具有帶金屬中間層的超硬材料切割元件及其制造方法與流程

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年12月10日提交的美國臨時專利申請號62/090063和于2015年12月03日提交的美國專利申請號14/957847的優先權，其通過引用并入本文。

背景技術：

在地下鉆井操作(比如用于將鉆孔鉆入地球以用于回收碳氫化合物(例如油和天然氣)的操作)期間使用的切割工具和巖石鉆孔工具通常包括鉆頭體和設置在鉆頭體上的多個切割元件。這些切割元件由于其良好的耐磨性和硬度特性而通常結合超硬材料，比如多晶金剛石(pcd)。另外，pcd體通常結合或以其它方式聯接到基底。這些基底有助于將切割元件附接到鉆頭體上，比如通過釬焊。

傳統上通過在高壓和高溫(hpht)下燒結與催化劑材料(比如選自周期表第viii族的金屬催化劑)混合的金剛石顆粒來形成pcd體。在hpht燒結過程中，金剛石顆粒形成金剛石晶體的互連網絡，并且催化劑材料滲透并占據結合的金剛石晶體之間的間隙空間或孔隙。然而，常規的pcd體易于發生熱降解，因為催化劑材料具有比金剛石晶體更高的熱膨脹系數。特別地，當切割元件經受升高的溫度時(比如在鉆井操作期間)，催化劑與金剛石晶體之間的熱膨脹差異和間隙地設置在金剛石晶體之間的催化劑可以引起pcd體中的熱應力和裂紋的形成。這些熱應力可能最終導致pcd體中的裂紋的形成和切割元件的過早失效。

因此，已經開發了各種技術來產生熱穩定的pcd(tsp)。用于形成tsp主體的常規方法包括在金剛石顆粒的hpht燒結過程中使用非金屬催化劑，不使用催化劑的hpht燒結金剛石顆粒，或用酸浸出常規的pcd體以除去至少一部分形成在結合的金剛石晶體之間的間隙區域中的催化劑材料。

另外，預先形成的tsp主體可以通過將tsp主體放置在模具中然后用配置成在受到升高的溫度時形成基底的材料填充模具的其余部分而與基底接合。配置成形成基底的材料通常包括基質材料(比如鎢或碳化鎢)和粘合劑材料(比如鈷)。當模具被加熱時，粘合劑材料配置成滲入基質材料，從而將基質顆粒結合在一起以形成基底。此外，粘合劑材料配置為通過潤濕tsp主體與基底之間的交界面表面并沿著交界面表面填充tsp主體中的金剛石顆粒之間的孔而將基底接合到tsp主體。

技術實現要素：

本公開涉及將超硬體連接到基底并減輕在超硬體與基底之間形成高應力集中區域的各種方法。在一個實施例中，該方法包括用中間層覆蓋超硬體的至少一部分，將至少部分地被所述中間層覆蓋的超硬體放置在模具中，用基底材料填充所述模具的一部分，以及將所述基底材料加熱到配置成形成聯接到所述超硬體的基底的滲透溫度。該方法還可以包括在模具中的位移上支撐超硬體。中間層可以是任何合適的材料，比如鈷、鎳、銅、其合金、或其任何組合。超硬體可以是任何合適類型的熱穩定多晶金剛石(pcd)，比如浸出pcd、非金屬催化劑pcd或無催化劑pcd。超硬體可以是熱穩定多晶立方氮化硼(pcbn)體。超硬體可以具有大于約4000kg/mm²的硬度。基底材料可以由基質材料和粘合劑材料構成。

中間層的熔點可能超過滲透溫度，使得中間層在形成基底的任務期間不熔化。中間層的楊氏模量可以小于tsp主體的楊氏模量并且小于基底的楊氏模量。此外，中間層的硬度可以小于超硬體的硬度并且小于基底的硬度。

超硬體的任何合適的部分可以被中間層覆蓋。該方法可以包括用中間層完全覆蓋超硬體。該方法還可以包括用具有第一厚度的第一中間層覆蓋超硬體的第一部分，并且用具有不同于第一厚度的第二厚度的第二中間層覆蓋超硬體的第二部分。在超硬體是圓柱形并且包括外表面、與外表面相對的內表面和在外表面與內表面之間延伸的圓柱形側壁的實施例中，該方法可以包括用中間層覆蓋超硬體的外表面、內表面和圓柱形側壁中的每個的至少一部分。中間層可以沿著超硬體的外表面和/或內表面是不連續的。

超硬體可以通過任何合適的過程用中間層覆蓋。該方法可以包括圍繞超硬體的一部分纏繞薄金屬帶。該方法還可以包括涂覆超硬體，比如通過無電鍍、電鍍、氣相沉積、濺射、噴涂或其任何組合。

