本发明专利技术公开了一种耐磨和抗腐蚀铝合金钻杆表面强化层的制备方法。特点是采用近年来新出现的超声冷锻技术作为预处理，然后在超声冷锻技术产生的具有大量晶格畸变和位错的塑性变形层上采用微弧氧化技术，再形成一个结构致密陶瓷膜层。其具体步骤包括：清除铝合金钻杆表面污染物，进行特定参数的超声冷锻预处理，清洗样品后进行特定参数的微弧氧化处理得到两个性能优异的强化层。本发明专利技术中制备的硬质塑性变形层，晶粒尺寸和硬度呈梯度变化，使与微弧氧化层之间有良好的结合力，也使得微弧氧化层更加致密，耐磨和耐腐蚀性大大提高，能对钻杆进行有效的保护，提高其寿命，且制备过程简单环保，成本低。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钻探工程
，确切的说是一种在钻杆基体上采用特定参数的超声冷锻技术预处理后，再在其产生的强化层上进行特定参数微弧氧化处理的强化方法。
技术介绍
随着石油、天然气消耗量的迅速增大，深层油气资源的勘探开发，是实现油田油气资源战略接替的主要途径，同时也是人类开发利用资源的必然趋势。为开发深层资源，超深井、水平井、高腐蚀介质井等复杂工况环境勘探开发井的数量快速增多，由此不断给勘探开发设备和技术提出更高的要求，特别是给钻杆提出了新要求。在地质深井和超深井钻探过程中，铝合金钻杆以其密度小，重量轻，比强度高，抗冲击能力强等优势被广泛使用，而铝合金钻杆存在硬度低，易磨损，高温力学性能差，抗盐腐蚀能力差等缺点，容易在使用过程中产生划痕，磨痕和拉断等失效形式，大大降低了钻杆使用寿命。而且地温梯度是按照3℃/100m增长的，五六千米的深井下地温约为200℃，再加上腐蚀等多种因素的作用，对钻杆的要求更加苛刻。因此，采用具有良好高温摩擦性能和抗腐蚀性能的铝合金钻杆是十分必要的，能从很大程度上提高钻井效率和降低钻探过程中的费用。我们采用特定参数的超声冷锻技术和微弧氧化技术，加工简单，经济环保，产生的保护层性能优异，因此这两种技术更加适合作为地质深井和超深井使用的铝合金钻杆表面强化技术。超声冷锻技术(UCFT)是利用超声能量在金属机械零部件上方便、快速、低成本、大规模地进行表面自身纳米化加工处理的新方法，同时能显著提高强度，硬度，疲劳强度，耐磨性和使用寿命，但是在深井和超深井钻探过程中温度较高，又存在腐蚀作用，因此单独使用该技术的效果并不理想。专利2011103606700公开了一种钛铝基金属间化合物材料的表面纳米改性方法，步骤如下：(1) 将钛铝基金属间化合物材料线切割为样品；(2) 对样品表面进行清洗，然后烘干；(3) 将样品放入高能球磨机内进行表面纳米化处理，使用转速范围为200转/分~350转/分，使用耐磨钢球尺寸范围1mm~10mm，使用球料质量比范围为10：1～40:1，球磨时间范围为0.5小时~24小时。通过高能球磨技术，实现了对Ti、Al 基金属的高应变速率、随机应变方向的表面强烈塑性变形，使其表面晶粒得到充分细化，并且形成了一定厚度的、具有晶粒尺寸渐变梯度的纳米结构表面层，大大增加了表面硬度，并有效地提高了制品的疲劳抗性和耐磨性能。但是对于铝合金钻杆来说，在钻探过程中强烈摩擦和腐蚀等恶劣环境下，仅仅是单一的纳米化处理只能提高其摩擦性能，对于腐蚀性能的提高程度很轻微，要想更好的提高在钻探过程中的铝合金钻杆摩擦和腐蚀性能，仅做纳米化处理是完全不够的。微弧氧化技术(MAO)又称微等离子体氧化技术或阳极火花沉积技术，这是一种在轻合金表面通过微等离子体放电，进行复杂的电化学、等离子化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层的新技术。利用此项技术形成的表面膜层与基体的结合力较强、硬度高，耐磨性、耐蚀性、抗热震性高，但是在深井、超深井环境下性能不够强，可能会较快的发生剥落和磨穿。专利2012103756558公开了一种铝合金表面微弧氧化膜功能化设计的方法，属于铝合金表面处理
