形成聚晶金剛石的方法以及包括聚晶金剛石的切削元件和工具與流程
2023-06-02 00:56:41 1
本申請要求2014年5月30日提交的發明名稱為「形成聚晶金剛石的方法以及包括聚晶金剛石的切削元件和工具(METHODS OF FORMING POLYCRYSTALLINE DIAMOND AND CUTTING ELEMENTS AND TOOLS COMPRISING POLYCRYSTALLINE DIAMOND)」的美國專利申請序列號14/291,862的申請日期的權益。
技術領域
本公開的實施例總體上涉及形成聚晶金剛石材料的方法，涉及包括聚晶金剛石材料的切削元件，並且涉及包括此類切削元件的用於鑽探地層的鑽地工具。
背景技術：
用於在地層中形成井孔的鑽地工具可以包括固定到主體上的多個切削元件。例如，固定切削件式鑽地旋轉鑽頭(也被稱為「刮刀鑽頭」)包括固定地附接到鑽頭的鑽頭主體的多個切削元件。類似地，牙輪鑽地旋轉鑽頭包括牙輪，所述牙輪安裝在從鑽頭主體的牙掌延伸的牙輪軸上，從而使得每個牙輪能夠圍繞上面安裝有牙輪的牙輪軸旋轉。可以將多個切削元件安裝到鑽頭的每個牙輪上。
在鑽地工具中使用的切削元件通常包括聚晶金剛石切削件(通常被稱為「PDC」)，它們是包括聚晶金剛石(PCD)材料的切削元件。此類聚晶金剛石切削元件通過在高溫和高壓條件下、通常在催化劑(諸如鈷、鐵、鎳或其合金及其混合物)的存在下將相對小的金剛石晶粒或晶體進行燒結並結合在一起以在切削元件基材上形成一層聚晶金剛石材料而形成。這些工藝通常被稱為高壓/高溫(或「HPHT」)工藝。催化劑材料與金剛石晶粒混合以減少在HPHT工藝期間金剛石被氧氣和二氧化碳氧化的量並促進金剛石-金剛石的結合。
切削元件基材可包括金屬陶瓷材料(即金屬陶瓷複合材料)，例如鈷鎢硬質合金。在此類情況下，切削元件基材中的鈷(或其它催化劑材料)可以在燒結期間被吸入到金剛石晶粒或晶體中，並且用作用於由金剛石晶粒或晶體形成金剛石臺的催化劑材料。在其它方法中，粉末狀催化劑材料可以在HPHT工藝中在將晶粒或晶體燒結在一起之前與金剛石晶粒或晶體混合。
在使用HPHT工藝形成金剛石臺時，催化劑材料可以保留在所得的聚晶金剛石臺中的金剛石的晶粒或晶體之間的間隙空間中。當切削元件在使用期間由於切削元件與地層之間的接觸點處的摩擦而被加熱時，金剛石臺中的催化劑材料的存在可能導致金剛石臺中的熱損壞。其中催化劑材料保留在金剛石臺中的聚晶金剛石切削元件通常在高達約750℃的溫度下是熱穩定的，儘管在超過約350℃的溫度時聚晶金剛石臺內的內部應力可能開始形成。這種內部應力至少部分地是由於金剛石臺與其所結合的切削元件基材之間的熱膨脹率的差異而導致的。熱膨脹率的這種差異可能導致在金剛石臺與基材之間的界面處產生相對大的壓縮應力和拉伸應力，並且可能使金剛石臺與基材分離。在約750℃及以上的溫度下，金剛石臺內的應力可能由於金剛石臺本身內的金剛石材料和催化劑材料的熱膨脹係數的差異而顯著增加。例如，鈷熱膨脹明顯快於金剛石，這可能導致裂紋在包括鈷的金剛石臺內形成並傳播，最終導致金剛石臺的劣化和切削元件的無效。此外，催化劑材料可以允許金剛石臺內的金剛石轉化為石墨，其在本領域中可被稱為「反向石墨化」。
