CN108624829A - 一种高弹性铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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

一种高弹性铝基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。