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　　申请号：201380042526.X
　　申请人：第六元素研磨剂股份有限公司
　　发明人：尼德雷特·卡恩 卡维施尼·耐度

　　摘要：本发明公开了一种多晶金刚石结构，其包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域。所述第一区域包括多个交替层(21)、(22)，所述第一区域中的每个或一个或多个层的厚度在约5-300微米的范围内。所述多晶金刚石(PCD)结构的金刚石含量为PCD材料体积的至多约95％，粘合剂含量为PCD材料体积的至少约5％，所述第一区域和/或第二区域中的一个或多个层包括平均金刚石晶粒接触率大于约60％且标准偏差小于约2.2％的金刚石晶粒。还公开了用于制造这种多晶金刚石结构的方法。

　　主权利要求：1.多晶金刚石结构，其包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交替层，所述第一区域中的每个或一个或多个层的厚度在约5-300微米的范围内；其中所述多晶金刚石(PCD)结构的金刚石含量为PCD材料体积的至多约95％，粘合剂含量为所述PCD材料体积的至少约5％，所述第一区域和/或所述第二区域中的一个或多个层包括平均金刚石晶粒接触率大于约60％且标准偏差小于约2.2％的金刚石晶粒。
　　2.根据权利要求1所述的PCD结构，其中所述第一区域中的每个 层的厚度在约30-300微米的范围内。
　　3.根据权利要求1所述的PCD结构，其中所述第一区域中的一个 或多个层的厚度在约30-200微米的范围内。
　　4.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第二区 域包括多个层。
　　5.根据权利要求4所述的PCD结构，其中所述第二区域中的一个 或多个层的厚度大于所述第一区域中的单独的层的厚度，其中所述第一 区域中的交替层包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应 力状态，所述第二层处于残余张应力状态；并且所述第一区域和/或第二 区域中的一个或多个所述层包括平均金刚石晶粒接触率大于约60％且标 准偏差小于约2.2％的金刚石晶粒。
　　6.根据权利要求4或5所述的多晶金刚石结构，其中所述第二区域 中的层的厚度大于约200微米。
　　7.根据权利要求4-6中任一项所述的PCD结构，其中所述第一和/ 或所述第二区域中的每个层在整个所述层中具有基本上一致的金刚石晶 粒尺寸分布。
　　8.根据权利要求4-7中任一项所述的PCD结构，其中所述第二区域 中的层包括预定平均晶粒尺寸的金刚石晶粒。
　　9.根据权利要求8所述的PCD结构，其中所述第二区域中的所述 金刚石晶粒的预定平均晶粒尺寸是所述第一区域中的金刚石晶粒的混合 物中的所述金刚石晶粒的平均晶粒尺寸中的一个。
　　10.根据权利要求4-9中任一项所述的PCD结构，其中所述第二区 域中的层包括如下中的一个或多个： 盐系统； 硼化物或Ti、V或Nb中的至少一种的金属碳化物；或 金属Pd或Ni中的至少一种。
　　11.根据权利要求4-10中任一项所述的PCD结构，其中所述PCD 结构具有纵向轴，所述第二区域中的所述层处于与所述PCD结构的纵向 轴延伸通过的平面基本上垂直的平面内。
　　12.根据权利要求4-10中任一项所述的PCD结构，其中所述PCD 结构具有纵向轴，所述第一区域和/或所述第二区域中的所述层处于与所 述PCD结构的纵向轴延伸通过的平面成一定角度的平面内。
　　13.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述交替层 包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状态，并且所 述第二层处于残余张应力状态。
　　14.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区 域包括一个或多个具有两个或多个不同平均金刚石晶粒尺寸的层。 　　　　　
　　15.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区 域包括一个或多个具有三个或多个不同平均金刚石晶粒尺寸的层。 　　　　　　　　　　　　　　　　
　　16.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区 域包括在使用中形成所述PCD结构的初始工作表面的外部工作表面。
　　17.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第二区 域的厚度大于所述第一区域中的单独的层的厚度。
　　18.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述交替层 包括与第二层交替的第一层，所述第一层包括金刚石晶粒，且所述第二 层包括金刚石晶粒。
　　19.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中每个层由TRS 为至少1000MPa的一个或多个各自的PCD等级形成；相邻层中的PCD 等级具有不同的热膨胀系数(CTE)。
　　20.根据权利要求19所述的PCD结构，其中所述层的一个或多个 包括CTE为至少3×10-6mm/℃的PCD等级。
　　21.根据权利要求1-18中任一项所述的PCD结构，其中所述交替层 包括与第二层交替的第一层，所述第一层包括具有三个或更多个不同平 均金刚石晶粒尺寸的金刚石晶粒混合物，并且所述第二层由具有相同的 三个或更多个平均金刚石晶粒尺寸的金刚石晶粒混合物形成，其中所述 第一区域中的所述第一层与来自所述第一区域中的第二层的所述混合物 中的金刚石晶粒具有不同尺寸比。
　　22.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述交替层 包括与第二层交替的第一层，所述第一层包括具有第一平均晶粒尺寸的 金刚石晶粒混合物，并且所述第二层包括具有第二平均晶粒尺寸的金刚 石晶粒混合物。
　　23.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区 域中的层包括如下中的一个或多个： 盐系统； 硼化物或Ti、V或Nb中的至少一种的金属碳化物；或 金属Pd或Ni中的至少一种。
　　24.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述PCD 结构具有纵向轴，所述第一区域中的所述层处于与所述PCD结构的纵向 轴延伸通过的平面基本上垂直的平面内。
　　25.根据权利要求1-23中任一项所述的PCD结构，其中所述PCD 结构具有纵向轴，所述第一区域和/或所述第二区域中的层处于与所述 PCD结构的纵向轴延伸通过的平面成一定角度的平面内。
　　26.根据权利要求1-24中任一项所述的PCD结构，其中所述层基本 上是平面的、弯曲的、弓形的或圆顶形的。
　　27.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区 域的体积大于所述第二区域的体积。
　　28.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中一个或多个 所述层与所述PCD结构的工作表面或侧表面相交。
　　29.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述第一区 域的至少一部分基本上没有用于金刚石的催化剂材料，所述部分形成热 稳定区域。
　　30.根据权利要求29所述的PCD结构，其中所述热稳定区域从所 述PCD结构的表面延伸至少50微米的深度。
　　31.根据权利要求29或30所述的PCD结构，其中所述热稳定区域 包括至多2重量％的用于金刚石的催化剂材料。
　　32.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述粘合料 包含至少12体积％的PCD材料。
　　33.根据前述权利要求中任一项所述的PCD结构，其中所述多晶金 刚石材料的金刚石含量为所述多晶金刚石材料体积的至少80％，且至多 88％。
　　34.PCD复合片或构造，其包括前述权利要求中任一项所述的PCD 结构。
　　35.耐磨元件，其包括前述权利要求中任一项所述的PCD结构。
　　36.用于地壳钻探的旋转剪切钻头或者用于冲击钻头的PCD元件， 所述PCD元件包括结合至烧结碳化物支承体的前述权利要求中任一项所 述的PCD结构。
　　37.用于地壳钻探的钻头或钻头部件，其包括如权利要求36所述的 PCD元件。
　　38.一种制造多晶金刚石(PCD)结构的方法，包括： 提供第一部分的金刚石颗粒或晶粒和烧结添加剂，所述烧结添加剂 包含纳米尺寸的颗粒或晶粒的碳源，并使所述金刚石颗粒和烧结添加剂 形成第一聚集体， 提供第二部分的金刚石颗粒或晶粒，并使之形成第二聚集体； 合并第一聚集体和粘合料，通常为用于金刚石的催化剂材料，以及 第二聚集体，以形成由所述第一聚集体和所述第二聚集体的多个交替层 形成的生坯； 使所述生坯在金刚石比石墨热力学上更稳定的压力和温度条件下经 历足以耗尽所述烧结添加剂的时间，使其烧结，并形成多晶金刚石材料 本体，所述多晶金刚石材料本体是： 热力学和晶体学稳定的， 基本没有任何纳米结构，所述多晶金刚石(PCD)材料本体的金刚 石含量为PCD材料体积的至多约95％，粘合剂含量为PCD材料体积的 至少约5％， 烧结步骤还包括形成多晶金刚石材料本体，所述多晶金刚石材料本 体包括第一区域和与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域通过 金刚石晶粒的交互生长结合至所述第一区域；所述第一区域包括多个交 替层，每个层的厚度在约5-300微米的范围内；其中所述第一区域中的 所述交替层包括与第二层交替的第一层，所述第一层处于残余压应力状 态，所述第二层处于残余张应力状态；并且，其中所述第一区域和/或第 二区域中的一个或多个所述层包括平均金刚石晶粒接触率大于约60％且 标准偏差小于约2.2％的金刚石晶粒。
　　39.根据权利要求38所述的方法，其中所述方法包括使所述生坯经 受约6.0Gpa或更高的压力和约1350℃或更高的温度。
　　40.根据权利要求38或39所述的方法，其中将所述PCD材料烧结 2分钟至60分钟。
　　41.根据权利要求38-40中任一项所述的方法，其中在与所述烧结添 加剂或粘合料接触前，所述金刚石颗粒或晶粒的平均颗粒或晶粒尺寸范 围为约0.1微米至约50微米。
　　42.根据权利要求38-41中任一项所述的方法，其中所述烧结添加剂 是选自石墨、炭黑、焦炭、碳阴离子和富勒烯的纳米尺寸碳源。 　　
　　43.根据权利要求38-41中任一项所述的方法，其中所述烧结添加剂 是纳米金刚石。
　　44.根据权利要求43所述的方法，其中所述纳米金刚石是UDD、 PDD或碎源纳米金刚石。
　　45.根据权利要求38-44中任一项所述的方法，其中所述烧结添加剂 为约0.01至约5wt％，或约0.5至约1wt％，或高达约50wt％。
　　46.根据权利要求38-45中任一项所述的方法，其中所述粘合料是 Ni、Pd、Mn或Fe或这些金属催化剂与这些催化剂中的一种或另一种和/ 或与Co的组合。
　　47.根据权利要求38-44中任一项所述的方法，其中在与所述烧结添 加剂或粘合料接触前，所述金刚石颗粒或晶粒的平均颗粒或晶粒尺寸为 约0.1微米至约50微米，约0.2微米至约10微米，或约0.9微米至约2 微米。
　　48.PCD结构，其基本上如以上参照附图中所示的实施方案的任一 实施方案所述。
　　49.形成PCD结构的方法，其基本上如以上参照附图中所示的实施 方案的任一实施方案所述。