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在碳化物基体上制造碳酸盐PCD及烧结碳酸盐PCD的方法
背景技术
多晶金刚石(“PCD”)材料及由其形成的PCD元件在本领域中是公知的。在合适的溶剂金属催化剂材料存在时，通过使金刚石颗粒经受高压/高温的工艺条件可以形成传统的PCD，其中，该溶剂金属催化剂促进了各颗粒间的晶间金刚石-金刚石的期望结合，从而形成PCD结构。最终的PCD结构提供了改进的耐磨属性及硬度，使该PCD材料在需要高级别的耐磨性及硬度的严重磨损及切割应用中非常有用。图1示出了传统形成的PCD材料10的微观结构，包括彼此结合在一起的多个金刚石晶粒12，以形成晶间金刚石基质第一相。用于促进在烧结工艺期间发生的金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料14，例如钴，分散于形成于金刚石基质第一相之间的间隙区域中。如本领域所公知及确定的那样，术语“颗粒”是指在烧结超硬材料之前使用的粉末，而术语“晶粒”是指在烧结之后能够识别的超硬区域。
通常可以用两种方式来提供用于促进金刚石间结合的所述催化剂/结合剂材料。可以以原料粉末的形式提供所述催化剂/结合剂，该粉末与金刚石晶粒或砂粒在烧结之前预混合。在一些情况下，可以以从下方的基体材料向所述金刚石材料中渗入(在高温/高压工艺中)的方式提供所述催化剂/结合剂，最终的PCD材料结合到所述基体材料。在所述催化剂/结合剂材料已经促进了金刚石间的结合后，催化剂/结合剂材料通常遍布金刚石基质地在结合的金刚石晶粒之间形成的间隙区域之内分布。特别地，如图1所示，结合剂材料14在传统的PCD材料10中不是连续地遍布微观结构。相反，传统的PCD材料10的微观结构可以具有在PCD晶粒之间均匀分布的结合剂。因此，通过传统的PCD材料的破裂传播将经常行进通过较为不易延展的和易碎的晶粒，或者穿晶地通过金刚石晶粒/结合剂界面15，或晶间地通过金刚石晶粒/金刚石晶粒界面16。
溶剂催化剂材料可以促进金刚石晶间结合，以及促进PCD层彼此结合 以及与下方的基体结合。通常用于形成传统PCD的溶剂催化剂材料包括选自元素周期表第VIII族的金属，例如钴、铁或镍和/或它们的混合物或合金，其中，最常见的是钴。传统的PCD可以包括从85至95％体积比的金刚石，以及剩余量的溶剂催化剂材料。但是，尽管更高金属含量典型地增加最终PCD材料的韧性，但更高金属含量还减小PCD材料的硬度，因此限制了能够提供具有硬度和韧性两个期望的级别的PCD涂层的灵活性。此外，当选择变量以增加PCD材料的硬度时，典型地易碎性也增加，从而减少了PCD材料的韧性。
PCD被广泛用于钻井应用中，例如用于多种类型的钻头上的切割元件中。尽管PCD非常坚硬和耐磨损，但PCD切割元件仍然可能在正常操作期间损坏。损坏可能以三种常见形式发生，即磨损、疲劳与冲击破裂。由于PCD相对于地层的相对滑动而发生磨损机理，且其作为故障模型的突出物涉及地层的磨损性，以及其它因素(例如，地层硬度或强度，以及在与地层的接触期间涉及的相对滑动的量)。过度高的接触应力和高温，与非常不利的井下环境一起也趋于引起金刚石层的严重磨损。疲劳机理涉及表面裂缝的渐进传播，在PCD上开始、进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落或崩刃。最后，冲击机理涉及表面裂缝或在PCD层上开始的内部裂纹的突然传播，进入PCD层之下的材料中直到裂缝长度足够剥落、崩刃、或切割元件的毁灭性损坏。
发明内容
提供本发明内容，旨在介绍一系列概念，这些概念将在以下发明详述中进一步描述。本发明内容并不意图认定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意图用作帮助限制要求保护的主题的范围。
在一个方面，本发明的实施例涉及一种用于形成多晶金刚石体的方法，包括：将烧结剂与金刚石粉末混合以形成预混层，其中，所述烧结剂包括至少一种碱土金属碳酸盐；邻近所述预混层形成渗入层，其中，所述渗入层包括选自至少一种碱土金属碳酸盐的渗入材料；以及使所述预混层及渗入层经受高压高温条件。
另一个方面，本文的实施例涉及一种用于形成金刚石构造的方法，包 括：在烧结容器中设置碳酸盐基多晶材料，其中，所述碳酸盐基多晶材料包括金刚石及选自至少一种碱土碳酸盐的碳酸盐材料；在所述烧结容器中放置基体；以及使所述烧结容器及所述烧结容器中的内容物经受高压高温条件，以形成结合至该基体上的碳酸盐基多晶金刚石体。
另一个方面，本发明的实施例涉及一种切割元件，其包括：具有工作面的碳酸盐基多晶金刚石体，其中，所述碳酸盐基多晶金刚石体具有结合在一起形成基质相的多个金刚石晶粒、位于所述结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域和设置于所述间隙区域中的碳酸盐材料；以及远离所述工作面的基体。
又一个方面，本发明的实施例涉及一种用于形成多晶金刚石体的方法，包括：将金刚石层设置于烧结容器中；邻近所述金刚石层形成渗入层，其中，所述渗入层包括选自至少一种碱土金属碳酸盐的渗入材料；以及使所述烧结容器及烧结容器中的内容物经受高压高温条件。
通过下文的说明书及所附权利要求书，所要求保护的主题的其他方面及优势将会变得明显。
附图说明
参考附图对本发明的实施例进行描述。整个附图使用相同的标号来指代相似的特征或部件。
图1示出了传统形成的多晶金刚石的微观结构。
