用纖維材料加強的熱穩(wěn)定聚晶超硬材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其包含具有熱穩(wěn)定金剛石胎體的金剛石體，所述金剛石胎體包含結(jié)合在一起的金剛石晶體，其中所述金剛石胎體具有至少99％的金剛石體積含量；和多個延伸穿過所述熱穩(wěn)定金剛石胎體的纖維。所述金剛石結(jié)構(gòu)可以結(jié)合至基體形成剪切式切割器。所述剪切式切割器可以安裝在鉆頭體上。
【專利說明】用纖維材料加強的熱穩(wěn)定聚晶超硬材料

【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明涉及熱穩(wěn)定超硬材料，更特別地涉及用纖維材料加強以改進韌性的熱穩(wěn)定 聚晶超硬材料，并涉及形成所述材料的方法。已知聚晶金剛石材料具有良好的耐磨性和 硬度，并且常用于切割工具和巖石鉆具中。為形成聚晶金剛石，將金剛石顆粒在高溫高壓 下燒結(jié)（HPHT燒結(jié)），以生成超硬聚晶結(jié)構(gòu)。將催化劑材料--如鈷或另一種金屬--在 燒結(jié)前添加到金剛石顆?；旌衔镏校⑶?或者在燒結(jié)期間滲透至金剛石顆?；旌衔镏校?用來促進在HPHT燒結(jié)期間金剛石晶體的交互生長，以形成聚晶金剛石（P⑶）結(jié)構(gòu)。常規(guī) 用作所述催化劑的金屬選自位于元素周期表第八族的溶劑型金屬催化劑（solvent metal catalyst)(包括鈷、鐵和鎳）以及它們的組合和合金。在HPHT燒結(jié)后，所得到的P⑶結(jié)構(gòu) 包含彼此結(jié)合的相互連接的金剛石晶體或顆粒的網(wǎng)絡(luò)，其中催化劑材料占據(jù)結(jié)合的金剛石 晶體之間的間隙空間或孔隙?？蓪⑺鼋饎偸w?；旌衔镌诖嬖诨w的情況下進行HPHT 燒結(jié)，以形成結(jié)合至基體的PCD壓實體（compact)。所述基體也可以充當(dāng)燒結(jié)期間滲透進入 所述金剛石顆?；旌衔锏慕饘俅呋瘎┑囊粋€來源。
[0002] 用于形成所述PCD體的催化劑材料的量表現(xiàn)了在期望的強度、韌性和耐沖擊性相 對于硬度、耐磨性和熱穩(wěn)定性之間的折衷。盡管較高的金屬催化劑含量通常提高所得PCD 體的強度、韌性和耐沖擊性，但是該較高的金屬催化劑含量也降低了 PCD體的硬度和耐磨 性及熱穩(wěn)定性。這種折衷方案導(dǎo)致難以提供具有期望水平的硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性、強度、 耐沖擊性和韌性的PCD來滿足特定應(yīng)用，如用于地下鉆井裝置中的切割且/或磨損元件中 的應(yīng)用的使用需求。
[0003] 在磨損或切割操作期間熱穩(wěn)定性是特別相關(guān)的。當(dāng)在切割和/磨損應(yīng)用期間暴露 于升高的溫度時，常規(guī)的P⑶體可能容易發(fā)生熱降解。這一弱點源自間隙地分布在P⑶體中 的溶劑型金屬催化劑的熱膨脹特性和晶間結(jié)合的金剛石的熱膨脹特性之間所存在的差異。 已知該熱膨脹差異從溫度低至400°C開始，并且可能導(dǎo)致熱應(yīng)力，所述熱應(yīng)力對金剛石的晶 間結(jié)合是有害的并最終導(dǎo)致裂縫的形成，所述裂縫可能使PCD結(jié)構(gòu)容易斷裂。因此，不希望 出現(xiàn)上述行為。
[0004] 另一種形式的已知存在于常規(guī)PCD材料中的熱降解也與PCD體的間隙區(qū)域中溶劑 型金屬催化劑的存在和溶劑型金屬催化劑與金剛石晶體的粘附相關(guān)。特別地，已知溶劑型 金屬催化劑隨著溫度的增加而引起金剛石中的不期望的催化的相變（將其轉(zhuǎn)化為一氧化 碳、二氧化碳、或石墨），從而限制了可使用PCD體的溫度。
[0005] 為改進PCD材料的熱穩(wěn)定性，可以將催化劑材料在燒結(jié)后從PCD體內(nèi)移除。這種 熱穩(wěn)定PCD材料（有時稱為TSP)通過以下方式形成：首先通過在存在溶劑型金屬催化劑 的情況下HPHT燒結(jié)金剛石顆粒，來形成其中催化劑占據(jù)金剛石晶體之間的間隙區(qū)域的PCD 體。然后，將催化劑材料從PCD體內(nèi)移除，從而留下位于金剛石晶體之間的空的間隙空間的 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如，一種已知的方法是通過對燒結(jié)的PCD結(jié)構(gòu)進行浙濾處理而從燒結(jié)的PCD 的至少一部分中移除大部分的催化劑材料，這形成了大體上不含催化劑材料的熱穩(wěn)定性材 料部分。如果在HPHT燒結(jié)期間使用了基體，則常將其在浙濾之前移除。
[0006] 為了提供一種更加熱穩(wěn)定的超硬金剛石體，已在不使用催化劑材料的情況下通過 以下方式形成一種無粘合劑的聚晶金剛石：在超高的溫度和壓力下將石墨直接轉(zhuǎn)化為金剛 石。所得金剛石材料具有均一的晶間金剛石微觀結(jié)構(gòu)，其中在金剛石晶體之間沒有散布催 化劑材料。因此，無粘合劑金剛石體不受金剛石和催化劑之間的熱膨脹差異之害。
