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　　申請人：第六元素研磨劑股份有限公司
　　發(fā)明人：尼德雷特·卡恩 卡維施尼·耐度

　　摘要：本發(fā)明公開了一種多晶金剛石結(jié)構(gòu)，其包括第一區(qū)域和與所述第一區(qū)域相鄰的第二區(qū)域，所述第二區(qū)域通過金剛石晶粒的交互生長結(jié)合至所述第一區(qū)域。所述第一區(qū)域包括多個交替層(21)、(22)，所述第一區(qū)域中的每個或一個或多個層的厚度在約5-300微米的范圍內(nèi)。所述多晶金剛石(PCD)結(jié)構(gòu)的金剛石含量為PCD材料體積的至多約95％，粘合劑含量為PCD材料體積的至少約5％，所述第一區(qū)域和/或第二區(qū)域中的一個或多個層包括平均金剛石晶粒接觸率大于約60％且標(biāo)準(zhǔn)偏差小于約2.2％的金剛石晶粒。還公開了用于制造這種多晶金剛石結(jié)構(gòu)的方法。

　　主權(quán)利要求：1.多晶金剛石結(jié)構(gòu)，其包括第一區(qū)域和與所述第一區(qū)域相鄰的第二區(qū)域，所述第二區(qū)域通過金剛石晶粒的交互生長結(jié)合至所述第一區(qū)域；所述第一區(qū)域包括多個交替層，所述第一區(qū)域中的每個或一個或多個層的厚度在約5-300微米的范圍內(nèi)；其中所述多晶金剛石(PCD)結(jié)構(gòu)的金剛石含量為PCD材料體積的至多約95％，粘合劑含量為所述PCD材料體積的至少約5％，所述第一區(qū)域和/或所述第二區(qū)域中的一個或多個層包括平均金剛石晶粒接觸率大于約60％且標(biāo)準(zhǔn)偏差小于約2.2％的金剛石晶粒。
　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū)域中的每個 層的厚度在約30-300微米的范圍內(nèi)。
　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū)域中的一個 或多個層的厚度在約30-200微米的范圍內(nèi)。
　　4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第二區(qū) 域包括多個層。
　　5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第二區(qū)域中的一個 或多個層的厚度大于所述第一區(qū)域中的單獨的層的厚度，其中所述第一 區(qū)域中的交替層包括與第二層交替的第一層，所述第一層處于殘余壓應(yīng) 力狀態(tài)，所述第二層處于殘余張應(yīng)力狀態(tài)；并且所述第一區(qū)域和/或第二 區(qū)域中的一個或多個所述層包括平均金剛石晶粒接觸率大于約60％且標(biāo) 準(zhǔn)偏差小于約2.2％的金剛石晶粒。
　　6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的多晶金剛石結(jié)構(gòu)，其中所述第二區(qū)域 中的層的厚度大于約200微米。
　　7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一和/ 或所述第二區(qū)域中的每個層在整個所述層中具有基本上一致的金剛石晶 粒尺寸分布。
　　8.根據(jù)權(quán)利要求4-7中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第二區(qū)域 中的層包括預(yù)定平均晶粒尺寸的金剛石晶粒。
　　9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第二區(qū)域中的所述 金剛石晶粒的預(yù)定平均晶粒尺寸是所述第一區(qū)域中的金剛石晶粒的混合 物中的所述金剛石晶粒的平均晶粒尺寸中的一個。
　　10.根據(jù)權(quán)利要求4-9中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第二區(qū) 域中的層包括如下中的一個或多個： 鹽系統(tǒng)； 硼化物或Ti、V或Nb中的至少一種的金屬碳化物；或 金屬Pd或Ni中的至少一種。
　　11.根據(jù)權(quán)利要求4-10中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述PCD 結(jié)構(gòu)具有縱向軸，所述第二區(qū)域中的所述層處于與所述PCD結(jié)構(gòu)的縱向 軸延伸通過的平面基本上垂直的平面內(nèi)。
　　12.根據(jù)權(quán)利要求4-10中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述PCD 結(jié)構(gòu)具有縱向軸，所述第一區(qū)域和/或所述第二區(qū)域中的所述層處于與所 述PCD結(jié)構(gòu)的縱向軸延伸通過的平面成一定角度的平面內(nèi)。
