申請(qǐng)?zhí)枺?01180056837

　　申請(qǐng)人：史密斯國際有限公司

　　摘要：包括金剛石主體的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，該金剛石主體包括晶粒間結(jié)合的金剛石和間隙區(qū)。所述主體具有工作面和分界面，并可以結(jié)合至金屬基底。所述主體具有約大于1.5%的梯度金剛石體積，其中在該分界面處的金剛石含量小于94%，并朝向工作面增加。所述主體可以包括基本不含有催化劑材料的區(qū)域，否則該催化劑材料分布在所述主體內(nèi)，并存在梯度含量。所述主體內(nèi)可包括附加材料，該附加材料存在變化的量。所述主體可通過例如6200MPa至10000MPa的高壓HPHT工藝來形成，以產(chǎn)生燒結(jié)主體，該主體具有特有的金剛石體積分?jǐn)?shù)與平均晶粒尺寸之間的關(guān)系，區(qū)別于傳統(tǒng)壓力HPHT工藝形成的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)中金剛石體積分?jǐn)?shù)與平均晶粒尺寸之間的關(guān)系。

　　獨(dú)立權(quán)利要求：1.包括金剛石主體的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，所述金剛石主體包括晶間結(jié)合的金剛石的基質(zhì)相，和分布在結(jié)合的金剛石之間的多個(gè)間隙區(qū)，所述金剛石主體在一個(gè)位置具有工作面，在另一個(gè)位置具有分界面，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其特征在于，所述在所述工作面處，金剛石主體具有根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)之一的金剛石體積含量：金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述分界面處的金剛石的體積含量小于94%，且由等于或大于所述工作面的金剛石晶粒尺寸形成。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金剛石主體包括位于間隙區(qū)的催化劑材料，其中所述催化劑材料的體積含量在所述主體內(nèi)從所述分界面至所述工作面梯度變化。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述分界面增加。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金剛石主體包括附加材料，選自位于間隙區(qū)的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附加材料的體積含量從所述工作面至所述分界面變化。

　　7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述催化劑材料在所述工作面的體積含量約小于6%。

　　8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，還包括在所述分界面結(jié)合至所述金剛石主體的基底，其特征在于，所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少部分的金剛石主體基本不含有催化劑材料，該催化劑材料用于在高壓高溫條件下形成所述主體。

　　10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，從所述工作面延伸出一定深度的、所述金剛石主體的部分區(qū)域基本不含有催化劑材料。

　　11.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括多個(gè)可操作地連接至鉆頭主體的切削元件，其特征在于，一個(gè)或多個(gè)所述切削元件包括如權(quán)利要求1所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)。

　　12.包括金剛石主體的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，所述金剛石主體包括晶粒間結(jié)合的金剛石的基質(zhì)相，和分布在結(jié)合的金剛石之間的多個(gè)間隙區(qū)，所述金剛石主體在一個(gè)位置具有工作面，在另一個(gè)位置具有分界面，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其特征在于，在所述工作面處，金剛石主體具有根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)之一的金剛石體積含量：燒結(jié)平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分?jǐn)?shù)大于93%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于94%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95.5%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于96%。

　　13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金剛石主體包括位于所述間隙區(qū)的催化劑材料，其中所述催化劑材料的體積含量在所述主體內(nèi)從所述分界面至所述工作面梯度變化。

　　14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述分界面增加。

　　15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金剛石主體包括附加材料，選自位于間隙區(qū)的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合。

　　16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附加材料的體積含量從所述工作面至所述分界面變化。

　　17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述催化劑材料在所述工作面的體積含量約小于6%。

　　18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，還包括在所述分界面結(jié)合至所述金剛石主體的基底，其特征在于，所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少部分的金剛石主體基本不含有催化劑材料，該催化劑材料用于在高壓高溫條件下形成所述主體。

　　20.根據(jù)權(quán)利要求9所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，從所述工作面延伸出一定深度的、所述金剛石主體的部分區(qū)域基本不含有催化劑材料。

　　21.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括多個(gè)可操作地連接至鉆頭主體的切削元件，其特征在于，一個(gè)或多個(gè)所述切削元件包括如權(quán)利要求12所述的金剛石結(jié)合結(jié)構(gòu)。

