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　　申请号：201180056837

　　申请人：史密斯国际有限公司

　　摘要：包括金刚石主体的金刚石结合结构，该金刚石主体包括晶粒间结合的金刚石和间隙区。所述主体具有工作面和分界面，并可以结合至金属基底。所述主体具有约大于1.5%的梯度金刚石体积，其中在该分界面处的金刚石含量小于94%，并朝向工作面增加。所述主体可以包括基本不含有催化剂材料的区域，否则该催化剂材料分布在所述主体内，并存在梯度含量。所述主体内可包括附加材料，该附加材料存在变化的量。所述主体可通过例如6200MPa至10000MPa的高压HPHT工艺来形成，以产生烧结主体，该主体具有特有的金刚石体积分数与平均晶粒尺寸之间的关系，区别于传统压力HPHT工艺形成的金刚石结合结构中金刚石体积分数与平均晶粒尺寸之间的关系。

　　独立权利要求：1.包括金刚石主体的金刚石结合结构，所述金刚石主体包括晶间结合的金刚石的基质相，和分布在结合的金刚石之间的多个间隙区，所述金刚石主体在一个位置具有工作面，在另一个位置具有分界面，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其特征在于，所述在所述工作面处，金刚石主体具有根据以下标准之一的金刚石体积含量：金刚石体积分数大于（0.9077）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者金刚石体积分数大于（0.9187）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者金刚石体积分数大于（0.9291）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金刚石晶粒尺寸的单位为微米。

　　2.根据权利要求1所述的金刚石结合结构，其特征在于，在所述分界面处的金刚石的体积含量小于94%，且由等于或大于所述工作面的金刚石晶粒尺寸形成。

　　3.根据权利要求1所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述金刚石主体包括位于间隙区的催化剂材料，其中所述催化剂材料的体积含量在所述主体内从所述分界面至所述工作面梯度变化。

　　4.根据权利要求3所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述催化剂材料的体积含量从所述工作面至所述分界面增加。

　　5.根据权利要求3所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述金刚石主体包括附加材料，选自位于间隙区的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它们的组合。

　　6.根据权利要求5所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述附加材料的体积含量从所述工作面至所述分界面变化。

　　7.根据权利要求3所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述催化剂材料在所述工作面的体积含量约小于6%。

　　8.根据权利要求1所述的金刚石结合结构，还包括在所述分界面结合至所述金刚石主体的基底，其特征在于，所述基底选自陶瓷材料、金属材料、金属陶瓷材料、以及它们的组合。

　　9.根据权利要求1所述的金刚石结合结构，其特征在于，至少部分的金刚石主体基本不含有催化剂材料，该催化剂材料用于在高压高温条件下形成所述主体。

　　10.根据权利要求9所述的金刚石结合结构，其特征在于，从所述工作面延伸出一定深度的、所述金刚石主体的部分区域基本不含有催化剂材料。

　　11.用于钻探地下岩层的钻头，包括多个可操作地连接至钻头主体的切削元件，其特征在于，一个或多个所述切削元件包括如权利要求1所述的金刚石结合结构。

　　12.包括金刚石主体的金刚石结合结构，所述金刚石主体包括晶粒间结合的金刚石的基质相，和分布在结合的金刚石之间的多个间隙区，所述金刚石主体在一个位置具有工作面，在另一个位置具有分界面，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其特征在于，在所述工作面处，金刚石主体具有根据以下标准之一的金刚石体积含量：烧结平均金刚石晶粒尺寸为2-4微米，金刚石体积分数大于93%；或者烧结平均晶粒尺寸为4-6微米，且金刚石体积分数大于94%；或者烧结平均晶粒尺寸为6-8微米，且金刚石体积分数大于95%；或者烧结平均晶粒尺寸为8-10微米，且金刚石体积分数大于95.5%；或者烧结平均晶粒尺寸为10-12微米，且金刚石体积分数大于96%。

　　13.根据权利要求12所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述金刚石主体包括位于所述间隙区的催化剂材料，其中所述催化剂材料的体积含量在所述主体内从所述分界面至所述工作面梯度变化。

　　14.根据权利要求13所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述催化剂材料的体积含量从所述工作面至所述分界面增加。

　　15.根据权利要求12所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述金刚石主体包括附加材料，选自位于间隙区的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它们的组合。

　　16.根据权利要求15所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述附加材料的体积含量从所述工作面至所述分界面变化。

　　17.根据权利要求12所述的金刚石结合结构，其特征在于，所述催化剂材料在所述工作面的体积含量约小于6%。

　　18.根据权利要求12所述的金刚石结合结构，还包括在所述分界面结合至所述金刚石主体的基底，其特征在于，所述基底选自陶瓷材料、金属材料、金属陶瓷材料、以及它们的组合。

