超硬构造及其制造方法.pdf

本发明公开了一种超硬多晶构造，其包含多晶超硬材料主体，所述多晶超硬材料主体包括第一区域和邻近所述第一区域的第二区域，所述第二区域通过超硬材料颗粒的交互生长结合到所述第一区域上。所述第一区域包括多个交替层，每个层的厚度在约5-300微米的范围内。所述第二区域中的一个或多个层的厚度大于所述第一区域中单独的层的厚度。所述第一区域中的交替层包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状态，且所述第二层处于残余张应力状态。所述第一或第二区域中的一个或多个所述层包括大量超硬颗粒，其显示出粒间结合并在颗粒间限定出多个间隙区域，所述超硬颗粒和非超硬相至少部分填充多个所述间隙区域。与所述非超硬相相关的平均自由程的中值除以对于所述非超硬相的(Q3-Q1)大于或等于0.50，其中Q1是第一四分位，且Q3是第三四分位；以及与所述超硬颗粒相关的平均自由程的中值除以对于所述超硬颗粒的(Q3-Q1)小于0.60。

1.  一种超硬多晶构造，包含多晶超硬材料主体，所述多晶超硬材料主体包括第一区域和邻近所述第一区域的第二区域，所述第二区域通过超硬材料颗粒的交互生长结合到所述第一区域上；所述第一区域包括多个交替层，每个层的厚度在约5-300微米的范围内；所述第二区域包括多个层，所述第二区域中的一个或多个层的厚度大于所述第一区域中单独的层的厚度，其中：
所述第一区域中的交替层包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状态，且所述第二层处于残余张应力状态；
所述第一或第二区域中的一个或多个所述层包括：
大量超硬颗粒，其显示出粒间结合并在颗粒间限定出多个间隙区域，所述超硬颗粒具有相关的平均自由程；以及
非超硬相，其至少部分填充多个所述间隙区域，并具有相关的平均自由程；
与所述非超硬相相关的平均自由程的中值除以对于所述非超硬相的(Q3-Q1)大于或等于0.50，其中Q1是第一四分位，且Q3是第三四分位；以及
与所述超硬颗粒相关的平均自由程的中值除以对于所述超硬颗粒的(Q3-Q1)小于0.60。

2.  根据权利要求1所述的超硬多晶构造，其中所述超硬颗粒包含天然和/或人工合成的金刚石颗粒，所述超硬多晶构造形成多晶金刚石构造。

3.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述非超硬相包含粘合剂相。

4.  根据权利要求3所述的超硬多晶构造，其中所述粘合剂相包含钴，和/或一种或多种其它铁族元素，如铁或镍或其合金，和/或元素周期表中IV-VI族金属的一种或多种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。

5.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，进一步包含沿界面结合到所述多晶材料主体上的烧结碳化物基底。

6.  根据权利要求5所述的超硬多晶构造，其中所述烧结碳化物基底包含通过粘合剂材料结合到一起的碳化钨粒子，所述粘合剂材料包含Co、Ni和Cr的合金。

7.  根据权利要求6所述的超硬多晶构造，其中所述碳化钨颗粒形成所述基底的至少70重量％和至多95重量％；所述粘合剂材料包含约10-50重量％的Ni、约0.1-10重量％的Cr，其余重量百分比包含Co；且其中所述烧结碳化物基底中所述碳化钨粒子的尺寸分布具有以下特征：
少于17％的所述碳化钨粒子的粒径等于或小于约0.3微米；
约20-28％的所述碳化钨粒子的粒径为约0.3-0.5微米；
约42-56％的所述碳化钨粒子的粒径为约0.5-1微米；
少于约12％的所述碳化钨粒子大于1微米；以及
所述碳化钨粒子的平均粒径为约0.6±0.2微米。

8.  根据权利要求7所述的超硬多晶构造，其中所述粘合剂还包含约2-20wt％的钨和约0.1-2wt％的碳。

9.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述第一区域中的每个层的厚度在约30-300微米，或约30-200微米的范围内。

10.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述第二区域中的所述层的厚度大于约200微米。

11.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述第一区域中的所述层包含两个或更多个不同的平均金刚石粒径。

12.  一种超硬多晶构造，包含第一区域和邻近所述第一区域的第二区域，所述第二区域通过金刚石颗粒的交互生长结合到所述第一区域；所述第一区域包括多个交替层，所述第一区域中的每个层的厚度在约5-300微米的范围内；所述第一区域和/或第二区域中的一个或多个层包括：
大量超硬颗粒，其显示出粒间结合并在颗粒间限定多个间隙区 域，所述超硬颗粒具有相关的平均自由程；以及
非超硬相，其至少部分填充多个所述间隙区域，并具有相关的平均自由程；
与所述非超硬相相关的平均自由程的中值除以对于所述非超硬相的(Q3-Q1)大于或等于0.50，其中Q1是第一四分位，且Q3是第三四分位；以及
与所述超硬颗粒相关的平均自由程的中值除以对于所述超硬颗粒的(Q3-Q1)小于0.60。

13.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述第一区域包括在使用中形成所述超硬多晶构造的最初工作表面的外部工作表面。

14.  根据权利要求12或13所述的超硬多晶构造，其中所述第二区域的厚度大于所述第一区域中单独的层的厚度。

15.  根据权利要求12-14中任一项所述的超硬多晶构造，其中所述第二区域包括多个层。

16.  根据权利要求12-15中任一项所述的超硬多晶构造，其中所述交替层包含与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状态，且所述第二层处于残余张应力状态。

17.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述第一区域和/或所述第二区域中的层包括下列中的一种或多种：
高达20wt％的纳米金刚石粉粒形式的纳米金刚石添加物；
盐系统；
Ti、V或Nb中的至少一种的硼化物或金属碳化物；或者
金属Pd或Ni中的至少一种。

18.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述超硬多晶构造具有纵轴，所述第一区域和/或所述第二区域中的所述层处于与所述超硬多晶构造的纵轴延伸通过的平面基本上垂直的平面内。

19.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述层基 本上为平面的、弯曲的、弓形的或半球形的。

20.  根据权利要求1-17中任一项所述的超硬多晶构造，其中所述超硬多晶构造具有纵轴，所述第一区域和/或所述第二区域中的所述层处于与所述PCD结构的纵轴延伸通过的平面成角度的平面内。

21.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述第一区域的体积大于所述第二区域的体积。

22.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中一个或多个所述层与所述超硬多晶构造的工作表面或侧表面相交。

23.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中每个层由一个或多个TRS为至少1000MPa的各自的PCD等级形成；相邻层中的所述PCD等级具有不同的热膨胀系数(CTE)。

24.  根据权利要求23所述的超硬多晶构造，其中一个或多个所述层包含CTE为至少3×10^-6mm/℃的PCD等级。

25.  根据前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造，其中所述第一区域的至少一部分基本上没有用于金刚石的催化剂材料，所述部分形成热稳定区域。

26.  根据权利要求25所述的超硬多晶构造，其中所述热稳定区域从所述超硬多晶构造的表面延伸至少50微米的深度。

27.  根据权利要求25或26所述的超硬多晶构造，其中所述热稳定区域包含最多2重量％的用于金刚石的催化剂材料。

28.  一种用于用来地壳钻探的旋转剪切钻头或用于冲击钻头的超硬多晶构造，包含结合到烧结碳化物支撑体上的前述任一项权利要求所述的超硬多晶构造。

29.  一种形成超硬多晶构造的方法，包括：
提供大量超硬材料颗粒，并将所述大量超硬颗粒排列以形成包含多个交替层的第一区域，每个层单独的具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一平均尺寸，所述第二部分具有第二平均尺寸，并提供另一大量的超硬材料颗粒，以形成邻近所述第一区域的第二区域，从而形 成预烧结组件(pre-sinter assembly)；并且
在约5.5GPa或更大的超高压力下并在所述超硬材料比石墨在热力学上更稳定的温度下，在用于所述超硬颗粒的催化剂/溶剂材料的存在下，处理所述预烧结组件，将所述超硬材料颗粒烧结在一起以形成多晶超硬构造，所述超硬颗粒显示出粒间结合并在所述颗粒间限定多个间隙区域，非超硬相至少部分填充多个所述间隙区域；
所述第二区域通过超硬材料颗粒的交互生长结合到所述第一区域上，所述第一区域的厚度在约5-300微米的范围内；其中：
所述第一区域中的交替层包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状态，且所述第二层处于残余张应力状态；
与所述非超硬相相关的平均自由程的中值除以对于所述非超硬相的(Q3-Q1)大于或等于0.50，其中Q1是与所述非超硬相相关的平均自由程测量值的第一四分位，且Q3是第三四分位；以及
与所述超硬颗粒相关的平均自由程的中值除以对于所述超硬颗粒的(Q3-Q1)小于0.60，其中Q1是与所述超硬颗粒相关的平均自由程测量值的第一四分位，且Q3是第三四分位。