[0007] 但是，盡管該無粘合劑金剛石體在升高的溫度下具有高硬度和高耐磨性，但預(yù)計 它展現(xiàn)低的斷裂韌性，以致于使得所述材料易碎且在使用期間易崩刃、裂紋和破裂。
[0008] 因此，仍然需要一種包含熱穩(wěn)定超硬金剛石體的切割元件，以提供在升高的溫度 下的韌性和耐磨性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 提供該
【發(fā)明內(nèi)容】
以對下面將在【具體實施方式】中進行進一步描述的一系列經(jīng)選擇 的構(gòu)思進行介紹。該
【發(fā)明內(nèi)容】
并非意在標(biāo)識出所要求保護主題的關(guān)鍵特征或必要特征，其 也并非意在用于幫助限制所要求保護主題的范圍。
[0010] 本公開涉及熱穩(wěn)定超硬材料，更特別地涉及一種用纖維材料加強以改進韌性的熱 穩(wěn)定聚晶超硬材料，以及形成所述材料的方法。在一個實施方案中，聚晶金剛石結(jié)構(gòu)包含熱 穩(wěn)定金剛石胎體，其在不使用催化劑材料的情況下在超高的溫度和壓力下形成。在一個實 施方案中，所述壓力為約100-160千巴之間，如約150千巴，而所述溫度為約1800-2500°C。 這一熱穩(wěn)定金剛石胎體包含結(jié)合在一起的金剛石晶體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并且在所述金剛石晶體 之間基本上不含間隙空間。散布穿過該熱穩(wěn)定金剛石胎體的是纖維或纖維材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，所述纖維或纖維材料以期望的或隨機的排列方向延伸穿過所述金剛石胎體。提供這些 纖維以加強該金剛石胎體，從而提供提高的韌性和延展性且防止所述材料中的裂紋生長。 通過防止或減緩裂紋在金剛石胎體中擴展，所述纖維避免早期失效，并允許所述金剛石結(jié) 構(gòu)可繼續(xù)工作。在一個實施方案中，將所述纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石胎體包含于切割元件 如剪切式切割器（shear cutter)中。根據(jù)另一實施方案，還提供了一種形成纖維加強的熱 穩(wěn)定金剛石胎體的方法。
[0011] 在一個實施方案中，聚晶金剛石結(jié)構(gòu)包含具有熱穩(wěn)定金剛石胎體的金剛石體，所 述熱穩(wěn)定金剛石胚體具有結(jié)合在一起的金剛石晶體；和多個延伸穿過所述熱穩(wěn)定金剛石胎 體的纖維。所述金剛石胎體具有至少99%的金剛石體積含量。
[0012] 在一個實施方案中，形成纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)的方法包括：提供纖 維胎體；將所述纖維胎體用石墨滲透；以及在不使用催化劑材料的情況下，在超高的溫度 和壓力下HPHT燒結(jié)所述石墨和所述纖維胎體。
[0013] 在一個實施方案中，聚晶金剛石結(jié)構(gòu)包含：具有金剛石胎體的金剛石體，所述金剛 石胎體具有結(jié)合在一起的金剛石晶體和位于所述金剛石晶體之間的間隙空間、以及布置在 所述間隙空間中的碳酸鹽催化劑；以及多個延伸穿過所述金剛石胎體的纖維。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1示出了根據(jù)一實例實施方案的熱穩(wěn)定金剛石胎體的材料微觀結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0015] 圖2示出了包含圖1的材料微觀結(jié)構(gòu)的金剛石體的透視圖。
[0016] 圖3示出了根據(jù)一實例實施方案的包含纖維材料的熱穩(wěn)定金剛石胎體的局部剖 視圖。
[0017] 圖4示出了根據(jù)一實例實施方案的形成熱穩(wěn)定金剛石胎體的方法的流程圖。
[0018] 圖5示出了根據(jù)一實例實施方案的包含熱穩(wěn)定金剛石胎體的切割元件的透視圖。
[0019] 圖6示出了包含圖5的切割元件的刮刀鉆頭的透視圖。
[0020] 圖7a示出了纖維預(yù)成形的俯視圖，圖7b示出了其側(cè)視圖。
[0021] 圖8示出了根據(jù)一實例實施方案的具有堆疊的纖維層的預(yù)燒結(jié)的碳酸鹽金剛石 粉末的局部剖視圖。

【具體實施方式】