　　19.根据权利要求12所述的金刚石结合结构，其特征在于，至少部分的金刚石主体基本不含有催化剂材料，该催化剂材料用于在高压高温条件下形成所述主体。

　　20.根据权利要求9所述的金刚石结合结构，其特征在于，从所述工作面延伸出一定深度的、所述金刚石主体的部分区域基本不含有催化剂材料。

　　21.用于钻探地下岩层的钻头，包括多个可操作地连接至钻头主体的切削元件，其特征在于，一个或多个所述切削元件包括如权利要求12所述的金刚石结合结构。

　　22.一种金刚石结构，包括：金刚石主体，所述金刚石主体包括晶粒间结合的金刚石的基质相，和分布在结合的金刚石之间的多个间隙区，所述金刚石主体在一个位置具有工作面，在另一个位置具有分界面，催化剂材料分布在所述间隙区，其中，所述催化剂材料的体积含量在所述主体内从所述分界面至所述工作面梯度变化，其中所述金刚石主体包括位于所述间隙区的、选自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它们的组合的附加材料，其中所述催化剂材料在所述工作面的体积含量约小于7%；以及在所述分界面结合至所述金刚石主体的基底，其中所述基底选自陶瓷材料、金属材料、金属陶瓷材料、以及它们的组合。

　　23.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，所述催化剂材料的体积含量从所述工作面至所述分界面增加。

　　24.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，在所述金刚石主体内，所述附加材料的体积含量从所述工作面至所述分界面变化。

　　25.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，所述附加材料为碳化物，且所述金刚石主体内的碳化物的体积范围约为1-10%。
　　26.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其中，在所述工作面处，金刚石晶粒尺寸和金刚石体积含量满足以下标准之一：烧结平均金刚石晶粒尺寸为2-4微米，金刚石体积分数大于93%；或者烧结平均晶粒尺寸为4-6微米，且金刚石体积分数大于94%；或者烧结平均晶粒尺寸为6-8微米，且金刚石体积分数大于95%；或者烧结平均晶粒尺寸为8-10微米，且金刚石体积分数大于95.5%；或者烧结平均晶粒尺寸为10-12微米，且金刚石体积分数大于96%。

　　27.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其中在所述工作面处，金刚石主体具有根据以下标准之一的金刚石体积含量：所述金刚石体积分数大于（0.9077）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9187）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9291）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金刚石晶粒尺寸的单位为微米。

　　28.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，在所述分界面处的金刚石的体积含量小于94%，且由等于或大于所述工作面的金刚石晶粒尺寸形成。

　　29.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，催化剂材料和附加的碳化物的比率平衡，以使所述金刚石主体内的热力学稳定性最佳。

　　30.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，所述附加材料为碳化物，且催化剂材料与碳化物在所述金刚石主体内的比率范围约为6:1-1:10。

　　31.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，所述附加材料为碳化物，且催化剂材料与碳化物在所述金刚石主体内的比率范围约为3:1-1:6。

　　32.根据权利要求22所述的金刚石结构，其特征在于，所述附加材料为碳化物，且催化剂材料与碳化物在所述工作面处的比率范围约为4:1-1:4。

　　33.用于钻探地下岩层的钻头，包括主体和可操作地连接至所述主体的多个切削元件，其特征在于，至少一个所述切削元件包括如权利要求22所述的金刚石结构。

　　34.用于钻探地下岩层的钻头，包括：主体；和可操作地连接至所述主体的多个切削元件，至少一个所述切削元件包括多晶金刚石结构，该多晶金刚石结构包括：金刚石主体，包括结合在一起的金刚石晶体的基质相和分布在所述基质相内的多个分布的间隙区，所述金刚石主体在一个位置具有工作面，在另一个位置具有分界面，其中催化剂材料位于所述间隙区，催化剂材料的体积含量在所述金刚石主体内从所述分界面至所述工作面梯度减少，其中所述金刚石主体包括位于所述间隙区的、选自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它们的组合的添加材料，其中在工作面处，所述催化剂材料的体积含量约小于6%；以及在所述分界面结合至所述金刚石主体的基底，其中所述基底选自陶瓷材料、金属材料、金属陶瓷材料、以及它们的组合。

　　35.根据权利要求34所述的钻头，其特征在于，在所述主体内，金刚石的体积含量大于1.5%。

　　36.根据权利要求34所述的钻头，其特征在于，在所述主体内，金刚石的体积含量为2-6%。

　　37.根据权利要求34所述的钻头，其特征在于，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其中在所述工作面处，金刚石主体具有根据以下标准之一的金刚石体积含量：所述金刚石体积分数大于（0.9077）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9187）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9291）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金刚石晶粒尺寸的单位为微米。

　　38.根据权利要求34所述的钻头，其特征在于，在所述工作面处，所述金刚石晶粒尺寸和金刚石体积含量满足以下标准的其中之一：烧结平均金刚石晶粒尺寸为2-4微米，金刚石体积分数大于93%；或者烧结平均晶粒尺寸为4-6微米，且金刚石体积分数大于94%；或者烧结平均晶粒尺寸为6-8微米，且金刚石体积分数大于95%；或者烧结平均晶粒尺寸为8-10微米，且金刚石体积分数大于95.5%；或者烧结平均晶粒尺寸为10-12微米，且金刚石体积分数大于96%。

