CN108624829A - 一种高弹性铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种高弹性铝基复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108624829A CN108624829A CN201810489362.XA CN201810489362A CN108624829A CN 108624829 A CN108624829 A CN 108624829A CN 201810489362 A CN201810489362 A CN 201810489362A CN 108624829 A CN108624829 A CN 108624829A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aluminum matrix
- matrix composite
- obtains
- molten metal
- tubing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 53
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 51
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 48
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 45
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 27
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 25
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000001540 jet deposition Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000001192 hot extrusion Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims abstract description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 41
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 41
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 21
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 241000108463 Hygrophila <snail> Species 0.000 claims description 17
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 11
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 11
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 10
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 5
- 238000005243 fluidization Methods 0.000 claims description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 claims 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 abstract description 3
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009718 spray deposition Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 26
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- UTSDGYKWHMMTDM-UHFFFAOYSA-N alumane;tungsten Chemical compound [AlH3].[W] UTSDGYKWHMMTDM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C49/02—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
- C22C49/04—Light metals
- C22C49/06—Aluminium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C47/16—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by thermal spraying of the metal, e.g. plasma spraying
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C49/00—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
- C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geology (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开一种铝基复合材料,该材料以铝合金为基材,采用碳纤维束线和高熵合金颗粒为增强体,采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料。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强度以及弹性模量,克服了公知高强度高弹性铝基复合材料抗拉强度低等缺点,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高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及制备方法。
Description
技术领域
本发明属于材料领域,具体涉及一种高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法。
背景技术
随着社会发展促使石油和天然气工业及地质勘探业的迅猛发展,对钻井和开探业也提出了越来越高的技术要求。不仅是钻井数目的增多,而且由于近地表面资源和能源的“枯竭”,迫使钻探的深度必须成倍增加,在边远地区和海底的钻探量也日益增多。在钻探条件日趋复杂和恶劣条件下,为了勘探和开采位于海洋大陆架区的油田和气田,当钻探地点距岸边2~3公里时最佳方案是采用从岸上水平或者斜向钻井的方法,该方法需要钻杆具有高强度和高弹性。因此,提高铝合金的强度和弹性是提升铝合金在定向井、大位移水平井和斜井油气钻探广泛应用的关键。