30.  根据权利要求29所述的方法，其中提供大量超硬材料颗粒的所述步骤包括提供大量金刚石颗粒，其具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一平均尺寸，所述第二部分具有第二平均尺寸，所述第一部分的平均粒径在约10-60微米的范围内，且所述第二部分的平均粒径小于所述第一部分的平均粒径。

31.  根据权利要求30所述的方法，其中所述第二部分的平均粒径为所述第一部分的平均粒径的约1/10至6/10。

32.  根据权利要求29-31中任一项所述的方法，其中所述第一部分的平均粒径为约10-60微米，且所述第二部分的平均粒径为约0.1-20微米。

33.  根据权利要求29-32中任一项所述的方法，其中所述第一部分相对于所述第二部分的重量比在约50％至约97％的范围内，所述第二部 分的重量％在约3重量％至约50重量％的范围内。

34.  根据权利要求33所述的方法，其中所述第一部分对于所述第二部分的重量百分比的比例为约60:40。

35.  根据权利要求33所述的方法，其中所述第一部分对于所述第二部分的重量百分比的比例为约70:30。

36.  根据权利要求33所述的方法，其中所述第一部分对于所述第二部分的重量百分比的比例为约90:10。

37.  根据权利要求33所述的方法，其中所述第一部分对于所述第二部分的重量百分比的比例为约80:20。

38.  根据权利要求29-37中任一项所述的方法，其中所述提供大量超硬材料颗粒的步骤包括提供大量所述第一部分和第二部分的粒径分布不重叠的颗粒。

39.  根据权利要求29-37中任一项所述的方法，其中所述提供大量超硬材料颗粒的步骤包括提供三种或更多种粒度模式以形成包含具有相关平均粒径的粒径混合的多模量颗粒。

40.  根据权利要求29-39中任一项所述的方法，其中所述部分的平均粒径隔开为一个数量级。

41.  如权利要求39或40所述的方法，其中所述大量超硬颗粒包含具有约20微米平均粒径的第一部分、具有约2微米平均粒径的第二部分、具有约200nm平均粒径的第三部分和具有约20nm平均粒径的第四部分。

