超硬結構及其制作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及一種超硬結構和這種結構的制作方法，特別地但不唯一地涉及包括附接至基體的多晶金剛石(PCD)結構的結構以及包括這種結構的工具，特別地但不唯一地用在巖體破碎(rock degradat1n)或鉆孔或用于鉆探到地表中。
【背景技術】
[0002]諸如多晶金剛石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)的多晶超硬材料可用在用于切害J、加工、鉆孔或破碎諸如巖石、金屬、陶瓷、復合材料和含木材料的硬質材料或研磨材料的各種工具中。特別地，以包括PCD材料的切割元件形式的工具刀片被廣泛地應用于鉆入地表以開采石油或天然氣的鉆頭。超硬工具刀片的工作壽命可受包括通過剝落和碎裂超硬材料的破裂或者工具刀片的磨損限制。
[0003]諸如在巖石鉆頭中使用的切割元件或其他切割工具通常具有呈基體形式的主體，其具有界面端/表面和超硬材料，及超硬材料，其形成切割層，切割層例如通過燒結工藝結合至基體的界面表面。基體通常由有時被稱為鎢硬質合金的碳化鎢-鈷合金構成，超硬材料層通常是多晶金剛石(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)或諸如熱穩定多晶金剛石的熱穩定產品TSP材料，結合至PCD刀具元件中的基體的超硬層通常具有從基體的界面至工作表面約為2mm的最大厚度。
[0004]多晶金剛石(PCD)是超硬材料的示例(也稱為超硬磨料材料或極硬材料)，超硬材料包括大量基本上共生的金剛石晶粒，形成限定于金剛石晶粒之間的間隙的骨架塊。PCD材料通常包括至少約80體積％的金剛石并且傳統上通過例如使金剛石晶粒的聚集塊經受大于約5GPa的超高壓力和至少約1200°C的溫度制成。全部或部分填充間隙的材料可被稱為填料或粘合劑材料。
[0005]POT通常在促進金剛石晶粒的共生的諸如鈷的燒結助劑的存在下形成。用于POT的合適的燒結助劑因為它們在一定程度上有溶解金剛石和催化其再沉淀的功能，通常也被稱為用于金剛石的溶劑-催化劑材料。用于金剛石的溶劑-催化劑被理解為一種在金剛石處于熱力學穩定時的壓力和溫度條件下能促進金剛石的生長或金剛石晶粒之間直接金剛石-金剛石共生的材料。因此，燒結的PCD產品內的間隙可全部或部分地填充有殘余溶劑-催化劑材料。最典型地，PCD通常形成在鈷鎢硬質合金基體上，鈷鎢硬質合金基體為用于PCD的溶劑-催化劑提供鈷源。不促進金剛石晶粒之間的實質性相干共生的材料可以自身與金剛石晶粒形成強力結合，而不是用于PCD燒結的合適的溶劑-催化劑。
[0006]可用于形成合適基體的鎢硬質合金由分散在鈷基質中的碳化物顆粒通過將碳化鎢顆粒/晶粒和鈷混合在一起然后加熱至固化而形成。為了形成帶有諸如PCD或PCBN的超硬材料層的切割元件，金剛石顆粒或晶粒或CBN晶粒被放置與諸如鈮罩體的難熔金屬罩體中的鎢硬質合金主體相鄰并且經受高壓和高溫使得金剛石晶粒或CBN晶粒之間發生晶間結合，形成多晶超硬金剛石或多晶CBN層。
[0007]在一些情況下，基體可在附接至超硬材料層之前被完全固化，而在其他情況下，基體可以是未被處理，即未被完全固化。在后一種情況下，基體可在HTHP燒結處理期間完全固化。基體可以是粉末形式并且可在用于燒結超硬材料層的燒結處理期間固化。
[0008]隨著用于在地表鉆探現場提高的生產率的日益增加的驅動，對用于切割巖石的材料的需求日益增加。具體來說，需要具有提高的耐磨性和抗沖擊性的PCD材料以實現更快的切割速度和更長的工具壽命。
[0009]包括P⑶材料的切割元件或工具刀片被廣泛應用于石油和天然氣開采工業中的地表鉆探用鉆頭。巖石鉆孔石和其他操作需要高的耐磨性和耐沖擊性。限制多晶金剛石(PCD)研磨刀具的成功的因素之一是由于PCD和工作材料之間的摩擦產生熱。這種熱導致金剛石層的熱降解。熱降解通過增加的裂化和PCD層的剝落來增加刀具的磨損率以及金剛石至石墨的回轉換導致磨損增加。
[0010]用于提高PCD復合材料的耐磨性的方法常常導致復合材料的耐沖擊性的降低。
[0011]在刀具中使用的PCD和PCBN的最耐磨品級通常因為剝落而不合格，剝落在刀具已經磨損之前導致刀具的災難性斷裂。剝落被認為由從切割工具的工作區域擴展至頂部自由表面的裂紋引起。在使用這些刀具期間，裂紋擴展直到它們達到發生災難性故障的臨界長度，即當PCD或PCBN的大部分以脆化的方式斷開。組件或結構的災難性故障表明裂紋擴展以達到給定的結構材料的“臨界裂紋長度”。“臨界裂紋長度”是裂紋的可接受長度，超出其可接受長度，裂紋的擴展變得不可控制導致與組件的剩余非工作區無關的災難性故障。因此，在使用傳統燒結的PCD和PCBN期間遇到裂紋的快速擴展會導致工具壽命更短。
