[发明专利]一种高弹性铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种铝基复合材料，该材料以铝合金为基材，采用碳纤维束线和高熵合金颗粒为增强体，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料。采用喷射沉积法获得成分均匀晶粒细小的组织结构，经过热挤压处理后组织更加致密，从而材料本质提高其强度以及弹性模量，克服了公知高强度高弹性铝基复合材料抗拉强度低等缺点，提供了一种工艺简单、操作方便、材料损耗少并能规模化生产高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及制备方法。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法。

背景技术

随着社会发展促使石油和天然气工业及地质勘探业的迅猛发展，对钻井和开探业也提出了越来越高的技术要求。不仅是钻井数目的增多，而且由于近地表面资源和能源的“枯竭”，迫使钻探的深度必须成倍增加，在边远地区和海底的钻探量也日益增多。在钻探条件日趋复杂和恶劣条件下，为了勘探和开采位于海洋大陆架区的油田和气田，当钻探地点距岸边2～3公里时最佳方案是采用从岸上水平或者斜向钻井的方法，该方法需要钻杆具有高强度和高弹性。因此，提高铝合金的强度和弹性是提升铝合金在定向井、大位移水平井和斜井油气钻探广泛应用的关键。

目前公知的高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料主要制备方法是采用铸造和热挤压法。该方法制备的铝基复合材料晶粒粗大，强度和弹性不能满足水平井和斜井钻杆的使用要求。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公告号为:CN107619974A，公告日为：2018.01.23，发明名称为:一种高强度高弹性铝合金及其制备方法，该方法缺点在于采用浇注法制备铝合金棒料，获得的组织晶粒粗大，成分不均匀，抗拉强度仅为400Mpa，屈服强度为360Mpa，延伸率为7％，弹性模量为90Gpa，不能满足钻杆的使用要求。中国专利公告号为:107587006A，公告日为：2018.01.16，发明名称为:一种低弹性模量铝合金，该发明通过在铝合金加入钨和钴浇注成型法使得其强度得到提高，并且提高了铝合金的弹性模量，缺点在于制备的铝基复合材料抗拉强度低。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，通过连续纤维和颗粒两种增强体的协同作用提高其强度和弹性模量。本发明提供一种高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法。

实现本发明的技术问题所采取的技术方案是：采用铝合金为基材，采用碳纤维束线和高熵合金颗粒为增强体，采用喷射沉积增材制造制备铝基复合材料铸坯。然后对铸坯进行热挤压致密化处理，挤压成管材。最后对管材进行二级固溶时效热处理，即得高强度高弹性的钻杆用铝基复合材料，本发明具体的技术方案如下：

一种高弹性铝基复合材料，该铝基复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体由碳纤维束丝和高熵合金颗粒组成。

本发明优选的所述增强体在复合材料中所占体积百分数为15～30％，碳纤维束丝在复合材料中所占体积百分数为10～20％，所述高熵合金颗粒在复合材料所占体积百分数为5～10％。

优选的本发明所述的铝合金中各元素的质量分数为Cu 3.8～4.9％、Mg 1.2～1.8％、Mn 0.30～0.90％，其余为Al。

优选的本发明所述的高熵合金颗粒为TiCoCrFeNiAl，其粒径为20～50μm。

优选的本发明所述的碳纤维束丝包含500～1000根单纤维，单根纤维直径为5～10μm。

本发明还提供一种铝基复合材料的制备方法，该方法采用增材制造方法，包括以下步骤：

1)将碳纤维束丝缠绕在铝合金表面预切的螺旋型切槽中，铝合金不断做周向旋转，旋转速度5mm/s；

2)将纯Al坩埚熔炼炉熔化加注到金属液包中，通入气压为0.7～0.85Mpa的高压氮气将金属液雾化；