本公開還涉及超硬切割元件的各種實施例。在一個實施例中，超硬切割元件包括超硬體、聯接到所述超硬體的基底、以及至少一個中間層，其超硬體與基底之間并且沿所述超硬體與基底之間的成角度交界面的至少一部分延伸。超硬體可以是圓柱形的，并且包括外表面、與外表面相對的內表面、以及在外表面與內表面之間延伸的圓柱形側壁。中間層可以覆蓋超硬體的外表面、內表面和圓柱形側壁中的每一個的至少一部分。基底可以覆蓋超硬體的外表面、內表面和圓柱形側壁中的每一個的至少一部分。中間層可以沿著超硬體的外表面和內表面中的至少一個是不連續的。中間層可以包括具有第一厚度的第一中間層和具有不同于第一厚度的第二厚度的第二中間層。

中間層的楊氏模量可以小于超硬體的楊氏模量并且小于基底的楊氏模量。中間層的硬度可以小于超硬體的硬度并且小于基底的硬度。中間層可以是任何合適的材料，比如鈷、鎳、銅、其合金、或其任何組合。超硬體可以是任何合適類型的熱穩定多晶金剛石(pcd)，比如浸出pcd、非金屬催化劑pcd或無催化劑pcd。中間層可以具有任何合適的厚度，比如約0.001英寸(25.4μm)至約0.005英寸(127μm)。

本公開還涉及制造具有聯接到基底的超硬體的切割元件的方法。在一個實施例中，該方法包括將超硬體放置在模具中，用基底材料填充模具的一部分，將基底材料加熱至配置成形成基底并將基底聯接到超硬體的滲透溫度，以及去除超硬體的石墨化區域。基底材料可以由基質材料和液化溫度為約982℃(約1800°f)或更低的粘合劑材料組成。滲透溫度可以約為982℃(約1800°f)或更低，或者可以大于約982℃(約1800°f)。去除超硬體的石墨化區域可以包括去除具有從約0.001英寸(25.4μm)到約0.03英寸(762μm)的深度的超硬體層。另外，去除超硬體的石墨化區域可以包括任何合適的過程，比如碾磨、研磨或其組合。超硬體可以是任何合適類型的熱穩定多晶金剛石(pcd)，比如浸出pcd、非金屬催化劑pcd或無催化劑pcd。

提供了本發明內容以便介紹在以下詳細描述中被進一步描述的概念的選擇。本發明內容并非旨在標識所要求保護的主題的關鍵或基本特征，也不旨在用于限制所要求保護的主題的范圍。

附圖說明

當結合以下附圖考慮時，參考下面的詳細描述，本公開的實施例的這些及其它特征和優點將變得更加明顯。在附圖中，所有圖中使用相同的附圖標記來引用相似的特征和部件。附圖不一定按比例繪制。

圖1是示出根據本公開的一個實施例的在位移上支撐熱穩定多晶金剛石(tsp)體的任務的透視圖；

圖2是示出根據本公開的一個實施例的插入tsp主體和圖1的位移進入模具的任務和用基底材料填充模具的任務的剖視圖；

圖3是根據本公開的一種方法形成的超硬切割元件的透視圖；

圖4是描繪在豎直轉塔車床(vtl)測試中五種不同tsp主體的性能結果的圖；以及

圖5是根據本公開的一種方法形成的包含超硬切割元件的鉆頭的透視圖。

具體實施方式

本公開涉及超硬切割元件的各種實施例以及將超硬體(例如熱穩定多晶金剛石體)聯接到基底以形成超硬切割元件的方法。本公開的實施例還涉及用于在將超硬體聯接到基底的過程中減輕在超硬體與基底之間形成高應力集中區域的各種方法。根據本公開的方法形成的超硬切割元件可以結合到任何合適的工業工具中，其中期望利用超硬體的耐磨性和硬度特性，例如比如在鉆頭(例如固定切削刀頭或滾子錐頭鉆頭)或用于地下鉆井或采礦操作的鉸刀中。

下面參照圖1和圖3，將描述根據本公開的一個實施例的將熱穩定多晶金剛石(tsp)體100聯接到基底101以形成超硬切割元件102的方法。在一個實施例中，該方法包括形成tsp主體100。該方法可以包括形成任何合適類型的tsp主體100，例如比如非金屬催化劑多晶金剛石(pcd)、無粘合劑pcd或者浸出或部分浸出的pcd。在一個實施例中，形成非金屬催化劑型的tsp主體100包括將與非金屬催化劑(例如熱相容的碳化硅或碳酸鹽)混合的金剛石粉末經受高壓高溫(hpht)燒結過程，例如比如施加約70kbar或更大的壓力和從約2000℃(約3632°f)至約2500℃(約4532°f)的溫度。在一個實施例中，形成無粘合劑型tsp主體100包括在不存在催化劑材料的情況下將碳(例如石墨、巴克球或其它碳結構)經受hpht燒結過程，例如比如通過施加約100-160kbar的壓力和從約1800℃(約3272°f)至約2500℃(約4532°f)的溫度。在一個實施例中，形成浸出型tsp主體100包括將與催化劑混合的金剛石粉末經受hpht燒結過程，以形成具有金剛石晶體的互連網絡的傳統pcd體以及占據金剛石晶體之間的間隙空間或孔的催化劑材料。形成浸出型tsp主體100還包括處理常規pcd體以從互連的金剛石晶體之間的間隙孔中除去催化劑材料的任務，比如通過將pcd體在酸溶液中浸沒達必要的時間段。在一個或多個替代實施例中，占據金剛石晶體之間的孔的催化劑材料可以通過任何其它合適過程例如比如熱分解來去除。

