Ứng dụng rộng rãi của các công cụ PDC (Poly Crystal Diamond Composite) trong khoan dầu, thăm dò địa chất và gia công-chịu mài mòn- cao bắt nguồn từ các ưu điểm tổng hợp của độ cứng cao, khả năng chống mài mòn cao và khả năng chống va đập tốt do cấu trúc hỗn hợp độc đáo của chúng mang lại. Tuy nhiên, việc nhận ra lợi thế này phụ thuộc trước hết vào việc lựa chọn vật liệu một cách khoa học. Thành phần vật liệu, đặc điểm pha liên kết và cấu trúc vi mô của lớp bề mặt và ma trận của dụng cụ trực tiếp xác định hiệu suất và tuổi thọ của nó trong các điều kiện làm việc khác nhau. Do đó, việc kết hợp vật liệu chính xác dựa trên yêu cầu ứng dụng là điều kiện tiên quyết để phát huy tiềm năng của các công cụ PDC.
Cấu trúc cơ bản của công cụ PDC bao gồm lớp kim cương đa tinh thể bề mặt (PCD) và ma trận cacbua xi măng ở đáy. Các đặc tính vật liệu và tác dụng hiệp đồng của hai lớp này quyết định hiệu suất tổng thể. Lớp PCD bề mặt đảm nhận các nhiệm vụ cắt và phá đá-chính, đồng thời cốt lõi của việc lựa chọn vật liệu nằm ở chất lượng và sự phân bổ kích thước hạt của bột kim cương. Bột kim cương đơn tinh thể-có độ tinh khiết cao-đảm bảo hình thành mạng lưới liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ giữa các hạt, do đó đạt được độ cứng và khả năng chống mài mòn gần giống với kim cương tự nhiên. Sự phân bố kích thước hạt phải cân bằng giữa độ bền vĩ mô và độ sắc nét cắt vi mô; các lớp kim cương hạt mịn-có khả năng chống mài mòn tốt hơn và phù hợp để gia công các vật liệu hoặc vật liệu có độ mài mòn cao, trong khi các lớp kim cương-hạt thô có lợi thế về khả năng chống va đập và phù hợp với các điều kiện chứa các hạt cứng hoặc tác động gián đoạn.
Vật liệu của pha liên kết là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định nhiệt và độ bền của lớp PCD. Các công cụ PCD thông thường thường sử dụng các kim loại chuyển tiếp như coban và niken làm chất xúc tác và chất kết dính. Những kim loại này xúc tác quá trình chuyển đổi kim cương thành than chì ở nhiệt độ cao, hạn chế nhiệt độ hoạt động và tuổi thọ của dụng cụ. Đối với các điều kiện-nhiệt độ cao, tốc độ-cao hoặc sốc nhiệt mạnh, nên ưu tiên các pha-xúc tác-thấp hoặc các pha liên kết phi kim loại (chẳng hạn như silicua, borua và cacbua). Những vật liệu này có thể ức chế quá trình grafit hóa một cách hiệu quả, nâng nhiệt độ phân hủy nhiệt lên trên 700 độ trong khi vẫn duy trì đủ độ bền liên kết ranh giới hạt, cho phép dụng cụ duy trì hiệu suất cắt ngay cả trong môi trường khắc nghiệt.
Việc lựa chọn vật liệu cho ma trận cacbua xi măng bên dưới ưu tiên độ bền và độ tin cậy khi kẹp. Các hợp kim coban vonfram-thường được sử dụng (chẳng hạn như WC{2}}Co) mang lại khả năng chống va đập, độ bền và khả năng gia công tuyệt vời, mang lại sự hỗ trợ cơ học chắc chắn cho lớp PCD, hấp thụ và phân tán tải trọng va đập tạo ra trong quá trình cắt và ngăn lớp kim cương bị gãy do độ giòn quá mức. Hàm lượng coban trong nền có thể được điều chỉnh để đạt được sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai: hàm lượng coban cao làm tăng độ dẻo dai nhưng làm giảm độ cứng một chút, thích hợp cho các ứng dụng có tác động cao; hàm lượng coban thấp dẫn đến độ cứng cao hơn, thích hợp cho khả năng chống mài mòn dưới tải trọng ổn định. Hơn nữa, độ đồng đều về mật độ và mật độ thiêu kết của ma trận cũng ảnh hưởng đến cường độ tổng thể và phải được đảm bảo thông qua kiểm soát quy trình sản xuất nghiêm ngặt.
Lựa chọn vật liệu yêu cầu tối ưu hóa có mục tiêu cho các tình huống ứng dụng khác nhau. Ví dụ: khi khoan dầu khí đối mặt với các thành tạo đá sa thạch và đá vôi có độ mài mòn cao, nên sử dụng lớp kim cương-hạt mịn có pha liên kết xúc tác (PCD)-thấp, kết hợp với ma trận cacbua xi măng có hàm lượng coban trung bình để cân bằng khả năng chống mài mòn và chống va đập. Trong hoạt động khoan thăm dò địa chất, khi gặp tác động của sỏi hoặc lớp xen kẽ, kích thước hạt kim cương có thể được tăng lên một cách thích hợp và độ bền của ma trận được cải thiện để giảm nguy cơ gãy răng. Trong các ứng dụng gia công chính xác chẳng hạn như hợp kim nhôm silicon cao-, ngoài khả năng chống mài mòn, hệ số ma sát thấp và độ trơ hóa học của vật liệu phải được xem xét để giảm độ bám dính của dụng cụ và hư hỏng bề mặt.
Tóm lại, lựa chọn vật liệu cho các công cụ PDC là một nhiệm vụ có hệ thống tích hợp chất lượng bột kim cương, đặc tính pha liên kết và hiệu suất ma trận cacbua xi măng. Chỉ bằng cách kết hợp một cách khoa học các thông số vật liệu và cấu trúc của từng lớp theo độ cứng, độ mài mòn, khả năng chống va đập và điều kiện nhiệt độ của các điều kiện làm việc cụ thể thì công cụ này mới có thể đảm bảo có độ ổn định và độ bền tuyệt vời đồng thời đạt được khả năng cắt và phá đá hiệu quả, do đó cung cấp hỗ trợ kỹ thuật đáng tin cậy cho các môi trường làm việc phức tạp.
