申請號：201180056837

　　申請人：史密斯國際有限公司

　　摘要：包括金剛石主體的金剛石結合結構，該金剛石主體包括晶粒間結合的金剛石和間隙區。所述主體具有工作面和分界面，并可以結合至金屬基底。所述主體具有約大于1.5%的梯度金剛石體積，其中在該分界面處的金剛石含量小于94%，并朝向工作面增加。所述主體可以包括基本不含有催化劑材料的區域，否則該催化劑材料分布在所述主體內，并存在梯度含量。所述主體內可包括附加材料，該附加材料存在變化的量。所述主體可通過例如6200MPa至10000MPa的高壓HPHT工藝來形成，以產生燒結主體，該主體具有特有的金剛石體積分數與平均晶粒尺寸之間的關系，區別于傳統壓力HPHT工藝形成的金剛石結合結構中金剛石體積分數與平均晶粒尺寸之間的關系。

　　獨立權利要求：1.包括金剛石主體的金剛石結合結構，所述金剛石主體包括晶間結合的金剛石的基質相，和分布在結合的金剛石之間的多個間隙區，所述金剛石主體在一個位置具有工作面，在另一個位置具有分界面，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其特征在于，所述在所述工作面處，金剛石主體具有根據以下標準之一的金剛石體積含量：金剛石體積分數大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者金剛石體積分數大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者金剛石體積分數大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　2.根據權利要求1所述的金剛石結合結構，其特征在于，在所述分界面處的金剛石的體積含量小于94%，且由等于或大于所述工作面的金剛石晶粒尺寸形成。

　　3.根據權利要求1所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述金剛石主體包括位于間隙區的催化劑材料，其中所述催化劑材料的體積含量在所述主體內從所述分界面至所述工作面梯度變化。

　　4.根據權利要求3所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述分界面增加。

　　5.根據權利要求3所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述金剛石主體包括附加材料，選自位于間隙區的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合。

　　6.根據權利要求5所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述附加材料的體積含量從所述工作面至所述分界面變化。

　　7.根據權利要求3所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述催化劑材料在所述工作面的體積含量約小于6%。

　　8.根據權利要求1所述的金剛石結合結構，還包括在所述分界面結合至所述金剛石主體的基底，其特征在于，所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　9.根據權利要求1所述的金剛石結合結構，其特征在于，至少部分的金剛石主體基本不含有催化劑材料，該催化劑材料用于在高壓高溫條件下形成所述主體。

　　10.根據權利要求9所述的金剛石結合結構，其特征在于，從所述工作面延伸出一定深度的、所述金剛石主體的部分區域基本不含有催化劑材料。

　　11.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括多個可操作地連接至鉆頭主體的切削元件，其特征在于，一個或多個所述切削元件包括如權利要求1所述的金剛石結合結構。

　　12.包括金剛石主體的金剛石結合結構，所述金剛石主體包括晶粒間結合的金剛石的基質相，和分布在結合的金剛石之間的多個間隙區，所述金剛石主體在一個位置具有工作面，在另一個位置具有分界面，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其特征在于，在所述工作面處，金剛石主體具有根據以下標準之一的金剛石體積含量：燒結平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分數大于93%；或者燒結平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分數大于94%；或者燒結平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分數大于95%；或者燒結平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分數大于95.5%；或者燒結平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分數大于96%。

　　13.根據權利要求12所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述金剛石主體包括位于所述間隙區的催化劑材料，其中所述催化劑材料的體積含量在所述主體內從所述分界面至所述工作面梯度變化。

　　14.根據權利要求13所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述分界面增加。

　　15.根據權利要求12所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述金剛石主體包括附加材料，選自位于間隙區的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合。

　　16.根據權利要求15所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述附加材料的體積含量從所述工作面至所述分界面變化。

