CN108588501A - 一种具有固体自润滑性铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有固体自润滑性铝合金钻杆复合材料,及其制备方法，所述复合材料由两部分组成:基材、前驱体，其中基材成分各质量分数为Cu3.8～4.9％、Mg1.2～1.8％、Mn0.30～0.90％，其余为Al。前驱体占基材质量百分比20～30％，前驱体为高熵合金Ti2CoCrFeNiCu包覆MoS2+C颗粒。其制备方法为包括：前驱体制备、配置基材原料，然后将前驱体加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中，最后用坩埚熔炼炉将基材原料熔化并流至金属液包，将金属液和前驱体同时雾化形成固液雾化混合物，沉积，获得了具有自润滑耐磨复合材料铸坯，再挤压成型。

Description

一种具有固体自润滑性铝合金复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种具有固体自润滑性铝合金复合材料及制造方法。

背景技术

随着社会发展人口日益增长，对资源需求越来越多，当前陆地近地表资源已经开采过度，为了满足社会发展需求必须向地球深部寻找资源。当钻井不断加深，需要不断连接钻杆来延长钻柱其自重不断增加，仅靠发展大规格钻机完成深井和超深井的钻探是很困难的，尤其当钻井超过某一深度时，钻柱自重能使钻杆发生时效破坏，何况还存在裸眼井段长、井壁稳定性差、井内环境温度高等恶劣工况。因此，铝合金钻杆已经逐渐替代了钢钻杆，由于铝合金重量轻、抗腐蚀性强、比强度高、耗能低等优点，尤其在水平井、科学超深井、大位移井、地球深部钻探具有很大优势。钻杆在钻井过程中运动形态有涡动和振动，钻杆的磨损包括三个方面：(1)涡动使钻杆产生强烈的横向振动，加速钻杆与套管之间磨损。(2)在裸眼井段，钻头破岩时产生周期性的振动，钻杆与井壁不断发生碰撞造成表面擦伤和磨损。(3)井底地温高达300℃，压力可达200MPa。高温高压作用下钻杆耐磨性会衰减，出现严重的磨损减薄现象降低其承载能力增加事故隐患。因此，为了解决铝合金材料表面质软、耐磨性差等缺点，需要进行铝及铝合金的摩擦学改性处理。

目前公知的具有自润滑的复合材料主要制备方法对在铝合金表面制备硬质阳极氧化膜，随后在氧化铝膜表面的微孔中填充各种润滑性物质，使铝材表面具有良好的耐磨性和良好的自润滑性。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公告号为:CN106733554U，公告日为：2017.05.31，发明名称为:一种铝合金表面的自润滑耐磨涂层的制备方法，通过依次在铝合金的表面提供陶瓷中间缓冲层和表面自润滑层的方式，可以使高分子自润滑层附着于合金的表面提高耐磨层的耐久性。该方法缺点在于润滑层为高分子材料使用寿命短，不能满足钻杆的使用要求。中国专利公告号为:CN 106835233A，公告日为2017.06.13，发明名称为:耐磨、防腐蚀的铝合金钻杆制备方法及制得的铝合金钻杆，该发明采用电镀法获得耐磨、防腐蚀的铝合金钻杆，缺点在于表面耐磨防腐层仅有40～60μm，使用寿命短并且电解槽废液对环境有较大污染。

发明内容

本发明针对以上缺点从改善铝合金材料本质出发，以铝合金为基材，将TiCoCrFeNiAl包覆MoS2+C颗粒加入铝合金中，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备具有自润滑的钻杆用复合材料。所添加的前驱体具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定性，与铝合金基体间的界面润湿性与界面相容性好。包覆的MoS2+C颗粒又具有良好的自润滑性。因此，本发明制备的钻杆用复合材料不仅具有优良的耐磨性和自润滑性，而且摩擦系数小使用寿命长。

本发明的所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，通过改变铝合金材料本质提高其自润滑性，本发明还提供一种具有固体自润滑性铝合金钻杆材料制备方法。实现本发明的技术问题所采取的技术方案是：首先，采用喷射沉积法制备前驱体Ti2CoCrFeNiCu包覆MoS2+C的颗粒。其次，以铝合金为基材，在高压氩气作用下将基材金属液和前驱体同步雾化沉积在基板上获得复合材料铸坯。然后对铸坯进行热挤压致密化处理，挤压成管材。最后对管材进行二级固溶时效热处理，即得具有自润滑的钻杆用复合材料。具体包括以下技术内容：