[0022] 本公開涉及熱穩(wěn)定超硬材料，更特別地涉及用纖維材料加強以改進韌性的熱穩(wěn)定 聚晶超硬材料，以及形成所述材料的方法。在一個實施方案中，聚晶金剛石結(jié)構(gòu)包含熱穩(wěn)定 金剛石胎體，其在不使用催化劑材料的情況下在超高的溫度和壓力下形成。在一個實施方 案中，所述壓力在約100-160千巴之間，如為約150千巴，所述溫度為約1800-2500°C。這種 熱穩(wěn)定金剛石胎體包含結(jié)合在一起的金剛石晶體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且基本上不含在所述金剛 石晶體之間的間隙空間。散布穿過該熱穩(wěn)定金剛石胎體的是纖維或纖維材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 所述纖維或纖維材料以期望的或隨機的排列方向延伸穿過所述金剛石胎體。提供這些纖維 以加強所述金剛石胎體，從而提供提高的韌性和延展性且防止所述材料中的裂紋生長。通 過防止裂紋在金剛石胎體中擴展，所述纖維避免早期失效，并允許所述金剛石結(jié)構(gòu)可繼續(xù) 工作。在一個實施方案中，將所述纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石胎體包含于切割元件如剪切式 切割器中。根據(jù)另一實施方案，還提供一種形成纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石胎體的方法。
[0023] 為清楚起見，在此使用的術(shù)語"P⑶"是指常規(guī)的聚晶金剛石，其在HPHT燒結(jié)過程 中使用金屬溶劑型催化劑（metal solvent catalyst)形成，從而形成這樣一種結(jié)合的金剛 石晶體的微觀結(jié)構(gòu)，其中催化劑材料占據(jù)所述結(jié)合的金剛石晶體之間的間隙空間或孔隙。 "熱穩(wěn)定P⑶"（或TSP)是指這樣一種P⑶材料，已隨后對其進行處理以從P⑶體的至少一 部分中大體上移除催化劑材料，如通過在HPHT燒結(jié)后浙濾PCD體的全部或一部分以從該 PCD體的間隙區(qū)域移除該催化劑材料。如下文進一步描述的，這里的實施方案提供了一種在 不使用金屬催化劑的情況下形成的"熱穩(wěn)定金剛石胎體"。為了澄清它沒有使用金屬溶劑型 催化劑，并且為了將它與通過使用催化劑進行HPHT燒結(jié)并然后在燒結(jié)后移除所述催化劑 而形成的熱穩(wěn)定PCD (TSP)區(qū)分開，將這種金剛石材料稱為"熱穩(wěn)定金剛石胎體"而不稱為 PCD。盡管不使用催化劑形成，但是所述熱穩(wěn)定金剛石胎體具有聚晶微觀結(jié)構(gòu)，以下將對其 進行更詳細(xì)的描述。
[0024] 如下描述，這里的實施方案提供一種通過一種沒有使用金屬催化劑材料的方法形 成的熱穩(wěn)定金剛石胎體。也可以將該熱穩(wěn)定金剛石材料稱為"無粘合劑"金剛石材料。根 據(jù)本公開的一個實施方案，圖1中示意性地示出了熱穩(wěn)定金剛石胎體10的一個區(qū)域。該熱 穩(wěn)定金剛石胎體10具有聚晶微觀結(jié)構(gòu)，所述微晶微觀結(jié)構(gòu)包含多個彼此結(jié)合的金剛石顆 ?；蚓w12。如圖1中所示，該材料微觀結(jié)構(gòu)基本上不含在所述金剛石晶體12之間的空 隙或間隙空間。所述金剛石晶體12彼此直接結(jié)合。所述熱穩(wěn)定金剛石胎體10實質(zhì)上為純 碳，其金剛石體積分?jǐn)?shù)基本上為100%。在所述金剛石晶體12之間沒有粘合劑相或催化劑 材料。將該材料描述為"基本上"不含空隙和間隙空間，以及"基本上" 100%的金剛石，以 允許在金剛石胎體10中可以存在小的缺陷和偏差的可能，其可能留下在一些金剛石晶體 之間的小的空隙或空間。在一個實施方案中，熱穩(wěn)定金剛石胎體的材料微觀結(jié)構(gòu)所具有的 金剛石體積含量為至少99%，在另一實施方案中為至少或約99. 5%，在另一實施方案中為 至少或約99. 8%，在另一實施方案中為至少或約99. 9%。在一個實施方案中該金剛石胎體 10具有細(xì)小的金剛石顆粒尺寸，如約50nm或更小的平均金剛石顆粒尺寸。
[0025] 所述金剛石胎體10具有固有的熱穩(wěn)定性，由于其金剛石含量均一。在所述材料的 不同相之間不存在熱膨脹差異。因此，由該熱穩(wěn)定金剛石胎體10形成的金剛石體可以具有 非常高的強度，甚至在升高的溫度下亦如此；而常規(guī)的PCD發(fā)生由于金剛石和催化劑相的 膨脹差異而造成的熱降解。
[0026] 圖2中示出了一種圓柱形金剛石體14形式的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)。該金剛石體14由 圖1的熱穩(wěn)定金剛石胎體10形成。該金剛石體14具有由該高強度的、熱穩(wěn)定的金剛石胎 體10組成的切割邊緣16。
[0027] 完全由圖1中所示材料組成的金剛石體應(yīng)該具有高強度和耐磨性，但還預(yù)計其具 有降低的斷裂韌性，因為所述材料具有均一組成（基本上100%的金剛石體積含量）。斷裂 韌性的降低一部分是由于金剛石胎體的細(xì)小顆粒尺寸，因為已知具有非常細(xì)小顆粒尺寸的 金剛石材料具有降低的斷裂韌性，如在斷裂韌性測試中大約3-大約5MPa ml/2 ("MPa平方 根米"）（"MPa root meters")。結(jié)果其是易碎材料，易崩刃、裂紋和破裂。