為了減少與不同的熱膨脹率和在聚晶金剛石切削元件中反向石墨化相關的問題，已經開發了所謂的「熱穩定」聚晶金剛石(TSD)切削元件。熱穩定聚晶金剛石切削元件可以通過使用例如酸從金剛石臺中的金剛石晶粒之間的間隙空間中浸出催化劑材料(例如，鈷)來形成。可以從金剛石臺中移除基本上所有的催化劑材料，或者可以僅移除一部分。已經報導，其中基本上所有催化劑材料已從金剛石臺浸出的熱穩定聚晶金剛石切削元件在高達約1200℃的溫度下是熱穩定的。然而，也已經報導，完全浸出的金剛石臺比未浸出的金剛石臺相對更脆並且更易受到剪切應力、壓縮應力和拉伸應力。為了提供具有相對於未浸出的金剛石臺更加熱穩定、但是相對於完全浸出的金剛石臺還相對不易脆並且不易受到剪切應力、壓縮應力和拉伸應力的金剛石臺的切削元件，已經提供了包括其中僅一部分催化劑材料已從金剛石臺中浸出的金剛石臺的切削元件。
技術實現要素：
在一些實施例中，一種形成聚晶金剛石的方法包括將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中。使包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在金剛石顆粒之間形成晶間鍵。
在其它實施例中，用在鑽地工具中的切削元件可以包括通過一種方法形成的聚晶金剛石材料，所述方法包括將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中。可以使包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在金剛石顆粒之間形成晶間鍵。
在某些實施例中，切削元件包括聚晶金剛石材料，所述聚晶金剛石材料包括相互鍵合的金剛石晶粒。聚晶金剛石材料基本上不含石墨碳和金屬化合物。聚晶金剛石材料展示出至少約3.49g/cm3的密度和至少約1000GPa的模量。鑽地工具可以包括這樣一種固定到主體上的切削元件。
附圖說明
雖然本說明書通過特別指出並明確要求保護被認為是本公開的實施例的權利要求書作出結論，但是當結合附圖閱讀時，可以由本公開的以下示例性實施例的描述更容易地確定本公開的實施例的各種特徵和優點，其中：
圖1是在基材上包括一定體積的聚晶金剛石的切削元件的實施例的局部剖面透視圖；
圖2是示出了圖1的切削元件的聚晶金剛石的微觀結構在放大情況下如何呈現的簡化視圖；
圖3是示出了用於在容器中形成圖1的切削元件以準備使容器經受HPHT燒結工藝的材料的簡化橫截面視圖；
圖4是示出了在選定溫度下，基於壓力的平衡常數Kp針對固態碳、一氧化碳和二氧化碳之間的反應可以隨壓力如何變化的曲線圖；
圖5A和圖5B示出了在封閉腔室內圖3的材料在包括一氧化碳和二氧化碳的氣態環境中被包封在圖3的容器中；以及
圖6示出了包括如本文所述的聚晶金剛石切削元件的鑽地旋轉鑽頭。
具體實施方式
本文呈現的示例不表示任何特殊材料、設備、系統或方法的實際視圖，而僅是用於描述本發明的某些實施例的理想化表示。為了描述清楚起見，本發明的實施例中共同的各個特徵和元件可以用相同或相似的附圖標記表示。
圖1示出了切削元件100，其可以根據如本文所公開的方法的實施例而形成。切削元件100包括聚晶金剛石102。可選地，切削元件100還可以包括聚晶金剛石102可以結合到其上的基材104。例如，基材104可以包括鈷鎢硬質合金材料的大致圓柱形主體，但是也可以採用不同幾何形狀和組成的基材。聚晶金剛石102可以是基材104上的聚晶金剛石102的臺(即，層)的形式，如圖1所示。聚晶金剛石102可以設置在基材104的表面上(例如，形成在基材104的表面上或固定到基材104的表面上)。在另外的實施例中，切削元件100可以簡單地包括具有任何期望形狀的一定體積的聚晶金剛石102，並且可以不包括任何基材104。
