用于形成多晶超级磨料的技术及其相关方法以及

作者：张馨予

用于形成多晶超级磨料的技术及其相关方法以及用于钻地工具的切削元件
1.优先权声明
2.本技术要求于2020年2月10日提交的“用于形成多晶超级磨料的技术以及相关方法、材料、切削元件和钻地工具”的美国临时专利申请序列号62/972,555的申请日的权益。
技术领域
3.本公开整体涉及用于形成用于钻地工具及其部件以及其他工业应用中的多晶超级磨料附聚物的技术以及相关方法、切削元件和钻地工具。更具体地，公开的实施方案涉及用于形成用于钻地工具中的多晶超级磨料附聚物的技术，附聚物可更容易生产、表现出期望的尺寸和形状特性，并且被配置成当结合到较大质量的多晶材料(诸如例如切削元件的台面)中时更好地平衡性能特性。

背景技术：

4.用于在地下地层中形成井筒的钻地工具可以包括固定到主体的多个切削元件。例如，固定切削刃钻地旋转钻头(也称为“刮刀钻头”)包括固定地附接到钻头的钻头体的多个切削元件。类似地，牙轮钻地旋转钻头可包括安装在轴承销上的牙轮，轴承销从钻头体的支腿延伸，使得每个牙轮能够绕其安装在其上的轴承销旋转。多个切削元件可安装到钻头的每个牙轮。
5.用于此类钻地工具的切削元件通常包括聚晶金刚石复合片(通常称为“pdc”)切削元件，也称为“切削刃”，其是包括多晶金刚石(pcd)材料的切削元件，多晶金刚石(pcd)材料可以表征为超级磨料或超硬材料。此类多晶金刚石材料通过在催化剂(诸如例如钴、铁、镍或其合金和混合物)的存在下，在高温和高压的条件下将相对小的合成、天然或合成和天然金刚石晶粒或晶体的组合(称为“砂砾”)烧结和键合在一起来形成，以形成多晶金刚石材料层，也称为金刚石台面。这些过程通常称为高温/高压(“hthp”)工艺。切削元件基底可以包括陶瓷材料，即陶瓷-金属复合材料，诸如例如钴钨硬质合金。在一些情况下，多晶金刚石台面可以例如在hthp烧结工艺期间形成在切削元件上。在此类情况下，在烧结期间，切削元件基底中的钴或其他催化剂材料可以被扫掠到金刚石晶粒或晶体中，并且用作由金刚石晶粒或晶体形成金刚石台面的催化剂材料。在hthp工艺中将晶粒或晶体烧结在一起之前，粉末状催化剂材料也可以与金刚石晶粒或晶体混合。然而，在其他方法中，金刚石台面可以与切削元件基底分开形成，并且随后附接到其上。

技术实现要素：

6.在一些实施方案中，制备用于钻地工具的切削元件的方法可以涉及将超级磨料的离散颗粒与粘结剂材料在溶剂中混合以形成浆料。可以将浆料真空干燥或喷雾干燥，以使各个前体附聚物彼此解聚，前体附聚物包括悬浮在离散量的粘结剂材料中的一组离散颗粒。可以烧结前体附聚物，同时将前体附聚物暴露于一定量的催化剂材料以形成包括离散
量的多晶超级磨料的附聚物，同时抑制附聚物本身之间的粒间键的形成。任选地，随后可以烧结附聚物，同时将附聚物暴露于另一量的催化剂材料以形成包括附聚物的相邻晶粒之间的粒间键的切削元件的台面。
7.在其他实施方案中，用于钻地工具的切削元件可以包括基底和支撑在基底的端部上的台面。台面可包括多晶超级磨料和位于多晶超级磨料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中的填充材料。多晶超级磨料可包括超级磨料的相互键合的晶粒的浓缩附聚物、邻近附聚物之间的相互键合以及附聚物之间的间隙空间，间隙空间的尺寸和形状被设定成好像超级磨料的各个晶粒具有与限定间隙空间的附聚物相同的尺寸和形状。
附图说明
8.虽然本公开以特别指出并清楚地要求保护在本公开的范围内的某些实施方案的权利要求结束，但是下文参考附图论述了说明性实施方案的各种特征和优点也在本公开的范围内，其中：
9.图1是一种制备多晶超级磨料附聚物并且将附聚物结合到钻地工具的切削元件中的方法的流程图；
10.图2是用于形成用于钻地工具的切削元件的容器的横截面侧视图；
11.图3是根据本公开的包括附聚物的多晶超级磨料在放大倍数下可如何出现的横截面图；
