[发明专利]一种具有固体自润滑性铝合金复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有固体自润滑性铝合金钻杆复合材料,及其制备方法，所述复合材料由两部分组成:基材、前驱体，其中基材成分各质量分数为Cu3.8～4.9％、Mg1.2～1.8％、Mn0.30～0.90％，其余为Al。前驱体占基材质量百分比20～30％，前驱体为高熵合金Ti2CoCrFeNiCu包覆MoS2+C颗粒。其制备方法为包括：前驱体制备、配置基材原料，然后将前驱体加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中，最后用坩埚熔炼炉将基材原料熔化并流至金属液包，将金属液和前驱体同时雾化形成固液雾化混合物，沉积，获得了具有自润滑耐磨复合材料铸坯，再挤压成型。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种具有固体自润滑性铝合金复合材料及制造方法。

背景技术

随着社会发展人口日益增长，对资源需求越来越多，当前陆地近地表资源已经开采过度，为了满足社会发展需求必须向地球深部寻找资源。当钻井不断加深，需要不断连接钻杆来延长钻柱其自重不断增加，仅靠发展大规格钻机完成深井和超深井的钻探是很困难的，尤其当钻井超过某一深度时，钻柱自重能使钻杆发生时效破坏，何况还存在裸眼井段长、井壁稳定性差、井内环境温度高等恶劣工况。因此，铝合金钻杆已经逐渐替代了钢钻杆，由于铝合金重量轻、抗腐蚀性强、比强度高、耗能低等优点，尤其在水平井、科学超深井、大位移井、地球深部钻探具有很大优势。钻杆在钻井过程中运动形态有涡动和振动，钻杆的磨损包括三个方面：(1)涡动使钻杆产生强烈的横向振动，加速钻杆与套管之间磨损。(2)在裸眼井段，钻头破岩时产生周期性的振动，钻杆与井壁不断发生碰撞造成表面擦伤和磨损。(3)井底地温高达300℃，压力可达200MPa。高温高压作用下钻杆耐磨性会衰减，出现严重的磨损减薄现象降低其承载能力增加事故隐患。因此，为了解决铝合金材料表面质软、耐磨性差等缺点，需要进行铝及铝合金的摩擦学改性处理。

目前公知的具有自润滑的复合材料主要制备方法对在铝合金表面制备硬质阳极氧化膜，随后在氧化铝膜表面的微孔中填充各种润滑性物质，使铝材表面具有良好的耐磨性和良好的自润滑性。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公告号为:CN106733554U，公告日为：2017.05.31，发明名称为:一种铝合金表面的自润滑耐磨涂层的制备方法，通过依次在铝合金的表面提供陶瓷中间缓冲层和表面自润滑层的方式，可以使高分子自润滑层附着于合金的表面提高耐磨层的耐久性。该方法缺点在于润滑层为高分子材料使用寿命短，不能满足钻杆的使用要求。中国专利公告号为:CN 106835233A，公告日为2017.06.13，发明名称为:耐磨、防腐蚀的铝合金钻杆制备方法及制得的铝合金钻杆，该发明采用电镀法获得耐磨、防腐蚀的铝合金钻杆，缺点在于表面耐磨防腐层仅有40～60μm，使用寿命短并且电解槽废液对环境有较大污染。

发明内容

本发明针对以上缺点从改善铝合金材料本质出发，以铝合金为基材，将TiCoCrFeNiAl包覆MoS2+C颗粒加入铝合金中，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备具有自润滑的钻杆用复合材料。所添加的前驱体具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定性，与铝合金基体间的界面润湿性与界面相容性好。包覆的MoS2+C颗粒又具有良好的自润滑性。因此，本发明制备的钻杆用复合材料不仅具有优良的耐磨性和自润滑性，而且摩擦系数小使用寿命长。

本发明的所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，通过改变铝合金材料本质提高其自润滑性，本发明还提供一种具有固体自润滑性铝合金钻杆材料制备方法。实现本发明的技术问题所采取的技术方案是：首先，采用喷射沉积法制备前驱体Ti2CoCrFeNiCu包覆MoS2+C的颗粒。其次，以铝合金为基材，在高压氩气作用下将基材金属液和前驱体同步雾化沉积在基板上获得复合材料铸坯。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，即得具有自润滑的钻杆用复合材料。具体包括以下技术内容：

本发明提供一种具有固体自润滑性铝合金复合材料，该复合材料由基材和前驱体组成，所述基材为铝合金，所述前驱体为高熵合金Ti2CoCrFeNiCu包覆MoS2+C颗粒。