CN108754358A - 一种耐低温铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐低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低温的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，复合材料由三部分组成:基材、连续纤维增强体和晶须增强体。基材成分各质量分数为锂Li：2.0～3.0，硅Si：≤0.10，铁Fe：≤0.1，铜Cu：2.4～3.0，锰Mn：0.4～0.8，镁Mg：0.8～1.4，铬Cr：≤0.05锌Zn：0.10～0.2，锆Zr：0.08～0.15，钛Ti：≤0.15，其余为Al。连续纤维增强体为碳纤维束丝占基材体积百分数的30～50％，晶须增强体为Al2O3占基材体积百分数的5～10％。

Description

一种耐低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，具体涉及一种耐低温铝合金复合材料及制造方法。
背景技术
随着对北极和南极等高寒地区钻探与科研工作的增加，由于在高寒地区环境恶劣钻探装备的运输是一个突出问题，要保证钻探工作顺利进行，就必须考虑钻探装备载重量。与钢钻探杆相比，铝合金钻探杆具有重量轻、抗疲劳、柔性大、耐蚀、耐寒、临界速度高等优点。目前已有20多个国家开始了铝合金钻探杆的开发和应用。采用铝合金钻杆能够减小钻探装置的载重量，提高了运输能力和安装能力，降低了钻杆运输的时间、材料耗费和运输成本。另外，在寒冷地区建设矿井大气的温度较低并且还伴有多年冻结的岩石，对铝合金钻杆也提出了耐低温的要求。现有市场上的铝合金低温下容易发生脆化现象，其强度、塑性、韧性等力学性能急剧降低，限制了其使用范围。因此，提高铝合金钻杆在低温条件下的强度和韧性对北极和南极高寒冷地区钻探工作具有重要的意义。
目前公知的耐低温的铝基复合材料主要制备方法是对铝合金熔炼、浇注、热处理、热挤压的方式提高其耐低温性。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公告号为:CN103981411A，公告日为：2014.08.13，发明名称为:一种耐低温铝合金型材及其制备方法，按配方配比计算称取炉料，将铝锭加热熔化依次加入中间合金，待符合合金成分要求进行浇注获得铸坯，将得到的铸坯均匀化热处理，将均匀化后的铸坯挤压成型，再进行固溶处理获得一种耐低温铝合金型材。该方法缺点在于采用浇注法制备铸坯晶粒粗大、成分不均匀，不能满足钻杆的使用要
发明内容
本发明针对以上缺点以Al-Li合金为基材，以连续纤维和晶须为增强体，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备耐低温钻杆用铝基复合材料。其中基材Al-Li铝合金本身具有优异的耐低温性，所添加的连续纤维碳纤维和晶须具有抗低温脆性，采用喷射沉积不仅可以细化基材晶粒而且使增强体在基材中分布更均匀，连续纤维和晶须还可起到协同增强作用。因此，本发明制备的钻杆用铝基复合材料具有优良的耐低温性。
实现本发明的技术问题所采取的技术方案是：首先，将碳纤维束丝缠绕在铝合金芯棒上进行表面沉积Al2O3涂层；其次，以预置芯棒作为喷射沉积的基板喷射沉积制备铝基复合材料铸坯，再对铸坯进行热挤压成管材；最后，对热挤压管材进行二级固溶+时效处理，即得耐低温的钻杆用铝基复合材料。具体技术方案如下：
本发明提供一种耐低温铝合金复合材料，该复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体为连续纤维和晶须。
优选的本发明所述增强体在复合材料中占基材体积百分数35～60％。
优选的本发明所述连续纤维在复合材料中占基材体积百分数30～50％，所述晶须在复合材料中占基材体积百分数5～10％。
优选的本发明所述的铝合金为Al-Li合金，各元素的质量分数为Li：2.0～3.0，Si：≤0.10，Fe：≤0.1，Cu：2.4～3.0，Mn：0.4～0.8，Mg：0.8～1.4，Cr：≤0.05,Zn：0.10～0.2，Zr：0.08～0.15，Ti：≤0.15，其余为Al。
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。
优选的本发明所述的晶须为Al2O3，其晶须平均直径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Li、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn、Zr、Ti、Al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Al2O3晶须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；
7)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中；
8)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氮气将金属液和晶须同时雾化，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；
9)将步骤8)获得的铸坯放到热挤压机中预热至500～550℃，保温30min，再在温度为570℃，挤压比为16～30，挤压速度为1～3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
10)将步骤9)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；
11)将步骤10)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520±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；
12)将步骤11)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，得复合材料。
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：
本发明以Al-Li合金为基材，以连续纤维和晶须为增强体，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备耐低温钻杆用铝基复合材料。其中基材Al-Li铝合金本身具有优异的耐低温性，所添加的连续纤维碳纤维和晶须具有抗低温脆性，采用喷射沉积不仅可以细化基材晶粒而且使增强体在基材中分布更均匀，连续纤维和晶须还可起到协同增强作用。克服了公知专利铝合金晶粒粗大、成分不均和耐低温性不能满足钻杆使用要求的主要缺点，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低温的钻杆用铝基复合材料及制备方法。
附图说明
图1：本发明的耐低温的钻杆用铝基复合材料制备工艺流程图；
图2：本发明的喷射沉积固液同步雾化装置工作原理示意图；图中：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，10-芯棒，11-输气管
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1：一种耐低温的钻杆用铝基复合材料制备方法，具体步骤如下：
1)将碳纤维束丝按基材体积百分数的30％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Li、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn、Zr、Ti、Al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Al2O3晶须超声震荡充分搅拌按基材体积百分数的5％加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；
7)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中；
8)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氮气将金属液和晶须同时雾化，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；
9)将步骤8)获得的铸坯放到热挤压机中预热至550℃，保温30min，再在温度为570℃，挤压比为16，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
10)将步骤9)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；
11)将步骤10)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520±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；
12)将步骤11)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2：一种耐低温的钻杆用铝基复合材料制备方法，具体步骤如下：
1)将碳纤维束丝按基材体积百分数的40％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Li、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn、Zr、Ti、Al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Al2O3晶须超声震荡充分搅拌按基材体积百分数的7％加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；
7)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中；
8)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氮气将金属液和晶须同时雾化，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；
9)将步骤8)获得的铸坯放到热挤压机中预热至550℃，保温30min，再在温度为570℃，挤压比为16，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
10)将步骤9)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；
11)将步骤10)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520±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；
12)将步骤11)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3：一种耐低温的钻杆用铝基复合材料制备方法，具体步骤如下：
1)将碳纤维束丝按基材体积百分数的50％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Li、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn、Zr、Ti、Al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Al2O3晶须超声震荡充分搅拌按基材体积百分数的10％加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；
7)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中；
8)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氮气将金属液和晶须同时雾化，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；
9)将步骤8)获得的铸坯放到热挤压机中预热至550℃，保温30min，再在温度为570℃，挤压比为16，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
10)将步骤9)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；
11)将步骤10)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520±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；
12)将步骤11)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的所得铝合金管材在20K温度下的力学性能测试，结果见下表1:
实施例1-3的所得铝合金管材力学性能测试结果
实施例 抗拉强度MPa 屈服强度MPa 伸长率％
实施例1 570 520 14
实施例2 590 540 11
实施例3 608 570 9
经过上述3种实施例方法以及多次实验制备的耐低温的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，以Al-Li合金为基材，以连续纤维和晶须为增强体，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备耐低温钻杆用铝基复合材料。其中基材Al-Li铝合金本身具有优异的耐低温性，所添加的连续纤维碳纤维和晶须具有抗低温脆性，采用喷射沉积不仅可以细化基材晶粒而且使增强体在基材中分布更均匀，连续纤维和晶须还可起到协同增强作用。克服了公知专利铝合金晶粒粗大、成分不均和耐低温性不能满足钻杆使用要求的主要缺点，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低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 (8)