12.图4是图3的阴影视图，其突出显示了多晶超级磨料的某些特征；
13.图5是图3的另一阴影视图，其突出显示了多晶超级磨料的其他特征；并且
14.图6是根据本公开的包括具有多晶超级磨料的一个或多个切削元件的钻地工具的透视侧视图。
具体实施方式
15.附图中呈现的图示并不意味着是任何特定多晶超级磨料、切削元件、钻地工具或其部件的实际视图，而仅是用于描述示例性实施方案的理想化表示。因此，附图不必按比例绘制。
16.所公开的实施方案通常涉及用于形成用于钻地工具中的多晶超级磨料附聚物的技术，附聚物可更容易生产、表现出期望的尺寸和形状特性并且被配置成当结合到较大质量的多晶材料(诸如例如切削元件的台面)中时更好地平衡性能特性。更具体地，公开了制备用于钻地工具的切削元件的台面的方法的实施方案，该方法可以涉及两个烧结工艺：用于形成包括多晶超级磨料的附聚物的第一烧结工艺和用于使附聚物相互键合并形成较大质量的多晶超级磨料的第二烧结工艺。较大质量的多晶超级磨料可以通过例如多晶超级磨料的各个晶粒的小的平均粒度、多晶超级磨料的相邻的相互键合的晶粒之间的小的键长以及在聚类中包括超级磨料的多个相互键合的晶粒的相互键合的附聚物之间的大的间隙区域来表征。当与本发明人已知的其他多晶超级磨料相比时，所得多晶超级磨料可具有更高的断裂强度、更高的断裂韧性、更高的耐磨性、更高的抵抗裂纹扩展的阻力或这些特性的任何组合或子组合。
17.如本文所用，涉及给定参数、特性或条件的术语“基本上”和“约”是指并且包括在
本领域的普通技术人员将理解给定参数、特性或条件满足一定程度的方差(诸如在可接受的制造公差内)的程度。例如，基本上为或为约指定值的参数可为指定值的至少约90％，指定值的至少约95％，指定值的至少约99％，或甚至指定值的至少约99.9％。
18.如本文所用，术语“钻地工具”是指并且包括井筒在地下地层中形成或放大期间用于钻孔的任何类型的钻头或工具。例如，钻地工具包括固定切削刃钻头、牙轮钻头、冲击钻头、岩心钻头、偏心钻头、双心钻头、扩孔钻、铣削钻、刮刀钻头、混合式钻头(例如，包括与固定切削元件组合的滚动部件的钻头)和本领域已知的其他钻头和工具。
19.如本文所用，术语“超级磨料”是指并且包括努普硬度值为约3,000kgf/mm2(29,420mpa)或更大的任何材料。超级磨料包括例如金刚石和立方氮化硼。超级磨料也可以被称为“超硬”材料。
20.如本文所用，术语“多晶材料”是指并且包括含有通过粒间键而直接键合在一起的多个材料晶粒(即晶体)的任何结构。单独材料晶粒的晶体结构可在多晶材料内的空间中随机地取向。
21.如本文所用，术语“粒间键”和“相互键合”是指并且包括超级磨料的相邻晶粒中的原子之间的任何直接原子键(例如，共价键、金属键等)。
22.如本文所用，相对定位的术语，诸如“上方”、“之上”、“下方”等是指图中所示的取向和定位。在真实世界形成和使用期间，所描绘的结构可以采取其他取向(例如，可以竖直地倒置、绕任何轴线旋转等)。因此，相对定位的描述必须按照取向的此类差异重新解释(例如，由于重新取向而导致定位结构被描述为位于下面的其他结构“上方”或至此类其他结构的侧面)。
23.图1是一种制备根据本公开的多晶超级磨料附聚物并且将附聚物结合到钻地工具的切削元件中的方法100的流程图。方法100可以涉及将超级磨料的离散颗粒与粘结剂材料在溶剂中混合以形成浆料，如动作102所示。例如，超级磨料的离散颗粒可以包括呈粉末形式的超级磨料的离散晶粒(例如，砂砾)。更具体地，超级磨料的离散颗粒可以包括金刚石砂砾。离散颗粒的平均粒度可以是细的。例如，离散颗粒的平均粒度可以小于约30微米。更具体地，离散颗粒的平均粒度可以介于约500纳米与约20微米之间。作为具体的非限制性示例，离散颗粒的平均粒度可以介于约1微米与约10微米之间(例如，约5微米、约6微米、约7微米、约8微米)。
24.离散颗粒可以通过例如用粘结剂材料粉磨附聚物来与粘结剂材料混合。更具体地，离散颗粒可以在溶剂中用一定量的催化剂材料粉磨。催化剂材料可以被配置成催化颗粒的超级磨料的晶粒之间的粒间键的形成，并且可以包括例如金属-溶剂催化剂(例如，钴、镍、铁、包括这些的混合物或合金)。催化剂材料可以构成例如约5重量％与约25重量％(例如约10重量％)之间的粉磨的内容物。溶剂可以包括例如异丙醇、丙酮、己烷或庚烷。在一些实施方案中，离散颗粒、粘结剂材料和溶剂也可以用蜡材料进行粉磨。蜡材料可包括例如石蜡或聚乙二醇(peg)。蜡材料可以构成例如约1重量％与约5重量％(例如约2重量％)之间的粉磨的内容物。混合的所得输出可以是例如包括至少部分地涂覆有包括催化剂材料和任何蜡材料的粘结剂材料的离散颗粒的浆料，所有这些都可以悬浮在溶剂内。
25.可以将浆料真空干燥或喷雾干燥，以使各个前体附聚物彼此解聚，前体附聚物包括至少部分地涂覆有离散量的粘结剂材料的一组离散颗粒，如动作104所示。所得的解聚的
前体附聚物可以包括例如有限量的超级磨料的离散细晶粒，其被包括催化剂材料和任何蜡材料的粘结剂材料包围并且悬浮在粘结剂材料内。解聚的前体附聚物也可以具有很少的尖锐边缘和不规则形状。例如，前体附聚物可以具有至少基本上卵形(例如，球形、椭圆形、旋转长圆形、梨形)形状。
26.在一些实施方案中，前体附聚物可在前体附聚物已经彼此解聚之后过滤成预定平均尺寸分组。过滤可通过例如使附聚物穿过具有预定尺寸的开口的网格来实现。前体附聚物的平均尺寸可以是例如约5mm或更小。更具体地，前体附聚物的平均直径可以是例如介于约10微米与约5mm之间。作为具体的非限制性示例，前体附聚物的平均尺寸可以是例如介于约20微米与约1mm之间(例如，约50微米、约100微米、约250微米、约500微米、约750微米)。给定前体附聚物内的超级磨料的离散颗粒的平均数目可以是例如在约3与约20之间。更具体地，给定前体附聚物内的超级磨料的离散颗粒的平均数目可以是例如在约4与约10之间。作为具体的非限制性示例，给定附聚物内的超级磨料的离散颗粒的平均数目可以在约5与约7之间。
27.可以烧结包括粘结剂材料的前体附聚物，同时将前体附聚物暴露于一定量的催化剂材料以形成包括多晶超级磨料的附聚物，如动作106所示。更具体地，烧结可以在每个附聚物中产生例如离散量的多晶超级磨料，其包括各个附聚物中的每个附聚物的离散颗粒之间的粒间键，同时抑制附聚物本身之间的粒间键的形成。可以将附聚物放置在例如容器(例如，图2所示的或类似容器)中，与呈粉末形式的另一量的催化剂材料混合。在一些实施方案中，还可以将大量的石墨引入容器中以降低当催化剂材料处于熔融状态时给定离散颗粒可收缩和/或溶解到催化剂材料中的可能性。
28.在其他实施方案中，在将附聚物引入容器中并且烧结附聚物之前，可以使附聚物与压力传输介质混合。压力传输介质可以用于将压力传输到附聚物，维持附聚物之间的距离以便降低不同的附聚物可以彼此相互键合的可能性，并且被配置成在形成附聚物本身的晶粒相互键合期间不显著改变附聚物的尺寸和形状。压力传输介质可以具有例如100gpa与500gpa之间的体积模量，这可以在烧结时促进产生高密度的附聚物。压力传输介质可以被配置成在烧结期间(例如，在hpht工艺期间)保持固体(即，不熔融)。
29.附聚物可以例如与超级磨料的细粉末混合并至少基本上在其晶粒之间随机分布。更具体地，附聚物可以与和附聚物的超级磨料相同的超级磨料的晶粒混合并且至少基本上在其间均匀地分布，但其平均粒度为附聚物的平均尺寸的10％或更小。作为具体的非限制性示例，附聚物可以与平均粒度介于约10nm与约1微米之间(例如，约0.05微米、约0.1微米、约0.5微米、约0.7微米)的金刚石粉末混合。