[0012]此外，盡管它們的強度高，但是多晶金剛石(PCD)和PCBN材料由于它們斷裂韌性低通常易受沖擊斷裂的影響。提高斷裂韌性而不對材料的高強度和耐磨性產生不利影響是具有挑戰性的任務。
[0013]因此，需要具有良好或改進的耐磨性，耐斷裂性和耐沖擊性的超硬復合材料以及這種復合材料的形成方法。
【發明內容】
[0014]從第一方面看，提供一種超硬多晶結構，其包括:
[0015]多晶超硬材料的主體，其具有切割面；和
[0016]基體，其沿界面結合至多晶超硬材料的主體；
[0017]結構具有延伸穿過其中的中央縱軸和外圍側邊緣；其中:
[0018]基體包括基體主體和形成界面的第一端表面，基體的第一端表面包括突出部，其從基體的主體朝切割面延伸至超硬材料的主體中，突出部具有外圍外表面，多晶超硬材料的主體圍繞突出部的外圍外表面延伸；
[0019]其中多晶超硬材料的主體具有從沿外圍側邊緣的切割面至與基體的界面至少約為4mm的厚度；和
[0020]其中突出部的至少部分具有在沿結構的縱軸延伸的平面中測量的至少約4mm的厚度。
[0021]從第二方面來看，提供一種多晶超硬結構的形成方法，其包括:
[0022]提供超硬材料的顆粒或晶粒的第一塊；
[0023]將顆粒或晶粒的第一塊與粘合劑材料混合以形成生坯；
[0024]使生坯與預成型的基體接觸以形成預燒結組件，預成型的基體具有縱軸并且包括主體部和突出部，當在平行于基體的縱軸的平面中測量時，突出部從主體部至少部分地延伸大約4mm或更大；
[0025]在用于超硬晶粒的催化劑/溶劑材料的存在下，在約5.5GPa或更大的超高壓力和將超硬材料晶粒一起燒結的溫度下處理預燒結組件以形成包括具有切割面的多晶超硬材料的主體的多晶超硬結構；基體沿界面被結合至多晶超硬材料的主體；其中突出部從基體的主體朝切割面延伸至超硬材料的主體，多晶材料的主體延伸在突出部的周圍；和其中多晶材料的主體具有從沿結構的外圍側邊緣的切割面至與基體的界面至少約為4_的厚度。
[0026]從另一個方面來看，提供一種包括如以上限定的多晶超硬結構的工具，工具用于切割、銑削、磨削、鉆孔、地表鉆探、巖石鉆孔或其他研磨應用。
[0027]工具可包括例如用于地表鉆探或巖石鉆孔的鉆頭、在石油和天然氣鉆探工業中使用的旋轉固定刀片鉆頭或滾動錐形鉆頭、孔開口工具、可膨脹工具、鉸刀或其它地表鉆探工具。
[0028]從另一個方面來看，提供一種包括如以上限定的多晶超硬結構的鉆頭或刀具或用于鉆頭或刀具的組件。
【附圖說明】
[0029]現在將以示例的方式并參照附圖描述本發明，其中:
[0030]圖1是用于地表鉆探的鉆頭的示例性超硬刀具元件的透視圖；
[0031]圖2a-圖2e是具有在超硬主體和附接至超硬主體的基體之間的不同界面的示例性超硬刀具元件的示意性橫截面；
[0032]圖3a和圖3b是另一個示例性超硬刀具元件的示意性橫截面，其中超硬主體由包括不同晶粒尺寸和/或組分的區域形成，基體和超硬主體之間的界面與兩個示例中的刀具兀件的工作表面分隔開；
[0033]圖4a和圖4b是另一個示例性超硬刀具元件的示意性橫截面，其中超硬主體由包括不同晶粒尺寸和/或組分的區域形成，基體和超硬主體之間的界面延伸至兩個示例中的刀具元件的工作表面；
[0034]圖5a_圖5c是示出在附接至超硬層之前形成與超硬層的界面的基體的成形端的上述三個示例性基體部的透視圖；
[0035]圖6是示出通過超硬層的瀝濾的部分和未瀝濾的部分之間的邊界的示例性超硬刀具元件的示意性橫截面；
[0036]圖7a是通過示出通過使用磨損基體的常規超硬刀具元件的示意性橫截面；
[0037]圖7b是通過示出在使用后保留在超硬主體中的磨損的示例性超硬刀具元件的示意性橫截面；
[0038]圖8是示出比較兩種常規瀝濾POT刀具元件和示例性POT刀具元件的立式鉆具測試的結果的曲線圖。
[0039]在所有附圖中，相同的參考指相同的一般特征。
【具體實施方式】
[0040]如此處所使用的，“超硬材料”是具有至少約28GPa維氏硬度的材料。金剛石和立方氮化硼(cBN)材料是超硬材料的示例。
[0041 ] 如此處所使用的，“超硬結構”是指包括多晶超硬材料的主體的結構。在這種結構中，基體可以附接至其上。
[0042]如此處所使用的，多晶金剛石(PCD)是包括金剛石晶粒塊的多晶超硬(PCS)材料的一種類型，其大部分是直接彼此互相結合，其中金剛石的含量是材料的至少約80體積％。在PCD材料的一個