目前公知的高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料主要制备方法是采用铸造和热挤压法。该方法制备的铝基复合材料晶粒粗大,强度和弹性不能满足水平井和斜井钻杆的使用要求。经对现有技术文献的检索发现,中国专利公告号为:CN107619974A,公告日为:2018.01.23,发明名称为:一种高强度高弹性铝合金及其制备方法,该方法缺点在于采用浇注法制备铝合金棒料,获得的组织晶粒粗大,成分不均匀,抗拉强度仅为400Mpa,屈服强度为360Mpa,延伸率为7%,弹性模量为90Gpa,不能满足钻杆的使用要求。中国专利公告号为:107587006A,公告日为:2018.01.16,发明名称为:一种低弹性模量铝合金,该发明通过在铝合金加入钨和钴浇注成型法使得其强度得到提高,并且提高了铝合金的弹性模量,缺点在于制备的铝基复合材料抗拉强度低。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,通过连续纤维和颗粒两种增强体的协同作用提高其强度和弹性模量。本发明提供一种高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法。
实现本发明的技术问题所采取的技术方案是:采用铝合金为基材,采用碳纤维束线和高熵合金颗粒为增强体,采用喷射沉积增材制造制备铝基复合材料铸坯。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,即得高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料,本发明具体的技术方案如下:
一种高弹性铝基复合材料,该铝基复合材料由基材和增强体组成,所述基材为铝合金,所述增强体由碳纤维束丝和高熵合金颗粒组成。
本发明优选的所述增强体在复合材料中所占体积百分数为15~30%,碳纤维束丝在复合材料中所占体积百分数为10~20%,所述高熵合金颗粒在复合材料所占体积百分数为5~10%。
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。
优选的本发明所述的高熵合金颗粒为TiCoCrFeNiAl,其粒径为20~50μm。
优选的本发明所述的碳纤维束丝包含500~1000根单纤维,单根纤维直径为5~10μm。
本发明还提供一种铝基复合材料的制备方法,该方法采用增材制造方法,包括以下步骤:
1)将碳纤维束丝缠绕在铝合金表面预切的螺旋型切槽中,铝合金不断做周向旋转,旋转速度5mm/s;
2)将纯Al坩埚熔炼炉熔化加注到金属液包中,通入气压为0.7~0.85Mpa的高压氮气将金属液雾化;
3)在步骤2)金属液雾化过程中将雾化室通入氧气与纯Al液滴发生氧化反应,沉积距离为400~450mm,在铝合金表面沉积形成Al2O3涂层获得了预置铝合金,保护碳纤维束丝在后续工序不被损伤;
4)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制,得基材原料;
5)将步骤4)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液;
6)将高熵合金颗粒TiCoCrFeNiAl在球磨机中以100~150rpm转速机械球磨1~2h后粒度达到200目,得高熵合金粉末;
7)将步骤6)中获得的高熵合金粉末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;
8)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中;
9)将喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器和雾化器同时通入气压为0.7~0.85MPa氮气将金属液和高熵合金颗粒同时雾化,沉积在周向旋转的预置铝合金上获得铸坯,铝合金旋转速度5mm/s;
10)将步骤9)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450~500℃,保温30min,再在温度为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;
11)将步骤10)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,得第一级固溶处理后的管材;
12)将步骤11)中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;
13)将步骤12)中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,得铝基复合材料。
本发明所述的铝基复合材料在制备钻杆中的应用。
本发明的有益效果:
本发明以铝合金为基材,采用碳纤维束线和高熵合金颗粒为增强体,采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料。所添加的碳纤维束线经过预处理后不仅具有优异的强度和弹性,而且损失小。所添加的高熵合金具有高硬度、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。另外,碳纤维束线和高熵合金颗粒可以起到协同增强作用。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强度以及弹性模量,克服了公知高强度高弹性铝基复合材料抗拉强度低等缺点,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高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及制备方法。
附图说明
图1:本发明的高强度高弹性的钻杆用铝基复合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;其中1-固体颗粒,2-铝合金液,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,9-碳纤维束丝,10-铝合金芯棒。
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1:一种高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法,具体步骤如下:
1)按照基材体积百分数的10%,将碳纤维束丝缠绕在铝合金表面预切的螺旋型切槽中,铝合金不断做周向旋转,旋转速度5mm/s;
2)将纯Al坩埚熔炼炉熔化加注到金属液包中,通入气压为0.7~0.85Mpa的高压氮气将金属液雾化;
3)在步骤2)金属液雾化过程中将雾化室通入氧气与纯Al液滴发生氧化反应,沉积距离为400~450mm,在铝合金表面沉积形成Al2O3涂层获得了预置铝合金,保护碳纤维束丝在后续工序不被损伤;
4)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制,得基材原料;
5)将步骤4)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液;
6)将高熵合金颗粒TiCoCrFeNiAl在球磨机中以100~150rpm转速机械球磨1~2h后粒度达到200目,得高熵合金粉末;