　　17.根據權利要求12所述的金剛石結合結構，其特征在于，所述催化劑材料在所述工作面的體積含量約小于6%。

　　18.根據權利要求12所述的金剛石結合結構，還包括在所述分界面結合至所述金剛石主體的基底，其特征在于，所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　19.根據權利要求12所述的金剛石結合結構，其特征在于，至少部分的金剛石主體基本不含有催化劑材料，該催化劑材料用于在高壓高溫條件下形成所述主體。

　　20.根據權利要求9所述的金剛石結合結構，其特征在于，從所述工作面延伸出一定深度的、所述金剛石主體的部分區域基本不含有催化劑材料。

　　21.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括多個可操作地連接至鉆頭主體的切削元件，其特征在于，一個或多個所述切削元件包括如權利要求12所述的金剛石結合結構。

　　22.一種金剛石結構，包括：金剛石主體，所述金剛石主體包括晶粒間結合的金剛石的基質相，和分布在結合的金剛石之間的多個間隙區，所述金剛石主體在一個位置具有工作面，在另一個位置具有分界面，催化劑材料分布在所述間隙區，其中，所述催化劑材料的體積含量在所述主體內從所述分界面至所述工作面梯度變化，其中所述金剛石主體包括位于所述間隙區的、選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合的附加材料，其中所述催化劑材料在所述工作面的體積含量約小于7%；以及在所述分界面結合至所述金剛石主體的基底，其中所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　23.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，所述催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述分界面增加。

　　24.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，在所述金剛石主體內，所述附加材料的體積含量從所述工作面至所述分界面變化。

　　25.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且所述金剛石主體內的碳化物的體積范圍約為1-10%。
　　26.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中，在所述工作面處，金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標準之一：燒結平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分數大于93%；或者燒結平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分數大于94%；或者燒結平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分數大于95%；或者燒結平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分數大于95.5%；或者燒結平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分數大于96%。

　　27.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，金剛石主體具有根據以下標準之一的金剛石體積含量：所述金剛石體積分數大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　28.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，在所述分界面處的金剛石的體積含量小于94%，且由等于或大于所述工作面的金剛石晶粒尺寸形成。

　　29.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，催化劑材料和附加的碳化物的比率平衡，以使所述金剛石主體內的熱力學穩定性最佳。

　　30.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且催化劑材料與碳化物在所述金剛石主體內的比率范圍約為6:1-1:10。

　　31.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且催化劑材料與碳化物在所述金剛石主體內的比率范圍約為3:1-1:6。

　　32.根據權利要求22所述的金剛石結構，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且催化劑材料與碳化物在所述工作面處的比率范圍約為4:1-1:4。

　　33.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括主體和可操作地連接至所述主體的多個切削元件，其特征在于，至少一個所述切削元件包括如權利要求22所述的金剛石結構。

　　34.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括：主體；和可操作地連接至所述主體的多個切削元件，至少一個所述切削元件包括多晶金剛石結構，該多晶金剛石結構包括：金剛石主體，包括結合在一起的金剛石晶體的基質相和分布在所述基質相內的多個分布的間隙區，所述金剛石主體在一個位置具有工作面，在另一個位置具有分界面，其中催化劑材料位于所述間隙區，催化劑材料的體積含量在所述金剛石主體內從所述分界面至所述工作面梯度減少，其中所述金剛石主體包括位于所述間隙區的、選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合的添加材料，其中在工作面處，所述催化劑材料的體積含量約小于6%；以及在所述分界面結合至所述金剛石主體的基底，其中所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　35.根據權利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在所述主體內，金剛石的體積含量大于1.5%。

　　36.根據權利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在所述主體內，金剛石的體積含量為2-6%。

　　37.根據權利要求34所述的鉆頭，其特征在于，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，金剛石主體具有根據以下標準之一的金剛石體積含量：所述金剛石體積分數大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　38.根據權利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在所述工作面處，所述金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標準的其中之一：燒結平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分數大于93%；或者燒結平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分數大于94%；或者燒結平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分數大于95%；或者燒結平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分數大于95.5%；或者燒結平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分數大于96%。

