Поликристаллическая алмазная вставка, способ формирования поликристаллического алмаза и буровой инструмент

Группа изобретений относится к поликристаллическим алмазным вставкам, буровому инструменту и способу формирования поликристаллического алмаза. Технический результат заключается в снижении интенсивности отказов и износа режущего инструмента. Поликристаллическая алмазная вставка содержит поликристаллический алмазный материал, содержащий множество алмазных зёрен, связанных друг с другом посредством межкристаллитных связей, и интерметаллическую гамма-штрих () или -карбидную фазу, расположенную внутри междоузлий между взаимосвязанными алмазными зёрнами. Интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор. Интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза является структурно упорядоченной или разупорядоченной. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

ЗАЯВЛЕНИЕ ПРИОРИТЕТА

В настоящей заявке испрашивается приоритет по дате подачи у заявки на патент США № 15/060911, поданной 4 марта 2016 г. «ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ АЛМАЗНАЯ ВСТАВКА, СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА И БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ» ("POLYCRYSTALLINE DIAMOND COMPACTS, METHODS OF FORMING POLYCRYSTALLINE DIAMOND, AND EARTH-BORING TOOLS").

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты осуществления данного изобретения в целом относятся к поликристаллическим твердым материалам, режущим элементам, содержащим такие твердые материалы, буровым инструментам, включающим в себя такие режущие элементы, и к способу формирования таких материалов, режущих элементов и инструментов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Буровые инструменты для формирования скважин в подземных формациях могут включать в себя множество режущих элементов, прикрепленных к корпусу. Например, долота вращательного бурения с запрессованными резцами для геологических скважин (также известные как «режущие долота») включают в себя множество режущих элементов, которые жестко прикреплены к корпусу бурового долота. Аналогично, шарошечные долота вращательного бурения для геологических скважин включают в себя шарошки конической формы, которые смонтированы на цапфах, выступающих из лап корпуса долота таким образом, что каждая коническая шарошка способна вращаться вокруг цапфы, на которой указанная коническая шарошка смонтирована. На каждой конической шарошке бурового долота может быть смонтировано множество режущих элементов.

Режущие элементы, используемые в буровых инструментах, часто включают в себя резцы, армированные поликристаллическими алмазными вставками (часто называемыми «PDC»), которые являются режущими элементами, содержащими поликристаллический алмазный (PCD) материал. Такие поликристаллические алмазные режущие элементы формируют посредством спекания и скрепления между собой относительно небольших алмазных зерен или кристаллов в условиях высокого давления и высокой температуры, как правило, в присутствии катализатора (например, кобальта, железа, никеля или их сплавов и смесей) для формирования слоя поликристаллического алмазного материала на подложке режущего элемента. Эти процессы часто называются процессами в условиях высоких температур и давления (или «HPHT»). Материал катализатора смешивают с алмазными зернами для уменьшения количества окисления алмаза кислородом и углекислым газом в процессе HPHT и для промотирования связывания алмаз - алмаз.

Подложка режущего элемента может включать в себя металлокерамический материал (т.е., керамически-металлический композитный материал), например, карбид вольфрама с кобальтом в качестве связующего металла. В таких случаях кобальт (или другой каталитический материал) в подложке режущего элемента может быть втянут в алмазные зёрна или кристаллы в процессе спекания и служить в качестве каталитического материала для формирования алмазной матрицы из алмазных зерен или кристаллов. В других способах порошкообразный каталитический материал может быть смешан с алмазными зернами или кристаллами до спекания зерен или кристаллов между собой в HPHT процессе

При формировании алмазной матрицы с использованием HPHT процесса каталитический материал может оставаться в междоузлиях между зернами или кристаллами алмазов в полученной поликристаллической алмазной матрице. Присутствие каталитического материала в алмазной матрице может способствовать термическому повреждению алмазной матрицы, когда режущий элемент нагревается в процессе использования из-за трения в поверхности контакта между режущим элементом и формацией.

Обычное формирование PDC основывается на каталитическом сплаве, который проходит через уплотненное алмазное исходное сырье в процессе HPHT синтеза. Традиционные каталитические сплавы основаны на кобальте с различными количествами никеля, вольфрама и хрома для облегчения разрастания алмазов в интервалах между уплотненным алмазным материалом. Однако, помимо облегчения образования связей алмаз - алмаз в процессе HPHT спекания, эти сплавы также облегчают образование графита из алмаза в процессе бурения. Образование графита может разрушать область шейки алмазов (т.е., границ зерен) из-за объемного расширения, приблизительно составляющего 57%, в процессе превращения. Это фазовое превращение известно как «обратное превращение» или «графитизация» и, как правило, происходит при температурах, приближающихся к 600°C - 1000°C, причем температуры могут наблюдаться на участках PDC, контактирующих с подземной формацией в процессе бурения. Считается, что этот механизм, в сочетании с несоответствием коэффициентов теплового расширения металлической фазы и алмазов, играет значительную роль в неспособности обычных PDC резцов удовлетворить основной критерий эффективности, известный как «термоустойчивость».

Для уменьшения проблем, связанных с разными скоростями теплового расширения и с обратным превращением в поликристаллических алмазных режущих элементах были разработаны так называемые «термоустойчивые» поликристаллические алмазные (TSD) режущие элементы. Режущий элемент TSD может быть образован посредством выщелачивания каталитического материала (например, кобальта) из междоузлий между алмазными зернами в алмазной матрице с использованием, например, кислоты. По существу, весь каталитический материал может быть удален из алмазной матрицы или может быть удалена только его часть. Как сообщается, режущие элементы TSD, в которых, по существу, весь каталитический материал был выщелочен из алмазной матрицы, являются термоустойчивыми вплоть до температур, составляющих около 1200°C. Однако, также сообщается, что полностью выщелоченные алмазные матрицы являются относительно более нестабильными и, по существу, более уязвимыми к разрушению при напряжениях сдвига, сжатия и растяжения и при ударах, чем невыщелоченные алмазные матрицы. Стремясь получить режущие элементы, имеющие алмазные матрицы PDC, которые являются более термоустойчивыми по сравнению с невыщелоченными алмазными матрицами, но которые также являются относительно менее нестабильными и уязвимыми к напряжениям сдвига, сжатия и растяжения по сравнению с полностью выщелоченными алмазными матрицами, были получены режущие элементы, содержащие алмазную матрицу PDC, в которой каталитический материал был выщелочен только из части алмазной матрицы, например, на глубину внутри алмазной матрицы из режущего торца и из части боковой стороны алмазной матрицы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В некоторых вариантах осуществления изобретения поликристаллическая алмазная вставка содержит поликристаллический алмазный материал, имеющий множество зёрен алмаза, связанных друг с другом межкристаллитными связями, и упорядоченную интерметаллическую гамма-штрих () или κ-карбидную фазу, расположенную внутри междоузлий между взаимосвязанными алмазными зернами. Упорядоченная интерметаллическая гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

Способ формирования поликристаллических алмазов включает в себя подвергание алмазных частиц в присутствии металлического материала, содержащего металл VIII группы и алюминий, давлению, составляющему по меньшей мере 4,5 ГПа, и температуре, составляющей по меньшей мере 1000°C, для формирования межкристаллитных связей между соседними алмазными частицами, охлаждение указанных алмазных частиц и указанного металлического материала до температуры ниже 500°C и формирование упорядоченной интерметаллической гамма-штрих () или κ-карбидной фазы, граничащей с алмазными частицами. Упорядоченная интерметаллическая гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

