【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及铝合金材料与石油钻杆制造，尤其涉及一种深井钻杆用高性能铝合金管材及其制备方法。
技术介绍
1、钻杆或称为钻杆柱是向井底钻头传递破岩所需压力、转速、扭矩的工具，是输送冲洗介质的通道，是完成提取岩心、处理事故等工作的基本手段。钻杆在井内的工作条件十分复杂，往往是整个钻探(井)设备与工具组合中比较薄弱的环节。随着我国地质工作于能源开发向深部发展，深井(包括斜井和大位移水平井)钻探的工作量与日俱增，对钻杆的性能指标提出了更高的要求，人们希望在不更换大吨位钻机的前提下能钻的更深。因此，轻质、耐腐蚀的铝合金钻杆成为了国内外地质与能源开发行业的关注热点。
2、铝合金钻杆服役环境及其严苛，要承受高含硫化氢、二氧化碳酸性介质的腐蚀，承受泥沙的磨损，传递较大的扭矩与钻进动力，还要承受较高的工作温度，故作为钻杆使用的铝合金材料必须具备极高的综合性能。从铝合金钻杆的服役条件来看，所使用的铝合金材料必须兼具优秀的室温强度，优秀的塑性，以及优秀的耐高温性能，以实现铝合金钻杆安全服役与具有较高使用寿命的目的。目前国内外主要用于钻杆生产的铝合金牌号主要有2014、2618、7075等。2014铝合金性能特点为t6状态下屈服强度约414mpa，抗拉强度约为480mpa，延伸率约为13％，其主要不足在于室温不高，反复使用的寿命较短。2618是一种耐热的铝合金，其耐热性能非常好，经500小时200℃的热暴露后，室温强度降低幅度可控制在20％以内，但其t6态室温力学性能较低，屈服强度仅为370mpa，抗拉强度仅为440mpa，延伸率仅为10％
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种深井钻杆用高性能铝合金管材及其制备方法，解决
技术介绍
中提到的技术问题。本专利技术针对目前石油钻杆行业使用的2014、2618、7075铝合金存在的强度、塑性、耐热性能无法兼顾的问题，利用稀土元素作为增强剂，开发一种新型铝合金材料，全面提高铝合金管材综合性能，延长铝合金钻杆的使用寿命。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种深井钻杆用高性能铝合金管材，高性能铝合金管材由以下质量百分比的组分组成：fe：≤0.3％、si：0.4～1.2％、cu：4.0～6.0％、mg：0.4～1.2％、zn：0.2～0.8％、mn：0.4～1.2％、cr：0.05～0.6％、hf：0.03～0.2％、co：0.03～0.2％、v：0.03～0.2％、ti：0.01～0.2％、ta：0.03～0.4％、nb：0.03～0.4％、sc：0.05～0.5％、ce：0.05～0.5％、yb：0.05～0.5％，其他不可避免的单个杂质元素≤0.03％，杂质元素总量≤0.15％，余量为铝。
4、进一步地，高性能铝合金管材由以下质量百分比的组分组成：fe：≤0.2％、si：0.6～1.0％、cu：4.4～5.6％、mg：0.6～1.0％、zn：0.4～0.7％、mn：0.5～1.0％、cr：0.1～0.4％、hf：0.05～0.18％、co：0.05～0.18％、v：0.05～0.18％、ti：0.01～0.08％、ta：0.05～0.2％、nb：0.05～0.2％、sc：0.08～0.35％、ce：0.08～0.35％、yb：0.08～0.35％，其他不可避免的单个杂质元素≤0.03％，杂质元素总量≤0.15％，余量为铝
5、进一步地，高性能铝合金管材使用的原材料为铝锭、电解铜、镁锭、金属硅、锌锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝铪中间合金、铝钴中间合金、铝钒中间合金、铝钛中间合金、铝钽中间合金、铝铌中间合金、铝钪中间合金、铝铈中间合金和铝镱中间合金，铁元素为铝锭与各种原料中固有的及在熔炼过程中带入的杂质元素，，不额外添加铁元素；铝钪中间合金中钪含量为2.0％～2.1％，铝铈中间合金中铈含量为9.5％～10.5％，铝镱中间合金中镱含量为4.8％～5.2％；高性能铝合金管材中钪、铈、镱三种元素的总含量不低于0.25％且不高于0.80％，且钪、铈、镱三种元素的比例为1:(1～4):(1～3)。
6、一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，包括以下步骤：
