CN106893911B - 一种高强耐热Al-Cu系铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强耐热Al‑Cu系铝合金及其制备方法，所述高强耐热Al‑Cu系铝合金由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.6～2.9%，Mg 1.3～1.5%，Fe 0.9～1.2%，Si 0.5～0.8%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.02～0.03%，B 0.004～0.006%，RE 0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。本发明Al‑Zn‑Mg系铝合金具有强度高、耐热性好以及生产成本低的优点，适合于制造深井、超深井等油气矿产资源勘探用铝合金钻杆，也可用于制造发动机汽缸、活塞、涡轮压缩机叶片盘、压力容器等，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高强耐热Al-Cu系铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体是涉及一种高强耐热Al-Cu系铝合金及其制备方法。
背景技术
钻杆是油气矿产资源勘探的主要工具，承载传递动力和输送泥沙泥浆的重任，其重量占到整个勘探装备的80%以上。随着我国油气矿产资源勘探事业的发展，深井、超深井和水平井的数量不断增多，勘探开发难度越来越大。现有的钢制钻杆虽有强度高的优点，但其重量也大，限制了钻探深度，运输也困难。铝合金钻杆具有重量轻、比强度高、耐腐蚀和抗疲劳性能好等优点，可以减轻钻机的负荷，提高钻探深度、钻探速度和钻探效率，也便于钻探装备的远距离运输，是解决深井、超深井、定向井、水平井、酸性气井等深山深海油气矿产资源勘探问题的重要装备。
铝合金钻杆的研究起源于上世纪60年代，经过50多年的发展，铝合金钻杆技术的研究和应用已成为世界上油气矿产资源勘探的一个热点。2011年，俄罗斯Exxon Neftegas公司采用铝合金钻杆仅用60天就完成了长达11475米水平井的钻探。目前，铝合金钻杆的最大钻井深度已超过12000米。我国在2009年引进了一批俄罗斯阿克瓦基公司的高强度铝合金钻杆并成功下井使用。对于铝合金钻杆而言，由于深井、超深井等的特定服役工况，要求其必须具有高的强度和热稳定性。目前普遍使用的铝合金钻杆材料多为Al-Cu系铝合金，但对于深井和超深井的钻探而言，现有的Al-Cu系铝合金钻杆仍存在强度和热稳定性不足的问题，另外，现有的Al-Cu系铝合金中Cu含量普遍较高，并添加了Ni、Ag等价格昂贵的合金元素，导致铝合金钻杆的生产成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、热稳定性好、生产成本低的高强耐热Al-Cu系铝合金及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高强耐热Al-Cu系铝合金，其特点是由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.6～2.9%，Mg 1.3～1.5%，Fe 0.9～1.2%，Si 0.5～0.8%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.02～0.03%，B 0.004～0.006%，RE 0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
优选的，本发明所述的高强耐热Al-Cu系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.8%，Mg 1.4%，Fe 1.1%，Si 0.7%，Li 0.4%，Zr 0.025%，B 0.005%，RE 0.02%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
其中，所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 16.4%，Nd 19.3%，Pm 11.5%，Sm23.6%，Eu 12.9%，Gd 16.3%。
本发明所述的高强耐热Al-Cu系铝合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；
第二步：将铝锭在700～740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为2.6～2.9%的电解铜、1.3～1.5%的镁锭、0.5～0.8%的速溶硅、4.0～5.5%的Al20Fe合金和1.5～2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.4～0.6%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520～530℃固溶处理1～3小时，水淬后，在145～165℃时效处理12～18小时，随炉冷却后得到高强耐热Al-Cu系铝合金。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明Al-Cu系铝合金的室温抗拉强度大于550MPa，屈服强度大于500MPa，伸长率大于9%，在200℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度大于510MPa，屈服强度大于475MPa，伸长率大于8%，具有强度高、热稳定性好和生产成本低的优点，适合于制造深井、超深井等油气矿产资源勘探用铝合金钻杆，也可用于制造发动机汽缸、活塞、涡轮压缩机叶片盘、压力容器等，具有广阔的市场应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明作进一步的详细说明。
本发明所述的高强耐热Al-Cu系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.6～2.9%，Mg 1.3～1.5%，Fe 0.9～1.2%，Si 0.5～0.8%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.02～0.03%，B0.004～0.006%，RE 0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
