[发明专利]具有耐磨金刚石表面的切割元件

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月2日提交的要求于2013年9月4日提交的 美国临时专利申请序列号第61/873694号的优先权和权益的美国专利申请 序列号第14/475311号的优先权，它们的全部内容通过参引方式纳入本文。

背景技术

本领域已知的切割元件，例如那些与用于钻探地层的钻头一起使用的 切割元件，包括设置于碳化物基体上的金刚石表面层或金刚石台。相对于 底层基体，所述金刚石台被用于提供改善的抗磨性能，并且所述基体被用 于提供附接结构，以有助于所述切割元件附接至终端使用的机器工具，例 如钻头等。

这些已知的切割元件具有由多晶金刚石(PCD)形成的金刚石层或金 刚石台，并使用诸如WC-Co的碳化物基体。例如当相较于具有由碳化钨形 成的磨削表面的切割元件时，虽然所述金刚石层向所述切割元件提供改善 的抗磨性能，但是已知所述金刚石层具有比底层基体的热膨胀系数低得多 的热膨胀系数。因此，用于烧结所述金刚石层、形成所述PCD并将所述PCD 层附接至所述基体的高压/高温工艺，是一个已知为产生具有残余压应力的 切割元件的过程。在所述金刚石层和基体上引起的该残余压应力的存在可 以在钻井条件下导致切割元件破损或金刚石层脱层。

改善这些切割元件的使用寿命的尝试已经聚焦于减少金刚石层与基体 的界面处的残余压应力，从而减少或最小化在钻井条件下的破损、破裂或 脱层的情况。尽管这些努力对减少或最小化破损或脱层情况可能是有用的， 但是这些性能的获得是以损害金刚石台表面的耐磨性和抗裂纹萌生为代价 的，这又限制了所述切割元件的有效使用寿命。

发明内容

如本文所公开的切割元件包括由多晶金刚石形成的金刚石表面。在一 个实例中，所述金刚石表面被构造为具有圆顶形外表面。所述圆顶形外表 面可以具有约3.5mm至13.3mm之间的曲率半径。当以金刚石台的形式提 供时，所述圆顶形外表面处的厚度大于约0.6mm、大于约0.8mm、或在约 0.6mm至3mm英寸之间。

所述切割元件可以完全由多晶金刚石形成，或者可以包括附接至基体 的多晶金刚石台，例如结合到基体。可以在所述基体和金刚石台之间再插 入一个或多个过渡层，并且所述金刚石台可以由一个或多个多晶金刚石层 形成。所述金刚石表面可以具有大于约500MPa、大于约900MPa、大于约 1000MPa或在从约900至1200MPa范围内的高水平压应力。

在一个实例中，用于形成切割元件的多晶金刚石包括不同的钴晶体结 构相的受控比率，其中立方钴/六方钴大于约1.2、从约1.5至2.5或者从约 1.6至1.8。

在存在催化剂材料的情况下，通过将多个金刚石颗粒的组合体暴露于 高压/高温工艺条件下以形成所述金晶金刚石来制造所述切割元件。当使用 基体时，所述基体可以在所述高压/高温工艺下被附接至成台的形式的多晶 金刚石，从而形成所述切割元件。必要时，可以在超高压条件下形成切割 元件。所述切割元件可以被处理为在所述多晶金刚石的表面上产生上面所 述的所需的高水平压应力。

提供本发明内容部分是为了介绍一系列概念，这些概念在下面的详细 说明中进一步被描述。本发明内容部分不旨在标识所要求保护的主题的关 键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

本文所公开的切割元件的这些和其他特征和优势将会被领会，因为当 联系附图考虑并参考下面的详细说明可以更好地理解本文所公开的这些和 其他特征和优势，其中：

图1示出了如本文所公开的示例性切割元件的透视侧视图；

图2示出了如本文所公开的示例性切割元件的侧视截面图；

图3示出了如本文所公开的具有至少一个过渡层的示例性切割元件的 侧视截面图；

图4是包括如本文所公开的示例性切割元件的旋转锥形钻头的透视图；

图5是包括如本文所述的示例性切割元件的锤钻头的透视图；

图6是包括如本文所述的示例性切割元件的刮刀钻头的透视图；

图7示出了如本文所公开的示例性切割元件的透视侧视图；

图8示出了如本文所公开的示例性元件的侧视截面图；以及

图9示出了用于压应力分析的测试结构。

具体实施方式