CN109468511A

CN109468511A - 一种用于深井钻的铝合金材料

Info

Publication number: CN109468511A
Application number: CN201811638325.7A
Authority: CN
Inventors: 臧立根; 张厚敏; 王大龙
Original assignee: GUANGZHOU LIZHONG JINSHAN ALLOY CO Ltd
Current assignee: GUANGZHOU LIZHONG JINSHAN ALLOY CO Ltd
Priority date: 2018-12-29
Filing date: 2018-12-29
Publication date: 2019-03-15

Abstract

本发明属于铝合金材料技术领域。一种用于深井钻的铝合金材料，含有以重量百分比计的以下各组分：Si：0.40wt%，Fe:0.50wt%，Cu：1.2‑2.0wt%，Mn：0.30wt%，Mg：2.1‑2.9wt%，Cr：0.18‑0.28wt%，Zn：5.10‑6.10wt%，Ti：0.70‑0.90wt%，B：0.35‑0.45wt%，Sr：0.80‑1.20wt%，余量为Al，其中Mg：Sr重量比例在2.1‑2.2：1。本发明的有益效果如下：1.加入微量变质元素锶Sr，增强了铝合金基体材料的力学性能。2.TiB2与基体间界面干净，细化了晶粒，增强复合材料的力学性能和耐磨性，降低了摩擦系数。

Description

一种用于深井钻的铝合金材料

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域。

背景技术

在发达国家，铝合金钻杆的加工制造已是一项比较成熟的技术，在美国和俄罗斯等发达国家经过数十年的使用，在市场上已经形成系列产品。根据野外使用所积累的经验，我们可以总结出铝合金钻杆较传统的钢质钻杆相比，有以下几个比较明显的优势：(1)铝合金钻杆的重量轻，比强度高。铝合金材料的密度大约只有钢的1/3，而比强度却可以达到钢的2倍。对于同一钻机若改为使用铝合金钻杆，其钻进深度会大幅提高；(2)铝合金钻杆耐酸腐蚀性强。铝合金钻杆表面容易与氧气发生反应而生成一层致密的氧化膜，可以抵抗H2S和CO2等酸性腐蚀介质影响，这对于油气井钻探是非常有利的；(3)铝合金钻杆具有无磁特性，在钻进过程中可以将随钻测量仪器放置于铝合金钻杆内部实现随钻测量。

国内对于铝合金钻杆材料的研究相对较少，吉林大学丁超豪研究了7075和2024铝合金钻杆材料在盐水中的腐蚀行为，对比了两种钻杆材料不同挤压比和腐蚀性能的关系，并对主要的腐蚀机理做了详细揭示。西南石油大学郭俊对钻杆用SiCp/Al–Cu–Mg复合材料进行了研制，并观察了其显微组织，检测了其力学性能。研究表明随着SiC颗粒增加，硬度、拉伸强度和压缩强度分别得到提高。同时，SiC的加入能很好改善材料在200℃以上受力时的高温软化，提高材料高温稳定性，降低材料的滑动磨损率。中南大学王恒研究了石油钻杆用耐热铝合金的组织和性能。研究表明预变形处理可以抑制铝合金中原子团簇的形成，促进S相的非平衡析出，大量弥散的S相阻碍滑移系的开动，延迟合金进入屈服阶段。兰州理工大学彭芳庆通过对比变形铝合金与马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢所组成的摩擦副的干摩擦磨损行为，得到了变形铝合金耐磨性与高温性能，并在200℃，250℃和300℃下对变形合金进行拉伸试验。国外发达国家对铝合金钻杆的研究和应用起步较早，俄罗斯和美国目前垄断着深井油气钻探用铝合金钻杆制造的核心技术，对发展中国家实行市场垄断。我国在高性能铝合金钻具的研究和应用方面落后于国外先进水平，在过去的二十年中，我国铝合金钻杆的研发和使用经历了从无到有的飞跃，由初始的纯依赖进口。

发展到现在可以独立研发生产。国内高校和科研院围绕高性能铝合金钻杆，分别从材料强韧化改性、耐腐蚀性能的提高、结构设计和螺纹的优化以及磨损性能的提升等方面进行了多方面的研究。根据经验公式，S135和UD165钢钻由于自重作用，在钻井液中的最大竖向延伸长度分别为7400m和9500m，而7075铝合金钻杆的最大延伸可高达20000m。但是耐井底高温能力不足以及耐磨性差这两个因素限制了铝合金钻杆在深井超深井中的推广，当温度超过120℃时，7075铝合金的屈服强度急剧下降。

因此，为了满足科学钻探和深部油气钻探的需要，需对现有铝合金钻杆材料耐高温和耐磨性不足的原因进行深入研究。通过组织和性能改善从根本上提高铝合金钻杆的适用范围。

发明内容

本发明解决上述问题，提供用于提供一种深钻井用铝合金。

本发明的技术方案如下：

一种用于深井钻的铝合金材料，其特征在于：含有以重量百分比计的以下各组分：Si：0.40wt%，Fe:0.50wt%，Cu：1.2-2.0wt%，Mn：0.30wt%，Mg：2.1-2.9wt%，Cr：0.18-0.28wt%，Zn：5.10-6.10wt%，Ti：0.70-0.90wt%，B：0.35-0.45wt%，Sr：0.80-1.20wt%，余量为Al，其中Mg：Sr重量比例在2.1-2.2：1。

