Режущий элемент, способ его формирования и инструмент для бурения подземных пород
Группа изобретений относится к режущему элементу, способу его формирования и инструменту для бурения подземных пород. Технический результат заключается в снижении повреждений и дефектов в режущем элементе. Режущий элемент включает несущую подложку и поликристаллический элемент, прикрепленный к торцу несущей подложки и имеющий первую область, примыкающую к торцу несущей подложки; другую область, по меньшей мере в основном ограничивающую сбоку первую область и имеющую проницаемость меньше, чем у первой области; и дополнительную область, примыкающую к верху продольных границ первой области и другой области и имеющую проницаемость, отличающуюся от проницаемости другой области. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
Притязания на приоритет
Настоящая заявка претендует на приоритет предварительной патентной заявки №US 13/953307, поданной 29 июля 2013 г. на "Режущие элементы, соответствующие способы формирования режущего элемента и соответствующие инструменты для бурения подземных пород".
Область техники
Варианты выполнения настоящего изобретения относятся к режущим элементам, соответствующим способам формирования режущего элемента и соответствующим инструментам для бурения подземных пород (буровому инструменту).
Уровень техники
Буровой инструмент для формирования стволов скважин в подземных породах может включать большое число режущих элементов, прикрепленных к корпусу. Например, долота для роторного бурения с фиксированными резцами (также называемые "лопастными долотами") включают большое число режущих элементов, неподвижно прикрепленных к корпусу бурового долота. Аналогично, шарошечные долота роторного бурения могут включать шарошки, установленные на шейках оси опорного подшипника, отходящих от лап корпуса долота так, что каждая шарошка может вращаться вокруг шейки оси подшипника, на которой она установлена. На каждой шарошке бурового долота может быть установлено несколько режущих элементов. Буровой инструмент другого типа, в котором используются режущие элементы, включает, например, колонковые долота, долота со смещенным центром, эксцентричные долота, гибридные долота (например, имеющие вращающиеся компоненты в комбинации с фиксированными режущими элементами), разбуриватели и фрезерный инструмент для обсадных труб.
Режущие элементы, используемые в таком буровом инструменте, часто включают некоторый массив поликристаллического алмазного (ПКА) материала на подложке. Поверхности поликристаллического алмаза служат режущими гранями режущих элементов на основе так называемых элементов из поликристаллического алмаза (ПКА элементов). Поликристаллический алмазный материал представляет собой материал, включающий скрепленные друг с другом зерна или кристаллы алмазного материала. Другими словами, поликристаллический алмазный материал характеризуется прямыми межкристаллическими связями между зернами или кристаллами материала алмаза. Термины "зерно" и "кристалл" используются здесь как синонимы и взаимозаменяемы.
ПКА режущие элементы обычно формируются спеканием и скреплением друг с другом относительно мелких алмазных (синтетических, природных или комбинированных) зерен, называемых "крошкой", в условиях воздействия высоких температур и высоких давлений в присутствии катализатора (например, кобальта, железа, никеля или их сплавов и смесей) для формирования слоя (например, "элемента" или "пластинки") поликристаллического алмазного материала. Эти процессы часто называют процессами "высокая температура/высокое давление" (или ВТВД процессы). Несущая подложка может включать металлокерамический материал (композитный металлокерамический материал - кермет), например, карбид вольфрама, цементированный кобальтом. В некоторых случаях, ПКА материал может быть сформирован на режущем элементе, например в ходе ВТВД процесса. В таких случаях, каталитический материал (например, кобальт), находящийся в несущей подложке, может быть в процессе спекания перенесен в алмазные зерна, и может служить катализатором формирования алмазной пластинки из алмазных зерен. Порошковый каталитический материал также может быть смешан с алмазными зернами перед спеканием зерен в ходе ВТВД процесса. В других технологиях, алмазная пластинка может быть сформирована отдельно от несущей подложки и затем прикреплена к ней.
При формировании алмазной пластинки с использованием ВТВД процесса, каталитический материал может остаться в межкристаллических промежутках между связанными друг с другом зернами ПКА элемента. Присутствие каталитического материала в ПКА элементе может способствовать термическому повреждению ПКА элементе при нагревании ПКА режущего элемента в процессе использования, из-за трения в точке касания режущего элемента с породой. Соответственно, каталитический материал (например, кобальт) может быть удален выщелачиванием из межкристаллических промежутков с использованием, например, кислоты или смеси кислот (например, царской водки). Из ПКА элемента может быть удален по существу весь каталитический материал, либо каталитический материал может быть удален на заданную глубину только из его части, например, из режущей грани ПКА элемента, из боковой поверхности, или обеих. Интенсивность и однородность выщелачивания могут по меньшей мере частично зависеть от проницаемости ПКА элемента для выщелачивателя. На проницаемость ПКА элемента может влиять пористость и длина среднего свободного пробега в ПКА элементе, которые, в свою очередь, определяются средним размером зерен и их распределением внутри ПКА элемента. При выщелачивании ПКА элемента, имеющего много слоев или областей, в крупнозернистых слоях или областях выщелачивание происходит быстрее, чем в слоях и областях с мелкозернистой структурой. К сожалению, подобное ускоренное выщелачивание может привести к неоднородности глубины выщелачивания внутри ПКА элемента, а также к получению бракованных режущих элементов из-за нежелательного удаления каталитического материала из несущей подложки, прикрепленной к ПКА элементу.
Раскрытие изобретения
Описанные в настоящем раскрытии варианты выполнения включают режущие элементы, способы формирования режущего элемента и инструмент для бурения подземных пород (буровой инструмент).
Предлагаемый в изобретении режущий элемент включает несущую подложку и прикрепленный к ее торцу поликристаллический элемент. Поликристаллический элемент включает: некоторую (первую) область, прилегающую к торцу/концу несущей подложки; другую область, по меньшей мере частично ограничивающую сбоку первую область и имеющую проницаемость меньше, чем у первой области; и дополнительную область, примыкающую к верху продольных границ первой области и другой области и имеющую проницаемость, отличающуюся от проницаемости другой области.
При осуществлении предлагаемого способа формирования режущего элемента в контейнер помещают некоторое (первое) множество частиц, содержащих твердый материал. В контейнер помещают другое множество частиц на первое множеством частиц. И помещают в контейнер дополнительное множество частиц на другое множество частиц и смежно продольным границам другого множества частиц, причем дополнительное множество частиц имеет проницаемость, отличающуюся от проницаемости первого множества частиц и менее проницаемости другого множества частиц. Помещают в контейнер несущую подложку на другое множество частиц и дополнительное множество частиц. Спекают первое множество частиц, другое множество частиц и дополнительное множество частиц в присутствии каталитического материала, для формирования поликристаллического элемента, включающего первую область, прилегающую к торцу несущей подложки, другую область, по меньшей мере частично ограничивающую сбоку первую область и имеющую меньшую проницаемость, чем первая область, и дополнительную область, примыкающую к верху продольных границ первой области и другой области и имеющую проницаемость, отличающуюся от проницаемости другой области. И удаляют по меньшей мере часть каталитического материала из поликристаллического элемента.
Предлагаемый инструмент для бурения подземных пород снабжен по меньшей мере одним выше описанным режущим элементом. Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен перспективный вид режущего элемента с частичным разрезом, в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 2 представлен перспективный вид режущего элемента с частичным разрезом, в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 3 представлен перспективный вид режущего элемента с частичным разрезом, в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 4 представлен упрощенный вид сечения, иллюстрирующий микроструктуру некоторой области поликристаллического элемента режущего элемента, показанного на любой из фиг. 1-3, как она может выглядеть под микроскопом;
на фиг. 5 представлен упрощенный вид сечения, иллюстрирующий микроструктуру другой области поликристаллического элемента режущего элемента, показанного на любой из фиг. 1-3, как она может выглядеть под микроскопом;
на фиг. 6 представлен упрощенный вид сечения контейнера, используемого в процессе формирования режущего элемента, в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
на фиг. 7 представлен упрощенный вид сечения контейнера, используемого в процессе формирования режущего элемента, в соответствии с вариантом выполнения изобретения; и
на фиг. 8 представлен перспективный вид варианта выполнения долота для роторного бурения подземных пород с фиксированными резцами, включающего режущий элемент в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Приводится описание режущих элементов для использования в инструменте для бурения подземных пород (буровом инструменте), а также способов формирования режущих элементов, и бурового инструмента. В некоторых вариантах выполнения, режущий элемент включает поликристаллический элемент, прикрепленный к торцу несущей подложки. Поликристаллический элемент включает первую область, проходящую от несущей подложки и ограничивающую сбоку вторую область. Первая область поликристаллического элемента имеет пониженную проницаемость по сравнению со второй областью поликристаллического элемента. В процессе выщелачивания, за счет геометрии конструкции (например, формы) и характеристик проницаемости первой области, может достигаться лучшая однородность интенсивности выщелачивания и глубины выщелачивания, по сравнению со многими обычными поликристаллическими элементами, в результате чего сокращается вероятность повреждения и появления дефектов режущего элемента, снижаются отходы производства и улучшаются рабочие характеристики и надежность по сравнению с со многими обычными режущими элементами и инструментами.
