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CN108138546B - 用于使用能量束从切削元件的超硬磨料除去间隙材料的方法和系统 - Google Patents

用于使用能量束从切削元件的超硬磨料除去间隙材料的方法和系统 Download PDF

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CN108138546B CN201680060734.6A CN201680060734A CN108138546B CN 108138546 B CN108138546 B CN 108138546B CN 201680060734 A CN201680060734 A CN 201680060734A CN 108138546 B CN108138546 B CN 108138546B
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Abstract

一种形成用于钻地工具的切削元件的方法可以包括将至少一个能量束引导到一定体积的聚晶超硬磨料的表面处，所述体积的聚晶超硬磨料包括设置在聚晶超硬磨料的相互结合的晶粒之间的区域中的间隙材料。所述方法包括用所述至少一个能量束烧蚀所述间隙材料，使得所述间隙材料的至少一部分被从所述体积的聚晶超硬磨料的第一区域除去，而没有使所述第一区域中的超硬磨料的所述相互结合的晶粒或它们的键有任何实质性降解。

Description

用于使用能量束从切削元件的超硬磨料除去间隙材料的方法和系统
优先权要求
本申请要求2015年9月11日提交的关于“METHODS AND SYSTEMS FOR REMOVINGINTERSTITIAL MATERIAL FROM SUPERABRASIVE MATERIALS OF CUTTING ELEMENTS USINGENERGY BEAMS”的美国专利申请序列号14/851,973的申请日的权益。
技术领域
本公开的实施方案整体涉及形成切削元件，并且更具体地涉及利用电磁辐射从切削元件的超硬磨料台中的超硬磨料的相互结合晶粒之间的空间中除去间隙材料。
背景技术
用于在地下地层中形成钻井孔的钻地工具通常包括固定到主体的多个切削元件。例如，固定式刀片钻地旋转钻头(也称为“刮刀钻头”)包括多个切削元件，这些切削元件固定地附接到钻头的钻头主体。类似地，牙轮式钻地旋转钻头可以包括安装在从钻头主体的支腿延伸出的轴承销上的牙轮，使得每个牙轮都能够围绕上面安装有牙轮的轴承销旋转。可以将多个切削元件安装到钻头的每个牙轮。换句话讲，钻地工具通常包括钻头主体，切削元件附接到所述钻头主体。
此类钻地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金刚石复合片(通常称为“PDC”)，聚晶金刚石复合片包括聚晶金刚石材料的切削面。聚晶金刚石材料是包含相互结合的金刚石材料的晶粒或晶体的材料。换句话讲，聚晶金刚石材料包括金刚石材料的晶粒或晶体之间的直接的颗粒间键。术语“晶粒”和“晶体”在本文中同义地使用并可互换使用。
通常通过在存在催化剂(例如，金属溶剂催化剂，诸如钴、铁、镍或其合金和混合物)的情况下的高温和高压条件下，将相对较小的金刚石晶粒烧结并结合在一起以在切削元件基底上形成聚晶金刚石材料层例如，复合片或“台”)来形成聚晶金刚石复合片切削元件。这些工艺通常被称为高温/高压(HTHP)工艺，并且可涉及至少约1300摄氏度的温度和约5GPa和9GPa之间的压力以将金刚石晶粒烧结和结合在一起。基底可以包含金属陶瓷材料(即，陶瓷-金属复合材料)，诸如，例如钴钨硬质合金。在这些情况下，基底中的钴(或其他催化剂材料)可在烧结期间被扫入金刚石晶粒中并用作由金刚石晶粒形成颗粒间金刚石-金刚石键和所得金刚石台的催化剂材料。在其他方法中，可以将粉末状催化剂材料与金刚石晶粒混合，然后再在HTHP工艺中将晶粒烧结在一起。
在使用HTHP工艺形成金刚石台时，催化剂材料可以保留在所得聚晶金刚石复合片中的金刚石的相互结合的晶粒之间的间隙空间中。由于在切削元件与地层之间的接触点处的摩擦，当切削元件在使用期间被加热时，金刚石台中的催化剂材料的存在可能导致金刚石台中的热损伤。
尽管其中催化剂材料保留在聚晶金刚石复合片中的聚晶金刚石复合片切削元件在高达约750℃的温度下通常是热稳定的，但在超过约350℃的温度下，在切削元件内可能开始产生内应力。这种内应力至少部分是由于金刚石台与结合到该金刚石台的基底之间的热膨胀率不同所致。热膨胀率的这种差异可能导致在金刚石台与基底之间的界面处出现相对较大的压应力和张应力，并且可能导致金刚石台从基底脱层。在约750℃及以上的温度下，由于金刚石台内的金刚石材料和催化剂材料的热膨胀系数的差异，金刚石台自身内的应力可能显著增加。例如，钴的热膨胀明显快于金刚石，这可能会导致裂纹在金刚石台内形成并扩散，最终导致金刚石台劣化以及切削元件失效。
此外，在等于或高于约750℃的温度下，聚晶金刚石复合片内的一些金刚石晶体可与催化剂材料反应，从而导致金刚石晶体经历化学分解或转换回碳的另一种同素异形体或另一种碳基材料。例如，金刚石晶体可以在金刚石晶体边界处石墨化，这可能实质上削弱金刚石台。另外，在极高的温度下，除石墨外，一些金刚石晶体可以转化成一氧化碳和二氧化碳。
