轻质高强铝合金钻杆材料组织与性能的改善研究

发布时间：2018-01-18 02:11

  本文关键词：轻质高强铝合金钻杆材料组织与性能的改善研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：深部油气钻井和科学钻探对钻杆材料的要求越来越高,传统G105、S135钢钻杆因自身重量大、不耐酸腐蚀等缺点而不能很好地满足安全、高效钻井的需要,钻具失效事故时有发生,因此轻质高强的铝合金钻杆将会成为潜在替代产品。本论文面向深井、超深井的油气钻探和科学钻探对高性能钻杆的迫切需求,在现有7000系铝合金钻杆基础上,针对陶瓷和金属间化合物本身高熔点、耐腐蚀和耐磨特性,研究颗粒增强铝基复合材料的强韧化方法,以进一步提高传统铝合金钻杆材料对环境的适应性。通过研究铝合金基体材料力学性能随温度的变化规律、高温下铝合金蠕变性能以及热变形温度对铝合金组织和性能的影响,为确定铝合金基体及其复合材料合理的变形加工温度提供理论依据;通过添加变质剂锶(Sr)的方法来细化铝合金铸态组织,为挤压变形加工提高其力学性能奠定了基础;研究颗粒增强铝基复合材料的组织与性能内在关系,通过原位合成低密度、高比模量且耐磨的TiB_2陶瓷颗粒增强体,调控熔体中TiB_2的生长形貌,细化铝基复合材料的晶粒,提高材料的室温和高温力学性能,同时对耐磨性也有促进作用;通过对铝合金中金属间化合物进行复合变质,在凝固过程中调控Mg_2Si的形貌和尺寸,减小第二相增强体与基体之间的应力集中,从而提高复合材料在室温和高温下的力学性能;最后对铝合金钻杆杆体表面进行了激光熔覆处理,有效地降低了铝合金钻杆表面与地层花岗岩之间的磨损,增加了铝合金钻杆的使用寿命。探讨了细化晶粒提高铝合金力学性能的机理,以及铝基复合材料增强铝合金力学性能和耐磨性的机理,为制备轻质高强铝合金钻杆提供了借鉴。本论文主要研究成果如下:(1)首先通过高温拉伸实验和高温蠕变实验,阐明了7075铝合金基体材料力学性能随温度的变化规律,结合显微组织分析了高温软化机理;然后通过不同温度轧制优化了7075铝合金基体材料热变形过程中出现动态再结晶的温度范围,为7075铝合金及其复合材料选择合适的热变形温度提供依据;发现在400℃下轧制的7075铝合金板,微观上具有较小的晶粒尺寸,出现了动态再结晶现象,同时获得了较佳的抗拉强度(570MPa)和延伸率(16.9%)。(2)通过锶(Sr)变质处理7075铝合金,优化了基体材料的组织,改善其力学性能。对变质剂Sr的含量进行优化,得出添加0.1 wt.%的变质剂Sr后,7075铝合金基体的铸态晶粒尺寸从未变质的157mm细化到了105mm,同时挤压态晶粒和残留第二相也得到细化,抗拉强度、断裂延伸率以及显微硬度分别提高到了598MPa、24.9%和195Hv。(3)通过熔盐法原位反应合成TiB_2陶瓷颗粒增强的7075铝基复合材料,优化了7075铝基复合材料的组织,改善了力学性能,提高了耐磨性。制备的含1wt.%TiB_2增强的7075铝基复合材料晶粒细小,TiB_2弥散分布于基体中,抗拉强度得到提高,。同时揭示了熔体中单体TiB_2由外向内从六边形框架最终长成六棱柱的生长规律。(4)通过复合变质对金属间化合物Mg_2Si增强的铝基复合材料组织和性能进行了研究。在铝合金中添加0.2 wt.%Sr Sb复合变质剂,初生Mg_2Si的形貌由树枝晶变成了立方体,共晶Mg_2Si由汉字状变成了短棒状,第二相的尺寸也从50mm降到了20mm,Mg_2Si增强的铝基复合材料室温和高温(100℃)抗拉强度分别提高了26%和17.8%。
[Abstract]:In order to improve the mechanical properties of high - performance drill pipe , the mechanism of improving the mechanical properties of Al - Al alloy matrix composites is discussed . The mechanical properties of Al - Al - Al composites are studied by means of high - temperature tensile tests and high - temperature creep experiments . ( 2 ) The microstructure of the matrix material was optimized by the modification of strontium ( Sr ) . The microstructure of the matrix material was optimized . After the addition of 0.1 wt . % of the modifier Sr , the size of the cast grains of the matrix was refined , the tensile strength , the elongation at break and the microhardness were improved to 598MPa , 24 . 9 % and 195 H respectively . 鍚屾椂鎻�绀轰簡鐔斾綋涓�鍗曚綋TiB_2鐢卞�栧悜鍐呬粠鍏�杈瑰舰妗嗘灦鏈，

本文编号：1438974