В следующем далее описании приводятся конкретные детали, например, виды материалов и технологические условия, что позволяет подробно описать варианты выполнения изобретения. Для специалиста, однако, должно быть понятно, что варианты выполнения могут быть осуществлены и без учета этих конкретных деталей. Действительно, варианты выполнения изобретения могут быть осуществлены с использованием обычных технологий изготовления, применяемых в промышленности. Кроме того, в приведенном ниже описании не формулируется вся последовательность технологического процесса изготовления конструкции (например, режущего элемента), инструмента или узла в сборе. Ниже подробно описываются только те операции процесса и конструкции, которые необходимы для понимания вариантов выполнения изобретения. Дополнительные операции для формирования законченной конструкции, законченного инструмента или законченного узла в сборе из различных структур могут быть выполнены по обычным технологиям изготовления. Кроме того, следует отметить, что все чертежи, сопровождающие настоящую заявку, выполняют только иллюстративную функцию, и поэтому в них не соблюдается масштаб изображения. Далее, элементы, общие для нескольких чертежей, имеют одинаковые цифровые обозначения.
В настоящем описании, термины "имеющий", "включающий", "содержащий" и их грамматические эквиваленты представляют собой инклюзивные, или открытые, термины, не исключающие дополнительные, не упомянутые элементы или шаги способов, но также и включающие более ограничивающие термины "состоящий из" и "в основном состоящий из" и их грамматические эквиваленты. В настоящем описании, термин "может" в отношении материала, конструкции, элемента или операции в способе показывает, что они рассматриваются для использования при осуществлении варианта выполнения изобретения, и использование этого термина предпочтительнее, чем использование более ограничивающего термина "является", с тем, чтобы избежать каких-либо выводов о том, что другие, сравнимые материалы, конструкции, элементы или способы, которые могли бы быть использованы вместе с ними, следовало бы исключить или они должны быть исключены.
В настоящем описании предполагается, что формы единственного числа, обозначаемые неопределенным и определенным артиклями, включают также и формы множественного, если контекст с очевидностью не указывает иначе.
В настоящем описании, выражение "и (или)" включает любую или все комбинации одного или более из перечисленных ассоциированных элементов.
В настоящем описании, термины, обозначающие соотношения, например, "первый", "второй", "верх", "низ", "верхний", "нижний", "над", "под" и т.д. используются для ясности и удобства понимания раскрытия и приложенных чертежей, и не означают, или не зависят от какого-либо конкретного предпочтения, ориентации или порядка, если контекст с очевидностью не указывает иначе.
В настоящем описании, термин "в основном" в отношении данного параметра, свойства или условия, означает, в известной степени, что специалисту было бы понятно, что данный параметр, свойство или условие выполняются с небольшой степенью изменчивости, например, с приемлемой точностью изготовления.
В настоящем описании, термин "имеющий конфигурацию" относится к форме, составу материала и расположению одной или более из по меньшей мере одной конструкции.
В настоящем описании, термин "выполненный с возможностью" относится к по меньшей мере одному устройству, обеспечивающему работу одной или более конструкции или установки заданным или предполагаемым образом.
В настоящем описании, термины "инструмент для бурения подземных пород" и "долото для бурения подземных пород" означают и включают долото или инструмент любого типа, используемый для бурения при формировании или расширении ствола скважины в подземной породе, включая, например, долота с фиксированными резцами, шарошечные долота, ударные долота, колонковые долота, эксцентричные долота, долота со смещенным центром, разбуриватели, фрезы, лопастные долота, гибридные долота (например, имеющие вращающиеся компоненты в комбинации с фиксированными режущими элементами) и другие буровые долота и инструмент, известные в уровне техники.
В настоящем описании, термин "поликристаллический элемент" означает и включает любую структуру, содержащую поликристаллический материал, сформированный процессом, включающим воздействие давлением (например, прессование) на исходный материал или материалы, используемые для формирования поликристаллического материала. В свою очередь, в настоящем описании, термин "поликристаллический материал" означает и включает любой материал, содержащий множество зерен или кристаллов материала, скрепленных непосредственно друг с другом межкристаллическими связями. Кристаллические структуры отдельных зерен материала могут иметь беспорядочную пространственную ориентацию внутри поликристаллического материала.
В настоящем описании, термин "межкристаллическая связь" означает и включает любую прямую межатомную связь (например, ковалентную, металлическую и др.) между атомами в соседних зернах твердого материала.
В настоящем описании, термин "твердый материал" означает и включает любой материал, имеющий твердость по Кнупу более или равную 3000 кгс/мм2 (29420 МПа) или более. Частными примерами твердого материала могут служить алмаз (например, природный алмаз, синтетический алмаз, или их комбинации) или кубический нитрид бора. И напротив, в настоящем описании термин "не твердый материал" означает и включает любой материал имеющий твердость по Кнупу менее примерно 3000 кгс/мм2 (29420 МПа).
В настоящем описании, термин "размер зерна" означает и включает средний геометрический размер зерна, измеренный в плоском сечении массива материала. Средний геометрический диаметр для группы частиц может быть определен известными методами, например, описанными на страницах 103-105 работы Quantitative Stereology, Ervin Е.Underwood, Издательство Аддисон-Уэсли Паблишинг компании инк., 1970.
В настоящем описании, термин "каталитический материал" означает и включает любой материал, способный существенно ускорить формирование межкристаллических связей между зернами твердого материала в ходе ВТВД процесса, но по меньшей мере, способствующий деградации межкристаллических связей и зернистого материала под влиянием высоких температур, давлений и других условий, встречающихся при проведении буровых работ при формировании ствола скважины в подземной породе. Например, каталитический материал для алмаза включает кобальт, железо, никель, другие элементы Группы VIIIA Периодической таблицы элементов, и их сплавы.
Используемый в настоящем описании термин "неспеченный (зеленый)" означает неспеченную конструкцию. Соответственно, в настоящем описании "неспеченная" структура или область означает и включает неспеченную структуру или область, содержащую множество дискретных частиц, которые могут быть скреплены связующим материалом. Неспеченная структура обладает размером и формой, которые позволяют сформировать из этой структуры части или компоненты, пригодные для применения в буровых работах, используя последующий технологический процесс, включающий, помимо прочего, механическую обработку и прессование.
Термин "спекание", используемый здесь, означает термический перенос вещества, который может включать уплотнение и (или) укрупнение порошкового компонента, обычно включающее удаление по меньшей мере части пор между исходными частицами (сопровождаемое усадкой) вместе со срастанием и скреплением между собой соседних частиц.
На фиг. 1 показан режущий элемент 100, в соответствии с описанными в настоящем раскрытии вариантами выполнения. Режущий элемент 100 включает поликристаллический элемент 102, прикрепленный к несущей подложке 104 по поверхности 106 контакта. В других вариантах выполнения, поликристаллический элемент 102 может быть сформирован и (или) использоваться без несущей подложки 104. Как показано на фиг. 1, режущий элемент 100 может иметь цилиндрическую или дискообразную форму. В других вариантах выполнения, режущий элемент 100 может иметь другую форму, например, куполовидную, коническую или остроконечную.