　　39.根据权利要求34所述的钻头，其特征在于，在临近所述工作面的、所述主体的区域基本不含有所述催化剂材料。

　　40.根据权利要求34所述的钻头，包括多个从所述主体向外伸出的刀片，其特征在于，所述切削元件连接至所述刀片。

　　41.根据权利要求34所述的钻头，包括多个从所述主体向外伸出的腿，锥体可旋转的设置在所述腿上，其特征在于，所述切削元件连接至所述锥体。

　　42.用于制备金刚石结构的方法，该方法包括步骤：在催化剂存在时，使一定体积的金刚石晶粒经受高压高温条件，以形成烧结的金刚石主体，该烧结的金刚石主体包括晶粒间结合的金刚石的基质相，和分布在所述基质相之间的多个间隙区，其中所述催化剂材料分布为所述间隙区，所述催化剂材料的体积含量在所述主体内从所述工作面至所述分界面成梯度变化；其中，所述高温高压过程大于约6200MPa；其中，在所述工作面的金刚石体积含量约大于94%。

　　43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤之前，所述金刚石体积与附加材料结合，所述附加材料选自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它们的组合。

　　44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，所述附加材料的体积含量从所述分界面至所述工作面梯度增加。

　　45.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤之前，所述金刚石体积与与催化剂粉末体积混合，其中催化剂粉末的量从所述工作面至分界面变化。

　　46.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述金刚石主体的体积含量差异约大于1.5%。

　　47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，所述金刚石主体的体积含量差异的范围约为2-6%。

　　48.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤之前，将所述金刚石体积置于包括作为成分的催化剂材料的基底附近，当所述经受步骤时，所述基底结合至所述金刚石主体。

　　49.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤之后，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其中在所述工作面处，所述金刚石晶粒尺寸和金刚石体积含量满足以下标准的其中之一：烧结平均金刚石晶粒尺寸为2-4微米，金刚石体积分数大于93%；或者烧结平均晶粒尺寸为4-6微米，且金刚石体积分数大于94%；或者烧结平均晶粒尺寸为6-8微米，且金刚石体积分数大于95%；或者烧结平均晶粒尺寸为8-10微米，且金刚石体积分数大于95.5%；或者烧结平均晶粒尺寸为10-12微米，且金刚石体积分数大于96%。

　　50.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤之后，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其中在所述工作面处，金刚石主体具有根据以下标准之一的金刚石体积含量：所述金刚石体积分数大于（0.9077）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9187）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9291）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金刚石晶粒尺寸的单位为微米。

　　51.用于制备多晶金刚石结构的方法，包括以下步骤：将一定体积的金刚石晶粒与碳化物材料结合，以形成混合物，其中在所述混合物中，碳化物材料的体积从将要成为所述结构的工作面处开始变化；
将基底材料放置在所述混合物附近的表面，该表面不是所述混合物工作面，所述混合物和基底形成一组件；使所述组件经受高压高温条件，其中在该经受步骤中，在催化剂材料的存在下，使金刚石晶粒彼此经受晶粒间的结合，以形成多晶金刚石主体，所述多晶金刚石主体在工作面具有约小于6%的催化剂含量，其中在经受步骤中，所述基底结合至所述金刚石主体。

　　52.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，金刚石主体具有梯度体积含量的催化剂材料。

　　53.根据权利要求52所述的方法，其特征在于，催化剂材料的体积含量从所述工作面至所述基底增加。

　　54.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，在所述结合步骤中，所述催化剂材料结合至金刚石晶粒体积。

　　55.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤中，所述催化剂材料从所述基底渗入所述金刚石晶粒体积。

　　56.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，在金刚石主体内，碳化物材料的体积范围约为10-70%。

　　57.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤中，至少部分的所述组件暴露在约大于6200MPa的压力下。

　　58.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤中，至少部分的所述组件暴露在约小于6200MPa的压力下。

　　59.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤后，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其中，在所述工作面处，所述金刚石晶粒尺寸和金刚石体积含量满足以下标准之一：烧结平均金刚石晶粒尺寸为2-4微米，金刚石体积分数大于93%；或者烧结平均晶粒尺寸为4-6微米，且金刚石体积分数大于94%；或者烧结平均晶粒尺寸为6-8微米，且金刚石体积分数大于95%；或者烧结平均晶粒尺寸为8-10微米，且金刚石体积分数大于95.5%；或者烧结平均晶粒尺寸为10-12微米，且金刚石体积分数大于96%。

　　60.根据权利要求51所述的方法，其特征在于，在所述经受步骤之后，所述主体的梯度金刚石体积含量约大于1.5%，其中在所述工作面，所述金刚石主体的金刚石体积含量根据以下标准之一：所述金刚石体积分数大于（0.9077）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9187）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金刚石体积分数大于（0.9291）·（平均金刚石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金刚石晶粒尺寸的单位为微米。