　　22.一種金剛石結(jié)構(gòu)，包括：金剛石主體，所述金剛石主體包括晶粒間結(jié)合的金剛石的基質(zhì)相，和分布在結(jié)合的金剛石之間的多個(gè)間隙區(qū)，所述金剛石主體在一個(gè)位置具有工作面，在另一個(gè)位置具有分界面，催化劑材料分布在所述間隙區(qū)，其中，所述催化劑材料的體積含量在所述主體內(nèi)從所述分界面至所述工作面梯度變化，其中所述金剛石主體包括位于所述間隙區(qū)的、選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合的附加材料，其中所述催化劑材料在所述工作面的體積含量約小于7%；以及在所述分界面結(jié)合至所述金剛石主體的基底，其中所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述分界面增加。

　　24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述金剛石主體內(nèi)，所述附加材料的體積含量從所述工作面至所述分界面變化。

　　25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且所述金剛石主體內(nèi)的碳化物的體積范圍約為1-10%。
　　26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中，在所述工作面處，金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標(biāo)準(zhǔn)之一：燒結(jié)平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分?jǐn)?shù)大于93%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于94%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95.5%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于96%。

　　27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，金剛石主體具有根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)之一的金剛石體積含量：所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述分界面處的金剛石的體積含量小于94%，且由等于或大于所述工作面的金剛石晶粒尺寸形成。

　　29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，催化劑材料和附加的碳化物的比率平衡，以使所述金剛石主體內(nèi)的熱力學(xué)穩(wěn)定性最佳。

　　30.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且催化劑材料與碳化物在所述金剛石主體內(nèi)的比率范圍約為6:1-1:10。

　　31.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且催化劑材料與碳化物在所述金剛石主體內(nèi)的比率范圍約為3:1-1:6。

　　32.根據(jù)權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述附加材料為碳化物，且催化劑材料與碳化物在所述工作面處的比率范圍約為4:1-1:4。

　　33.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括主體和可操作地連接至所述主體的多個(gè)切削元件，其特征在于，至少一個(gè)所述切削元件包括如權(quán)利要求22所述的金剛石結(jié)構(gòu)。

　　34.用于鉆探地下巖層的鉆頭，包括：主體；和可操作地連接至所述主體的多個(gè)切削元件，至少一個(gè)所述切削元件包括多晶金剛石結(jié)構(gòu)，該多晶金剛石結(jié)構(gòu)包括：金剛石主體，包括結(jié)合在一起的金剛石晶體的基質(zhì)相和分布在所述基質(zhì)相內(nèi)的多個(gè)分布的間隙區(qū)，所述金剛石主體在一個(gè)位置具有工作面，在另一個(gè)位置具有分界面，其中催化劑材料位于所述間隙區(qū)，催化劑材料的體積含量在所述金剛石主體內(nèi)從所述分界面至所述工作面梯度減少，其中所述金剛石主體包括位于所述間隙區(qū)的、選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合的添加材料，其中在工作面處，所述催化劑材料的體積含量約小于6%；以及在所述分界面結(jié)合至所述金剛石主體的基底，其中所述基底選自陶瓷材料、金屬材料、金屬陶瓷材料、以及它們的組合。

　　35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在所述主體內(nèi)，金剛石的體積含量大于1.5%。

　　36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在所述主體內(nèi)，金剛石的體積含量為2-6%。

　　37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其特征在于，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，金剛石主體具有根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)之一的金剛石體積含量：所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在所述工作面處，所述金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標(biāo)準(zhǔn)的其中之一：燒結(jié)平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分?jǐn)?shù)大于93%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于94%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95.5%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于96%。

　　39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，其特征在于，在臨近所述工作面的、所述主體的區(qū)域基本不含有所述催化劑材料。

　　40.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，包括多個(gè)從所述主體向外伸出的刀片，其特征在于，所述切削元件連接至所述刀片。

　　41.根據(jù)權(quán)利要求34所述的鉆頭，包括多個(gè)從所述主體向外伸出的腿，錐體可旋轉(zhuǎn)的設(shè)置在所述腿上，其特征在于，所述切削元件連接至所述錐體。