图2示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
图3示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
图4示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
图5示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石组件的剖视图。
图6示出了预混的碳酸镁量与碳酸盐基多晶金刚石体的磨损分数之间的关系图。
图7示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石切割元件。
图8示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石切割元件。
图9示出了根据本发明的实施例的碳酸盐基多晶金刚石构造。
图10示出了根据本发明的实施例的井下工具。
图11示出了渗入深度与预混的碳酸镁量的比较。
具体实施方式
如本文所使用的，术语“碳酸盐基多晶金刚石”是指，在碳酸盐材料存在时，通过使单独的金刚石颗粒经受足够高压高温(HPHT)条件使相邻的金刚石晶体间发生晶间结合，以形成金刚石间结合网络或基质相以及分散于该结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域而制备的最终材料。本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以被称为多晶金刚石或PCD，但不同于传统的使用过渡金属溶剂催化剂形成的多晶金刚石(描述于背景技术部分)。
碳酸盐基多晶金刚石体的微观结构可以包括由结合在一起的多个金刚石晶粒构成的基质相和置于结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域以及设置于所述间隙区域内的碳酸盐材料，其中，所述碳酸盐材料选自一种碱土金属碳酸盐或选自至少一种碱金属碳酸盐和/或至少一种碱土金属碳酸盐的组合。在本发明的碳酸盐基多晶金刚石材料中，对于形成金刚石间结合来说，不必需包括过渡金属催化剂、硅和/或含硅复合物，因此所述碳酸盐基多晶金刚石体可以不含有这些材料。然而，在一些实施例中，由于在烧结期间的渗入和/或通过将过渡金属与金刚石及碳酸盐材料预混，除了金刚石及碳酸盐材料外，碳酸盐基多晶金刚石体可以包括少量的过渡金属催化剂，诸如钴。在这些实施例中，具有少量过渡金属的碳酸盐基PCD可以包括例如0至4重量百分比的过渡金属，0至2重量百分比的过渡金属，或0至1重量百分比的过渡金属。
用于形成碳酸盐基多晶金刚石体的方法
可以使用碳酸盐烧结剂及渗入材料来形成本发明的碳酸盐基多晶金刚石体。例如，一种用于形成多晶金刚石体的方法可以包括：将烧结剂与金刚石粉末混合以形成预混层，其中，所述烧结剂选自至少一种碱金属碳酸盐和/或至少一种碱土金属碳酸盐。然后，可以靠近预混层形成渗入层，其中，所述渗入层包括选自至少一种碱金属碳酸盐和/或至少一种碱土金属碳酸盐的渗入材料。所述预混层及渗入层然后可经受高压高温条件，例如高于6GPa的压力及高于1700℃的温度，并在金刚石热力学稳定的范围内。例如，在一些实施例中，所述层可以经受6-8GPa的压力及高于2000℃的 温度，或者经受8-10GPa的压力及高于2000℃的温度。
根据最终应用，金刚石及碳酸盐混合物中使用的金刚石颗粒可以包括例如天然或合成金刚石，并且可以具有不同的粒径。例如，金刚石颗粒的尺寸可以在亚微米至100微米范围内(细和/或粗颗粒度)，在一些实施例中在1-5微米范围内，在其他实施例中在5-10微米范围内，在另外的其他实施例中在15-20微米范围内。进一步地，金刚石颗粒可以具有单峰分布(具有相同的总平均粒径)或多峰分布(具有不同体积的不同平均粒径)。可以用于形成所述烧结剂和/或渗入材料的碳酸盐材料可以包括碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐，例如，碳酸镁或碳酸钙。所述碳酸盐材料的粒径可以在亚微米至100微米范围内，在一些实施例中在0.1至30微米范围内。
烧结剂和/或渗入材料还可以可选地包括碳添加剂。例如，除了碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐材料外，烧结剂和/或渗入材料还可包括碳添加剂，诸如石墨、金刚石、煤烟或无定形碳。在使预混层及相邻的渗入层经受HPHT时，所述碳添加剂可被包含并遍布分散于所述多晶金刚石体。例如，根据一些实施例，烧结剂可以包括石墨(除碳酸盐材料外)，其遍布分散于预混层，并且在经受HPHT条件时可以转换成金刚石，从而提高了所述多晶金刚石体中的金刚石密度。根据一些实施例，烧结剂可以包括多达大约6体积百分比的碳添加剂，并且渗入材料可以包括多达大约20体积百分比的碳添加剂。
根据本发明的一些实施例，烧结剂及渗入材料可以由相同的材料形成。例如，预混层可以通过与金刚石粉末混合一定量的碳酸镁而形成，并且由碳酸镁构成的渗入层可以邻近所述预混层形成，以使得在使所述层经受高压高温条件时，所述渗入层的碳酸镁渗入到所述预混层中。
