CN107354413A - 一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺 - Google Patents

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岳洪滨
单长智
王启晨
宋丽娜
吕秀婷
马春雨
袁春龙
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    • 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
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Abstract

一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺，属于铝合金热处理技术领域，本发明为了解决传统铝合金无法承受150℃以上的环境温度，耐热性和耐腐蚀性低的问题。步骤一：成分调整，选取Al‑Cu‑Mg铝合金进行成分调整；步骤二：挤压制度的确定，将选取的合金进行熔铸，加热到400℃后进行均匀化、挤压、热处理；步骤三：固溶处理，对步骤二获得的产物进行固溶；步骤四：淬火处理，将步骤三形成的平衡溶质原子和平衡空位以过饱和形式保留至低温，形成过饱固溶体；步骤五：时效处理，对淬火后获得的过饱固溶体进行人工时效。本发明的一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺能提高高强铝合金的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性。

Description

一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种铝合材料的制备工艺，具体涉及一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺，属于铝合材料技术领域。
背景技术
石油天然气钻井和地质科学深部钻探钻深不断增加，大量试验研究和钻探生产实践工作表明，以往的普通钢钻杆在面对新遇到的作业难题时会受到限制。为了解决这些问题，不但要全面改进大型钻井设备和碎石工具等，还要从材料方面着手，开发新材料和新技术势在必行。
铝合金钻杆技术对于钻探装备制造行业尚属高新技术范畴。目前世界上只有俄罗斯、美国、法国及日本等少数发达国家能批量生产。我国石油勘探用铝合金钻杆的研发还处于起步阶段。
传统的高强铝合金主要是亚共晶成分的合金，含有在端际固溶体中固溶度原子分数大于2％的合金元素，通过时效过程中金属间化合物的析出使合金达到强化。但在150℃以上的环境温度下，这些析出相以很快的速度粗化，材料性能急剧下降，限制了使用范围。因此，研制高强度耐热铝合金材料是迫切需要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺，以解决传统铝合金无法承受150℃以上的环境温度，耐热性和耐腐蚀性低的问题。
所述一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺包括以下步骤：
步骤一：成分调整，选取Al-Cu-Mg铝合金进行成分调整；
步骤二：挤压制度的确定，将选取的合金进行熔铸，加热到400℃后进行均匀化、挤压、热处理；
步骤三：固溶处理，对步骤二获得的产物进行固溶，固溶温度为495℃，固溶时间为1h，将合金元素以溶质原子的形式溶入基体中，形成平衡溶质原子和平衡空位；
步骤四：淬火处理，将步骤三形成的平衡溶质原子和平衡空位以过饱和形式保留至低温，形成过饱固溶体；
步骤五：时效处理，对淬火后获得的过饱固溶体进行人工时效，时效温度为190℃，时效时间为12h，完成高强耐热铝合金材料的制备。
优选的：步骤一中合金成分确定为Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Zr和其他杂质，重量比例确定为0.35：0.45：4.0-4.5：0.40-0.80：1.3-1.7：0.10：0.08-0.20：0.10-0.15：0.00-0.15，其中其他杂质单种成分比例不大于0.05，合计成分比例不大于0.05。
优选的：步骤二中，对熔铸后的合金进行挤压，挤压比为10，挤压速度为1.0mm/s。
优选的：步骤四中的淬火介质为水，步骤一完成后立即进行室温冷水淬火处理，淬火转移时间≤30秒，淬火水温≤30℃。
本发明与现有产品相比具有以下效果：可提高铝合金的强度、耐热性、耐腐蚀性和耐磨性，使制备的高强度耐热铝合金适应石油勘探时在工作面温度高、有腐蚀介质环境、多年冻结的岩石的工作环境。
具体实施方式
下面详细阐述本发明优选的实施方式。
本发明所述的一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺包括以下步骤：
步骤一：成分调整，选取Al-Cu-Mg铝合金进行成分调整；
步骤二：挤压制度的确定，将选取的合金进行熔铸，加热到400℃后进行均匀化、挤压、热处理；
步骤三：固溶处理，对步骤二获得的产物进行固溶，固溶温度为495℃，固溶时间为1h，将合金元素以溶质原子的形式溶入基体中，形成平衡溶质原子和平衡空位；
步骤四：淬火处理，将步骤三形成的平衡溶质原子和平衡空位以过饱和形式保留至低温，形成过饱固溶体；