7、步骤(1)，根据高性能铝合金管材成分配置并称量所需要的原材料；
8、步骤(2)，将第一批炉料：铝锭、电解铜、金属硅、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝铪中间合金、铝钴中间合金、铝钒中间合金、铝钽中间合金和铝铌中间合金装炉升温至熔化并进行第一阶段保温熔炼，炉料熔化并达到预设工艺温度后进行机械搅拌，期间维持炉温；待其完全熔化并搅拌均匀后加入第二批炉料：铝钪中间合金、铝铈中间合金和铝镱中间合金，待其完全熔化后进行机械搅拌，期间维持炉温进行第二阶段保温熔炼；待其完全熔化并搅拌均匀后加入镁锭和锌锭，熔化后保持机械搅拌使熔体均匀，期间维持炉温进行第三阶段保温熔炼，搅拌均匀后从高温铝合金液体中取出少量进行化学成分分析，若成分有偏差，则进行成分调整并再次取样分析，直至所有元素达到预期指标；
9、步骤(3)，对熔炼炉内的铝合金熔体进行精炼处理，随后将炉内产生的炉渣捞出，精炼完成后再次取样分析，若成分仍在预期指标范围内，则无需处理进入下一工序；若成分产生偏差则进行成分调整并再次取样分析并进行二次精炼与扒渣处理，直至所有元素达到预期指标方可进入下一工序；
10、步骤(4)，精炼完成后将熔体静置一段时间，同时使熔体保持一定温度后，将铝合金液体由熔炉底部放出进行铸造，当铝合金液体进入流槽后向其添加铝钛中间合金线进行细化晶粒处理，铝合金液体经过双级过滤处理后进入铸造模盘进行半连续铸造，得到圆棒形铸锭，其直径大小根据实际需求确定；
11、步骤(5)，将圆棒铸锭放入加热炉中加热升温并保温一定时间后进行均匀化处理，处理完成后将铝棒从加热炉中取出空冷至室温，将圆棒铸锭锯切成所需的长度备用；
12、步骤(6)，将锯切好的圆棒铸锭依次放入中频感应加热设备中进行加热，并将加热完成的铝棒取出后进行反向挤压加工成所需尺寸与长度的管材，挤压完成后将管材空冷至室温；
13、步骤(7)，将挤压成型的管材放入立式淬火炉中进行固溶处理，保温结束后水冷至室温，固溶处理的温度为500～540℃，保温的时间为2.0～4.0小时；
14、步骤(8)，将固溶处理后的管材进行拉伸校直处理，拉伸校直所施加的变形量为1％～6％；
15、步骤(9)，将拉伸校直处理后的管材放入时效炉中进行人工时效处理，处理完成后将管材由时效炉内移除并进行强风冷却至室温，便得到高性能铝合金管材。
16、进一步地，在步骤(2)中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种深井钻杆用高性能铝合金管材，其特征在于：高性能铝合金管材由以下质量百分比的组分组成：Fe：≤0.3％、Si：0.4～1.2％、Cu：4.0～6.0％、Mg：0.4～1.2％、Zn：0.2～0.8％、Mn：0.4～1.2％、Cr：0.05～0.6％、Hf：0.03～0.2％、Co：0.03～0.2％、V：0.03～0.2％、Ti：0.01～0.2％、Ta：0.03～0.4％、Nb：0.03～0.4％、Sc：0.05～0.5％、Ce：0.05～0.5％、Yb：0.05～0.5％，其他不可避免的单个杂质元素≤0.03％，杂质元素总量≤0.15％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材，其特征在于：高性能铝合金管材由以下质量百分比的组分组成：Fe：≤0.2％、Si：0.6～1.0％、Cu：4.4～5.6％、Mg：0.6～1.0％、Zn：0.4～0.7％、Mn：0.5～1.0％、Cr：0.1～0.4％、Hf：0.05～0.18％、Co：0.05～0.18％、V：0.05～0.18％、Ti：0.01～0.08％、Ta：0.05～0.2％、Nb：
3.根据权利要求1或2所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材，其特征在于：高性能铝合金管材使用的原材料为铝锭、电解铜、镁锭、金属硅、锌锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝铪中间合金、铝钴中间合金、铝钒中间合金、铝钛中间合金、铝钽中间合金、铝铌中间合金、铝钪中间合金、铝铈中间合金和铝镱中间合金，铁元素为铝锭与各种原料中固有的及在熔炼过程中带入的杂质元素；铝钪中间合金中钪含量为2.0％～2.1％，铝铈中间合金中铈含量为9.5％～10.5％，铝镱中间合金中镱含量为4.8％～5.2％；高性能铝合金管材中钪、铈、镱三种元素的总含量不低于0.25％且不高于0.80％，且钪、铈、镱三种元素的比例为1:(1～4):(1～3)。