本发明提供一种具有固体自润滑性铝合金复合材料，该复合材料由基材和前驱体组成，所述基材为铝合金，所述前驱体为高熵合金Ti2CoCrFeNiCu包覆MoS2+C颗粒。

优选的本发明所述前驱体在复合材料中占基材质量百分比为20～30％。

优选的本发明所述的铝合金中各元素的质量分数为Cu 3.8～4.9％、Mg 1.2～1.8％、Mn 0.30～0.90％，其余为Al。

优选的本发明所述前驱体粒径为20～50μm，高熵合金Ti2CoCrFeNiCu：MoS2：C质量比5:3:2。

本发明提供一种复合材料的制备方法，该方法采用喷射沉积增材制造方法，包括以下步骤：

1)：前驱体制备，首先将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Cu金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10～15μm的MoS2+C混合物加注到固体流化输送器中，向金属液包和固体流化输送器中通入0.7～0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2+C颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得前驱体颗粒，沉积距离700～900mm；

2)配置基材原料：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制，得基材原料；

3)铸坯：将步骤2)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，获得的铝合金液体，将其注入到金属液包中；将步骤1)中获得的前驱体颗粒超声震荡充分搅拌加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；向金属液包和输送器同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液体和前驱体同时雾化，沉积在基板上得铸坯；

4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450～500℃，保温30min；再到温度为520℃，挤压比为20～30，挤压速度为1～3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；

5)将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的管材；

6)时效处理：将步骤5)所得的第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h，得铝合金复合材料。

本发明所述的复合材料在制备钻杆中的应用。

本发明的有益效果：

本发明在铝合金基材中添加了具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定性的高熵合金，以及抗具有自润滑的MoS2+C，采用喷射沉积法获得成分均匀晶粒细小的组织结构，经过热挤压处理后组织更加致密，从而材料本质提高其耐磨性以及自润滑性，克服了公知专利自润滑层薄、使用寿命短、废液污染大的主要缺点，提供了一种工艺简单、操作方便、材料损耗少并能规模化生产具有自润滑的钻杆用复合材料及制备方法。

附图说明

图1：本发明一种具有固体自润滑性铝合金钻杆材料制备工艺流程图；

图2：本发明的固液同步雾化装置工作原理示意图；图中：1-固体颗粒，2-金属液，3-固体颗粒流化输送器，4-金属液包，5-关闭阀，6-密封塞,7-雾化器，8-冷却器

具体实施方式

下面结合施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限制于以下实施例。

实施例1：一种具有固体自润滑性铝合金钻杆材料制备方法，具体步骤如下：

1)：前驱体制备，首先将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Cu金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2+C混合物加注到固体流化输送器中，向金属液包和固体流化输送器中通入0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2+C颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得前驱体颗粒，沉积距离900mm；

2)配置基材原料：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制，得基材原料；

3)铸坯：将步骤2)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，获得的铝合金液体，将其注入到金属液包中；将步骤1)中获得的前驱体颗粒超声震荡充分搅拌按照基材质量百分比20％加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；向金属液包和输送器同时通入气压为0.85Mpa氩气将铝合金液体和前驱体同时雾化，沉积在基板上得铸坯；

4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至500℃，保温30min；再到温度为520℃，挤压比为30，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；

5)将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的管材；

6)时效处理：将步骤5)所得的第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h，得铝合金复合材料。

经检测，本实施例1得到的具有自润滑的钻杆用铝合金复合材料，组织均匀，前驱体弥散分布，晶粒细小，耐磨性能和摩擦系数小。

实施例2：一种具有固体自润滑性铝合金钻杆材料制备方法，具体步骤如下：

1)：前驱体制备，首先将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Cu金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2+C混合物加注到固体流化输送器中，向金属液包和固体流化输送器中通入0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2+C颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得前驱体颗粒，沉积距离900mm；

2)配置基材原料：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制，得基材原料；

3)铸坯：将步骤2)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，获得的铝合金液体，将其注入到金属液包中；将步骤1)中获得的前驱体颗粒超声震荡充分搅拌按照基材质量百分比25％加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；向金属液包和输送器同时通入气压为0.85Mpa氩气将铝合金液体和前驱体同时雾化，沉积在基板上得铸坯；

