一种钻杆用高强耐热铝合金及其制备方法技术

一种钻杆用高强耐热铝合金及其制备方法，所述钻杆用高强耐热铝合金由以下成分及质量百分比组成：Cu 3.5～4.0%，Mg 0.8～1.2%，Fe 0.6～0.8%，Si 0.2～0.4%，Li 0.1～0.3%，Zr 0.01～0.02%，C 0.002～0.004%，Re 0.1～0.3%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。本发明专利技术钻杆用高强耐热铝合金具有强度高、耐热性好以及生产成本低的优点，适合于制造深井、超深井等油气矿产资源勘探用铝合金钻杆，具有广阔的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种钻杆用高强耐热铝合金及其制备方法
本专利技术属于铝合金
，具体是涉及一种钻杆用高强耐热铝合金及其制备方法。
技术介绍
钻杆是油气矿产资源勘探的主要工具，承载传递动力和输送泥沙泥浆的重任，其重量占到整个勘探装备的80%以上。随着我国油气矿产资源勘探事业的发展，深井、超深井和水平井的数量不断增多，勘探开发难度越来越大。现有的钢制钻杆虽有强度高的优点，但其重量也大，限制了钻探深度，运输也困难。铝合金钻杆具有重量轻、比强度高、耐腐蚀和抗疲劳性能好等优点，可以减轻钻机的负荷，提高钻探深度、钻探速度和钻探效率，也便于钻探装备的远距离运输，是解决深井、超深井、定向井、水平井、酸性气井等深山深海油气矿产资源勘探问题的重要装备。铝合金钻杆的研究起源于上世纪60年代，经过50多年的发展，铝合金钻杆技术的研究和应用已成为世界上油气矿产资源勘探的一个热点。2011年，俄罗斯ExxonNeftegas公司采用铝合金钻杆仅用60天就完成了长达11475米水平井的钻探。目前铝合金钻杆的最大钻井深度已超过12000米。我国在2009年引进了一批俄罗斯阿克瓦基公司的高强度铝合金钻杆并成功下井使用。对于铝合金钻杆而言，由于深井、超深井等的特定服役工况，要求其必须具有高的强度和热稳定性。目前钻杆用铝合金多为2000系铝合金，但对于深井和超深井的钻探而言，现有2000系铝合金仍存在强度和热稳定性不足的问题，另外，现有2000系铝合金中Cu含量普遍较高，并添加了Ni、Ag等价格昂贵的合金元素，导致铝合金钻杆的生产成本也较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、热稳定性好、生产成本低的钻杆用高强耐热铝合金及其制备方法。本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术所述的钻杆用高强耐热铝合金，其特点是由以下成分及质量百分比组成：Cu3.5～4.0%，Mg0.8～1.2%，Fe0.6～0.8%，Si0.2～0.4%，Li0.1～0.3%，Zr0.01～0.02%，C0.002～0.004%，Re0.1～0.3%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。优选的，本专利技术所述的钻杆用高强耐热铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Cu3.8%，Mg1.1%，Fe0.7%，Si0.3%，Li0.2%，Zr0.015%，C0.003%，Re0.2%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。本专利技术所述的钻杆用高强耐热铝合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、电解铜、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1C合金和混合稀土Re作为原材料；第二步：将铝锭在700～740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为3.5～4.0%的电解铜、0.8～1.2%的镁锭、0.2～0.4%的速溶硅、3～4%的Al20Fe合金和0.5～1.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.2～0.4%的Al5Zr1C合金和0.1～0.3%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；第四步：将铝合金液降温至680～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；第五步：将铝合金在520～530℃固溶处理1～3小时，水淬后，在145～165℃时效处理12～18小时，随炉冷却后得到钻杆用高强耐热铝合金。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术钻杆用高强耐热铝合金的室温抗拉强度大于550MPa，屈服强度大于500MPa，伸长率大于9%，在200℃下热暴露500小时后的室温抗拉强度大于510MPa，屈服强度大于475MPa，伸长率大于8%，具有强度高、热稳定性好和生产成本低的优点，适合于制造深井、超深井等油气矿产资源勘探用铝合金钻杆，具有广阔的市场应用前景。