CN108715980A - 一种耐高温铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温铝合金复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，该复合材料由:基材、高体积分数SiC晶须增强体和原位SiC+AlN混杂增强体，基材成分各质量百分比为Cu3.8～4.9％、Mg1.2～1.8％、Mn0.30～0.90％，其余为Al，SiC晶须增强体占基材质量百分比的20～30％，原位SiC+AlN混杂增强体占基材质量百分比的5～10％。

Description

一种耐高温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，具体涉及一种耐高温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，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。随着井深每增加100米地温递增1℃，对于深井地温可高达300℃，压力可达200MPa。对于铝合金在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。
目前公知的耐高温钻杆用铝基复合材料及制备方法是对2000系铝合金进行改性添加稀土元素后在进行铸造、热挤压和热处理工艺。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公告号为:106756343A，公告日为：2017.05.31，发明名称为:一种钻杆用高强耐热铝合金及其制备方法，该方法缺点在于采用了单一颗粒状增强体，制备的复合材料耐高温性能最高达到200℃不能满足超深井的需求。此外，成型方法采用传统的铸造法，制备的复合材料晶粒粗大，综合力学性能不高。
发明内容
本发明针对以上缺点，以铝合金为基材，采用晶须和原位混杂颗粒协同增强铝合金，所添加的晶须具有优良的机械性能、耐热性、耐用腐蚀性以及抗高温氧化性能，与基材具有良好的相容性。原位反应生成的混杂颗粒与基材粘接力强，无界面反应层，颗粒弥散分布、硬度高。通过喷射沉积增材制造是通过高压气体将铝合金液雾化以半固态形式沉积在模具上，所获得的铸坯晶粒更加细小，组织成分更加均匀。因此，本发明提供一种耐高温的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，不仅耐高温性好，而且易进行规模化生产。
实现本发明的技术问题所采取的技术方案是：采用标准2024铝合金为基材，以SiC晶须和原位SiC+AlN混杂颗粒混合增强铝合金，在高压氩气作用下同步雾化沉积在模具上获得铝基复合材料铸坯。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，即得耐高温的钻杆用铝基复合材料。具体技术方案如下：
本发明提供一种耐高温铝合金复合材料，该复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体为SiC晶须和原位SiC+AlN混杂颗粒。
优选的本发明所述增强体占基材体积百分数25～40％。
优选的本发明所述原位SiC+AlN混杂增强体占基材质量百分比的5～10％，所述SiC晶须增强体占基材质量百分比的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。
优选的本发明所述的SiC晶须平均直径150μm，长径比为95。
本发明提供一种复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体，注入到金属液包中；
2)称取Al、Si、C粉末并以质量比1:5～10:5～10均匀混合球磨1～2h后粒度达到200目，球磨速度100～150rpm，得混合物；
3)将步骤2)所得的混合物超声震荡充分搅拌，置于坩埚熔炼炉熔化后，注入原位反应雾化一体器中，加热至1100℃并通入100～800ml/min的氮气，反应时间30min；
4)按质量百分比称取SiC晶须增强体，加注到喷射沉积设备的固体流化输送器中；
5)将步骤3)、步骤4)和步骤1)中的原位反应雾化一体器、固体流化输送器和金属液包同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液和晶须、原位SiC+AlN混杂增强体同时雾化，沉积在模具上获得铸坯；
6)将步骤5)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450～520℃，保温30min，再在温度为530℃，挤压比为20～30，挤压速度为1～3mm/s的条件下热挤压成管材，得挤压管材；
7)将步骤6)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度480±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500±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；
8)将步骤7)中第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度200±5℃，保温时间12h。
本发明所述的铝合金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的晶须具有优良的机械性能、耐热性、耐用腐蚀性以及抗高温氧化性能，与基材具有良好的相容性。原位反应生成的混杂颗粒与基材粘接力强，无界面反应层，颗粒弥散分布、硬度高。晶须与原位混杂颗粒又可起到协同增强作用。此外，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，从而提高其热稳定性以及耐高温性，克服了公知复合材料组织晶粒粗大综合力学性能差的主要缺点，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耐高温的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法。
附图说明
图1：本发明的耐高温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,图中:1-固体混合物，2-铝合金液，3-原位反应雾化一体器，4-金属液包，5-关闭阀，6-密封塞，7-固相颗粒流化输送器，8-晶须，9-阀门，10-输送管
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1：一种耐高温的钻杆用铝基复合材料制备方法，具体步骤如下：
1)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体，注入到金属液包中；
2)称取Al、Si、C粉末并以质量比1:5:5均匀混合球磨2h后粒度达到200目，球磨速度150rpm，得混合物；
3)将步骤2)所得的混合物超声震荡充分搅拌，置于坩埚熔炼炉熔化后，注入原位反应雾化一体器中，加热至1100℃并通入100～800ml/min的氮气，反应时间30min；
4)按质量百分比20％称取SiC晶须增强体，加注到喷射沉积设备的固体流化输送器中；
5)将步骤3)、步骤4)和步骤1)中的原位反应雾化一体器、固体流化输送器和金属液包同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液和晶须、原位SiC+AlN混杂增强体同时雾化，沉积在模具上获得铸坯；
6)将步骤5)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450℃，保温30min，再在温度为530℃，挤压比为20，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成管材，得挤压管材；
7)将步骤6)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度480±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500±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；
8)将步骤7)中第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度200±5℃，保温时间12h。
实施例2：一种耐高温的钻杆用铝基复合材料制备方法，具体步骤如下：
1)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体，注入到金属液包中；
2)称取Al、Si、C粉末并以质量比1:7:7均匀混合球磨2h后粒度达到200目，球磨速度150rpm，得混合物；
3)将步骤2)所得的混合物超声震荡充分搅拌，置于坩埚熔炼炉熔化后，注入原位反应雾化一体器中，加热至1100℃并通入100～800ml/min的氮气，反应时间30min；
4)按质量百分比25％称取SiC晶须增强体，加注到喷射沉积设备的固体流化输送器中；
5)将步骤3)、步骤4)和步骤1)中的原位反应雾化一体器、固体流化输送器和金属液包同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液和晶须、原位SiC+AlN混杂增强体同时雾化，沉积在模具上获得铸坯；
6)将步骤5)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450℃，保温30min，再在温度为530℃，挤压比为20，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成管材，得挤压管材；
7)将步骤6)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度480±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500±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；
8)将步骤7)中第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度200±5℃，保温时间12h。
实施例3：一种耐高温的钻杆用铝基复合材料制备方法，具体步骤如下：
1)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体，注入到金属液包中；
2)称取Al、Si、C粉末并以质量比1:10:10均匀混合球磨2h后粒度达到200目，球磨速度150rpm，得混合物；
3)将步骤2)所得的混合物超声震荡充分搅拌，置于坩埚熔炼炉熔化后，注入原位反应雾化一体器中，加热至1100℃并通入100～800ml/min的氮气，反应时间30min；
4)按质量百分比30％称取SiC晶须增强体，加注到喷射沉积设备的固体流化输送器中；
5)将步骤3)、步骤4)和步骤1)中的原位反应雾化一体器、固体流化输送器和金属液包同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液和晶须、原位SiC+AlN混杂增强体同时雾化，沉积在模具上获得铸坯；
6)将步骤5)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450℃，保温30min，再在温度为530℃，挤压比为20，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成管材，得挤压管材；
7)将步骤6)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度480±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500±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；
8)将步骤7)中第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度200±5℃，保温时间12h。
经检测，实施例1-3制得的耐高温钻杆用铝基复合材料，组织均匀，晶须增强体和原位混杂颗粒弥散分布，晶粒细小，综合力学性能和耐高温性能好。将实施例1～3的钻杆用铝基复合材料制成标准拉伸试样，分别进行室温拉伸试验，和高温300℃条件下暴露500h后的室温拉伸试验。将实施例1～3的钻杆用铝基复合材料制成标15×15×3mm试样，分别进行室温摩擦磨损试验，和高温300℃条件下的摩擦磨损试验。测试结果如表1和表2所示。
表1实施例耐高温的钻杆用铝基复合材料的室温力学性能
实施例序号 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/％ 磨损量g/min
实施例1 568.2 550.1 12 0.00002
实施例2 588.4 568.3 10 0.00001
实施例3 600.1 579.6 8 0.000005
表2实施例耐高温的钻杆用铝基复合材料的300℃力学性能
实施例序号 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/％ 磨损量g/min
实施例1 538.3 527.1 18 0.0005
实施例2 558.1 534.2 16 0.00006
实施例3 568.7 549.5 13 0.00003
经过上述3种实施例方法以及多次实验制备的耐高温的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，采用标准2024铝合金为基材，以SiC晶须和原位SiC+AlN混杂颗粒混合增强铝合金，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热稳定性以及耐高温性，克服了公知铝基复合材料组织晶粒粗大综合力学性能差的主要缺点，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耐高温的钻杆用铝基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 (7)