为了减少与聚晶金刚石复合片切削元件中的不同热膨胀率和金刚石晶体的化学损坏有关的问题，已经开发了所谓的“热稳定”聚晶金刚石复合片(其也称为热稳定产品或“TSP”)。可以通过使用例如酸或酸的组合从金刚石台中的相互结合的金刚石晶体之间的间隙空间中浸出催化剂材料(例如，钴)来形成这种热稳定的聚晶金刚石复合片。例如，可以使用浸出剂和诸如以下专利中更全面所述的工艺来浸出硬质聚晶材料，这些专利例如：Bunting等人的美国专利号5,127,923，(1992年7月7日发布)；以及Bovenkerk等人的美国专利号4,224,380，(1980年9月23日发布)，其中每一个的全部公开内容都通过引用并入本文。具体地，可以使用王水(浓硝酸(HNO3)和浓盐酸(HCl)的混合物)来从金刚石台的硬质聚晶材料中的相互结合的晶粒之间的间隙空间中至少基本上除去催化剂材料。还已知的是，使用沸腾的盐酸(HCl)和沸腾的氢氟酸(HF)作为浸出剂。一种特别合适的浸出剂是温度高于110℃的盐酸(HCl)，其可以经提供与金刚石台的硬质聚晶材料接触约2小时至约60小时的时间段，这取决于包含硬质聚晶材料的主体的尺寸。一些浸出过程甚至涉及使硬质聚晶材料与浸出剂接触数周或更长时间。通常通过穿过硬质聚晶材料的微观结构的液体酸扩散来控制金刚石台内的浸出深度。在使硬质聚晶材料浸出之后，硬质聚晶材料内的相互结合的晶粒之间的间隙空间可以至少基本上不含用于催化硬质聚晶材料中的晶粒之间的颗粒间键的形成的催化剂材料。在一些实施方案中，浸出可以选择性地应用到金刚石台的特定区域而不应用到其他区域。例如，在一些实施方案中，可以将掩模应用于金刚石台的区域，并且仅未经掩模的区域可以被浸沥。
发明内容
在本公开的一些实施方案中，一种形成用于钻地工具的切削元件的方法包括将至少一个能量束引导到切削元件的一定体积的聚晶超硬磨料的表面，该体积的聚晶超硬磨料包括设置在聚晶超硬磨料的相互结合的晶粒之间的区域中的间隙材料。该方法包括用至少一个能量束烧蚀间隙材料，使得间隙材料的至少一部分被从该体积的聚晶超硬磨料的第一区域除去，而没有使第一区域中的相互结合的金刚石晶粒或它们的键有任何实质性劣化。
在其他实施方案中，一种形成用于钻地工具的切削元件的方法包括：从发射器发射至少一个能量束；以及将至少一个能量束用一个或多个反射镜引导到切削元件的一定体积的聚晶金刚石的外表面。该体积的聚晶金刚石包括位于聚晶金刚石的相互结合的晶粒之间的区域内的间隙金属催化剂材料。该至少一个能量束在至少一个能量束冲击该体积的聚晶金刚石的外表面的位置处具有约200nm与约800nm之间的波长。该方法包括用至少一个能量束烧蚀间隙金属催化剂材料，使得间隙金属催化剂材料的至少一部分被从该体积的聚晶金刚石的区域除去，而没有使该体积的聚晶金刚石的区域中的聚晶金刚石的相互结合的晶粒或它们的键有任何实质性劣化。
附图简述
图1示出了根据本公开的实施方案的示出了切除部分的切削元件的简化透视图。
图2示出了根据本公开的实施方案的用于从切削元件的一定体积的超硬磨料内的超硬磨料的相互结合的晶粒之间的空间除去间隙材料的激光烧蚀系统的示意图。
图3示出了与图2的激光烧蚀系统一起使用的任选的激光微喷射装置。
图4示出了根据本公开的实施方案的具有一定体积的超硬磨料的切削元件的局部截面图，其中烧蚀区域具有非平面烧蚀边界。
图5示出了根据本公开的实施方案的具有一定体积的超硬磨料的切削元件的局部截面图，其中烧蚀区域具有非平面烧蚀边界以及该体积的超硬磨料与支撑基底之间的非平面界面。
图6示出了根据本公开的实施方案的具有一定体积的超硬磨料的切削元件的局部截面图，其中烧蚀区域具有平面烧蚀边界以及该体积的超硬磨料与基底之间的非平面界面，烧蚀区域包括与该体积的超硬磨料的侧表面相邻的单独的周边区域。
图7示出了现有技术切削元件内的残余应力的图，该切削元件具有带有平面浸出边界的浸出体积的超硬磨料。
图8示出了根据本公开的实施方案的切削元件内的残余应力的图，该切削元件具有带有正弦烧蚀边界的激光烧蚀体积的超硬磨料。
具体实施方式
本文呈现的图示并不意味着是任何特定切削元件、一定体积的超硬磨料、激光烧蚀系统或其组成部分的实际视图，而仅是用于描述例示实施方案的理想化表示。因此，附图未必按比例绘制。
图1示出了根据本公开的实施方案形成的切削元件2的局部剖视图。切削元件2可以包括设置在基底6上的一定体积的超硬磨料4。该体积的超硬磨料4可以包括超硬磨料的相互结合的晶粒，例如合成金刚石、天然金刚石、合成金刚石和天然金刚石的组合、聚晶金刚石(PCD)或本领域已知的其他超硬磨料。应当理解，可以使用其他类型的超硬磨料，并且这些超硬磨料可以包括超硬磨料的相互结合的晶粒，其中在相互结合的晶粒之间的空间中设置有不期望的间隙材料。该体积的超硬磨料4在本领域中通常称为“超硬磨料台”，并且当该体积的超硬磨料4包括聚晶金刚石时，该体积的超硬磨料4在本领域中通常被称为“金刚石台。”
该体积的超硬磨料4可以包括位于超硬磨料的相互结合的晶粒之间的空间内的间隙材料。间隙材料可以包括催化剂材料。如本文所用，术语“催化”是指对HTHP工艺中超硬磨料的晶粒之间的颗粒间键的形成的催化。作为非限制性例子，间隙材料可以包含VIII族金属溶剂催化剂，诸如钴、铁、镍或其合金或混合物。在其他实施方案中，间隙材料可以包括非催化材料。间隙材料可以占超硬磨料的体积的约0.1％至约15％之间。
该体积的超硬磨料4可以形成在基底6上，或者该体积的超硬磨料4和基底6可以分别形成并且随后在界面8处附接在一起。该体积的超硬磨料4可以具有位于界面8对面并大致横向于切削元件2的纵向轴线L延伸的切削面10。切削面10的外周边(当切削元件2安装到钻地工具的主体时)可以被定义为切削边缘12，切削元件2接合切削边缘12并且切削边缘12切割地下地层材料。该体积的超硬磨料4可以具有如图1所示从切削边缘12径向向内延伸的单个倒角表面14，或者可以具有多个倒角表面和/或倒圆周边边缘(未示出)。该体积的超硬磨料4可以具有从切削边缘12纵向地延伸到该体积的超硬磨料4与基底6之间的界面8的侧表面16。基底6可以具有从界面8延伸到基底的与界面8相对定位的后表面的侧表面18。
基底6可以由相对坚硬且耐磨的材料形成。例如，基底6可以由陶瓷-金属复合材料(即“金属陶瓷”)形成并且包含陶瓷-金属复合材料。基底6可以包含硬质合金材料，诸如钴钨硬质合金，其中碳化钨颗粒在包含钴的金属粘合剂材料中粘结在一起。其他金属粘合剂材料可以包含例如镍、铁或其合金和混合物。另选地，可以使用其他基底材料。
应该理解的是，尽管图1所示的切削元件2具有大致圆柱形形状，但其他形状也在本公开的范围内。作为非限制性例子，当在横向于切削元件2的纵向轴线L的平面中观察时，切削元件2可具有椭圆形、矩形、三角形或墓碑形状。另外，虽然该体积的超硬磨料4的切削面10示为是大体平面的，但切削面10可包括成形特征和非平面几何形状，诸如以下专利中所公开的任一个：DiGiovanni等人在2014年4月1日发布的美国专利8,684,112；DiGiovanni等人在2014年12月20日发布的美国专利8,919,462；以及DiGiovanni等人在2015年8月11日发布的美国专利9,103,174；以及DiGiovanni等人在2013年3月21日公布的美国专利公布号2013/0068534A1，其每一个的全部公开内容通过引用并入本文。此外，虽然该体积的超硬磨料4与基底6之间的界面8如图1所示可以是大体平面的，但界面8还可以包括成形特征和非平面几何形状。
继续参考图1，该体积的超硬磨料4可以包括第一区域20和第二区域22，该第一区域具有从相互结合的金刚石晶粒之间的空间至少部分地除去的间隙材料，该第二区域中基本上没有除去间隙材料。如图所示，第一区域20可以与该体积的超硬磨料4的外表面诸如切削面10、倒角表面14和侧表面16相邻定位(因为切削元件2将被定位在钻地工具上)，而第二区域22可以大致定位于第一区域20的内侧进入该体积的超硬磨料4中。可以通过利用激光烧蚀工艺从超硬磨料的相互结合的晶粒之间的空间除去至少一些间隙材料来形成第一区域20。如本文所用，术语“烧蚀”是指响应于能量施加到固体材料而将固体材料升华成气相。当聚焦激光束以基本上被靶材料吸收的波长和比靶材料的阈值能量密度更多的能量密度照射靶材料时，靶材料将升华成自由膨胀的等离子体羽并逸出超硬磨料的显微结构。如本文所用，术语“能量密度”是指每单位面积递送的光能，并且以每平方厘米焦耳(J/cm2)的单位表示。
图2示出了根据本公开的实施方案的示例性激光烧蚀系统24的示意图，该激光烧蚀系统用于从该体积的超硬磨料4的一个或多个部分除去间隙材料，同时使该体积的超硬磨料4内的超硬磨料的相互结合的晶粒基本上不劣化。烧蚀系统24可以包括夹盘26，该夹盘被配置成相对于至少一个发射器28保持和定位切削元件2。尽管在图2中仅示出了一个发射器，但可以理解，可以利用两个或更多个发射器28来从该体积的超硬磨料4烧蚀间隙材料。如本文所用，术语“夹盘”意指被配置成暂时保持和定位切削元件2的任何工具或装置。发射器28可以被配置成朝该体积的超硬磨料4的一个或多个预选部分发射聚焦能量束30。作为非限制性例子，夹盘26可以被配置成在x轴和y轴上平移并且至少围绕z轴和y轴旋转。夹盘26可以围绕其旋转切削元件2的z轴可以与切削元件2的纵向轴线L重合。应当理解，夹盘26的额外或更少自由度的平移和旋转也在本公开的范围内，以使该体积的超硬磨料4相对于射束30取向。夹盘26可以操作地耦接到控制器31，该控制器31被配置成操纵夹盘26以使切削元件2相对于射束30取向。应当理解，夹盘26可使该体积的超硬磨料4的切削面10或横向侧面16如图2所示垂直于聚焦射束30取向，或者相对于射束30以一个或多个非垂直角度取向。在另外的实施方案中，夹盘26可以在烧蚀过程中改变超硬磨料与射束30之间的角度。控制器31可以包括处理器并且可以任选地结合到被配置成由用户操作的PC中。
在一些实施方案中，发射器28可以包括被配置成发射激光束的激光装置。在其他实施方案中，发射器28可以包括被配置成发射诸如离子束、电子束或分子束的粒子束的装置。因此，应当理解，在本说明书中对激光器28或激光束30的任何以下提及也可以分别同义地指代离子束发射器、电子束发射器、分子束发射器、离子束、电子束和分子束。