然而，根据本发明的其他实施例，烧结剂及渗入材料可以由不同的材料形成。例如，预混层可通过与金刚石粉末混合一定量的烧结剂形成，并且由渗入材料构成的渗入层可以邻近所述预混层形成，其中，所述烧结剂具有比所述渗入材料低的熔点。例如，预混层可以包括与碳酸钙混合的金刚石粉末，并且相邻的渗入层可以由碳酸镁渗入材料形成。进一步地，根据一些实施例，预混层可以包括多于一种的碳酸盐材料和/或渗入层可以包 括多于一种的碳酸盐材料。例如，根据一个或多个实施例，预混层和/或渗入层可以包括碳酸镁与碳酸钙两者。
根据晶粒尺寸及多晶金刚石体的厚度，预混碳酸盐/金刚石层可以包括在预混层的大于0体积百分比至约8体积百分比范围内的烧结剂量。其他的实施例可以包括在下限值为0.1体积百分比、1.0体积百分比、2.0体积百分比或3.0体积百分比的任一个，以及上限值为2.0体积百分比、3.0体积百分比、4.0体积百分比、5.0体积百分比、6.0体积百分比、7.0体积百分比、8.0体积百分比、9.0体积百分比或10.0体积百分比的任一个的范围内的烧结剂量，其中，任意下限值可以与任意上限值组合使用。使用较少量的预混碳酸盐可以促进渗入深度及最终烧结。
另外，渗入层可以包括在烧结的多晶金刚石体的约1至约20体积百分比范围内的渗入材料量。根据其他实施例，渗入材料的量可大于20体积百分比、大于30体积百分比或大于50体积百分比的烧结多晶金刚石体。然而，可以提供其他量的渗入材料，以保证渗入整个预混层。例如，根据预混层的尺寸及厚度，邻近所述预混层并形成所述渗入层的渗入材料的量可以改变，以便所述量足够充分渗入所述预混层。例如，在具有相对较厚的预混层的实施例中，可以提供相对较大的重量百分比的渗入材料，以便当使预混层及相邻的渗入层经受HPHT时，渗入材料能够渗入整个预混层以形成所述多晶金刚石体。在具有相对较薄的预混层的一些实施例中，可以使用相对较小的重量百分比的渗入材料以渗入整个预混层。
进一步地，所述烧结剂可与金刚石粉末混合以形成预混层，以便所述烧结剂均匀分布于整个预混层中。在其他实施例中，所述烧结剂可非均匀分布于整个预混层中。例如，烧结剂可以成梯度分布于整个预混层中。分布于整个预混碳酸盐/金刚石层中并经受HPHT条件的预混烧结剂可以提供润湿整个预混碳酸盐/金刚石层中的金刚石颗粒的局部区域。这些区域中的液体预混碳酸盐可以提供通过金刚石材料的通道，其可以帮助提供用于相邻的碳酸盐渗入材料在HPHT条件下熔化并流过的路径。因此，根据本发明的方法，在使预混层及相邻的渗入层经受HPHT条件时，渗入材料可以被布置在遍及整个烧结的多晶金刚石体中。图11示出了在约7.0GPa和约2300℃的烧结条件下，碳酸镁渗入剂的渗入深度与碳酸镁在预混层中的预 混量的关系。如图所示，渗入深度随着预混层内的碳酸盐烧结剂量的增加而增加。随着金刚石晶粒尺寸的不同，渗入与预混烧结剂量间的具体关系也不同。
由于使用碳酸盐作为烧结剂和渗入材料，而不是使用传统使用的金属催化剂，诸如钴，本发明的方法可提供热稳定多晶金刚石。进一步地，由预混烧结剂提供的供渗入材料流过并渗入到整个金刚石层的通路，允许相对于碳酸盐材料具有更多量的金刚石(即，更高的金刚石体积密度)，因此可以提供具有更强的耐磨性能的多晶金刚石体。
用于量化耐磨性的传统试验是花岗石圆材磨耗试验(“GLT”)，其包含对花岗石旋转圆柱体的表面的机加工，诸如Barre或Sierra花岗石。例如，GLT试验可以包括花岗石圆材旋转通过半英寸(13毫米)直径的PCD切割盘。去除的花岗石体积与磨损的PCD痕迹面积之间的比值可以被用于指示磨损分数，其中，磨损分数与耐磨性相关。例如，高磨损分数表明高耐磨性，而较低的磨损分数表明相对低的耐磨性。
在具有不同量的预混和/或渗入到多晶金刚石材料中的碳酸镁材料的本发明的多个多晶金刚石材料样本上执行花岗石圆材耐磨性试验。结果示于下方表1中。
表1碳酸镁烧结剂与渗入材料

样本预混(wt％)渗入层(wt％)渗入磨损分数11.06.7完全22.3722.08.0完全20.7937.00不渗入5.9749.00不渗入5.465-4.5不完全19.066-9.0不完全19.14
如上所示，本发明中同时包括由碳酸盐材料形成的预混烧结剂及相邻渗入层的方法与仅使用预混烧结剂或仅使用渗入的方法相比时，可以产生更高的磨损分数。例如，样本1和2由预混碳酸盐/金刚石层以及相邻的渗入层形成的层状组件形成。特别地，样本1是由具有占该层状组件的1.0 重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚石层与由具有占该层状组件的6.7重量百分比的渗入材料的渗入层形成的，而样本2是由具有占该层状组件的2.0重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚石层与由具有占该层状组件的8.0重量百分比的渗入材料的渗入层形成的。样本3和4形成为不含渗入层。特别地，样本3是由具有占该预混层的7.0重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚石层形成的，而样本4是由具有占该预混层的9.0重量百分比的碳酸盐烧结剂的预混碳酸盐/金刚石层形成的。如上所示，尽管样本1和2以与样本3和4相似量的碳酸盐材料形成，但是样本1和2具有更高的磨损分数，因此表明比样本3和4具有更高的耐磨性。
仍然参考表1，样本5由单一的渗入法形成(如上所述)，其中，完全由金刚石粉末构成的金刚石层由渗入材料层渗入，所述渗入材料形成为占所述金刚石层的4.5重量百分比。尽管样本1和2相对于样本5使用了相对大量的碳酸盐材料(从而较少的金刚石)，但是样本1和2表现出更高的磨损分数，从而表明更高的耐磨性。进一步地，样本1和2示出碳酸盐渗入材料完全渗入到预混金刚石层中，而样本5示出碳酸盐渗入材料不完全渗入所述金刚石层。