4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至500℃，保温30min；再到温度为520℃，挤压比为30，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；

5)将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的管材；

6)时效处理：将步骤5)所得的第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h，得铝合金复合材料。

经检测，本实施例2得到的具有自润滑的钻杆用铝合金复合材料，组织均匀，前驱体弥散分布，晶粒细小，耐磨性能和摩擦系数小。

实施例3：一种具有固体自润滑性铝合金钻杆材料制备方法，具体步骤如下：

1)：前驱体制备，首先将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Cu金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2+C混合物加注到固体流化输送器中，向金属液包和固体流化输送器中通入0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2+C颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得前驱体颗粒，沉积距离900mm；

2)配置基材原料：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制，得基材原料；

3)铸坯：将步骤2)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，获得的铝合金液体，将其注入到金属液包中；将步骤1)中获得的前驱体颗粒超声震荡充分搅拌按照基材质量百分比30％加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；向金属液包和输送器同时通入气压为0.85Mpa氩气将铝合金液体和前驱体同时雾化，沉积在基板上得铸坯；

4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至500℃，保温30min；再到温度为520℃，挤压比为30，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；

5)将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的管材；

6)时效处理：将步骤5)所得的第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h，得铝合金复合材料。

经检测，本实施例3得到的具有自润滑的钻杆用铝合金复合材料，组织均匀，前驱体弥散分布，晶粒细小，耐磨性能和摩擦系数小。

摩擦性能测试：通过采用MMQ-02G球盘式旋转运动高温摩擦磨损试验机，摩擦对偶件为Φ6mm陶瓷球，材质为SiO₂，硬度880HV。摩擦时间为30min，转速设为500r/min、载荷设为15N，结构见下表1：

表1：实施例1-3的铝合金复合材料摩擦性能测试结果

实施例	磨损量	平均摩擦系数
			实施例1	1.0mg	0.1
实施例2	0.8mg	0.06
			实施例3	0.7mg	0.04

经过上述3种实施例方法以及多次实验制备的具有自润滑的钻杆用复合材料及增材制造方法，在铝合金基材中添加了具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定性的高熵合金包覆MoS2+C的颗粒，采用喷射沉积法获得成分均匀晶粒细小的组织结构，经过热挤压处理后组织更加致密，从而材料本质提高其耐磨性以及耐腐蚀性，克服了公知耐腐蚀复合材料表面耐磨性和具有自润滑层薄、电镀液污染大的主要缺点，本发明提供了一种工艺简单、操作方便、材料损耗少并能规模化生产具有自润滑的钻杆用铝合金复合材料及制备方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有固体自润滑性铝合金复合材料，其特征在于，该复合材料由基材和前驱体组成，所述基材为铝合金，所述前驱体为高熵合金Ti2CoCrFeNiCu包覆MoS2+C颗粒。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述前驱体在复合材料中占基材质量百分比为20～30％。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的铝合金中各元素的质量分数为Cu 3.8～4.9％、Mg 1.2～1.8％、Mn 0.30～0.90％，其余为Al。

4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述前驱体粒径为20～50μm，高熵合金Ti2CoCrFeNiCu：MoS2：C质量比5:3:2。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，该方法采用喷射沉积增材制造方法，包括以下步骤：

1)：前驱体制备，首先将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Cu金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10～15μm的MoS2+C混合物加注到固体流化输送器中，向金属液包和固体流化输送器中通入0.7～0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2+C颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得前驱体颗粒，沉积距离700～900mm；

2)配置基材原料：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制，得基材原料；

3)铸坯：将步骤2)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，获得的铝合金液体，将其注入到金属液包中；将步骤1)中获得的前驱体颗粒超声震荡充分搅拌加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；向金属液包和输送器同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液体和前驱体同时雾化，沉积在基板上得铸坯；

4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450～500℃，保温30min；再到温度为520℃，挤压比为20～30，挤压速度为1～3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；

5)将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；第一级固溶处理后的管材进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s，得第二级固溶处理后的管材；

6)时效处理：将步骤5)所得的第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h，得铝合金复合材料。

6.根据权利要求1-4任一项所述的复合材料在制备钻杆中的应用。