如圖2所示，聚晶金剛石102可以包括形成金剛石材料的三維網絡的散布且相互鍵合的金剛石晶粒。可選地，在一些實施例中，聚晶金剛石102的金剛石晶粒可以具有多峰晶粒尺寸分布。例如，聚晶金剛石102可包括較大的金剛石晶粒106和較小的金剛石晶粒108。較大的金剛石晶粒106和/或較小的金剛石晶粒108可以具有小於1mm、小於0.1mm、小於0.01mm、小於1μm、小於0.1μm或者甚至小於0.01μm的平均顆粒尺寸(例如，平均直徑)。也就是說，較大的金剛石晶粒106和較小的金剛石晶粒108可以各自包括微米金剛石顆粒(在約1μm至約500μm(0.5mm)的範圍內的金剛石晶粒)、亞微米金剛石顆粒(在約500nm(0.5μm)至約1μm的範圍內的金剛石晶粒)，和/或金剛石納米顆粒(平均顆粒直徑為約500nm或更小的顆粒)。在一些實施例中，較大的金剛石晶粒106可以是微米金剛石顆粒，且較小的金剛石晶粒108可以是亞微米金剛石顆粒或金剛石納米顆粒。在一些實施例中，較大的金剛石晶粒106可以是亞微米金剛石顆粒，且較小的金剛石晶粒108可以是金剛石納米顆粒。在其它實施例中，聚晶金剛石102的金剛石晶粒可以具有單峰晶粒尺寸分布。圖2中由虛線110表示金剛石晶粒106、108之間的直接的金剛石-金剛石晶間鍵。在聚晶金剛石102的相互鍵合的金剛石晶粒106、108之間存在間隙空間112(圖2中的黑色陰影)。這些間隙空間112可以包括聚晶金剛石102內的空的空隙，其中沒有固態或液態物質(但是在空隙中可以存在諸如空氣的氣體)。
本文所公開的方法的實施例可以用於形成聚晶金剛石102，並且可以導致聚晶金剛石102中的金剛石晶粒106、108之間的晶間金剛石-金剛石結合的改進。在一些實施例中，聚晶金剛石102可通過將金剛石晶粒106、108和包括一氧化碳、二氧化碳和可選地惰性氣體的氣體包封在容器中，並使包封的金剛石晶粒106、108和氣體經受HPHT條件(例如，至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度)以在金剛石晶粒106、108之間形成直接的金剛石-金剛石晶間鍵並形成聚晶金剛石102而形成。下文參照圖3描述了這種工藝。
參照圖3，金剛石顆粒116可以被放置在容器118(例如，金屬罐)內。金剛石顆粒116可以包括金剛石的晶粒或晶體(例如，金剛石磨粒)，它們將最終形成燒結的聚晶金剛石102中的金剛石晶粒106、108(圖2)。容器118中的金剛石顆粒116之間的空間中也可以存在氣體114。氣體114可以包括一氧化碳和二氧化碳，並且可以可選地包括一種或多種附加組分，諸如惰性氣體(例如，氬氣、氦氣、氮氣等)。氣體114可以被選擇為基本上不含水、氧氣、滷素或其它反應性(例如，氧化性)化合物。
如圖3所示，容器118可以包括內杯120，在內杯120中可以提供金剛石顆粒116和氣體114。如果切削元件100要包括基材104，則基材104可選地也可以設置在內杯120中在金剛石顆粒116和氣體114之上或之下，並且可以最終被包封在容器118中。容器118可以進一步包括頂蓋122和底蓋124，它們可以圍繞其中具有金剛石顆粒116、氣體114和可選的基材104的內杯120組裝並結合(例如，模鍛結合)在一起。
在容器118中，金剛石顆粒116可以具有約45％至約99％(即，具有在總體積的約55％與約1％之間的空隙空間)的填充率，例如約50％至約70％(即，具有在總體積的約50％與約30％之間的空隙空間)。氣體114可以佔據金剛石顆粒116之間的空隙空間，從而使得氣體114接近金剛石顆粒116。例如，氣體114可以基本上填充金剛石顆粒116之間的空隙空間。氣體114的質量可以取決於容器118中的材料的溫度和/或壓力。例如，佔據金剛石顆粒116之間的空隙空間的氣體114的質量可以與壓力成正比地增加，並與絕對溫度成反比地增加。