Буровой инструмент содержит корпус долота и поликристаллическую алмазную вставку, прикрепленную к корпусу долота. Указанная поликристаллическая алмазная вставка содержит поликристаллический алмазный материал, имеющий множество алмазных зёрен, связанных друг с другом межкристаллитными связями, и упорядоченную интерметаллическую гамма-штрих () или κ-карбидную фазу, расположенную внутри междоузлий между взаимосвязанными алмазными зернами. Упорядоченная интерметаллическая гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Хотя заключение по данному описанию выводится в формуле изобретения, в частности, указывающей и четко заявляющей о том, что рассматривается как варианты осуществления данного изобретения, различные особенности и преимущества вариантов осуществления изобретения по данному раскрытию могут быть легче установлены из следующего описания примеров вариантов осуществления изобретения по данному раскрытию при его прочтении в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, в которых:

На Фиг. 1 проиллюстрирован частичный перспективный вид в разрезе варианта осуществления изобретения режущего элемента (т.е., поликристаллической вставки), содержащего значительное количество поликристаллического твердого материала на подложке;

На Фиг. 2 проиллюстрирован упрощенный вид того, как микроструктура поликристаллического твердого материала режущего элемента по Фиг. 1 может представать при увеличении изображения;

На Фиг. 3 проиллюстрирован упрощенный вид того, как микроструктура поликристаллического твердого материала, проиллюстрированного на Фиг. 2, может представать при дальнейшем увеличении изображения;

На Фиг. 4 проиллюстрировано долото вращательного бурения, содержащее режущие элементы, как описано в данном документе;

На Фиг. 5 проиллюстрирован упрощенный вид в поперечном разрезе, изображающий материалы, используемые для формирования режущего элемента по Фиг. 1 в ёмкости при подготовке к подверганию ёмкости процессу HPHT-спекания;

На Фиг. 6 проиллюстрирован XRD (рентгенодифракционный) спектр образца поликристаллического материала в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

На Фиг. 7 проиллюстрирована карта EDS (энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии) образца поликристаллического материала в соответствии с вариантом осуществления изобретения; и

На Фиг. 8 проиллюстрирован график, изображающий относительный износ PDC в соответствии с вариантом осуществления изобретения с использованием обычного PDC.

СПОСОБ(Ы) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Представленные в данном документе иллюстрации не являются фактическими видами какого-либо конкретного материала, устройства, системы или способа, а представляют собой всего лишь идеализированные представления, которые используются для описания конкретных вариантов осуществления изобретения. Для ясности в описании различные признаки и элементы, общие для вариантов осуществления изобретения, могут ссылаться на одинаковые или аналогичные ссылочные позиции.

Используемый в данном документе термин «по существу» применительно к заданному параметру, свойству или условию означает и включает в себя, до той степени, в которой специалист в данной области техники понимает, что заданный параметр, свойство или условие удовлетворяет техническим требованиям с небольшой степенью вариаций, например, в пределах допустимых производственных допусков. Например, параметр, который, по существу, удовлетворяет техническим требованиям, может удовлетворять техническим требованиям по меньшей мере на около 90%, удовлетворять техническим требованиям по меньшей мере, на около 95% или даже удовлетворять техническим требованиям по меньшей на мере около 99%.

Любой используемый в данном документе относительный термин, например, «первый», «второй», «свыше», «верхний», «нижний», «нижележащий» и т.д. используется для ясности и удобства понимания данного раскрытия изобретения и сопроводительных графических материалов, а также не означает и не зависит от какого-либо конкретного предпочтения, ориентации или порядка, за исключением случаев, когда контекст ясно указывает на иное.

Используемый в данном документе термин «частица» означает и включает в себя любой когерентный объем твердого вещества, имеющий средний размер, составляющий около 500 мкм или менее. Зёрна (т.е., кристаллы) и покрытые зёрна являются видами частиц. Используемый в данном документе термин «наночастица» означает и включает в себя любую частицу, имеющую средний диаметр частицы, составляющий около 500 нм или менее. Наночастицы включают в себя зёрна в поликристаллическом твердом материале, имеющие средний размер зерна, составляющий около 500 нм или менее.

Используемый в данном документе термин «твердый материал» означает и включает в себя любой материал, имеющий значение твердости по Кнупу, составляющее около 3000 кгс/мм² (29420 МПа) или более. Твердые материалы включают в себя, например, алмаз и кубический нитрид бора.

Используемый в данном документе термин «межкристаллитная связь» означает и включает в себя любую связь непосредственно между атомами (например, ковалентную, металлическую и т.д.) в соседних зёрнах материала.

Используемые в данном документе термины «наноалмаз» и «алмазные наночастицы» означают и включают в себя любой единый или поликристаллический материал или агломерацию нанокристаллического углеродного материала, содержащую смесь sp-3 и sp-2 связанного углерода, при этом отдельные частицы или кристаллы, являются ли они единственными или частью агломерата, в основном состоят из sp-3 связей. Коммерческие наноалмазы, как правило, получают детонационным синтезом (ультрадисперсный алмаз детонационного синтеза, UDD) и из измельченных источников и они могут быть естественного происхождения или изготовленными синтетическим путем. Наноалмазы естественного происхождения включают в себя фазу природной аллотропной модификации углерода лонсдейлита, выявляемую вместе с метеорными отложениями.

Используемый в данном документе термин «поликристаллический твердый материал» означает и включает в себя любой материал, содержащий множество зёрен или кристаллов материала, которые непосредственно связаны между собой межкристаллитными связями. Кристаллические структуры отдельных зёрен поликристаллического твердого материала могут быть произвольным образом ориентированы в пространстве внутри поликристаллического твердого материала.

Используемый в данном документе термин «поликристаллическая вставка» означает и включает в себя любую структуру, содержащую поликристаллический твердый материал, содержащий межкристаллитные связи, сформированные посредством процесса, который включает в себя применение давления (например, прессования) к материалу прекурсора или к материалам, используемым для формирования поликристаллического твердого материала.

Используемый в данном документе термин «буровой инструмент» означает и включает в себя любой вид долота или инструмент, используемый для бурения в процессе формирования или расширения ствола скважины и включает в себя, например, долота вращательного бурения, долота ударного бурения, колонковые долота, эксцентрические долота, долота с двумя центрами, скважинные расширители, фрезеры, режущие долота, шарошечные конические долота, комбинированные долота и другие буровые долота и инструменты, известные в данной области техники.

На Фиг. 1 проиллюстрирован режущий элемент 100, который может быть сформирован согласно описанию в данном документе. Указанный режущий элемент 100 включает в себя поликристаллический твердый материал 102. Как правило, указанный поликристаллический твердый материал 102 может быть поликристаллическим алмазом, но может содержать другие твердые материалы, вместо или в дополнение к поликристаллическому алмазу. Например, указанный поликристаллический твердый материал 102 может включать в себя кубический нитрид бора. Необязательно, режущий элемент 100 также может содержать подложку 104, к которой поликристаллический твердый материал 102 может быть прикреплен после формирования, или на которой поликристаллический твердый материал 102 формируется в соответствии с вышеупомянутыми HPHT условиями. Например, указанная подложка 104 может содержать, как правило, цилиндрический корпус из материала из карбида вольфрама с кобальтом в качестве связующего металла, хотя могут также использоваться подложки разных конфигураций и из разных композиций. Поликристаллический твердый материал 102 может быть в виде матрицы (т.е., слоя) поликристаллического твердого материала 102 на подложке 104, как проиллюстрировано на Фиг. 1. Поликристаллический твердый материал 102 может быть получен (например, сформирован на или прикреплен к) на поверхности подложки 104. В дополнительных вариантах осуществления изобретения режущий элемент 100 может быть просто значительным количеством поликристаллического твердого материала 102, имеющим любую желаемую форму, и может не содержать никакой подложки 104. Режущий элемент 100 может упоминаться как «поликристаллическая вставка» или, если поликристаллический твердый материал 102 включает в себя алмаз, то он может упоминаться как «поликристаллическая алмазная вставка».