　　39.根據權利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在臨近所述工作面的、所述主體的區域基本不含有所述催化劑材料。

　　40.根據權利要求34所述的鉆頭，包括多個從所述主體向外伸出的刀片，其特征在于，所述切削元件連接至所述刀片。

　　41.根據權利要求34所述的鉆頭，包括多個從所述主體向外伸出的腿，錐體可旋轉的設置在所述腿上，其特征在于，所述切削元件連接至所述錐體。

　　42.用于制備金剛石結構的方法，該方法包括步驟：在催化劑存在時，使一定體積的金剛石晶粒經受高壓高溫條件，以形成燒結的金剛石主體，該燒結的金剛石主體包括晶粒間結合的金剛石的基質相，和分布在所述基質相之間的多個間隙區，其中所述催化劑材料分布為所述間隙區，所述催化劑材料的體積含量在所述主體內從所述工作面至所述分界面成梯度變化；其中，所述高溫高壓過程大于約6200MPa；其中，在所述工作面的金剛石體積含量約大于94%。

　　43.根據權利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟之前，所述金剛石體積與附加材料結合，所述附加材料選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合。

　　44.根據權利要求43所述的方法，其特征在于，所述附加材料的體積含量從所述分界面至所述工作面梯度增加。

　　45.根據權利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟之前，所述金剛石體積與與催化劑粉末體積混合，其中催化劑粉末的量從所述工作面至分界面變化。

　　46.根據權利要求42所述的方法，其特征在于，所述金剛石主體的體積含量差異約大于1.5%。

　　47.根據權利要求46所述的方法，其特征在于，所述金剛石主體的體積含量差異的范圍約為2-6%。

　　48.根據權利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟之前，將所述金剛石體積置于包括作為成分的催化劑材料的基底附近，當所述經受步驟時，所述基底結合至所述金剛石主體。

　　49.根據權利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟之后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，所述金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標準的其中之一：燒結平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分數大于93%；或者燒結平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分數大于94%；或者燒結平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分數大于95%；或者燒結平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分數大于95.5%；或者燒結平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分數大于96%。

　　50.根據權利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟之后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，金剛石主體具有根據以下標準之一的金剛石體積含量：所述金剛石體積分數大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　51.用于制備多晶金剛石結構的方法，包括以下步驟：將一定體積的金剛石晶粒與碳化物材料結合，以形成混合物，其中在所述混合物中，碳化物材料的體積從將要成為所述結構的工作面處開始變化；
將基底材料放置在所述混合物附近的表面，該表面不是所述混合物工作面，所述混合物和基底形成一組件；使所述組件經受高壓高溫條件，其中在該經受步驟中，在催化劑材料的存在下，使金剛石晶粒彼此經受晶粒間的結合，以形成多晶金剛石主體，所述多晶金剛石主體在工作面具有約小于6%的催化劑含量，其中在經受步驟中，所述基底結合至所述金剛石主體。

　　52.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，金剛石主體具有梯度體積含量的催化劑材料。

　　53.根據權利要求52所述的方法，其特征在于，催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述基底增加。

　　54.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，在所述結合步驟中，所述催化劑材料結合至金剛石晶粒體積。

　　55.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟中，所述催化劑材料從所述基底滲入所述金剛石晶粒體積。

　　56.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，在金剛石主體內，碳化物材料的體積范圍約為10-70%。

　　57.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟中，至少部分的所述組件暴露在約大于6200MPa的壓力下。

　　58.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟中，至少部分的所述組件暴露在約小于6200MPa的壓力下。

　　59.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中，在所述工作面處，所述金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標準之一：燒結平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分數大于93%；或者燒結平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分數大于94%；或者燒結平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分數大于95%；或者燒結平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分數大于95.5%；或者燒結平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分數大于96%。

　　60.根據權利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經受步驟之后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面，所述金剛石主體的金剛石體積含量根據以下標準之一：所述金剛石體積分數大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分數大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。