根据本发明的实施例，多晶金刚石体可以直接用于井下切割工具中，或者在固定至井下工具之前可以被附接至基体。例如，根据本发明的一些实施例，碳酸盐基多晶金刚石体可以利用单循环高压高温(HPHT)工艺结合至基体，以形成金刚石构造(下方详述)。这些方法可以包括将碳酸盐基多晶金刚石材料设置于烧结容器中，将基体置于所述烧结容器中，并使该烧结容器及其中的内容物经受HPHT条件以形成结合至基体的碳酸盐基多晶金刚石体。进一步地，如下方详细描述的，碳酸盐基PCD可以利用或不利用过渡层被附接至基体。
利用过渡层通过单循环HPHT工艺在基体上烧结碳酸盐基PCD
根据本发明中利用过渡层的方法，在使烧结容器及其内容物经受HPHT条件以形成结合到所述基体的碳酸盐基多晶金刚石体之前，过渡层可以在烧结容器中被组装到碳酸盐基多晶材料(例如上文所述的预混层)与基体之间。例如，图2示出了利用过渡层用于将碳酸盐基PCD材料烧结至基体 的组件。组件200包括置于烧结容器205中的碳酸盐基PCD材料210及基体220。过渡层230设置于所述碳酸盐PCD材料210与基体230之间。PCD材料210、基体220及过渡层230中的每个将在下文详细地描述。
碳酸盐基PCD材料210可以作为预成型的PCD体或作为预混粉末层、例如上文所述的预混金刚石层被提供于烧结容器中。如上所述，碳酸盐基PCD材料可以由金刚石、选自碱土金属碳酸盐或者碱土金属碳酸盐与碱金属碳酸盐的组合的至少之一的碳酸盐材料以及可选地过渡金属催化剂材料形成。例如，根据本发明的一些实施例，碳酸盐基多晶材料可以包括金刚石和0至4重量百分比的碳酸盐材料(在其他实施例中包括0至2重量百比的碳酸盐材料，或者在进一步其他实施例中包括0至1重量百分比的碳酸盐材料)。然而，在一些实施例中，碳酸盐基多晶金刚石材料可以包括多于4重量百分比的碳酸盐材料。在一些实施例中，除金刚石和碳酸盐材料外，碳酸盐基多晶金刚石材料可以包括0至4重量百分比的过渡金属催化剂，在其他实施例中包括0至2重量百分比的过渡金属催化剂，或者在进一步其他实施例中包括0至1重量百分比的过渡金属催化剂。例如，碳酸盐基多晶材料可以包括金刚石，0至4重量百分比的碳酸盐材料，以及0至4重量百分比的过渡金属催化剂。过渡金属催化剂可以包括例如至少一种元素周期表第VIII族的金属，例如铁、镍或钴。
基体220可以由烧结碳化物材料形成，例如含有金属结合剂(例如钴或其他选自元素周期表第VIII族的金属)的烧结碳化钨。与过渡层共同使用的基体，如图2中所示的，可以包括少于16重量百分比的金属结合剂。在一些实施例中，与过渡层共同使用的基体可以包括多于6重量百分比并且少于15重量百分比、少于14重量百分比、或者少于12重量百分比的金属结合剂。在其他实施例中，基体可以包括少于或等于6重量百分比的金属结合剂。进一步地，基体220可以作为预成型基体或作为粉末状基体材料混合物被提供于烧结容器中。例如，根据一些实施例，碳化物粉末与钴粉末的混合物可以被置于烧结容器中形成所述基体，其中，所述钴粉末占所述混合物的少于15重量百分比。根据其他实施例，基体可以由碳化物材料和结合剂通过例如烧结、挤压形成生坯、热压或本领域公知的其他方法来预成型。
过渡层230可以由碳化物材料、氮化物材料或它们的组合中的至少之一来形成。例如，根据本发明的实施例，过渡层可以由过渡金属碳化物和/或过渡金属氮化物，例如WC、TiN或ZrN来形成。过渡层230可以以粉末状碳化物和/或氮化物材料层组装在PCD材料210与基体220之间。在其他实施例中，过渡层可以被涂覆至基体220的至少一个外表面上，至少包括面对PCD材料的外表面。该涂覆方法可以包括例如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)方法，或本领域公知的其他涂覆方法。进一步地，在PCD体210与基体220之间测量的过渡层230的厚度可以在约1微米至约2000微米范围内。
仍然参考图2，渗入层240可以可选地与基体220相反地邻置于所述碳酸盐基PCD材料210，以在HPHT烧结条件下渗入到PCD材料中。渗入层240可以由渗入材料构成，所述渗入材料可以包括碱土金属碳酸盐、碱土碳酸盐和它们组合中的至少之一。渗入材料可以是与金刚石层中的预混碳酸盐材料(烧结剂)相同或不同的碳酸盐材料。被提供用作渗入层的渗入材料的量可以大于或等于用于渗入穿过整个碳酸盐基PCD材料210的渗入材料的量。在使用渗入材料的量大于用于完全渗入的渗入材料的量(穿过碳酸盐基PCD材料的整个厚度)的实施例中，在烧结工艺过程中并不渗入的余量渗入材料可以形成邻近所述碳酸盐基PCD体的碳酸盐层。所述碳酸盐层随后可以或可以不被移除。
根据本发明的其他实施例，过渡层可以由金刚石粉末与碳酸盐材料的混合物形成，其中，所述碳酸盐材料选自碱土金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐与碱金属碳酸盐的组合中的至少之一。用于形成过渡层的碳酸盐材料的量可以在下限值为占过渡层的约4重量百分比、6重量百分比、8重量百分比、10重量百分比、15重量百分比或20重量百分比，至上限值为占过渡层的10重量百分比、15重量百分比、20重量百分比、22重量百分比、24重量百分比、26重量百分比、28重量百分比或30重量百分比之间。用于所述过渡层中的碳酸盐材料可以与碳酸盐基PCD材料和/或渗入层中的碳酸盐材料相同或不同。