优选的，所述高强耐热Al-Cu系铝合金的成分组成及质量百分比为：Cu 2.8%，Mg1.4%，Fe 1.1%，Si 0.7%，Li 0.4%，Zr 0.025%，B 0.005%，RE 0.02%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
其中，所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 16.4%，Nd 19.3%，Pm 11.5%，Sm23.6%，Eu 12.9%，Gd 16.3%。
Cu和Mg是本发明Al-Cu系铝合金的主要合金元素，Cu和Mg除了具有固溶强化作用外，还可形成时效强化效果极为明显的CuAl2和Mg2Si相以及热稳定性极好的Al2CuMg、Al2CuLi等过剩相，增强铝合金的强度和耐热性。Cu、Mg含量越高，铝合金的强度越高，耐热性越好，但Cu的价格较贵，Cu含量太高会增加铝合金的生产成本，因此，Cu含量选择在2.6～2.9%， Mg含量选择在1.3～1.5%，优选的，Cu含量为2.8%，Mg含量为1.4%。
Fe在Al-Cu系铝合金可形成热稳定性较好的Al3Fe、Al2FeSi、FeSiAl3、Fe2SiAl8等过剩相，增强铝合金的耐热性能。Fe含量越高，过剩相的数量也越多，铝合金的耐热性越好。Fe的价格便宜，并且工业纯铝锭中一般都含有0.1%的Fe。但Fe含量太高也会降低铝合金的塑性、抗应力腐蚀性能和疲劳性能。因此，Fe含量选择在0.9～1.2%，优选的，Fe含量为1.1%。
Li在铝合金时效过程会还析出纳米尺寸且热力学稳定的Al3Li、Al2MgLi、Al2CuLi等强化相，钉扎位错、亚晶及晶界，抑制合金再结晶，提高铝合金的强度和耐热性能。添加0.3～0.5%的Li即可对铝合金产生显著的强化效果，优选的，Li添加量为0.4%。
Zr、B是以Al5Zr1B合金的形式加入到铝合金中，Al5Zr1B合金是由氟锆酸钾和氟硼酸钾的混合物与铝液反应得到，内部含有大量的ZrB2粒子。Al5Zr1B合金是一种新型的铝合金晶粒细化剂，发明人的大量实验证明，Al5Zr1B合金比现有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更强的晶粒细化能力，添加0.4～0.6%的Al5Zr1B合金，铝合金中含有0.02～0.03%的Zr和0.004～0.006%的B，可显著细化铝合金的晶粒，改善铝合金的组织均匀性，提高铝合金的塑性变形能力，优选的，Al5Zr1B合金添加量为0.5%，铝合金中含有0.025%的Zr和0.005%的B。
RE是含有Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共六种轻稀土元素的混合稀土，轻稀土元素的物理化学性质活泼，能与铝合金液中的氢、氧、锰、锌、铬等杂质元素反应生成高熔点、高稳定性的稀土化合物，对铝合金液有深度净化作用，可以消除杂质元素对力学性能的有害影响。另外，稀土化合物具有熔点高、硬度高和热稳定性好的特点，偏聚在相界和晶界可提高相界和晶界的强度和抗蠕变能力，进一步提高铝合金强度和耐热性。发明人的实验研究表明，添加Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共六种轻稀土元素的混合稀土的效果比添加一种或少数几种轻稀土元素的效果都更好，因此，选择添加0.01～0.03%的混合稀土，优选的，混合稀土添加量为0.02%。
本发明还提供了该高强耐热Al-Cu系铝合金的制备方法，具体由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；
第二步：将铝锭在700～740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为2.6～2.9%的电解铜、1.3～1.5%的镁锭、0.5～0.8%的速溶硅、4.0～5.5%的Al20Fe合金和1.5～2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.4～0.6%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520～530℃固溶处理1～3小时，水淬后，在145～165℃时效处理12～18小时，随炉冷却后得到高强耐热Al-Cu系铝合金。
本发明的制备方法，选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料，通过优化Cu、Mg主合金元素的含量，添加Al20Fe合金、Al20Li合金进行微合金化，提高铝合金的强度和耐热性。经精炼除气、除渣后，再加入Al5Zr1B合金和混合稀土RE，可以充分发挥Al5Zr1B合金和混合稀土RE对铝合金液的晶粒细化和深度净化作用，进一步提高铝合金的强度和耐热性。本发明的Al-Cu系铝合金由于Cu含量较低，且不含Ni、Ag等价格昂贵的合金元素，因此生产成本也相对较低。
为了更详尽的描述本发明的铝合金及其制备方法，以下列举几个实施例作更进一步的说明。
实施例1：
本发明所述的高强耐热Al-Cu系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.6%，Mg 1.3%，Fe 0.9%，Si 0.5%，Li 0.3%，Zr 0.02%，B 0.004%，RE 0.01%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 16.4%，Nd 19.3%，Pm 11.5%，Sm 23.6%，Eu 12.9%，Gd 16.3%。制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；
第二步：将铝锭在700℃加热熔化，并加入占原材料总重量为2.6%的电解铜、1.3%的镁锭、0.5%的速溶硅、4.0%的Al20Fe合金和1.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣，再加入占原材料总重量为0.4%的Al5Zr1B合金和0.01%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680℃并静置1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在530℃固溶处理1小时，水淬后，在145℃时效处理18小时，随炉冷却后得到高强耐热Al-Cu系铝合金。
实施例2：