在替代實施例中，該方法可以包括獲得或提供上述任何類型的預先形成的tsp主體100。另外，在替代實施例中，該方法可以包括形成熱穩定多晶立方氮化硼(pcbn)體，或者獲得或提供預先形成的pcbn體而不是tsp主體100。另外，在一個實施例中，該方法可以包括形成、獲得或提供任何其他合適類型或種類的超硬體，而不是tsp或pcbn體。例如，在一個實施例中，超硬體可以由硬度超過約4000kg/mm²的任何合適的材料形成。另外，在一個實施例中，該方法可以包括形成或獲得僅tsp主體的一部分是熱穩定的tsp主體100。例如，催化劑可以僅從pcd體的一部分去除(例如通過浸出或熱分解)，并且pcd體的其余部分可以是常規pcd。如本文所使用，術語“超硬”被理解為本領域已知的具有約4000維氏金字塔數(hv)或更大的晶粒硬度的材料。這樣的超硬材料可以包括能夠在高于約750℃(約1382°f)的溫度下顯示物理穩定性的那些，并且對于某些應用來說高于約1000℃(約1832°f)，它們由固結材料形成。這種超硬材料可以包括但不限于金剛石、立方氮化硼(cbn)、類金剛石碳、低氧化硼、硼化鋁錳以及硬度值高于4000hv的硼-氮-碳相圖中的其它材料。

在圖1所示的示例性實施例中，tsp主體100是圓柱形的，并且包括外工作表面103、與工作表面103相對的內交界面表面104、在工作表面103與交界面表面104之間延伸的圓柱形側壁105、其中圓柱形側壁105與工作表面103相接觸所限定的切割邊緣106以及其中圓柱形側壁105與交界面表面104相接觸所限定的交界面邊緣107。切割邊緣106是tsp主體100的一部分，其配置為當tsp主體100被并入到其中于鉆頭上的超硬切割元件102時在地下鉆井或采礦操作期間接合土層。交界面表面104是tsp主體100的一部分，其在tsp主體100聯接到基底101以形成超硬切割元件102時鄰接基底101，例如如圖3所示。雖然所示實施例中的tsp主體100是圓柱形的，但是在一個或多個替代實施例中，tsp主體100可以具有任何其他合適的形狀，這取決于tsp主體100被并入其中的超硬切割元件102的預期應用。另外，盡管所示實施例中的tsp主體100包括平面交界面表面104，但是在一個或多個替代實施例中，tsp主體100的交界面表面104可以是非平面的。例如，tsp主體100的交界面表面104可以包括配置為將tsp主體100連接到基底101的一個或多個特征，例如比如配置為接合基底101上的互補特征的凹陷(例如凹槽或通道)或突起(例如肋)。

繼續參考圖1所示的實施例，該方法還包括在位移108上支撐tsp主體100的任務。位移108配置成防止基底101圍繞接觸位移108的tsp主體100的那些部分形成(例如，接觸位移108的tsp主體100的部分在將tsp主體100聯接到基底101之后保持暴露)。在所示的實施例中，位移108是具有較厚區域109、較薄區域110和限定在較厚區域109與較薄區域110之間的臺階111的圓柱形盤。較厚區域109的內表面112配置為支撐tsp主體100的外工作表面103的至少一部分。較薄區域110的內表面113配置成與tsp主體100的外工作表面103間隔開，使得間隙或空腔114形成在tsp主體100的外工作表面103與位移108的較薄區域110之間。位移108還包括延伸超過較厚區域109的一對相對的三角形突起115、116。三角形突起115、116配置成鄰接tsp主體100的圓柱形側壁105。