氣體114可以被配製成以比氣體114在HTHP條件下與金剛石反應更快的速率與石墨反應並消耗石墨。例如，如果氣體114包括一氧化碳和二氧化碳，則氣體114和固態碳可能趨向於由Boudouard反應定義的平衡，其中二氧化碳(CO2)氣體氧化固態碳以形成一氧化碳(CO)氣體。Boudouard反應的反應平衡常數Keq被定義為其中[CO]是一氧化碳的濃度，[CO2]是二氧化碳的濃度，並且ac是碳的活性(在相關條件下，對於固體，活性約為1)。Keq基於系統的溫度而變化。因為一氧化碳和二氧化碳是氣體，所以基於壓力的反應平衡可以被表示為其中PCO是一氧化碳的分壓，並且PCO2是二氧化碳的分壓。Kp基於系統的溫度和壓力而變化。此外，Keq和Kp都基於所形成或所消耗的固態碳的形式而變化。
圖4示出了對於給定溫度Kp如何隨壓力而變化。示出了石墨和金剛石的Kp曲線。圖4的面積被劃分為四個區域，其中每個點具有由二氧化碳的分壓(x軸)和一氧化碳的分壓(y軸)限定的坐標。在兩條Kp曲線之上的第一區域202對應於一氧化碳反應形成固態碳(石墨和/或金剛石)和二氧化碳的分壓。圖4中在兩條Kp曲線之下的第二區域204對應於二氧化碳與固態碳(石墨和/或金剛石)反應形成一氧化碳的分壓。在金剛石的Kp曲線之上但在石墨的Kp曲線之下的第三區域206對應於二氧化碳與石墨反應形成一氧化碳以及一氧化碳反應形成二氧化碳和金剛石的分壓。在石墨的Kp曲線之上但在金剛石的Kp曲線之下的第四區域208對應於二氧化碳與金剛石反應形成一氧化碳以及一氧化碳反應形成二氧化碳和石墨的分壓。
二氧化碳與石墨反應形成一氧化碳以及一氧化碳反應形成二氧化碳和金剛石的第三區域206的邊界根據所存在的惰性氣體的溫度和分數而變化。例如，在約2000K(1727℃)的溫度下和約5％惰性氣體的存在下，第三區域206可以包括高於約5.0GPa的CO2分壓和高於約1.3×10-3GPa的CO分壓。因此，CO:CO2的比率可以約為2.6×10-3。CO:CO2的比率的適當範圍基於HPHT條件而變化，但可以是例如小於約5.0×10-3，諸如從約2.0×10-3至約5.0×10-3，或從約3.0×10-3至約5.0×10-3。例如，在給定溫度下，CO2和CO的分壓可以各自被選擇為至少在下面表1所示的分壓處。表1所示的分壓對應於針對金剛石穩定性所計算出的最小分壓。第三區域206中的點可以對應於至少與表1所示的值一樣高的壓力。
表1：針對金剛石穩定性所計算出的最小分壓
在第三區域206內的分壓下的燒結看起來使得二氧化碳選擇性地消耗石墨而不消耗金剛石。不受任何特定理論的限制，該工藝看起來從金剛石晶粒的表面清潔、清除或移除了石墨，並且可能導致在金剛石晶粒上形成另外的金剛石材料。然後，相鄰的金剛石晶粒可以通過HTHP燒結工藝的壓力和溫度的輔助直接地彼此結合，而沒有石墨的幹擾。來自一氧化碳的氧化的金剛石的沉積可以在不使用金屬催化劑的情況下增強晶粒之間的結合。通過從工藝中排除金屬催化劑，這樣形成的切削元件100(圖1)可以更不易受到熱損壞和反向石墨化。
在封閉系統(諸如圖3所示的容器118)中，可以通過與二氧化碳反應而被消耗或轉化為另一種形式的固態碳的量可以在化學計量上受到容器118被密封時所存在的二氧化碳的量的限制。因此，可以被氧化(或清除)的石墨的量可以由氣體114的體積、惰性氣體(如果有的話)的量、容器118中的壓力，以及溫度確定。
