[发明专利]一种高强高韧的铝合金复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种钻杆用高强高韧铝基复合材料及制造方法，该复合材料由基材、连续纤维和颗粒增强体三部分组成，其中基材成分各质量分数为Cu3.8～4.9％、Mg1.2～1.8％、Mn0.30～0.90％，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％，颗粒增强体为TiC占基材体积分数的8～15％。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种高强高韧的铝合金复合材料及制造方法。

背景技术

随着社会发展人口日益增长，对资源需求越来越多，当前近地表资源已经开采过度，为了满足社会发展需求必须向地球深部寻找资源。当钻井不断加深，需要不断连接钻杆来延长钻柱其自重不断增加，仅靠发展大规格钻机完成深井和超深井的钻探是很困难的，尤其当钻井超过某一深度时，钻柱自重能使钻杆发生时效破坏，何况还存在裸眼井段长、井壁稳定性差、井内环境温度高等恶劣工况。因此，铝合金钻杆已经逐渐替代了钢钻杆，由于铝合金重量轻、抗腐蚀性强、比强度高、耗能低等优点，尤其在水平井、科学超深井、大位移井、地球深部钻探具有很大优势。但是铝合金钻杆也有很大的缺点就是耐高温性差，深井井底地温高达300℃，压力可达200MPa。高温高压作用下钻杆耐磨性、屈服强度等都会衰减，降低其承载能力增加事故隐患。因此，开发高强高韧铝基复合材料对提升铝合金钻杆在深井、大位移水平井和超深井油气钻探广泛应用的关键。

目前公知的钻杆用高强高韧铝基复合材料主要制备方法是采用浇注和热挤压法。该方法制备的铝基复合材料晶粒粗大，强度和韧性不能满足钻杆的使用要求。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公告号为:CN106399773A，公告日为：2017.02.15，发明名称为:一种高强高韧铝合金型材，该方法将原料熔炼后进行浇铸，均匀化处理后置于挤压机上挤压，挤压结束后在线风冷淬火，此后进行时效处理，再进行表面处理得到所述高强高韧铝合金型材。缺点在于所测试的抗拉强度、屈服强度和延伸率仅室温条件下满足钻杆使用要求，未测高温下力学性能。中国专利公告号为:CN106282696A，公告日为：

2017.01.04，发明名称为:一种高强高韧铝合金，该发明缺点在于制备的铝合金材料抗拉强度、屈服强度低，在室温条件下都不能满足钻杆使用要求。

发明内容

本发明针对以上缺点从改善铝合金材料本质和成型方法出发，以铝合金为基材，采用碳纤维束线和TiC颗粒为增强体，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备高强高韧的钻杆用铝基复合材料。所添加的碳纤维束线经过预处理后不仅具有优异的强度和韧性，而且损伤小。所添加的TiC具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定性，与铝合金基体间的界面润湿性与相容性好。另外，碳纤维束线和TiC颗粒可以起到协同增强作用。因此，本发明制备的钻杆用铝基复合材料具有高强度和高韧性。

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，通过连续纤维和颗粒两种增强体的协同作用提高其强度和韧性。本发明提供一种钻杆用高强高韧铝基复合材料及增材制造方法。实现本发明技术问题所采取的技术方案是：采用铝合金为基材，采用碳纤维束线和TiC颗粒为增强体，采用喷射沉积增材制造制备铝基复合材料铸坯。然后对铸坯进行热挤压致密化处理，挤压成管材。最后对管材进行二级固溶时效热处理，即得高强度高韧性的钻杆用铝基复合材料。具体的技术方案为：

本发明提供一种高强高韧的铝合金复合材料，该复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体为碳纤维束丝和TiC颗粒。

本发明优选的碳纤维束丝和TiC颗粒占基材体积百分数为30～50％和8～15％。

本发明优选的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。

本发明优选的所述的铝合金中各元素的质量分数为Cu 3.8～4.9％、Mg 1.2～1.8％、Mn 0.30～0.90％，其余为Al。

本发明优选的所述的TiC颗粒粒径为10～20μm。