Как проиллюстрировано на Фиг. 2, поликристаллический твердый материал 102 может включать в себя перемешанные и связанные между собой зёрна, образующие трехмерную решетчатую систему твердого материала. Необязательно, в некоторых вариантах осуществления изобретения зёрна поликристаллического твёрдого материала 102 могут иметь мультимодальное (например, бимодальное, тримодальное и т.д.) распределение по размерам зёрен. Например, поликристаллический твердый материал 102 может содержать мультимодальное распределение зёрен по размерам, как раскрыто по меньшей мере в одном из патентов: Патенте США № 8579052, выпущенном 12 ноября 2013 г. и озаглавленном «Поликристаллическая вставка, содержащая зарождающиеся непосредственно на месте зёрна, буровой инструмент, содержащий такую вставку, и способ формирования такой вставки и инструмента» (“Polycrystalline Compacts Including In-Situ Nucleated Grains, Earth-Boring Tools Including Such Compacts, and Methods of Forming Such Compacts and Tools”); Патенте США № 8727042, выпущенном 20 мая 2014 г. и озаглавленном «Поликристаллическая вставка, имеющая материал, расположенный в её междоузлиях, и режущий элемент, содержащий такую вставку» (“Polycrystalline Compacts Having Material Disposed in Interstitial Spaces Therein, and Cutting Elements Including Such Compacts”); и Патенте США № 8496076, выпущенном 30 июля 2013 г. и озаглавленном «Поликристаллическая вставка, содержащая включения наночастиц, режущий элемент и буровой инструмент, содержащий такую вставку, и способ формирования такой вставки» (Polycrystalline Compacts Including Nanoparticulate Inclusions, Cutting Elements and Earth-Boring Tools Including Such Compacts, and Methods of Forming Such Compacts”); раскрытия каждого из которых в полном объёме включены в данный документ посредством ссылки.

Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения поликристаллический твердый материал 102 может содержать большие зёрна 106 и меньшие зёрна 108. Большие зёрна 106 и/или меньшие зёрна 108 могут иметь средние размеры частиц (например, средние диаметры), составляющие менее чем 0,5 мм (500 мкм), менее чем 0,1 мм (100 мкм), менее чем 0,01 мм (10 мкм), менее чем 1 мкм, менее чем 0,1 мкм или даже менее чем 0,01 мкм. То есть, каждые из больших зёрен 106 и из меньших зёрен 108 могут содержать частицы микронного размера (зёрна, имеющие средний диаметр частиц в диапазоне от около 1 мкм до около 500 мкм (0,5 мм)), частицы субмикронного размера (зёрна, имеющие средний диаметр частиц в диапазоне от около 500 нм (0,5 мкм) до около 1 мкм) и/или наночастицы (частицы, имеющие средний диаметр частиц, составляющий около 500 нм или менее). В некоторых вариантах осуществления изобретения большие зёрна 106 могут быть алмазными частицами микронного размера, а меньшие зёрна 108 могут быть субмикронными алмазными частицами или алмазными наночастицами. В некоторых вариантах осуществления изобретения большие зёрна 106 могут быть субмикронными алмазными частицами, а меньшие зёрна 108 могут быть алмазными наночастицами. В других вариантах осуществления изобретения зёрна поликристаллического твёрдого материала 102 могут иметь одномодальное распределение зёрен по размерам. Поликристаллический твердый материал 102 может содержать непосредственные межкристаллитные связи 110 между зёрнами 106, 108, представленные на Фиг. 2 пунктирными линиями. Если зёрна 106, 108 являются алмазными частицами, то непосредственные межкристаллитные связи 110 могут быть связями алмаз - алмаз. Междоузлия присутствуют между взаимосвязанными зёрнами 106, 108 поликристаллического твёрдого материала 102. В некоторых вариантах осуществления изобретения некоторые из этих междоузлий могут содержать незаполненные пустоты внутри поликристаллического твердого материала 102, в котором нет твердого или жидкого вещества (хотя газ, например, воздух, может присутствовать в пустотах). Интерметаллический или карбидный материал 112 может находиться в некоторых или во всех междоузлиях, не занятых зёрнами 106, 108 поликристаллического твёрдого материала 102.

Используемый в данном документе термин «размер зёрен» означает и включает в себя геометрический средний диаметр, полученный измерением двумерного участка в основной массе материала. Геометрический средний диаметр для группы частиц может быть определен с использованием технологий, известных в данной области техники, например, изложенных в публикации Ervin E. Underwood, QUANTITATIVE STEREOLOGY, 103-105 (Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1970), раскрытие которой включено в данный документ в полном объёме посредством этой ссылки. Как известно в данной области техники, средний размер зёрен в пределах микроструктуры может быть определен посредством измерения зёрен указанной микроструктуры при увеличении изображения. Например, растровый электронный микроскоп (SEM), растровый электронный микроскоп с полевой эмиссией катода (FESEM) или просвечивающий электронный микроскоп (TEM) могут использоваться для просмотра или получения изображения поверхности поликристаллического твердого материала 102 (например, гладкой и вытравленной поверхности поликристаллического твёрдого материала 102). Коммерчески доступные системы технического зрения часто используются вместе с такими микроскопическими системами, и эти системы технического зрения способны измерять средний размер зёрен в пределах микроструктуры.

Снова со ссылкой на Фиг. 2, интерметаллический или карбидный материал 112 может содержать металл VIII группы (например, кобальт), алюминий и стабилизатор. В некоторых вариантах осуществления изобретения указанным интерметаллическим или карбидным материалом 112 может быть материал в упорядоченной интерметаллической гамма-штрих (γ') или κ-карбидной фазе. Интерметаллический или карбидный материал 112 может быть некаталитическим для формирования межкристаллитных связей 110 между зёрнами поликристаллического твёрдого материала 102. Интерметаллический или карбидный материал 112 может привести поликристаллический твердый материал 102 в очевидно более термоустойчивое состояние, чем обычные поликристаллические материалы, имеющие каталитический материал, потому что интерметаллический или карбидный материал 112 не промотирует или не катализирует обратное превращение алмаза в графитовый углерод. Следовательно, поликристаллический твердый материал 102 в контакте с интерметаллическим или карбидным материалом 112 может быть защищен от каталитического эффекта обычного катализатора, который может быть расположен в междоузлиях внутри поликристаллического твердого материала 102.

