, 404 del material policristalino de mutli-porción 102 se puede recubrir, metalizar, funcionalizar o derivar para incluir grupos funcionales. La derivación de las nanoparticulas puede impedir o prevenir la aglomeración de las nanoparticulas durante la formación del material policristalino de multi-porción 102. Tales métodos para formar nanoparticulas derivadas son descritos en la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana No. 61/324,142 presentada el 14 de Abril del 2010 e intitulada "Method of Preparing Polycrystalline Diamond From Derivatized Nanodiamante".

En algunas modalidades, el material policristalino de multi-porción 102 se puede formar sobre un sustrato de soporte 104 (como se muestra en las FIG. 1) de carburo de tungsteno cementado u otro material de sustrato adecuado en un proceso HTHP convencional del tipo descrito, a manera de ejemplo no limitante, en . la Patente Norteamericana No. 3,745,623 por Wentorf y colaboradores, (presentada el 17 de Julio de 1973) , o se puede formar como un compacto policristalino independiente (es decir, sin el sustrato de soporte 104) en un proceso HTHP convencional similar como es descrito, a manera de ejemplo no limitante, en la Patente Norteamericana No. 5,127,923 por Bunting y colaboradores, (presentada el 7 de Julio de 1992). En algunas modalidades, un material de catalizador se puede suministrar del sustrato de soporte 104 durante un proceso HTHP utilizado para formar el material policristalino de multi-porción 102. Por ejemplo, el sustrato 104 puede comprender un material de carburo de tungsteno cementado con cobalto. El cobalto del carburo de tungsteno cementado con cobalto puede servir como el material de catalizador durante el proceso HTHP.

Para formar el material policristalino de multi-porción 102 en un proceso HTHP, una mezcla particulada que comprende granos de material duro, que incluye nanoparticulas del material duro, se. puede someter a temperaturas elevadas (por ejemplo, temperaturas mayores que aproximadamente 1,000°C) y presiones elevadas (por ejemplo, presiones mayores que aproximadamente 5.0 gigapascales (GPa) ) para formar enlaces inter-granulares entre los granos, para de esta manera formar el material policristalino de multi-porción 102. Una mezcla particulada que comprende el tamaño de grano deseado para cada porción 106, 108, 109, 402, 404 se- puede proporcionar en el sustrato de soporte 104 en la ubicación deseada de cada porción 106, 108, 109, 402, 404 antes del proceso HTHP.

La mezcla particulada puede comprender las nanoparticulas como es previamente descrito en la presente. La mezcla particulada también puede comprender partículas del material de catalizador. En algunas modalidades, el material particulado puede comprender una sustancia similar a polvo preparada utilizando un proceso húmedo o un proceso seco, tales como aquellos conocidos en la técnica. En otras modalidades, sin embargo, el material particulado se puede procesar en la forma de una cinta o película, como es descrito en, por ejemplo, la Patente Norteamericana No. 4, 353,958, la cual se presentó el 12 de Octubre de 1982 por Kita y colaboradores, o como es descrita la Publicación de Solicitud de Patente Norteamericana No. 2004/0162014 Al, la cual es publicada el 18 de Agosto del 2004 en el nombre de Hendrik, en la cual se pudo formar la cinta o película, cargada en una matriz y sometida al proceso HTHP.

Convencionalmente, debido a que las nanopartículas pueden ser bien compactadas, el material de catalizador no puede alcanzar adecuadamente espacios intersticiales entre todas las nanopartículas en una cantidad grande de nanopartículas. Por consiguiente, el proceso de sinterización HTHP puede fallar para formar adecuadamente el material policristalino de multi-porción 102. Sin embargo, debido a que las modalidades de la presente invención incluyen porciones 106, 108, 109, 402, 404 que comprenden diferentes volúmenes de nanopartículas, el material de catalizador puede alcanzar profundidades más lejanas en la mezcla particulada, para de esta manera formar adecuadamente el material policristalino de multi-porción 102.

Una vez formado, ciertas regiones del material policristalino de multi-porción 102, o el volumen total del material policristalino de multi-porción 102, opcionalmente se puede procesar (por ejemplo, grabar) para remover el material (por ejemplo, tal como catalizador de metal utilizado para catalizar la formación de enlaces intergranulares entre los granos del material duro) de entre los granos inter-enlazados del material policristalino 102, tal que el material policristalino es relativamente más estable térmicamente .