例如，图3示出了利用碳酸盐基过渡层将碳酸盐基PCD材料烧结至基体的组件。所述组件300包括置于烧结容器的耐火金属盒305中的碳酸盐 基PCD材料310及基体320。过渡层330设置于碳酸盐基PCD材料310与基体320之间。碳酸盐基PCD材料310可以作为预成型的PCD体或预混粉末层被提供于烧结容器中。进一步地，所述碳酸盐基PCD体可以包括金刚石及选自碱土金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐与碱金属碳酸盐的组合中的至少之一的碳酸盐材料，且可选地包括0至4重量百分比的过渡金属催化剂。基体320可以由烧结碳化物材料形成，例如含有金属结合剂(例如钴或其他选自元素周期表第VIII族的金属)的烧结碳化钨。过渡层330可以包括与4至30重量百分比的过渡层碳酸盐材料相混合的金刚石粉末，其中，所述过渡层碳酸盐材料选自碱土金属碳酸盐和/或碱金属碳酸盐。渗入层340可以可选地与基体320相反地邻置于所述碳酸盐基PCD材料310，以在HPHT烧结条件下渗入PCD材料中。渗入层340可以由另外的碳酸盐材料构成，例如碱土金属碳酸盐、碱土碳酸盐、或它们的组合。
进一步地，在一些实施例中，金刚石粉末层可以与碳酸盐基过渡层共同使用。例如，图4示出了利用碳酸盐基过渡层430将碳酸盐基PCD材料410烧结至基体420的组件400。该组件400包括置于烧结容器的耐火金属盒405中的碳酸盐基PCD材料410及基体420。在所述碳酸盐基PCD材料410与基体420之间设置碳酸盐基过渡层430及金刚石粉末层435。所述金刚石粉末层435或碳酸盐基过渡层430可靠近所述基体420。根据一些实施例，过渡层可以小于1000微米厚。碳酸盐基过渡层可以用于阻止或延迟钴从烧结碳化物基体的渗入。
在无过渡层的情况下通过单循环HPHT工艺在基体上烧结碳酸盐基PCD
根据本发明的在没有过渡层的情况下在基体上烧结碳酸盐基PCD的方法，在使烧结容器及其内容物经受HPHT条件以形成结合到基体上的碳酸盐基多晶金刚石体之前，基体可以在烧结容器中被直接相邻组装到碳酸盐基多晶材料上。例如，图5示出了在没有过渡层的情况下用于将碳酸盐基PCD材料烧结到基体上的组件。所述组件500包括置于烧结容器505中的碳酸盐基PCD材料510及基体520，其中，PCD材料510在界面表面515处被邻置于基体520。图5中示出的界面表面515是平面的；然而，在其他实施例中，也可以在PCD材料和基体之间形成非平面界面。
基体520可以由烧结碳化物材料，例如含有金属结合剂(例如钴或其他选自元素周期表第VIII族的金属)的烧结碳化钨，或切割工具领域中公知的其他基体材料形成。不具有过渡层的组件中使用的基体，例如如图5中所示，可以包括少于10重量百分比的金属结合剂。例如，基体可以由具有少于10重量百分比的钴的烧结碳化钨钴材料形成。在其他实施例中，基体可以包括少于8重量百分比的金属结合剂。在其他实施例中，基体中金属结合剂的量可以在下限值为4重量百分比、5重量百分比、6重量百分比、7重量百分比，至上限值为6重量百分比、7重量百分比、8重量百分比、9重量百分比或10重量百分比的范围内。在PCD材料直接靠近利用钴金属结合剂(或其他过渡金属金刚石催化剂)构成的基体的实施例中，钴在HPHT烧结期间可以渗入PCD材料中。在这样的实施例中，通过在所述基体中包括少于10重量百分比的钴结合剂(或由过渡金属催化剂构成的其他结合剂)，可以减缓或减少金属结合剂的渗入。
进一步地，基体520可以作为预成型基体或作为粉末状基体材料混合物被提供于烧结容器中。例如，根据一些实施例，碳化物粉末与钴粉末的混合物可以被置于烧结容器中形成所述基体，其中，所述钴粉末占所述混合物的少于10重量百分比。根据其他实施例，基体可以由碳化物材料和结合剂通过例如烧结、挤压形成生坯、热压或本领域公知的其他方法来预成型。
所述碳酸盐基PCD材料510可以作为预成型的碳酸盐基多晶金刚石体或粉末状混合物被提供于烧结容器505中并邻近基体520。在使用预成型的碳酸盐基PCD体的实施例中，在一些实施例中PCD体可以通过烧结金刚石粉末与约0至4重量百分比范围内的碳酸盐材料(并且可选择地，约0至4重量百分比的诸如钴的过渡金属)的混合物或者在其他实施例中通过烧结金刚石粉末与大于4重量百分比的碳酸盐材料的混合物来形成，如上所述的，是在HPHT条件下，例如大于6.0GPa的压力及大于1700℃的温度下进行烧结。在使用粉末状混合物的实施例中，所述粉末状混合物可以包括金刚石粉末、一定量粉末状碳酸盐材料(并且可选择地，约0至4重量百分比的粉末状过渡金属)的混合物。
仍然参考图5，渗入层540可以可选地与基体520相反地邻置于碳酸盐 基PCD材料510，以在HPHT烧结条件中渗入到PCD材料中。渗入层540可以由第二碳酸盐基材料构成(本文也称其为渗入材料)，例如碱土金属碳酸盐、碱土碳酸盐、或它们的组合。用于形成渗入层540的渗入材料的量可以大于或等于用于渗入碳酸盐基PCD材料510的整个层的渗入材料的量。
