CN104164635A - 一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法 - Google Patents
一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，所述方法包括：将经过固溶的所述Al-Cu-Mg合金预拉伸变形0～8%后，加热至160℃～190℃，保温4小时～120小时后出炉空冷,所述Al-Cu-Mg合金中铜镁含量比小于或者等于5。本发明通过合适的热处理工艺使Al-Cu-Mg合金获得更加弥散和更具热稳定性的强化相，从而使合金具有比常规T6态更加优异的室温抗拉性能、更高的高温抗拉强度，以及长时间热暴露后的剩余抗拉强度。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金的热处理技术领域，特别涉及一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法。
背景技术
低Cu/Mg比的Al-Cu-Mg合金由于密度小且具有良好的强韧性、耐疲劳、耐硫化氢腐蚀和一定的耐热性，做为石油钻杆材料在石油钻探领域有着良好的应用前景。该系列合金的时效析出序列为：GPB区，S′相，S相。根据不同的使用条件，合金的热处理状态也不一样，这样合金中的微观组织状态也不一样。作为高强高韧性构件的合金，其通常使用的时效状态一般为峰值强度时效态（T6），该状态下合金的强度达到峰值，其微观组织处于时效析出的S′阶段。
Al-Cu-Mg合金在T6热处理状态下的热强性和热稳定性不高，为了提高该系列合金的高温力学性能，通常加入Fe、Ni元素以形成Al9FeNi耐热相，或者在较高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg中加入Ag，形成Ω耐热相。归纳起来，这些方法就是通过加入新的合金元素，形成新的耐热相，以提高合金热强性和热稳定性。
研究表明，位错作为一种晶体缺陷，可以成为强化相析出的能量陷阱，而促进Al-Cu-Mg合金的S’相析出。同时，位错作为能量陷阱还可以阻止S’相在高温环境下的粗化长大。这样，不仅可以在峰值强度值的基础上进一步提高合金强度，还可以降低析出相在高温环境下的粗化速率，提高合金的高温力学性能。而引入位错的方法就是塑性变形，这是一种比合金化方法廉价得多的技术方法。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：通过加入Fe、Ni、Ag等元素合金化提高合金耐热性的方法，必然会增加成本，尤其对于添加象Ag和Ni这样价格昂贵的合金元素，则更是如此。因此，开发新的技术途径，以较低的成本提高Al-Cu-Mg合金的热强性和热稳定性，对于该系列合金做为钻杆材料在石油钻探领域中的推广应用，具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，即利用位错作为能量陷阱的作用，不仅促进强化相的析出，而且还能阻止S’相在高温环境下的粗化长大。所述技术方案如下：
提供了一种提高Al-Cu-Mg铝合金钻杆用合金室温强度和高温性能的方法，所述方法包括：将经过固溶的所述Al-Cu-Mg合金预拉伸变形0～8%后，加热至160℃～190℃，保温4小时～120小时后出炉空冷,所述Al-Cu-Mg合金中铜镁含量比小于或者等于5。
进一步地，所述Al-Cu-Mg铝合金钻杆用合金的主组分及重量百分比为：Cu：3.8%～4.5%，Mg：1.2%～1.6%，Mn:0.3%～0.9%，Ti:0.05%～0.20%，余量为Al。
进一步地，所述Al-Cu-Mg铝合金钻杆用合金的固溶温度为470℃～500℃。
进一步地，所述Al-Cu-Mg铝合金钻杆用合金的固溶时间为50分钟～90分钟。
进一步地，所述Al-Cu-Mg铝合金钻杆用合金的在固溶后采用水淬降温。
另一方面，本发明还提供了一种提高Al-Cu-Mg铝合金钻杆用合金室温强度和高温性能的方法，所述方法包括：将经过固溶的所述Al-Cu-Mg合金预拉伸变形0～8%后，加热至160℃～190℃，保温4小时～120小时后出炉空冷,所述Al-Cu-Mg合金中铜镁含量比小于或者等于5。
其中，所述Al-Cu-Mg合金的组分及重量百分比为：
Cu：4.0%～4.3%，
Mg：1.5%～1.6%，
Mn:0.4%～0.6%，
Ti:0.1%～0.15%，
余量为Al。
所述Al-Cu-Mg合金的固溶温度为450℃～500℃。
所述Al-Cu-Mg合金的固溶时间为60分钟～90分钟。
所述Al-Cu-Mg合金的在固溶后采用水淬降温。
本发明所要解决的问题是提供一种提高Al-Cu-Mg合金热强性和热稳定性的新的低成本预拉伸变形方法，即利用位错作为能量陷阱的作用，不仅促进强化相的析出，而且还能阻止S’相在高温环境下的粗化长大。具体而言，就是在合金固溶淬火后，施加一定程度的预冷变形，其目的是在铝合金中引入一定密度的位错，这些位错在随后的时效析出阶段成为S’相析出的能量陷阱而促进析出，提高S’相的形核率及合金强度。同时，这种在位错能量陷阱中析出的S’相在热暴露过程中比常规的S’相更加稳定，因为位错能量陷阱的作用增大了析出相在高温环境下分解和粗化、长大的阻力，从而提高合金的热强性和热稳定性。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将经过固溶的Al-Cu-Mg合金预拉伸变形0～8%后，加热至160℃～190℃，保温4小时～120小时后出炉空冷。这样，本方法得到的Al-Cu-Mg合金的常规室温拉伸强度比目前常用的T6处理状态高，该Al-Cu-Mg合金抗拉强度比目前常用的T6处理状态的高，该Al-Cu-Mg合金在室温至300℃温度范围内的拉伸强度比T6处理态合金的高。通过设计低铜镁比的合金元素，在显著降低合金元素成本基础上，获取的是S’（Al2CuMg）相，其强化机理为析出的S’相弥散强化。