Mientras que la presente invención se ha descrito en la presente con respecto a ciertas modalidades, aquellos de habilidad ordinaria en la técnica reconocerán y apreciarán que no es asi limitada. Más bien, muchas adiciones, supresiones y modificaciones a las modalidades descritas en la presente se pueden hacer sin apartarse del alcance de la invención como es reivindicada después en la presente. Además, las características de una modalidad se pueden combinar con características de otra modalidad mientras aun están siendo abarcadas dentro del alcance de la invención como es contemplado por el inventor.

CONCLUSIÓN En algunas modalidades, los elementos cortantes comprenden un material policristalino de multi-porción. Por lo menos una porción del material policristalino de multi-porción comprende un volumen más alto de nanopartículas que por lo menos otra porción del material policristalino de multi-porción.

En otras modalidades, las herramientas para perforación en la tierra comprenden un cuerpo y por lo menos un elemento cortante unido al cuerpo. El por lo menos un elemento cortante comprende un material policristalino duro. El material policristalino duro comprende una primera porción que comprende un primer volumen de nanopartículas. Una segunda porción del material policristalino duro comprende un segundo volumen de nanopartículas. El primer volumen de nanopartículas difiere del segundo volumen de nanopartículas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Una estructura cortante para perforar formaciones subterráneas, caracterizada porque comprende un elemento cortante que incluye un material policristalino de multi-porción, por lo menos un porción del material policristalino de multi-porción que comprende un volumen más alto de nanoparticulas que por lo menos otra porción del material policristalino de multi-porción.

2. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las nanoparticulas comprenden un alótropo de carbono y tienen una relación dimensional promedio de aproximadamente cien o menos.

3. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque las nanoparticulas comprenden por lo menos una de nanoparticulas de diamante, fulerenos, nanotubos de carbono y nanoparticulas de grafeno.

4. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 1, reivindicación 2 o reivindicación 3, caracterizada porque el material policristalino de multi-porción se gradúa funcionalmente, una región de por lo menos una de la por lo menos una porción y la por lo menos otra porción próxima a la otra de la por lo menos una porción y la por lo menos otra porción que comprende un volumen de nanoparticulas que es intermediario de los volúmenes totales de las nanoparticulas en la por lo menos una porción y la por lo menos otra porción.

5. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque un limite distinto entre la por lo menos una porción y la por lo menos otra porción no es discernible.

6. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque la región comprende un extremo de la por lo menos una de la por lo menos una porción y la por lo menos otra porción, e incluye hasta 10% en volumen de' nanoparticulas .

7. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque la región incluye hasta 5% en volumen de nanopartículas-.

8. La estructura cortante; de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la por lo menos una porción del material policristalino de multi-porción comprende un primer tamaño de grano promedio y la por lo menos otra porción del material policristalino de multi-porción v comprende un segundo tamaño diferente de grano promedio.

9. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque el segundo tamaño diferente de grano promedio es mayor que el primer tamaño de grano promedio.

10. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque el segundo tamaño diferente de grano promedio es aproximadamente cien (100) veces mayor que el primer tamaño de grano promedio.

11. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque el primer tamaño de grano promedio es mayor que quinientos nanómetros (500 nm) .

12. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 9, reivindicación 8 o reivindicación 9, caracterizada porque el material policristalino de multi-porción además comprende una tercera porción que tiene un tercer tamaño de grano promedio, el tercer tamaño de grano promedio es mayor que el segundo tamaño de grano promedio.

13. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque, el primer tamaño de grano promedio es menor que aproximadamente quinientos nanómetros (500 nm) .

14. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la por lo menos una porción del material policristalino de multi-porción comprende una cara cortante del elemento cortante.

15. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque la por lo menos otra porción se extiende sobre una superficie superior de la por lo menos una porción.

16. La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 15 , caracterizada porque la por lo menos otra porción además se extiende alrededor de los lados de la por lo menos una porción.

17 . La estructura cortante de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 hasta 15 , caracterizada porque una interfase entre la por lo menos una porción y la por lo menos otra porción no es plana.

18 . La estructura cortante de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 hasta 15 , caracterizada porque la por lo menos una porción del material policristalino de multi-porción comprende entre aproximadamente 0 . 01 % a aproximadamente 99% en volumen de nanoparticulas.

19 . La estructura - cortante de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 hasta 15 , caracterizada porque la por lo menos otra porción del material policristalino de multi-porción está por lo menos sustancialmente libre de nanoparticulas.

20 . La estructura cortante de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque la estructura cortante comprende una herramienta para perforación en la tierra que incluye: un cuerpo; y por lo menos un elemento cortante de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 hasta 17 unido al cuerpo.