一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法技术

一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法，按重量百分比计，包括：Zn：7.5～8.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，Mn：0.2～0.3％，Cr：0.1～0.2％，其余为Al。本发明专利技术利用Zn、Mg元素析出强化，Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在固溶处理温度下的固溶强化及晶粒细化，以及Zr、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合作用，从而提高了铝合金钻杆用管体的强度、硬度、热强性。本发明专利技术中由于合金成分设计简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法
本专利技术涉及油井管制造
，具体涉及一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法。
技术介绍
随着石油工业的发展，对油气资源勘探用钻杆的性能要求不断提高。相比于传统钢质钻杆，超高强度铝合金钻杆具有密度低、比强度高、耐腐蚀及抗疲劳性能优良等特点，是解决深井、超深井、定向井、酸性气井及深海油气井等复杂钻井问题的重要油井管材。目前，普遍使用的铝合金钻杆用管材多为Al-Cu-Mg系铝合金，但其强度不足、表面硬度低，限制了其在苛刻钻井工况条件下更广泛的推广使用。而采用Al-Cu-Mg-Zn系超高强度铝合金钻杆，可提高钻杆管体的服役强度及表面硬度，显著降低苛刻钻井工况条件下钻柱的安全风险，所以有必要提供一种Al-Cu-Mg-Zn系铝合金钻杆用管体。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种620MPa级铝合金钻杆用管体及其制造方法，该方法制得的铝合金钻杆用管体具有较高的强度，并且表面硬度高，热强性能较好。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种620MPa级铝合金钻杆用管体，以重量百分比计，包括Zn：7.5～8.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，Mn：0.2～0.3％，Cr：0.1～0.2％，余量为Al和不可避免的杂质。一种制造620MPa级铝合金钻杆用管体的方法，包括如下步骤：1)以重量百分比计，将Zn：7.5～8.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，Mn：0.2～0.3％，Cr：0.1～0.2％，余量为Al，进行冶炼、铸造成管坯；2)多级均匀化处理：将管坯进行多级均匀化处理；3)挤压处理：将经过多级均匀化处理的管坯进行变截面挤压；4)双级固溶处理：将挤压后的管坯进行双级固溶处理；5)预变形：将经过双级固溶处理的管坯进行预拉伸变形，变形量为2～3％；6)最后，将预变形后的管坯进行自然时效或人工时效处理，得到620MPa级铝合金钻杆用管体。所述多级均匀化处理的具体过程为：将管坯加热到365～385℃，保温8～12h；然后加热至410℃～425℃，保温10～15h；最后加热至455～465℃，保温30～35h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的管坯。所述加热速率为10～20℃/min。所述挤压处理的具体过程为：将经过多级均匀化处理的管坯加热到420～435℃，保温20-40min后进行变截面挤压，挤压比大于18，挤压速度为3～6mm/s。所述双级固溶处理的具体过程为：将经过挤压的管坯加热到435～445℃，保温1～2h后加热至460～465℃保温1～1.5h，然后以喷水冷却，冷却速度为30～50℃/s。所述双级固溶处理的具体过程中加热的速率大于20℃/min。所述人工时效的条件为：在120～125℃下保温8h～60h。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：(1)本专利技术通过控制各元素合适的重量百分比，利用Zn、Mg元素析出强化，Cu元素原子团簇偏聚区强化、Mn元素在固溶处理温度下的固溶强化及晶粒细化，以及Zr、Ti复合添加的晶粒细化，充分发挥了固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合作用，从而提高了铝合金钻杆用管体的强度、硬度、热强性。本专利技术中由于合金成分设计简单，并且不需要加入不加入Ag等提高热强性的贵金属元素，所以成本低。(2)本专利技术在工艺上采用多级均匀化处理、多级固溶处理、时效等热处理工艺，大幅度消除了基体内部偏析、不均等，显著促进了铝合金基体内部未熔解共晶相的回熔，从而在保持高强度的同时，提高了热强性。(3)本专利技术制造的铝合金钻杆管体的性能达到以下要求：a)管体拉伸性能，Rt0.2＝550～600MPa，Rm≥620MPa，δ5≥8.0。