该方法通过在铝合金微弧氧化过程中同时施加方波脉冲电压及高频载波而得以实现，其配套电解液主要由基础组成、辅助添加剂和致密化添加剂组成。通过特定的外部电参数及相关配套优化电解液相互配合，针对应用的实际情况实现了铝合金微弧氧化膜的超强耐蚀性、优异的耐磨性、良好的隔热性、超薄性、超厚性、超硬性及良好的光洁度。该方法能制备一个性能不错的微弧氧化层，但是铝合金钻杆工作条件苛刻，微弧氧化层可能很快就会剥落，因而需要寻求降低基体内应力和增强膜基结合力的方法，使微弧氧化层更加致密且不易剥落。因此，本专利技术中选用特定工艺参数，把两种技术良好的结合起来，加工简单，经济环保，产生的保护层性能优异，既提高了抗摩减磨性能，又提高了抗腐蚀性能，提高了深井和超深井钻探的钻杆使用寿命和钻探效率。
技术实现思路
为了克服现有的铝合金钻杆在地质深井和超深井钻探过程中硬度低，易磨损，高温力学性能差，抗盐腐蚀能力差，并且容易在使用过程中产生划痕，磨痕和拉断等失效形式，使得钻杆使用寿命较短的不足，本专利技术提供了一种耐磨和抗腐蚀铝合金钻杆表面强化层的制备方法，该方法加工简单，过程环保，加工使晶粒得到细化，发生晶格畸变和大量位错，通过调节载荷，频率和进给速度等参数制备出晶粒尺寸呈梯度变化，硬度可控并也呈梯度变化的性能优异的塑性变形层。然后在超声冷锻技术产生的塑性变形层上采用微弧氧化技术，再形成一个微弧氧化陶瓷膜层，其结构致密，且电解质溶液会与少量铝发生反应，生成γ-Al2O3和α-Al2O3两种相，这两种相均能提高微弧氧化层的硬度，进一步提高耐磨性。与直接在基体上微弧氧化相比，塑性变形层中的晶格畸变和大量位错，降低了基体的内应力，增大了膜基结合力，使基体与微弧氧化层结合牢固，塑性变形层提高了微弧氧化层的摩擦学性能，微弧氧化层又提高了铝合金钻杆的抗腐蚀性能。采用两种技术对铝合金钻杆进行复合处理可以有效解决铝合金钻杆硬度低，易磨损，高温力学性能差，抗盐腐蚀能力差等缺点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种耐磨和抗腐蚀铝合金钻杆表面强化层的制备方法，包含以下步骤：（1）将铝合金钻杆在丙酮溶液中清洗，之后再用无水乙醇超声清洗10~30 min，之后自然风干；（2）将风干后的铝合金钻杆夹持在超声冷锻设备上，采用分段加工的方法对铝合金钻杆进行超声冷锻处理，产生一个厚度约50~300μm厚的硬质塑性变形层；（3）将超声冷锻处理后的铝合金钻杆超声清洗10~30min，并烘干；（4）将烘干后的铝合金钻杆放入微弧氧化设备中，配制微弧氧化电解质溶液，并调节微弧氧化设备的参数，采用分段加工的方法对铝合金钻杆进行微弧氧化30~90 min，形成一个5~40μm厚疏松多孔硬质陶瓷微弧氧化层；（5）将微弧氧化后的铝合金钻杆用清洗冲洗，并采用热水进行封闭，增强膜的耐蚀性，之后自然风干，即在铝合金钻杆表面制备出耐磨和抗腐蚀的表面强化层。优选的，步骤（1）中使用的铝合金钻杆所用的材料为2024、2219、2618、和7075等多种常见的铝合金。