Стабилизатором в интерметаллическом или карбидном материале 112 может быть любой материал, созданный, чтобы привести к образованию гамма-штрих или κ-карбидной фазы интерметаллическим или карбидным материалом 112. Например, указанный стабилизатор может включать в себя титан (Ti), никель (Ni), вольфрам (W) или углерод (C). Гамма-штрих фаза Co₃Al внутри бинарной системы Co-Al представляет собой метастабильную упорядоченную металлическую фазу. При температуре и давлении окружающей среды структура Co₃Al является нестабильной и, как правило, для стабилизации структуры ей требуется другой элемент, например Ti, Ni, W или C. То есть, интерметаллический или карбидный материал 112 может образовывать раствор в узлах Co решетки Co₃Al, приводящий к фазе (Co_3-n,W_n)Al, фазе (Co_3-n,Ni_n)Al, фазе (Co_3-n,W_n)Al или фазе Co₃AlC_m, где n и m - любые положительные числа от 0 до 3, и 0 и 1, соответственно.

На Фиг. 3 проиллюстрировано, как участок поликристаллического твердого материала 102, проиллюстрированный на Фиг. 2, может представать при дальнейшем увеличении изображения. Поликристаллический твердый материал 102 может содержать отдельные значительные количества интерметаллического или карбидного материала 112 и каталитического материала 114. Например, зёрна 106, 108 поликристаллического твёрдого материала 102, по существу, могут быть покрыты интерметаллическим или карбидным материалом 112, и каталитический материал 114 может занимать междоузлия между зёрнами 106, 108 и прилежащим интерметаллическим или карбидным материалом 112. В некоторых вариантах осуществления изобретения каталитический материал 114 может быть остатком каталитического материала, который был использован для формирования поликристаллического твердого материала 102. В других вариантах осуществления изобретения каталитический материал 114 мог быть введен в поликристаллический твердый материал 102 в процессе HPHT обработки. Каталитический материал 114, по существу, может быть отделен от зёрен 106, 108 интерметаллическим или карбидным материалом 112. В некоторых вариантах осуществления изобретения некоторые части каталитического материала 114 могут находиться в контакте по меньшей мере с частями зёрен 106, 108. Каталитический материал 114 может содержать один или большее количество элементарных металлов VIII группы, например, железо, кобальт и никель, или любой другой материал, катализирующий образование межкристаллитных связей между зёрнами 106, 108.

В некоторых вариантах осуществления изобретения интерметаллический или карбидный материал 112 может являться, по существу, не содержащим элементарные формы металлов VIII группы, например железа, кобальта и никеля. Известно, что эти металлы в элементарной форме являются каталитическими для реакций, в которых образуется и распадается алмаз. Следовательно, если интерметаллический или карбидный материал 112 не содержит заметного количества этих металлов в элементарной форме, то поликристаллический твердый материал 102 может быть относительно более стабильным, чем поликристаллические твердые материалы, содержащие большие количества этих металлов в элементарной форме.

По меньшей мере часть интерметаллического или карбидного материала 112 может обладать гранецентрированной кубической (FCC) решеткой пространственной группы Pm-3m (221), которая остается стабильной даже при комнатной температуре. Стабилизатор (например, Ti, Ni, W или C) может занимать (0,0,0), (0,1/2,1/2) или (1/2,1/2,1/2) положения в кристаллической решетке FCC. Стабилизатор может привести гамма-штрих или κ-карбидную фазу в стабильное состояние в условиях атмосферного давления и при температуре окружающей среды. Без стабилизатора гамма-штрих и κ-карбидная фазы не могут быть стабильными в условиях атмосферного давления и при температуре окружающей среды.

В объёме поликристаллического твёрдого материала твердый материал, как правило, занимает менее чем 100% общего объёма из-за включения междоузлий. Поликристаллический твердый материал 102 может содержать по меньшей мере около 90% твердого материала по объёму, например, по меньшей мере около 94% твердого материала по объёму, по меньшей мере около 95% твердого материала по объёму, по меньшей мере около 96% твердого материала по объёму, или даже по меньшей мере около 97% твердого материала по объёму. В целом, более высокие объемные фракции твердых материалов могут демонстрировать лучшие показатели резания.

Варианты осуществления изобретения режущих элементов 100 (Фиг. 1), включающие в себя поликристаллический твердый материал 102, произведенный как описано в данном документе, могут быть смонтированы на буровых инструментах и использоваться для извлечения материала подземной формации. На Фиг. 4 проиллюстрировано долото 160 вращательного бурения с запрессованными резцами для геологических скважин. Указанное буровое долото 160 содержит корпус долота 162. Один или большее количество режущих элементов 100 могут быть смонтированы на корпусе 162 бурового долота 160, как описано в данном документе. Указанные режущие элементы 100 могут быть припаянными к или иным образом закрепленными в пазах, образованных на наружной поверхности корпуса долота 162. Другие виды буровых инструментов, например, шарошечные конические долота, долота ударного бурения, комбинированные долота, скважинные расширители и т.д. также могут содержать режущие элементы 100, как описано в данном документе.

Со ссылкой на Фиг. 5, твердые частицы 302 (т.е., частицы твердого материала) могут быть расположены внутри ёмкости 304 (например, металлического контейнера). Как правило, твердые частицы 302 могут быть утрамбованы в ёмкости 304 для ограничения незанятого объема. Твердые частицы 302 могут включать в себя, например, зёрна или кристаллы алмаза (например, алмазную крошку), которые в конечном итоге сформируют зёрна 106, 108 в спеченном поликристаллическом твердом материале 102 (Фиг. 2). Ёмкость 304 может содержать внутренний стакан 306, в котором могут быть получены твердые частицы 302. Твердые частицы 302 могут быть смешаны с или иным образом расположены рядом с материалом сплава или с комбинацией металлов и/или сплавов, составленных для формирования интерметаллического или карбидного материала 112 (Фиг. 2 и 3) при спекании. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения подложка 104 (например, как проиллюстрировано на Фиг. 1) и/или пластинка 312 (например, сортовая заготовка или фольга), содержащая один или большее количество элементов интерметаллического или карбидного материала 112, также может быть получена во внутреннем стакане 306 над или под твердыми частицами 302 и может в конечном итоге быть инкапсулирована в ёмкость 304. В других вариантах осуществления изобретения интерметаллический или карбидный материал 112 может быть гранулирован и впоследствии осажден во внутренний стакан 306. Еще в других вариантах осуществления изобретения интерметаллический или карбидный материал 112 может быть нанесен на поверхность подложки 104. Ёмкость 304 дополнительно может содержать верхнюю крышку 308 и нижнюю крышку 310, которые могут быть скомпонованы и соединены между собой (например, соединены обжимом) вокруг внутреннего стакана 306 с твердыми частицами 302 и с необязательной подложкой 104 внутри стакана.

Пластинка 312, если имеется, или другой металлический материал может содержать один или большее количество элементов интерметаллического или карбидного материала 112 (Фиг. 2 и 3), о чем говорилось выше. Например, пластинка 312 может содержать алюминий, катализатор или стабилизатор (например, титан, никель, вольфрам или углерод). В некоторых вариантах осуществления изобретения пластинка 312 может содержать множество слоёв материала, например слой кобальта, слой алюминия и т.д. Разные слои материала могут иметь разную толщину, в зависимости от желаемой конечной композиции сплава. В некоторых вариантах осуществления изобретения элементы интерметаллического или карбидного материала 112 могут быть сплавлены друг с другом до введения в ёмкость 304. В некоторых вариантах осуществления изобретения элементы интерметаллического или карбидного материала 112 могут быть гранулированы и смешаны друг с другом до введения в ёмкость 304. В других вариантах осуществления изобретения частицы, содержащие такие элементы, могут быть примешаны к твердым частицам 302 до или после размещения твердых частиц 302 в ёмкости 304, нанесены на твердые частицы 302 и т.д.