本发明的碳酸盐基PCD可以通过烧结预混金刚石粉末层来形成，该预混金刚石粉末层包括金刚石颗粒与占所述预混层0至4重量百分比的烧结剂(选自碱土金属碳酸盐和/或碱金属碳酸盐的碳酸盐材料，并且可选地，从0至4重量百分比的过渡金属催化剂)的混合物。与金刚石粉末预混4或更少重量百分比的碳酸盐粉末可以提供具有改进的耐磨性的烧结PCD体。例如，图6示出了预混金刚石层中预混的碳酸镁量与烧结PCD体的磨损分数之间的关系图。如图所示，较低量(例如约1重量百分、2重量百分及4重量百分比)的预混碳酸镁生成的烧结PCD体比在金刚石层中预混较高量(例如，约7重量百分比)的碳酸镁而形成的PCD体具有较高的磨损分数。改善的磨损分数出现在具有4重量百分比或更少的预混碳酸镁的烧结PCD体中。另外，根据例如碳酸盐材料的类型与金刚石晶粒尺寸，其他低量的预混碳酸盐材料可以产生具有改善的耐磨性的PCD体。进一步地，如上所述，在HPHT烧结工艺期间，可以将另外的碳酸盐材料渗入到所述金刚石层中，例如，通过将由另外的碳酸盐材料构成的渗入层邻置于所述金刚石层。图6中示出的图示出了烧结碳酸盐基PCD体的耐磨性与预混碳酸盐材料量之间的关系，不包括渗入的碳酸盐材料的影响。
然而，根据本发明的其他实施例，碳酸盐基PCD体可以通过将金刚石粉末与占所述预混层大于4重量百分比的碳酸盐烧结剂预混而形成。例如，如上参考表1及图11所述的，预混层可以包括金刚石粉末及在一些实施例中多达约8体积百分比、或在其他实施例中多达约10体积百分比的碳酸盐烧结剂。与金刚石粉末预混的烧结剂的量可以取决于例如渗入到所述金刚石层中的碳酸盐渗入材料的量、烧结金刚石层的期望耐磨属性、所使用的金刚石颗粒的尺寸、用作烧结剂和/或渗入材料的碳酸盐材料的类型等，只要在烧结期间仍然发生显著的金刚石间结合而落入多晶金刚石(PCD)的定义范围内即可。
根据本发明的实施例，通过将PCD材料与基体置于烧结容器中并使该组件经受包括大于7.0GPa的压力条件及大于2000℃的温度条件的单HPHT烧结工艺，碳酸盐基PCD材料可以被烧结为碳化物基体(使用或不使用过渡层)。所述烧结容器可由耐火金属形成，例如钽。在一些实施例中，在组装及烧结碳酸盐基PCD构造之前，烧结容器的内表面可以涂覆有氮化物材料，例如TiN或ZrN，以阻止钴从基体通过所述容器的内表面渗入到PCD材料。可替换地或者除涂覆烧结容器的内表面外，基体的一个或多个外表面可以涂覆有氮化物材料，以阻止钴从基体通过所述组件的侧面(沿烧结容器的内表面)渗入到PCD材料。例如，碳酸盐基PCD材料及基体可以被装入烧结容器中烧结，其中，基体的每个外表面可以涂覆有氮化物材料。在其他实施例中，基体的外侧面可以涂覆有氮化物材料，以使界面表面(即基体的面对PCD材料的外表面)及与界面表面相反的基体外表面不被涂覆。可以使用本领域公知的涂覆方法将烧结容器的内表面和/或基体的至少一个外表面涂覆氮化物材料。
此外，本发明的一些实施例还可以包括第二高压高温工艺步骤。例如，可以在单个HPHT烧结步骤中将碳酸盐基多晶金刚石体与基体烧结在一起，如上所述的。碳酸盐基PCD与基体构造可以然后短时间经受第二高压高温条件，以释放由第一烧结步骤引起的残余应力，这可以减少破裂或脱层的概率。第二高压高温条件可以包括例如大于5.0GPa的压力和处于金刚石热稳定区间内的约800℃至1400℃范围内的温度。
本发明的碳酸盐基多晶金刚石可以用于形成用于钻探地层的切割工具，例如用于井下钻头上的切割元件。这些切割工元件可以包括结合至碳化物基体上的碳酸盐基多晶金刚石体，其中，碳酸盐基多晶金刚石体具有接触并切割地层的工作面。例如，根据本发明的实施例的一个切割元件示于图7中。所述切割元件700具有在界面715处结合至碳化物基体720上的碳酸盐基PCD体710。如上所述，碳酸盐PCD体可以直接附接至所述基体(如图所示)，或者通过由至少一种碳化物材料材料和/或至少一种氮化物材料构成的过渡层附接至所述基体。所述碳酸盐基PCD体710具有远离基体720的工作面712，其可以是平面(如图所示)或非平面。
碳酸盐基多晶金刚石体710的微观结构包括多个结合在一起的形成基 质相的金刚石晶粒、置于结合在一起的金刚石晶粒间的多个间隙区域以及设置于所述间隙区域中的碳酸盐材料。所述碳酸盐材料可以包括碱土金属碳酸盐、例如碳酸镁，或者碱土金属碳酸盐与碱金属碳酸盐的组合。在一些实施例中，除在所述间隙区域中的所述碳酸盐材料外，碳酸盐基PCD材料还可以包括过渡金属催化剂，例如钴。
所述碳酸盐基PCD材料可以通过将金刚石粉末层与一定量的诸如钴的过渡金属催化剂以及一定量的诸如碳酸镁的碳酸盐烧结材料预混形成，其中，过渡金属催化剂的量例如在0至4重量百分比范围内。根据一些实施例，预混的烧结剂的量可以在0至4重量百分比范围内，在其他实施例中，预混的烧结剂的量可以多达约15重量百分比。所述预混的金刚石粉末层可以在烧结容器内邻置于具有少于10重量百分比的过渡金属催化剂材料的基体，或者邻置于位于具有少于15重量百分比的过渡金属催化剂材料的基体上的过渡层，并经受HPT条件。所述基体可以由上文所述的金属及碳化物材料形成，但作为一个例子，也可以使用碳化钨-钴基体。在HPHT条件中，当温度到达约1370℃以上时，可开始形成液态WC-Co。在具有过渡层的实施例中，该过渡层可以防止或延迟在HPHT条件中形成的液态WC-Co蔓延所述预混金刚石层，或者在预混金刚石层直接靠近所述基体的实施例中，由于基体中较低量的钴(例如，少于10重量百分比的钴)，可以延缓在HPHT条件中形成的液态WC-Co蔓延所述预混金刚石层。因此，在温度达到足够高以熔化预混金刚石层中的碳酸盐材料(以及被从渗入层中渗入到金刚石层中的任意碳酸盐材料，例如上文所述的)之前，液态WC-Co可以部分渗入到所述预混金刚石粉末层中(即，从预混金刚石层的界面表面向金刚石层中渗入部分距离)或者没有钴渗入到所述预混金刚石层中。