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术所述的钻杆用高强耐热铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Cu3.5～4.0%，Mg0.8～1.2%，Fe0.6～0.8%，Si0.2～0.4%，Li0.1～0.3%，Zr0.01～0.02%，C0.002～0.004%，Re0.1～0.3%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。优选的，所述钻杆用高强耐热铝合金的成分组成及质量百分比为：Cu3.8%，Mg1.1%，Fe0.7%，Si0.3%，Li0.2%，Zr0.015%，C0.003%，Re0.2%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。其中，Cu和Mg是本专利技术钻杆用高强耐热铝合金的主要合金元素，Cu和Mg除了具有固溶强化作用外，还可形成时效强化效果极为明显的CuAl2和Mg2Si相以及热稳定性极好的Al2CuMg、Al2CuLi等过剩相，增强铝合金的强度和耐热性。Cu、Mg含量越高，铝合金的强度越高，耐热性越好，但Cu的价格较贵，Cu含量太高会增加铝合金钻杆的生产成本，因此，Cu含量选择在3.5～4.0%，Mg含量选择在0.8～1.2%，优选的，Cu含量为3.8%，Mg含量为1.1%。Fe在钻杆用高强耐热铝合金可形成热稳定性较好的Al3Fe、Al2FeSi、FeSiAl3、Fe2SiAl8等过剩相，增强铝合金的耐热性能。Fe含量越高，过剩相的数量也越多，铝合金的耐热性越好。Fe的价格便宜，并且工业纯铝锭中一般都含有0.1%以上的Fe。但Fe含量太高也会降低铝合金的塑性、抗应力腐蚀性能和疲劳性能。因此，Fe含量选择在0.6～0.8%，优选的，Fe含量为0.7%。Li是最轻的金属元素，在钻杆用高强耐热铝合金中加入Li，首先可以降低铝合金的密度，提高铝合金的比强度和比刚度，达到轻量化的效果。其次，Li在铝合金时效过程会还析出纳米尺寸且热力学稳定的Al3Li、Al2MgLi、Al2CuLi等强化相，钉扎位错、亚晶及晶界，抑制合金再结晶，提高铝合金的强度和耐热性能。添加0.1～0.3%的Li即可对铝合金产生显著的强化效果，优选的，Li添加量为0.2%。Zr、C是以Al5Zr1C合金的形式加入到钻杆用高强耐热铝合金中，Al5Zr1C合金是由氟锆酸钾和碳粉的混合物与铝液反应得到，内部含有大量的ZrC粒子。Al5Zr1C合金是一种新型的铝合金晶粒细化剂，专利技术人的大量实验证明，Al5Zr1C合金比现有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更强的晶粒细化能力，添加0.2～0.4%的Al5Zr1C合金，铝合金中含有0.01～0.02%的Zr和0.002～0.004%的C，可显著细化铝合金的晶粒，改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻杆用高强耐热铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Cu 3.5～4.0%，Mg 0.8～1.2%，Fe 0.6～0.8%，Si 0.2～0.4%，Li 0.1～0.3%，Zr 0.01～0.02%，C 0.002～0.004%，Re 0.1～0.3%，Mn≤0.1%，Zn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 25.2%，Nd 20.6%，Pm 21.3%，Sm 13.8%，Gd 19.1%。

【技术特征摘要】
1.一种钻杆用高强耐热铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Cu3.5～4.0%，Mg0.8～1.2%，Fe0.6～0.8%，Si0.2～0.4%，Li0.1～0.3%，Zr0.01～0.02%，C0.002～0.004%，Re0.1～0.3%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm21.3%，Sm13.8%，Gd19.1%。2.根据权利要求1所述的钻杆用高强耐热铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Cu3.8%，Mg1.1%，Fe0.7%，Si0.3%，Li0.2%，Zr0.015%，C0.003%，Re0.2%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr25.2%，Nd20.6%，Pm2...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶健龙，覃建波，
申请(专利权)人：东莞市铝美铝型材有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44