Состав пластинки 312 или другого металлического материала может быть разработан так, чтобы молярное соотношение кобальта к алюминию составляло приблизительно 3:1, таким образом, чтобы большая часть кобальта и алюминий формировали фазу Co₃Al в процессе спекания. Например, пластинка 312 или другой металлический материал может содержать от около 0,1% моль до около 24% моль алюминия и от около 0,3% моль до около 50% моль алюминия. В некоторых вариантах осуществления изобретения пластинка 312 или другой металлический материал может содержать от около 1,0% моль до около 15% моль алюминия и от около 3,0% моль до около 45% моль алюминия. Пластинка 312 или другой металлический материал может содержать другие элементы, например, стабилизатор или инертный элемент (т.е., элемент, который не формирует часть кристаллической решетки гамма-штрих или κ-карбидной фазы интерметаллического или карбидного материала 112 и который не является каталитическим в отношении зёрен 106, 108). Пластинка 312 или другой металлический материал может обладать температурой плавления, составляющей менее чем около 1100°C при атмосферном давлении, менее чем около 1300°C при атмосферном давлении, или менее чем около 1500°C при атмосферном давлении.

Ёмкость 304 с твердыми частицами 302 в ней может быть подвергнута процессу HPHT спекания для формирования поликристаллического твердого материала (например, поликристаллического твердого материала 102, проиллюстрированного на Фиг. 1). Например, ёмкость 304 может быть подвергнута давлению, составляющему по меньшей мере около 4,5 ГПа, и температуре, составляющей по меньшей мере около 1000°C. В некоторых вариантах осуществления изобретения ёмкость 304 может быть подвергнута давлению, составляющему по меньшей мере около 5,0 ГПа, по меньшей мере около 5,5 ГПа, по меньшей мере около 6,0 ГПа или даже по меньшей мере около 6,5 ГПа. Например, ёмкость 304 может быть подвергнута давлению от около 7,8 ГПа до около 8,5 ГПа. Ёмкость 304 может быть подвергнута температуре, составляющей по меньшей мере около 1100°C, по меньшей мере около 1200°C, по меньшей мере около 1300°C, по меньшей мере около 1400°C или даже по меньшей мере около 1700°C.

Процесс HPHT спекания может привести к образованию межкристаллитных связей (например, алмаз - алмаз) между твердыми частицами 302 с целью формирования поликристаллической вставки из твердых частиц 302. Если подложка 104 находится внутри ёмкости 304, то каталитический материал (например, кобальт) может пройти через твердые частицы 302 из подложки 104 и катализировать формирование межкристаллитных связей. В некоторых вариантах осуществления изобретения к твердым частицам 302 может быть примешан каталитический материал или они могут быть покрыты каталитическим материалом таким образом, что каталитическому материалу нет необходимости проходить через значительное количество твердых частиц 302.

Процесс HPHT спекания также может приводить к преобразованию элементов внутри ёмкости 304 в упорядоченную интерметаллическую гамма-штрих (γ') или κ-карбидную фазу, граничащую с алмазными частицами. Например, интерметаллический или карбидный материал 112 может образовываться из-за прохождения или диффузии кобальта через твердые частицы 302, в комбинации с алюминием и стабилизатором. Алюминий и/или стабилизатор также может проходить через твердые частицы 302 из пластинки 312 (если имеется). В альтернативном варианте алюминий и/или стабилизатор может быть приведен в контакт с твердыми частицами 302 до спекания. Например, частицы алюминия и/или стабилизатора могут быть рассеяны по всем твердым частицам 302 до начала HPHT спекания, или твердые частицы 302 могут быть покрыты алюминием и/или стабилизатором. Материал в γ' или κ-карбидной фазе по меньшей мере частично может инкапсулировать или покрывать поверхности твердых частиц 302 в процессе HPHT спекания таким образом, что при охлаждении материала поверхности зёрен 106, 108 по меньшей мере частично покрываются интерметаллическим или карбидным материалом 112 (см. Фиг. 2 и 3). Следовательно, интерметаллический или карбидный материал 112 может помочь предотвратить дальнейшее обратное превращение зёрен 106, 108 в другие формы или фазы (например, из алмаза в графитовый или аморфный углерод).

Стабилизатор может быть растворен в смеси кобальта и алюминия в процессе HPHT спекания или в процессе стадии обработки до HPHT. Материал может образовывать решетку стабилизированной фазы Co₃Al, имеющую FCC L1₂ (пространственная группа Pm-3m) упорядоченную/разупорядоченную решетку, например, фаза (Co_3-nTi_n)₃Al, фаза (Co_3-nNi_n)Al или фаза Co_3-nW_n)₃Al. Для случая углерода, действующего в качестве стабилизатора, Co и Al могут занимать аналогичные узлы, как в упомянутой выше упорядоченной/разупорядоченной решетке FCC L1_2, с углеродом, занимающим октаэдрическое положение в кристаллической решетке, имеющей стехиометрию Co₃AlC_m. Эта решетка представляет собой E2₁ (пространственная группа Pm-3m) упорядоченную/разупорядоченную карбидную решетку, отличающуюся от традиционной , имеющей упорядоченную/разупорядоченную решетку FCC L1₂.

В процессе жидкофазного спекания алмаза материал сплава может растворять значительное количество углерода из алмаза или из другой углеродной фазы. Для решетки FCC L1₂ атомы Ti, Ni или W могут стабилизировать упорядоченную/разупорядоченную решетку Co₃Al на угловом или гранецентрированном узле кристаллической решетки. Кроме того, атом углерода может занимать октаэдрическую позицию в решетке FCC-E2₁, которая может оставаться стабильной даже при комнатной температуре

Ёмкость 304 и материал в ней могут быть охлаждены до температуры ниже 500°C, например, до температуры ниже 250°C или до комнатной температуры, при сохранении по меньшей мере части материала сплава в - или κ-карбидной фазе. Стабилизатор может поддерживать - или κ-карбидную фазу термодинамически стабильной, поскольку материал охлаждается, таким образом - или κ-карбидная фаза может предотвращать превращение зёрен 106, 108 и разложение поликристаллического твёрдого материала 102.

Присутствие интерметаллического или карбидного материала 112 в - или κ-карбидной фазе может привести полученный поликристаллический твердый материал 102 в термоустойчивое состояние без необходимости выщелачивания или удаления иным образом каталитического материала 114 из монолитного поликристаллического твердого материала 102. Например, весь или по существу весь кобальт или другой каталитический материал, граничащий с твердыми частицами 302, в процессе HPHT спекания может быть превращен в интерметаллический или карбидный материал 112 в - или κ-карбидной фазе. В определенных вариантах осуществления изобретения каталитический материал 114 может не присутствовать после процесса HPHT спекания, поскольку каталитический материал, используемый в процессе спекания может быть полностью или в значительной степени включен в состав интерметаллического или карбидного материала 112.

