具有仿生表面的铝合金、铝合金钻杆制造技术

本发明专利技术涉及一种具有仿生耦合表面的铝合金及铝合金钻杆，所述铝合金母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为140HV25/10‑190HV25/10，晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5‑30微米。所述铝合金钻杆制备有不同间距和倾斜角度的螺线仿生单元体或网格状仿生单元体，可以分别适用于不同地层的钻探，实际应用时可根据不同地域地层特点进行组合，通用性好。本发明专利技术采用激光表面处理方法在铝合金钻杆表面制备晶粒组织细化、硬度高于母体的仿生单元体，使得铝合金钻杆表面的硬度、耐磨损性能及强韧性均得到显著提升，与传统的强化方法相比操作简单，生产效率高，易于实现自动化，易于推广应用。

Aluminium alloy and aluminium alloy drill rod with bionic surface

The invention relates to a Aluminum Alloy and Aluminum Alloy drill pipe with bionic coupling surface, the Aluminum Alloy maternal surface is processed with bionic units, Vivtorinox hardness of bionic units for 140HV25/10 190HV25/10, grain for cellular crystal and columnar crystal grain size, the average value is 5 30 micron. The preparation of a spiral drill pipe Aluminum Alloy bionic units or grid bionic units with different spacing and inclination angle, can adapt to different strata drilling, the practical application can be combined according to the different characteristics of regional strata, good versatility. The invention adopts bionic units of laser surface treatment method on the surface of Aluminum Alloy for grain refinement, preparation of drill pipe hardness is higher than that of the parent, the Aluminum Alloy pipe surface hardness, wear resistance and toughness are significantly improved, compared with the traditional strengthening method has the advantages of simple operation, high production efficiency, easy to realize automation, easy popularization application.

