[发明专利]形成包括含聚晶金刚石材料的物体的超硬结构或物体的方法

说明书

技术领域

本公开涉及形成包括含聚晶金刚石材料的物体(body)的超硬结构或物体的方法，以及通过该方法制造的物体。

背景技术

在本公开中所考虑的聚晶金刚石材料(PCD)由具有互穿金属网络的金刚石晶粒的交互生长(intergrown)网络组成。这被示意说明于图1中，该图显示了包含具有互穿金属网络2的金刚石晶粒1的交互生长网络的PCD材料的显微结构(具有在金刚石-金属界面3处出现的刻面)。每个晶粒具有一定程度的塑料变形4。新结晶的金刚石键5如在该图的插图中所示使金刚石晶粒键合。在高压和高温下通过金刚石粉末烧结形成金刚石晶粒的网络，所述烧结受到用于碳的熔融金属催化剂/溶剂促进。金刚石粉末可以具有单峰尺寸分布，从而在颗粒数目或质量粒径分布内存在单个极大值，这导致金刚石网络内的单峰晶粒尺寸分布。作为替代，金刚石粉末可以具有多峰尺寸分布，其中在颗粒数目或质量粒径分布内存在两个或更多个极大值，这导致金刚石网络内的多峰晶粒尺寸分布。在该工艺中使用的典型的压力在约4至7GPa的范围内，但是高达10GPa以上的更高压力实际上也是可达到的并且能够被使用。采用的温度是高于金属在该压力下的熔点。金属网络是由于熔融金属在返回到正常室温条件时凝固的结果并且将不可避免地是高碳含量的合金。原则上，可以利用能够在这样的条件下使金刚石结晶成为可能的任何用于碳的熔融金属溶剂。周期表的过渡金属和它们的合金可被包括这样的金属内。

传统上，现有技术中的主要惯例和做法是使用硬质金属基底的粘合剂金属，在高温和高压下使此类粘合剂熔融之后，使其渗入金刚石粉末的物料(mass)中。这是熔融金属以常规PCD构造的宏观尺度的渗透，即以毫米尺度的渗透。到目前为止，现有技术中最常见的情形是使用碳化钨(具有钴金属粘合剂)作为硬质金属基底。这不可避免地导致硬质金属基底原位结合至所得PCD。这样的惯例和做法已经严重地主导了迄今为止PCD材料的成功商业开发。

为了本公开的目的，使用硬质金属基底作为经由定向渗透的熔融金属烧结剂的来源并且原位结合至该基底的PCD结构被称为“常规PCD”构造或物体。这示于图2中，该图是常规PCD物体中的渗透过程的示意图，其中箭头指示透过2至3mm的PCD层厚度的渗透的方向和长距离。插图11中的箭头再次指示跨许多金刚石晶粒的渗透范围。在常规PCD物体中的PCD层6通常地具有约2至3mm的厚度。基底7主要地由碳化钨/钴合金制成。数字8大致指示在高压高温工艺期间穿过PCD层厚度的钴渗透剂的渗透方向。椭圆形区域11是在碳化物基底和PCD层之间的界面，并且图2的插图示意显示了区域11的扩展视图，在该区域中具有金刚石晶粒，透过该区域发生钴的长距离渗透。该插图突显了定向渗透跨越许多晶粒穿透PCD层厚度的事实。在所述物体中金刚石晶粒9和10可典型地具有不同的尺寸并且能由金刚石颗粒的多峰混合物制成。

已经理解的是制造PCD物体的这种传统方法导致一系列限制和制约，这进而在许多应用中具有不合意的结果。这些限制包括：

1.PCD物体中的宏观的残余应力分布(以常规PCD物体的尺度即以毫米尺度)，这不可避免地具有有害的拉伸分量。

2.熔融金属从基底的渗透方向上的PCD材料层的尺寸限制。

3.作为毫米级距离上的定向熔融金属渗透的结果，结构和组成的不均匀性。

4.在开发宽广范围的金属合金组合物和有限的冶金组合物(其由此得到)中的显著的实际困难。

5.在金刚石显微结构的晶粒尺寸的尺度上的显微残余应力管理是受限的并且是不切实际的。

6.制造自由度例如晶粒尺寸分布、金属含量和金属合金组成是互相依赖的并且不能容易进行独立预选、选择或者改变。

本申请人已经理解了关于均匀性、宏观和微观的残余应力、PCD物体的尺寸和形状以及上文关于常规PCD物体或者构造所述的受限的材料组成的选择的局限和难题在许多应用中引起不良或者不适当的性能。

需要开发任意3维形状、具有高的材料均匀性并且不存在宏观残余应力并且具有PCD材料结构和组成的扩展选择、具有伴随的显微残余应力控制(所有这些均是高度期望的)的PCD物体。

发明内容

1.从第一个方面看，提供了一种生产独立式PCD物体的方法，该独立式PCD物体包括形成金刚石网络的交互生长的金刚石晶粒与互穿金属网络的组合，该独立式PCD物体不附着于由不同材料如金属、金属陶瓷或陶瓷制成的第二物体或基底，该方法包括步骤：