Использование интерметаллического или карбидного материала 112, как описано в данном документе, может привнести определенные преимущества в поликристаллические твердые материалы 102. Например, интерметаллический или карбидный материал 112, стабилизированный в γ' или κ-карбидной фазе, может проявлять инертное (т.е., некаталитическое) поведение в отношении поликристаллического твердого материала 102, даже при повышенных температурах, например, выше около 400°C. Например, интерметаллический или карбидный материал 112 может не промотировать преобразования углерода (т.е., графит-в-алмаз или наоборот) и он может вытеснять каталитические материалы из режущего элемента 100. Таким образом, после того, как поликристаллический твердый материал 102 был спечен и охлажден вместе с интерметаллическим или карбидным материалом 112, дальнейшие изменения кристаллической решетки поликристаллического твёрдого материала 102 могут происходить при пренебрежимо малых скоростях. Режущий элемент 100 может проявлять значительно повышенную стойкость к истиранию и термоустойчивость в диапазоне между температурой, при которой, как правило, происходит обратное превращение (например, между 600°C и 1000°C для катализаторов на основе Fe, Co или Ni) и температурой плавления интерметаллического или карбидного материала 112. Например, если температура плавления интерметаллического или карбидного материала 112 составляет 1200°C, то режущий элемент 100 может быть термически и физически устойчивым даже при температурах, составляющих 1100°C или выше. Таким образом, буровое долото с таким режущим элементом 100 может работать в относительно более суровых условиях, чем обычные буровые долота, с более низкими интенсивностью отказа и стоимостью ремонта. В альтернативном варианте, буровое долото с такими режущими элементами 100 может демонстрировать более низкий износ режущих элементов 100, что позволяет уменьшить осевую нагрузку на долото для удаления подземного материала буровым долотом.

Хотя в данном раскрытии в целом описано использование материалов сплавов, включая комплекс кобальта и алюминия, вместо всего или части кобальта или алюминия могут быть использованы другие металлы для формирования стабилизированной некаталитической фазы.

Например, в ёмкости 304, в которой пластинка 312 представляет собой предварительно сплавленную двойную (Co-Al) или тройную (Co-Al-M, где M - это металл) фольгу, а подложка 104 является W-Co подложкой, вольфрам из подложки может сплавляться с двойной (Co-Al) или тройной (Co-Al-M) фольгой с образованием сплава Co-Al-W или Co-Al-W-M, соответственно. Кроме того, предварительное сплавление с углеродом в каждом из вышеперечисленных вариантов возможно до загрузки в HPHT устройство. В присутствии алмаза сплав, попавший в алмазные зерна, будет включать в себя Co-Al-W-C или Co-Al-W-M-C. Кроме того, в состав подложки могут быть включены другие материалы, например Cr. В таких вариантах осуществления изобретения сплав будет включать в себя Co-Al-W-Cr-C или, в присутствии алмаза, Co-Al-W-Cr-M-C. M может быть заменен подходящим элементом для стабилизации - или κ-карбидной упорядоченной фазы. Например, присутствие Ni промотирует сегрегацию Al к границе раздела алмаза и стабилизирует - или κ-карбидную фазу в виде (Co,Ni)₃Al. W и Cr, по-видимому, остаются в растворе без ощутимого осаждения карбида. Более того, хотя WC еще может присутствовать на алмазной границе раздела, W и Cr, по-видимому, в значительной степени остаются в растворе.

Не будучи связанным теорией, упорядоченная - или κ-карбидная фаза, появляется, когда атомы в решетке более избыточного элемента заменяются атомами менее избыточного элемента в интерметаллическом соединении и когда замещающий атом позиционируется в правильном положении по всей решетке. В противоположность этому, разупорядоченная - или κ-карбидная фаза могла бы иметь место, когда замещающий атом будет замещен в решетку, но в нерегулярных положениях. Обнаружение того, обладает ли решетка упорядоченной или разупорядоченной конфигурацией, можно продемонстрировать с использованием рентгенографических методов или обнаружения магнитных фаз.

Упорядоченная - или κ-карбидная фаза может быть произведена посредством подвергания интерметаллических соединений воздействию термодинамических условий, при которых - или κ-карбидная фаза является стабильной в упорядоченной конфигурации. В широко известных циклах HPHT температуру частицы поликристаллического алмаза, как правило, понижают настолько быстро, насколько это возможно, чтобы минимизировать время изготовления, избегая при этом трещин в алмазном слое. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения цикл HPHT контролируется для удерживания температуры частицы поликристаллического алмаза и, кроме того, интерметаллической фазы, присутствующей в промежутках между алмазными зернами, ниже температуры перехода в упорядоченное - разупорядоченное состояние при рабочем давлении для времени, достаточного для преобразования по меньшей мере части интерметаллического соединения в упорядоченную - или κ-карбидную фазу. В некоторых вариантах осуществления изобретения интерметаллическое соединение может быть быстро охлаждено для сохранения разупорядоченной - или κ-карбидной фазы в процессе HPHT цикла.

Упорядоченная интерметаллическая - или κ-карбидная фаза может быть термодинамически стабильной фазой при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, а также при температурах и давлениях использования, например, при температурах и давлениях, возникающих в процессе бурения скважины. Не будучи связанным теорией, предполагается, что наличие термодинамически стабильной упорядоченной фазы выгодно для термической стабильности режущего инструмента. Поскольку упорядоченная - или κ-карбидная фаза является термодинамически стабильной фазой, фазовый переход от разупорядоченной к упорядоченной фазе не ожидается, когда режущий элемент подвергается воздействию температур и давлений, связанных с его использованием. Кроме того, предполагается, что упорядоченная - или κ-карбидная фаза менее вероятно будет катализировать графитизацию алмаза в процессе использования, чем разупорядоченная, метастабильная - или κ-карбидная фаза.

Металлические материалы, раскрытые в данном документе, в жидком состоянии могут промотировать зарождение и рост алмаза. После охлаждения металлический материал может зарождаться и расти для формирования интерметаллического или карбидного материала 112 в - или κ-карбидной фазе на границе раздела с алмазными зернами. Интерметаллический или карбидный материал 112 может подавлять обратное превращение лучше, чем выщелачивание обычных PDC режущих элементов, потому что интерметаллический или карбидный материал 112 может быть равномерно распределен в режущем элементе 100. Для сравнения, выщелачивание, как правило, происходит от торца режущего элемента и, следовательно, остаточный кобальт остается в участках поликристаллических твёрдых материалов. Кроме того, определенные междоузлия поликристаллических твёрдых материалов могут быть заблокированы после процесса HPHT спекания и могут быть недоступны для выщелачивающей среды. Соответственно, остаточный кобальт может оставаться внутри заблокированных междоузлий иным образом полностью выщелоченных поликристаллических твердых материалов.

Кроме того, композиция интерметаллического или карбидного материала 112 может быть изменена для регулирования ее температуры плавления. Без значительного увеличения температуры плавления интерметаллического или карбидного материала 112 сплав приблизительно 13,5% Al по массе может полностью использовать любой остаточный твердый раствор кобальта. Таким образом, режущий элемент 100, имеющий такой интерметаллический или карбидный материал 112, может быть, по существу, термоустойчивым продуктом без выщелачивания.

ПРИМЕРЫ

Пример 1: Формирование PDC режущего элемента

Алмазные зёрна поместили в ёмкость, как проиллюстрировано на Фиг. 5. Алмазные зёрна имели средний диаметр, составляющий 9 мкм. Пластинку из сплава алюминия (9% мас.) и кобальта (91% мас.) поместили поверх алмазных зерен, а поверх пластинки поместили подложку из карбида вольфрама с кобальтом в качестве связующего металла. Ёмкость закупорили, а смесь частиц, фольгу и подложку подвергли HPHT спеканию при около 8,0 ГПа и 1625°C. Полученный поликристаллический алмазный режущий элемент проанализировали с использованием рентгенодифракционного метода (XRD) для определения химического состава алмазной матрицы, как проиллюстрировано на Фиг. 6. Спектр XRD показал, что алмазная матрица содержит алмаз, кобальт и Co₃AlC_n.