可以以与各种其他应用中采用的标准化计算机数字控制(CNC)机加工工艺类似的方式来定位和控制激光器28。激光器28可以被配置成以将被间隙材料基本上或甚至至少部分地吸收的任何波长来发射能量束30，而不会使该体积的超硬磨料4中的超硬聚晶磨料的晶粒扩散或蒸发。包含聚晶金刚石的金刚石材料在波长为约230nm与远红外线波长之间的光谱中是“透明的”(即，基本上不吸收能量)(尽管金刚石内的杂质可能会影响吸收光谱)。因此，在其中该体积的超硬磨料4包含聚晶金刚石的实施方案中，能量束30可具有大于230nm且小于远红外波长的波长。激光器28可以被进一步配置成以一能量密度发射能量束30，并且当采用脉冲激光器28时，脉冲持续时间(也称为“脉冲宽度”)和脉冲率足以烧蚀间隙材料。激光器28可以被进一步配置成将预定数量的激光脉冲或激光射击(每个激光射击都包括通过激光的脉冲宽度和脉冲率确定的多个脉冲)递送到超硬磨料的特定区域。例如，激光器28可以是脉冲激光器，该脉冲激光器被配置成以约0.25J/cm2与约25J/cm2之间的能量密度、约120纳米(“nm”)与约3,000nm之间的波长、约2纳秒(“ns”)与300ns之间的脉冲宽度、约1Hz与约200Hz之间的脉冲率发射射束30，并且递送约25与1000之间或更多的激光脉冲以及约100与900之间的激光射击。
例如，激光器28可以是UV准分子激光器，诸如Ar2准分子激光器，其被配置成以约126nm的波长发射能量束。在其他实施方案中，激光器28可以是Kr2准分子激光器，其被配置成以约146nm的波长发射能量束30。在其他实施方案中，激光器28可以是F2准分子激光器，其被配置成以约157nmm的波长发射能量束30。在其他实施方案中，激光器28可以是Xe2准分子激光器，其被配置成以约172nm或约175nm的波长发射能量束30。在另外的实施方案中，激光器28可以是ArF准分子激光器，其被配置成以约193nm的波长发射能量束30。在另外的实施方案中，激光器28可以是KrCl准分子激光器，其被配置成以约222nm的波长发射能量束30。在另外的实施方案中，激光器28可以是KrF准分子激光器，其被配置成以约248nm的波长发射能量束30。在另外的实施方案中，激光器28可以是XeBr准分子激光器，其被配置成以约282nm的波长发射能量束30。在另外的实施方案中，激光器28可以是XeCl准分子激光器，其被配置成以约308nm的波长发射能量束30。在另外的实施方案中，激光器28可以是XeF准分子激光器，其被配置成以约351nm的波长发射能量束30。在其他另外的实施方案中，激光器28可以是具有波长为约532nm的Nd:YAG激光器。当该体积的超硬磨料4包含设置在相互结合的金刚石晶体之间的间隙空间内的钴时，激光器28可以是：Nd:YAG激光器，其被配置成(在这种情况下“倍频”)以约532nm的波长发射能量束30；或XeCl准分子激光器，其被配置成以约308nm的波长发射能量束30。任何前述射束30都可以任选地用衰减器或其他射束修改部件来修改。波长为约230nm与约800nm之间的射束30可以特别有效地被钴间隙材料吸收(并因此烧蚀)，同时基本上不被超硬磨料诸如聚晶金刚石的晶粒吸收或仅忽略不计地吸收，尽管更高的波长也是可能的。应当理解，可以根据待烧蚀的特定材料和待保存的特定超硬磨料，采用具有其他射束波长的其他激光器类型。作为非限制性例子，激光烧蚀系统24可以采用氦氖激光器、氩激光器、氪激光器、氮激光器、二氧化碳激光器和一氧化碳激光器，各自任选地具有衰减器或其他射束改变部件。如前所述，激光器28可以是脉冲激光器，或者另选地可以是连续波激光器。例如，具有弧光灯的连续波Nd:YAG激光器可以被采用并利用Q切换技术以脉冲模式操作，该技术可以以约10kHz与50kHz之间的脉冲频率生成功率超过100kW并且脉冲宽度在约30ns与300ns之间的脉冲。其他连续波激光器也在本公开的实施方案的范围内。
可以通过使射束30穿过光学衰减器32来控制射束30的能量密度。作为非限制性例子，衰减器32可以是同轴光学衰减器。在其他实施方案中，衰减器32可以是电光衰减器。应当理解，能够衰减射束30的能量密度或其他特性的任何类型的衰减器都在本公开的范围内。衰减器32可以被配置成为射束30提供比用于烧蚀靶材料的阈值能量密度更大的能量密度。例如，在其中该体积的超硬磨料4包含设置在相互结合的金刚石晶体之间的间隙空间内的钴的实施方案中，衰减器32可以被配置成为由激光器28发射的射束30提供大于约0.6J/cm2的能量密度。
当采用脉冲束30时，可以通过多种技术来控制脉冲宽度，诸如激光器28二极管的增益切换、Q切换或使射束30穿过电光调制器(未示出)。射束30的脉冲宽度可以被控制在约2ns与300ns之间。
激光器28可以操作地耦接到控制器31，并且控制器31可以被配置成控制被引导到该体积的超硬磨料4的特定部分的激光脉冲或激光射击的量。在将预定量的激光脉冲或激光射击引导到靶之后，控制器31可以操纵夹盘26以将该体积的超硬磨料4的不同部分呈现至射束30。
应当理解，虽然本文描述了合适的激光器类型和射束30的波长、能量密度、脉冲宽度、脉冲率以及激光脉冲或激光射击的数量的非限制性例子，但这些参数仅是示例性的，因为可以根据待烧蚀的特定材料和待保存的超硬磨料，采用多种合适的激光器类型和射束30的波长、能量密度、脉冲宽度、脉冲率以及激光脉冲或激光射击的数量中的任一个。换句话说，射束30可以被调制成使得间隙材料基本上被烧蚀，而超硬磨料的相互结合的晶粒或超硬磨料的晶粒之间的键没有任何劣化。