[0028] 因此，根據(jù)本公開的一個實施方案，將熱穩(wěn)定金剛石胎體用纖維材料加強。圖3中 示出了纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石結(jié)構(gòu)100的剖視圖。金剛石結(jié)構(gòu)100包含熱穩(wěn)定金剛石胎 體110,其中散布有纖維120。所述熱穩(wěn)定金剛石胎體110包含直接結(jié)合在一起的金剛石晶 體，具有圖1中所示的材料微觀結(jié)構(gòu)。該金剛石胎體110在沒有使用催化劑材料的情況下 形成，并且下面將進一步描述形成這種材料的方法。如圖3中所示，一個或多個纖維120延 伸穿過所述金剛石胎體110,從而通過位于結(jié)合的金剛石晶體之間的金剛石結(jié)構(gòu)100。
[0029] 由于纖維120的存在，該纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石結(jié)構(gòu)100預(yù)計展現(xiàn)出改進的韌 性和耐沖擊性。這導(dǎo)致金剛石結(jié)構(gòu)100中提高的韌性和延展性。例如，如圖3中所示，在工 作期間，在超硬金剛石胎體110中可能形成裂紋115,并且該裂紋可能穿過所述金剛石胎體 110擴展，從而分離該結(jié)合的金剛石晶體。沒有任何纖維加強，該裂紋可能生長直到它貫穿 所述金剛石結(jié)構(gòu)，從而將所述金剛石胎體斷裂分開。例如，如果將這種金剛石結(jié)構(gòu)（未經(jīng)任 何纖維加強）包含在切割元件（如剪切式切割器）上的金剛石體中，則穿過所述金剛石體 的裂紋生長可能導(dǎo)致切割元件的早期失效。
[0030] 但是，所述纖維120通過中斷裂紋穿過金剛石胎體110的生長而阻礙了這種失效 模式。如圖3中所示，該裂紋115從該金剛石結(jié)構(gòu)100的邊緣延伸直到它到達(dá)纖維120A。 該纖維阻止（或阻礙）裂紋115進一步延伸穿過所述材料。所述纖維具有比金剛石更好 的延展性和更長的斷裂應(yīng)變，這意味著它能比金剛石延伸和變形更多而不會裂紋。所述纖 維能夠通過變形來抵抗物理位移，且因此能夠吸收由裂紋施加的應(yīng)力。在金剛石胎體中， 裂紋在所述裂紋的尖端處向金剛石胎體上施加載荷，直到金剛石胎體坍塌（give way)且 所述裂紋進一步生長，從而在新裂紋的區(qū)域上釋放所述載荷并在新的裂紋尖端處施加新的 載荷。一旦裂紋到達(dá)纖維120A，纖維120A吸收在裂紋尖端處施加的載荷，而沒有卸下載荷 (unloading)和延伸所述裂紋。結(jié)果，裂紋的生長在纖維120A處減慢，且可能不再進一步 生長。因此，纖維120A幫助抑制裂紋的進一步生長。該行為可能不僅發(fā)生在纖維120A處， 而且還發(fā)生在貫穿金剛石結(jié)構(gòu)100的纖維120的所有位置。而且，由于它們的強度和延展 性，纖維能夠跨過已裂紋的金剛石胎體材料橋接，且因此提供對已裂紋的體的結(jié)構(gòu)支撐，這 使得所述金剛石結(jié)構(gòu)能夠具有延長的使用壽命。
[0031] 圖3中示出的該纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石結(jié)構(gòu)100包含在一個方向上延伸穿過金 剛石胎體110的纖維120。這是為了清楚起見而作為一個實例示出的。在另一實施方案中， 纖維120在多個方向上延伸穿過該金剛石胎體，如柵狀（其中纖維以相對彼此成90度的方 式定向）或更復(fù)雜的編織（其中纖維以相對彼此成各種角度的方式定向）。可對纖維120 在三個空間維度上定向。該纖維的排列方向可以根據(jù)期望的應(yīng)用和所述材料的預(yù)期應(yīng)力預(yù) 先確定并進行選擇。在一個實施方案中，使所述纖維隨機定向。
[0032] 根據(jù)一個實施方案，提供了一種形成纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石結(jié)構(gòu)的方法，并在 圖4中示出了該方法。該方法包括：提供纖維胎體（框201)、將該纖維胎體用石墨滲透（框 202)、以及然后在不使用催化劑材料的情況下在超高的溫度和壓力下HPHT燒結(jié)所述石墨 和纖維胎體（框203)。在一個實施方案中，所述壓力在約100-160千巴之間，如為約150千 巴；且所述溫度為約1800-2500°C。HPHT燒結(jié)包括將所述石墨通過相變轉(zhuǎn)化為聚晶金剛石 (框204)。結(jié)果是一種散布有纖維的熱穩(wěn)定聚晶金剛石胎體。