　　42.用于制備金剛石結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟：在催化劑存在時(shí)，使一定體積的金剛石晶粒經(jīng)受高壓高溫條件，以形成燒結(jié)的金剛石主體，該燒結(jié)的金剛石主體包括晶粒間結(jié)合的金剛石的基質(zhì)相，和分布在所述基質(zhì)相之間的多個(gè)間隙區(qū)，其中所述催化劑材料分布為所述間隙區(qū)，所述催化劑材料的體積含量在所述主體內(nèi)從所述工作面至所述分界面成梯度變化；其中，所述高溫高壓過程大于約6200MPa；其中，在所述工作面的金剛石體積含量約大于94%。

　　43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟之前，所述金剛石體積與附加材料結(jié)合，所述附加材料選自碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及它們的組合。

　　44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述附加材料的體積含量從所述分界面至所述工作面梯度增加。

　　45.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟之前，所述金剛石體積與與催化劑粉末體積混合，其中催化劑粉末的量從所述工作面至分界面變化。

　　46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，所述金剛石主體的體積含量差異約大于1.5%。

　　47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，所述金剛石主體的體積含量差異的范圍約為2-6%。

　　48.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟之前，將所述金剛石體積置于包括作為成分的催化劑材料的基底附近，當(dāng)所述經(jīng)受步驟時(shí)，所述基底結(jié)合至所述金剛石主體。

　　49.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟之后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，所述金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標(biāo)準(zhǔn)的其中之一：燒結(jié)平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分?jǐn)?shù)大于93%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于94%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95.5%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于96%。

　　50.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟之后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面處，金剛石主體具有根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)之一的金剛石體積含量：所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。

　　51.用于制備多晶金剛石結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：將一定體積的金剛石晶粒與碳化物材料結(jié)合，以形成混合物，其中在所述混合物中，碳化物材料的體積從將要成為所述結(jié)構(gòu)的工作面處開始變化；
將基底材料放置在所述混合物附近的表面，該表面不是所述混合物工作面，所述混合物和基底形成一組件；使所述組件經(jīng)受高壓高溫條件，其中在該經(jīng)受步驟中，在催化劑材料的存在下，使金剛石晶粒彼此經(jīng)受晶粒間的結(jié)合，以形成多晶金剛石主體，所述多晶金剛石主體在工作面具有約小于6%的催化劑含量，其中在經(jīng)受步驟中，所述基底結(jié)合至所述金剛石主體。

　　52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，金剛石主體具有梯度體積含量的催化劑材料。

　　53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于，催化劑材料的體積含量從所述工作面至所述基底增加。

　　54.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，在所述結(jié)合步驟中，所述催化劑材料結(jié)合至金剛石晶粒體積。

　　55.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟中，所述催化劑材料從所述基底滲入所述金剛石晶粒體積。

　　56.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，在金剛石主體內(nèi)，碳化物材料的體積范圍約為10-70%。

　　57.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟中，至少部分的所述組件暴露在約大于6200MPa的壓力下。

　　58.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟中，至少部分的所述組件暴露在約小于6200MPa的壓力下。

　　59.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中，在所述工作面處，所述金剛石晶粒尺寸和金剛石體積含量滿足以下標(biāo)準(zhǔn)之一：燒結(jié)平均金剛石晶粒尺寸為2-4微米，金剛石體積分?jǐn)?shù)大于93%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為4-6微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于94%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為6-8微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為8-10微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于95.5%；或者燒結(jié)平均晶粒尺寸為10-12微米，且金剛石體積分?jǐn)?shù)大于96%。

　　60.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于，在所述經(jīng)受步驟之后，所述主體的梯度金剛石體積含量約大于1.5%，其中在所述工作面，所述金剛石主體的金剛石體積含量根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)之一：所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9077）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0221）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9187）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0183）；或者所述金剛石體積分?jǐn)?shù)大于（0.9291）·（平均金剛石晶粒尺寸Λ0.0148），其中所述平均金剛石晶粒尺寸的單位為微米。