如下面更詳細地描述，基底101通過用基底材料121填充含有tsp主體100的模具120而形成并聯接到tsp主體100。如圖2所示，位移108配置成防止基底101圍繞與位移108的較厚區域109的內表面112接觸的tsp主體100的外工作表面103的部分形成。位移108還配置成防止基底101圍繞支撐在位移108的較厚區域109上并且在位移108的三角形突起115、116之間延伸的tsp主體100的圓柱形側壁105的部分形成。因此，如圖3所示，tsp主體100的切割邊緣106的一部分在tsp主體100接合到基底101之后保持暴露。另外，如圖1和圖3所示，位移108的三角形突起115、116配置成在基底101與tsp主體100的圓柱形側壁105之間限定成角度的邊緣或交界面122。位移108可以具有任何其他合適的形狀，這取決于tsp主體100的期望的暴露區域和包含tsp主體100的超硬切割元件102的預期應用。

繼續參考圖1，該方法還包括用一個或多個中間層覆蓋tsp主體100的至少一部分的任務。在所示實施例中，tsp主體100被兩個中間層117、118覆蓋，盡管在一個或多個替代實施例中，tsp主體100的部分可以被任何其他合適數量的中間層覆蓋，例如比如從1到10個中間層。如下面更詳細地描述，中間層117、118配置為減輕在tsp主體100與基底101之間形成應力集中區域，否則這種應力集中區域會由于tsp主體100中的金剛石晶體與基底101中的基質材料之間的熱膨脹差異系數而在將tsp主體100接合到基底101的過程中產生。在一個實施例中，中間層117、118還配置成增加超硬切割元件的韌性以及在鉆井或采礦操作期間超硬切割元件102的切割動力學。用中間層117、118覆蓋tsp主體100的至少一部分的任務可以通過任何合適的過程來執行，例如比如在tsp主體100周圍包裹一個或多個薄金屬帶(例如箔)、電鍍、無電鍍、氣相沉積(例如化學氣相沉積或物理氣相沉積)、濺射、噴涂或其任何組合。此外，可以在將tsp主體100支撐在位移108上的任務之前執行用中間層117、118覆蓋tsp主體100的至少一部分的任務。

一般而言，較高的應力集中通常會發生在基底101與tsp主體100之間的接觸面積是不規則的、含有相對尖銳的角度(例如邊緣或角部)或包含復雜幾何形狀的地方。因此，在一個實施例中，基于tsp主體與基底101之間的接觸面積的幾何形狀，該方法可以包括僅使用一個或多個中間層117、118覆蓋tsp主體100上可能發生高應力集中的那些部分。另外，該方法可以包括僅覆蓋tsp主體100中可能經歷超過閾值的應力集中的那些部分，例如比如應力集中足夠高，使得它們可能沉淀形成裂紋或以其他方式損壞tsp主體100、基底101或超硬切割元件102中的至少一個的結構完整性。在一個或多個替代實施例中，tsp主體100的任何其它合適的部分可被一個或多個中間層117、118覆蓋。

在圖1所示的實施例中，中間層117、118是兩個薄金屬帶(例如箔)，并且該方法包括圍繞tsp主體100的圓柱形側壁105的靠近位移108上的三角形突起115、116的部分纏繞金屬帶中間層117、118。tsp主體100上的金屬帶中間層117、118可以位于位移108上的三角形突起115、116附近，因為三角形突起115、116配置成在基底101與tsp主體100之間限定成角度的邊緣或交界面122(參見圖3)，并且在將tsp主體100連接到基底101的過程中和/或在鉆孔操作中使用超硬切割元件102期間，可能在這些成角度的交界面122中產生高應力集中。

另外，在圖1的所示實施例中，金屬帶中間層117、118分別圍繞tsp主體100的交界面邊緣107和切割邊緣106纏繞并且到交界面表面104和工作表面103上。中間層117、118可以纏繞tsp主體100的邊緣106、107纏繞，因為邊緣106、107限定了相對尖銳的角度，其中在將tsp主體100連接到基底101的過程中和/或在鉆孔操作中使用超硬切割元件102的過程中可能會產生高應力集中。此外，在所示實施例中，金屬帶中間層117、118的端部123、124分別沿著tsp主體100的內交界面表面104和外工作表面103間隔開(即中間層117、118沿著tsp主體100的內交界面表面104和外工作表面103是不連續的)。金屬帶中間層117、118的端部123、124可以沿著tsp主體100的外表面103和內表面104間隔開，因為在所示實施例中，這些表面103、104在tsp主體100與基底101之間限定平坦的交界面，因此與沿著tsp主體100的更復雜的幾何區域(例如圓柱形側壁105、切割邊緣106和交界面邊緣107)發生的應力相比，tsp主體100的這些區域可能經歷相對較低的應力。中間層117、118可具有任何合適的厚度，例如比如約0.001英寸(25.4μm)至約0.005英寸(127μm)。在一個實施例中，中間層117、118可具有約0.002英寸至約0.003英寸的厚度，例如約0.0025英寸。