42.  一种工具，包含权利要求1-28中任一项所述的超硬多晶构造，所述工具用于切削、研磨、磨削、钻孔、地壳钻探、凿岩或其它磨料应用。

43.  根据权利要求42所述的工具，其中所述工具包含用于地壳探或凿岩的钻头。

44.  根据权利要求42所述的工具，其中所述工具包含用于石油和天然气钻探的旋转固定切削钻头。

45.  根据权利要求42所述的工具，其中所述工具为滚锥钻头、开孔工具、膨胀工具、钻孔器或其它地壳钻探工具。

46.  包含权利要求1-28中任一项所述的超硬多晶构造的钻头或切削件或其组件。

47.  一种实质上如前所述的参考任何一个在附图中说明的实施方案的超硬多晶构造。

48.  一种实质上如前所述的参考任何一个在附图中说明的实施方案的超硬多晶构造的制造方法。

超硬构造及其制造方法
技术领域
本发明涉及超硬构造和制造这种构造的方法，特别但不限于包含附着于基底的多晶金刚石(PCD)结构的构造，并涉及包含所述构造的工具，该工具特别但不限于用于岩石破碎(degradation)或凿岩(drilling)，或用于地壳钻探。
背景技术
多晶超硬材料如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可被用于多种工具，这些工具用来切削、机械加工、钻孔或破碎硬质或研磨材料如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。特别是，包含PCD材料的切削元件(cutting element)形式的工具嵌件被广泛用于进行地表钻探以开采石油或天然气的钻头。超硬工具嵌件的工作寿命可受超硬材料的断裂(fracture)包括剥落(spalling)和碎裂(chipping)所限，或受工具嵌件的磨损所限。
如用于岩石钻头或其它切削工具的切削元件典型地具有基底和超硬材料形式的主体，该基底具有界面端/表面，所述超硬材料通过例如烧结过程形成结合于基底的界面表面的切削层。基底通常由有时被称为烧结碳化钨的碳化钨-钴合金构成，且超硬材料层典型地为多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产品TSP材料如热稳定多晶金刚石。
多晶金刚石(PCD)是超硬材料(也称为超硬磨料材料)的一个实例，它包括大量实质上交互生长的金刚石颗粒，形成限定出金刚石颗粒间的间隙的骨骼体(skeletal mass)。PCD材料典型地包含至少约80体积％的金刚石，并且通常通过使金刚石颗粒的聚集体经受例如大于约5GPa的超高压力和至少约1200℃的温度来进行制造。全部或部分地填充所述间隙的 材料可被称为填料或粘合剂材料。
PCD典型地在烧结助剂如钴的存在下形成，烧结助剂促进金刚石颗粒的交互生长。用于PCD的适合的烧结助剂由于其在一定程度上溶解金刚石并催化其再沉淀的功能，通常也被称为用于金刚石的溶剂-催化剂材料。用于金刚石的溶剂-催化剂被理解为能够在金刚石热力学稳定的压力和温度条件下促进金刚石的生长或在金刚石颗粒之间直接的金刚石对金刚石的交互生长的材料。因此在烧结的PCD产品内的间隙中可以全部或部分地填充有剩余的溶剂-催化剂材料。最典型的是，PCD经常在钴-烧结碳化钨基底上形成，该基底为PCD提供了钴溶剂-催化剂的来源。不促进金刚石颗粒之间大量的连贯的相互生长的材料本身可与金刚石颗粒形成强的结合，但对于PCD烧结其并非适合的溶剂-催化剂。
可被用于形成适合基底的烧结碳化钨由分散于钴基质中的碳化物粒子，通过将碳化钨粒子/颗粒和钴混合在一起然后加热固化来形成。为了形成具有超硬材料层如PCD或PCBN的切削元件，将金刚石粒子或颗粒或CBN颗粒与烧结碳化钨体在耐火金属罩(enclosure)如铌罩中邻近放置，并经受高压和高温，从而发生金刚石颗粒或CBN颗粒之间的颗粒间结合(inter-grain bonding)，形成多晶超硬金刚石或多晶CBN层。
在一些情况下，基底可以在附着于超硬材料层之前充分固化，而在其他情况下，基底可以是生的(green)，即未完全固化。在后一种情况下，基底可以在HTHP烧结过程中充分固化。基底可以是粉末形式，并可以在用于烧结超硬材料层的烧结过程中进行固化。
在地表钻探领域中对改善生产力的驱动力不断增加使得对用于切削岩石的材料的需求不断增加。具体来说，需要具有改善的耐磨性和抗冲击性的PCD材料来实现更快的切削速率和更长的工具寿命。
在石油和天然气钻探行业中，包含PCD材料的切削元件或工具嵌件被广泛用于钻头以进行地壳钻探。岩石钻孔和其它操作需要高耐磨性和抗冲击性。限制多晶金刚石(PCD)砂轮切削件成功的一个因素是由于PCD和加工材料之间的摩擦而产生的热量。这种热量导致金刚石层的热 降解(thermal degradation)。由于PCD层增加的破裂和剥落以及导致磨损增加的金刚石到石墨的逆转化，热降解增加了切削件的磨损速率。
用于改善PCD复合材料的耐磨损性的方法常常导致复合材料的耐冲击性降低。因此需要具有良好或改进的耐磨性、抗断裂性和耐冲击性的PCS复合材料，以及形成这种复合材料的方法。
发明简述
从第一个方面看，本发明提供了一种超硬多晶构造，其包含多晶超硬材料主体，所述多晶超硬材料主体包括第一区域和邻近第一区域的第二区域，所述第二区域通过超硬材料颗粒的交互生长结合到第一区域；所述第一区域包括多个交替层(strata或layer)，每个层的厚度在约5-300微米的范围内；所述第二区域包括多个层，第二区域中的一个或多个层的厚度大于第一区域中单独层的厚度，其中：
第一区域中的交替层包括与第二层交替的第一层，第一层处于残余压应力状态，且第二层处于残余张应力状态；
第一或第二区域中的一个或多个层包括：
大量超硬颗粒，其显示出粒间结合并在颗粒间限定出多个间隙区域，所述超硬颗粒具有相关的平均自由程；以及
非超硬相，其至少部分填充多个所述间隙区域，并具有相关的平均自由程；
与所述非超硬相相关的平均自由程的中值除以对于所述非超硬相的(Q3-Q1)大于或等于0.50，其中Q1是第一四分位，且Q3是第三四分位；以及
与所述超硬颗粒相关的平均自由程的中值除以对于所述超硬颗粒的(Q3-Q1)小于0.60。
从第二个方面看，本发明提供了一种超硬多晶构造，包含第一区域和邻近所述第一区域的第二区域，所述第二区域通过金刚石颗粒的交互生长结合到所述第一区域；所述第一区域包括多个交替层，所述第一区 域中的每个层的厚度在约5-300微米的范围内；所述第一区域和/或第二区域中的一个或多个层包括：
大量超硬颗粒，其显示出粒间结合并在颗粒间限定出多个间隙区域，所述超硬颗粒具有相关的平均自由程；以及
非超硬相，其至少部分填充多个所述间隙区域，并具有相关的平均自由程；
与所述非超硬相相关的平均自由程的中值除以对于所述非超硬相的(Q3-Q1)大于或等于0.50，其中Q1是第一四分位，且Q3是第三四分位；以及
与所述超硬颗粒相关的平均自由程的中值除以对于所述超硬颗粒的(Q3-Q1)小于0.60。
从第三个方面看，本发明提供了一种形成超硬多晶构造的方法，包括：
提供大量超硬材料颗粒，并将所述大量超硬颗粒排列以形成包含多个交替层的第一区域，每个层单独的具有第一部分和第二部分，第一部分具有第一平均尺寸，第二部分具有第二平均尺寸，并提供另一大量的超硬材料颗粒，以形成邻近第一区域的第二区域，从而形成预烧结组件(pre-sinter assembly)；并且
在约5.5GPa或更大的超高压力下并在所述超硬材料比石墨在热力学上更稳定的温度下，在用于所述超硬颗粒的催化剂/溶剂材料的存在下，处理所述预烧结组件，将所述超硬材料颗粒一起烧结以形成多晶超硬构造，所述超硬颗粒显示出粒间结合并在所述颗粒间限定出多个间隙区域，非超硬相至少部分填充多个所述间隙区域；
所述第二区域通过超硬材料颗粒的交互生长结合到所述第一区域，所述第一区域的厚度在约5-300微米的范围内；其中：
所述第一区域中的交替层包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状态，且所述第二层处于残余张应力状态；
与所述非超硬相相关的平均自由程的中值除以对于所述非超硬相的 (Q3-Q1)大于或等于0.50，其中Q1是与所述非超硬相相关的平均自由程测量值的第一四分位，且Q3是第三四分位；以及
与所述超硬颗粒相关的平均自由程的中值除以对于所述超硬颗粒的(Q3-Q1)小于0.60，其中Q1是与所述超硬颗粒相关的平均自由程测量值的第一四分位，且Q3是第三四分位。