【技术实现步骤摘要】
具有仿生表面的铝合金、铝合金钻杆
本专利技术属于金属材料表面强化
，涉及一种具有仿生表面的铝合金、具有高强韧性仿生耐磨表层的铝合金钻杆。
技术介绍
在石油钻井过程中，钻杆的主要用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头提起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。与普通钢制钻杆比，铝合金钻杆的密度低、比强度高、耐蚀性能好等优势从而使其应用越来越广泛。但是铝合金钻杆硬度低，在钻进的过程中，井壁、套管、及钻井液中的重晶石、铁矿粉等均会导致铝合金钻杆的磨损减薄。其中钻杆与套管和井壁的磨损占主要方面，这大大限制了其应用推广。目前常用的铝合金表面强化方法主要有阳极氧化法、微弧氧化、CVD、PVD等，可获得较高的强化层。这种整体强化的方法不仅容易对套管产生减薄，而且基体的强度低，在受到稍大载荷时，强化层与基体之间应变不协调易产生开裂、脱落等。
技术实现思路
本专利技术要解决的一个技术问题是提供一种表面硬度高、耐磨性好的具有仿生耦合表面的铝合金。为了解决上述技术问题，本专利技术的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述铝合金为7000系列铝合金，其母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为140HV25/10-190HV25/10，晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5-30微米。上述具有仿生耦合表面的铝合金的制备方法如下：采用激光熔凝的方法，将激光光束在铝合金表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；所述激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-175mA，激光脉宽为3-8ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。所述激光电流优选为175mA，激光脉宽为3ms，激光扫描速度优选为0.8mm/s的激光光束。为了解决上述技术问题，本专利技术的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述铝合金为6000系列铝合金，其母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为130HV25/10-175HV25/10晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5～30微米形式。上述具有仿生耦合表面的铝合金的制备方法如下：采用激光熔凝的方法，将激光光束在铝合金表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；所述激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-170mA，激光脉宽为3-7ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。所述激光电流优选为170mA，激光脉宽为7ms，激光扫描速度优选为0.6mm/s的激光光束。本专利技术利用仿生原理，采用激光熔凝的方法，在铝合金表面制备均匀分布、晶粒组织细化的条状或网格状等仿生单元体。仿生单元体与母体能够形成了软硬相间的仿生物体结构。细化后的仿生单元体不仅使得其硬度升高而且如同在铝合金表面加了桩钉般的耐磨保护层，母体材料将仿生单元体包围连成一体，使其表面的应力分布更加均匀，这两种综合作用使铝合金的硬度及抗磨损性能及强韧性能均得到显著提升。与现有技术中在金属材料表面制作仿生单元体相比，本专利技术是在7000系和6000系铝合金表面制备仿生单元体，由于铝合金与其他金属材料在成分、组织、性能方面完全不同，不能将处理其他金属材料的方法直接用于铝合金。在利用激光熔凝方法制备仿生单元体过程中，若有一项激光参数选择不当，也会导致实验失败。例如专利技术人曾选择离焦量分别为10mm、11mm、12mm、13mm、14mm等数值，并在各离焦量数值条件下改变其他参数进行实验,最终确定选择离焦量为11mm。经过近1年时间内的实验，反复调整参数，最终确定了最佳激光参数范围，使得7075铝合金仿生单元体的维氏硬度达到了140HV25/10-190HV25/10，晶粒尺寸平均值达到了5-30微米。本专利技术要解决的第二个问题是提供一种具有仿生耦合表面的铝合金钻杆，该钻杆具有高强韧性仿生耐磨表层，与普通铝合金钻杆相比，其硬度、耐磨性能及使用寿命均得到了有效提高。为了解决上述问题，本专利技术的具有仿生耦合表面的铝合金钻杆可以采用下述四种技术方案。技术方案一：所述铝合金钻杆表面制备有螺线仿生单元体，螺线仿生单元体仿生宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm，倾斜角度为θ1，θ1＝50°-60°，相邻螺线仿生单元体之间的垂直距离为h1,h1＝3.5-6.0mm。上述表面制备有螺线仿生单元体的铝合金钻杆，其仿生单元体硬度可达到140HV25/10-190HV25/10高于钻杆母体硬度30％-70％；屈服强度可达到582MPa～630.5MPa，高于钻杆母体20％-30％；断裂延伸率可达15％-20％，高于钻杆基体10％-60％；使用寿命提高了1.3倍左右。该铝合金钻杆特别适合于松散土，松散岩石及接近地表的钻探。技术方案二：所述铝合金钻杆表面制备有螺线仿生单元体，螺线仿生单元体仿生宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm，倾斜角度为θ1，θ1＝35°-50°，相邻螺线仿生单元体之间的垂,直距离为h1,h1＝3.5-6.0mm。上述表面制备有螺线仿生单元体的铝合金钻杆，其仿生单元体硬度可达到140HV25/10-190HV25/10，高于钻杆母体硬度30％-70％屈服强度可达到582MPa～630.5MPa，高于钻杆母体20％-30％；断裂延伸率可达15％-20％，高于钻杆基体10％-60％；使用寿命提高了1.4倍左右。该铝合金钻杆特别适合于砂岩，页岩等沉积岩及位于钻杆中部位置的钻探。技术方案三：所述铝合金钻杆表面制备有网格状仿生单元体，网格状仿生单元体由相互交叉的A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体构成，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体的条纹宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm；A螺线仿生单元体倾斜角度为θ1，θ1＝50°-57°，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体之间的夹角为θ2，θ2＝30°-60°；相邻A螺线仿生单元体之间的中心距和相邻B螺线仿生单元体之间的中心距均为h2，h2＝3.5-6.0mm。上述表面制备有网格状仿生单元体的铝合金钻杆，其仿生单元体硬度可达到140HV25/10-190HV25/10高于钻杆母体硬度30％-70％；屈服强度可达到582MPa-630.5MPa，高于钻杆母体20％-30％；断裂延伸率可达15％-20％高于钻杆基体10％-60％；使用寿命提高了1.5倍左右。该铝合金钻杆特别适合于大理石、卵石等稍硬变质岩及位于钻杆中部偏下位置的钻探。技术方案四：所述铝合金钻杆表面制备有网格状仿生单元体，网格状仿生单元体由相互交叉的A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体构成，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体的条纹宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm；A螺线仿生单元体倾斜角度为θ1，θ1＝40°-50°，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体之间的夹角为θ2，θ2＝30°-60°；相邻A螺线仿生单元体之间的中心距和相邻B螺线仿生单元体之间的中心距均为h2，h2＝3.5-6.0mm。上述表面制备有网格状仿生单元体的70本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述铝合金为7000系列铝合金，其母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为140HV25/10‑190HV25/10，晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5‑30微米。

【技术特征摘要】
1.一种具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述铝合金为7000系列铝合金，其母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为140HV25/10-190HV25/10，晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5-30微米。2.根据权利要求1所述的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述仿生单元体采用下述方法制备：采用激光熔凝方法，将激光光束在铝合金表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；所述激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-175mA，激光脉宽为3-8ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。3.根据权利要求2所述的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述激光电流为175mA，激光脉宽为3ms，激光扫描速度为0.8mm/s的激光光束。4.一种具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述铝合金为6000系列铝合金，其母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为130HV25/10-175HV25/10晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5～30微米形式。5.根据权利要求4所述的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述仿生单元体采用下述方法制备：采用激光熔凝的方法，将激光光束在铝合金表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；所述激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-170mA，激光脉宽为3-7ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。6.根据权利要求5所述的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述激光电流为170mA，激光脉宽为7ms，激光扫描速度为0.6mm/s的激光光束。7.一种具有仿生耦合表面的铝合金钻杆，其特征在于所述铝合金钻杆表面制备有螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宏，袁玉环，赵国平，周倜，李慧，石琛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22