本发明所述的高强耐热Al-Cu系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.8%，Mg 1.4%，Fe 1.1%，Si 0.7%，Li 0.4%，Zr 0.025%，B 0.005%，RE 0.02%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 16.4%，Nd 19.3%，Pm 11.5%，Sm 23.6%，Eu 12.9%，Gd 16.3%。制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；
第二步：将铝锭在700～740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为2.8%的电解铜、1.4%的镁锭、0.7%的速溶硅、5%的Al20Fe合金和2%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣，再加入占原材料总重量为0.5%的Al5Zr1B合金和0.02%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至700℃并静置0.7小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在525℃固溶处理2小时，水淬后，在155℃时效处理15小时，随炉冷却后得到高强耐热Al-Cu系铝合金。
实施例3：
本发明所述的高强耐热Al-Cu系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.9%，Mg 1.5%，Fe 1.2%，Si 0.8%，Li 0.5%，Zr 0.03%，B 0.006%，RE 0.03%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 16.4%，Nd 19.3%，Pm 11.5%，Sm 23.6%，Eu 12.9%，Gd 16.3%。制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；
第二步：将铝锭在740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为2.9%的电解铜、1.5%的镁锭、0.8%的速溶硅、5.5%的Al20Fe合金和2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣，再加入占原材料总重量为0.6%的Al5Zr1B合金和0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至720℃并静置0.5小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520℃固溶处理1小时，水淬后，在165℃时效处理12小时，随炉冷却后得到高强耐热Al-Cu系铝合金。
按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将实施例1-3的Al-Cu系铝合金和在200℃下热暴露500小时后的Al-Cu系铝合金分别加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1和表2所示。
表1 实施例1-3Al-Cu系铝合金的室温拉伸力学性能
表2 实施例1-3Al-Cu系铝合金在200℃下热暴露500小时后的室温拉伸力学性能
由表1和表2的检测结果可见，本发明Al-Cu系铝合金的室温抗拉强度大于550MPa，屈服强度大于500MPa，伸长率大于9%，在200℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度大于510MPa，屈服强度大于475MPa，伸长率大于8%，具有强度高、耐热性很好的特点。另外，本发明Al-Cu系铝合金的Cu含量较低，且不含Ni、Ag等价格昂贵的合金元素，因此还有生产成本相对较低的优点。本发明Al-Cu系铝合金适合于制造深井、超深井等油气矿产资源勘探用铝合金钻杆，也可用于制造发动机汽缸、活塞、涡轮压缩机叶片盘、压力容器等，具有广阔的市场应用前景。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种高强耐热Al-Cu系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.6～2.9%，Mg 1.3～1.5%，Fe 0.9～1.2%，Si 0.5～0.8%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.02～0.03%，B0.004～0.006%，RE 0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 16.4%，Nd 19.3%，Pm 11.5%，Sm 23.6%，Eu 12.9%，Gd 16.3%。
2.根据权利要求1所述的高强耐热Al-Cu系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Cu 2.8%，Mg 1.4%，Fe 1.1%，Si 0.7%，Li 0.4%，Zr 0.025%，B 0.005%，RE 0.02%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 16.4%，Nd 19.3%，Pm 11.5%，Sm 23.6%，Eu 12.9%，Gd16.3%。
3.一种制备如上述任一权利要求所述高强耐热Al-Cu系铝合金的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；
第二步：将铝锭在700～740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为2.6～2.9%的电解铜、1.3～1.5%的镁锭、0.5～0.8%的速溶硅、4.0～5.5%的Al20Fe合金和1.5～2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.4～0.6%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520～530℃固溶处理1～3小时，水淬后，在145～165℃时效处理12～18小时，随炉冷却后得到高强耐热Al-Cu系铝合金。
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