30.在一些实施方案中，用于压力传输介质的材料可以源自例如来自用于形成位于附聚物内的各个晶粒的过程的可能被认为是废物的材料。例如，用于压力传输介质的材料可以是对应于特定网筛或网筛的范围的那些超级磨料颗粒：其太小而不能包括在具有较大平均粒度的批量的颗粒中。更具体地，用于压力传输介质的材料可以源自通过挤压或，研磨(例如，喷射研磨)超级磨料(例如，金刚石、立方氮化硼)以产生超级磨料砂砾而产生的最小晶粒，其通常可以是废物(例如，当金刚石是超级磨料时，有时称为“金刚石粉”的材料)。因此，根据本公开的压力传输介质可以有益地使用否则可为废物的材料。在仍其他实施方案中，压力传输介质可以包括硬质材料的粉末，诸如例如具有适当平均粒度的碳化钨颗粒。
31.压力传输介质的各个颗粒的小尺寸可以抑制熔融催化剂材料从附聚物内流动到压力传输介质中。在压力传输介质的颗粒之间对催化剂材料的流动的抑制可以降低相邻的附聚物可以彼此相互键合的可能性、压力传输介质的晶粒可以彼此相互键合和/或与给定附聚物相互键合的可能性，以及附聚物的尺寸可以在烧结期间显著改变的可能性。
32.在一些实施方案中，附聚物和/或压力传输介质的颗粒可以至少部分地涂覆有涂层材料，以进一步降低来自附聚物内的催化剂材料可流入压力传输介质中的可能性并且抑制碳材料从附聚物内扩散到压力传输介质中，并反之亦然。例如，附聚物可以至少部分地涂覆有金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物材料。更具体地，附聚物可以涂覆有碳化钛、氮化钛和/或碳氮化钛(例如，ti(c
x
,n
1-x
)，其中x介于0与1之间)。涂覆可以通过例如以下方式来实现：将前体附聚物浸入包括涂层材料的溶液中、将前体附聚物与包括涂层材料的粉末或浆料混合、物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)，或以不同于施加涂层材料的方式用涂层材料的粉末或颗粒来研磨前体附聚物以便不改变前体附聚物的尺寸或形状(例如，通过用溶液中的粉末或颗粒和作为溶剂的水进行球磨)。
33.在一些实施方案中，可以预压实混合粉末，包括前体附聚物、任何粉末状催化剂材料、任何粉末状石墨材料和任何压力传输介质，以在引入容器之前形成生坯。容器内部的粉末或生坯形式的混合粉末可以在热压循环之前经受脱蜡处理。脱蜡处理可在炉中在真空或由氢气、氩气或两者的混合物组成的气氛下进行。脱蜡处理可以在约400℃至约900℃的温度之间进行，并且可以持续约15分钟至约2小时的时段。脱蜡处理可以从混合粉末或生坯中至少部分地去除蜡。
34.通过在压力下加热前体附聚物和催化剂材料可以使各个前体附聚物的先前离散晶粒彼此相互键合，以形成每个给定附聚物的一定质量的多晶超级磨料。更具体地，容器、前体材料和容器的任何其他内容物(例如，附加量的催化剂材料、石墨材料、压力传输介质)可以在有时称为“高压/高温”(hpht)工艺的过程中(例如，在hpht工艺中)经受至少5gpa(例如，高达8gpa)的压力并且暴露于至少1,100℃(例如，约1,200℃、约1,400℃、约1,450℃)。
35.还可以通过控制例如容器内的前体附聚物的浓度、峰值温度和压力下的时间或两者来限制附聚物的各个晶粒的生长和先前离散的前体附聚物本身之间的互相键合。例如，在将附聚物与另外的催化剂材料和任选的石墨材料一起放入容器中的那些实施方案中，前体附聚物的超级磨料可以占容器的内容物的约50重量％或更少。更具体地，在这些实施方案中，前体附聚物的超级磨料可以占容器的内容物的约10重量％至约45重量％(例如，约35重量％、约40重量％)。
36.作为另一示例，可以选择相对量的前体附聚物和压力传输介质以增加前体附聚物的填充密度，同时降低相邻附聚物将彼此接触的可能性。更具体地，附聚物可以占据容器的内容物的约72.5重量％或更少，而压力传输介质构成其余部分(约27.5重量％或更多)。作为具体的非限制性示例，附聚物可以占据容器的内容物的约50重量％至约72.5重量％(例如，60重量％、70重量％)，而压力传输介质和任何附带材料构成其余部分。