被部分渗入的金刚石层可以使所述渗入的WC-Co(或者在基体中使用的其他碳化物-过渡金属催化剂)在烧结的碳酸盐基多晶金刚石体的全部渗入深度中以梯度分布或相对均匀分布。例如，在一些实施例中，来自相邻的基体的过渡金属催化剂可以从金刚石层/基体界面处向预混金刚石层中部分渗入一定深度。在完成该烧结工艺时，来自相邻的基体的过渡金属催化剂可以遍布从金刚石层/基休界面到金刚石层中的深度分布在所形成的碳酸盐基PCD体的间隙区域中。具有梯度分布的实施例可以在部分渗入深 度处的间隙区域中包括相对较少量的过渡金属催化剂，并且在界面处的间隙区域中具有相对较大量的过渡金属催化剂。例如，在来自相邻的基体的液态WC-Co部分渗入到金刚石层一定深度的实施例中，所述深度中可以具有梯度分布的钴。根据例如相邻的基体中的过渡金属催化剂材料的量、金刚石及碳酸盐颗粒尺寸以及烧结工艺的持续时间，部分渗入的深度可以不同。例如，在使用具有较小量的钴(或其他过渡金属催化剂)的碳化物基体的实施例中，在达到碳酸盐材料的熔点且碳酸盐开始熔化并形成金刚石间的结合之前，来自基体的熔融钴/碳化物可能并不完全渗入到金刚石层中。
进一步地，可以邻近于预混金刚石粉末层的外表面设置碳酸盐材料层，以渗入并形成碳酸盐基PCD构造。例如，碳酸盐基PCD材料可以通过可选择地将金刚石粉末层与一定量的诸如钴的过渡金属催化剂以及烧结剂(一定量的碳酸盐材料，例如碳酸镁)预混而形成，其中过渡金属催化剂的量例如在0至4重量百分比范围内。所述预混金刚石粉末层可以在烧结容器内邻置于具有少于10重量百分比的过渡金属催化剂材料的基体，或者邻置于位于基体上的过渡层，并经受HPHT条件。由第二碳酸盐材料(一种渗入材料)构成的渗入层可以沿与基体相反的外表面(例如，当完成碳酸盐基PCD切割元件后将成为工作面的表面)邻置于所述预混金刚石粉末层。所述第二碳酸盐材料可以选自碱土金属碳酸盐或者碱土金属碳酸盐与碱金属碳酸盐的混合物，并且可以与预混到所述金刚石粉末层中的烧结剂是相同或不同的碳酸盐材料，但是作为一个例子，可以使用碳酸镁。另外，如上所述，根据例如是否在金刚石层与基体之间使用过渡层、是否基体具有低量的过渡金属催化剂、或者升温速度，在HPHT烧结步骤期间低于碳酸盐材料的熔点的温度下时，来自基体的过渡金属催化剂可以或可以不部分渗入到所述预混金刚石层中。如果升温速度足够快，例如在不到60秒内从1300℃(2372℉)加热到2300℃(4172℉)，渗入层中的碳酸盐可以开始熔化并渗入到金刚石层中，从而在Co/WC能够完全渗入到所述金刚石层中之前形成碳酸盐PCD。
当HPHT工艺的温度达到第二碳酸盐材料(也称作渗入材料)的熔点时，第二碳酸盐材料可以开始蔓延至金刚石层中而直接形成金刚石间的结 合。在这些实施例中，所述第二碳酸盐材料可以以梯度或相对均匀地从金刚石层的上面具有渗入层的外表面向所述金刚石层中分布一定深度。例如，在渗入层邻置于最终形成切割元件工作面的金刚石层的外表面的实施例中，形成的碳酸盐基PCD切割元件中的第二碳酸盐材料可以是从工作面延伸一定深度的梯度分布。根据例如第二碳酸盐材料的量、HPHT工艺步骤的持续时间及条件以及所述金刚石层的厚度，所述第二碳酸盐材料可以延伸少于或等于所述金刚石层的整个厚度的深度。例如，根据本发明的一些实施例，来自渗入层的第二碳酸盐材料可以渗入从工作面到界面表面的整个金刚石层。在其他实施例中，一定量的第二碳酸盐材料可以形成所述渗入层，其量可以比用于渗入整个金刚石层的量要大。在这些实施例中，剩余的渗入材料(并未渗入到金刚石层中的渗入材料)可以在所述金刚石构造的工作面上形成碳酸盐层，并且所述碳酸盐层可以随后被去除。
碳酸盐基PCD体可以通过同时来自第二碳酸盐材料(来自渗入层)与碳化物-过渡金属催化剂(来自相邻的基体)的渗入来形成，其中，所述PCD体的被被渗入部分可以具有不同的微观结构组成。例如，参考图9，示出了根据本发明的实施例的金刚石构造900。根据本文公开的方法，所述金刚石构造900具有在界面915处直接结合至基体920的碳酸盐基PCD体910。特别地，示出的构造可以通过在烧结容器内将预混的金刚石粉末层(例如，金刚石、碳酸盐烧结剂以及0-4重量百分比的钴的混合物)邻置于由碳化钨及少于10重量百分比的钴形成的基体920而形成。由诸如碳酸镁的第二碳酸盐材料(一种渗入材料)形成的渗入层可以然后在烧结容器内邻置于金刚石层的与基体相反的外表面。所述烧结容器及其内容物然后可以经受HPHT条件，以将金刚石层与基体烧结在一起。在HPHT烧结步骤中，如上所述的，来自基体的钴可以渗入到金刚石层中，同样如上所述的，来自渗入层的碳酸镁可以从所述外表面至少部分地渗入到所述金刚石层中一定深度。最终的碳酸盐PCD体910具有两个部分914、916。如图所示，由渗入的第二碳酸盐材料构成的第一部分914延伸PCD体910的一部分厚度，由所述渗入的第二碳酸盐材料及渗入的钴构成的第二部分916延伸所述PCD体910的第二部分厚度。
第一部分914可以具有金刚石晶粒互连的微观结构，碳酸镁(如果在 烧结前预混有任何钴时，则还有一定量的钴)分布于形成于结合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域中。第一部分914被示为形成金刚石体910的部分厚度。然而，碳酸盐渗入材料可以渗入所述金刚石层的整个厚度，例如所述渗入的碳酸镁可以从与基体920相反的外表面912向所述金刚石体910中延伸整个深度。因此，由于渗入材料渗入的深度可以大于所述第一部分914的厚度，因此所述第一部分是指金刚石体910中基本不含从基体渗入的结合剂(例如钴)的部分。所述第二部分916可以具有金刚石晶粒互连的微观结构，碳酸镁(来自渗入的和/或预混的碳酸镁)与钴(从基体渗入的)设置于形成于结合在一起的金刚石晶粒之间的间隙区域中，其中，钴从界面915向金刚石体910中延伸一定深度。在一些实施例中，在烧结的PCD体910中的钴及镁元素可以是梯度分布。然而，根据其他实施例，渗入的碳酸盐材料与渗入的碳化物-过渡金属催化剂可以遍布该烧结PCD体基本上均匀地分布。
