[发明专利]一种聚晶金刚石复合片及其合成方法

说明书

本发明公开了一种聚晶金刚石复合片的合成方法，该方法是将大量的金刚石颗粒与金属催化剂的混合物直接烧结或包覆在硬质合金芯体的周围，在5～8.5GPa、1400～1700℃下烧结而成，经过激光或机械加工成型，后再经过5～30天的脱钴混合物浸泡，去除全部或大部分聚晶金刚石间隙里的金属催化剂，此其表层具有1.1～2mm深的脱钴层，脱钴层外设有一层厚度为5～100um的焊接剂亲和层，所述焊接剂亲和层为金属层，包括Ti、Ni、Co、Ag、Mn中的一种或几种，方法合成的金刚石复合片，在石油天然气、页岩气开采中表现出优异的耐磨、耐高温、抗浸蚀性能。

技术领域

本发明属于金刚石复合片技术领域，具体涉及一种聚晶金刚石复合片及其合成方法。

背景技术

聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，或PDC)是一种性能十分优异的复合超硬材料，它由微米级金刚石颗粒、烧结催化剂在高温高压条件下、在硬质合金沉底上烧结形成。聚晶金刚石即保留了金刚石颗粒的高硬度，高耐热性能、抗腐蚀性，又具备与合金相比拟的可焊接性，在硬质材料加工、地质钻探、矿物开采、盾构施工、油气勘采等领域有广泛的应用。

烧结助剂在PDC的制备过程起着重要的促进作用，然而它也是导致PDC在使用过程中失效的重要因素。聚晶金刚石复合片常用的烧结助剂为钴，也可以使用金属铁、镍及其合金等。在高温高压烧结过程中，金属烧结助剂促使大量金刚石一金刚石晶粒直接成键(D-D键)，使聚晶金刚石复合片具有较高的强度和耐磨性。聚晶金刚石复合片多在高温、高应力条件下工作，由于金属烧结助剂与金刚石的热膨胀系数差别很大，在工作过程中容易造成金刚石层内金刚石晶粒脱落，因此会降低聚晶金刚石复合片的使用性能。另外，当温度高于700℃时，烧结助剂金属钴、铁等会催化金刚石向石墨发生逆转变，使聚晶金刚石复合片的硬度和耐磨性急剧下降。因此，除去聚晶金刚石复合片金刚石层中的金属烧结助剂钴，可大幅提高聚晶金刚石复合片的使用性能。

现有的聚晶金刚石复合片结构为上层聚晶金刚石、下层硬质合金衬底烧结而成，这种结构的聚晶金刚石复合片，在强酸脱钴过程中，由于硬质合金衬底没有完全被聚晶金刚石层包覆，导致强酸腐蚀合金衬底，无法长时间进行脱钴，限制了脱钴反应，脱钴层深度有限，多为0.4～0.9mm，PDC使用过程中，表面的脱钴层磨损后，其性能大幅度下降。由于传统金刚石复合片聚晶金刚石层下面的合金在地层钻进过程中容易受到酸碱的腐蚀而导致复合片失去基体支撑而过早失效。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种聚晶金刚石复合片结构，采用圆柱形硬质合金芯体，使聚晶金刚石完全包覆在其外表面，避免硬质合金与脱钴液接触，解决了脱钴的密封失效问题，大大提高脱钴效果，增加脱钴深度，避免合金基底在钻进过程中失效，大幅度提高了聚晶金刚石复合片的工作性能及使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种聚晶金刚石复合片的合成方法，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片的合成方法包括：

混合，将金刚石颗粒与金属催化剂混合；

包覆，将混合的金刚石颗粒与金属催化剂混合物制成圆柱形，或将混合的金刚石颗粒与金属催化剂混合物包覆在硬质合金芯体外表面；

烧结，将圆柱形的混合物或包覆了混合物的硬质合金芯体放置在5～9GPa、1400～1800℃条件下烧结10～30分钟；

成型，采用激光加工、电火花加工或机械加工，将烧结完成的金刚石复合片加工成型；

脱钴，将加工成型的金刚石复合片浸入脱钴液，浸泡5～30天，去除金属催化剂；

覆膜，将脱钴后的金刚石复合片，通过化学沉积或者物理扩散的方法在金刚石表面覆盖一层厚度为5～100um的焊接剂亲和层，该焊接剂亲和层为金属层，包括但不限于Ti、Ni、Co、Ag、Mn中的一种或几种的合金，或其中一种或几种的金属化合物。

进一步的，所述金属催化剂为金属钴、铁、镍、锰。