37.在一些实施方案中，压力传输介质可以占据容器的等于或大于压力传输介质在容器中的渗滤阈值的体积(即，确保压力传输介质的颗粒之间的连续连接以及容器中另外空白空间的占用的压力传输介质的量，同时尝试增加容器中的附聚物的可用空间)。出于本文档的目的，术语“渗滤阈值”意指pt，如以下等式1所定义。
38.等式1：
39.其中pt是渗滤阈值，φ是压力传输介质的平均纵横比(长度/宽度)，并且p
′
由以下等式2定义。
40.等式2：
41.其中z表示使用以下等式3计算的配位填充数。
42.等式3：
43.其中vf是容器中的压力传输介质的体积分数。容器中压力传输介质的体积分数vf可以通过在容器的体积的微结构的一个或多个二维图像中分析压力传输介质的面积分数，然后使用微结构分析领域中已知的标准技术基于测量的二维面积分数估计三维体积分数vf来确定。因此，一旦从测量的二维面积分数确定体积分数vf，就可以使用标准计算方法求出上述等式3的z值。然后，z的值允许计算以上等式2的p
′
值。可以分析用于测量压力传输介质的面积分数的微结构的相同二维图像，以测量压力传输介质的平均纵横比φ(长度/宽度)。然后可以使用计算的p
′
值和压力传输介质的测量的平均纵横比φ来根据以上等式3计算渗滤阈值pt。
44.尽管容器中的附聚物和任何其他材料(例如，压力传输介质、另外的催化剂材料、石墨材料)的填充可以寻求维持分离，并抑制相邻的附聚物之间的键合，同时增加填充密度，但是可能发生相邻的先前前体附聚物之间的一些偶然的相互键合。
45.在给定附聚物内彼此相互键合的各个晶粒的平均粒度可以是例如约10微米或更小。更具体地，附聚物中各个晶粒的平均粒径可以是例如介于约2微米与约8微米之间。作为具体的非限制性示例，形成附聚物的各个晶粒的平均粒度可以介于约4微米与约6微米之间。附聚物的平均尺寸可以是例如约5mm或更小。更具体地，附聚物的平均直径可以是例如约10微米至约5mm。作为具体的非限制性示例，附聚物的平均尺寸可以是例如约20微米至约1mm(例如，约50微米、约100微米、约250微米、约500微米、约750微米)。彼此相互键合以形成给定附聚物的超级磨料的晶粒的平均数目可以是例如在约3与约10之间。更具体地，彼此相互键合以形成给定附聚物的超级磨料的晶粒的平均数目可以在例如在约4与约8之间。作为具体的非限制性示例，彼此相互键合以形成给定附聚物的超级磨料的晶粒的平均数目可以在约5与约7之间。
46.与通过将多晶超级磨料挤压成更小的颗粒(尽管仍然是多晶的)而产生的附聚物相比，所得的附聚物也可以具有更少的尖锐边缘和不规则形状。例如，附聚物可以具有至少基本上卵形(例如，球形、椭圆形、旋转长圆形、梨形)形状。
47.可以从容器中去除附聚物，并且可以将附聚物过滤成预定平均尺寸分组，诸如例如那些尺寸中的任一者，并且利用先前结合前体附聚物讨论的那些技术中的任一种。在附聚物用附加量的催化剂材料和任选的石墨材料烧结的实施方案中，可以通过浸出工艺(例
如，放置在酸浴中)解聚附聚物。在压力传输介质与前体附聚物一起放置在容器中的那些实施方案中，烧结可以使压力传输介质的颗粒变成彼此键合的玻璃(例如，通过弱非晶碳键)。换句话说，烧结的结果可以是部分烧结的(例如，“棕色”)部分，包括限制在超级磨料的单晶、玻璃键合晶粒的矩阵中的多晶超级磨料的附聚物。解聚可以涉及研磨(例如，球磨)棕色部分，并且通过尺寸过滤以将较大的附聚物与压力传输介质的重新分离的晶粒分离。在一些实施方案中，可以重复使用压力传输介质。
48.在一些实施方案中，形成附聚物时使用的催化剂材料的至少一部分可以从附聚物中去除。例如，附聚物可以暴露于(例如，浸没在)酸(例如，王水)中，酸可以在通常称为“浸出”的工艺中从附聚物内的表面和间隙空间溶解催化剂材料的至少一部分。在一些实施方案中，所得附聚物可以至少基本上不含用于在超级磨料的相邻晶粒之间形成粒间键的催化剂材料。例如，可以去除大部分催化剂材料，并且残留量的催化剂材料可以保留在一个或多个表面上，并且附聚物内不能进入间隙空间的互连网络的隔离袋仍可以在其中包括催化剂材料。在其他实施方案中，浸出仅可以从附聚物中去除过量的催化剂材料。