继续参考图2，分束器34可以位于射束30的路径中，以将射束30的一部分偏转到用于测量射束30能量的能量计36。分束器34可以是90％/10％分束器34，即，分束器34可以被配置成将约10％的束能量偏转到能量计36。然而，在其他实施方案中，分束器34可以被配置成将少至1％或更少的射束30以及多至80％或更多的射束30偏转到能量计36。作为非限制性例子，分束器34可以结合有各种分束机构中的任一种，诸如包括两个耦接的三角形玻璃棱镜的立方体设计或局部镀银的反射镜设计。能量计36可以包括用于测量射束30的脉冲能量的焦耳计和能量检测器。作为非限制性例子，能量检测器可以是热电能量检测器。应当理解，用于测量射束30能量的任何检测器类型都在本公开的范围内。能量计36可以与控制器31的处理器进行电子通信并且可以向控制器31传输与射束30能量有关的数据。控制器31可以解释射束30的能量数据并且可以通过调整激光器28的输出来修改射束30的能量密度。在另外的实施方案中，控制器31可以通过由操作技术员指定将要放置在射束30路径内的不同光学衰减器来提供对射束30能量密度的修改。在衰减器32是电光衰减器的实施方案中，控制器31可以通过调整衰减器32的操作参数来修改射束30能量密度。控制器31还可以通过控制激光器28的操作参数来修改射束30的脉冲宽度和脉冲率以及激光脉冲或激光射击的数量。在另外的实施方案中，可以采用一个或多个分束器34来使冲击该体积的超硬磨料4的射束的数量成倍增加。在这样的实施方案中，如前所述，可以通过衰减器修改分束器中的一个或多个。
至少一个反射器38可以定位在射束30路径内并且可以取向成朝向切削元件2的该体积的超硬磨料4的期望表面(即“靶表面”)反射射束30。虽然反射器38示出为位于分束器34的下射程，但应当理解，在其他实施方案中，反射器38可以位于激光器28与分束器34之间的射束30路径中。透镜40可以定位在反射器38与该体积的超硬磨料4之间的射束路径内。透镜40可以被取向和配置成将射束30以预定方式聚焦到靶表面上。作为非限制性例子，透镜40可以是焦距f为约150mm的石英透镜，并且可以相对于切削面10定位以在靶表面上提供约2mm x 3mm的光斑尺寸。然而，应当理解，可以利用其他类型的透镜，并且可以在靶表面上为其他焦距提供其他光斑尺寸。此外，虽然图2中仅示出一个分束器34、一个反射器38和一个透镜40，但应当理解，可以将任何数量的分束器34、反射器38和/或透镜40结合在系统内以将任何数量的射束30或其一部分引导和聚焦到该体积的超硬磨料4。在另外的实施方案中，激光烧蚀系统24可以将测量射束(未示出)引导至该体积的超硬磨料4以测量间隙材料被烧蚀处的深度。
可以提供一个或多个任选的气体射流41以增强该体积的超硬磨料4的第一区域20内的间隙材料的烧蚀。例如，一个或多个气体射流41可以被配置成将气体流引导到射束30冲击超硬磨料的位置(即，“接触区域”)处。一个或多个气体射流41可以被配置成在射束30冲击接触区域之前、期间和/或之后将气体流引导到该接触区域处。一个或多个气体射流41可以提供稳定气体流和脉冲气体流中的一种或多种。此外，可以选择或调整气体的组分以催化间隙材料的烧蚀。例如，在间隙材料包含钴的实施方案中，气体可以包含氯气以进一步侵蚀钴。
气体流还可以将气态副产物或其他烧蚀性副产物带入其中并且将这些副产物从接触区域带走以进一步增强从该体积的超硬磨料4的第一区域20除去间隙材料的效率。以这种方式，气体流可以在气相间隙材料在微结构内重新形成之前将烧蚀性副产物(包括升华的气相间隙材料)从超硬磨料的微结构带走。气体流还可以净化通过烧蚀的材料排空的孔隙空间，并且相对于在不使用一个或多个气体射流41的情况下可实现的深度，增强该体积的超硬磨料4的体积内的更大深度处的烧蚀。应当理解，由一个或多个任选的气体射流41提供的气体可以是惰性气体或活性气体，这取决于在烧蚀过程中使用气体的特定功能。可以选择各种气体中的任一种以与至少一个气体射流41一起使用，只要气体不吸收一定量的射束30波长以使射束30在烧蚀间隙材料时无效。另外，一个或多个气体射流41可以相对于射束30和该体积的超硬磨料4的靶表面取向，以减少由射束30赋予气体流的热量并且减少接触区域处的湍流气体流，因为接触区域处的湍流气体流可能使射束30变形并降低烧蚀效率。此外，由气体射流41排出的气体流的横截面面积、形状和速度可以被调制成使间隙材料的烧蚀效率最大化。一个或多个气体射流41还可以有助于对接触区域之处以及周围的该体积的超硬磨料4的热管理。例如，当以高于约2Hz的脉冲率使用能量束30时，一个或多个气体射流41可以引导诸如氦气的干燥导热气体流跨过靶表面以防止过度局部加热超硬磨料并吹走可能以其他方式散射或吸收能量束30并降低其有效性的烧蚀材料的任何羽体。
