本發(fā)明屬于鋁合金
技術領域：
，具體是涉及一種鉆桿用高強耐熱鋁合金及其制備方法。
背景技術：
：鉆桿是油氣礦產資源勘探的主要工具，承載傳遞動力和輸送泥沙泥漿的重任，其重量占到整個勘探裝備的80%以上。隨著我國油氣礦產資源勘探事業(yè)的發(fā)展，深井、超深井和水平井的數(shù)量不斷增多，勘探開發(fā)難度越來越大。現(xiàn)有的鋼制鉆桿雖有強度高的優(yōu)點，但其重量也大，限制了鉆探深度，運輸也困難。鋁合金鉆桿具有重量輕、比強度高、耐腐蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點，可以減輕鉆機的負荷，提高鉆探深度、鉆探速度和鉆探效率，也便于鉆探裝備的遠距離運輸，是解決深井、超深井、定向井、水平井、酸性氣井等深山深海油氣礦產資源勘探問題的重要裝備。鋁合金鉆桿的研究起源于上世紀60年代，經過50多年的發(fā)展，鋁合金鉆桿技術的研究和應用已成為世界上油氣礦產資源勘探的一個熱點。2011年，俄羅斯ExxonNeftegas公司采用鋁合金鉆桿僅用60天就完成了長達11475米水平井的鉆探。目前鋁合金鉆桿的最大鉆井深度已超過12000米。我國在2009年引進了一批俄羅斯阿克瓦基公司的高強度鋁合金鉆桿并成功下井使用。對于鋁合金鉆桿而言，由于深井、超深井等的特定服役工況，要求其必須具有高的強度和熱穩(wěn)定性。目前鉆桿用鋁合金多為2000系鋁合金，但對于深井和超深井的鉆探而言，現(xiàn)有2000系鋁合金仍存在強度和熱穩(wěn)定性不足的問題，另外，現(xiàn)有2000系鋁合金中Cu含量普遍較高，并添加了Ni、Ag等價格昂貴的合金元素，導致鋁合金鉆桿的生產成本也較高。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種強度高、熱穩(wěn)定性好、生產成本低的鉆桿用高強耐熱鋁合金及其制備方法。本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：本發(fā)明所述的鉆桿用高強耐熱鋁合金，其特點是由以下成分及質量百分比組成：Cu3.5～4.0%，Mg0.8～1.2%，F(xiàn)e0.6～0.8%，Si0.2～0.4%，Li0.1～0.3%，Zr0.01～0.02%，C0.002～0.004%，Re0.1～0.3%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。優(yōu)選的，本發(fā)明所述的鉆桿用高強耐熱鋁合金，由以下成分及質量百分比組成：Cu3.8%，Mg1.1%，F(xiàn)e0.7%，Si0.3%，Li0.2%，Zr0.015%，C0.003%，Re0.2%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。本發(fā)明所述的鉆桿用高強耐熱鋁合金的制備方法，其特點是包括以下步驟：第一步：選用工業(yè)純鋁錠、純鎂錠、電解銅、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1C合金和混合稀土Re作為原材料；第二步：將鋁錠在700～740℃加熱熔化，并加入占原材料總重量為3.5～4.0%的電解銅、0.8～1.2%的鎂錠、0.2～0.4%的速溶硅、3～4%的Al20Fe合金和0.5～1.5%的Al20Li合金，攪拌熔化成鋁合金液；第三步：對鋁合金液精煉除氣除渣后，再加入占原材料總重量為0.2～0.4%的Al5Zr1C合金和0.1～0.3%的混合稀土Re，攪拌使鋁合金液的成分均勻；第四步：將鋁合金液降溫至680～720℃并靜置0.5～1小時，然后鑄造成鋁合金；第五步：將鋁合金在520～530℃固溶處理1～3小時，水淬后，在145～165℃時效處理12～18小時，隨爐冷卻后得到鉆桿用高強耐熱鋁合金。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：本發(fā)明鉆桿用高強耐熱鋁合金的室溫抗拉強度大于550MPa，屈服強度大于500MPa，伸長率大于9%，在200℃下熱暴露500小時后的室溫抗拉強度大于510MPa，屈服強度大于475MPa，伸長率大于8%，具有強度高、熱穩(wěn)定性好和生產成本低的優(yōu)點，適合于制造深井、超深井等油氣礦產資源勘探用鋁合金鉆桿，具有廣闊的市場應用前景。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明所述的鉆桿用高強耐熱鋁合金，由以下成分及質量百分比組成：Cu3.5～4.0%，Mg0.8～1.2%，F(xiàn)e0.6～0.8%，Si0.2～0.4%，Li0.1～0.3%，Zr0.01～0.02%，C0.002～0.004%，Re0.1～0.3%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%。優(yōu)選的，所述鉆桿用高強耐熱鋁合金的成分組成及質量百分比為：Cu3.8%，Mg1.1%，F(xiàn)e0.7%，Si0.3%，Li0.2%，Zr0.015%，C0.003%，Re0.2%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%。所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。其中，Cu和Mg是本發(fā)明鉆桿用高強耐熱鋁合金的主要合金元素，Cu和Mg除了具有固溶強化作用外，還可形成時效強化效果極為明顯的CuAl2和Mg2Si相以及熱穩(wěn)定性極好的Al2CuMg、Al2CuLi等過剩相，增強鋁合金的強度和耐熱性。Cu、Mg含量越高，鋁合金的強度越高，耐熱性越好，但Cu的價格較貴，Cu含量太高會增加鋁合金鉆桿的生產成本，因此，Cu含量選擇在3.5～4.0%，Mg含量選擇在0.8～1.2%，優(yōu)選的，Cu含量為3.8%，Mg含量為1.1%。Fe在鉆桿用高強耐熱鋁合金可形成熱穩(wěn)定性較好的Al3Fe、Al2FeSi、FeSiAl3、Fe2SiAl8等過剩相，增強鋁合金的耐熱性能。Fe含量越高，過剩相的數(shù)量也越多，鋁合金的耐熱性越好。Fe的價格便宜，并且工業(yè)純鋁錠中一般都含有0.1%以上的Fe。但Fe含量太高也會降低鋁合金的塑性、抗應力腐蝕性能和疲勞性能。因此，F(xiàn)e含量選擇在0.6～0.8%，優(yōu)選的，F(xiàn)e含量為0.7%。Li是最輕的金屬元素，在鉆桿用高強耐熱鋁合金中加入Li，首先可以降低鋁合金的密度，提高鋁合金的比強度和比剛度，達到輕量化的效果。其次，Li在鋁合金時效過程會還析出納米尺寸且熱力學穩(wěn)定的Al3Li、Al2MgLi、Al2CuLi等強化相，釘扎位錯、亞晶及晶界，抑制合金再結晶，提高鋁合金的強度和耐熱性能。添加0.1～0.3%的Li即可對鋁合金產生顯著的強化效果，優(yōu)選的，Li添加量為0.2%。Zr、C是以Al5Zr1C合金的形式加入到鉆桿用高強耐熱鋁合金中，Al5Zr1C合金是由氟鋯酸鉀和碳粉的混合物與鋁液反應得到，內部含有大量的ZrC粒子。Al5Zr1C合金是一種新型的鋁合金晶粒細化劑，發(fā)明人的大量實驗證明，Al5Zr1C合金比現(xiàn)有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更強的晶粒細化能力，添加0.2～0.4%的Al5Zr1C合金，鋁合金中含有0.01～0.02%的Zr和0.002～0.004%的C，可顯著細化鋁合金的晶粒，改善鋁合金的組織均勻性，提高鋁合金的塑性變形能力，優(yōu)選的，Al5Zr1C合金添加量為0.5%，鋁合金中含有0.015%的Zr和0.003%的C。Re是含有Pr、Nd、Pm、Sm、Gd共5種輕稀土元素的混合稀土，輕稀土元素的物理化學性質活潑，能與鋁合金液中的氫、氧、錳、鋅、鉻等雜質元素反應生成高熔點、高穩(wěn)定性的稀土化合物，對鋁合金液有深度凈化作用，可以消除雜質元素對力學性能的有害影響。另外，稀土化合物具有熔點高、硬度高和熱穩(wěn)定性好的特點，偏聚在相界和晶界可提高相界和晶界的強度和抗蠕變能力，進一步提高鋁合金的強度和耐熱性。發(fā)明人的大量實驗研究表明，添加含有Pr、Nd、Pm、Sm、Gd共5種輕稀土元素的混合輕稀土的效果比添加一種或少數(shù)幾種輕稀土元素的效果都更好，因此，選擇添加0.2～0.4%的混合稀土，優(yōu)選的，混合稀土添加量為0.2%。本發(fā)明還提供了該鉆桿用高強耐熱鋁合金的制備方法，具體由以下步驟組成：第一步：選用工業(yè)純鋁錠、純鎂錠、電解銅、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1C合金和混合稀土Re作為原材料；第二步：將鋁錠在700～740℃加熱熔化，并加入占原材料總重量為3.5～4.0%的電解銅、0.8～1.2%的鎂錠、0.2～0.4%的速溶硅、3～4%的Al20Fe合金和0.5～1.5%的Al20Li合金，攪拌熔化成鋁合金液；第三步：對鋁合金液精煉除氣除渣后，再加入占原材料總重量為0.2～0.4%的Al5Zr1C合金和0.1～0.3%的混合稀土Re，攪拌使鋁合金液的成分均勻；第四步：將鋁合金液降溫至680～720℃并靜置0.5～1小時，然后鑄造成鋁合金；第五步：將鋁合金在520～530℃固溶處理1～3小時，水淬后，在145～165℃時效處理12～18小時，隨爐冷卻后得到鉆桿用高強耐熱鋁合金。本發(fā)明的制備方法，選用工業(yè)純鋁錠、純鎂錠、電解銅、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1C合金和混合稀土Re作為原材料，通過優(yōu)化Cu、Mg主合金元素的含量，添加Al20Fe合金、Al20Li合金進行微合金化，提高鋁合金的強度和耐熱性。經精煉除氣、除渣后，再加入Al5Zr1C合金和混合稀土Re，可以充分發(fā)揮Al5Zr1C合金和混合稀土Re對鋁合金液的晶粒細化和深度凈化作用，進一步提高鋁合金的強度和耐熱性。本發(fā)明的鉆桿用高強耐熱鋁合金由于Cu含量較低，且不含Ni、Ag等價格昂貴的合金元素，因此生產成本也相對較低。為了更詳盡的描述本發(fā)明鉆桿用高強耐熱鋁合金及其制備方法，以下列舉幾個實施例作更進一步的說明。實施例1：本發(fā)明所述的鉆桿用高強耐熱鋁合金，由以下成分及質量百分比組成：Cu3.5%，Mg0.8%，F(xiàn)e0.6%，Si0.2%，Li0.1%，Zr0.01%，C0.002%，Re0.1%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。制備方法由以下步驟組成：第一步：選用工業(yè)純鋁錠、純鎂錠、電解銅、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1C合金和混合稀土Re作為原材料；第二步：將鋁錠在700℃加熱熔化，并加入占原材料總重量為3.5%的電解銅、0.8%的鎂錠、0.2%的速溶硅、3%的Al20Fe合金和0.5%的Al20Li合金，攪拌熔化成鋁合金液；第三步：用六氯乙烷對鋁合金液精煉除氣除渣，再加入占原材料總重量為0.2%的Al5Zr1C合金和0.1%的混合稀土Re，攪拌使鋁合金液的成分均勻；第四步：將鋁合金液降溫至680℃并靜置1小時，然后鑄造成鋁合金；第五步：將鋁合金在530℃固溶處理1小時，水淬后，在145℃時效處理18小時，隨爐冷卻后得到鉆桿用高強耐熱鋁合金。實施例2：本發(fā)明所述的鉆桿用高強耐熱鋁合金，由以下成分及質量百分比組成：Cu3.8%，Mg1.1%，F(xiàn)e0.7%，Si0.3%，Li0.2%，Zr0.015%，C0.003%，Re0.2%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。制備方法由以下步驟組成：第一步：選用工業(yè)純鋁錠、純鎂錠、電解銅、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1C合金和混合稀土Re作為原材料；第二步：將鋁錠在700～740℃加熱熔化，并加入占原材料總重量為3.8%的電解銅、1.1%的鎂錠、0.3%的速溶硅、3.5%的Al20Fe合金和1%的Al20Li合金，攪拌熔化成鋁合金液；第三步：用六氯乙烷對鋁合金液精煉除氣除渣，再加入占原材料總重量為0.3%的Al5Zr1C合金和0.2%的混合稀土Re，攪拌使鋁合金液的成分均勻；第四步：將鋁合金液降溫至700℃并靜置0.7小時，然后鑄造成鋁合金；第五步：將鋁合金在525℃固溶處理2小時，水淬后，在155℃時效處理15小時，隨爐冷卻后得到鉆桿用高強耐熱鋁合金。實施例3：本發(fā)明所述的鉆桿用高強耐熱鋁合金，由以下成分及質量百分比組成：Cu4.0%，Mg1.2%，F(xiàn)e0.8%，Si0.4%，Li0.3%，Zr0.02%，C0.004%，Re0.3%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。制備方法由以下步驟組成：第一步：選用工業(yè)純鋁錠、純鎂錠、電解銅、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1C合金和混合稀土Re作為原材料；第二步：將鋁錠在740℃加熱熔化，并加入占原材料總重量為4.0%的電解銅、1.2%的鎂錠、0.4%的速溶硅、4%的Al20Fe合金和1.5%的Al20Li合金，攪拌熔化成鋁合金液；第三步：用六氯乙烷對鋁合金液精煉除氣除渣，再加入占原材料總重量為0.4%的Al5Zr1C合金和0.3%的混合稀土Re，攪拌使鋁合金液的成分均勻；第四步：將鋁合金液降溫至720℃并靜置0.5小時，然后鑄造成鋁合金；第五步：將鋁合金在520℃固溶處理1小時，水淬后，在165℃時效處理12小時，隨爐冷卻后得到鉆桿用高強耐熱鋁合金。按中華人民共和國國家標準GB/T16865-2013，將實施例1-3的鉆桿用高強耐熱鋁合金和在200℃下熱暴露500小時后的鉆桿用高強耐熱鋁合金分別加工成標準拉伸試樣，在DNS200型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸，拉伸速率為2毫米/分鐘，拉伸力學性能如表1和表2所示。表1實施例1-3鉆桿用高強耐熱鋁合金的室溫拉伸力學性能實施例序號抗拉強度/MPa屈服強度/MPa伸長率/%實施例1557.1508.114.7實施例2575.4528.411.2實施例3591.2544.69.9表2實施例1-3鉆桿用高強耐熱鋁合金在200℃下熱暴露500小時后的室溫拉伸力學性能實施例序號抗拉強度/MPa屈服強度/MPa伸長率/%實施例1512.1476.412.9實施例2534.9510.110.3實施例3565.4539.28.6由表1和表2的檢測結果可見，本發(fā)明鉆桿用高強耐熱鋁合金的室溫抗拉強度大于550MPa，屈服強度大于500MPa，伸長率大于9%，在200℃下熱暴露500小時后的室溫抗拉強度大于510MPa，屈服強度大于475MPa，伸長率大于8%，具有強度高、耐熱性很好的特點。另外，本發(fā)明鉆桿用高強耐熱鋁合金的Cu含量較低，且不含Ni、Ag等價格昂貴的合金元素，因此還有生產成本相對較低的優(yōu)點。本發(fā)明鉆桿用高強耐熱鋁合金適合于制造深井、超深井等油氣礦產資源勘探用鋁合金鉆桿，具有廣闊的市場應用前景。本發(fā)明是通過實施例來描述的，但并不對本發(fā)明構成限制，參照本發(fā)明的描述，所公開的實施例的其他變化，如對于本領域的專業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應該屬于本發(fā)明權利要求限定的范圍之內。當前第1頁1 2 3