49.在一些实施方案中，随后可以再次烧结附聚物，同时将附聚物暴露于又另一量的催化剂材料以形成包括附聚物的相邻晶粒之间的粒间键的切削元件的台面，如动作108所示。例如，可以将附聚物与基底和另一量的催化剂材料(例如，以基底的复合材料的金属基体、与附聚物混合的粉末状催化剂材料、或邻近附聚物定位的催化剂材料的箔的形式)一起放置在容器(例如，图2所示的)中。可以通过在压力下加热金刚石砂砾和催化剂材料(例如，在另一种hpht工艺中)来使相邻的附聚物彼此相互键合以形成台面的较大质量的多晶超级磨料。在一些实施方案中，第二烧结工艺可以根据本发明人已知的常规技术，使用本文公开的非常规附聚物作为输入材料来进行。
50.在一些实施方案中，所得台面可以至少部分地被浸出以从附聚物的超级磨料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中去除催化剂材料的至少一部分。如发明人所已知的，此类浸出或部分浸出可以使台面更能适应温度的变化，温度的变化否则可能由于多晶超级磨料与催化剂和/或填充材料之间的热膨胀系数的差异而产生应力(例如，可以使台面更加“热稳定”)。
51.在第二烧结工艺之后，台面的多晶超级磨料的浓度可以是例如约85重量％至约94重量％。在第二烧结工艺之后，台面的催化剂材料的浓度可以是例如约6重量％至约15重量％。
52.在其他实施方案中，通过第一烧结工艺产生的附聚物可能不经受后续烧结工艺。附聚物可用作具有可选择平均尺寸、大体上平滑和圆形形状并且由多晶超级磨料形成的独立颗粒。例如，附聚物可以在滚珠轴承中用作研磨介质(例如，作为耐用的粉末润滑剂)、用作增材制造工艺(例如，用于粘结剂喷射、聚合物3d印刷)中的材料的添加剂、用作混杂复合材料中的颗粒、用作耐磨堆焊材料的颗粒、用作覆盖材料的颗粒组分，或用作任何浓缩的热输入、高温熔融应用中的颗粒添加剂。
53.图2是用于形成用于钻地工具的切削元件204的容器202的横截面侧视图。容器202可以包括例如两个或更多个杯形构件206，其焊接和或锻造在一起以形成内腔，用于形成台面210的基底208和前体材料(例如，附聚物、附加催化剂材料)可以位于其中。在一些实施方案中，前体材料还可以包括与附聚物混合的超级磨料的未键合颗粒(例如，金刚石砂砾)。
54.在烧结工艺之后，切削元件204可以包括基底208和支撑在基底208的端部上的台面210。台面210可包括多晶超级磨料和位于多晶超级磨料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中的填充材料。图2中描绘的切削元件204大体上成形为直柱，但是根据本公开的附聚物和多晶超级磨料可以用于形成具有发明人已知的其他形状(诸如例如齿顶、墓碑和凿子形状)的切削元件。
55.在其他实施方案中，并且如先前所指出的，附聚物可以不被烧结第二次，但是可以以其他方式结合到钻地工具的部件中或用于其他应用。例如，附聚物可以是磨料浸渍材料内的磨料颗粒(例如，分散在金属基体结合碳化钨复合材料的其他颗粒中的附聚物)。此类材料可用作例如耐磨堆焊材料、切削刀片、表垫、钻地工具的主体以及发明人已知的其他工具和部件。
56.图3是根据本公开的包括附聚物的多晶超级磨料300在放大倍数下可如何出现的横截面图。图4是图3的阴影视图，其突出显示了多晶超级磨料300的某些特征。图5是图3的另一阴影视图，其突出显示了多晶超级磨料300的其他特征。通过组合参考图3、图4和图5，多晶超级磨料300可以通过超级磨料的相互键合的晶粒304的浓缩附聚物302、邻近附聚物302之间的相互键合以及附聚物302之间的间隙空间306来表征，间隙空间的尺寸和形状被设定成好像超级磨料的各个晶粒具有与限定间隙空间306的附聚物302相同的尺寸和形状。
