本文關(guān)鍵詞：輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金鉆桿材料組織與性能的改善研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：深部油氣鉆井和科學(xué)鉆探對(duì)鉆桿材料的要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)G105、S135鋼鉆桿因自身重量大、不耐酸腐蝕等缺點(diǎn)而不能很好地滿足安全、高效鉆井的需要,鉆具失效事故時(shí)有發(fā)生,因此輕質(zhì)高強(qiáng)的鋁合金鉆桿將會(huì)成為潛在替代產(chǎn)品。本論文面向深井、超深井的油氣鉆探和科學(xué)鉆探對(duì)高性能鉆桿的迫切需求,在現(xiàn)有7000系鋁合金鉆桿基礎(chǔ)上,針對(duì)陶瓷和金屬間化合物本身高熔點(diǎn)、耐腐蝕和耐磨特性,研究顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化方法,以進(jìn)一步提高傳統(tǒng)鋁合金鉆桿材料對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。通過(guò)研究鋁合金基體材料力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律、高溫下鋁合金蠕變性能以及熱變形溫度對(duì)鋁合金組織和性能的影響,為確定鋁合金基體及其復(fù)合材料合理的變形加工溫度提供理論依據(jù);通過(guò)添加變質(zhì)劑鍶(Sr)的方法來(lái)細(xì)化鋁合金鑄態(tài)組織,為擠壓變形加工提高其力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ);研究顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組織與性能內(nèi)在關(guān)系,通過(guò)原位合成低密度、高比模量且耐磨的TiB_2陶瓷顆粒增強(qiáng)體,調(diào)控熔體中TiB_2的生長(zhǎng)形貌,細(xì)化鋁基復(fù)合材料的晶粒,提高材料的室溫和高溫力學(xué)性能,同時(shí)對(duì)耐磨性也有促進(jìn)作用;通過(guò)對(duì)鋁合金中金屬間化合物進(jìn)行復(fù)合變質(zhì),在凝固過(guò)程中調(diào)控Mg_2Si的形貌和尺寸,減小第二相增強(qiáng)體與基體之間的應(yīng)力集中,從而提高復(fù)合材料在室溫和高溫下的力學(xué)性能;最后對(duì)鋁合金鉆桿桿體表面進(jìn)行了激光熔覆處理,有效地降低了鋁合金鉆桿表面與地層花崗巖之間的磨損,增加了鋁合金鉆桿的使用壽命。探討了細(xì)化晶粒提高鋁合金力學(xué)性能的機(jī)理,以及鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)鋁合金力學(xué)性能和耐磨性的機(jī)理,為制備輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金鉆桿提供了借鑒。本論文主要研究成果如下:(1)首先通過(guò)高溫拉伸實(shí)驗(yàn)和高溫蠕變實(shí)驗(yàn),闡明了7075鋁合金基體材料力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律,結(jié)合顯微組織分析了高溫軟化機(jī)理;然后通過(guò)不同溫度軋制優(yōu)化了7075鋁合金基體材料熱變形過(guò)程中出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度范圍,為7075鋁合金及其復(fù)合材料選擇合適的熱變形溫度提供依據(jù);發(fā)現(xiàn)在400℃下軋制的7075鋁合金板,微觀上具有較小的晶粒尺寸,出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,同時(shí)獲得了較佳的抗拉強(qiáng)度(570MPa)和延伸率(16.9%)。(2)通過(guò)鍶(Sr)變質(zhì)處理7075鋁合金,優(yōu)化了基體材料的組織,改善其力學(xué)性能。對(duì)變質(zhì)劑Sr的含量進(jìn)行優(yōu)化,得出添加0.1 wt.%的變質(zhì)劑Sr后,7075鋁合金基體的鑄態(tài)晶粒尺寸從未變質(zhì)的157mm細(xì)化到了105mm,同時(shí)擠壓態(tài)晶粒和殘留第二相也得到細(xì)化,抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率以及顯微硬度分別提高到了598MPa、24.9%和195Hv。(3)通過(guò)熔鹽法原位反應(yīng)合成TiB_2陶瓷顆粒增強(qiáng)的7075鋁基復(fù)合材料,優(yōu)化了7075鋁基復(fù)合材料的組織,改善了力學(xué)性能,提高了耐磨性。制備的含1wt.%TiB_2增強(qiáng)的7075鋁基復(fù)合材料晶粒細(xì)小,TiB_2彌散分布于基體中,抗拉強(qiáng)度得到提高,。同時(shí)揭示了熔體中單體TiB_2由外向內(nèi)從六邊形框架最終長(zhǎng)成六棱柱的生長(zhǎng)規(guī)律。(4)通過(guò)復(fù)合變質(zhì)對(duì)金屬間化合物Mg_2Si增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料組織和性能進(jìn)行了研究。在鋁合金中添加0.2 wt.%Sr Sb復(fù)合變質(zhì)劑,初生Mg_2Si的形貌由樹枝晶變成了立方體,共晶Mg_2Si由漢字狀變成了短棒狀,第二相的尺寸也從50mm降到了20mm,Mg_2Si增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料室溫和高溫(100℃)抗拉強(qiáng)度分別提高了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ず浜?jiǎn)鐔斾綋涓崟浣揟iB_2鐢卞鍚戝唴浠庡叚杈瑰艦妗嗘灦鏈，

本文編號(hào)：1438974