7)将步骤6)中获得的高熵合金粉末超声震荡充分搅拌,按基材体积分数的5%加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中;
8)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中;
9)将喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器和雾化器同时通入气压为0.7~0.85MPa氮气将金属液和高熵合金颗粒同时雾化,沉积在周向旋转的预置铝合金上获得铸坯,铝合金旋转速度5mm/s;
10)将步骤9)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450~500℃,保温30min,再在温度为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;
11)将步骤10)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,得第一级固溶处理后的管材;
12)将步骤11)中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;
13)将步骤12)中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,得铝基复合材料。
实施例2本实施例所述一种高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法,具体步骤如下:
1)按照基材体积百分数的15%,将碳纤维束丝缠绕在铝合金表面预切的螺旋型切槽中,铝合金不断做周向旋转,旋转速度5mm/s;
2)将纯Al坩埚熔炼炉熔化加注到金属液包中,通入气压为0.7~0.85Mpa的高压氮气将金属液雾化;
3)在步骤2)金属液雾化过程中将雾化室通入氧气与纯Al液滴发生氧化反应,沉积距离为400~450mm,在铝合金表面沉积形成Al2O3涂层获得了预置铝合金,保护碳纤维束丝在后续工序不被损伤;
4)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制,得基材原料;
5)将步骤4)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液;
6)将高熵合金颗粒TiCoCrFeNiAl在球磨机中以100~150rpm转速机械球磨1~2h后粒度达到200目,得高熵合金粉末;
7)将步骤6)中获得的高熵合金粉末超声震荡充分搅拌,按基材体积分数的8%加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中;
8)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中;
9)将喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器和雾化器同时通入气压为0.7~0.85MPa氮气将金属液和高熵合金颗粒同时雾化,沉积在周向旋转的预置铝合金上获得铸坯,铝合金旋转速度5mm/s;
10)将步骤9)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450~500℃,保温30min,再在温度为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;
11)将步骤10)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,得第一级固溶处理后的管材;
12)将步骤11)中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;
13)将步骤12)中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,得铝基复合材料。
实施例3本实施例所述一种高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法,具体步骤如下:
1)按照基材体积百分数的20%,将碳纤维束丝缠绕在铝合金表面预切的螺旋型切槽中,铝合金不断做周向旋转,旋转速度5mm/s;
2)将纯Al坩埚熔炼炉熔化加注到金属液包中,通入气压为0.7~0.85Mpa的高压氮气将金属液雾化;
3)在步骤2)金属液雾化过程中将雾化室通入氧气与纯Al液滴发生氧化反应,沉积距离为400~450mm,在铝合金表面沉积形成Al2O3涂层获得了预置铝合金,保护碳纤维束丝在后续工序不被损伤;
4)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制,得基材原料;
5)将步骤4)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液;
6)将高熵合金颗粒TiCoCrFeNiAl在球磨机中以100~150rpm转速机械球磨1~2h后粒度达到200目,得高熵合金粉末;
7)将步骤6)中获得的高熵合金粉末超声震荡充分搅拌,按基材体积分数的10%加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中;
8)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中;
9)将喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器和雾化器同时通入气压为0.7~0.85MPa氮气将金属液和高熵合金颗粒同时雾化,沉积在周向旋转的预置铝合金上获得铸坯,铝合金旋转速度5mm/s;
10)将步骤9)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450~500℃,保温30min,再在温度为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;
11)将步骤10)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,得第一级固溶处理后的管材;
12)将步骤11)中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;
13)将步骤12)中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,得铝基复合材料。
对上述实施例1-3的铝基复合材料进行力学性能测试,结果见下表1。
表1:实施例1-3的铝基复合材料进行力学性能测试
实施例 | 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率% | 弹性模量GMp |
实施例1 | 600 | 580 | 16 | 60 |
实施例2 | 680 | 661 | 13 | 50 |
实施例3 | 698 | 678 | 9 | 40 |