盡管在所示實施例中，該方法包括圍繞tsp主體100纏繞金屬帶中間層117、118，但在一個或多個替代實施例中，中間層可以通過任何其它合適的過程施加到tsp主體100。例如在一個實施例中，該方法可以包括遮蔽tsp主體100的部分，然后將一個或多個中間層117、118沉積到tsp主體100的未遮蔽部分上，比如通過電鍍、無電鍍、氣相沉積、濺射、噴涂或浸漬。在另一實施例中，該方法可以包括圍繞tsp主體100連續且完全地纏繞單個連續的金屬帶(例如箔)(即中間層可以是沿著tsp主體100的平坦外內表面103、104不間斷的薄金屬帶)。在另一實施例中，該方法可以包括用中間層覆蓋將與基底101接觸的tsp主體100的整個部分。在另一實施例中，一個或多個中間層可以完全覆蓋整個tsp主體100。

繼續參考圖1，該方法還可以包括根據在將tsp主體100連接到基底101的任務期間在tsp主體100與基底101之間將產生的預期的應力集中用一個或多個相對較厚的中間層和一個或多個相對較薄的中間層來覆蓋tsp主體100的任務(例如，該方法可以包括用具有不同厚度的兩個或多個中間層覆蓋tsp主體100)。通常，較厚的中間層配置為減輕形成比相對較薄的中間層更高的應力集中水平。例如，在一個實施例中，任務可以包括用一個或多個具有第一厚度的薄金屬帶覆蓋tsp主體100的一部分并且用一個或多個具有大于第一厚度的第二厚度的薄金屬帶覆蓋tsp主體100的不同部分。例如，在一個實施例中，一個或多個較厚的中間層可具有約0.003英寸至約0.005英寸(127μm)的厚度，并且一個或多個較薄的中間層可具有約0.001英寸(25.4μm)的厚度至約0.003英寸的厚度。

在一個實施例中，可以沿著tsp主體100的更尖銳或更復雜的幾何形狀(例如圓柱形側壁105、切割邊緣106和/或交界面邊緣107)提供一個或多個較厚的中間層，并且可以沿著tsp主體100的較平坦幾何形狀(例如外工作表面103和/或內交界面表面104)提供一個或多個較薄的中間層。在中間層沉積到tsp主體100上(例如通過物理氣相沉積)的實施例中，該方法可以包括將具有第一厚度的第一中間層沉積到tsp主體100的至少一部分上、遮蔽第一中間層的區域和/或tsp主體100的未涂覆區域、然后進行第二沉積以形成具有大于第一中間層的第一厚度的第二厚度的第二中間層的任務(例如，在第二次沉積期間tsp主體100的未遮蔽區域將被覆蓋在比在第一沉積期間被第一中間層覆蓋的tsp主體100的區域更厚的中間層中)。盡管上面僅參考兩個不同的中間層描述了該方法，但是在一個或多個替代實施例中，該方法可以包括用任何其它合適數量的不同中間層(例如比如從三到十個不同的中間層)覆蓋tsp主體100的部分，這取決于tsp主體100在將tsp主體100連接到基底101的過程期間將經歷的不同應力集中水平的數量。

現在參考圖2，該方法還包括將位移108和至少部分地被一個或多個中間層117、118覆蓋的tsp主體108放置到由模具120限定的空腔119中的任務。在替代實施例中，該方法可以包括首先將位移108放置到模具120的空腔119中，然后將至少部分地被中間層117、118覆蓋的tsp主體100放置到模具120的空腔119中并且放到位移108上的任務。在另一替代實施例中，位移108的特征可以一體地形成在模具120的空腔119中，使得可以根據將tsp主體100連接到基底101的一種方法而不使用單獨的位移108。此外，在一實施例中，該方法可以包括在將tsp主體100和位移108一起插入模具120的空腔119之前臨時將tsp主體100附接到位移108。臨時將tsp主體100附接到位移108配置為在將tsp主體100連接到基底101的后續任務期間保持tsp主體100與位移108之間的適當對準。tsp主體100可以通過任何合適的過程臨時附接到位移108，例如比如采用可移除的粘合劑。

繼續參考圖2，該方法還包括用配置成形成基底101的基底材料121填充空腔119的剩余部分的任務。在一個實施例中，基底材料121由基質粉末(例如碳化鎢(wc)粉末或鎢(w)粉末)和粘合劑材料構成。在一個實施方案中，粘合劑材料可以是任何合適的金屬，例如比如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鋅、錫、它們的合金(例如鎳合金)或其任何合適的組合。金屬粘合劑材料可以作為單獨的粉末或作為放置在基質粉末頂部上的固體(例如粘合劑材料盤)而被提供。在另一實施例中，金屬粘合劑粉末可以與基質粉末混合。另外，在一個或多個實施例中，該方法可以包括將有機溶劑(例如醇)與金屬粘合劑粉末和基質粉末混合以形成漿料或糊料的任務。將有機溶劑混合到基質粉末和粘合劑粉末中可以有助于在用基底材料121填充模具120的空腔119的任務期間容易地處理基底材料121。有機溶劑可以選擇為不影響基質材料的化學特性。