Несущая подложка 104 может иметь первую торцевую поверхность 114, вторую торцевую поверхность 116 и в целом цилиндрическую боковую поверхность 118, проходящую между первой торцевой поверхностью 114 и второй торцевой поверхностью 116. Как показано на фиг. 1, первая торцевая поверхность 114 и вторая торцевая поверхность 116 могут быть по существу плоскими. В других вариантах выполнения, первая торцевая поверхность 114 и (или) вторая торцевая поверхность 116 (а, значит, и поверхность 106 контакта между несущей подложкой 104 и поликристаллическим элементом 102) может быть неплоской. Кроме того, как показано на фиг. 1, несущая подложка 104 может иметь в основном цилиндрическую форму. В других вариантах выполнения, несущая подложка 104 может иметь другую форму, например, куполовидную, коническую или остроконечную.
Несущая подложка 104 может быть выполнена из материала, обладающего относительно высокой твердостью и износостойкостью, или включать такой материал. В частном примере, несущая подложка 104 может быть сформирована из металлокерамического композитного материала (часто называемого "керметом") или включать такой материал. В некоторых вариантах выполнения, несущая подложка 104 сформирована из цементированного карбидного материала, например, цементированного карбида вольфрама, или включает такой материал. В цементированном карбиде вольфрама частицы карбида вольфрама скреплены в металлическом связующем материале. В настоящем описании, термин "карбид вольфрама" означает и включает любой состав материала, содержащий химические соединения вольфрама и углерода, например, WC, W2C и комбинации WC и W2C. Карбид вольфрама включает, например, литой карбид вольфрама, спеченный карбид вольфрама и макрокристаллический карбид вольфрама. Металлическим связующим материалом может быть, например, каталитический материал, например, кобальт, никель, железо или их сплавы и смеси. По меньшей мере в некоторых вариантах выполнения, несущая подложка 104 сформирована из карбида вольфрама, цементированного кобальтом, и включает такой материал.
Поликристаллический элемент 102 может быть расположен на, или поверх, второй торцевой поверхности 116 несущей подложки 104. Поликристаллический элемент 102 включает по меньшей мере одну боковую поверхность 120 (также называемую боковой стенкой поликристаллического элемента 102) и режущую грань 108 (также называемую лицевой поверхностью поликристаллического элемента 102), расположенную с противоположной стороны от торцевой поверхности 116 несущей подложки 104. Поликристаллический элемент 102 может также включать наклонную кромку (фаску) 112 по краю режущей грани 108. Фаска 112, показанная на фиг. 1, имеет единственную наклонную поверхность, хотя, как известно, фаска 112 также может иметь дополнительные наклонные поверхности, которые могут быть ориентированы под углами скоса, отличающимися от углов фаски 112. Кроме того, вместо фаски 112, одна или более кромок поликристаллического элемента 102 может быть скруглена или представлять собой комбинацию по меньшей мере одной наклонной поверхности и по меньшей мере одной сводчатой поверхности. Как показано на фиг. 1, боковая поверхность 120 поликристаллического элемента 102 может быть в целом копланарна с боковой поверхностью 118 несущей подложки 104, а режущая грань 108 поликристаллического элемента 102 может проходить параллельно первой торцевой поверхности 114 несущей подложки 104. Соответственно, поликристаллический элемент 102 может иметь цилиндрическую или дискообразную форму. В других вариантах выполнения, поликристаллический элемент 102 может иметь и другую форму, например, куполообразную, коническую или остроугольную. Толщина поликристаллического элемента 102 может составлять примерно от 1 миллиметра (мм) до 4 мм, например, примерно от 1,5 до 3,0 мм, В некоторых вариантах выполнения, поликристаллический элемент 102 имеет толщину в интервале примерно от 1,8 до 2,2 мм.
Поликристаллический элемент 102 может быть сформирован из ПКА материала и включать его. ПКА материал может содержать примерно семьдесят процентов (70%) или более от объема поликристаллического элемента 102, например, примерно восемьдесят процентов (80%) или более от объема поликристаллического элемента 102, или примерно девяносто процентов (90%) или более от объема поликристаллического элемента 102. ПКА материал может включать зерна или кристаллы алмаза (например, природный алмаз, синтетический алмаз или их комбинацию), скрепленные друг с другом для формирования поликристаллического элемента 102, как это более подробно будет описано ниже. Межкристаллические промежутки или области между зернами алмаза могут быть заполнены дополнительными материалами, либо могут быть по меньшей мере частично свободны от дополнительных материалов, как также будет более подробно описано ниже. В других вариантах выполнения, поликристаллический элемент 102 может быть сформирован из другого поликристаллического материала, например, поликристаллического кубического нитрида бора, нитридов углерода и других известных твердых материалов и включать такие материалы.
Как также показано на фиг. 1, поликристаллический элемент 102 включает несколько областей 110. Например, как показано на фиг. 1, поликристаллический элемент 102 может включать первую область 110А и вторую область 110В. Первая область 110А может располагаться внутри от режущей грани 108 и боковой поверхности 120 поликристаллического элемента 102. Кольцевое расширение 122 первой области 110А может проходить к несущей подложке 104 по боковой границе поликристаллического элемента 102. В некоторых вариантах выполнения, кольцевое расширение 122 может упираться в несущую подложку 104 по одной или более части (-ям) поверхности 106 контакта. Первая область 110А может по меньшей мере частично окружать вторую область 110В. В свою очередь, вторая область 110 В может быть расположена между по меньшей мере частью первой области 110А и несущей подложкой 104. Как показано на фиг. 1, первая область 110А может в основном ограничивать верхнюю и боковую (например, радиально внешнюю) части второй области 110В. Соответственно, в некоторых вариантах выполнения, вторая область 110В может не доходить (например, выступать вбок, и (или) в продольном направлении) до наружной поверхности (например, режущей грани 108, фаски 112 и боковой поверхности 120) поликристаллического элемента 102. В других вариантах выполнения, сегмент или часть второй области 110В могут быть расположены между по меньшей мере частью кольцевого расширения 122 первой области 110A и несущей подложкой 104. Сегмент второй области 110В может проходить до боковой поверхности 120 поликристаллического элемента 102. Как показано на фиг. 1, поверхности контакта между смежными областями (например, первой областью 110A и второй областью 110В) из нескольких областей 110 могут быть в целом плоскими. В других вариантах выполнения, одна или более поверхностей контакта между смежными областями из нескольких областей 110 могут быть и неплоскими.
Как показано на фиг. 2, иллюстрирующей другие варианты выполнения, поликристаллический элемент 102 может иметь другую конфигурацию первой области 110А и второй области 110В. Например, на фиг. 2 показано, что первая область 110А может проходить внутрь от боковой поверхности 120 поликристаллического элемента 102, но в основном не проходить внутрь от режущей грани 108 поликристаллического элемента 102. Первая область 110А может в основном ограничивать в радиальном, или боковом, направлении внешние части второй области 110В, но может не закрывать целиком верхнюю часть второй области 110В. Соответственно, вторая область 110В может проходить от по меньшей мере части режущей грани 108 поликристаллического элемента 102 и формировать ее. Как показано на фиг. 2, вторая область 110 В может целиком формировать режущую грань 108 поликристаллического элемента 102, а первая область 110А может целиком формировать боковую поверхность 120 и фаску 112 поликристаллического элемента 102. В других вариантах выполнения, вторая область 110В может формировать целиком режущую грань 108 и фаску 112 поликристаллического элемента 102, а первая область 110А может формировать по меньшей мере часть боковой поверхности 120 поликристаллического элемента 102. Первая область 110А может, например, упираться в несущую подложку 104, и может проходить от нее до фаски 112 поликристаллического элемента 102, или заканчиваться ниже нее. В других вариантах выполнения, вторая область 110 В может формировать часть режущей грани 108 поликристаллического элемента 102, а первая область 110А может формировать всю боковую поверхность 120 и фаску 112 поликристаллического элемента 102, и также формировать другую часть режущей грани 108 поликристаллического элемента 102. Как показано на фиг. 2, поверхности контакта между смежными областями (например, между первой областью 110А и второй областью 110В) из нескольких областей 110 могут быть в целом плоскими. В других вариантах выполнения, одна или более поверхностей контакта между смежными областями из нескольких областей 110 могут быть и неплоскими.