示于图9中的金刚石构造利用由碳酸镁形成的渗入层、由金刚石与碳酸镁(以及可选的钴)形成的预混金刚石层以及由碳化钨钴形成的基体形成。因此，在此例子中，金刚石、钴与碳酸镁之间发生反应。例如，在PCD体中钴含量少的区域中，烧结的PCD体中的主相可以是金刚石、碳酸镁、氧化镁和氧化钴，并且可能检测不到金属钴相。PCD体中钴含量高的区域中，烧结相可以包括金刚石、氧化镁、氧化钴及金属钴(Co)，并且可能检测不到碳酸镁(MgCO₃)。
然而，其他实施例可以具有引入到金刚石层中的碳酸镁与钴的其他组合，例如，碳酸镁与钴可以通过渗入被引入到金刚石层中，碳酸镁与钴可以通过预混碳酸镁、钴及金刚石被引入到金刚石层中，或者碳酸镁与钴之一通过渗入被引入到金刚石层中。进一步地，其他材料组合可以被引入到金刚石层中。例如，替代或除碳酸镁外，碱土金属碳酸盐可以被渗入和/或预混到金刚石层中。另外，替代或除钴外，过渡金属催化剂可以被渗入和/或预混到金刚石层中。在其他实施例中，可以不向金刚石层中引入过渡金属催化剂。例如，在没有钴(或其他过渡金属催化剂)渗入到或预混到金刚石层的实施例中，烧结的PCD体可以由金刚石和碳酸盐相(例如，结合在一起的金刚石晶粒，碳酸盐材料设置于间隙区域中)形成。
根据一些实施例，金刚石构造还可以包括基体延伸部。例如，在碳酸盐基PCD材料结合至由少于10重量百分比的金属结合剂构成的基体的实施例中，延伸部可以附接至所述基体，其中，所述延伸部由碳化物材料与含量大于10重量百分比的结合剂构成。在一些实施例中，所述延伸部中的结合剂含量可以大于12重量百分比、在其他实施例中大于14重量百分比、在进一步其他实施例中大于16重量百分比。在烧结并完成PCD材料后，可以将延伸部结合至基体，例如，通过传统的感应加热或铜焊工艺将铜焊合金熔化以将两个碳化物表面结合在一起。还可以在HPHT工艺阶段将所述延伸部结合至基体，例如两件碳化物可以在预压组装期间堆积在一起，并在HPHT循环期间结合在一起。与金刚石或过渡层接触的碳化物基体可以具有低含量钴(例如6％至10％)，所述延伸部可以具有较高含量钴(例如，10％至15％)。现在参考图8，根据本发明的实施例的切割元件800被示为包括附接至基体820上的碳酸盐基PCD材料810以及在PCD材料810的对面附接至基体820的基体延伸部850。所述基体延伸部850可以由碳化物材料(例如碳化钨)及含量大于10重量百分比的结合剂(例如钴)构成。所述切割元件800连同所述基体延伸部850在内，例如可以被铜焊至钻头。
碳酸盐基PCD可以具有改善的热稳定性及高耐磨性。然而，很多碳酸盐基PCD的应用，例如本文所述的碳酸盐基PCD切割元件，可以包括结合至基体的碳酸盐基PCD体，例如为了将碳酸盐基PCD切割元件附接至钻头。传统形成的基体，例如，当与碳酸盐材料例如碳酸镁相比时，由碳化钨及约10至16重量百分比的钴构成的基体具有低得多的熔点。例如，传统形成的由碳化钨及约10-16重量百分比的钴构成的基体可以具有约1370℃(2498℉)的熔点，而碳酸镁在大于6GPa的压力下可以具有高于1600℃(2912℉)的熔点。进一步地，如上所述，可以在压力大于7GPa且温度高于2000℃(3632℉)的烧结条件下形成碳酸盐基PCD。因此，在金刚石材料不被基体材料完全渗入时，传统形成的基体可能不被直接烧结到碳酸盐基PCD材料。例如，因为在温度条件达到所述碳酸盐材料的熔点之前(从而提供了用于形成碳酸盐基PCD的条件)，所述基体内的碳化钨钴可以熔化并渗入所述金刚石层中，因此碳酸盐基PCD体可能不被直接烧结到传统形成的碳化钨钴基体(具有约10至16重量百分比的钴)。然而， 通过使用本文所述的方法，利用单个HPHT工艺可以将碳酸盐基PCD体烧结至基体。
由根据本发明的实施例构成的多晶金刚石体可以用作井下切割工具，例如钻头上的切割元件。例如，本发明的井下工具可以具有主体、从主体延伸的多个刀片、以及设置于所述多个刀片上的根据本发明的实施例的至少一个多晶金刚石切割元件。所述至少一个多晶金刚石切割元件被如此设置于所述刀片上，使得工作面，即接触并切割被钻地层的表面，位于刀片的前导面，面向钻旋转的方向。所述多晶金刚石切割元件可以包括由形成基质相的多个结合在一起的金刚石晶粒、多个置于所述结合在一起的金刚石晶粒间的间隙区域、以及设置于所述间隙区域中的碳酸盐材料构成的多晶金刚石体，其中，所述碳酸盐材料选自碱金属碳酸盐和碱土金属碳酸盐至少之一。
图10中示出了本发明的井下工具的一个例子，钻头。所述钻头21包括具有螺纹上销端24及切割端26的钻头主体22。所述切割端26包括绕着钻头的旋转轴线布置并从钻头主体22径向向外延伸的多个刀片28。包括本发明的多晶金刚石材料的切割元件29相对于工作面以预定的角方向及径向位置设置于刀片28中，并且切割元件29相对于待钻地层具有期望的后倾角及侧倾角。
尽管上文仅详细描述了一些示例性实施例，但是本领域技术人员容易理解在实质上不脱离本发明的前提下，在该示例性实施例中有很多变型是可能的。相应地，这些变型旨在被包括于以随后的权利要求所限定的本发明的范围之内。