在一實施例中，該方法還包括通過任何合適的過程將基底材料121緊密地裝在模具120的空腔119中的任務，例如比如搖動模具120以將基底材料121沉降在空腔119中和/或將基底材料121壓入模具120的空腔119中。在所示實施例中，當基底材料121緊密地裝在模具120的空腔119中時，基底材料進入并填充限定在tsp主體100的外工作表面103與位移108的較薄區域110的內表面113之間的間隙114，包圍在位移108的三角形突起115、116之間延伸的tsp主體100的圓柱形側壁105的部分，并且在tsp主體100的內交界面表面104之上形成圓柱形柱。在替代實施例中，該方法可以包括用第一基底材料填充限定在tsp主體100的工作表面103與位移108的較薄區域110的內表面113之間的間隙114并且然后用與第一基底材料不同的第二基底材料填充空腔119的其余部分的任務。在一實施例中，可以選擇第一基底材料，具有比第二基底材料更低的熱膨脹系數，以減輕在基底101與tsp主體100之間形成應力集中區域。另外，在一實施例中，在將tsp主體100插入模具120的空腔119之前，基底材料121可以預先裝入到限定在tsp主體100的工作表面103與位移108的較薄區域110的內表面113之間的間隙114中，然后在將tsp主體100插入模具120中之后，可以將剩余的基底材料121裝入模具120的空腔119中。

仍然參考圖2，該方法還包括關閉模具120的空腔119并將模具120和空腔119中的基底材料121加熱到等于或超過粘合劑材料的熔點(即粘合劑材料的滲透溫度)的溫度的任務。在一實施例中，加熱模具120的任務包括將模具120放置在產生約1204℃(約2200°f)的溫度的爐中，盡管爐可以配置為根據所選擇的金屬粘合劑材料的熔點產生任何其它合適的溫度。例如，在一實施例中，任務可以包括將模具120放置在產生約982℃(約1800°f)或更低的溫度的爐中。該方法還可以包括以等于或高于粘合劑材料的滲透溫度加熱模具120達足夠的持續時間以使液化的粘合劑材料充分滲透到基質材料中的任務。由于毛細管作用，液化的粘合劑材料可以通過基質材料而被吸收。在將基質材料和粘合劑材料與有機溶劑混合以形成漿料的實施例中，有機溶劑配置為在加熱模具120的任務期間燃燒。

在一個實施例中，基底121中的基質材料的熱膨脹系數高于tsp主體100中的金剛石晶體的熱膨脹系數。例如，在一實施例中，基質材料具有的熱膨脹系數約為5^-5/k，tsp主體100中的金剛石晶體具有的熱膨脹系數約為2^-6/k。因此，在加熱模具120的任務期間，基質材料以比tsp主體100更快的速率縮小或收縮。基底101與tsp主體100之間的這種不同的收縮速率通常傾向于在基底101與tsp主體100之間產生高應力集中區域，特別是在基底101與tsp主體100之間的接觸面積不規則的情況下，包含相對尖銳的角度(例如邊緣或角部)，或者包含復雜的幾何形狀。然而，位于tsp主體100與基底101之間的一個或多個中間層117、118配置成塑性變形，從而防止或減輕在tsp主體100與基底101之間形成產生如此高的應力集中的硬接觸點(即一個或多個中間層117、118配置為響應于基底101與tsp主體100之間的不同收縮速率而塑性變形，從而減輕在基底101與tsp主體100之間形成高應力集中區域)。因此，中間層117、118配置為用作緩沖層，其變形以防止tsp主體100與基底101之間的硬接觸區域。

該方法還包括在低于粘合劑材料的滲透溫度的溫度下(例如在室溫下)冷卻模具120的任務，直到粘合劑材料固化，從而將基質顆粒結合在一起以以基底101的所需尺寸和形狀形成固體基質。另外，在冷卻模具120的任務期間，固化的基底101機械地連接到tsp主體100(即基底101配置為機械地鎖定或互鎖tsp主體100就位)。

圖3示出了根據本公開的方法形成的超硬切割元件102。超硬切割元件102包括機械地連接到基底101的tsp主體100和設置在tsp主體100與基底101之間的中間層117、118。在所示的實施例中，基底101從tsp主體100的交界面表面104延伸，圍繞tsp主體100的圓柱形側壁105的一部分，并且覆蓋tsp主體100的外工作表面103的一部分。以這種方式，基底101夾到tsp主體100上，以將tsp主體100機械地連接到基底101。