本发明是通过合适的热处理工艺使Al-Cu-Mg合金获得更加弥散和更具热稳定性的强化相，从而使合金具有比常规T6态更加优异的室温抗拉性能、更高的高温抗拉强度，以及长时间热暴露后的剩余抗拉强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过预拉伸变形和未经预拉伸变形试样在200℃/500小时热暴露后，在不同温度下的拉伸力学性能，图1中显示，施加预变形试样在热暴露后的室温和高温拉伸性能始终高于未加预变形的试样；
图2是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过预拉伸变形试样在160℃时效120小时的透射电镜组织；
图3是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金未经预拉伸变形试样在160℃时效120小时的透射电镜组织；
图4是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过4%的预拉伸变形试样在160℃时效120小时的透射电镜组织；
图5是本发明另一实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过4%的预拉伸变形试样在160℃时效120小时的透射电镜组织；
图6是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过预拉伸变形试样在190℃时效4小时的透射电镜组织；
图7是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金未经预拉伸变形试样在190℃时效4小时的透射电镜组织；
图8是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过4%的预拉伸变形试样在190℃时效4小时的透射电镜组织；
图9是本发明另一实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过4%的预拉伸变形试样在190℃时效4小时的透射电镜组织，图2-9中显示，施加预变形的试样组织都是大量细小弥散的S’相组织，而未加预变形的试样组织中析出的S’相体积分数小、间距较大；
图10是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金未经预拉伸变形试样经过200℃/100h热暴露后的透射电镜组织；
图11是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过预拉伸变形试样经过200℃/100h热暴露后的透射电镜组织；
图12是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金未经预拉伸变形试样经过200℃/300h热暴露后的透射电镜组织；
图13是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过预拉伸变形试样经过200℃/300h热暴露后的透射电镜组织；
图14是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金未经预拉伸变形试样经过200℃/500h热暴露后的透射电镜组织；
图15是本发明实施例提供的铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金经过预拉伸变形试样经过200℃/500h热暴露后的透射电镜组织；图10-15中显示，经过预拉伸变形试样的组织粗化速率比未经预拉伸变形试样的慢，这对应于预拉伸变形试样热暴露后保留有较高的拉伸性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
表1：
表1是铝合金经过预拉伸变形和未经预拉伸变形试样在200℃/500小时热暴露前后的拉伸性能。表1中显示，经过预变形试样在热暴露前后的拉伸强度始终高于未经预变形试样的拉伸强度。
实施例一
本实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该方法包括：将经过固溶的Al-Cu-Mg合金预拉伸变形0～8%后，加热至160℃～190℃，保温4小时～120小时后出炉空冷，Al-Cu-Mg合金中铜镁含量比小于或者等于5。该Al-Cu-Mg合金的组分及重量百分比为：Cu：3.8%～4.5%，Mg：1.2%～1.6%，Mn:0.3%～0.9%，Ti:0.05%～0.20%，余量为Al。该Al-Cu-Mg合金的固溶温度为470℃～500℃。该Al-Cu-Mg合金的固溶时间为50分钟～90分钟。该Al-Cu-Mg合金的在固溶后采用水淬降温。使Al-Cu-Mg合金获得较多的于位错陷阱中弥散析出的S’强化相组织。这样，通过设计低铜镁比的合金元素，在显著降低合金元素成本基础上，获取的是S’（Al2CuMg）相，其强化机理为析出的S’相弥散强化。