应当理解，尽管图2中描绘的激光烧蚀系统24仅示出一个激光器28，但可以使用两个或更多个激光器28来同时烧蚀该体积的超硬磨料4的多个区域。因此，虽然某些实施方案仅涉及单个射束30，但应当理解，可以采用多于一个射束30。当采用两个或更多激光器28时，两个或更多个激光器28可以被配置成以相同波长或不同波长发射射束30。此外，在具有两个或更多个激光器28的实施方案中，激光器28中的一个可以被配置成以第一波长发射射束30以使其被第一间隙材料吸收，并且第二激光器28可以被配置成以第二波长发射射束30以使其被第二间隙材料吸收。在具有两个或更多个激光器28的其他实施方案中，激光器28中的一个可以以基本上不被间隙材料吸收并且基本上不熔化或扩散间隙材料的第一波长发射第一射束30，并且激光器28中的另一个可以以也基本上不被间隙材料洗好且基本上不熔化或扩散间隙材料的第二波长发射第二射束30，其中第一射束和第二射束的相交可以导致干涉波长，该干涉波长被间隙材料吸收并因此烧蚀间隙材料。在采用了两个或更多个激光器28的实施方案中，激光烧蚀系统24可以包括衰减器30、分束器34、反射器38和透镜40的任何组合以调制每个射束30，包括能量密度、脉冲宽度、脉冲率、激光脉冲或激光射击的数量和其光斑尺寸，以使特定间隙材料被烧蚀、超硬磨料被保存以及特定的预定烧蚀图案。此外，在这样的实施方案中，可以为冲击该体积的超硬磨料4的每个射束30的每个接触区域提供气体射流41。在采用了两个或更多个激光器28的其他实施方案中，气体射流41可以以大于或小于冲击该体积的超硬磨料4的射束30数量的量来提供。
图3示出了可与图2的激光烧蚀系统24一起使用的任选的激光微喷射装置42。激光微喷射装置42可以定位在透镜40与切削元件2之间的射束30路径内。激光微喷射装置42可以包括主体44，该主体容纳水室46，该水室与水贮存器和低压泵(未示出)连通。主体44的顶部表面48可以承载与射束30、水室46和喷嘴52成直线的透明窗口50，该喷嘴由主体44的底部表面54承载，喷嘴52与水室46流体连通。低压水射流56可以通过喷嘴52从水室46射向一定体积的超硬磨料4的靶表面。射束30可以被引导穿过激光微喷射装置42的透明窗口50并且可以通过水射流56内的全内反射被导引到切削面10或任何其他靶表面。水射流56可以帮助从接触区域除去气态或其他烧蚀性副产物，并且另外还可以在烧蚀过程中冷却切削元件2。水射流56的固有不均匀性还可以将射束30分成水射流56内的多个射束30，其中多个射束30中的每一个以不同的角度冲击该体积的超硬磨料4，从而增大烧蚀区域的尺寸并提高烧蚀效率。在其他实施方案中，水可以通过其他方式在接触区处流过该体积的超硬磨料4的靶表面。在另外的实施方案中，当能量束30冲击靶表面时，该体积的超硬磨料4的靶表面可以至少部分地浸入水或另一种液体中。
关于除去位于超硬磨料的晶粒之间的间隙材料，参考图2所描述的激光烧蚀系统24与现有技术的浸出工艺相比，提供了显著的优点。通过化学浸出工艺，任何非线性浸出轮廓都需要对该体积的超硬磨料4进行一系列掩模操作和再浸出工艺。包括掩模操作的浸出工艺在DiGiovanni等人在2014年9月23日发布的美国专利8,839,889中进行了公开，其全部公开内容据此以引用方式并入本文。然而，在本文所公开的激光烧蚀系统24的情况下，可以仅通过调整激光束30的参数来实现该体积的超硬磨料4中的复杂的非线性浸出轮廓，这些参数诸如射束波长、能量密度、脉冲宽度、脉冲率、激光脉冲或激光射击的数量、光斑尺寸、射束30的数量以及射束30接触区域的空间图案化。
现在参见图4至图6，该体积的超硬磨料4的横截面中的烧蚀轮廓的例子示出为利用上述激光烧蚀系统24来实现。激光烧蚀系统24可以用于烧蚀位于该体积的超硬磨料4的第一区域20内的超硬磨料的相互结合的晶粒之间的间隙材料，而间隙材料可保留在第二区域22内的超硬磨料的晶粒之间。如图4和图5所示，第一区域20与第二区域22之间的边界60可以包括具有各种横截面轮廓的三维几何形状。例如，当在将该体积的超硬磨料4对分的纵向平面中观察时，这个边界60可以具有非线性轮廓。例如，边界60可以具有大致正弦曲线的轮廓，如图4和图5所示。参考图5，这种轮廓可以使第一区域20在正弦边界60的“谷”处具有最大厚度T1，并且在边界60的“峰”处具有最小厚度T2(边界60如图5所示)。应当理解，在一些实施方案中，边界60的峰和谷可以在三维空间中在垂直于图4和图5的横截面的方向上线性地延伸(即，从观察附图的人的视角来看，进入页面和从页面向外的方向)。在其他实施方案中，峰和谷可以在三维空间中环绕该体积的超硬磨料4围绕其纵向轴线L延伸。在另外的实施方案中，峰和谷可以在三维空间中在垂直于图4和图5的横截面的方向上正弦地延伸。
为了形成正弦边界60轮廓的相应的峰和谷，夹盘26可以将切削元件2定位成使得与递送到该体积的超硬磨料4的与峰相关的位置的激光脉冲或激光射击的数量相比，波束30将更多的激光脉冲或激光射击递送到该体积的超硬磨料4的与谷相关的位置。也可以通过修改波束30冲击与谷相对应的靶表面的位置的靶表面的角度来控制谷的深度。如前所述，也可以通过修改与射谷相对应的靶表面的位置处束30的脉冲宽度和/或能量密度来控制谷的深度。在该体积的超硬磨料4内除去的间隙材料的深度将至少部分地取决于间隙材料的烧蚀速率，该烧蚀速率可以是多个因素的函数。例如，当采用脉冲激光器时，每个脉冲可以将进入该体积的超硬磨料4的烧蚀深度更深地推进约0.02μm至约0.14μm之间的距离，这取决于波长、能量密度、脉冲率、脉冲宽度和脉冲数。本文所公开的激光烧蚀系统24可以能够提供至少约1.00mm的烧蚀深度。夹盘26可以将切削元件2相对于射束30定位成使得射束30单遍或多遍地烧蚀第一区域20内的间隙材料。应当理解，可以通过选择性地操纵和/或改变射束30的波长、能量密度、脉冲宽度、脉冲率、激光脉冲或激光射击的数量以及靶表面上的光斑尺寸中的一个或多个来形成第一区域20的三维边界60。对于该体积的超硬磨料4中的烧蚀边界60来说，可以利用任何数量的各种空间图案来对控制器31进行编程。