　　13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述交替層 包括與第二層交替的第一層，所述第一層處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，并且所 述第二層處于殘余張應(yīng)力狀態(tài)。
　　14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū) 域包括一個或多個具有兩個或多個不同平均金剛石晶粒尺寸的層。 　　　　　
　　15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū) 域包括一個或多個具有三個或多個不同平均金剛石晶粒尺寸的層。 　　　　　　　　　　　　　　　　
　　16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū) 域包括在使用中形成所述PCD結(jié)構(gòu)的初始工作表面的外部工作表面。
　　17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第二區(qū) 域的厚度大于所述第一區(qū)域中的單獨的層的厚度。
　　18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述交替層 包括與第二層交替的第一層，所述第一層包括金剛石晶粒，且所述第二 層包括金剛石晶粒。
　　19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中每個層由TRS 為至少1000MPa的一個或多個各自的PCD等級形成；相鄰層中的PCD 等級具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。
　　20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述層的一個或多個 包括CTE為至少3×10-6mm/℃的PCD等級。
　　21.根據(jù)權(quán)利要求1-18中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述交替層 包括與第二層交替的第一層，所述第一層包括具有三個或更多個不同平 均金剛石晶粒尺寸的金剛石晶?；旌衔?，并且所述第二層由具有相同的 三個或更多個平均金剛石晶粒尺寸的金剛石晶?；旌衔镄纬?，其中所述 第一區(qū)域中的所述第一層與來自所述第一區(qū)域中的第二層的所述混合物 中的金剛石晶粒具有不同尺寸比。
　　22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述交替層 包括與第二層交替的第一層，所述第一層包括具有第一平均晶粒尺寸的 金剛石晶?；旌衔?，并且所述第二層包括具有第二平均晶粒尺寸的金剛 石晶?；旌衔铩?
　　23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū) 域中的層包括如下中的一個或多個： 鹽系統(tǒng)； 硼化物或Ti、V或Nb中的至少一種的金屬碳化物；或 金屬Pd或Ni中的至少一種。
　　24.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述PCD 結(jié)構(gòu)具有縱向軸，所述第一區(qū)域中的所述層處于與所述PCD結(jié)構(gòu)的縱向 軸延伸通過的平面基本上垂直的平面內(nèi)。
　　25.根據(jù)權(quán)利要求1-23中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述PCD 結(jié)構(gòu)具有縱向軸，所述第一區(qū)域和/或所述第二區(qū)域中的層處于與所述 PCD結(jié)構(gòu)的縱向軸延伸通過的平面成一定角度的平面內(nèi)。
　　26.根據(jù)權(quán)利要求1-24中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述層基本 上是平面的、彎曲的、弓形的或圓頂形的。
　　27.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū) 域的體積大于所述第二區(qū)域的體積。
　　28.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中一個或多個 所述層與所述PCD結(jié)構(gòu)的工作表面或側(cè)表面相交。
　　29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述第一區(qū) 域的至少一部分基本上沒有用于金剛石的催化劑材料，所述部分形成熱 穩(wěn)定區(qū)域。
　　30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述熱穩(wěn)定區(qū)域從所 述PCD結(jié)構(gòu)的表面延伸至少50微米的深度。