优选的，步骤（2）中超声冷锻设备的相关参数为：振动频率为15~22 KHz，振幅10~45 um，载荷50~400 N，主轴转速50~250 r/min，进给速度0.01~0.03 mm/rev，冲头直径4~10 mm，加工4~24次。采用上述参数进行加工后，铝合金钻杆表面产生了一个厚度约80~450um的硬质塑性变形层，该变形层晶粒尺寸呈梯度变化且被细化，因此硬度提高且也呈梯度变化，产生了适度的晶格畸变，位错增加，使微弧氧化层与塑性变形层间的渗透作用大大加强，增大了层间的结合力，能够对微弧氧化层有更好的支撑，与其他参数相比，申请人使用的优化后的工艺参数使微弧氧化层与硬质塑性变形层结合的更加紧密，不易脱落，也使微弧氧化层更加致密，更加耐磨、耐腐蚀。优选的，步骤（2）中的分段加工的方法为：将铝合金钻杆分段加工，每段加工30cm，每加工5段后调换方向继续加工，以此类推，并在数控机床导轨上安装顶尖，以减少加工过程中的离心。优选的，步骤（4）中微弧氧化设备采用的电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种耐磨和抗腐蚀铝合金钻杆表面强化层的制备方法，其特征在于，所述的方法包含以下步骤：（1）将铝合金钻杆在丙酮溶液中清洗，之后再用无水乙醇超声清洗10~30 min，之后自然风干；（2）将风干后的铝合金钻杆夹持在超声冷锻设备上，采用分段加工的方法对铝合金钻杆进行超声冷锻处理；（3）将超声冷锻处理后的铝合金钻杆超声清洗10~30min，并烘干；（4）将烘干后的铝合金钻杆放入微弧氧化设备中，配制微弧氧化电解质溶液，并调节微弧氧化设备的参数，采用分段加工的方法对铝合金钻杆进行微弧氧化30~90 min；（5）将微弧氧化后的铝合金钻杆用清洗冲洗，并采用热水进行封闭，之后自然风干，即在铝合金钻杆表面制备出耐磨和抗腐蚀的表面强化层。
【技术特征摘要】
1.一种耐磨和抗腐蚀铝合金钻杆表面强化层的制备方法，其特征在于，所述的方法包含以下步骤：（1）将铝合金钻杆在丙酮溶液中清洗，之后再用无水乙醇超声清洗10~30 min，之后自然风干；（2）将风干后的铝合金钻杆夹持在超声冷锻设备上，采用分段加工的方法对铝合金钻杆进行超声冷锻处理；（3）将超声冷锻处理后的铝合金钻杆超声清洗10~30min，并烘干；（4）将烘干后的铝合金钻杆放入微弧氧化设备中，配制微弧氧化电解质溶液，并调节微弧氧化设备的参数，采用分段加工的方法对铝合金钻杆进行微弧氧化30~90 min；（5）将微弧氧化后的铝合金钻杆用清洗冲洗，并采用热水进行封闭，之后自然风干，即在铝合金钻杆表面制备出耐磨和抗腐蚀的表面强化层。2.如权利要求1所述的一种耐磨和抗腐蚀铝合金钻杆表面强化层的制备方法，其特征在于，步骤（1）中使用的铝合金钻杆所用的材料为2024、2219、2618、和7075等多种常见的铝合金。...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁健，岳文，伊鹏，孙建华，张永勤，付志强，刘秀美，刘俊秀，
申请(专利权)人：中国地质科学院勘探技术研究所，中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：河北;13
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