经过上述3种实施例方法以及多次实验制备的高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法,以铝合金为基材,采用碳纤维束线和高熵合金颗粒为增强体,采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料。所添加的碳纤维束线经过预处理后不仅具有优异的强度和韧性,而且损失小。所添加的高熵合金具有高硬度、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。另外,碳纤维束线和高熵合金颗粒可以起到协同增强作用。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强度以及弹性模量,克服了公知高强度高弹性铝基复合材料抗拉强度低等缺点,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高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及制备方法。
由表1的检测结果可见,本发明钻杆用的高强度高弹性铝基复合材料室温条件下抗拉强度大于600Mpa,屈服强度大于580Mpa,延伸率大于9%,弹性模量小于60GMp具有高强度高弹性的特点,本发明钻杆用的高强度高弹性铝基复合材料适用于水平或斜向油气田勘探用铝合金钻杆,具有广泛的应用前景。
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,凡在本发明的范围和原则之内,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 (8)
1.一种高弹性铝基复合材料,其特征在于,该铝基复合材料由基材和增强体组成,所述基材为铝合金,所述增强体由碳纤维束丝和高熵合金颗粒组成。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料,其特征在于,所述增强体在复合材料中所占体积百分数为15~30%。
3.根据权利要求2所述的铝基复合材料,其特征在于,所述碳纤维束丝在复合材料中所占体积百分数为10~20%,所述高熵合金颗粒在复合材料所占体积百分数为5~10%。
4.根据权利要求1所述的铝基复合材料,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。
5.根据权利要求1所述的铝基复合材料,其特征在于,所述的高熵合金颗粒为TiCoCrFeNiAl,其粒径为20~50μm。
6.根据权利要求1所述的铝基复合材料,其特征在于,所述的碳纤维束丝包含500~1000根单纤维,单根纤维直径为5~10μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的铝基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)将碳纤维束丝缠绕在铝合金表面预切的螺旋型切槽中,铝合金不断做周向旋转,旋转速度5mm/s;
2)将纯Al坩埚熔炼炉熔化加注到金属液包中,通入气压为0.7~0.85Mpa的高压氮气将金属液雾化;
3)在步骤2)金属液雾化过程中向雾化室通入氧气与纯Al液滴发生氧化反应,沉积距离为400~450mm,在铝合金表面沉积形成Al2O3涂层获得了预置铝合金,保护碳纤维束丝在后续工序不被损伤;
4)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制,得基材原料;
5)将步骤4)中获得的基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化成金属液;
6)将高熵合金颗粒TiCoCrFeNiAl在球磨机中以100~150rpm转速机械球磨1~2h后粒度达到200目,得高熵合金粉末;
7)将步骤6)中获得的高熵合金粉末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;
8)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中;
9)将喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器和雾化器同时通入气压为0.7~0.85MPa氮气将金属液和高熵合金颗粒同时雾化,沉积在周向旋转的预置铝合金上获得铸坯,铝合金旋转速度5mm/s;
10)将步骤9)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450~500℃,保温30min,再在温度为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;
11)将步骤10)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,得第一级固溶处理后的管材;
12)将步骤11)中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;
13)将步骤12)中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,得铝基复合材料。
8.根据权利要求1-6任一项所述的铝基复合材料在制备钻杆中的应用。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810489362.XA CN108624829B (zh) | 2018-05-21 | 2018-05-21 | 一种高弹性铝基复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810489362.XA CN108624829B (zh) | 2018-05-21 | 2018-05-21 | 一种高弹性铝基复合材料及其制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108624829A true CN108624829A (zh) | 2018-10-09 |
CN108624829B CN108624829B (zh) | 2020-05-05 |
Family
ID=63693893
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810489362.XA Active CN108624829B (zh) | 2018-05-21 | 2018-05-21 | 一种高弹性铝基复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108624829B (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112191851A (zh) * | 2020-09-14 | 2021-01-08 | 江苏海洋大学 | 一种高熵合金增强铝基复合材料及其制备方法 |
CN114645180A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-06-21 | 江苏大学 | 一种双相增强铝合金及其制备方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102051554A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-05-11 | 南京信息工程大学 | 一种阻尼耐磨铝合金材料及其制备方法 |