b)管体耐热性能，在120℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度≥434MPa、屈服强度≥420MPa、δ5≥7.0。c)管体的微观组织为超细η’(MgZn2)相。(4)本专利技术中由于加入Zn和Mg，并且控制Zn/Mg含量比，Zn、Mg和Al会在管体内形成高浓度的三元固溶体T(Al2Mg3Zn3)相：Zn和Mg之间形成二元的η’(MgZn2)相，这两种相在铝合金管体中的溶解度随温度的降低急剧下降，弥散析出从而强化铝合金基体，强化效果随Zn和Mg元素含量增加而提高。但过多的Zn和Mg元素含量会显著降低铝合金管体的塑韧性，因此，铝合金管体中控制Zn重量含量为7.5～8.5％，控制Mg重量含量为1.7～2.3％。(5)本专利技术中由于加入Cu，Cu可以与Al和Mg形成强化相S相(Al2CuMg)，S相能够对铝合金管体产生附加的强化效果，从而提高铝合金管体的强度和重复加载抗力，同时避免因Zn，Mg含量过高所导致的铝合金管体的塑性和耐蚀性降低的缺点。但过高的Cu含量导致铝合金管材的抗疲劳性能降低，因此，铝合金管材中控制Cu重量百分含量为1.7～2.6％。(6)本专利技术中由于加入Fe、Ni元素，所以可以提高铝合金管材的抗高温性能，提高热强性。但过高的Fe、Ni含量会导致管材的塑韧性降低，因此，铝合金管材中控制Fe重量百分含量为0.1～0.3％，Ni重量百分含量为0.1～0.3％；(7)本专利技术中加入微量的Zr、Ti元素，可以细化晶粒、抑制再结晶、降低铝合金管材的淬火敏感性。并且铝合金管材中控制Zr重量百分含量为0.1～0.2％，Ti重量百分含量为0.01～0.02％。(8)本专利技术中Mn元素可以细化晶粒、阻碍基体晶粒长大和再结晶，在不降低铝合金塑性和韧性的情况下，提高铝合金管材强度。但过量的Mn会降低Zn、Mg等溶质元素在基体中的溶解度从而降低强韧性。因此，铝合金管材中控制Mn重量百分含量为0.2～0.3％。(9)本专利技术中含有Cr，加入Cr元素在提高管材的塑韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性，但过量的Cr将降低管材的淬透性。因此，铝合金管材中控制Cr重量百分含量为0.1～0.2％。(10)本专利技术以高含量Zn、低含量Mg、Cu，适量Ni、Mn、Cr，微量Ti、Zr，结合热处理工艺，获得细小弥散的η’(MgZn2)强化相为主的组织，本专利技术采用均匀化及固溶热处理采用了多级处理技术，挤压工艺采用了变截面挤压技术制造的管材强度高，表面硬度高，韧性、热强性、耐腐蚀及抗疲劳性能好。附图说明图1为本专利技术实施例1的人工时效后管体的透射电镜组织图。图2为本专利技术实施例2的人工时效后管体的透射电镜组织图。图3为本专利技术实施例3的人工时效后管体的透射电镜组织图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1一种620MPa级铝合金钻杆用管体化学成分按重量百分数计，包括：Zn7.6％，Mg2.0％，Cu2.3％，Fe0.3％，Ni0.3％，Zr0.2％，Ti0.02％，Mn0.3％，Cr0.2％，余量为Al和不可避免的杂质。上述620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法为：将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为10℃/min条件下，管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，自然降至室温，然后在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种620MPa级铝合金钻杆用管体，其特征在于，以重量百分比计，包括Zn：7.5～8.5％，Mg：1.7～2.3％，Cu：1.7～2.6％，Fe：0.1～0.3％，Ni：0.1～0.3％，Zr：0.1～0.2％，Ti：0.01～0.02％，Mn：0.2～0.3％，Cr：0.1～0.2％，余量为Al和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种620MPa级铝合金钻杆用管体的制造方法，其特征在于，该管体的组成按重量百分数计，包括：Zn8.2％，Mg2.0％，Cu2.3％，Fe0.3％，Ni0.3％，Zr0.2％，Ti0.02％，Mn0.3％，Cr0.2％，余量为Al和不可避免的杂质；将上述原料通过冶炼铸造获得管坯，在加热速率为20℃/min条件下，将管坯经380℃×8h+420℃×12h+460℃×32h均匀化处理，自然降至室温，然后在420℃下保温20min后变截面挤压变形，挤压比大于...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯春，李方坡，王新虎，王鹏，朱丽娟，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11