Как показано на фиг. 3, в других вариантах выполнения поликристаллический элемент 102 может включать дополнительные области. Например, как показано на фиг. 3, поликристаллический элемент 102 может включать первую область 110А, вторую область 110В и третью область 110С. Третья область 110С может проходить внутрь от режущей грани 108 поликристаллического элемента 102, а первая область 110А может проходить внутрь от боковой поверхности 120 поликристаллического элемента 102. Третья область 110С и первая область 110А могут по меньшей мере частично окружать вторую область 110В. Например, третья область 110С может покрывать верхние части первой области 110А и вторую область 110В, а первая область 110А может ограничивать в радиальном направлении, или сбоку, внешние части второй области 110В. Как показано на фиг. 3, третья область 110С может формировать всю режущую грань 108 и фаску 112 поликристаллического элемента 102, а первая область 110А может формировать по меньшей мере часть боковой поверхности 120 поликристаллического элемента 102. Первая область 110А может, например, упираться в несущую поверхность 104 и проходить от нее к фаске 112 поликристаллического элемента 102 или заканчиваться ниже фаски 112. В других вариантах выполнения, третья область 110С может формировать не полную поверхность по меньшей мере режущей грани 108 или фаски 112 поликристаллического элемента 102. Например, третья область 110С может закрывать вторую область 110В и может быть в радиальном направлении, или сбоку, ограничена первой областью 110А так, что первая область 110А будет проходить до режущей грани 108 поликристаллического элемента 102. В других вариантах выполнения, по меньшей мере часть третьей области 110С может ограничивать по меньшей мере часть находящихся по радиусу снаружи, или сбоку, частей по меньшей мере первой области 110А или второй области 110В. Как показано на фиг. 3, поверхности контакта между смежными областями (например, между первой областью 110А и второй областью 110В, между первой областью 110А и третьей областью 110С, между второй областью 110В и третьей областью 110С и т.д.) среди нескольких областей 110 могут быть в целом плоскими. В других вариантах выполнения, одна или более поверхностей контакта между смежными областями среди нескольких областей 110 могут быть неплоскими.
В вариантах выполнения, показанных на фиг. 1-3, проницаемость по меньшей мере одной области из нескольких областей 110 поликристаллического элемента 102 отличается от проницаемости по меньшей мере одной другой области поликристаллического элемента 102. В частном примере, первая область 110А в каждом из вариантов выполнения, изображенных на фиг. 1-3, может обладать пониженной или уменьшенной проницаемостью по сравнению с проницаемостью второй области 110В. Снижением проницаемости по меньшей мере одной области из нескольких областей 110 (например, первой области 110А) относительно по меньшей мере одной другой области из нескольких областей 110 (например, второй области 110В) можно по меньшей частично управлять средним размером зерна и распределением зерен внутри каждой из разных областей из нескольких областей 110, как это будет подробно описано ниже. Различие в проницаемости разных областей из нескольких областей 110, в сочетании с описанными выше особенностями конфигурации поликристаллического элемента 102 (например, первой области 110А, окружающей по меньшей мере по радиусу, или сбоку, внешние части второй области 110В вблизи несущей подложки 104), может способствовать удалению материала (например, каталитического материала) из по меньшей мере первой области 110А и второй области 110В в основном с одинаковой интенсивностью (например, в основном постоянной интенсивностью), благодаря чему можно снизить повреждения и дефекты в режущем элементе 100.
На приведенном на фиг. 4 увеличенном изображении показано, как микроструктура первой области 110А, представленной на фиг. 1-3, может выглядеть под микроскопом. Первая область 110А включает рассредоточенные и скрепленные друг с другом зерна 124, образующие пространственную решетку поликристаллического материала. Зерна 124 могут характеризоваться многомодовым распределением размера зерен. Например, как показано на фиг. 4, первая область 110А может включать более крупные зерна 126 и более мелкие зерна 128. В других вариантах выполнения, зерна 124 могут характеризоваться одномодовым распределением размера зерен (например, зерна 128 меньшего размера могут отсутствовать). Прямые межкристаллические связи между более крупными зернами 126 и мелкими зернами 128 представлены на фиг. 4 пунктирными линиями 130. Более крупные зерна 126 могут быть сформированы из твердого материала и могут включать такой материал. Более крупные зерна 126 могут характеризоваться монодисперсностью, когда все крупные зерна 126 имеют в основном одинаковый размер, либо могут характеризоваться полидисперсностью, когда размеры этих зерен лежат в некотором интервале и характеризуются средним значением. Зерна 128 меньшего размера могут быть сформированы из по меньшей мере твердого или нетвердого материала и включать такой материал. Зерна 128 меньшего размера могут быть монодисперсными, когда все они имеют в основном одинаковый размер, либо могут быть полидисперсными, когда размеры этих зерен лежат в некотором интервале и характеризуются средним значением. Первая область 110A может включать примерно от 0,01% до 99% по объему или весу зерна 128 меньшего размера, например, от примерно 0,01 до 50 об. % зерен 128 меньшего размера, или от 0,1 до примерно 10 масс. % зерен 128 меньшего размера.
Между скрепленными друг с другом зернами 126 большего размера и зернами 128 меньшего размера первой области 110А имеются межкристаллические промежутки 132 (на фиг. 4 закрашены черным). Межкристаллические промежутки 132 могут быть по меньшей мере частично заполнены твердым веществом, например, по меньшей мере каталитическим или безуглеродистым материалом. В по меньшей мере некоторых вариантах выполнения, твердое вещество межкристаллических промежутков 132 может изменяться по толщине первой области 110А. Например, межкристаллические промежутки 132 вблизи поверхности 106 контакта (фиг. 1-3) несущей подложки 104 и поликристаллического элемента 102 (фиг. 1-3) могут быть заполнены первым твердым веществом (например, каталитическим материалом), а межкристаллические промежутки 132 вблизи боковых или открытых поверхностей поликристаллического элемента 102, например, режущей грани 108 и (или) боковой поверхности 120 (фиг. 1-3) могут быть заполнены вторым твердым веществом (например, инертным сплошным материалом заполнителя). По меньшей мере некоторые из межкристаллических промежутков 132 могут быть заполнены смесью первого твердого вещества и второго твердого вещества. В других вариантах выполнения, по меньшей мере некоторые из межкристаллических промежутков 132 могут содержать внутри первой области 110А незаполненные полости, в которых отсутствует твердое или жидкое вещество (хотя газ, например воздух, может присутствовать в этих полостях). Такие незаполненные полости могут быть сформированы путем удаления (например, выщелачивания) твердого вещества из межкристаллических промежутков 132 после формирования поликристаллического элемента 102, как это будет подробно описано ниже. Например, каталитический материал может быть удален выщелачиванием из межкристаллических промежутков 132 первой области 110А до глубины меньшей, чем глубина поверхности контакта между первой областью 110А и второй областью 110В (фиг. 1-3), или равной ей. В некоторых вариантах выполнения, межкристаллические промежутки 132 первой области 110А в основном не содержат каталитического материала.
На приведенном на фиг. 5 увеличенном изображении показано, как микроструктура второй области 110В поликристаллического элемента 102, представленного на фиг. 1-3, может выглядеть под микроскопом. Вторая область 110В включает рассредоточенные и скрепленные друг с другом зерна 134, образующие пространственную решетку поликристаллического материала. Как более подробно описано ниже, средний размер зерен 134 может быть больше среднего размера зерен 124 (фиг. 4) первой области 110А (фиг. 4). Зерна 134 второй области 110В могут характеризоваться многомодовым распределением размера. Например, как показано на фиг. 5, вторая область 110 В может включать зерна 136 большего размера и зерна 138 меньшего размера. В других вариантах выполнения, зерна 134 могут иметь одномодовое распределение размера (например, зерна 136 меньшего размера могут отсутствовать). Непосредственные межкристаллические связи между крупными зернами 136 и мелкими зернами 138 показаны на фиг. 5 пунктирными линиями 140. Более крупные зерна 136 могут быть сформированы из твердого материала и включать такой материал. Более крупные зерна 136 могут быть сформированы из того же материала, что и более крупные зерна 126 первой области 110А, либо по меньшей мере часть более крупных зерен 136 может быть сформирована из материала, отличающегося от материала более крупных зерен 126 первой области 110А. Более крупные зерна 136 могут характеризоваться монодисперсностью, когда все эти зерна 136 имеют в основном одинаковый размер, либо могут быть полидисперсными, когда размеры этих зерен лежат в некотором интервале и характеризуются средним значением. В некоторых вариантах выполнения, средний размер зерна более крупных зерен 136 больше среднего размера зерна более крупных зерен 126 первой области 110А. В других вариантах выполнения, средний размер зерна более крупных зерен 136 в основном такой же, что и средний размер зерна более крупных зерен 126 первой области 110А. Зерна 138 меньшего размера могут быть сформированы из по меньшей мере твердого или нетвердого материала и включать такой материал. Зерна 138 меньшего размера могут быть сформированы из того же материала, что и зерна 128 меньшего размера первой области 110А, либо по меньшей мере часть зерен 138 меньшего размера может быть сформирована из материала, отличающегося от материала зерен 128 меньшего размера первой области 110А и включать такой материал. Зерна 138 меньшего размера могут быть монодисперсными, когда все они имеют в основном одинаковый размер, либо могут быть полидисперсными, когда размеры этих зерен лежат в некотором интервале и характеризуются средним значением. В некоторых вариантах выполнения, средний размер зерна зерен 138 меньшего размера в основном такой же, что и средний размер зерна зерен меньшего размера 128 первой области 110А. Вторая область 110В может включать примерно от 0,01% до 99% по объему или весу зерна 138 меньшего размера, например, от примерно 0,01 до 50 об. % зерен 138 меньшего размера, или от 0,1 до примерно 10 масс. % зерен 138 меньшего размера.