一個或多個中間層117、118可以由任何合適的硬和耐久的材料形成，例如比如第i族金屬(例如銅)、第ⅷ族金屬(例如鐵、鈷、鎳)、第ix族金屬、第x族金屬、金屬合金(例如鎳合金)或其任何組合。在一實施例中，一個或多個中間層117、118的材料可被選擇成使得一個或多個中間層117、118的楊氏模量(eil)分別低于tsp主體100和基底100的楊氏模量etsp、es。例如，在一個實施例中，tsp主體100的楊氏模量etsp為約1200gpa，并且可以選擇鈷作為一個或多個中間層117、118的材料，使得一個或多個中間層117、118的楊氏模量eil在室溫下約為209gpa。在一個實施例中，一個或多個中間層117、118可以具有兩個或更多個不同的楊氏模量。例如，與基底101接觸的中間層117、118的一個或多個部分可以具有比不與基底101接觸的中間層117、118的一個或多個部分更高的楊氏模量(例如，與基底101接觸的中間層117、118的部分可以具有比僅與tsp主體100接觸的中間層117、118的部分更高的楊氏模量)。在一個實施例中，中間層117、118的兩個不同的楊氏模量可以分別低于tsp主體100和基底100的楊氏模量etsp、es。此外，在加熱模具120以形成基底101的任務期間，一個或多個中間層117、118的楊氏模量eil將降低。

在一個實施例中，沿著tsp主體100的更尖銳或更復雜的幾何形狀(例如圓柱形側壁105、切割邊緣106和/或交界面邊緣107)延伸的每個中間層117、118的部分比沿著tsp主體100的更平坦幾何形狀(例如外工作表面103和/或內交界面表面104)延伸的中間層117、118的部分更厚。如上所述，通常，中間層117、118的較厚部分配置為減輕形成比中間層117、118的相對較薄部分更高的應力集中水平。在一個實施例中，中間層117、118的一個或多個較厚的部分可以具有從約0.003英寸到約0.005英寸(127μm)的厚度，并且中間層117、118的一個或多個較薄部分可以具有從約0.001英寸(25.4μm)到約0.003英寸的厚度。

此外，在一個實施例中，一個或多個中間層117、118的材料可被選擇成使得一個或多個中間層117、118各自具有小于tsp主體100和基底101的硬度。例如，在一個實施例中，中間層117、118可具有約500kg/mm²至約1000kg/mm²的硬度。因此，由于一個或多個中間層117、118的相對較低的硬度和楊氏模量，一個或多個中間層117、118各自配置成在加熱模具120以將tsp主體100連接到基底101的任務期間變形。中間層117、118的變形配置為防止在tsp主體100與基底101之間形成硬接觸點或區域，從而減輕在tsp主體100與基底101之間發展高應力集中區域。另外，一個或多個中間層117、118也可以配置成在鉆井或采礦操作期間塑性變形，以在鉆井或采礦操作期間減輕可能發展在tsp主體101與基底100之間的高應力集中區域的形成。

在一個實施例中，一個或多個中間層117、118的材料可被選擇成使得一個或多個中間層117、118的熔點超過粘合劑材料的滲透溫度和在形成基底101并將tsp主體100連接到基底101的任務期間模具120被加熱到的溫度。例如，在一個實施例中，可以選擇鈷作為一個或多個中間層117、118的材料，使得一個或多個中間層117、118的熔化溫度約為1495℃(約2723°f)。因此，在一個實施例中，一個或多個中間層117、118在加熱模具120的任務期間將不會熔化，這使得一個或多個中間層117、118能夠塑性變形，從而減輕在tsp主體100與基底101之間形成高應力集中區域，如上所述。在替代實施例中，中間層117、118的材料可被選擇成使得中間層117、118在加熱模具120的任務期間熔化。另外，在一個或多個實施例中，中間層117、118可以在加熱模具120的任務期間與基底材料121反應，并且形成熔點低于粘合劑材料的滲透溫度的合金。因此，在一個實施例中，由于中間層117、118與基底材料121之間的反應，中間層117、118可能在加熱模具120的任務期間熔化。

在一個實施例中，將模具120和空腔119中的基底材料121加熱到等于或超過粘合劑材料的熔點的溫度的任務可能導致tsp主體100的一部分石墨化(即tsp主體100中的金剛石晶體可以在用于形成基底101的升高的溫度下石墨化)。通常，石墨化是對tsp主體100的性能特性產生不利影響的熱降解形式(例如石墨化可降低tsp主體100在切割操作中的耐磨性)。因此，在一個實施例中，該方法可以包括完成或后處理tsp主體100以去除tsp主體100的石墨化區域的任務，從而改善tsp主體100的性能特性。去除tsp主體100的石墨化部分的任務可以通過任何合適的過程進行，例如比如碾磨、研磨或其組合。