步骤五：时效处理，对淬火后获得的过饱固溶体进行人工时效，时效温度为190℃，时效时间为12h，完成高强耐热铝合金材料的制备。
进一步：步骤一中合金成分确定为Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Zr和其他杂质，重量比例确定为0.35：0.45：4.0-4.5：0.40-0.80：1.3-1.7：0.10：0.08-0.20：0.10-0.15：0.00-0.15，其中其他杂质单种成分比例不大于0.05，合计成分比例不大于0.05。
进一步：步骤二中，对熔铸后的合金进行挤压，挤压比为10，挤压速度为1.0mm/s。
进一步：步骤四中的淬火介质为水，步骤一完成后立即进行室温冷水淬火处理，淬火转移时间≤30秒，淬火水温≤30℃。
进一步：对多种耐热铝合金材料开展合金成分优化、固溶处理制度及淬火参数、时效工艺的研究后，进行材料的全面机械性能检测与结果分析(包括常温、高温、高温冷却至常温等状态下的常规力学性能试验、疲劳试验、剪切试验以及对试验样品的微观组织观察等)，综合制造出适用于深井高温条件下的铝合金管材所用材料，以2024合金为基础，在不同参数下进行实验：
1、设计出表1所示的四组成分，以考察Cu、Mg含量和Cu/Mg比以及Zr元素对该系合金组织和性能的影响。
表1四组合金的实际成分(wt％)
编号 Si Fe Cu Mn Mg Zr Ti Cu/Mg Al
1 ＜0.02 ＜0.03 3.8 0.6 1.2 — 0.15 1.20 余量
2 ＜0.02 ＜0.03 4.2 0.6 1.5 — 0.15 1.06 余量
3 ＜0.02 ＜0.03 4.9 0.6 1.8 — 0.15 1.03 余量
4 ＜0.02 ＜0.03 3.8 0.6 1.2 0.15 1.20 1.20 余量
2、使用99.99％纯铝锭、99.9％镁锭、中间合金有Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Ti。在KCl溶剂保护下，以纯铝、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Zr的顺序向井式电阻炉加热到750℃的石墨坩埚中加料，待所加原料完全融化后，搅拌，用铝箔包覆六氯乙烷除气，随后立即加入铝箔包覆的纯镁，除渣，静置10min后浇注，熔炼过程用到的铁器均要除锈并涂抹钛白粉，熔炼过程保持干燥。
3、四组合金使用495℃/24h进行均匀化，通过扫描电镜观察显微组织，合金1#、4#均匀化效果好些，2#、3#合金均匀化效果相似，晶界上仍有连续的非平衡相。
4、将四组合金加热到400℃后进行挤压，挤压比为10，挤压速度为1.0mm/s。
5、Al-Cu-Mg系合金过烧明感性很大，淬火须严格控制固溶温度，当Cu含量过高，特别是超过极限固溶度后会降低合金的耐热性，当组织中Cu含量不均匀时，局部含Cu过高的部位就有可能发生过烧，因此Cu含量控制在4.0～4.5％区间较好。
6、四组挤压产品经495℃/1h固溶处理，190℃/12h时效(T8状态)的测试结果为：Cu、Mg含量对时效响应速度和合金峰值的影响很明显，提高这两种元素的含量可加速时效的响应速度和合金强度，但两者之间要保持一定的比例。
7、Zr元素的加入能提高热暴露之后的强度保留值，有利于高温的工作条件，此在合金中加入0.10～0.15％的Zr提高了其的耐高温性能。
8、3#合金因为Cu、Mg含量偏高，获得最高强度的同时，断裂伸长率也最低，2#成分合金获得最好的综合力学性能，是本次成分优选的最终结果。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：成分调整，选取Al-Cu-Mg铝合金进行成分调整；
步骤二：挤压制度的确定，将选取的合金进行熔铸，加热到400℃后进行均匀化、挤压、热处理；
步骤三：固溶处理，对步骤二获得的产物进行固溶，固溶温度为495℃，固溶时间为1h，将合金元素以溶质原子的形式溶入基体中，形成平衡溶质原子和平衡空位；
步骤四：淬火处理，将步骤三形成的平衡溶质原子和平衡空位以过饱和形式保留至低温，形成过饱固溶体；
步骤五：时效处理，对淬火后获得的过饱固溶体进行人工时效，时效温度为190℃，时效时间为12h，完成高强耐热铝合金材料的制备。
2.根据权利要求1所述的一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺，其特征在于：步骤一中合金成分确定为Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Zr和其他杂质，重量比例确定为0.35：0.45：4.0-4.5：0.40-0.80：1.3-1.7：0.10：0.08-0.20：0.10-0.15：0.00-0.15，其中其他杂质单种成分比例不大于0.05，合计成分比例不大于0.05。
3.根据权利要求2所述的一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺，其特征在于：步骤二中，对熔铸后的合金进行挤压，挤压比为10，挤压速度为1.0mm/s。
4.根据权利要求3所述的一种石油勘探用高强耐热铝合金材料的制备工艺，其特征在于：步骤四中的淬火介质为水，步骤一完成后立即进行室温冷水淬火处理，淬火转移时间≤30秒，淬火水温≤30℃。
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