Между скрепленными друг с другом зернами 136 большего размера и зернами 138 меньшего размера второй области 110В имеются межкристаллические промежутки 142 (на фиг. 5 закрашены черным). Как более подробно описано ниже, межкристаллические промежутки 142 могут иметь больший размер, чем межкристаллические промежутки 132 первой области 110А, и (или) могут занимать большую часть объема второй области 110В, чем доля объема межкристаллических промежутков 132 в первой области 110А. Межкристаллические промежутки 142 могут быть по меньшей мере частично заполнены твердым веществом, например, по меньшей мере каталитическим или безуглеродистым материалом. По меньшей мере в некоторых вариантах выполнения, твердое вещество межкристаллических промежутков 142 может изменяться по толщине первой области 110В. Например, межкристаллические промежутки 142 вблизи поверхности 106 контакта (фиг. 1) несущей подложки 104 (фиг. 1) и поликристаллического элемента 102 могут быть заполнены первым твердым веществом (например, катализатором), а межкристаллические промежутки 142 вблизи боковых или открытых поверхностей поликристаллического элемента 102, например, режущей грани 108 (фиг. 1) и (или) боковой поверхности 120 (фиг. 1), могут быть заполнены вторым твердым веществом (например, инертным твердым веществом). По меньшей мере некоторые из межкристаллических промежутков 142 могут быть заполнены смесью первого твердого вещества и второго твердого вещества. Твердым веществом внутри межкристаллических промежутков 142 может быть в основном то же вещество, что и твердое вещество внутри межкристаллических промежутков 132 в первой области 110А, либо твердое вещество внутри по меньшей мере некоторых из межкристаллических промежутков 142 может отличаться от твердого вещества внутри по меньшей мере некоторых из межкристаллических промежутков 132 первой области 110А. В других вариантах выполнения, по меньшей мере некоторые из межкристаллических промежутков 142 могут содержать внутри второй области 110В незаполненные полости, в которых отсутствует твердое или жидкое вещество (хотя газ, например воздух, может присутствовать в этих полостях). Такие незаполненные полости могут быть сформированы путем удаления (например, выщелачивания) твердого вещества из межкристаллических промежутков 142 после формирования поликристаллического элемента 102, как это будет подробно описано ниже. В некоторых вариантах выполнения, межкристаллические промежутки 142 второй области 110В в основном заполнены каталитическим материалом. Например, каталитический материал может быть удален выщелачиванием из межкристаллических промежутков 132 (фиг. 4) по меньшей мере части (например, по всей области, или менее чем по всей области) первой области 110А (фиг. 1-4), но может, в основном, остаться внутри межкристаллических промежутков 142 второй области 110В.
В вариантах выполнения, показанных на фиг. 1-5, первая область 110А может обладать пониженной или уменьшенной проницаемостью по сравнению со второй областью 110В, поскольку объемное содержание зерен 124 (фиг. 4) первой области 110А может превышать объемное содержание зерен 134 (фиг. 5) во второй области 110В. Первая область 110А может, например, иметь объемное содержание, равное примерно 92% или более, зерен 124, а вторая область 110В может иметь объемное содержание примерно 91% или менее зерен 134. В частном примере, первая область 110А может иметь объемное содержание зерен 124 примерно от 96 до 99%, а вторая область 110В может иметь объемное содержание зерен 134 примерно от 85 до 95%. Соответственно, первая область 110А может имеет относительно меньшее объемное содержание межкристаллических промежутков между скрепленными друг с другом зернами 124, по сравнению с объемным содержанием межкристаллических промежутков между скрепленными друг с другом зернами 134 второй области 110В. В результате того, что первая область 110А имеет относительно более высокое объемное содержание зерен 124, и между зернами 124 будет меньше межкристаллических промежутков 132 и (или) они будут меньшего размера, по сравнению с межкристаллическими промежутками 142 между зернами 134 второй области 110В, в первой области будет меньше каналов для проникновения выщелачивателя и (или) они будут более узкими.
Первая область 110А в вариантах выполнения, представленных на фиг. 1-5, может иметь пониженную или уменьшенную проницаемость по сравнению с по меньшей мере второй областью 110В, поскольку средний размер зерна зерен 124 в первой области 110а может быть меньше среднего размера зерна зерен 134 второй области 110В. В частном примере, средний размер зерна зерен 124 первой области 110А может быть меньше или равен примерно 15 микрон (мкм) (например, в интервале примерно от 5 до 15 мкм, примерно от 10 до 15 мкм, или примерно от 10 до 12 мкм), а средний размер зерна зерен 134 второй области 110В может быть больше примерно 15 мкм (например, в интервале примерно от 15 до 30 мкм, примерно от 15 до 20 мкм, или примерно от 18 до 20 мкм). В некоторых вариантах выполнения, средний размер зерна зерен 124 первой области 110А находится в интервале примерно от 10 до 12 мкм, а средний размер зерна зерен 134 второй области 110В находится в пределах примерно от 15 до 20 мкм. В других вариантах выполнения, по меньшей мере некоторые из зерен 124 первой области 110А и (или) по меньшей мере некоторые из зерен 134 второй области 110В могут включать зерна нано-размера (т.е., зерна с размером менее 500 нанометров). В результате того, что средний размер зерна зерен 124 первой области 110А меньше среднего размера зерна зерен 134 второй области 110В, между зернами 124 первой области 110А будет меньше межкристаллических промежутков 132 и (или) они будут меньшего размера, по сравнению с межкристаллическими промежутками 142 между зернами 134 второй области 110В, и будет меньше каналов для проникновения выщелачивателя и (или) они будут более узкими. Кроме того, при наличии многомодового распределения размеров зерен 124 в первой области 110А, между зернами 124 первой области 110А будет меньше межкристаллических промежутков 132 и (или) они будут меньшего размера по сравнению с межкристаллическими промежутками 142 среди зерен 134 второй области 110В, в результате чего будет меньше каналов для проникновения выщелачивателя и (или) они будут более узкими.
Согласно данным на фиг. 1-5, первая область 110А может иметь пониженную или уменьшенную проницаемость по сравнению с по меньшей мере второй областью 110В, поскольку межкристаллические промежутки 132 первой области 110А могут быть относительно хуже соединены между собой по сравнению с межкристаллическими промежутками 142 второй области 110В. Например, средний свободный пробег в межкристаллических промежутках 142 между скрепленными друг с другом зернами 134 второй области 110В может превышать примерно на 10% или более, примерно на 25% или более, или даже примерно на 50% или более средний свободный пробег в межкристаллических промежутках 132 между скрепленными друг с другом зернами 124 первой области 110А. Средний свободный пробег в межкристаллических промежутках 142 между скрепленными друг с другом зернами 134 второй области 110В и средний свободный пробег в межкристаллических промежутках 132 между скрепленными друг с другом зернами 124 первой области 110А могут быть определены известными методами, например описанными в Quantitative Stereology, Ervin Е.Underwood, Издательство Аддисон-Уэсли Паблишинг компании инк., 1970.