实施例二
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该方法包括：将经过固溶的Al-Cu-Mg合金预拉伸变形0～8%后，加热至160℃～190℃，保温4小时～120小时后出炉空冷，Al-Cu-Mg合金中铜镁含量比小于或者等于5。该Al-Cu-Mg合金的组分及重量百分比为：Cu：4.0%～4.3%，Mg：1.5%～1.6%，Mn:0.4%～0.6%，Ti:0.1%～0.15%，余量为Al。其中，Al-Cu-Mg合金的固溶温度为450℃～500℃。Al-Cu-Mg合金的固溶时间为60分钟～90分钟。Al-Cu-Mg合金的在固溶后采用水淬降温。
实施例三
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.0%Cu、1.2%Mg、0.6%Mn、0.2%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在500℃固溶1小时并水淬，预拉伸变形为0%，在160℃时效120小时后的室温拉伸力学性能达到：抗拉强度为500MPa,屈服强度为367MPa，延伸率为17%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为386MPa,屈服强度为314MPa，延伸率为18%。
实施例四
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：3.8%Cu、1.6%Mg、0.7%Mn、0.1%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在470℃固溶1.5小时并水淬，施加4%的预拉伸变形，然后在190℃时效4小时后的力学性能达到：抗拉强度为522MPa,屈服强度为505MPa，延伸率为7%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为405MPa,屈服强度为381MPa，延伸率为12%。
实施例五
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.5%Cu、1.2%Mg、0.3%Mn、0.05%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在495℃固溶50分钟并水淬，施加8%的预拉伸变形，然后在180℃时效4小时后的力学性能达到：抗拉强度为502MPa,屈服强度为487MPa，延伸率为6%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为402MPa,屈服强度为386MPa，延伸率为13%。
实施例六
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.3%Cu、1.5%Mg、0.4%Mn、0.15%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在495℃固溶1小时并水淬，施加4%的预拉伸变形，然后在190℃时效4小时后的力学性能达到：抗拉强度为512MPa,屈服强度为492MPa，延伸率为9%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为401MPa,屈服强度为379MPa，延伸率为11%。
实施例七
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：3.8%Cu、1.2%Mg、0.3%Mn、0.05%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在490℃固溶1.3小时并水淬，施加3%的预拉伸变形，然后在190℃时效4小时后的力学性能达到：抗拉强度为515MPa,屈服强度为495MPa，延伸率为9%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为401MPa,屈服强度为379MPa，延伸率为11%。
实施例八
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.5%Cu、1.6%Mg、0.9%Mn、0.2%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在496℃固溶1.2小时并水淬，施加3.5%的预拉伸变形，然后在185℃时效10小时后的力学性能达到：抗拉强度为515MPa,屈服强度为495MPa，延伸率为8%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为4051MPa,屈服强度为385MPa，延伸率为12%。
实施例九
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.0%Cu、1.5%Mg、0.4%Mn、0.10%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在485℃固溶1小时并水淬，施加3.5%的预拉伸变形，然后在180℃时效6小时后的力学性能达到：抗拉强度为512MPa,屈服强度为492MPa，延伸率为9%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为401MPa,屈服强度为379MPa，延伸率为11%。