从另一方面看，本发明提供了一种工具，其包括如上所定义的超硬多晶构造，所述工具用于切削、研磨(milling)、磨削(grinding)、地表钻探(earth boring)、岩石钻孔(rock drilling)或其它磨料应用。
所述工具可以包括，例如用于地表钻探或岩石钻孔的钻头、用于石油和天然气钻探行业的旋转固定切削钻头、或者滚锥钻头、开孔工具、膨胀工具(expandable tool)、钻孔器或其它地表钻探工具。
从另一个方面看，本发明提供了一种包含如上定义的超硬多晶构造的钻头、切削件或其用于其的组件。
附图说明
本发明将通过实施例的方式并参考附图进行说明，其中：
图1是用于地表钻探的钻头的PCD切削元件的一个实例的示意性透视图；
图2显示了PCD结构的一部分的一个实例的示意性横截面图；
图3显示了PCD元件的一个实例的示意性纵向横截面图；
图4显示了PCD元件的一个实例的示意性纵向横截面图；
图5显示了用于地表钻探的钻头的一个实例的部分示意性透视图；
图6A显示了用于PCD元件的预烧结组件的一个实例的示意性纵向横截面图；
图6B显示了PCD元件的一个实例的示意性纵向横截面图；
图7A、7B、7C和7D显示了PCD结构的实例的部分示意性横截面图；
在所有的附图中，相同的参考标记指代相同的一般特征。
发明详述
本文所用的“超硬材料”是具有至少约28GPa维氏硬度的材料。金刚石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的实例。
本文所用的“超硬构造”是指含有多晶超硬材料的主体的构造。在这种构造中，所述主体上可以附着有基底，或者，多晶材料的主体可以是自支撑的(free-standing)或无衬的(unbacked)。
如本文所用，多晶金刚石(PCD)是一类多晶超硬(PCS)材料，其包含大量金刚石颗粒，其中的大部分是直接彼此相互结合的，并且其中金刚石的含量为所述材料的至少约80体积％。在PCD材料的一个实施方案中，金刚石颗粒之间的间隙可以至少部分地填充有包含用于金刚石的催化剂的粘合剂材料。本文所用的“间隙”或“间隙区域”是PCD材料的金刚石颗粒之间的区域。在PCD材料的实施方案中，间隙或间隙区域可以基本上或部分地填充有金刚石以外的材料，或者它们可以实质上是空的。PCD材料可以包括至少一个区域，从该区域中催化剂材料已从间隙中除去，留下金刚石颗粒之间的填隙空位。
如本文所用，PCBN(多晶立方氮化硼)材料是指一类超硬材料，其含有分散于包含金属或陶瓷的基质之内的立方氮化硼(cBN)颗粒。PCBN是超硬材料的一个实例。
用于超硬材料的“催化剂材料”能够促进超硬材料的生长或烧结。
本文所用的术语“基底”是指在其上形成超硬材料层的任何基底。例如，如本文所使用的“基底”可以是形成在另一个基底上的过渡层。另外，本文所用的术语“径向(radial)”和“周向(circumferential)”和类似的术语并不意味着限制所描述的特征为正圆(perfect circle)。
如本文所用，术语“完整地形成的(integrally formed)”区域或部分是彼此连续地形成的，且不由不同种类的材料所分离。
图1中显示的超硬构造1可适合用作，例如用于地表钻探的钻头的切削嵌件。
在所有的附图中，相同的参考编号用于表示相同的特征。
在如图1所示的实施方案中，切削元件1包括基底10，其具有在基底10上形成超硬材料层12。所述基底可以由硬质材料如烧结碳化钨形成。超硬材料可以是例如多晶金刚石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或热稳定产品如热稳定PCD(TSP)。可将切削元件1安装到钻头体如刮刀钻头体(未示出)上。与基底背对的超硬材料的暴露的顶表面形成切削面14，这是与其边缘16一起在使用中进行切削的表面。
在基底10的一端是与超硬材料层12界面结合的界面表面18，超硬材料层12附着在此界面表面上。如图1的实施方案中显示，基底10通常是圆柱形的，并具有外周表面20和外周上边缘22。
如本文所用，PCD等级是以金刚石颗粒的体积含量和尺寸、金刚石颗粒间的间隙区域的体积含量以及可能存在于间隙区域内的材料的组成为特征的PCD材料。PCD材料的等级可以通过以下方法来制得，包括：提供具有适用于此等级的尺寸分布的金刚石颗粒的聚集体，可选地将催化剂材料或添加剂材料引入该聚集体中，并在用于金刚石的催化剂材料的源的存在下，使所述聚集体经受金刚石比石墨更为热力学稳定且催化剂材料被熔化的压力和温度。在这些条件下，熔化的催化剂材料可以从所述源渗入到聚集体中，并有可能在烧结的过程中促进金刚石颗粒之间的直接交互生长，以形成PCD结构。所述聚集体可以包含松散的金刚石颗粒或通过粘合剂材料结合到一起的金刚石颗粒，且所述金刚石颗粒可以是天然的或人工合成的金刚石颗粒。
不同的PCD等级可具有不同的微观结构和不同的机械性能，如弹性(或杨氏)模量E、弹性模量、横向断裂强度(TRS)、韧性(如所谓的K₁C韧性)、硬度、密度和热膨胀系数(CTE)。不同的PCD等级也可能在使用中表现不同。例如，不同PCD等级的磨损率和抗断裂性也可能不同。
所有的PCD等级可包含填充有包含钴金属的材料的间隙区域，其是用于金刚石的催化剂材料的一个实例。
PCD结构20包含一个或多个PCD等级。
如本文所用，术语“应力状态”是指压应力状态、无应力状态或张 应力状态。压应力状态和张应力状态被理解为彼此相反的应力状态。在圆柱形几何系统中，应力状态可以是轴向的、径向的或圆周向的，或为净应力状态。
参照图2，PCD结构20的一个实例包括至少两个间隔开的处于压缩残余应力状态的压缩区域21和至少一个处于拉伸残余应力状态的拉伸区域22。拉伸区域22位于压缩区域21之间并且与其接合。
可对PCD材料的机械性质如密度、弹性模量、硬度和热膨胀系数(CTE)中的各种变化进行选择，以实现两个压缩区域之间拉伸区域的配置。这样的变化可以通过以下方法来实现：变化金刚石颗粒的含量、填充材料的含量和类型、PCD颗粒的尺寸分布或平均粒径以及单独使用不同的PCD等级或使用包含混合PCD等级的金刚石混合物的方法。
参照图3，PCD元件10的一个实例包括完整接合到烧结碳化物支撑体30的PCD结构20。PCD结构20包括交替(或交错)层形式的数个压缩区域21和数个拉伸区域22。该PCD元件10在形状上可以基本上为圆柱形，具有位于工作端并限定工作表面24的PCD结构20。所述PCD结构20可在非平面界面25上接合到支撑体30上。压缩区域21和拉伸区域22的厚度为约5微米至约200微米，在一些实施方案中在约5微米至约300微米的范围内，并可被设置为基本上平行于PCD结构20的工作表面24。基本上的环形区域26可以位于从支撑体30伸出的非平面部件31周围。
参照图4，PCD元件10的一个实例包括在与PCD结构20的工作表面24相对的非平面界面25处完整接合到烧结碳化物支撑体30的PCD结构20。PCD结构20可以包括约10-20个交替的延伸层形式的压缩区域21和拉伸区域22。在此实施方案中不含有层的区域26可邻接界面25设置。层21、22可以是弯曲或弓形的，但通常与界面25对齐，并可以与PCD结构的侧表面27相交。一些层可与工作表面24相交。
在一些实施方案中，区域26可以具有比单个层21、22实质上更大的厚度，在一些实施方案中，包括交替层21、22的区域的厚度可以比邻 近形成PCD材料基底的烧结碳化物支撑体30的区域26的厚度更大。
在一些实施方案中，邻近支撑体30的区域26可包括多个层(未示出)，这些层的厚度比单独的层21、22的厚度实质上更大，例如层21、22可具有约5至200微米范围内的厚度，并且在邻近支撑体30的区域26中的层的厚度超过约200微米。
在一些实施方案中，如图1到图4所示，交替层21、22的厚度可以在约5-300微米范围内，且金刚石材料由具有两个或更多不同平均金刚石粒径的PCD例如两个或更多等级的PCD的混合物形成。例如，层21可以由具有平均金刚石粒径A和B的聚集的金刚石混合物形成，层22也可以由具有平均金刚石粒径A和B但与层21的比例不同的金刚石混合物形成。在一个可选的实施方案中，层21可以由具有平均金刚石粒径A和B的金刚石混合物形成，层22可以由具有平均金刚石粒径C的金刚石混合物形成。应理解，两个或多个金刚石粒径的任何其它顺序/混合可用于形成交替层21、22。在这些实施方案中，与支撑体30相邻的区域26可由比单个层21、22实质上更厚，例如大于约200微米的单层形成。可选的是，区域26可以由包含如用于形成层21、22的金刚石混合物或其它材料的平均粒径A和B，和/或C的金刚石颗粒或具有可用于形成邻近支撑体30的此区域26中的层的金刚石粒径的金刚石颗粒的多个层或单个层形成。
