人们正在探索的另一种改进硬 质合金性质的领域是微波烧结方 法。烧结碳化钨钴硬质合金的传 统方法要涉及到高压与高温，比 如热等静压（HIP）法，当在HIP炉 中进行烧结时，碳化钨会出现晶粒 增长情况，这会使基体的机械性能 下降。而通过微波烧结法生产的碳 化钨齿则其细晶粒结构既均匀又致 密，同时还具有烧结速度快和成本 较低等优点。

金刚石（层）的研制 人们已经 在研发与用于PDC齿上的聚晶金刚石 材料传统制造方法所不同的几种途 径。其中之一便是前面已经叙述过 的两步工艺法，这种方法是美国合 成公司于上世纪90年代初开发的， 这种齿的制造方法是先压制出一个 聚晶金刚石片，然后再将其空隙中 的钴基本上全部清除，而后再将此 金刚石片放到一个带有碳化钨基体 的另一压制腔内，最后再对该总成 进行高温高压处理以便将已脱钴的 金刚石片粘结到基体上从而形成热 稳定性极好的PDC齿。这种方法的 不足之处在于在第二次压制期间有 可能会使大量的钴进入到金刚石片 中、有可能会出现金刚石片与基体 间粘结不牢的情况、以及整体加工 产量低。

金刚石制造商正在探 索的第二种方法是 应用更高的压力 和温度以形成无 催化剂的金刚石 与金刚石间的 粘结。如图1所 示，在无催化剂 环境中合成金刚 石所需的压力和温 度大致为常见PDC制造参 数的1.5倍。这种方法的缺 点在于：能够提供加工所需 的压力和温度的压机太大、 在压机上可以放置的合成模 很小、且用于这类压机上的 砧座既昂贵且寿命又短、而且 十分不易将这种纯金刚石产品连接 到基体上以作钻井用途。

金刚石制造研究的第三种方法是 碳（化学）气相沉积（CVD）法。这 种技术是在真空环境中应用低温使 气相碳沉积到基体上，在合适的条 件下，会形成很小的微米厚度的金 刚石膜。该技术在光学和电子行业 已展示了良好的应用前景，但还尚 未证实在诸如钻井一类的高负荷磨 损环境中能够得以有效的应用。用 CVD法制成的金刚石的一个潜在用途 是在脱钴PDC金刚石层表面将其用作 填 充材料 以充填 脱钴过 程中所 产生的 空隙。 金刚石 研究的最后一 个领域是用碳 化硅替代含钴碳化 钨中的钴，或是在压制之前用碳化 硅与聚晶颗粒混合，无论是哪种情 况，其目的都是让碳化硅起到催化 剂的作用以达到金刚石与金刚石的 粘结。这种技术的优点是碳化硅的 热膨胀系数几乎与金刚石的热膨胀 系数相同，存在于聚晶金刚石层中 的碳化硅在遭受摩擦热的情况下比 钴的膨胀要小，所以使金刚石层的热稳定性更好。该技术的缺点是碳 化硅与钴相比的催化作用较差，且 与基体间的粘结较弱。

检测技术 PDC齿技术的发展 推动了超硬材料新型检测技术的发 展。一种新开发的非破坏性检测方 法是应用X光透视法进行检测，使 用这种方法时，是将检测能量置于 金刚石层表面内部或是跨过整个金 刚石层以便获取比用传统的电镜扫 描方法更为详细的金刚石层内部情 况。从金刚石层的侧面进行观察能 够对金刚石层内部的各种成份的深 度（比如脱钴深度）进行量化，而 且还可以确定金刚石与基体间界面 的质量。

传统研磨试验方法的主要缺点是 其所需的时间太长，随着PDC齿的改 进，这种试验所要求的时间就更长 了。而用于检测PDC齿冲击韧性的传 统落锤冲击试验的主要缺点是必须 对大量的齿进行检测才能得出可靠 的统计分析结果，同时所需要的时 间也较长。

已开发出两种能够解决这些问题 的新型试验方法。第一种方法就是 瓦瑞尔国际公司的双模式岩石研磨 试验（BART）法，该试验采用设计好 的岩样，岩样为带有很高抗压强度 的花岗岩，上面浇铸一层具有高研 磨性的水泥，当用立式铣床进行单 个PDC齿试验时，该岩石结构能够通 过反复的从研磨性水泥到高抗压强 度花岗岩的过渡从而更为精确的模 拟实际钻井条件，参见图2。在这种 试验方式中，传统的研磨试验得以 升级，加入了高冲击成份，这种组 合通过更快的磨损PDC齿而加快了试 验速度，同时其结果又能就齿对过 渡性钻井的适用性进行更为完善的 定量和定性分析。