在一個實施例中，tsp主體100的石墨化區域可以沿著tsp主體100的外工作表面103和圓柱形側壁105定位。tsp主體100的石墨化區域的深度可以根據用于形成基底101并將基底101連接到tsp主體100的溫度而改變。通常，更高的溫度導致石墨化區域具有更大的深度。在一個實施例中，tsp主體100的石墨化區域可以具有從約0.001英寸(25.4μm)到約0.03英寸(762μm)的深度。因此，在一個實施例中，后處理tsp主體100以去除石墨化區域的任務可以包括從tsp主體100的外工作表面103和圓柱形側壁105去除約0.001英寸(25.4μm)至約0.03英寸(762μm)。在一個或多個替代實施例中，該方法可以包括后處理tsp主體100，以從tsp主體100的外工作表面103和圓柱形側壁105去除任何其它合適的材料深度，例如比如大于0.03英寸(762μm)的材料深度。

另外，在一個實施例中，tsp主體100的石墨化區域是導電的，并且tsp主體100的非石墨化區域不是導電的。因此，在一個實施例中，該方法可以包括去除tsp主體100的部分的任務，直到tsp主體100不再導電(例如，該方法可以包括連續地去除tsp主體100的一部分并測量tsp主體100的導電，直到tsp主體100的導電石墨化區域被完全或基本完全去除)。

圖4中的曲線圖描繪了豎直轉塔車床(vtl)測試中五種不同tsp主體的性能結果。測試的四個tsp主體進行后處理，以在進行vtl測試之前去除所有或基本上所有的石墨化區域，并且tsp主體之一未經后處理以去除tsp主體的石墨化區域。如圖4所示，未經后處理以去除tsp主體的石墨化區域的tsp主體在vtl測試90次通過后失敗，而經后處理以去除tsp主體的石墨化區域的每個tsp主體都存活于vtl測試120次通過。

另外，在一個實施例中，該方法可以包括選擇具有低于常規粘合劑材料的熔點(即液化溫度)的粘合劑材料的任務(即該方法可以包括選擇配置成在比常規粘合劑材料低的溫度下熔化和滲透基質材料的粘合劑材料)。降低粘合劑材料的液化溫度有助于降低施加到模具120上的熱源(例如爐)的溫度，以形成并連接基底101到tsp主體100。通常，降低用于形成并連接基底101到tsp主體100的熱源的溫度減少了石墨化的tsp主體100的區域的深度(即降低施加到模具120的溫度以形成并連接基底101到tsp主體100降低tsp主體100的熱降解)。在一個實施例中，該方法可以包括選擇具有約982℃(約1800°f)或更低的熔點(即液化溫度)的粘合劑材料。在另一實施例中，該方法可以包括選擇熔點約為816℃(約1500°f)或更低的粘合劑材料。例如，在一個實施例中，該方法包括選擇由鋅(zn)和錫(sn)組成的低溫粘合劑，其總％重量為約26.5％至約30.5％，其中zn為至少約12％，sn至少約6.5％，鎳(ni)至少約4.5至約6.5％重量，錳(mn)至少約11至約26％重量和銅(cu)至少約40至約55％重量。

根據本公開的方法形成的超硬切割元件102可以結合到任何合適的工業工具中，其中期望利用tsp主體100的耐磨性和硬度特性，例如比如在鉆頭(例如固定切割器鉆頭或滾子錐頭鉆頭)或用于地下鉆井或采礦操作的鉸刀中。例如，在圖5所示的實施例中，拖曳鉆頭200包括鉆頭體201、從鉆頭體201的一端延伸的圓柱形柄202和從圓柱形柄202的與鉆頭體201相對的一側延伸的錐形銷203。錐形銷203包括用于將鉆頭200聯接到鉆柱組件的外螺紋204，所述鉆柱組件配置成將鉆頭200可旋轉地推進到地下地層中以形成鉆孔。鉆頭200還包括圍繞鉆頭體201周向設置的多個葉片206。每個葉片206限定多個切割器凹穴207。切割器凹穴207配置成接納和支撐根據本公開的方法形成的超硬切割元件102。在圖5中省略了超硬切割元件102之一，以露出切割器凹穴之一。超硬切割元件102可以通過任何合適的過程固定在切割器凹穴207中，例如比如通過將超硬切割元件102的基底101釬焊到葉片206。

雖然已經具體參考本發明的實施例對本發明進行了詳細描述，但是本文所描述的實施例并不旨在是窮盡的或將本發明的范圍限制為所公開的確切形式。本發明所屬技術領域的技術人員將理解的是，可以在不意圖脫離本發明的原理、精神和范圍的情況下實施所描述的組件和操作的結構和方法的替代和改變。此外，如本文所使用，術語“基本上”和類似術語用作近似術語而不是程度術語，并且旨在解釋將由本領域普通技術人員識別的測量值或計算值的固有偏差。此外，如本文所使用，當部件被稱為“在”或“聯接到”另一部件上時，其可以直接在另一部件上或附接到另一部件，或者可以在其之間存在中間部件。