如本文所述的，氣體114可以作為氣體被提供到其中存在金剛石顆粒116的容器118中(例如，進入容器118的內杯120中)。然後可以將其中有金剛石顆粒116和氣體114容器118密封。密封的容器118可以經受HPHT工藝以形成聚晶金剛石102。氣體114可以在執行一個或多個真空純化工藝之後(例如，在將金剛石顆粒116和/或容器118暴露於一個或多個真空淨化工藝以除去其它氣態或揮發性化合物之後)被引入。氣體114也可以在壓力下被引入到容器118中，從而使得在密封容器118並使密封的容器118經受HPHT條件之前選擇性地控制氣體114的濃度。換句話說，通過選擇性地控制氣體114的壓力，也可以選擇性地控制其在密封的容器118中的組分的濃度。在一些實施例中，氣體114的壓力可以為至少約10kPa、至少約100kPa、至少約1000kPa(1.0MPa)、至少約10MPa、至少約100MPa，或者甚至至少約500MPa。類似地，可以在密封容器118並使密封的容器118經受HPHT條件之前選擇性地控制氣體114和容器118的溫度。
圖5A示出了布置在封閉腔室128中的容器118(圖3)的內杯120內的金剛石顆粒116。腔室128可以是例如被構造成允許操作者操縱內杯120和其它零件的手套箱。在一些實施例中，腔室128可以包含用於操縱零件(例如，機器人臂)的機械裝置。如上面關於圖2所討論的，金剛石顆粒116可以具有單峰或多峰晶粒尺寸分布。例如，金剛石顆粒116可以包括微米金剛石顆粒、亞微米金剛石顆粒和/或金剛石納米顆粒。在HPHT工藝之前，最終將形成聚晶金剛石102的金剛石晶粒106、108的金剛石顆粒116可以在真空下經受處理以減少雜質。在該純化工藝之後，可以將氣體114引入到純化的金剛石顆粒116中。
氣體114可以通過入口130(如圖5A中的方向箭頭所示)被引入到腔室128中。可以選擇性地控制(例如，增加)封閉腔室128內的氣體114的壓力，以控制待被包封在容器118(圖3)內的氣體114的量。例如，腔室128內的氣體114的壓力可以為至少約10kPa、至少約100kPa、至少約1000kPa(1.0MPa)、至少約10MPa、至少約100MPa，或者甚至至少約500MPa。在一些實施例中，氣體114可以保持在接近環境壓力的壓力下，從而使得柔性腔室128可以用於操縱容器118。
可以在一個或多個步驟中引入氣體114。例如，可以首先將一氧化碳引入到腔室128中達到第一選定總壓力。隨後可以將二氧化碳引入到腔室128中達到第二選定總壓力(例如，一氧化碳的分壓和二氧化碳的分壓的總和)。然後可以將另一種氣體(例如，氬氣)引入到腔室128中達到第三選定總壓力(例如，一氧化碳的分壓、二氧化碳的分壓和氬氣的分壓的總和)。氣體可以以任何選定順序引入，或作為一種或多種混合物被引入。可以通過在引入各種氣體期間控制腔室128內的壓力來控制氣體彼此之間的濃度比率。
參照圖5B，容器118可以被組裝在腔室128內以將金剛石顆粒116和氣體114包封在容器118內。容器118可以被密封以保持其中的氣體114的組成固定。然後可以使密封的容器118經受如本領域中已知並且本文中未詳細描述的HPHT處理。
如本文所公開形成的切削元件100(圖1)可展示出期望的特性。例如，切削元件100的聚晶金剛石102可以基本上不含金屬和金屬化合物，而不需要在其上進行浸出工藝。此外，聚晶金剛石102可以基本上不含石墨碳。聚晶金剛石102可以展示出為金剛石的理論最大密度的至少95％、金剛石的理論最大密度的至少98％、金剛石的理論最大密度的至少99％，或者甚至金剛石的理論最大密度的至少99.9％的密度。聚晶金剛石102可以展示出例如至少約1000GPa或至少約1100GPa的彈性模量。