在一些实施方案中，金刚石层21、22和/或在邻近支撑体30(未示出)的区域26中形成的层可以包括：例如纳米金刚石粉末高达20wt％形式的纳米金刚石添加物，盐系统，硼化物，Ti、V、Nb、或金属Pd或Ni的任一种的金属碳化物中的一种或多种。
在一些实施方案中，层21、22和/或在邻近支撑体30的区域26中形成的层可位于与金刚石构造10的纵轴延伸通过的平面基本上垂直的平面内。
例如作为在烧结过程中经受超高压力的结果，该层可以是平面的、弯曲的、弓形的、半球形的或扭曲的。可选地，交替层21、22可以以预 定的角度与金刚石构造10的纵轴延伸通过的平面对齐，以通过裂纹扩展控制影响性能。
参照图5，显示了用于岩石钻孔的钻头60的一个实例，其包含安装到钻头体62上的示例性PCD元件10。布置PCD元件10，使得各个PCD结构20从钻头体62上伸出，用于切削岩石。
用于在任何一个或多个所述区域中形成一个或多个层的超硬材料颗粒可以是例如金刚石颗粒或粒子。在烧结之前的起始混合物中，这些超硬材料颗粒可以是例如双模的(bimodal)，也就是说，进料包含用于形成一个或多个交替层的金刚石颗粒粗粒部分和金刚石颗粒细粒部分的混合物。在一些实施方案中，粗粒部分可具有例如约10至60微米的平均粒子/颗粒尺寸范围。“平均粒子或颗粒尺寸”是指单个粒子/颗粒具有一个尺寸范围，该尺寸范围具有表示“平均的”平均粒子/颗粒尺寸。细粒部分的平均粒子/颗粒尺寸小于粗粒部分的该尺寸，例如，在粗粒部分的尺寸的约1/10到6/10之间，并在一些实施方案中为例如约0.1到20微米。
在一些实施方案中，粗金刚石部分对于细金刚石部分的重量比在约50％至约97％的范围内，且细金刚石部分的重量比可以为约3％至约50％。在其他实施方案中，粗粒部分对于细粒部分的重量比将在约70:30至约90:10的范围内。
在其他实施方案中，粗粒部分对于细粒部分的重量比可在例如约60:40至约80:20的范围内。
在一些实施方案中，粗粒和细粒部分的粒度分布不重叠，并且在一些实施方案中，料块(compact)的不同尺寸的成分通过组成多峰分布的单独的粒度级之间的一个数量级隔开。
所述实施方案包含在超硬材料的粗粒和细粒部分之间的至少一个宽双模尺寸分布，但一些实施方案可以包括三个或甚至四个或更多的尺寸模式，这些模式例如可在尺寸上隔开为一个数量级，例如平均粒径为20微米、2微米、200纳米和20纳米的粒子尺寸的混合。
金刚石粒子/颗粒的尺寸纳入细粒部分、粗粒部分或介于两者间的其它尺寸可通过已知方法如喷射粉碎较大金刚石颗粒和类似的方法来完成。
在超硬材料为多晶金刚石材料的实施方案中，用于形成多晶金刚石材料的金刚石颗粒可以是天然或人工合成的。
在一些实施方案中，粘合剂催化剂/溶剂可包含钴或一些其它的铁族元素，如铁或镍或其合金。在元素周期表中的IV-VI族金属的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物是可以被加入到烧结混合物中的非金刚石材料的其它实例。在一些实施方案中，粘合剂/催化剂/烧结助剂可以是Co。
烧结金属碳化物基底在组成上可以是常规的，由此，可以包括任何IVB族，VB族或VIB族的金属，其在钴、镍、铁或其合金的粘合剂的存在下被压制并烧结。在一些实施方案中，金属碳化物是碳化钨。
在一些实施方案中，例如金刚石和碳化物材料两者的主体加上烧结助剂/粘合剂/催化剂以粉末形式施用，并在单一的UHP/HT过程中同时烧结。将形成基底的金刚石和大量碳化物的交替层放置于HP/HT反应池组件中，并进行HP/HT处理。选择的HP/HT处理条件足以实现磨料粒子的相邻颗粒间的晶间结合，以及任选的烧结粒子与烧结金属碳化物支撑体的结合。在一个实施方案中，该处理条件通常包括施加至少约1200℃的温度以及超过约5GPa的超高压力约3-120分钟。
在一些实施方案中，在超硬多晶材料的烧结过程中，基底可以在于HP/HT压制中结合到一起之前在单独的步骤中预烧结基底。
在另一实施方案中，基底和多晶超硬材料的主体都进行预成型。例如，超硬颗粒/粒子的双模或多模进料与任选的也为粉末形式的碳酸盐粘合剂-催化剂混合在一起，并将该混合物以交替层填充到适当形状的罐(canister)，然后在压制中经受极高压力和温度。典型地，该压力至少为5GPa，且温度为至少约1200℃。然后将多晶超硬材料的预成型体放置于预成型碳化物基底(含有粘合剂催化剂)的上表面上的适当位置，并将组件在适当形状的罐中进行定位。然后使组件在压制中经受高温和高压， 温度和压力的级别仍分别为至少约1200℃和5GPa。在此过程中，溶剂/催化剂从基底迁移到超硬材料的主体中并充当粘合剂-催化剂以实现层中的交互生长，并且还用于将多晶超硬材料层结合到基底上。烧结过程还用于将超硬多晶材料的主体结合到基底上。
现在描述用于制造PCD元件的另一实例方法。可以提供含有通过粘合剂材料结合到一起的金刚石颗粒的片(sheet)形式的聚集体。所述片可以通过本领域中的已知方法制备，例如挤出法或流延成型法，其中包含具有单独的适用于形成期望的单独双模或多模PCD等级的尺寸分布的金刚石颗粒的料浆，并将粘合剂材料分散到表面上并使其干燥。也可以使用用于制备含金刚石的片的其他方法，如在美国专利号5766394和6446740中描述的方法。用于沉积含金刚石层的可选的方法包括喷涂法，例如热喷涂。粘合剂材料可包括水基有机粘合剂，如甲基纤维素或聚乙二醇(PEG)，并可以提供包括具有不同尺寸分布的金刚石颗粒、金刚石含量或添加剂的不同的片。例如，可以提供包含具有不同平均尺寸的金刚石的至少两个片，且从单独的第一和第二片中可以切削出第一组和第二组盘(disc)。该片还可以含有用于金刚石的催化剂材料，如钴和/或用于抑制金刚石颗粒的异常生长或增强PCD材料性质的添加剂。例如，所述片可以含有约0.5重量％至约5重量％的碳化钒、碳化铬或碳化钨。在一个实例中，每一组可以包括约10至20个盘。
可以提供包含烧结碳化物的支撑体，其中，烧结或粘合剂材料包含用于金刚石的催化剂材料，如钴。支撑体可以具有在其上将要形成PCD结构的非平面端或基本上为平面的近端，该端部形成界面。端部的非平面形状可以被配置为减少所述PCD结构与支撑体之间不希望的残余应力。可提供杯(cup)用于将含金刚石的片组装到支撑体上。第一组和第二组盘可以以交替的顺序堆叠入杯的底部。在该方法的一个形式中，基本上松散的金刚石颗粒的层可被填充在盘的最上层。然后支撑体可嵌入到杯中，近端先进入，并将其推向基本上松散的金刚石颗粒，导致这些颗粒稍微移动，并根据所述支撑体的非平面端的形状对其定位，以形成预 烧结组件。
预烧结组件可放入用于超高压压制的胶囊(capsule)中，并经受至少约5.5GPa的超高压力和至少约1300℃的高温以烧结金刚石颗粒并形成PCD元件，该PCD元件包括完整接合到支撑体上的PCD结构。在该方法的一个形式中，当预烧结组件在超高压和高温下进行处理时，支撑体内的粘合剂材料熔化并渗入金刚石颗粒的层。来自支撑体的熔化的催化剂材料的存在可能通过金刚石颗粒彼此间的交互生长来促进金刚石颗粒的烧结，从而形成完整、分层的PCD结构。
在该方法的一些形式中，聚集体可以包括基本上松散的金刚石颗粒，或由粘合剂材料结合在一起的金刚石颗粒。多模颗粒的聚集体可以是颗粒、盘，圆片或片的形式，并且可以含有例如用于金刚石的催化剂材料和/或用于减少异常金刚石颗粒生长的添加剂，或者聚集体可以基本上无催化剂材料或添加剂。在一些实施方案中，聚集体可被组装到烧结碳化物支撑体上。
在一些实施方案中，预烧结组件可以经受至少约6GPa，至少约6.5GPa，至少约7GPa或甚至至少约7.5GPa的压力。
参考图6A，用于制造PCD元件的预烧结组件40的一个实例可以包括支撑体30，包含向支撑体30的非平面端堆叠的金刚石颗粒的区域46，以及以盘或圆片41、42的一般形式堆叠在区域46上的多个交替的含金刚石的聚集体。在一些形式中，聚集体可以为松散的金刚石颗粒(grains)或粒(granules)形式。预烧结组件可被加热以除去包含在层叠盘内的粘合剂材料。
参考图6B，PCD元件10的一个实例包括PCD结构20，其含有由不同的单独的多模等级的PCD材料形成的多个交替层21、22和不包含层的部分26。部分26可以根据支撑体30的非平面端的形状配合地形成，在超高压处理的过程中，部分26已完整地结合至支撑体30。不同等级的PCD或金刚石颗粒尺寸或等级的混合物的交替层21、22通过直接金刚石对金刚石的交互生长结合在一起，以形成一个完整的、固体的和分层的 PCD结构20。PCD层21、22的形状作为经受超高压力的结果在某种程度上可以是弯曲的、弓形的或扭曲的。在该方法的一些形式中，考虑到在超高压和高温处理过程中布置可能变形，聚集体可被布置在预烧结体组件中，以实现PCD结构中的各种其它的层配置。