57.如更具体地在图4中突出显示的，附聚物302可以产生浓缩多晶超级磨料300的大聚类，其中在附聚物302之间具有对应的大的间隙空间306，催化剂材料308或另一种填充材料可定位在其中。例如，超级磨料的各个晶粒304在整个多晶超级磨料300中的分布以及间隙空间306和位于其中的催化剂材料308在整个多晶超级磨料300中的分布可能不是均匀的。更具体地，图4中所描绘的微结构通常可以类似于例如将来自由具有与附聚物302的平均尺寸相同的平均粒度的超级磨料的晶粒形成多晶超级磨料300的微结构。
58.如更具体地在图5中突出显示的，实际粒度和相邻晶粒304之间的键的长度可以是小的。
59.通过形成如本文所公开的多晶超级磨料300(例如，使用双烧结工艺)，所得材料可以具有比使用单烧结工艺形成的多晶超级磨料更高的断裂强度、更高的断裂韧性和更高的耐磨性。例如，当与具有超级磨料的相互键合的晶粒的相同的平均粒度的其他多晶超级磨料相比时，占据相互键合的附聚物302之间的间隙空间306的催化剂材料308或其他填充材料的大的区域可以更好地增加断裂强度和断裂韧性。作为另一示例，当与具有较大平均粒度的其他多晶超级磨料相比时，小晶粒304和相邻晶粒304之间的小键长可以增加耐磨性并提高抵抗裂纹扩展的阻力。
60.图6是根据本公开的包括具有多晶超级磨料的一个或多个切削元件204的钻地工具600的透视侧视图。例如，钻地工具600可以包括主体602和如本文先前所述的被固定地附接到主体602(例如，钎焊在延伸到主体602中的凹坑内)的一个或多个切削元件204。图6中描绘的钻地工具600被配置为固定切削刃钻地钻头，但是根据本公开的包括材料的切削元件204可以部署在发明人已知的其他钻头和工具上。
61.与发明人已知的多晶超级磨料相比，包括根据本公开形成的附聚物的多晶超级磨料可更好地平衡性能特性，诸如例如断裂强度、断裂韧度、耐磨性以及抵抗裂纹扩展的阻力。例如，根据本公开的多晶超级磨料可以包括催化剂材料或其他填充材料的大的浓缩区
域，占据相互键合的附聚物之间的间隙空间可更好地增加断裂强度和断裂韧性。更具体地，与使用发明人已知的常规技术形成的具有相同平均粒度的多晶超级磨料相比，根据本公开形成的多晶超级磨料可以具有催化剂材料的更大的浓缩区域。作为另一示例，小晶粒和相邻晶粒之间的小键长可以增加耐磨性并提高抵抗裂纹扩展的阻力。更具体地，与使用发明人已知的常规技术形成的具有相同的通过间隙空间的平均自由程和/或超级磨料的相同密度的多晶超级磨料相比，根据本公开形成的多晶超级磨料可以具有更小的平均粒度和更短的平均键长。
62.另外，与发明人已知的类似尺寸范围中的超级磨料的其他颗粒相比，根据本公开形成的附聚物可以具有跨越一系列期望的平均尺寸的可选平均尺寸、更一致的形状和更平滑的外表面以及更高的断裂强度、断裂韧性以及抵抗裂纹扩展的阻力。
63.本公开范围内的附加的非限制性实施方案包括以下方面：
64.实施方案1：一种制备用于钻地工具的切削元件的方法，包括：将超级磨料的离散颗粒与粘结剂材料在溶剂中混合以形成浆料；真空干燥或喷雾干燥所述浆料以使各个附聚物彼此解聚，所述附聚物包括悬浮在离散量的所述粘结剂材料中的一组离散颗粒；以及烧结包括所述粘结剂材料的所述附聚物，同时将所述附聚物暴露于一定量的催化剂材料以形成离散量的多晶超级磨料，所述多晶超级磨料包括所述各个附聚物中的每个附聚物的所述离散颗粒之间的粒间键，同时抑制所述附聚物本身之间的粒间键的形成。
65.实施方案2：根据实施方案1所述的方法，还包括随后烧结包括所述多晶超级磨料的所述附聚物，同时将所述附聚物暴露于另一量的催化剂材料以形成包括所述附聚物的相邻晶粒之间的粒间键的所述切削元件的台面。
66.实施方案3：根据实施方案1或实施方案2所述的方法，其中形成所述附聚物包括：将金刚石砂砾和催化剂材料放置在容器内；当通过在压力下加热所述金刚石砂砾和所述催化剂材料使所述金刚石砂砾的金刚石晶粒彼此邻近时，使所述金刚石晶粒彼此相互键合，以形成所述附聚物的所述多晶超级磨料；以及从所述容器中去除所述附聚物并且将附聚物过滤成预定平均尺寸分组以使所述附聚物彼此解聚。