包括如本文所述製造的聚晶金剛石102的切削元件100(圖1)的實施例可以安裝到鑽地工具上並用於移除地層材料。圖6示出了固定切削件式鑽地旋轉鑽頭160。鑽頭160包括鑽頭主體162。如本文所述的一個或多個切削元件100可以安裝在鑽頭160的鑽頭主體162上。切削元件100可以釺焊或以其它方式固定在形成於鑽頭主體162的外表面中的凹窩內。其它類型的鑽地工具，諸如牙輪鑽頭、衝擊鑽頭、混合式鑽頭、鑽地器等，也可以包括如本文所述的切削元件100。
實例
實例1：在101kPa下，95％CO2
將約2.0克的金剛石磨粒放入具有20cm3內部體積的容器(例如，圖3所示的內杯120)中。金剛石磨粒可以具有如PCD製造領域中已知的任何選定顆粒尺寸分布或其它特性。將容器放入適於真空和氣體注射二者的可加壓手套箱或腔室(例如，圖5A所示的腔室128)中。然後密封該腔室以將金剛石磨粒與環境大氣隔離。
通過真空泵從腔室中除去氣體，直到腔室中的絕對壓力小於或等於20mTorr(2.7Pa)。氬氣供給通過洗滌器以除去O2和H2O，並向腔室提供約99.9999％純度的Ar，直到腔室中的壓力在約3psig(122kPa絕對壓力)與約15psig(204kPa絕對壓力)之間。額外重複兩次除去氣體和用Ar淨化這個循環。第四次從腔室中除去氣體，直到腔室中的絕對壓力小於或等於20mTorr(2.7Pa)。
將一氧化碳(CO)氣體通過洗滌器提供到腔室，直到腔室中的壓力達到約280.9Pa，此時停止CO流。腔室包含約2.7Pa的Ar分壓和約278.2Pa的CO分壓。將另外的Ar通過洗滌器提供到腔室，直到腔室中的壓力達到約5066Pa，此時停止CO流。腔室包含約4788Pa的Ar分壓和約278.2Pa的CO分壓。將二氧化碳(CO2)氣體通過洗滌器提供到腔室，直到腔室中的壓力達到約101.3kPa，此時停止CO2流。腔室包含約96.26kPa的CO2分壓、約4788Pa的Ar分壓，以及約278.2Pa的CO分壓。腔室中的CO:CO2的比率約為2.9×10-3。通過以期望的最終分壓的升序提供氣體，可以更精確地控制低壓氣體的量。
將內部有金剛石磨粒和氣體的容器密封。例如，對於圖3所示的容器118，頂蓋122可以是具有精確機械加工(或研磨)內部的預製鈮蓋，其尺寸設定成當加熱時裝配在內杯120上。頂蓋122可以被加熱以使其材料膨脹，並且可以將一薄層的高溫密封劑施加到頂蓋122的表面。然後可以將頂蓋122放在內杯120上，從而使得在內杯120的側壁與頂蓋122的側壁之間形成密封。在容器118冷卻之後，如果需要，可以按壓容器118以進一步固定蓋。
在一些實施例中，可以使用兩步工藝用於密封容器118。例如，可以將一層氣密密封粘合劑施加到平坦或預成形的蓋(例如，頂蓋122)上。可以將平坦或預成形的蓋放在基部容器上以允許粘合劑進行密封。可以在平坦或預成形的蓋上施加重物以施加額外的壓力。一旦粘合劑已固化，就可以將重物從蓋移除。可以在內杯120的上周邊周圍施加額外的密封粘合劑。可以用模具手動按壓平坦或預成形的蓋，以形成用密封化合物的界面粘附到基部容器壁的平滑且均勻的側面。
在其它實施例中，可以通過將容器118的一部分暴露於雷射輻照來密封容器118。例如，可以將聚焦光束引導到頂蓋122與內杯120之間的界面附近，以沿著外圍界面將頂蓋122焊接到內杯120上。
在容器118被密封之後，使內部有金剛石和氣體的容器118經受HPHT處理。例如，可以將容器118放在帶有石墨加熱器的皮帶型壓力機或立方體型壓力機中。在一些實施例中，容器118可以經受至少約1400℃的溫度和至少4.5GPa的壓力，例如至少約1500℃的溫度和至少約6.0GPa的壓力，或者甚至至少約1700℃的溫度和至少約8.0GPa的壓力。通常，更高的溫度和壓力導致所得的聚晶金剛石102的密度更高。