　　31.根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述熱穩(wěn)定區(qū)域 包括至多2重量％的用于金剛石的催化劑材料。
　　32.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述粘合料 包含至少12體積％的PCD材料。
　　33.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)，其中所述多晶金 剛石材料的金剛石含量為所述多晶金剛石材料體積的至少80％，且至多 88％。
　　34.PCD復(fù)合片或構(gòu)造，其包括前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD 結(jié)構(gòu)。
　　35.耐磨元件，其包括前述權(quán)利要求中任一項所述的PCD結(jié)構(gòu)。
　　36.用于地殼鉆探的旋轉(zhuǎn)剪切鉆頭或者用于沖擊鉆頭的PCD元件， 所述PCD元件包括結(jié)合至燒結(jié)碳化物支承體的前述權(quán)利要求中任一項所 述的PCD結(jié)構(gòu)。
　　37.用于地殼鉆探的鉆頭或鉆頭部件，其包括如權(quán)利要求36所述的 PCD元件。
　　38.一種制造多晶金剛石(PCD)結(jié)構(gòu)的方法，包括： 提供第一部分的金剛石顆粒或晶粒和燒結(jié)添加劑，所述燒結(jié)添加劑 包含納米尺寸的顆粒或晶粒的碳源，并使所述金剛石顆粒和燒結(jié)添加劑 形成第一聚集體， 提供第二部分的金剛石顆?；蚓Я?，并使之形成第二聚集體； 合并第一聚集體和粘合料，通常為用于金剛石的催化劑材料，以及 第二聚集體，以形成由所述第一聚集體和所述第二聚集體的多個交替層 形成的生坯； 使所述生坯在金剛石比石墨熱力學(xué)上更穩(wěn)定的壓力和溫度條件下經(jīng) 歷足以耗盡所述燒結(jié)添加劑的時間，使其燒結(jié)，并形成多晶金剛石材料 本體，所述多晶金剛石材料本體是： 熱力學(xué)和晶體學(xué)穩(wěn)定的， 基本沒有任何納米結(jié)構(gòu)，所述多晶金剛石(PCD)材料本體的金剛 石含量為PCD材料體積的至多約95％，粘合劑含量為PCD材料體積的 至少約5％， 燒結(jié)步驟還包括形成多晶金剛石材料本體，所述多晶金剛石材料本 體包括第一區(qū)域和與所述第一區(qū)域相鄰的第二區(qū)域，所述第二區(qū)域通過 金剛石晶粒的交互生長結(jié)合至所述第一區(qū)域；所述第一區(qū)域包括多個交 替層，每個層的厚度在約5-300微米的范圍內(nèi)；其中所述第一區(qū)域中的 所述交替層包括與第二層交替的第一層，所述第一層處于殘余壓應(yīng)力狀 態(tài)，所述第二層處于殘余張應(yīng)力狀態(tài)；并且，其中所述第一區(qū)域和/或第 二區(qū)域中的一個或多個所述層包括平均金剛石晶粒接觸率大于約60％且 標(biāo)準(zhǔn)偏差小于約2.2％的金剛石晶粒。
　　39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述方法包括使所述生坯經(jīng) 受約6.0Gpa或更高的壓力和約1350℃或更高的溫度。
　　40.根據(jù)權(quán)利要求38或39所述的方法，其中將所述PCD材料燒結(jié) 2分鐘至60分鐘。
　　41.根據(jù)權(quán)利要求38-40中任一項所述的方法，其中在與所述燒結(jié)添 加劑或粘合料接觸前，所述金剛石顆?；蚓Я５钠骄w?；蚓Я３叽绶?圍為約0.1微米至約50微米。
　　42.根據(jù)權(quán)利要求38-41中任一項所述的方法，其中所述燒結(jié)添加劑 是選自石墨、炭黑、焦炭、碳陰離子和富勒烯的納米尺寸碳源。 　　
　　43.根據(jù)權(quán)利要求38-41中任一項所述的方法，其中所述燒結(jié)添加劑 是納米金剛石。
　　44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中所述納米金剛石是UDD、 PDD或碎源納米金剛石。
　　45.根據(jù)權(quán)利要求38-44中任一項所述的方法，其中所述燒結(jié)添加劑 為約0.01至約5wt％，或約0.5至約1wt％，或高達約50wt％。
　　46.根據(jù)權(quán)利要求38-45中任一項所述的方法，其中所述粘合料是 Ni、Pd、Mn或Fe或這些金屬催化劑與這些催化劑中的一種或另一種和/ 或與Co的組合。
　　47.根據(jù)權(quán)利要求38-44中任一項所述的方法，其中在與所述燒結(jié)添 加劑或粘合料接觸前，所述金剛石顆?；蚓Я５钠骄w粒或晶粒尺寸為 約0.1微米至約50微米，約0.2微米至約10微米，或約0.9微米至約2 微米。
　　48.PCD結(jié)構(gòu)，其基本上如以上參照附圖中所示的實施方案的任一 實施方案所述。
　　49.形成PCD結(jié)構(gòu)的方法，其基本上如以上參照附圖中所示的實施 方案的任一實施方案所述。