第二种新型试验方法也是由瓦瑞 尔国际公司开发的，称之为声波发 射韧性试验（AETT），这种试验方法 应用一个圆拱形的PDC压头对PDC剪切 齿施压，参见图3。试验腔配有一个 灵敏度很高的声波传感器，随着施 加到PDC齿金刚石层上的力的增大， 金刚石层会开始发生微裂纹，声波 传感器就会检测出微裂纹的发生情 况，然后记录到一个硬盘上并在监 视器上显示出来。该试验能够精确 的量化金刚石层内刚金刚石与金刚 石间的粘结强度，可根据其对由负 载所引起的微裂纹的抵抗能力的不 同而对不同类型和牌号的PDC齿进行 比较，从而可极具预测性的对齿的 抗冲击强度进行评价。另外，这种 试验方法还可被PDC齿制造商用作一 种工艺控制或质量控制工具。 如果能够综合运用上述两种新型 试验方法，就可以通过以更快的速 度提供原型齿属性更为精确的定量 分析结果而大大加快新型PDC齿的开 发步伐。

PDC齿及PDC钻头技术的成熟 技术进步的浪潮伴以在新的钻井领 域中的应用为三十多年来PDC钻头作 为传统牙轮钻头的一种商业替代钻 井工具的发展打下了鲜明的烙印， 这种发展的模式可以用如图4中一种 典型的技术创新“S”形曲线来表 示，该曲线形象的展示出了PDC钻头 市场份额大幅增长的情况：在1982年 时，PDC钻头在世界范围内所占钻井 进尺的份额仅为2%，而当时牙轮钻头 的份额则为98%。

PDC齿和PDC钻头技术在各方面 都已成熟，这些方面包括材料、几 何形状、抗冲蚀性、振动控制、扭 矩控制、水力及清洗、铸造整体 性、金刚石配方以及金刚石层的压 制和处理等。在同样的30年间，牙 轮钻头也有了很大的发展，当今的 牙轮钻头性能是1980年间相同牙轮 钻头性能的1.5～5倍,这是改进了钻 头密封和储油装置、先进的镶齿设 计、改进的钻头体水力结构以及更 好的敷焊材料和硬质金属配方。有 趣的是，导致牙轮钻头寿命延长的 因素之一是在牙轮钻头保径部位和主切削结构中应用了金刚石加强齿 （球形PDC齿）。

然而，虽然牙轮钻头在上述各方 面有了很大的改进，但在与PDC钻头 争夺市场的战斗中还是打了败仗。 一方面是因为牙轮钻头技术的改进 没能赶上PDC技术的发展，另一方面 的原因是正是由于这些改进，使得 即使是在最适合用牙轮钻头钻进的 应用中，所需要的牙轮钻头数量也 减少了。

PDC技术的最新发展有望对人 们目前仍喜欢用牙轮钻头进行钻进 的地层发起挑战，这些地层包括燧 石、黄铁矿、菱铁矿、花岗岩和致 密白云岩等硬岩地层。另外，研磨 性很大的岩层如多角砂和石英岩也 是未来PDC钻头的待选目标。如果 PDC钻头能够成功地钻进这些地层的 话，就会迫使牙轮钻头被作为一种 在特殊地区应用的特殊钻头产品， 这些特殊地区包括浅层低成本的陆 上钻井、大直径（26～36英寸）海上 上部井眼钻井、以及扩眼、清井和 鼠洞作业等。

PDC钻头对上述这些地层的占有 的动力与早期PDC钻头应用的动力相 同，即PDC钻头没有活动零件和密封 件、碳化钨钻头胎体的抗冲蚀能力 强、PDC钻头承受高转速的能力强、 可实现高的机械钻速、能够快速设 计制造出特殊的钻头保径以及切削 结构等。

随着牙轮钻头边缘发展的延续， 有理由相信，在未来5～10年间全球钻 井进尺的比例将会是PDC钻头占80%， 牙轮钻头占20%。而如果金刚石材料和 PDC齿形状的研发发展的很好，能够使 PDC钻头完全占领仍由牙轮钻头所占 据的市场的话，在未来10年间PDC钻头 和牙轮钻头所占的进尺比例能够超过 90%～10%。【完】