在其他实施方案中，夹盘26可以保持大致静止，并且可以以与各种其他应用中采用的标准化计算机数字控制(CNC)机加工工艺类似的方式来定位和控制激光器28。在这样的实施方案中，激光器28可以由控制器31控制。在另外的实施方案中，夹盘26和激光器28可以保持静止，而分束器34、反射器38和/或透镜40的组件可以被共同地配置和取向成提供期望的空间烧蚀图案。在这样的实施方案中，激光烧蚀系统24可以包括有源光学器件，诸如多轴倾斜压电控向反射镜。在其他实施方案中，可以由可编程激光蚀刻器或打标机提供预定空间烧蚀图案。
现在参见图6，激光烧蚀系统24可以用于在该体积的超硬磨料4的第一区域20与第二区域22之间形成大致线性边界。此外，第一区域20可以包括与该体积的超硬磨料4的侧表面16相邻的周边部分20a，该周边部分20a可以通过第二区域22的一部分与第一区域20的其余部分分离。周边部分20a可以围绕该体积的超硬磨料4的侧表面16的整个圆周环形地延伸、围绕比侧表面16的整个圆周更小的部分环形地延伸，或围绕侧表面16的整个圆周或比它更小的部分作为环形区段延伸。第一区域的周边部分20a可以如DiGiovanni等人在2014年9月23日发布的美国专利8,839,889和Achilles在2010年6月8日发布的美国专利7,730,977中所公开的那样成形。在其他实施方案中，第一区域20的周边部分20a可以与具有非线性轮廓的第一区域20的剩余部分一起使用。可以根据先前参考图5所述的参数中的任一个来烧蚀第一区域20的周边部分20a内的间隙材料。应当理解，图4至图6中所描绘的边界60轮廓仅表示利用参考图2所述的激光烧蚀系统24可实现的几乎无限数量的边界60轮廓中的几个。另外，该体积的超硬磨料4的第一区域20与第二区域22之间的非平面边界42可以与该体积的超硬磨料4和基底6之间的非平面界面8结合使用，如图5和图6所示。
图7和图8示出了两个不同切削元件的残余应力图案，一个具有平面浸出边界60(图7)，且另一个具有非平面烧蚀边界60(图8)。如前所述，当切削元件2在其中形成切削元件2的HTHP工艺之后冷却时，在切削元件2内形成残余应力。具体地，由于基底6可具有比该体积的超硬磨料4更大的热膨胀系数，因此基底6可在冷却期间比该体积的超硬磨料4更大程度地收缩，从而在切削元件2中产生不希望的残余张应力，特别是在该体积的超硬磨料4与基底6之间的界面8处，而且在切削面10以及界面8与切削面10之间的区域处。该体积的超硬磨料4内的不希望的残余应力可能会导致或有助于在钻地操作中的使用期间该体积的超硬磨料4的破裂、剥落、分层或其他模式的失效。
如图7所示，具有带有平面浸出边界60的一定体积的超硬磨料4的切削元件2在该体积的超硬磨料4的浸出的第一部分20内具有大致均匀的残余应力，从而为在钻地操作中的使用期间穿过超硬磨料蔓延的面裂纹和剥落提供大致均匀的路径。相比之下，如图8所示，具有带有正弦烧蚀边界60的激光烧蚀的第一部分20的该体积的超硬磨料4提供了与第一区域20的谷相关联的不同的、相对高的压应力区域62，这些压应力区域62基本上“偏转”或防止面裂纹和剥落通过其的蔓延。因此，本文所公开的激光烧蚀系统24优于现有技术的浸出方法，因为它能够在一定体积的超硬磨料4内提供经调制的、有利的残余应力图案，这些图案抵抗裂纹、剥落、分层和其他失效模式。
应当理解，本文所公开的实施方案提供了复杂边界60图案的一定精度水平的成形，这是现有技术的浸出方法原本无法实现的。还应当理解，本文所公开的激光烧蚀系统24可以用于从包含一定体积的超硬磨料的任何结构烧蚀间隙材料。例如，本领域已知的是，在基底上形成一定体积的超硬磨料，以从基底除去该体积的超硬磨料并将该体积的超硬磨料附接到另一个基底。本领域还已知的是，从一定体积的超硬磨料浸出间隙材料，并随后在该体积的超硬磨料内提供另一种间隙材料。本文所公开的激光烧蚀系统24可以用于从前述类型的一定体积的超硬磨料中的任一种烧蚀间隙材料。
在另外的实施方案中，先前参考图2所公开的激光烧蚀系统24可以与化学浸出工艺合作使用以从该体积的超硬磨料4除去间隙材料。在这样的实施方案中，可以将该体积的超硬磨料4的表面浸入到浸出剂诸如先前描述的那些浸出剂中，并且同时可以将能量束30引导到该体积的超硬磨料4的浸入表面上以烧蚀该体积的超硬磨料4内的间隙材料。以这种方式，可以增大从超硬磨料除去间隙材料的速率。还应当理解，可以在利用能量束30激光烧蚀与所选择表面相邻的间隙材料之前或之后浸出该体积的超硬磨料4的所选择表面。例如，为了赋予该体积的超硬磨料4预定的非平面烧蚀/浸出边界，可以将该体积的超硬磨料4在一个或多个位置处暴露于一个或多个能量束30以形成初步非平面烧蚀边界的一个或多个特征。随后可以用化学浸出剂浸出该体积的超硬磨料4，该浸出剂通常可以将初步的先前限定的烧蚀边界更深地推进到该体积的超硬磨料4中。
应当理解，本文所公开的实施方案提供用于从一定体积的超硬磨料4中除去间隙材料的增强的方法、系统和机构。本文所公开的实施方案还提供更加几何形状错综复杂和/或复杂的、调制的浸出/烧蚀边界的形成物。本文所公开的实施方案还提供了从一定体积的超硬磨料4中除去间隙材料所需的时间和成本的显著降低。