熱力學計算表明，當使該實例中描述的金剛石磨粒和氣體在1727℃和8GPa下經受HPHT燒結時，容器118中約0.50％重量的碳材料(即，2.0g碳中的約0.01g)可以在Boudouard反應中與CO2反應以形成CO。
實例2：在101kPa下，50％CO2
將約2.0克的金剛石磨粒放入具有20cm3內部體積的容器(例如，圖3所示的內杯120)中。金剛石磨粒可以具有如PCD製造領域中已知的任何選定顆粒尺寸分布或其它特性。將容器放在適於真空和氣體注射的可加壓手套箱或腔室(例如，圖5A所示的腔室128)中。然後密封該腔室以將金剛石磨粒與環境大氣隔離。
通過真空泵從腔室中除去氣體，直到腔室中的絕對壓力約為20mTorr(2.7Pa)。氬氣供應通過洗滌器以除去O2和H2O，並向腔室提供約99.9999％純度的Ar，直到腔室中的壓力在約3psig(122kPa絕對壓力)與約15psig(204kPa絕對壓力)之間。額外重複兩次除去氣體和用Ar淨化這個循環。第四次從腔室中除去氣體，直到腔室中的絕對壓力約為20mTorr(2.7Pa)。
將一氧化碳(CO)氣體通過洗滌器提供到腔室，直到腔室中的壓力達到約202.8Pa，此時停止CO流。腔室包含約2.7Pa的Ar分壓和約200.1Pa的CO分壓。通過洗滌器將CO2提供到腔室，直到腔室中的壓力達到約50.66kPa，此時停止CO2流。腔室包含約50.46kPa的CO2分壓、約200.1Pa的CO分壓和約2.7Pa的Ar分壓。將Ar氣體通過洗滌器提供到腔室，直到腔室中的壓力達到約101.3kPa，此時停止Ar流。腔室包含約50.66kPa的CO2分壓、約50.46Pa的Ar分壓和約200.1Pa的CO分壓。腔室中的CO:CO2的比率約為4.0×10-3。
使內部有金剛石和氣體的容器118經受HPHT處理，如上面實例1所述。熱力學計算表明，當使該實例中描述的金剛石磨粒和氣體在1727℃和8GPa下經受HPHT燒結時，容器118中的約0.25％重量的碳材料(即，2.0g碳中的約0.005g)可以在Boudouard反應中與CO2反應以形成CO。
下面描述了本公開的附加的非限制示例性實施例。
實施例1：一種形成聚晶金剛石的方法，包括將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中；以及使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在所述金剛石顆粒之間形成晶間鍵。
實施例2：根據實施例1所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中包括將金剛石顆粒、一氧化碳、二氧化碳和惰性氣體包封在容器中。
實施例3：根據實施例1或實施例2所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中進一步包括從所述容器中除去氧氣和水中的至少一者。
實施例4：根據實施例1至3中的任一項所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中包括將金剛石顆粒、一氧化碳、二氧化碳和基材包封在容器中。
實施例5：根據實施例1至4中的任一項所述的方法，其中，使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度包括優先使來自所述金剛石顆粒的石墨氧化。
實施例6：根據實施例5所述的方法，其中，優先使來自所述金剛石顆粒的石墨氧化包括將石墨轉化為一氧化碳。
實施例7：根據實施例1至6中的任一項所述的方法，進一步包括將所述一氧化碳的至少一部分轉化為金剛石。
實施例8：根據實施例1至7中的任一項所述的方法，其中，將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中包括將所述金剛石顆粒放入所述容器中；將其中具有所述金剛石顆粒的所述容器放置在包括一氧化碳和二氧化碳的環境中；以及在包括所述一氧化碳和二氧化碳的所述環境中密封所述容器。
實施例9：根據實施例8所述的方法，其中，在包括所述一氧化碳和二氧化碳的所述環境中密封所述容器包括將所述容器的至少一部分暴露於雷射輻照。
實施例10：根據實施例1至9中的任一項所述的方法，進一步包括將所述一氧化碳的分壓與所述二氧化碳的分壓的比率選擇為約5.0×10-3或更小。
實施例11：根據實施例10所述的方法，其中，將所述一氧化碳的分壓與所述二氧化碳的分壓的比率選擇為約5.0×10-3或更小包括將所述一氧化碳的分壓與所述二氧化碳的分壓的比率選擇為在約3.0×10-3至約5.0×10-3的範圍內。
實施例12：根據實施例1至11中的任一項所述的方法，其中，使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度包括使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受反應係數小於石墨氧化的平衡常數且大於金剛石氧化的平衡常數的條件。所述反應係數被定義為對於包括固態石墨、氣態一氧化碳和氣態二氧化碳的材料的質量，石墨氧化的平衡常數被定義為其中固態石墨、氣態一氧化碳或氣態二氧化碳的質量不發生淨變化。對於包括固態金剛石、氣態一氧化碳和氣態二氧化碳的材料的質量，金剛石氧化的平衡常數被定義為其中固態金剛石、氣態一氧化碳或氣態二氧化碳的質量不發生淨變化。
實施例13：一種用在鑽地工具中的切削元件，所述切削元件包括通過一種方法形成的聚晶金剛石材料，所述方法包括將金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳包封在容器中；以及使所述包封的金剛石顆粒、一氧化碳和二氧化碳經受至少4.5GPa的壓力和至少1400℃的溫度，以在所述金剛石顆粒之間形成晶間鍵。
實施例14：根據實施例13所述的切削元件，其中，所述聚晶金剛石材料基本上不含金屬。
實施例15：根據實施例13或實施例14所述的切削元件，其中，所述聚晶金剛石材料展示出至少約1000GPa的模量。
實施例16：一種包括聚晶金剛石材料的切削元件，所述聚晶金剛石材料包括相互鍵合的金剛石晶粒，其中，所述聚晶金剛石材料基本上不含石墨碳和金屬化合物，並且其中所述聚晶金剛石材料展示出至少約3.49g/cm3的密度和至少約1000GPa的模量。
實施例17：根據實施例16所述的切削元件，進一步包括固定到所述聚晶金剛石材料的基材。
實施例18：根據實施例17所述的切削元件，其中，所述基材包括具有與所述聚晶金剛石材料的化學組成不同的化學組成的材料。
實施例19：一種包括固定到主體上的根據實施例16至18中的任一項所述的切削元件的鑽地工具。
實施例20：根據實施例19所述的鑽地工具，其中，所述鑽地工具包括鑽地旋轉鑽頭。
雖然本文已針對某些所示實施例描述了本發明，但是本領域的普通技術人員將認識並意識到本發明不限於此。而是，在不脫離如下文要求保護的本發明的範圍(包括其合法等效方案)的情況下，可以對所示實施例進行許多添加、刪除和修改。另外，一個實施例的特徵可以與另一個實施例的特徵結合，但仍然處於由本發明人考慮的發明範圍內。進一步地，本公開的實施例可用於多種不同的類型和配置的工具中。