Для определения распределения фаз в алмазной матрице использовали энергодисперсионную спектроскопию (EDS) и сканирующую электронную микроскопию (SEM). На Фиг. 7 проиллюстрированы две фазы материала в дополнение к алмазу. Не привязываясь к какой-либо конкретной теории, представляется, что κ-карбидная фаза Co₃AlC образует близлежащую алмазную фазу, а металлические кластеры формируются в материале, в структуре ядра. Металлические кластеры, по-видимому, являются богатой кобальтом фазой, как правило, отделенной от алмазной фазы κ-карбидной фазой Co₃AlC.

Другим свидетельством возможного роста фазы Co₃AlC от границы раздела алмаза является большой кристаллический пик Co₃AlC, наблюдаемый на Фиг. 6, который свидетельствует о предпочтительной кристаллографической ориентации. Преимущество для этой фазы вырасти из алмаза может позволить упорядоченной металлической κ-карбидной фазе сформировать барьер между алмазом и богатой кобальтом фазой. Не привязываясь к какой-либо конкретной теории, представляется, что эта структура может подавлять графитизацию (т.е., обратное превращение алмаза в графит) в процессе бурения. Следовательно, PDC может быть более термически стабильной, чем невыщелоченная PDC с прошедшим через нее Co-W. Количественные измерения микроструктуры вызывают предположения, что плотность и близость алмаза аналогичны обычным PDC, не имеющим сплав на основе Co-Al. Было определено, что PDC состоит на около 95,3% из алмаза по объему, около 3,7% кобальта в фазе FCC по объему и около 1,0% Co₃AlC_n по объему. Кроме того, видимые в микроскоп изображения материала, по всей видимости, показывают, что Co₃AlC_n распределяется по всей PDC.

Пример 2: Эксперимент на токарно-карусельном станке

Эксперимент на токарно-карусельном станке проводили над режущим элементом PDC, сформированным в Примере 1, и над обычным невыщелоченным режущим элементом (т.е., над режущим элементом, сформированным аналогичным образом, но без кобальт-алюминиевой пластинки).

Каждый режущий элемент удерживался в вертикальном токарно-карусельном станке с револьверной головкой («VTL») для обработки гранита. Параметры испытания на VTL могут варьироваться для повторения желаемых условий испытания. В данном примере режущие элементы были выполнены с возможностью удаления материала из заготовки из белого гранита Барре. Режущие элементы расположили под углом наклона 15° относительно поверхности заготовки при номинальной глубине разреза 0,25 мм. Установили постоянную скорость ввода режущих элементов 7,6 мм/оборот при вращении заготовки 60 об/мин. Режущие элементы охлаждали водой.

Испытание VTL вносит след износа в режущие элементы вдоль положения контакта между режущими элементами и гранитом. Размер следа износа сравнивают с материалом, удаляемым из гранитной заготовки, для оценки стойкости к истиранию режущих элементов. Соответствующая производительность множества режущих элементов может быть оценена посредством сравнения скорости роста следа износа и удаления материала из гранитной заготовки.

На Фиг. 8 проиллюстрировано, что в процессе испытания VTL было удалено почти на 100% больше породы для эквивалентного следа износа с использованием PDC примера 1 по сравнению с базовой платформой PDC. Следовательно, в процессе этого комбинированного термомеханического испытания на резку термостойкость, по-видимому, усиливалась преимущественно за счет роста стабильной упорядоченной фазы от границы алмаза.

Ниже описаны дополнительные неограничивающие приведенные в качества примера варианты осуществления изобретения по данному раскрытию.

Вариант осуществления изобретения 1: Поликристаллическая алмазная вставка, содержащая поликристаллический алмазный материал, содержащий множество алмазных зёрен, связанных друг с другом посредством межкристаллитных связей; и интерметаллическую гамма-штрих () или κ-карбидную фазу, расположенную внутри междоузлий между взаимосвязанными алмазными зернами. Указанная гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

Вариант осуществления изобретения 2: Поликристаллическая алмазная вставка по варианту осуществления изобретения 1, отличающаяся тем, что зёрна алмаза содержат наноалмазные зерна.

Вариант осуществления изобретения 3: Поликристаллическая алмазная вставка по варианту осуществления изобретения 1 или по варианту осуществления изобретения 2, отличающаяся тем, что стабилизатор содержит материал, выбранный из группы, состоящей из: титана, никеля, вольфрама и углерода.

Вариант осуществления изобретения 4: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-3, отличающаяся тем, что гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит метастабильную Co₃Al фазу, стабилизированную стабилизатором.

Вариант осуществления изобретения 5: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-4, отличающаяся тем, что гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит метастабильную (Co_xNi_3-x)Al фазу, стабилизированную стабилизатором.

Вариант осуществления изобретения 6: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-5, отличающаяся тем, что стабилизатор содержит углерод.

Вариант осуществления изобретения 7: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-6, отличающаяся тем, что гамма-штрих () или κ-карбидная фаза обладает упорядоченной гранецентрированной кубической решеткой.

Вариант осуществления изобретения 8: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-7, отличающаяся тем, что поликристаллический алмазный материал расположен поверх подложки, содержащей металл VIII группы.

Вариант осуществления изобретения 9: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-8, отличающаяся тем, что поликристаллический алмазный материал, по существу, не содержит элементарного железа, кобальта и никеля.

Вариант осуществления изобретения 10: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-9, отличающаяся тем, что поликристаллическая алмазная вставка содержит по меньшей мере 94% алмаза по объёму.

Вариант осуществления изобретения 11: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-10, отличающаяся тем, что сплав обладает температурой плавления, составляющей менее чем около 1500°C при атмосферном давлении.

Вариант осуществления изобретения 12: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-11, дополнительно содержащая каталитический материал, расположенный в междоузлиях между зёрнами алмаза, причём каталитический материал, по существу, отделен от поликристаллического алмазного материала посредством интерметаллической гамма-штрих () или κ-карбидной фазы.

Вариант осуществления изобретения 13: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-12, отличающаяся тем, что гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит метастабильную Co_xAl_y фазу, имеющую менее чем около 13% Co по массе.

Вариант осуществления изобретения 14: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-14, отличающаяся тем, что гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит метастабильную Co_xAl_y фазу, имеющую менее чем около 50% мол. Al.

Вариант осуществления изобретения 15: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-14, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или κ-карбидная фаза является структурно упорядоченной.

Вариант осуществления изобретения 16: Поликристаллическая алмазная вставка по любому из вариантов осуществления изобретения 1-14, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или κ-карбидная фаза является структурно разупорядоченной.

Вариант осуществления изобретения 17: Способ образования поликристаллического алмаза, включающий в себя подвергание алмазных частиц в присутствии металлического материала, содержащего металл VIII группы и алюминий, давлению, составляющему по меньшей мере 4,5 ГПа, и температуре, составляющей по меньшей мере 1000°C, для формирования межкристаллитных связей между соседними алмазными частицами, охлаждение указанных алмазных частиц и указанного металлического материала до температуры ниже температуры перехода в упорядоченное - разупорядоченное состояние фазы, и формирование упорядоченной интерметаллической гамма-штрих () или κ-карбидной фазы, граничащей с алмазными частицами. Упорядоченная интерметаллическая гамма-штрих () или κ-карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

Вариант осуществления изобретения 18: Способ по варианту осуществления изобретения 17, дополнительно включающий в себя выбор стабилизатора, чтобы он содержал по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из: титана, никеля, вольфрама и углерода.

Вариант осуществления изобретения 19: Способ по варианту осуществления изобретения 17 или по варианту осуществления изобретения 18, отличающийся тем, что подвергание алмазных частиц давлению, составляющему по меньшей мере 4,5 ГПа, и температуре, составляющей по меньшей мере 1000°C, включает в себя растворение стабилизатора в смеси металла VIII группы и алюминия.

Вариант осуществления изобретения 20: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-19, отличающийся тем, что растворение стабилизатора в смеси металла VIII группы и алюминия включает в себя растворение углерода, происходящего из алмазных частиц, в расплавленном сплаве, содержащем металл VIII группы и алюминий.

Вариант осуществления изобретения 21: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-20, отличающийся тем, что формирование упорядоченной интерметаллической гамма-штрих () или κ-карбидной фазы включает в себя формирование метастабильной Co₃Al фазы, стабилизированной стабилизатором.

Вариант осуществления изобретения 22: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-21, отличающийся тем, что формирование упорядоченной интерметаллической гамма-штрих (() или κ-карбидной фазы включает в себя формирование метастабильной (Co_xNi_3-x)Al фазы, стабилизированной стабилизатором.

Вариант осуществления изобретения 23: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-22, дополнительно включающий в себя примешивание к алмазным частицам частиц, содержащих по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: металла VIII группы, алюминия и стабилизатора.

Вариант осуществления изобретения 24: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-23, дополнительно включающий в себя помещение алмазных частиц в ёмкость с металлической фольгой, содержащей по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: металла VIII группы, алюминия и стабилизатора.

Вариант осуществления изобретения 25: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-24, дополнительно включающий в себя формирование термоустойчивой поликристаллической алмазной вставки, содержащей алмазные частицы, без выщелачивания.

Вариант осуществления изобретения 26: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-25, дополнительно включающий в себя формирование поликристаллического алмаза в виде готового режущего элемента, содержащего алмазную матрицу, включающую в себя упорядоченную интерметаллическую гамма-штрих (() или κ-карбидную фазу, содержащую металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

Вариант осуществления изобретения 27: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-26, дополнительно включающий в себя по меньшей мере, по существу, полное заполнение междоузлий между алмазными частицами гамма-штрих (() или κ-карбидной фазой.

Вариант осуществления изобретения 28: Способ по любому из вариантов осуществления изобретения 17-27, дополнительно включающий в себя покрывание алмазных частиц по меньшей мере одним материалом, выбранным из группы, состоящей из: металла VIII группы, алюминия и стабилизатора.

Вариант осуществления изобретения 29: Буровой инструмент, содержащий корпус долота и поликристаллическую алмазную вставку, прикрепленную к корпусу долота. Поликристаллическая алмазная вставка, включающая в себя любую из вариантов осуществления изобретения 1-16.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано в данном документе в отношении некоторых проиллюстрированных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники признают и оценят, что настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами. Скорее, многие дополнения, удаления и модификации для проиллюстрированных вариантов осуществления изобретения могут быть сделаны без отклонения от объема настоящего изобретения, как заявлено ниже в формуле изобретения, включая её юридически значимые эквиваленты. Кроме того, особенности одного из вариантов осуществления изобретения могут быть объединены с особенностями другого варианта осуществления изобретения, хотя они всё еще охвачены объемом настоящего изобретения, как это предусмотрено авторами изобретения. Кроме того, варианты осуществления изобретения по данному раскрытию имеют практическую ценность вместе с отличными и различными типами инструментов и конфигурациями.

1. Поликристаллическая алмазная вставка, содержащая:

поликристаллический алмазный материал, содержащий множество алмазных зёрен, связанных друг с другом посредством межкристаллитных связей; и

интерметаллическую гамма-штрих () или -карбидную фазу, расположенную внутри междоузлий между взаимосвязанными алмазными зёрнами, причём интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза является структурно упорядоченной.

2. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что указанный стабилизатор содержит материал, выбранный из группы, состоящей из: титана, никеля, вольфрама и углерода.

3. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит метастабильную фазу Co₃Al, стабилизированную стабилизатором.

4. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит метастабильную фазу (Co_xNi_3-x)Al, стабилизированную стабилизатором.

5. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что указанный стабилизатор содержит углерод.

6. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза обладает упорядоченной гранецентрированной кубической решеткой.

7. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что указанный поликристаллический алмазный материал расположен поверх подложки, содержащей металл VIII группы.

8. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что указанный поликристаллический алмазный материал, по существу, не содержит элементарного железа, кобальта и никеля.

9. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит метастабильную фазу Co_xAl_y, имеющую менее чем около 13% Co по массе.

10. Поликристаллическая алмазная вставка по п. 1, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит метастабильную фазу Co_xAl_y, имеющую менее чем около 50 мол.% Al.

11. Поликристаллическая алмазная вставка, содержащая:

поликристаллический алмазный материал, содержащий множество алмазных зёрен, связанных друг с другом посредством межкристаллитных связей; и

интерметаллическую гамма-штрих () или -карбидную фазу, расположенную внутри междоузлий между взаимосвязанными алмазными зёрнами, причём интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор, отличающаяся тем, что интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза является структурно разупорядоченной.

12. Буровой инструмент, содержащий:

корпус долота; и

поликристаллическую алмазную вставку по любому из пп. 1-11, прикрепленную к корпусу долота.

13. Способ формирования поликристаллического алмаза, включающий в себя:

подвергание алмазных частиц в присутствии металлического материала, содержащего металл VIII группы и алюминий, давлению, составляющему по меньшей мере 4,5 ГПа, и температуре, составляющей по меньшей мере 1000°C, для формирования межкристаллитных связей между соседними алмазными частицами;

охлаждение алмазных частиц и металлического материала до температуры ниже температуры перехода из упорядоченного в разупорядоченное состояние фазы; и

формирование упорядоченной интерметаллической гамма-штрих () или -карбидной фазы, граничащей с алмазными частицами, причём упорядоченная интерметаллическая гамма-штрих () или -карбидная фаза содержит металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что подвергание алмазных частиц давлению, составляющему по меньшей мере 4,5 ГПа, и температуре, составляющей по меньшей мере 1000°C, включает в себя растворение стабилизатора в смеси металла VIII группы и алюминия.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что растворение стабилизатора в смеси металла VIII группы и алюминия включает в себя растворение углерода, происходящего из алмазных частиц, в расплавленном сплаве, содержащем металл VIII группы и алюминий.

16. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя примешивание к алмазным частицам частиц, содержащих по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: металла VIII группы, алюминия и стабилизатора.

17. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя помещение алмазных частиц в ёмкость с металлической фольгой, содержащей по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: металла VIII группы, алюминия и стабилизатора.

18. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя формирование поликристаллического алмаза в виде готового режущего элемента, содержащего алмазную матрицу, включающую в себя упорядоченную интерметаллическую гамма-штрих () или -карбидную фазу, содержащую металл VIII группы, алюминий и стабилизатор.

19. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя, по существу, полное заполнение междоузлий между алмазными частицами интерметаллической гамма-штрих () или -карбидной фазой.