[0033] 所述纖維胎體可以層合物或織物預(yù)成型體的形式提供。可將所述纖維布置或編織 成期望的排列方向，如通過編織機將纖維穿過網(wǎng)?？蓪⑺隼w維用環(huán)氧樹脂原地固定，并 將其加熱或壓制成單片狀結(jié)構(gòu)（sheet)或?qū)悠?，稱為預(yù)浸漬體（用環(huán)氧樹脂或樹脂預(yù)浸漬 的），可將其通過加熱而基本上熱解為純碳材料以用于隨后轉(zhuǎn)化成金剛石。可以使用具有期 望的纖維排列方向的多個纖維預(yù)成型片狀結(jié)構(gòu)。如果預(yù)期在最終的成品使用應(yīng)用中將應(yīng)力 在一個主要的方向上施加，則可使所述纖維在一個主要方向上彼此平行地定向。如果預(yù)期 所述應(yīng)力更不可預(yù)測，則可將所述纖維在多個不同方向上交織。因此，可使所述纖維在與超 硬金剛石材料混合前在預(yù)定的、期望的排列方向上定向。纖維預(yù)成型體或預(yù)浸漬體可以從 供應(yīng)商如Fiber Materials, Inc. (Biddeford, ME)處商業(yè)購買?？墒顾隼w維以較短的纖 維段（通常稱為"晶須（whisker)"）的形式隨機定向穿過所述胎體，所述纖維段的長度例 如為100-500微米。在這種情況下，該復(fù)合材料可以由均質(zhì)地?fù)胶侠w維晶須的石墨粉末制 成，以免除纖維預(yù)成型體或編織的需求。
[0034] 在一實例實施方案中，將纖維預(yù)成型體以期望的構(gòu)造一個壓一個地堆疊以形成用 于所述金剛石結(jié)構(gòu)的纖維胎體。為了建立在多個方向上延伸的纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可將每個 纖維預(yù)成型體相對于底層的纖維預(yù)成型體旋轉(zhuǎn)。在一個實施方案中，所述纖維預(yù)成型體為 編織纖維的片狀結(jié)構(gòu)，所述片狀結(jié)構(gòu)具有位于所述纖維之間的孔或空隙延伸穿過所述片狀 結(jié)構(gòu)。也就是說，所述片狀結(jié)構(gòu)不是實心的。當(dāng)將片狀結(jié)構(gòu)堆疊在一起時，它們形成具有在 纖維之間延伸通過堆疊的片狀結(jié)構(gòu)的通道的纖維的框架。
[0035] 接下來，所述方法包括將所述纖維胎體用石墨滲透，如通過化學(xué)氣相沉積或化學(xué) 氣相滲透?；瘜W(xué)氣相沉積或滲透可以通過使工藝氣體如甲烷或氫氣（或這些物質(zhì)的混合 物）流動來完成，所述工藝氣體充當(dāng)化學(xué)前體并發(fā)生反應(yīng)以在纖維胎體的表面上沉積石 墨。將石墨一層一層地沉積，直到它填滿位于覆蓋纖維層之間的空間。這個過程可以在約 600-700°C或更高的溫度下完成。
[0036] 在一個實施方案中，將各種形式的純碳通過機械方法摻合在一起，然后將其與纖 維層合，而不是通過化學(xué)氣相沉積進行沉積。所述碳可以是石墨、金剛石和其它形式的 碳-如無定形碳、富勒烯（巴克球（buckyball)/C60、納米管/纖維等）-或它們的組 合。將所述碳用各種方法--如球磨或磨碎、超聲波混合等--進行機械摻合。在一個實施 方案中，在準(zhǔn)備制備層合物時，將所述混合物進一步與聚合物--如聚碳酸亞乙基酯或聚 碳酸亞丙基酯--摻合。然后將該碳/聚合物混合物與纖維預(yù)成型體結(jié)合以制作層合物， 如圖7a和7b中所示例說明的。圖7a示出了纖維預(yù)成型體54(如上所述）的俯視圖，并且 圖7b示出了其側(cè)視圖，且示出了將纖維預(yù)成型體與碳/聚合物混合物結(jié)合的過程。為了清 楚起見，將纖維預(yù)成型體54以一排纖維的形式示出，但應(yīng)該理解，也可以將所述纖維以編 織物或?qū)有问讲贾茫渲欣w維在多個方向上延伸。在圖7b中，將石墨粉末和聚合物粘合劑 的混合物50散布在所述預(yù)成型體54上，并采用刀片52使其變得平滑?？蓪⑻?聚合物混 合物50通過任何合適類型（tape)的澆鑄技術(shù)--如附圖中所示例說明的刮片法--與所 述纖維預(yù)成型體54結(jié)合以形成層合物?？芍貜?fù)該層合方法以堆疊纖維預(yù)成型體和碳混合 物的層，直到達(dá)到適當(dāng)?shù)暮穸?。將所述聚合物采用常?guī)的熱除氣方式（在真空或惰性氣體 環(huán)境下暴露于溫度300-1000°C )移除，然后所述層合物已經(jīng)準(zhǔn)備好暴露于HPHT處理，如下 所述。
[0037] 由此，將期望形式的碳和纖維結(jié)合在一起，例如通過如上所述的化學(xué)氣相沉積或 層合。然后可以將碳和纖維胎體切割成期望的形狀，以放入超高壓的壓機中。接下來，該 方法包括在不使用催化劑材料的情況下HPHT燒結(jié)所述碳和纖維胎體。這涉及到在超高的 溫度和壓力下進行HPHT燒結(jié)，所述超高的溫度和壓力高于在傳統(tǒng)HPHT燒結(jié)形成PCD期間 施加的溫度和壓力。在一個實施方案中，所述壓力在約100-160千巴之間，如為約150千 巴，且所述溫度為約1800-2500°C。例如，當(dāng)燒結(jié)石墨時，所述壓力可以為約150千巴，或約 150-160千巴。當(dāng)燒結(jié)其它類型的碳時，如巴克球或其它復(fù)合碳結(jié)構(gòu)時，所述壓力可以為約 110-120千巴。作為參考，用以形成PCD的常規(guī)HPHT燒結(jié)可以在約50-60千巴下實施。
[0038] 該方法將石墨通過相變轉(zhuǎn)化為聚晶金剛石。也就是說，在HPHT燒結(jié)過程中，在沒 有催化劑材料的幫助下，石墨轉(zhuǎn)化為聚晶金剛石。一旦HPHT燒結(jié)完成，所得到的就是散布 有加強纖維的熱穩(wěn)定聚晶金剛石胎體。所述纖維在通過纖維預(yù)成型體片狀結(jié)構(gòu)的布置而預(yù) 先選擇的方向上延伸穿過所述金剛石胎體。
[0039] 任選地，為了將纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)結(jié)合入具有基體的PCD體中， 可以實施在常規(guī)溫度和壓力下的第二HPHT燒結(jié)過程?？蓪⑺隼w維加強的熱穩(wěn)定聚晶金 剛石結(jié)構(gòu)切割成期望的形狀，如通過放電加工（EDM)或激光切割法，并且然后將其戰(zhàn)略性 地（strategically)置于高壓的壓機中鄰接于基體的金剛石粉末混合物中。然后對纖維加 強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)、金剛石粉末混合物以及基體進行常規(guī)的HPHT燒結(jié)處理以將 金剛石粉末轉(zhuǎn)化成PCD，其中將所述纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)結(jié)合入PCD體中。在 一個實施方案中，所述纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)形成所述金剛石體的切割邊緣中 的至少一部分。
[0040] 圖5中示出了含有纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)100的切割元件30的一個 實例。所述切割元件30包含基體32和結(jié)合至所述基體的金剛石體34。所述金剛石體34 包含兩個區(qū)域--由PCD形成的第一區(qū)域36和由纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)100 形成的第二區(qū)域38。區(qū)域36和38都形成金剛石體34的切割邊緣16的一部分。如圖5中 所示，第二區(qū)域38可以形成切割邊緣（按圓周計算）的約25%、或最多至50%、或最多至 100%。在另一實施方案中，第二區(qū)域可以形成切割邊緣的任何部分。在一個實施方案中， 可以包含第二區(qū)域38a，例如以如圖5中由虛線所示的方式。在該實施方案中，所述切割元 件可以在切割邊緣區(qū)域38因旋轉(zhuǎn)所述切割元件而磨損之后重新使用，以便將區(qū)域38a的切 割邊緣置于進行切割的位置。在另一實施方案中，由纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)100 形成的區(qū)域38b可以形成金剛石體的任何上部部分。所述上部部分可以僅限于上段中的一 部分（例如僅占據(jù)區(qū)域38和/或38a的上段部分），或可以貫穿金剛石體的整個上段。在 進一步的實施方案中，可以將由纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)100形成的多個區(qū)域38 設(shè)置為貫穿金剛石體34。在另一實施方案中，整個金剛石體可由纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金 剛石結(jié)構(gòu)100形成。在最后這個實施方案中，可不將所述金剛石結(jié)構(gòu)置于金剛石粉末混合 物中。熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)的尺寸可受用來施加高壓以形成熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)的壓 機的單元尺寸的限制。在一個實施方案中，在超高的溫度和壓力HPHT燒結(jié)過程后，在切割 元件30的纖維加強區(qū)域38中的大多數(shù)纖維大體上是完整的。圖6示出了根據(jù)一個實例實 施方案的包含圖5的切割元件的刮刀鉆頭40。刮刀鉆頭40可以包含數(shù)個切割元件30,并 且可以用于高溫巖石鉆井操作。在其它實施方案中，其它形式的鉆井或切割工具包含具有 纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石胎體的切割元件，其中所述纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石胎體形成該 切割元件的切割邊緣中的至少一部分。為清楚起見，在圖6中纖維加強區(qū)域38在切割元件 30中的兩個上示出，以標(biāo)示刀片40上的纖維加強區(qū)域38的一個實例排列方向。應(yīng)該理解， 可以使用其它構(gòu)造和排列方向。
