ЯЧЕЙКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА АЛМАЗНЫХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕЗЦОВ
HIGH PRESSURE CELL FOR SYNTHESIS OF DIAMOND POLYCRYSTALLINE CUTTERS

Изобретение относится к конструкции ячейки высокого давления (далее ЯВД) для синтеза поликристаллических алмазных резцов с составным нагревательным элементом и может использоваться для буровых долот.
Аналогом является «Конструкция и состав предварительно отформованных контейнеров, используемых в прессе высокого давления», в которой для решения проблемы увеличения давления синтеза в ЯВД предлагают использовать составной синтетический блок, состоящий из ЯВД в форме куба и отдельных прокладок. ЯВД и прокладки могут быть изготовлены из одного и того же либо разных материалов, хорошо передающих давление. Перед прессованием прокладку или часть прокладки располагают внутри пресса вместе с кубом. Во время операций прессования материал прокладки моментально протекает между продвигающимися упорами и герметизирует давление внутри центральной ячейки. Некоторое количество прокладочного материала удерживается внутри центральной ячейки давления во время сжатия и может вытекать наружу из ячейки во время декомпрессии, чтобы обеспечить более контролируемый процесс декомпрессии. Такая конструкция позволяет формировать запорный слой при меньших давлениях в гидросистеме, и, следовательно, раньше начать повышать давление в центре куба (US 10,543,653 B2; МПК B29C 43/22, B30B 11/00, B01J 3/06, C04B 35/645, опубл 18.05.2017 г.).
При описанном подходе недостатками являются большие нагрузки у рабочих поверхностей наковален и большая разница между давлениями в области синтеза и прокладкой (гаскетой), что увеличивает вероятность детонационного разрушения ЯВД при сбросе давления. Данные факторы с высокой долей вероятности приводят к разрушению наковален.
Наиболее близким к предложенному изобретению является «Ячейка в сборе для использования в кубическом прессе высокого давления» в патенте, где описана типовая реализация ЯВД на основе пирофиллитового куба в качестве среды, передающей давление. В представленной сборке внутри ЯВД одновременно размещают две чаши с заготовками PDC резцов. Чаши размещают таким образом, чтобы алмазный слой был расположен максимально близко к центру ЯВД (US 8371212B1, Б30Б 15/34, F27B 5/14, опубл. 12.02.2013).
Недостатком описанной ЯВД является высокая неоднородность теплового поля внутри ЯВД вследствие расположения поликристаллического алмаза в области наименьшего генерируемого давления.
Основная идея, предложенная авторами, заключается в развороте чаш с алмазным порошком таким образом, чтобы алмазный порошок размещался не в центре ЯВД, а был смещён к её внешнему краю, однако при таком расположении алмазный слой оказывается в нестабильных тепловых полях. Для стабилизации теплового поля в области синтеза поликристаллического алмаза требуется модификация нагревательного элемента сборки, обеспечивающая достижение стабильной температуры синтеза и равномерное её распределение.
Технический результат изобретения - равномерное распределение тепла внутри ячейки высокого давления с целью повышения давления синтеза поликристаллических резцов PDC.
Результат достигают с помощью ячейки высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов, включающей куб, металлический токоввод с пирофиллитовой вставкой, металлический диск, внешнюю теплоизоляционную трубку, нагревательный элемент, солевую трубку, разделительные диски, сборные чаши с алмазным порошком на подложке, согласно изобретению, алмазный порошок расположен между подложкой и разделительным диском ближе к торцам солевой трубки и нагревательный элемент по первому варианту состоит из двух или более равных графитовых нагревателей, разделённых металлическим кольцом, а по второму варианту - из двух или более равных торцевых графитовых нагревателей, разделённых центральным графитовым нагревателем. При этом по второму варианту удельное сопротивление торцевых графитовых нагревателей в 2 раза выше удельного сопротивления центрального графитового нагревателя.
Рассмотрим реализацию предложенного изобретения на примере ячейки высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов с нагревательным элементом, разделенным по первому варианту на два равных графитовых нагревателя, разделённых металлическим кольцом, а по второму варианту на два равных торцевых графитовых нагревателя, разделённых центральным графитовым нагревателем.
Устройство предложенного изобретения поясняется фигурами:
- на фиг. 1 изображен главный вид в разрезе первого варианта реализации ячейки высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов в собранном виде;
- на фиг. 2 изображен порядок расположения элементов ячейки высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов для первого варианта реализации в разрезе;
- на фиг. 3 изображен главный вид в разрезе второго варианта реализации ячейки высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов в собранном виде;
- на фиг. 4 изображен порядок расположения элементов ячейки высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов для второго варианта реализации в разрезе.
По первому варианту ячейка высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов состоит из следующих элементов (фиг. 1, 2):
1. Куб
2. Металлический токоввод с пирофиллитовой вставкой
3. Металлический диск
4. Внешняя теплоизоляционная трубка
5. Графитовые нагреватели
6. Металлическое кольцо
7. Солевая трубка
8. Разделительные диски
9. Сборные чаши
10. Алмазный порошок
11. Подложка из стали ВК13
По второму варианту ячейка высокого давления для синтеза алмазных поликристаллических резцов состоит из следующих элементов (фиг. 3, 4):
1. Куб
2. Металлический токоввод с пирофиллитовой вставкой
3. Металлический диск
4. Внешняя теплоизоляционная трубка
5. Торцевые графитовые нагреватели
6. Центральный графитовый нагреватель
7. Солевая трубка
8. Разделительные диски
9. Сборные чаши
10. Алмазный порошок
11. Подложка из стали ВК13
Сборку ЯВД для синтеза поликристаллических алмазных резцов осуществляют следующим образом.
Сборные чаши 9 изготавливают из тугоплавкого металла (тантал, ниобий, чистотой не менее 99,9%) и внутри них размещают алмазный порошок 10 и подложку 11, изготовленную из сплава ВК13.
2
Сборные чаши 9 помещают внутрь солевой трубки 7 и ориентируют таким образом, чтобы алмазный порошок 10 располагался ближе к торцам солевой трубки 7. Для защиты сборных чаш 9 от контакта между собой и другими элементами ЯВД разделительные диски 8 размещают в центре и с торцов солевой трубки 7. Солевую трубку 7 и разделительные диски 8 изготавливают из NaCl (99,9%) или смеси NaCl и ZrO, взятых в пропорции 80% и 20% по массе соответственно.
Соляную трубку 7 вместе со сборными чашами 9 и разделительными дисками 8 устанавливают в натяг внутри нагревательного элемента, состоящего по первому варианту реализации из двух равных графитовых нагревателей 5, разделённых металлическим кольцом 6, обеспечивающим электрический контакт между частями нагревательного элемента, изготовленным из тугоплавкого металла инертного к углероду (тантал, ниобий или молибден чистотой не менее 99,9), при этом внешний и внутренний диаметры графитового нагревателя 5 и металлического кольца 6 одинаковы, а по второму варианту реализации - из двух равных торцевых графитовых нагревателей 5, разделённых центральным графитовым нагревателем 6, при этом внешний и внутренний диаметры торцевых графитовых нагревателей 5 и центрального графитового нагревателя 6 одинаковы и удельное сопротивление торцевых графитовых нагревателей 5 в 2 раза выше удельного сопротивления центрального графитового нагревателя 6, что позволяет обеспечить электрический контакт между частями нагревательного элемента.
Поверх нагревательного элемента в натяг устанавливают внешнюю теплоизоляционную трубку 4, изготовленную из магнезита или доломита. Длины внешней теплоизоляционной трубки 4, солевой трубки 7 и нагревательного элемента равны между собой.
Всю полученную промежуточную сборку помещают внутрь куба 1. Куб 1 изготавливают из пирофиллита и силикатного стекла в качестве связующего. Размер куба 1 подбирают в соответствии с размерами рабочей камеры кубического пресса (не показан) и размерами рабочей поверхности используемых наковален (не показаны). Диаметр отверстия в кубе 1 подбирают таким образом, что бы обеспечить технологический зазор с входящими составляющими 0,1±0,05 мкм.
На завершающем этапе устанавливают внешние контактные вводы, состоящие из двух элементов: металлического токоввода с пирофиллитовой вставкой 2 и металлического диска 3, изготовленного из титана или молибдена чистотой не менее 99,9%. Металлический диск 3 обеспечивает электрический контакт металлического токоввода с пирофиллитовой вставкой 2 с нагревательным элементом.
Изобретение работает следующим образом.
Сборные чаши 9 с материалами для синтеза располагают внутри ЯВД в описанном порядке согласно выбранному варианту реализации ЯВД. ЯВД помещают в рабочую зону кубического пресса (не показан) и производят синхронное сжатие до достижения требуемого давления (5,5-7,2 ГПа). После посредством пропускания тока через металлический токоввод 2, металлический диск 3 и графитовые нагреватели 5 температуру внутри ЯВД доводят до температуры выше плавления кобальта в подложке (1450-1550°С). После спекания ЯВД охлаждают до температуры ниже 200°С, затем сбрасывают давление.
Предложенная модификация позволяет увеличить давление синтеза поликристаллических алмазных резцов PDC, не требуя увеличения давления нагнетаемого в гидравлических цилиндрах пресса, что в свою очередь сокращает амортизационные расходы.