优选的，所述的Sr重量百分比为1.10wt%。

优选的，所述的Ti：B的重量比例在2.1-2.2:1，所述的Ti的重量百分比为0.80wt%。

铝合金材料制备方法，步骤为：

第一步，在730～800℃，按比例将各原料加入竖炉中熔炼，搅拌均匀后，经精炼、除渣、除气，在740～770℃静置保温30min后，作炉前取样分析、调整，以确保各元素含量在允许范围之内，在铸机中进行铸条，将铸条导入轧机，导入轧机的温度为500～550℃，导出温度为350～420℃，热轧过程中予以加热。

第二步，将铝合金条轧机上冷轧成不同大小的铝合金带。

第三步，将铝合金在500～550℃，4～8h的固溶热处理。

本发明中添加的合金元素具有以下技术效果：

加入铁（Fe）后以Al3Fe的形式析出，增加抗张强度和屈服极限，使铝合金的强度和塑性得到显著的改善，因而使得铝合金的延伸率达到或超过30%。当含量超过1.2wt%，强度虽然上升了，但会导致延伸率的降低。

铜（Cu）是主要的合金元素，有一定的固熔化作用，形成CuAl2有明显的失效强化效果，提高力学性能，在铝合金中加0.001～0.8wt%的Cu，能提高合金的抗蚀性和耐热性，但膨胀系数小，耐磨性能优越。

镁（Mg）对铝有较大的增强作用，每增加1%的镁，抗拉强度约升高34MPa；

锌（Zn）在变形条件下，利于合金强度的提高，同时具有防腐作用；

铬（Cr）在合金中形成CrAl7、Cr2Al等5种弥散性高温强化相，能提高合金的硬度和耐蚀性能。

硼（B）加入铝基中，能细化晶粒，形成细小的弥散析出相，由于合金中存在大量的这种弥散相，晶粒的长大也受到阻碍，因而能显著提高再结晶温度，延长再结晶孕育期，降低再结晶速度。显著提高合金的强度和延伸性能，并使得合金具有较好的抗疲劳强度。

加入0.001～0.8wt%的钛（Ti）是铝合金中常用的添加元素，主要是用于细化铸造组织，减少开裂倾向，提高材料的力学性能。

添加微量元素锶（Sr），与铝形成Al3Sr相，该相的晶格类型和晶格常数与基体铝非常接近，且该相质点分部均匀，熔点高，热稳定性好。有助于提高合金成型加工过程中的结构稳定性、焊接性能和抗蚀性能。

本发明的有益效果如下：1.加入微量变质元素锶Sr，有效细化了铸态和挤压态晶粒，同时增强了铝合金基体材料的力学性能。2.通过原位合成增强铝基复合材料，增强相TiB2与基体间界面干净，细化了晶粒，增强复合材料的力学性能和耐磨性，降低了摩擦系数。利用复合变质改善了铝基复合材料中金属间化合物 Mg2Si 的形貌与尺寸，对复合材料的室温和高温力学性能起到强化作用。

具体实施方式

实施例1

用于深井钻的铝合金材料，其特征在于：含有以重量百分比计的以下各组分：Si：0.40wt%，Fe:0.50wt%，Cu：1.8wt%，Mn：0.30wt%，Mg：2.40wt%，Cr：0.22wt%，Zn：5.9wt%，Ti：0.80wt%，B：0.4.wt%，Sr：1.00wt%，余量为Al。该实施例在本发明中属于较优的实施方式，

其中变质剂 Sr 的较佳含量为 0.1 wt. %时，晶粒尺寸细化至105微米，挤压热处理后铝合金的抗拉强度、断裂延伸率和显微硬度分别提高到 598MPa、24.9%和195Hv。TiB2相对铝合金复合材料的晶粒细化效果较明显，同时摩擦系数和质量磨损量分别降低了 16.7%和35%；

Claims

1.一种用于深井钻的铝合金材料，其特征在于：含有以重量百分比计的以下各组分：Si：0.40wt%，Fe:0.50wt%，Cu：1.2-2.0wt%，Mn：0.30wt%，Mg：2.1-2.9wt%，Cr：0.18-0.28wt%，Zn：5.10-6.10wt%，Ti：0.70-0.90wt%，B：0.35-0.45wt%，Sr：0.80-1.20wt%，余量为Al，其中Mg：Sr重量比例在2.1-2.2：1。

2.根据权要求1所述的用于深井钻的铝合金材料，其特征在于：所述的Sr重量百分比为1.10wt%。

3.根据权要求1所述的用于深井钻的铝合金材料，其特征在于：所述的Ti：B的重量比例在2.1-2.2:1，所述的Ti的重量百分比为0.80wt%。