1.一种耐高温铝合金复合材料，其特征在于，该复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体为SiC晶须和原位SiC+AlN混杂颗粒。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述增强体占基材体积百分数25～40％。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述原位SiC+AlN混杂增强体占基材质量百分比的5～10％，所述SiC晶须增强体占基材质量百分比的20～30％。
4.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。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的SiC晶须平均直径150μm，长径比为95。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，基材原料添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体，注入到金属液包中；
2)称取Al、Si、C粉末并以质量比1:5～10:5～10均匀混合球磨1～2h后粒度达到200目，球磨速度100～150rpm，得混合物；
3)将步骤2)所得的混合物超声震荡充分搅拌，置于坩埚熔炼炉熔化后，注入原位反应雾化一体器中，加热至1100℃并通入100～800ml/min的氮气，反应时间30min；
4)按质量百分比称取SiC晶须增强体，加注到喷射沉积设备的固体流化输送器中；
5)将步骤3)、步骤4)和步骤1)中的原位反应雾化一体器、固体流化输送器和金属液包同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液和晶须、原位SiC+AlN混杂增强体同时雾化，沉积在模具上获得铸坯；
6)将步骤5)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450～520℃，保温30min，再在温度为530℃，挤压比为20～30，挤压速度为1～3mm/s的条件下热挤压成管材，得挤压管材；
7)将步骤6)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度480±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500±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；
8)将步骤7)中第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度200±5℃，保温时间12h。
7.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料在制备钻杆中的应用。
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