[0041] 金剛石結(jié)構(gòu)的制造過程和最終操作條件兩者都對纖維材料本身具有大的要求。纖 維應(yīng)該比金剛石胎體具有更好的強度和更好的延展性，并且還需要能夠經(jīng)受得住上述超高 的溫度和壓力HPHT燒結(jié)過程中的極高的壓力和溫度，而不會劣化或與金剛石反應(yīng)。例如， 已知碳纖維在一些應(yīng)用中為期望的加強纖維，但碳纖維經(jīng)受不住超高的溫度和壓力HPHT 燒結(jié)過程。相反，它們會轉(zhuǎn)化成金剛石，并且纖維結(jié)構(gòu)會劣化。
[0042] 在超高的溫度和壓力HPHT燒結(jié)過程后纖維120中的大多數(shù)保持大體上完整。纖維 120可以由臨界應(yīng)變大于聚晶金剛石胎體材料的任何材料制成。在本說明書中，臨界應(yīng)變是 指該材料的斷裂應(yīng)力除以彈性模量。纖維還應(yīng)該由在用來形成熱穩(wěn)定聚晶金剛石的HPHT 燒結(jié)過程中的超高的溫度和壓力下熱穩(wěn)定的材料制成。例如，在各種不同實施方案中，纖維 120可以由碳化硅、硅酸鋁鎂、氧化鋁、藍(lán)寶石或這些物質(zhì)的組合制成。在一個實施方案中， 纖維120不是由碳制成的。在一個實施方案中，纖維120為非金屬的。在一個實施方案中， 纖維為圓柱形的，且直徑為約10微米。纖維的長度取決于要形成的特定金剛石結(jié)構(gòu)，因為 纖維可以延伸穿過金剛石結(jié)構(gòu)的長度或直徑。在一個實施方案中，纖維占金剛石結(jié)構(gòu)的約 5%-30% (體積分?jǐn)?shù)）。一般地，纖維百分比越低，所得金剛石結(jié)構(gòu)的韌性就越低。但是， 如果纖維含量降低太多，如低于5%，由金剛石胎體貢獻(xiàn)的有益特性可能會降低。
[0043] 在一個實施方案中，纖維加強的熱穩(wěn)定金剛石結(jié)構(gòu)在700°C以上是熱穩(wěn)定的，在另 一實施方案中在750°C以上，并且在升高的溫度下保持高強度（例如在1000°C以上具有約 3. OGPa的強度）。在一個實施方案中，聚晶金剛石胎體的硬度為約4000HV或更高。
[0044] 在一個實施方案中，在將纖維編織或放置為期望的預(yù)成型體或預(yù)浸漬體之前對所 述纖維進行涂覆。為了吸收施加在材料上的應(yīng)力，將涂層設(shè)計成其能夠從金剛石胎體上脫 粘（de-bond)。這使得金剛石結(jié)構(gòu)能通過脫粘該涂層而吸收應(yīng)力，而不是通過在金剛石胎 體上產(chǎn)生裂紋而吸收應(yīng)力。因此，盡管金剛石胎體和纖維兩者的強度都很高，但將兩者之間 的連接面設(shè)計為相對脆弱的。為實現(xiàn)這個目的，可將纖維用脆弱的氧化物材料一一如氧化 鎂、氧化鈷或氧化鎳--涂覆。涂層的厚度可以為從幾納米到1-2微米。在于期望或隨機排 列方向上將纖維布置在一起以形成纖維片狀結(jié)構(gòu)或?qū)雍衔镏笆┘铀鐾繉?。具有?jīng)涂覆 的纖維的纖維預(yù)浸漬體可以預(yù)先制造，也可商業(yè)上獲得?？梢詥为毷褂没蚺c其它材料涂層 結(jié)合使用的其它氧化物為氧化锫、二氧化娃、二氧化鈦和氧化錯。娃、鈦、fL、鉻、锫、銀、鑰、 鉿、鉭和鎢的碳化物也可以單獨使用或與其它涂層材料結(jié)合使用。另外，硅酸鹽如Yb 2Si05、 Yb2Si07、Ho2Si207、Re 2Si207 或 LaMgAln09 也可以用于纖維涂層中。
[0045] 在一個替代實施方案中，將碳酸鹽PCD--另一類型的熱穩(wěn)定金剛石--用纖維 加強以提供增強的韌性。碳酸鹽PCD是一種熱穩(wěn)定形式的PCD，其中碳酸鎂或碳酸鈣用作催 化劑材料，而不是鈷或其他溶劑型金屬。碳酸鎂或碳酸鈣比其他類型的催化劑具有更好的 熱穩(wěn)定性，因為碳酸鹽催化劑對由碳向石墨的轉(zhuǎn)化不具有催化作用，而金屬催化劑很可能 對所述轉(zhuǎn)化具有催化作用。在這種情況下，不是使用化學(xué)氣相沉積或滲透來用石墨填充纖 維胎體，而是例如如圖8中所示，將纖維胎體預(yù)成型體片狀結(jié)構(gòu)用碳酸鹽PCD粉末相間，以 建立纖維和金剛石粉末的堆疊體。圖8示出了根據(jù)一個實例實施方案的堆疊的纖維預(yù)成型 體層304與碳酸鹽金剛石粉末302的經(jīng)預(yù)燒結(jié)的混合物300的局部剖視圖。可以將所述金 剛石粉末與聚合物混合，以使所述粉末形成用于堆疊的均一層302。然后將該堆疊結(jié)構(gòu)300 在約80千巴和約2000°C下進行HPHT燒結(jié)，以形成纖維加強的熱穩(wěn)定碳酸鹽POT結(jié)構(gòu)。 [0046] 雖然上文中只詳細(xì)描述了少數(shù)的實例實施方案，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將很 容易理解，可在實例實施方案中進行很多修改而不實質(zhì)上背離本發(fā)明。因此，所有這種修改 均意欲包括在由所附權(quán)利要求所限定的本公開的范圍內(nèi)。本申請的明確目的為不援引35U. S. C § 112,第6款來對本文中的任何權(quán)利要求進行任何限制，除了在權(quán)利要求中與相關(guān)功 能一起明確使用了詞語"用于......的方式（means for) "的情況外。