层21、22可以包括作为层的不同平均金刚石粒径的结果的不同的单独PCD等级。不同量的催化剂材料可能渗透到包含在预烧结体组件中的不同类型的盘41、42中，因为它们包含具有不同平均尺寸的金刚石颗粒，以及由此导致金刚石颗粒之间的不同大小的空间。由此相应的交替PCD层21、22可以包括不同的、交替量的用于金刚石的催化剂材料。按体积百分比计，拉伸区域内的填充剂材料的含量可以大于每个压缩区域内的含量。
在一个实例中，压缩的层可以包含平均粒径大于拉伸的层的金刚石颗粒的平均粒径的金刚石颗粒。
不希望受到特定理论的束缚的情况下，当使分层的PCD结构从形成其时的高温冷却下来时，含有不同量的金属催化剂材料的交替层可以以不同的速率收缩。这可能是因为当其从高温冷却下来时，金属要比金刚石实质上收缩大得多。这种收缩率差别可能会导致相邻层相互拉扯，从而引起其间的相对应力。
参照图6B所描述的PCD元件10可以通过研磨进行处理以调整其形状，从而形成实质上如图4所描述的PCD元件。这可能涉及除去一些弯曲层的一部分，以形成实质上为平面的工作表面和实质上为圆柱形的侧表面。催化剂材料可以从邻接工作表面或侧表面或邻接工作表面和侧表面两者的PCD结构的区域中除去。这可以通过用酸处理该PCD结构以从金刚石颗粒之间浸出催化剂材料，或通过其它方法如电化学方法来完成。由此可以提供热稳定区域，其可以为实质上多孔的，从PCD结构的表面延伸至少约50微米或至少约100微米的深度。一些具有50-80微米厚的层的实施方案(其中浸出深度为约250微米)已被证明显示出实质上改善的性能，例如相对于未浸出的PCD产品，浸出后的产品在性能上翻 倍。在一个实例中，实质上多孔的区域可包含至多2重量％的催化剂材料。
当向PCD构造10应用酸浸出时，特别对于其中粘合剂不含有V和/或Ti的实施方案来说，通过例如粘合剂含量上的差异而具有不同粒径的交替层的使用可以可控地给出不同的结构。在HCl酸浸出的过程中，这样的结构可由于在每一层中不同的残留钨而形成。实质上，浸出率很可能在每一层中都不同(除非使用含有HF的酸)，这可使得特别是在PCD材料的边缘上能够优先浸出。对于厚度超过120微米的层来说，这种情况可能更为明显。如果对PCD材料应用HF酸浸出，则这种情况不太可能发生。其原因在于，在此过程中，HCl酸去除Co并留下钨，而HF酸浸出会去除粘合剂组合物中的全部成分。
参考图7A，PCD结构20的一个变化实例包括以交替结构排列且基本上平行于PCD结构20的工作表面24并与PCD结构的侧表面27相交的至少三个基本上为平面的层21、22。
参考图7B，PCD结构20的一个变化实例包括以交替结构排列的至少三个层21、22，所述层具有弯曲或弓形形状，所述层的至少部分趋向于远离PCD结构的工作表面24和和切削边缘28。
参考图7C，PCD结构20的一个变化实例包括以交替结构排列的至少三个层21、22，所述层的至少部分趋向于远离PCD结构的工作表面24并通常朝PCD结构的切削边缘28延伸。
参考图7D，PCD结构20的一个变化实例包括以交替结构排列的至少三个层21、22，一些层的至少部分与PCD结构的工作表面24基本上对齐，且一些层的至少部分通常与PCD结构的侧表面27对齐。层通常可为环形部分的环形并实质上与PCD结构20的基本上为圆柱形的侧表面27同轴。
PCD结构可具有接近工作表面的表面区域，该区域包含具有至多约1050MPa或至多约1000MPa的杨氏模量的PCD材料。表面区域可包括热稳定的PCD材料。
PCD结构的一些实例可具有至少3个、至少5个、至少7个、至少10个或甚至至少15个压缩区域，而拉伸区域位于其间。
在一些实施方案中，每个层的厚度可以为至少约5微米，在其他的实施方案中，该厚度为至少约30微米，在其他的实施方案中，该厚度为至少约100微米，或者在其他的实施方案中，该厚度为至少约200微米。在一些实施方案中，每个层的厚度可以为至多约300微米或至多约500微米。在一些示例性实施方案中，通过由一端的工作表面上的一点到相对表面上的一点测量层的厚度，每个层的厚度可以为PCD结构厚度的至少约0.05％、至少约0.5％、至少约1％或至少约2％。在一些实施方案中，每个层的厚度可为PCD结构厚度的至多约5％。
如本文所用，术语“残余应力状态”是指在没有外部施加的加载力的情况下，主体或主体的一部分的应力状态。PCD结构包括层结构的残余应力状态可通过应变仪并逐层逐步除去材料进行测量。在PCD元件的一些实例中，至少一个压缩区域的压缩残余应力可以为至少约50MPa、至少约100MPa、至少约200MPa、至少约400MPa或甚至至少约600MPa。相邻层残余应力大小之间的差可以为至少约50MPa、至少约100MPa、至少约200MPa、至少约400MPa、至少约600MPa、至少约800MPa或甚至至少约1000MPa。在一个实例中，至少有两个连续的压缩区域或者拉伸区域可具有不同的残余应力。PCD结构可以包括至少三个压缩或拉伸区域，每个区域具有不同的残余压缩应力，该区域分别以压缩或拉伸应力大小的升序或降序排列。
在一个实例中，每个区域可以具有至多16MPa.m1/2的平均韧性。在一些实施方案中，每个区域的平均硬度可以为至少约50GPa或者至少约60GPa。每个区域的平均杨氏模量可以为至少约900MPa、至少约950MPa、至少约1000MPa或甚至至少约1050MPa。
如本文所使用的，“横向断裂强度”(TRS)通过使具有宽度W和厚度T的棒(bar)形式的样品经受在三个位置施加的负荷来进行测量，其中两个位置在样品的一侧，一个位置在相对侧，并以一加载速率增加负 荷，直至样品在负荷P断裂。然后基于负荷P、样品尺寸和跨度L来计算TRS，其中跨度L是在一侧两个负荷位置之间的距离。这种测量还可以被称为三点弯曲测试，并且由D.Munz和T.Fett描述于“陶瓷，机械性能，故障行为，材料选择(Ceramics,mechanical properties,failure behaviour,materials selection)”(1999年，施普林格，柏林)中。对应于特定等级PCD材料的TRS的测量，通过测量由该等级所组成的PCD样品的TRS来实现。
带有具有交替压缩和拉伸应力状态的PCD层的PCD结构的提供趋于增加PCD结构的整体有效韧性，这可能有增加分裂脱层(其中层趋于破裂)的潜在可能性的影响。不希望受到特定理论的束缚的情况下，如果PCD层不是足够牢固以维持它们之间的残余应力，则分裂脱层可易于发生。这种影响可以通过选择PCD等级，以及特别是形成拉伸区域的PCD等级，以具有足够高的TRS来得到改善。形成拉伸区域的PCD等级的TRS应大于其可能经受的残余张应力。影响区域可能经受的应力大小的一个方法是通过选择相邻区域的相对厚度。例如，通过选择厚度大于相邻压缩区域的拉伸区域的厚度，很可能降低拉伸区域内张应力的大小。
区域的残余应力状态可随温度而变化。在使用中，PCD结构的温度可能在靠近切削边缘的点和远离切削边缘的点之间显著不同。在某些用途中，靠近切削边缘的温度可达到几百摄氏度。如果温度超过约750摄氏度，在催化剂材料如钴的存在下，金刚石材料很可能转化为石墨材料，这是不希望的。因此，在某些用途中，在温度高达约750摄氏度时，应考虑如本文所描述的相邻区域中的交替应力状态。
PCD盘的K1C韧性通过劈裂试验(diametral compression test)进行测量，其描述于Lammer("Mechanical properties of polycrystalline diamonds",Materials Science and Technology,volume 4,1988,p.23.)和Miess(Miess,D.and Rai,G.,"Fracture toughness and thermal resistances of polycrystalline diamond compacts",Materials Science and Engineering,1996,volume A209,number 1to 2,pp.270-276)。