实施例十
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.3%Cu、1.6%Mg、0.6%Mn、0.15%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在498℃固溶1.1小时并水淬，施加4.5%的预拉伸变形，然后在190℃时效8小时后的力学性能达到：抗拉强度为520MPa,屈服强度为498MPa，延伸率为10%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为401MPa,屈服强度为379MPa，延伸率为12%。
实施例十一
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.1%Cu、1.4%Mg、0.7%Mn、0.16%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在495℃固溶1小时并水淬，施加5%的预拉伸变形，然后在190℃时效4小时后的力学性能达到：抗拉强度为515MPa,屈服强度为492MPa，延伸率为9%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为401MPa,屈服强度为379MPa，延伸率为12.5%。
实施例十二
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：4.4%Cu、1.5%Mg、0.75%Mn、0.18%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在496℃固溶1小时并水淬，施加5%的预拉伸变形，然后在190℃时效6小时后的力学性能达到：抗拉强度为518MPa,屈服强度为496MPa，延伸率为9%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为401MPa,屈服强度为379MPa，延伸率为12.5%。
实施例十三
本发明实施例提供了一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，结合参考图1至图15以及表1，该Al-Cu-Mg合金的成分及各成分所占重量百分比为：3.9%Cu、1.3%Mg、0.45%Mn、0.08%Ti、余量为Al。将该组分的铝合金板材在496℃固溶1小时并水淬，施加5%的预拉伸变形，然后在190℃时效6小时后的力学性能达到：抗拉强度为518MPa,屈服强度为496MPa，延伸率为8%；200℃下高温拉伸性能达到：抗拉强度为401MPa,屈服强度为379MPa，延伸率为12.5%。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述方法包括：将经过固溶的所述Al-Cu-Mg合金预拉伸变形0～8%后，加热至160℃～190℃，保温4小时～120小时后出炉空冷，所述Al-Cu-Mg合金中铜镁含量比小于或者等于5。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的组分及重量百分比为：
Cu：3.8%～4.5%，
Mg：1.2%～1.6%，
Mn:0.3%～0.9%，
Ti:0.05%～0.20%，
余量为Al。
3.根据权利要求2所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的固溶温度为470℃～500℃。
4.根据权利要求3所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的固溶时间为50分钟～90分钟。
5.根据权利要求4所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的在固溶后采用水淬降温。
6.根据权利要求1所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的组分及重量百分比为：
Cu：4.0%～4.3%，
Mg：1.5%～1.6%，
Mn:0.4%～0.6%，
Ti:0.1%～0.15%，
余量为Al。
7.根据权利要求6所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的组分及重量百分比为：
Cu：4.2%，
Mg：1.55%，
Mn:0.5%，
Ti:0.12%，
余量为Al。
8.根据权利要求6所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的固溶温度为450℃～500℃。
9.根据权利要求8所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的固溶时间为60分钟～90分钟。
10.根据权利要求9所述的提高铝合金钻杆用Al-Cu-Mg合金室温强度和高温性能的方法，其特征在于，所述Al-Cu-Mg合金的在固溶后采用水淬降温。
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