【權(quán)利要求】
1. 聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，包含： 具有熱穩(wěn)定金剛石胎體的金剛石體，所述熱穩(wěn)定金剛石胎體包含結(jié)合在一起的金剛石 晶體，其中所述金剛石胎體具有至少99%的金剛石體積含量；以及 多個延伸穿過所述熱穩(wěn)定金剛石胎體的纖維。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述纖維所具有的斷裂應(yīng)變大于所述 金剛石晶體的斷裂應(yīng)變。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述纖維包括碳化硅、氧化鋁、藍(lán)寶石 或娃酸錯鎂。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述纖維在所述熱穩(wěn)定金剛石胎體中 在預(yù)定的排列方向上定向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述纖維在所述熱穩(wěn)定金剛石胎體中 隨機定向。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述金剛石晶體在700°C以上是熱穩(wěn) 定的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述纖維包含涂層，所述涂層在所述 纖維和所述金剛石晶體之間提供比所述金剛石胎體脆弱的連接面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述涂層包含氧化物、碳化物或硅化 物材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述多個纖維占所述金剛石體的約5 體積％ -30體積％。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述熱穩(wěn)定金剛石胎體占所述金剛 石體中剩下的70體積％ -95體積％。
11. 剪切式切割器，包含權(quán)利要求1所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，所述聚晶金剛石結(jié)構(gòu)直接 或間接地結(jié)合至基體。
12. 刮刀鉆頭，包含安裝在其上的具有權(quán)利要求9所述的剪切式切割器的體。
13. 形成纖維加強的熱穩(wěn)定聚晶金剛石結(jié)構(gòu)的方法，包括： 提供纖維胎體； 將所述纖維胎體用石墨滲透；以及 在不使用催化劑材料的情況下，在超高的溫度和壓力下HPHT燒結(jié)所述石墨和所述纖 維胎體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述HPHT燒結(jié)包括將石墨通過相變轉(zhuǎn)化為聚晶 金剛石。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述超高的溫度和壓力包括約1800-2500°C的 溫度和約100-160千巴的壓力。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括在滲透之前使所述纖維在預(yù)定排列方向 上定向。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括在滲透之前使所述纖維隨機定向。
18. 聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，包含： 具有金剛石胎體的金剛石體，所述金剛石胎體包含結(jié)合在一起的金剛石晶體和位于所 述金剛石晶體之間的間隙空間，并且包含布置于所述間隙空間中的碳酸鹽催化劑；以及 多個延伸穿過所述金剛石胎體的纖維。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述纖維在所述金剛石體中的堆疊層中 定向。
20. 剪切式切割器，包含權(quán)利要求18所述的聚晶金剛石結(jié)構(gòu)，所述聚晶金剛石結(jié)構(gòu)直 接或間接地結(jié)合至基體。
21. 刮刀鉆頭，包含具有安裝在其上的權(quán)利要求18所述的剪切式切割器的體。
【文檔編號】C30B29/04GK104144876SQ201280065115
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月29日
【發(fā)明者】D·J·貝爾納普 申請人:史密斯國際有限公司