1.一种耐低温铝合金复合材料，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，所述增强体为连续纤维和晶须。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述增强体在复合材料中占基材体积百分数35～60％。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述连续纤维在复合材料中占基材体积百分数30～50％，所述晶须在复合材料中占基材体积百分数5～10％。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的铝合金为Al-Li合金，各元素的质量分数为Li：2.0～3.0，Si：≤0.10，Fe：≤0.1，Cu：2.4～3.0，Mn：0.4～0.8，Mg：0.8～1.4，Cr：≤0.05,Zn：0.10～0.2，Zr：0.08～0.15，Ti：≤0.15，其余为Al。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的碳纤维束丝包含500～1000根单纤维，单根纤维直径为5～10μm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料，其特征在于，所述的晶须为Al2O3，其晶须平均直径150μm，长径比为95。
7.根据权利要求6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Li、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn、Zr、Ti、Al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)将晶须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；
7)将步骤5)获得的金属液注入到金属液包中；
8)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氮气将金属液和晶须同时雾化，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；
9)将步骤8)获得的铸坯放到热挤压机中预热至500～550℃，保温30min，再在温度为570℃，挤压比为16～30，挤压速度为1～3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
10)将步骤9)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；
11)将步骤10)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520±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；
12)将步骤11)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，得复合材料。
8.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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