В вариантах выполнения, где поликристаллический элемент 101 включает более двух областей, каждая расположенная дальше в наружном направлении радиальная или боковая область поликристаллического элемента 102 может упираться в несущую подложку 104 и отходить от нее, и может иметь постепенно уменьшающуюся проницаемость (например, определяемую по меньшей мере объемным содержанием зерен, средним размером зерен, и распределением зерен внутри каждой расположенной дальше в наружном направлении радиальной, или боковой, области) по сравнению с проницаемостью по меньшей мере одной другой области поликристаллического элемента 102, расположенной от нее внутри в радиальном, или боковом, направлении. Кроме того, в вариантах выполнения, где поликристаллический элемент 102 включает по меньшей мере одну область, перекрывающую по меньшей мере две области, расположенные в радиальном, или боковом, направлении, например, третью область 110С в варианте выполнения, изображенном на фиг. 3, по меньшей мере одна область (например, третья область 110С) может иметь проницаемость, в основном аналогичную проницаемости одной или более областей, расположенных под ней, либо может иметь проницаемость, отличающуюся от той, которую имеют области, лежащие под ней. В частном примере, показанная на фиг. 3 третья область 110С может иметь проницаемость, отличающуюся от по меньшей мере одной первой области 110А или второй области 110В, например, проницаемость меньше, чем у по меньшей мере одной первой области 110А или второй области 110В (например, меньше, чем в каждой из первой и второй областей 110А, 110В, или в основном равную проницаемости первой области 110А и меньше проницаемости второй области 110В), либо проницаемость больше, чем у по меньшей мере одной первой области 110А или второй области 110В (например, больше, чем в каждой из первой и второй областей 110А, 110В, или в основном равную проницаемости второй области 110В и больше проницаемости первой области 110А).
Далее приводится описание способа формирования режущего элемента 100 (фиг. 1-3) в соответствии с изобретением, который иллюстрируется ссылкой на фиг. 6, где показан вид поперечного сечения контейнера 144 в процессе формирования поликристаллического элемента 102, показанного на фиг. 1. В контейнере 144 может быть сформировано или подготовлено первое множество частиц 146, из которых должны быть сформированы соединенные друг с другом зерна 124 (фиг. 4) первой области 110А (фиг. 1 и 4) поликристаллического элемента 102 (фиг. 1), в непосредственной близости от первого множества частиц 146 в контейнере 144 может быть сформировано или подготовлено второе множество частиц 148, из которых должны быть сформированы соединенные друг с другом зерна 134 (фиг. 5) второй области 110В (фиг. 1 и 5) поликристаллического элемента 102 (фиг. 1), а поверх первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148 может быть сформирована или подготовлена несущая подложка 104.
Первое множество частиц 146 может быть сформировано или подготовлено внутри контейнера 144 в форме первой области 110А поликристаллического элемента 102. Например, первое множество частиц 146 может быть скреплено друг с другом в форме первой области 110А подходящим связующим материалом. Связующим материалом может быть любой материал, позволяющий придать частицам 146 требуемую форму первой области 110А поликристаллического элемента 102, и который может быть удален (например, испарением) во время начальной стадии дальнейшего ВТВД процесса. В других вариантах выполнения, первое множество частиц 146 может быть сформировано в форме первой области 110А без использования связующего материала. В некоторых вариантах выполнения, первое множество частиц 146 может спрессовано (например, с использованием или без использования связующего материала) для формирования неспеченной первой области 110А (например, неспеченной структуры/заготовки, обладающей общей формой первой области 110А) поликристаллического элемента 102. В процессе прессования, неплоская форма конструкции, например, рассмотренная выше со ссылкой на фиг. 1-3, может быть сообщена неспеченной первой области 110А. Первое множество частиц 146 может иметь многомодовое (например, двухмодовое, трехмодовое и т.д.) распределение размера частиц, либо может иметь одномодовое распределение размера частиц. Например, первое множество частиц 146 может включать частицы, имеющие первый средний размер частиц, и частицы, имеющие второй средний размер частиц, отличающийся от первого среднего размера частиц. Первое множество частиц 146 может включать частицы с относительными и фактическими размерами, соответствующими описанным выше со ссылкой на соединенные друг с другом зерна 124 первой области 110А поликристаллического элемента 102, хотя замечено, что в процессе последующей технологической операции (например, ВТВД процесса), используемой для формирования поликристаллического элемента 102, может происходить некоторый рост и (или) уменьшение размеров зерен.
Второе множество частиц 148 может быть сформировано или подготовлено внутри контейнера 144 в форме первой области 110А поликристаллического элемента 102. В некоторых вариантах выполнения, второе множество частиц 148 сформировано или подготовлено в форме первой области 110А поликристаллического элемента 102 без использования связующего материала. Например, второе множество частиц 148 может быть помещено в контейнер 144 в виде множества в основном не скрепленных (например, образующих текучую массу) частиц. В других вариантах выполнения, например, в которых желательно в первой области 110А поликристаллического элемента 102 иметь одну или более неплоских или выступающих частей (например, приподнятые части и (или) утопленные части), частицы второго множества частиц 148 могут быть скреплены друг с другом в форме второй области 110В с использованием подходящего связующего материала. Связующим материалом может быть тот же материал, который использовался для скрепления первого множества частиц 146, либо другой связующий материал. Второе множество частиц 148 может, в частности, быть спрессовано в виде неспеченной второй области 110 В (например, неспеченной структуры, форма которой в основном соответствует общей форме второй области 110В) поликристаллического элемента 102, по аналогии с тем, что было описано выше применительно к первому множеству частиц 146. Первое множество частиц 146 может в основном ограничивать в радиальном направлении или сбоку второе множество частиц 148. Как показано на фиг. 6, в некоторых вариантах выполнения первое множество частиц 146 может охватывать снизу и сбоку второе множество частиц 148. Второе множество частиц 148 может иметь многомодовое (например, двухмодовое, трехмодовое и т.д.) распределение размера частиц, либо может иметь одномодовое распределение размера частиц. Например, второе множество частиц 148 может включать частицы, имеющие первый средний размер частиц, и частицы, имеющие второй средний размер частиц, отличающийся от первого среднего размера частиц. Второе множество частиц 148 может включать частицы с относительными и фактическими размерами, соответствующими описанным выше со ссылкой на соединенные друг с другом зерна 134 второй области 110В поликристаллического элемента 102, хотя замечено, что в процессе последующей технологической операции (например, ВТВД процесса), используемой для формирования поликристаллического элемента 102, может происходить некоторый рост и (или) уменьшение размеров зерен.
Как далее показано на фиг. 6, внутрь контейнера 144 может быть также помещен каталитический материал 150, который может быть использован для ускорения формирования межкристаллических связей между частицами первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148 при более низкой температуре и давлении, чем могло бы потребоваться в противном случае. Каталитический материал 150 может быть помещен внутри несущей подложки 104 и, в частности, среди частиц по меньшей мере одного из первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148. В некоторых вариантах выполнения, каталитический материал 150 может быть помещен внутри частиц по меньшей мере одного из первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148 в форме рассеянного порошка катализатора. Средний размер частиц порошка катализатора может быть выбран так, чтобы отношение среднего размера частиц порошка катализатора к среднему размеру частиц, с которыми смешивается порошок катализатора, составляло в интервале примерно от 1:10 до 1:1000, или даже в интервале примерно от 1:100 до 1:1000, как это описано в патентной заявке US 2010/0186304 А1 (Burgess et al.), опубликованной 29 июля 2010 г., ныне патенте US 8435317, выданном 7 мая 2013 г. Частицы каталитического материала 150 могут быть смешаны с частицами по меньшей мере одного из первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148 известными способами, например, обычным перемешиванием в мельнице, формированием и смешиванием порошкового шликера, включающего частицы каталитического материала 150 и по меньшей мере частицами одного из первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148, в жидком растворителе с последующим высушиванием шликера и т.д. В других вариантах выполнения, каталитический материал может образовывать по меньшей мере одну фольгу или диск катализатора, заключенный в по меньшей мере одном промежутке между несущей подложкой 104 или частицами первого множества частиц 146 или второго множества частиц 148. В других вариантах выполнения, покрытие каталитического материала 150 может быть нанесено на по меньшей мере некоторые частицы по меньшей мере одного из первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148. Частицы по меньшей мере одного из первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148 могут быть покрыты каталитическим материалом 150 с использованием процесса нанесения в химическом растворе, обычно известном под названием золь-гелевого покрытия.
Как показано на фиг. 6, контейнер 144 может заключать в себе первое множество частиц 146, второе множество частиц 148 и несущую подложку 104. Контейнер 144 может включать внутреннюю чашу 152, в которую может быть помещена по меньшей мере часть каждого из первого множества частиц 146, второго множества частиц 148 и несущей подложки 104. Контейнер 144 также может включать верхнюю заглушку 154 и нижнюю заглушку 156, которые могут быть собраны и скреплены друг с другом (например, скреплены обжимом) вокруг внутренней чаши 152 с помещенными внутри нее первым множеством частиц 146, вторым множеством частиц 148 и несущей подложкой 104. Затем плотно закрытый контейнер 144 может быть подвергнут ВТВД процессу, в соответствии с известными технологиями, для спекания первого множества частиц 146 и второго множества частиц 148, и формирования режущего элемента 100, имеющего поликристаллический элемент 102, включающий первую область 110А и вторую область 110В, в основном в соответствии с описанным выше со ссылкой на фиг. 1-3. Например, совместный анализ изображений на фиг. 1 и 6 показывает, что первое множество частиц 146 (фиг. 6) может формировать первую область 110А поликристаллического элемента 102 (фиг. 1), а второе множество частиц 148 (фиг. 6) может формировать вторую область 110В поликристаллического элемента 102 (фиг. 1).
Хотя точные рабочие параметры ВТВД процесса будут определяться в зависимости от конкретного состава и количества различных материалов, подвергаемых спеканию, давления в нагретом прессе могут быть равны или более примерно 5,0 гигапаскалей (ГПа), а температуры могут быть равны или более примерно 1400°С. В некоторых вариантах выполнения, давления в нагретом прессе могут быть равны или более примерно 6,5 ГПа, например, равны или более примерно 6,7 ГПа, или даже равны или более примерно 8,0 ГПа. Кроме того, спекаемые материалы могут выдерживаться при таких температурах и давлениях в течение промежутков времени примерно от 30 секунд до 20 минут.
Далее приводится описание предложенного в изобретении способа формирования режущего элемента 100 (фиг. 1-3) со ссылкой на фиг. 7, на которой представлен вид поперечного сечения контейнера 144 для другого процесса формирования поликристаллического элемента 102, показанного на фиг. 1. Внутри контейнера 144 может быть помещен первый отдельно сформированный поликристаллический элемент 158, который должен стать первой областью ПОА (фиг. 1) поликристаллического элемента 102 (фиг. 1), рядом с первым поликристаллическим элементом 158, прилегая к нему, в контейнере 144 может быть помещен второй отдельно сформированный поликристаллический элемент 160, который должен стать второй областью 110В (фиг. 1) поликристаллического элемента 102, и поверх первого поликристаллического элемента 158 и второго поликристаллического элемента 160 может быть помещена несущая подложка 104. Первый поликристаллический элемент 158 может обладать пониженной проницаемостью по сравнению со вторым поликристаллическим элементом 160.
Первый поликристаллический элемент 158, второй поликристаллический элемент 160 и несущая подложка 104 в контейнере 144 могут быть подвергнуты процессу спекания, например ВТВД процессу, описанному выше. Первый поликристаллический элемент 158 и второй поликристаллический элемент 160 могут быть подвергнуты спеканию в присутствии каталитического материала 150. После первоначального процесса спекания, использованного для формирования первого поликристаллического элемента 158 и второго поликристаллического элемента 160, в по меньшей мере некоторых межкристаллических промежутках между скрепленными друг с другом зернами первого поликристаллического элемента 158 и второго поликристаллического элемента 160 может оставаться каталитический материал 150. В некоторых вариантах выполнения, однако, по меньшей мере один из первого или второго поликристаллических элементов 158, 160 может быть подвергнут по меньшей мере частичному выщелачиванию для удаления из них по меньшей мере некоторого количества каталитического материала 150 перед помещением в контейнер 144. В других вариантах выполнения, каталитический материал 150 может иметь форму диска или фольги, заключенных в по меньшей мере одном промежутке между несущей подложкой 104, первым поликристаллическим элементом 158 и вторым поликристаллическим элементом 160. В ходе ВТВД процесса может формироваться режущий элемент 100, включающий поликристаллический элемент 102, имеющий первую область 110А и вторую область 110В, в целом соответствующие описанным ранее со ссылкой на фиг. 1-3. Например, как видно при совместном анализе изображений на фиг. 1 и 7, первый поликристаллический элемент 158 (фиг. 7) может формировать первую область 110А поликристаллического элемента 102 (фиг. 1), а второй поликристаллический элемент 160 (фиг. 7) может формировать вторую область 110В поликристаллического элемента 102 (фиг. 1).
Как показано на фиг. 1-7, после использования предложенных в изобретении способов для формирования и крепления поликристаллического элемента 102 (фиг. 1-3) на несущую подложку 104 (фиг. 1-3), поликристаллический элемент 102 может быть подвергнут выщелачиванию для удаления одного или более твердого вещества (-ств) из по меньшей мере одной из нескольких областей НО (фиг. 1-3) поликристаллического элемента 102. Например, выщелачиватель может быть использован для удаления каталитического материала 150 (фиг. 6 и 7) из межкристаллических промежутков 132 (фиг. 4) между скрепленными друг с другом зернами 124 (фиг. 4) первой области 110А поликристаллического элемента 102 и (или) из межкристаллических промежутков 142 (фиг. 5) между скрепленными друг с другом зернами 134 (фиг. 5) второй области 110В поликристаллического элемента 102. Подходящие выщелачиватели известны в уровне техники и более подробно описаны, например, в US 5127923 (Bunting et al.), выданном 7 июля 1992 г., и US 4224380 (Bovenkerk et al.), выданном 23 сентября 1980 г. В качестве частного примера можно привести по меньшей мере царскую водку (смесь концентрированной азотной кислоты и концентрированной соляной кислоты), кипящую соляную кислоту или кипящую плавиковую кислоту, которые могут быть использованы в качестве выщелачивателя. В некоторых вариантах выполнения, выщелачиватель может содержать соляную кислоту при температуре равной или более примерно 110°С. Поверхности режущего элемента 100 (фиг. 1-3), не подлежащие выщелачиванию, например, поверхности несущей подложки 104 и (или) заранее определенные поверхности поликристаллического элемента 102, могут быть закрыты (например, нанесением покрытия) защитным материалом, например, полимерным материалом, устойчивым к воздействию травления или другого повреждения выщелачивателем. Обнаженные (т.е., не закрытые) поверхности поликристаллического элемента 102 (например, обнаженные части режущей поверхности 108, фаски 112, боковой поверхности 120 и т.д.), которые должны быть подвержены выщелачиванию, могут быть приведены в соприкосновение с выщелачивателем, например, окунанием или погружением. Выщелачиватель может быть приведен в соприкосновение с открытыми поверхностями поликристаллического элемента 102 на период времени примерно от 30 минут до 60 часов, в зависимости от размера поликристаллического элемента 102 и требуемой глубины удаления материала.
В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 1-7, каталитический материал 150 может быть удален из областей 110 поликристаллического элемента 102, вблизи по меньшей мере режущей поверхности 108, или фаски 112, или боковой поверхности 120 до глубины примерно от 40 до 400 мкм, например, примерно от 100 до 250 мкм. В других вариантах выполнения, области 110 поликристаллического элемента 102 могут быть подвергнуты "глубокому" выщелачиванию до глубины более примерно 250 мкм. В других вариантах выполнения, области ПО поликристаллического элемента 102 могут выщелачиваться на глубину менее примерно 100 мкм. Удалением каталитического материала 150 из одной или более областей 110 поликристаллического элемента 102 можно повысить термостойкость поликристаллического элемента 102 в процессе использования, как это хорошо известно специалистам. Присутствие каталитического материала 150 в одной или более из других областей 110 поликристаллического элемента 102 может повысить износостойкость и ударную прочность режущего элемента 100. В некоторых вариантах выполнения, каталитический материал 150 удаляется из межкристаллических промежутков 132 (фиг. 4) между соединенными друг с другом зернами 124 (фиг. 4) первой области 110А поликристаллического элемента 102, но в основном не удаляется из межкристаллических промежутков 142 (фиг. 5) между соединенными друг с другом зернами 134 (фиг. 4) второй области 110В поликристаллического элемента 102. Например, каталитический материал 150 может быть удален из поликристаллического элемента 102 до глубины менее или равной глубине поверхности контакта между первой областью 110А и второй областью 110В.
Предпочтительно, конфигурация конструкции (т.е., форма) и характеристики проницаемости (например, в зависимости от объемного содержания зерен, среднего размера зерен, распределения зерен, средней длины пробега и т.д.) по меньшей мере первой области 110А поликристаллического элемента 102 может способствовать повышению однородности по меньшей мере одного из параметров выщелачивания - его интенсивности и глубины, по сравнению с многими обычными поликристаллическими элементами. Например, по меньшей мере боковое ограничение, или даже боковое и продольное ограничение, второй области 110В поликристаллического элемента 102 посредством первой области 110А поликристаллического элемента 102 позволит осуществить выщелачивание каталитического материала 150 из по меньшей мере боковых частей второй области 110В в основном с той же скоростью, что и выщелачивание каталитического материала из по меньшей мере боковых частей первой области 110А. В свою очередь, управление скоростью выщелачивания внутри поликристаллического элемента 102 может обеспечить более точное регулирование глубины выщелачивания, чем может быть ограничено или даже предотвращено нежелательное удаление каталитического материала 150 из несущей подложки 104, что могло бы произойти в противном случае, при использовании обычных поликристаллических элементов. В некоторых вариантах выполнения, конфигурация (т.е., форма и характеристики проницаемости) первой области 110А в сравнении со второй областью 110В могут в значительной мере ограничить, или даже предотвратить, выщелачивание каталитического материала 150 из второй области 110В и несущей подложки 104 (например, выщелачивание каталитического материала 150 может быть ограничено первой областью 110А). Такое усовершенствование может, в свою очередь, привести к относительному сокращению повреждений и дефектов в режущем элементе 100, использующем поликристаллический элемент 102, и, тем самым, сокращению отходов производства (например, режущих элементов с дефектами, которые отбраковываются из-за того, что не соответствуют заданным требованиям качества) и улучшению рабочих характеристик и надежности режущего элемента 100 и бурового инструмента, использующего режущий элемент 100.
Описанные варианты выполнения режущих элементов 100 (например, показанные на фиг. 1-3) могут быть прикреплены к буровому инструменту и использованы для удаления материала подземных пород в соответствии с дополнительными вариантами выполнения настоящего изобретения. Буровым инструментом может быть, например, долото для роторного бурения, ударное долото, колонковое долото, эксцентричное долото, разбуриватель, фрезерный инструмент и т.д. В качестве частного примера, на фиг. 8 представлено долото 162 для роторного бурения подземных пород с фиксированными резцами, включающее несколько режущих элементов 100 (фиг. 1-3), каждый из которых имеет поликристаллический элемент 102 (например, показанный на фиг. 1-3), описанный выше. Буровое долото 162 включает корпус 164 долота, а режущие элементы 100 прикреплены к корпусу 164 долота. Режущие элементы 100 могут быть припаяны тугоплавким припоем, приварены или закреплены другим способом в гнездах, сформированных во внешней поверхности корпуса 164 долота.
В то время как изобретение было описано на примере некоторых частных вариантов выполнения, специалисты должны понять и оценить, что изобретение не ограничено только этими вариантами выполнения. Напротив, к описанным здесь вариантам выполнения могут быть сделаны многочисленные дополнения, изъятия и модификации в пределах области притязаний заявленного изобретения. Помимо этого, признаки одного варианта выполнения могут быть скомбинированы с признаками другого варианта выполнения, оставаясь в пределах области притязаний изобретения, заявленной его авторами. Кроме того, изобретение обладает применимостью в буровых долотах имеющих различные профили долота, а также резцы различных типов.
1. Режущий элемент, включающий несущую подложку и поликристаллический элемент, прикрепленный к торцу несущей подложки и имеющий:
первую область, примыкающую к торцу несущей подложки;
другую область, по меньшей мере в основном ограничивающую сбоку первую область и имеющую проницаемость меньше, чем у первой области; и
дополнительную область, примыкающую к верху продольных границ первой области и другой области и имеющую проницаемость, отличающуюся от проницаемости другой области.
2. Режущий элемент по п. 1, в котором межкристаллические промежутки внутри первой области в основном заполнены каталитическим материалом, а другие межкристаллические промежутки внутри другой области в основном свободны от каталитического материала.
3. Режущий элемент по п. 1, в котором первая область характеризуется первым объемным содержанием соединенных друг с другом зерен материала, а другая область характеризуется вторым, большим, объемным содержанием соединенных друг с другом зерен материала.
4. Режущий элемент по п. 1, в котором первая область содержит межкристаллические промежутки, характеризуемые первой взаимосвязанностью, а другая область содержит межкристаллические промежутки, характеризуемые второй, меньшей, взаимосвязанностью.
5. Режущий элемент по п. 1, в котором в первой области средний размер зерна материала больше, чем в другой области.
6. Режущий элемент по п. 1, в котором первая область характеризуется первым объемным содержанием межкристаллических промежутков между соединенными друг с другом зернами материала, а другая область характеризуется вторым, меньшим, объемным содержанием межкристаллических промежутков между соединенными друг с другом зернами материала.
7. Режущий элемент по п. 1, в котором каждая из первой и другой областей характеризуется многомодовым распределением соединенных друг с другом зерен.
8. Режущий элемент по п. 1, в котором другая область проходит в основном от торца несущей подложки.
9. Режущий элемент по п. 1, в котором другая область расположена между первой областью и боковой поверхностью поликристаллического элемента.
10. Способ формирования режущего элемента, в котором:
помещают в контейнер первое множество частиц, содержащих твердый материал;
помещают в контейнер другое множество частиц на первое множество частиц;
помещают в контейнер дополнительное множество частиц на другое множество частиц и смежно продольным границам другого множества частиц, причем дополнительное множество частиц имеет проницаемость, отличающуюся от проницаемости первого множества частиц, и меньше, чем проницаемость другого множества частиц;
помещают в контейнер несущую подложку на другое множество частиц и дополнительное множество частиц;
спекают первое множество частиц, другое множество частиц и дополнительное множество частиц в присутствии каталитического материала для формирования поликристаллического элемента, включающего первую область, прилегающую к торцу несущей подложки, другую область, по меньшей мере частично ограничивающую сбоку первую область и имеющую меньшую проницаемость, чем первая область, и дополнительную область, примыкающую к верху продольных границ первой области и другой области и имеющую проницаемость, отличающуюся от проницаемости другой области; и удаляют по меньшей мере часть каталитического материала из поликристаллического элемента.
11. Способ по п. 10, в котором при помещении в контейнер другое множество частиц, содержащих твердый материал, придают другому множеству частиц заданную форму области.
12. Способ по п. 11, в котором при придании другому множеству частиц заданной формы области прессуют другое множество частиц в присутствии связующего материала для формирования неспеченной структуры заданной формы перед помещением в контейнер дополнительного множества частиц.
13. Способ по п. 10, в котором при помещении в контейнер другого множества частиц помещают в контейнер другое множество частиц в виде предварительно отформованной заготовки, выполненной с возможностью окружения первым множеством частиц и дополнительным множеством частиц.
14. Способ по п. 10, в котором при удалении по меньшей мере части каталитического материала из поликристаллического элемента удаляют каталитический материал из поликристаллического элемента до глубины, меньшей или равной глубине поверхности контакта между другой областью и первой областью.
15. Инструмент для бурения подземных пород, содержащий по меньшей мере один режущий элемент, включающий несущую подложку и поликристаллический элемент, прикрепленный к торцу несущей подложки и имеющий:
первую область, прилегающую к торцу несущей подложки;
другую область, по меньшей мере в основном ограничивающую первую область и имеющую меньшую, чем у нее проницаемость;
и дополнительную область, примыкающую к верху продольных границ первой области и другой области и имеющую проницаемость, отличающуюся от проницаемости другой области.
16. Инструмент для бурения подземных пород по п. 15, представляющий собой долото для роторного бурения подземных пород.