杨氏模量是一类弹性模量，并且是在材料表现弹性的应力范围内，响应于单轴向应力的单轴应变的量度。测量杨氏模量E的优选方法是通过根据等式E＝2ρ.C_T²(1+υ)，测量通过该材料的声速的横向和纵向分量，其中υ＝(1–2(C_T/C_L)²)/(2–2(C_T/C_L)²)，C_L和C_T分别是测量的通过其的声音的纵向和横向速度，且ρ是该材料的密度。如本领域中已知，声音的纵向和横向速度可以使用超声波进行测量。当一种材料是不同材料的复合材料时，平均杨氏模量可通过如下三个公式之一，即混合公式的谐波(harmonic)、几何(geometric)和定律(rule)进行估算：
E＝1/(f₁/E₁+f₂/E₂))；E＝E₁^f1+E₁^f2；以及E＝f₁E₁+f₂E₂；
其中不同的材料被分为具有各自体积部分f₁和f₂的两个部分，f₁和f₂的和为1。
如本文所用，词语“由…形成”是指“由…组成，不考虑组合物或微观结构中可能存在的小的或非实质的差异”。
烧结碳化钨基底的硬度可通过将该基底特别在金刚石为热力学稳定的压力和温度下经受超高压和高温来增强。硬度增强的幅度可取决于压力和温度条件。特别是，硬度增强可以增加更高的压力。不希望受特定理论的束缚的情况下，这被认为是与Co在压制烧结过程中从基底漂移进入PCD有关，因为硬度增加的程度直接取决于基底中Co含量的降低。
在烧结碳化物基底不含有足量的用于金刚石的溶剂/催化剂，且PCD结构在超高压烧结过程中完整地形成在基底上的实施方案中，溶剂/催化剂材料可以包括在或被引入来自不同于烧结碳化物基底的材料源的金刚石颗粒的聚集体中。该溶剂/催化剂材料可以包含仅在超高压烧结步骤之前和超高压烧结过程中从基底渗入到金刚石颗粒的聚集体中的钴。但是，在钴或其它溶剂/催化剂材料在基底中的含量较低的实施方案中，特别是当其低于烧结碳化物材料的约11重量％时，则可能需要提供另外的源以确保聚集体的良好烧结，以形成PCD。
用于金刚石的溶剂/催化剂可以通过各种方法引入到金刚石颗粒的聚 集体中，包括混合粉末形式的溶剂/催化剂材料和金刚石颗粒，在金刚石颗粒的表面上沉积溶剂/催化剂材料，或者在烧结步骤之前或作为烧结步骤的一部分由不同于基底的材料源中将溶剂/催化剂材料渗透入聚集体。将用于金刚石的溶剂/催化剂如钴沉积到金刚石颗粒的表面上的方法在本领域中是已知的，其包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溅射镀膜、电化学方法、化学涂覆方法和原子层沉积(ALD)。应该理解的是，每种方法的优点和缺点取决于烧结助剂和待沉积的涂覆结构的性质，以及颗粒的特性。
在一个实施方案中，可通过以下方法将钴沉积在金刚石颗粒的表面上：首先沉积前体材料，然后将前体材料转化为包含元素金属钴的材料。例如，在第一步骤中，可使用以下反应将碳酸钴沉积在金刚石颗粒的表面上：
Co(NO₃)₂+Na₂CO₃→CoCO₃+2NaNO₃
用于金刚石的钴或其它溶剂/催化剂的碳酸盐或其它前体或的沉积可以通过在PCT专利公开号WO2006/032982中描述的方法来实现。然后例如可通过如下所述的热分解反应将碳酸钴转化为钴和水：
CoCO₃→CoO+CO₂
CoO+H₂→Co+H₂O
在另一个实施方案中，钴粉或钴的前体如碳酸钴，可以与金刚石颗粒混合。当使用溶剂/催化剂如钴的前体时，可能有必要热处理所述材料，以在烧结聚集体之前，进行反应以生成元素形式的溶剂/催化剂材料。
实际上钴含量较低的烧结碳化物等级作为用于PCD嵌件的基底的实际应用受到下列事实所限，即在烧结过程中，一部分Co需要从基底迁移进入PCD层以促进PCD的形成。出于这个原因，尽管其可能是所希望的，但在包含较低Co含量的基底材料上制造PCD更为困难。
在一些实施方案中，烧结碳化物基底可能由通过粘合剂材料粘合在一起的碳化钨粒子形成，该粘合剂材料包括Co、Ni和Cr的合金。该碳化钨颗粒可以形成基底的至少70重量％和至多95重量％。粘合剂材料可以包含约10～50重量％之间的Ni、约0.1至10重量％之间的Cr，其余重量百分比包含Co。在一些实施方案中，烧结碳化物基底中的碳化钨粒子的尺寸分布具有以下特征：
-少于17％的碳化物粒子的粒径等于或小于约0.3微米；
-约20-28％之间的碳化钨粒子的粒径为约0.3-0.5微米之间；
-约42-56％之间的碳化钨粒子的粒径为约0.5-1微米之间；
-少于约12％的碳化钨粒子大于1微米；以及
-碳化钨粒子的平均粒径为约0.6±0.2微米。
在一些实施方案中，粘合剂另外包含约2-20wt％之间的钨和约0.1-2wt％之间的碳。
与具有多晶金刚石材料主体的界面相邻的基底的层可以具有例如约100微米的厚度，并可以包含碳化钨颗粒和粘合剂相。该层的特征可为具有通过能量色散X射线显微分析(EDX)测量的下列基本组成：
-约0.5-2.0wt％之间的钴；
-约0.05-0.5wt％之间的镍；
-约0.05-0.2wt％之间的铬；以及
-钨和碳。
在另一实施方案中，在基本组成包括约0.5-2.0wt％之间的钴、约0.05-0.5wt％之间的镍以及约0.05-0.2wt％之间的铬的上述层中，剩余部分为钨和碳。
基底的层可以进一步包含单体碳。
如本文所用，复合材料如烧结碳化物的“平均自由程”(MFP)是在粘合剂材料内凝成的聚集碳化物颗粒之间平均距离的量度。烧结碳化物材料的平均自由程特征可以使用该材料的抛光片的显微照片进行测定。例如，该显微照片可具有约1000倍的放大率。该MFP可以通过测量在 均匀网格上线的每个交叉点和晶界之间的距离来确定。将矩阵(matrix)线段Lm求和，并将颗粒(grain)线段Lg求和。采用两轴的平均矩阵线段长度是“平均自由程”。碳化钨粒子尺寸的多个分布的混合物可能导致MFP值对于相同基质含量的宽分布。在下面对此进行更详细地解释。
在一些实施方案中，基底包含Co、Ni和Cr。
用于基底的粘合剂材料可以包括固溶体中至少约0.1重量％至最高约5重量％的V、Ta、Ti、Mo、Zr、Nb和Hf中的一种或多种。
为协助改善烧结结构的热稳定性，可从多晶层中邻近其暴露表面的区域中除去催化材料。通常，该表面在多晶层与基底相对的一侧，并且将提供对于多晶金刚石层的工作表面。催化材料的去除可使用本领域已知的方法如电解蚀刻、酸浸和蒸发技术来进行。已发现一些实施方案的多模分布可以有助于实现非常高程度的金刚石交互生长，同时仍保持足够的开口孔隙度以实现有效的浸出。
下面参考下列实施例对本发明的实施方案进行更详细地描述，这些实施例仅以说明的方式提供，且不意图限制本发明的范围。
实施例1
将足以在用于形成一个类型的层的最终金刚石混合物中获得2质量％的量的亚微米钴粉在球磨中的甲醇浆体中用WC研磨介质进行1小时来首先解聚。然后将平均粒径为2μm的金刚石粉末的细级分以在最终混合物中获得10质量％的量加入到所述浆体中。引入额外的研磨介质并加入另外的甲醇以获得适合的浆体；将所得物再研磨一小时。然后以在用于形成一个类型的层的最终混合物中获得88质量％的量加入平均粒径约20μm的金刚石的粗级分。再对浆体补充另外的甲醇和研磨介质，然后再研磨2小时。将浆体从球磨中移除并干燥，以得到金刚石粉末混合物。
然后将金刚石粉末混合物以交替层放置入合适的HPHT容器中，使其与可能由或可能不由多模金刚石等级的混合物形成的另一金刚石混合 物交替，上述层与碳化钨基底相邻并在约6.8GPa的压力下和约1500℃的温度下烧结。
实施例2
将足以在用于形成一个类型的层的最终金刚石混合物中获得2.4质量％的量的亚微米钴粉在球磨中的甲醇浆体中用WC研磨介质进行1小时来首先解聚。然后将平均粒径为2μm的金刚石粉末的细级分以在用于形成一个类型的层的最终混合物中获得29.3质量％的量加入到所述浆体中。引入额外的研磨介质并加入另外的甲醇以获得适合的浆体；将所得物再研磨一小时。然后以在用于形成一个类型的层的最终混合物中获得68.3质量％的量加入平均粒径约20μm的金刚石的粗级分。再对浆体补充另外的甲醇和研磨介质，然后再研磨2小时。将浆体从球磨中移除并干燥，以得到用于形成一个类型的层的金刚石粉末混合物。
然后将金刚石粉末混合物以交替层放置入合适的HPHT容器中，使其与可能由或可能不由多模金刚石等级的混合物形成的另一金刚石混合物交替，上述层与碳化钨基底相邻并在约6.8GPa的压力下和约1500℃的温度下烧结。特别是，每一个都含有具有不同平均尺寸并通过有机粘合剂结合在一起的金刚石颗粒的第一和第二片材，其通过流延成型(tape casting)法制造。该方法包括提供金刚石颗粒悬浮在液体粘合剂中的单独的浆料，浇注该浆料成片状，并使其干燥以形成可自支持的含金刚石片材。将含金刚石圆片放入杯中，在彼此上方交替堆叠来自交错的第一组和第二组的盘。将用于形成其中不存在交替层的第二区域且具有约18微米至约25微米范围内的平均尺寸的松散的金刚石颗粒的层放在朝上的杯中圆片最上层的顶部，将支撑体嵌入杯中，其非平面端被推向该层。
