[发明专利]高金刚石框架强度的PCD材料

说明书

背景技术

在本领域中已知的多晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）材料由金刚石晶粒（或晶体）和催化剂材料在经受高压高温条件下（“HPHT”烧结工艺）制成。已知上述的PCD材料具有高度的耐磨损性，使得其成为用于像用于机械加工的切割工具以及地下采矿钻井中的磨损元件和切割元件的工业应用中受欢迎的材料选择，其中需要上述的高度耐磨损性。在上述的应用中，常规的PCD材料能够以表面层或体（body）的形式提供，用以给予切割工具所需要的耐磨损性水平。

传统地，PCD切割元件包含基体和与其连接的PCD体或层。在上述切割元件应用中使用的基体包括碳化物，例如烧结碳化钨（例如，WC-Co）。上述常规的PCD体利用催化剂材料用以促进金刚石晶粒之间的晶间粘合，且用以将PCD层粘合到位于下面的基体。常规用作催化剂的金属通常选自溶剂金属催化剂，包括钴、铁、镍、以及它们的组合和合金。

用以形成PCD体的催化剂材料的数量代表了需要的强度/韧度/耐冲击性特性与硬度/耐磨损性/热稳定性之间的折中。尽管较高的金属催化剂含量通常增加得到的PCD体的强度、韧度、以及耐冲击性，但是上述较高的金属催化剂含量也降低了PCD体的硬度和对应的耐磨损性和热稳定性。因此，这些相反地影响的特性最终限制了提供具有所需水平的硬度、耐磨损性、热稳定性、强度、耐冲击性、以及韧度的PCD体用以满足特定应用的服务要求的能力，所述应用例如用于地下钻井装置中的切割且/或磨损元件。

用于特定应用的PCD体的特别需要的特性是在磨损或切割操作期间的改善的热稳定性。常规的PCD体中存在的一个已知的问题是，当暴露于升高的温度切割和/或磨损应用时，它们易于发生热降解。这个易热降解性是由于间隙地布置于PCD体之内的溶剂金属催化剂材料的热膨胀特性与晶间粘合的金刚石的热膨胀特性之间存在的差别造成的。上述热膨胀性差别已知开始于低至400℃的温度处，且可能引起热应力，所述热应力可能有害于金刚石的晶间粘合且最后导致形成裂缝，所述裂缝可能使得PCD结构易于损坏。因此，不希望出现上述的行为。

常规的PCD材料中存在的另一个已知的热降解形式是还涉及在PCD体的间隙区域中溶剂金属催化剂的存在以及溶剂金属催化剂与金刚石晶体的粘着的热降解。特别地，已知溶剂金属催化剂会造成金刚石随着温度的增加而发生不想要的催化相转变（其中将金刚石转变为一氧化碳、二氧化碳、或石墨），从而限制了PCD体的实际应用不超过大约750℃。

热降解可能导致PCD体的碎裂、剥落、部分破裂、和/或脱落。这些问题可能由PCD体之内微裂缝的形成以及随后的跨越PCD体的裂缝扩展所引起。微裂缝可能由PCD体之内存在的热应力所形成。

发明内容

本公开涉及用于地下钻井应用的包含多晶金刚石体的切割元件，且更特别地，涉及具有高金刚石框架强度的多晶金刚石体。在本文公开的各种不同实施方案中，已发现包含具有高金刚石框架强度的多晶金刚石体的切割元件与改进的耐磨损性相关。金刚石框架强度是多晶金刚石结构自身的强度，其中所述多晶金刚石结构不含任何的次级相材料，例如钴或其它催化剂。由于在升高的温度下上述次级相材料的行为，已确定具有次级相材料的多晶金刚石体的强度与现场（field）中改进的耐磨损性并非足够相关。如下文进一步详细地描述，上述切割元件的耐磨损性能够通过增加金刚石框架强度和减少多晶金刚石体中的次级相含量而改进。

在一个实施方案中，切割元件包含基体和在所述基体之上形成的多晶金刚石体。所述多晶金刚石体包含具有切割边缘的顶表面。所述多晶金刚石体具有粘合在一起的金刚石晶体以及所述金刚石晶体之间的间隙区域的材料微结构。包含所述切割边缘的微结构的区域具有大约1200MPa或更大、或者大约1300MPa或更大的金刚石框架强度，且具有小于10微米的平均烧结晶粒尺寸。在一个实施方案中，所述切割元件包含在井下工具中。

在一个实施方案中，提供了形成耐磨损性多晶金刚石切割元件的方法。所述方法包括提供粉末混合物，其具有20微米或更小的平均粒度的金刚石微粒。所述方法包括压紧所述粉末混合物用以压缩所述金刚石微粒，以及在高温高压下、在7.0到8.2GPa范围内的压力下烧结所述微粒混合物和催化剂材料。所述烧结工艺形成多晶金刚石体。所述多晶金刚石体的区域包含具有至少1200MPa的金刚石框架强度的微结构。