[发明专利]具有带金属中间层的超硬材料切割元件及其制造方法

说明书

一种用于将超硬体(比如热稳定多晶金刚石(TSP)体)接合到基底上并减轻在超硬体与基底之间形成高应力集中区域的方法。一种方法包括用中间层覆盖超硬体的至少一部分，将超硬体和中间层放置在模具中，用包括基质材料和粘合剂材料的基底材料填充模具的剩余部分，使得中间层设置在超硬体与基底材料之间，并且将模具加热到配置为熔化粘合剂材料并形成基底的渗透温度。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年12月10日提交的美国临时专利申请号62/090063和于2015年12月03日提交的美国专利申请号14/957847的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术

在地下钻井操作(比如用于将钻孔钻入地球以用于回收碳氢化合物(例如油和天然气)的操作)期间使用的切割工具和岩石钻孔工具通常包括钻头体和设置在钻头体上的多个切割元件。这些切割元件由于其良好的耐磨性和硬度特性而通常结合超硬材料，比如多晶金刚石(PCD)。另外，PCD体通常结合或以其它方式联接到基底。这些基底有助于将切割元件附接到钻头体上，比如通过钎焊。

传统上通过在高压和高温(HPHT)下烧结与催化剂材料(比如选自周期表第VIII族的金属催化剂)混合的金刚石颗粒来形成PCD体。在HPHT烧结过程中，金刚石颗粒形成金刚石晶体的互连网络，并且催化剂材料渗透并占据结合的金刚石晶体之间的间隙空间或孔隙。然而，常规的PCD体易于发生热降解，因为催化剂材料具有比金刚石晶体更高的热膨胀系数。特别地，当切割元件经受升高的温度时(比如在钻井操作期间)，催化剂与金刚石晶体之间的热膨胀差异和间隙地设置在金刚石晶体之间的催化剂可以引起PCD体中的热应力和裂纹的形成。这些热应力可能最终导致PCD体中的裂纹的形成和切割元件的过早失效。

因此，已经开发了各种技术来产生热稳定的PCD(TSP)。用于形成TSP主体的常规方法包括在金刚石颗粒的HPHT烧结过程中使用非金属催化剂，不使用催化剂的HPHT烧结金刚石颗粒，或用酸浸出常规的PCD体以除去至少一部分形成在结合的金刚石晶体之间的间隙区域中的催化剂材料。

另外，预先形成的TSP主体可以通过将TSP主体放置在模具中然后用配置成在受到升高的温度时形成基底的材料填充模具的其余部分而与基底接合。配置成形成基底的材料通常包括基质材料(比如钨或碳化钨)和粘合剂材料(比如钴)。当模具被加热时，粘合剂材料配置成渗入基质材料，从而将基质颗粒结合在一起以形成基底。此外，粘合剂材料配置为通过润湿TSP主体与基底之间的交界面表面并沿着交界面表面填充TSP主体中的金刚石颗粒之间的孔而将基底接合到TSP主体。

发明内容

本公开涉及将超硬体连接到基底并减轻在超硬体与基底之间形成高应力集中区域的各种方法。在一个实施例中，该方法包括用中间层覆盖超硬体的至少一部分，将至少部分地被所述中间层覆盖的超硬体放置在模具中，用基底材料填充所述模具的一部分，以及将所述基底材料加热到配置成形成联接到所述超硬体的基底的渗透温度。该方法还可以包括在模具中的位移上支撑超硬体。中间层可以是任何合适的材料，比如钴、镍、铜、其合金、或其任何组合。超硬体可以是任何合适类型的热稳定多晶金刚石(PCD)，比如浸出PCD、非金属催化剂PCD或无催化剂PCD。超硬体可以是热稳定多晶立方氮化硼(PCBN)体。超硬体可以具有大于约4000kg/mm²的硬度。基底材料可以由基质材料和粘合剂材料构成。

中间层的熔点可能超过渗透温度，使得中间层在形成基底的任务期间不熔化。中间层的杨氏模量可以小于TSP主体的杨氏模量并且小于基底的杨氏模量。此外，中间层的硬度可以小于超硬体的硬度并且小于基底的硬度。