烧结金刚石结构的金刚石含量大于90体积％，且在一些实施方案中，该分布的粗级分可大于60重量％或大于70重量％。
在多晶金刚石材料中，单独的金刚石粒子/颗粒在相当大程度上通过金刚石桥或金刚石颈(neck)结合到相邻的粒子/颗粒上。该单独的金刚石 粒子/颗粒保持其一致性(identity)，或通常具有不同的取向。这些个别的金刚石颗粒/粒子的平均颗粒/粒子尺寸可以利用图像分析技术来确定。在扫描电子显微镜上收集图像并使用标准图像分析技术进行分析。从这些图像中，能够提取有代表性的金刚石粒子/颗粒尺寸分布。
通常，多晶金刚石材料的主体将在高温高压处理(HPHL)过程中产生并结合到烧结碳化物基底上。在这样做时，对每层中的粘合剂相和金刚石粒子进行排列，以使得粘合剂相均匀分布并具有小尺度，这是有利的。
通过研磨和抛光对PCD元件进行处理，以形成具有基本上平面的工作表面和圆柱形侧面的切削元件。然后用扫描电子显微镜(SEM)对通过PCD结构的横截面进行微观结构上的检查。
烧结结构的同质性或均匀性通过对大量采集到的图像进行统计学评价来定义。粘合剂相的分布可通过使用电子显微镜容易地与金刚石相的分布进行区分，然后可用与在EP0974566中公开的方法相类似的方法测定粘合剂相的分布。此方法可对沿几条任意画出的通过微观结构线对粘合剂相的平均厚度进行统计学评价。对于本领域技术人员而言，这种粘合剂厚度的测量值也被称为“平均自由程”。对于整体组成或粘合剂含量以及平均金刚石粒径相似的两种材料来说，平均厚度较小的材料将趋于更均匀，因为这意味着在金刚石相的层中粘合剂的“更小尺度”的分布。此外，这种测量的标准偏差越小，结构越均匀。大的标准偏差表明粘合剂厚度在微观结构上变化很大，即该结构不均匀(even)，广泛包含不同的结构类型。
以下面列出的方式获得各种样品的粘合剂和金刚石平均自由程测量值。除非本文另有说明，PCD材料主体内的平均自由程大小指的是包含PCD材料的主体的表面上或通过该主体的截面上测量的且没有进行立体校正的大小。例如，通过在抛光表面上进行的图像分析获得测量值，并且在本文中所述的数据中没有进行萨尔特科夫(Sltykov)校正。
在测量量的平均值或通过图像分析测定的其它统计参数中，使用表 面或截面(下文中称为样品)的不同部分的多个图像来增提高统计数据的可靠性和准确性。用于测量一个给定的量或参数的图像数目可以是例如10至30。如果所分析的样品是均匀的，对于PCD的情况取决于放大率，可认为10至20幅图像足够充分地代表了该样品。
出于要清楚制出颗粒间和相间界限的目的，图像的分辨率需要足够高，对于本文中所述的测量值，使用了1280×960像素的图像面积。通过使用背散射电子信号所拍摄的扫描电子显微照片(SEM)的方式获得用于图像分析的图像。选择背散射模式以便提供基于不同原子数的高对比度，并降低表面损伤的敏感度(与次级电子成像模式相比)。
1.使用EDM线切削PCD烧结体的样件并抛光。使用扫描电子显微镜以1000倍放大倍数拍摄样品表面的至少10幅背散射电子图像。
2.将原始图像转换为灰度图像。通过确保在灰度等级直方图中金刚石峰值强度出现在10至20之间来设定图像的对比度水平。
3.自动阈值特性用于二值化图像，特别是用于获得金刚石和粘合剂相清晰的分辨率。
4.使用来自Soft Imaging GmbH(Olympus Soft Imaging Solutions GmbH的商标)的商品名analySIS Pro的软件，并从分析中排除接触图像边界的任何颗粒。这需要适当选择图像放大率：
a.如果太低则细粒子的分辨率降低。
b.如果太高则：
i.粗颗粒分离的效率降低。
ii.较高数量的粗颗粒被图像的边界切除，由此分析了较少的这些颗粒。
iii由此必须分析更多图像以获得有统计学意义的结果。
5.每个粒子最终通过形成其的连续像素的数量来表示。
6.AnalySIS软件程序进行探测并分析图像中的每个粒子。对多个 图像自动重复此过程。
7.使用灰度等级分析十幅SEM图像，以确定样品中与其它相区别开的粘合剂池(binder pool)。然后通过选择仅识别粘合剂池并排除所有其它相(无论灰色或白色)的粘合剂池含量的最大值来确定SEM的阈值值。一旦确定此阈值，使用该阈值来二值化SEM图像。
8.将一个像素粗的线叠加在整个二值化图像的宽度上，每根线相距5个像素(以确保测量在统计学角度上有足够的代表性)。被图像边界切除的粘合剂相被排除在这些测量之外。
9.测量并记录沿叠加线的粘合剂池之间的距离—每种被分析的材料至少进行10,000次测量。计算非金刚石相平均自由程和金刚石相平均自由程的中值。在本文中，术语“中值”被认为具有其常规含义，即将数据的下半部与上半部分离的数值。
还记录对于金刚石相和非金刚石相两者的在Q1和Q3的平均自由程测量值。
Q1通常被称为第一四分位(也称为下四分位)，且为其下有25％的底部的数据的数值。Q3通常被称为第三四分位(也称为上四分位)，且有75％的数据在其下，且25％的数据在其上。
由此，确定实施方案具有：
α≥0.50且β<0.60，
其中
α是非金刚石相MFP中值/(Q3-Q1)，其给出了“均匀粘合剂池尺寸”的测量值；以及
β＝金刚石MFP中值/(Q3-Q1)，其给出了“宽粒径分布”的测量值。
下列事项列出由本发明内容设想出的一些可能的组合：
1.包含第一层、第二层和第三层的PCD结构；第二层置于第一层和第三层之间并通过金刚石颗粒的交互生长第二层结合至第一层和第三层；每个层由单独的PCD等级或具有至少1200MPa 或至少1600MPa的TRS的等级形成；包含在第二层中的PCD等级比第一层和第三层的单独的PCD等级具有更高的热膨胀系数(CTE)。第二层可以包含具有至少4×10^-6毫米/℃的CTE的PCD等级。
2.包含每一层处于各自的残余压应力状态的第一层和第三层且包含处于残余张应力状态并位于第一层和第三层之间的第二层的PCD结构；第一层、第二层和第三层的每一层由一个或多个单独的PCD等级形成并通过金刚石颗粒的交互生长直接彼此结合；PCD等级具有至少1200MPa的横向断裂强度(TRS)。
3.包含第一层、第二层和第三层的PCD结构；第二层置于第一层和第三层之间并通过金刚石颗粒的交互生长第二层结合至第一层和第三层；每个由一个或多个单独的PCD等级形成的区域包含至少85体积％的具有至少0.1微米且至多30微米平均粒径的金刚石颗粒；包含在第二层中的PCD等级比在第一层和第三层中包含的每个单独的PCD等级中含有的金属含量高。包含在第二层中的PCD等级可含有至少9体积％的金属。
4.包含第一层、第二层和第三层的PCD结构；第二层置于第一层和第三层之间并通过金刚石颗粒的交互生长第二层结合至第一层和第三层；每个层由具有至少1200MPa的TRS的一个或多个单独的PCD等级形成；第二层中包含的PCD等级比在第一层和第三层中包含的每个单独的PCD等级含有更多的金属。第二层中包含的PCD等级可含有至少9体积％的金属。
5.在所有以上编号1至4的组合中，所述PCD结构可包含从PCD结构的表面延伸至少50微米深度的热稳定区；其中，该热稳定区包含至多2重量％的用于金刚石的催化剂材料。
6.在所有以上编号1至5的组合中，所述层可为交替配置排列的层的形式，以形成完整、分层的PCD结构。所述层的厚度可为至少约10微米且至多约500微米，并且所述层可以是大致平面 的、弯曲的、弓形的或半球形的。
7.在所有以上编号1至6的组合中，所述层可与PCD结构的工作表面或侧表面相交。包含在第一层和第三层中的PCD等级的金刚石颗粒可以与在第二层中包含的金刚石颗粒的平均粒径不同。
8.在所有以上编号1至7的组合中，第二层的体积或厚度可以大于第一层的体积或厚度以及第三层的体积或厚度。
可以提供包括结合到烧结碳化物支撑体上的PCD结构的PCD元件。该PCD元件可以基本上是圆柱形的，并且具有基本上为平面的工作表面，或大致半球形的、尖的、圆锥形的或截头圆锥形的工作表面。该PCD元件可以用于用来地表钻探的旋转剪切(或切削)钻头，用于冲击钻头或用于用来采矿或沥青降解的锄。
虽然已参照若干实施例对各种实施方案进行了描述，但本领域的技术人员应理解，对于其中的元件可以作出各种变化且可被等同物替换，并且这些实施例不意图限于所公开的具体实施方案。例如，虽然参照图6B所示的实施方案已经描述了PCD元件10的后续处理如浸出以从其中除去催化剂材料，但这样的处理技术可被应用到任何实施方案中。