CN104388764A (zh) * | 2014-11-06 | 2015-03-04 | 华南理工大学 | 一种高熵合金增强的铝基复合材料及其制备方法 |
CN105478724A (zh) * | 2015-12-23 | 2016-04-13 | 华南理工大学 | 一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其搅拌铸造制备工艺 |
CN106222463A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-14 | 华南理工大学 | 一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
KR101748836B1 (ko) * | 2016-02-15 | 2017-07-03 | 서울대학교 산학협력단 | Twip/trip 특성을 가진 하이엔트로피 합금 및 그 제조방법 |
CN107254644A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-10-17 | 贵州全世通精密机械科技有限公司 | 一种高强度铝基材料及其制备方法 |
CN108395727A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-08-14 | 中南大学 | 一种高金属汽车摩擦片及其制备方法 |
-
2018
- 2018-05-21 CN CN201810489362.XA patent/CN108624829B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102051554A (zh) * | 2011-01-14 | 2011-05-11 | 南京信息工程大学 | 一种阻尼耐磨铝合金材料及其制备方法 |
CN104388764A (zh) * | 2014-11-06 | 2015-03-04 | 华南理工大学 | 一种高熵合金增强的铝基复合材料及其制备方法 |
CN105478724A (zh) * | 2015-12-23 | 2016-04-13 | 华南理工大学 | 一种高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其搅拌铸造制备工艺 |
KR101748836B1 (ko) * | 2016-02-15 | 2017-07-03 | 서울대학교 산학협력단 | Twip/trip 특성을 가진 하이엔트로피 합금 및 그 제조방법 |
CN106222463A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-14 | 华南理工大学 | 一种轻质AlSiTi系高熵合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
CN107254644A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-10-17 | 贵州全世通精密机械科技有限公司 | 一种高强度铝基材料及其制备方法 |
CN108395727A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-08-14 | 中南大学 | 一种高金属汽车摩擦片及其制备方法 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112191851A (zh) * | 2020-09-14 | 2021-01-08 | 江苏海洋大学 | 一种高熵合金增强铝基复合材料及其制备方法 |
CN114645180A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-06-21 | 江苏大学 | 一种双相增强铝合金及其制备方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108624829B (zh) | 2020-05-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105002492B (zh) | 一种利用异步送粉法进行激光熔覆制备陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的方法 | |
CN105817619B (zh) | 以W/Re-B-Ni3Al-SiC合金为耐磨相的复合金属陶瓷及其制备方法与应用 | |
CN106868377B (zh) | 高强度钼镍硼三元硼化物材料及其制作制备方法 | |
CN108705077B (zh) | 一种核壳结构铁包覆陶瓷复合粉体的制备方法 | |
CN106191608B (zh) | 一种耐高温耐磨损耐腐蚀的低钴硬质合金及其制备方法 | |
CN103966598B (zh) | 一种钛合金表面多元激光合金化层及其制备方法 | |
CN108624829A (zh) | 一种高弹性铝基复合材料及其制备方法 | |
CN103184400A (zh) | 纳米陶瓷复合喷涂粉末及其制备方法 | |
CN100510155C (zh) | 一种Ti-Fe-Ni-C系反应热喷涂复合粉末及其制备工艺 | |
CN108893641B (zh) | 一种具有自润滑的铝合金复合材料及其制备方法 | |
CN108588501B (zh) | 一种具有固体自润滑性铝合金复合材料及其制备方法 | |
CN102363877A (zh) | 一种超音速火焰喷涂制备耐磨TiB2-Co涂层的方法 | |
CN106001561B (zh) | 一种多级复合金属陶瓷、其制备方法及盾构刀具 | |
CN108893695A (zh) | 一种抗气蚀抗冲蚀的纳米碳化物增强碳化钨基复合粉末、涂层及其制备方法 | |
CN112853188A (zh) | 一种硬质合金及其制备方法和应用 | |
CN108914028A (zh) | 一种高强高韧的铝合金复合材料及其制备方法 | |
CN108754358A (zh) | 一种耐低温铝合金复合材料及其制备方法 | |
CN107999745A (zh) | 一种体积分数可控高分散性颗粒增强金属基复合材料的制备方法 | |
CN108117392A (zh) | 耐腐蚀的无粘结相硬质合金及其制备方法 | |
CN110468405B (zh) | 一种农机传动构件表面强化涂层及制备方法 | |
CN107287547A (zh) | 硼化钽复合涂层的制备方法 | |
CN109182946A (zh) | 一种用于水利液压启闭机活塞杆的耐磨耐蚀耐中高温涂层配方、涂层及其制备方法 | |
US8113025B2 (en) | Technique and process for controlling material properties during impact consolidation of powders | |
CN114000085A (zh) | 碳氮化钛基热喷涂粉末及其制备方法与应用 | |
CN108715980A (zh) | 一种耐高温铝合金复合材料及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |