[发明专利]具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金及热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金及热处理工艺，具体是指一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金及热处理工艺；通过微合金化同时获得高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金及热处理工艺；属于有色金属材料技术领域。

背景技术

铝合金作为石油钻杆材料具有一系列的优势，比如：密度小，大幅度减小钻机负荷，以及铝合金作为钻杆材料具有天然的抗H₂S和CO₂腐蚀的本征性能，等等。这些优势可以使铝合金钻杆材料更加适用于深井和超深井的钻探作业。而正是由于深井和超深井下的高达200℃的温度环境，要求铝合金钻杆材料不仅具有高强度，而且其组织和性能在200℃的温度环境下还要具有高的热稳定性。同时，铝合金钻杆钻进过程承受的是一个周期性载荷，因此还要求它兼具优良的抗疲劳性能。在强度条件下，组织及性能的热稳定性与疲劳性能的统一是耐热铝合金石油钻杆材料必须解决的问题。

然而对于铝合金而言，在高强度条件下组织性能的热稳定性与疲劳性能是一对矛盾的性能。CN101082115B公开了一种通过将Al-Cu-Mg合金组织控制在G.P.区范围内，以求实现组织热稳定性与疲劳性能的同时提高。但是，该专利技术获得的合金强度是～470MPa左右的中等强度，无法满足铝合金石油钻杆要求的高强度性能（≥500MPa）。该合金组织性能的热稳定性也只能在135℃以下实现，无法达到200℃的高温条件。王恒（粉末冶金材料科学与工程，2012，Vol.17,No.5,p639-644）通过预变形及峰值时效使得2D12铝合金的强度达到503MPa，但合金的拉伸延伸率降低到了6.4%。王建华（热加工工艺，2001年第2期，p13）通过预变形及峰值时效使得2618铝合金的强度达到468MPa，但合金的拉伸延伸率降低到了4.4%。如此低的延伸率，严重降低了合金的疲劳性能，无法实现高于500MPa强度条件下的组织性能热稳定性与疲劳性能的同时提高，以满足铝合金石油钻杆材料的要求。

因此，有必要采取措施实现Al-Cu-Mg合金在高于500MPa强度条件下的组织性能热稳定性及抗疲劳性能的同时提高。这对于该合金作为钻杆材料应用于深井和超深井的石油钻探具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金及热处理工艺，通过微合金化及热处理工艺，使得到的铝合金室温强度高于500MPa，同时获得高的组织性能热稳定性及抗疲劳性能。

本发明一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金，所述合金包括下述组分按重量百分比组成：

Cu  3.8-4.9%，

Mg  1.2-1.8%，

Mn  0.3-0.9%，

Ti  0.05-0.20%，

Ni  0.10-0.50%，

Fe  0.30-0.70%，

Si  0.30-0.70%，余量为Al；其中Fe/Ni≠1。

本发明一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金的热处理工艺，包括下述步骤：取组分配比满足设计要求的铝合金铸锭进行均匀化处理后，加热、挤压，得到挤压材，将挤压材进行固溶处理后水淬，然后，于120℃-185℃人工时效2～20小时；或

固溶处理水淬后12小时以内进行预拉伸变形，然后于120℃-185℃人工时效2～20小时。

本发明一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金的热处理工艺，所述铝合金铸锭包括下述组分按重量百分比组成：

Cu   3.8-4.9%，

Mg   1.2-1.8%，

Mn   0.3-0.9%，

Ti   0.05-0.20%，

Ni   0.10-0.50%，

Fe   0.30-0.70%，

Si   0.30-0.70%，余量为Al；其中Fe/Ni≠1。

本发明一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金的热处理工艺，所述均匀化处理的工艺参数为：460-490℃保温12-36小时。

本发明一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金的热处理工艺，所述挤压的工艺参数为：挤压温度：360-410℃，挤压比为20-27。

本发明一种具有高的热稳定性和抗疲劳性能的铝合金的热处理工艺，所述固溶处理的工艺参数为：505℃-515℃保温0.5～1小时。