4.根据权利要求3所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，第一阶段保温熔炼的温度为760～860℃；第二阶段保温熔炼的温度为740～840℃；第三阶段保温熔炼的温度为700～750℃。
6.根据权利要求4所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，精炼的温度为700～740℃，精炼的时间为60～100分钟，精炼的气体为99.99％高纯度氩气、99.99％高纯氮气及99.99％高纯氯气的混合气体，其中高纯氩气含量为40％，高纯氮气含量为57％，高纯氯气含量为3％。
7.根据权利要求4所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，铸造的温度为700～720℃；双级过滤第一级采用60目陶瓷过滤板，双级过滤第二级采用80目陶瓷过滤板；结晶器下降速度为40～180毫米/分钟。
8.根据权利要求4所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于：在步骤(5)中，均匀化处理的温度为420～530℃，均匀化处理的时间≥12小时。
9.根据权利要求4所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于：在步骤(6)中，挤压前铝棒加热的温度为420℃～450℃，挤压速度为1～4米/分钟。
10.根据权利要求4所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材的制备方法，其特征在于：在步骤(9)中，人工时效的温度为175℃～185℃，保温的时间为12～24小时。
...【技术特征摘要】
1.一种深井钻杆用高性能铝合金管材，其特征在于：高性能铝合金管材由以下质量百分比的组分组成：fe：≤0.3％、si：0.4～1.2％、cu：4.0～6.0％、mg：0.4～1.2％、zn：0.2～0.8％、mn：0.4～1.2％、cr：0.05～0.6％、hf：0.03～0.2％、co：0.03～0.2％、v：0.03～0.2％、ti：0.01～0.2％、ta：0.03～0.4％、nb：0.03～0.4％、sc：0.05～0.5％、ce：0.05～0.5％、yb：0.05～0.5％，其他不可避免的单个杂质元素≤0.03％，杂质元素总量≤0.15％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材，其特征在于：高性能铝合金管材由以下质量百分比的组分组成：fe：≤0.2％、si：0.6～1.0％、cu：4.4～5.6％、mg：0.6～1.0％、zn：0.4～0.7％、mn：0.5～1.0％、cr：0.1～0.4％、hf：0.05～0.18％、co：0.05～0.18％、v：0.05～0.18％、ti：0.01～0.08％、ta：0.05～0.2％、nb：0.05～0.2％、sc：0.08～0.35％、ce：0.08～0.35％、yb：0.08～0.35％，其他不可避免的单个杂质元素≤0.03％，杂质元素总量≤0.15％，余量为铝。
3.根据权利要求1或2所述的一种深井钻杆用高性能铝合金管材，其特征在于：高性能铝合金管材使用的原材料为铝锭、电解铜、镁锭、金属硅、锌锭、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝铪中间合金、铝钴中间合金、铝钒中间合金、铝钛中间合金、铝钽中间合金、铝铌中间合金、铝钪中间合金、铝铈中间合金和铝镱中间合金，铁元素为铝锭与各种原料中固有的及在熔炼过程中带入的杂质元素；铝钪中间合金中钪含量为2.0％～2.1％，铝铈中间合金中铈含量为9.5％～10.5...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡祥卿，归立发，
申请(专利权)人：广西贝尔铝稀土功能材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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