尽管已经结合附图描述了某些说明性实施方案，但本领域的普通技术人员将认识和理解，本公开的范围不限于本文明确示出和描述的那些实施方案。而是，可以对本文所述的实施方案进行许多增加、删除和改变以产生在如所要求保护的包括合法等效物的本发明范围内的实施方案。另外，一个所公开实施方案的特征可以与另一个所公开实施方案的特征结合，但仍然处于由本发明人考虑的本公开的范围内。

Claims (18)

1.一种形成用于钻地工具的切削元件的方法，所述方法包括：
将从脉冲激光器发射的至少一个能量束引导到一定体积的聚晶超硬磨料的表面，所述一定体积的聚晶超硬磨料包括设置在聚晶超硬磨料的相互结合的晶粒之间的区域中的间隙材料，用所述至少一个能量束烧蚀所述间隙材料，使得所述间隙材料的至少一部分被从所述一定体积的聚晶超硬磨料的第一区域除去，而没有使所述第一区域中的所述聚晶超硬磨料的所述相互结合的晶粒或它们的键有任何实质性劣化；
其中所述至少一个能量束具有0.25J/cm2与25J/cm2之间的能量密度、120nm与3000nm之间的波长、2ns与300ns之间的脉冲宽度、1Hz与200Hz之间的脉冲率，并且其中所述激光器向所述一定体积的聚晶超硬磨料的第一区域递送25与1000个之间或更多个的激光脉冲以及100与900次之间的激光射击。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一定体积的聚晶超硬磨料的所述第一区域与所述一定体积的聚晶超硬磨料的第二区域相邻定位，并且其中基本上没有间隙材料被从所述第二区域中的聚晶超硬磨料的相互结合的晶粒之间的区域中除去，所述一定体积的聚晶超硬磨料的所述第一区域与所述第二区域之间的界面具有非平面几何形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将一个或多个能量束引导到所述一定体积的聚晶超硬磨料的表面处；以及
用所述一个或多个能量束中的每一个烧蚀间隙材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光器是XeCl准分子激光器和Nd:YAG激光器中的一个。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述至少一个能量束的波长在200nm与800nm之间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述至少一个能量束的能量密度大于0.6J/cm2。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一个能量束的脉冲宽度在5ns与300ns之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述间隙材料催化聚晶超硬磨料的所述相互结合的晶粒的形成。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述间隙材料包含钴、铁或镍。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述间隙材料包含非催化材料。
11.根据权利要求1所述的方法，其中聚晶超硬磨料的所述相互结合的晶粒包含金刚石材料的相互结合的晶粒。
12.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括用光学衰减器或电光衰减器修改所述至少一个能量束。
13.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将气体流引导到其中所述至少一个能量束冲击所述一定体积的聚晶超硬磨料的位置处。
14.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括利用透镜将所述至少一个能量束聚焦到所述一定体积的聚晶超硬磨料的表面上。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括基本上在所述至少一个能量束冲击所述表面的位置处，使水流过所述一定体积的聚晶超硬磨料的所述表面。
16.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括操纵所述一定体积的聚晶超硬磨料相对于所述至少一个能量束的取向，同时将所述至少一个能量束引导到所述一定体积的聚晶超硬磨料的表面处。
17.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在将所述至少一个能量束引导到所述一定体积的聚晶超硬磨料的所述表面处之前、期间或之后，用化学浸出剂浸沥所述一定体积的聚晶超硬磨料的表面。
18.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
从所述激光器发射所述至少一个能量束；和
将所述至少一个能量束用一个或多个反射镜引导至所述切削元件的所述一定体积的聚晶超硬磨料的外表面，其中所述超硬磨料是金刚石，并且所述间隙材料是间隙金属催化剂材料，所述至少一个能量束在所述至少一个能量束冲击所述一定体积的聚晶金刚石的所述外表面的位置处具有在200nm与800nm之间的波长。
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