67.实施方案4：根据实施方案3所述的方法，还包括当对所述容器的整个内容物进行评估时，将所述金刚石砂砾的浓度维持在约50重量％或更少。
68.实施方案5：根据实施方案3或实施方案4所述的方法，还包括将所述金刚石砂砾的平均粒度选择为约30微米或更小。
69.实施方案6：根据实施方案1或实施方案2所述的方法，其中形成所述附聚物包括：将与压力传输介质混合的包括金刚石砂砾和催化剂材料的聚类的前体附聚物放置到容器中；当通过在压力下加热所述金刚石砂砾和所述催化剂材料使所述金刚石砂砾的金刚石晶粒彼此邻近时，使所述金刚石晶粒彼此相互键合，以形成所述附聚物的所述多晶超级磨料；以及从所述容器中去除所述附聚物并且使所述附聚物彼此解聚。
70.实施方案7：根据实施方案6所述的方法，其中使所述附聚物彼此解聚包括球磨所述附聚物。
71.实施方案8：根据实施方案6或实施方案7所述的方法，其中将所述压力传输介质放置到所述容器中包括将平均粒度为10％的所述前体附聚物的平均尺寸或更小的所述超级磨料的粉末放置在所述容器中。
72.实施方案9：根据实施方案8所述的方法，还包括当对所述容器的整个内容物进行评估时，将所述压力传输介质的浓度维持在约27.5重量％或更多。
73.实施方案10：根据实施方案8或实施方案9所述的方法，还包括在将所述前体附聚物放置到所述容器中之前，用涂层材料涂覆所述前体附聚物。
74.实施方案11：根据实施方案10所述的方法，其中用所述涂层材料涂覆所述前体附聚物包括用金属碳化物、金属氮化物或金属碳氮化物材料涂覆所述前体附聚物。
75.实施方案12：根据实施方案1至11中任一项所述的方法，还包括控制暴露于峰值温度和压力的时间以抑制所述附聚物的生长和相互键合。
76.实施方案13：根据实施方案12所述的方法，其中控制暴露于峰值温度和压力的所述时间以抑制所述附聚物的生长包括将所述附聚物的平均尺寸维持在小于100微米。
77.实施方案14：根据实施方案1至13中任一项所述的方法，其中将所述离散颗粒与所述粘结剂材料混合包括用另一量的催化剂材料粉磨所述离散颗粒。
78.实施方案15：根据实施方案1至14中任一项所述的方法，其中将所述离散颗粒与所述溶剂混合包括用异丙醇、丙酮、己烷或庚烷粉磨所述离散颗粒。
79.实施方案16：根据实施方案1至15中任一项所述的方法，还包括在随后烧结所述附聚物以形成所述切削元件的所述台面之前，将所述附聚物过滤成预定平均尺寸分组。
80.实施方案17：根据实施方案16所述的方法，其中将所述附聚物过滤成所述预定平均尺寸分组包括将所述附聚物过滤成约5mm或更小的平均尺寸。
81.实施方案18：一种用于钻地工具的切削元件，包括：基底；和台面，所述台面支撑在所述基底的端部上，所述台面包括：多晶超级磨料和位于所述多晶超级磨料的相互键合的晶粒之间的间隙空间中的填充材料；其中所述多晶超级磨料由所述超级磨料的相互键合的晶粒的浓缩附聚物、邻近附聚物之间的相互键合以及所述附聚物之间的间隙空间来表征，所述间隙空间的尺寸和形状被设定成好像所述超级磨料的各个晶粒具有与限定所述间隙空间的所述附聚物相同的尺寸和形状。
82.实施方案19：根据实施方案18所述的切削元件，其中所述超级磨料的所述各个晶粒的分布不均匀。
83.实施方案20：根据实施方案18或实施方案19所述的切削元件，其中所述超级磨料的所述间隙空间的分布不均匀。
84.尽管已经结合附图描述了某些示例性实施方案，但本领域普通技术人员将认识并理解，本公开的范围不限于在本公开中明确示出和描述的那些实施方案。相反，可以对本公开中描述的实施方案进行许多添加、删除和修改以产生在本公开范围内的实施方案，诸如特别要求保护的实施方案，包括合法的等同物。此外，来自一个公开实施方案的特征可以与另一个公开实施方案的特征组合，同时仍然在本公开的范围内。