一种具有自润滑的铝合金复合材料及其制备方法
阅读：1042发布：2020-05-17
专利汇可以提供一种具有自润滑的铝合金复合材料及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种具有自润滑的 铝 合金 复合材料 ，该复合材料由基材和前躯体组成，所述基材为 铝合金 ，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。前驱体为高熵合金TiCoCrFeNiAl包覆MoS2颗粒,占基材质量百分比30～40％，其粒径为20～50μm。，下面是一种具有自润滑的铝合金复合材料及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种具有自润滑的铝合金复合材料，其特征在于，该复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体为高熵合金TiCoCrFeNiAl包覆MoS2颗粒，所述增强体占基材质量百分比的30～40％，所述增强体的粒径为20～50μm。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，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。
3.根据权利要求1-2任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)制备增强体：将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Al金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2加注到固体流化输送器中，高熵合金与MoS2质量比6：4，分别向金属液包和固体流化输送器中通入0.7～0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得增强体颗粒，沉积距离
700～900mm；
2)制备基材：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体；
3)制备铸坯：将步骤1)中获得的增强体颗粒，超声震荡充分搅拌加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；将步骤2)获得的铝合金液体注入到金属液包中；向输送器和金属液包同时通入气压为0.7～0.85MPa 氩气将铝合金液和增强体同时雾化，沉积在基板上获得铸坯；
4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450～500℃，保温30min后，在温度为520℃，挤压比为20～30，挤压速度为1～3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
5)固溶、时效处理：将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；再进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s；第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间
12h。
4.根据权利要求1-2任一项所述的复合材料在制备自润滑钻杆中的应用。
一种具有自润滑的铝合金复合材料及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 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、耐磨性差等弱点，需要进行铝及铝合金的摩擦学改性处理。
[0003] 目前公知的具有自润滑的铝基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。
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
[0004] 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铝基复合材料。所添加的高熵合金具有高硬度、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颗粒又具有良好的自润滑性。因此，本发明制备的钻杆用铝基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。
[0006] 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TiCoCrFeNiAl包覆MoS2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，即得具有自润滑的钻杆用铝[0007] 本发明提供一种具有自润滑的铝合金复合材料，该复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体为TiCoCrFeNiAl包覆MoS2颗粒。
[0008] 优选的本发明所述增强体占基材质量百分比的30～40％。
[0009] 优选的本发明所述增强体的粒径为20～50μm。
[0010] 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。
[0011] 本发明还提供该复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0012] 1)制备增强体：将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Al金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2加注到固体流化输送器中，高熵合金与MoS2质量比6：4，分别向金属液包和固体流化输送器中通入0.7～0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得增强体颗粒，沉积距离700～900mm；
[0013] 2)制备基材：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体；
[0014] 3)制备铸坯：将步骤1)中获得的增强体颗粒，超声震荡充分搅拌加注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；将步骤2)获得的铝合金液体注入到金属液包中；向输送器和金属液包同时通入气压为0.7～0.85Mpa氩气将铝合金液和增强体同时雾化，沉积在基板上获得铸坯；
[0016] 5)固溶、时效处理：将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；再进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s；第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h。
[0017] 本发明提供该复合材料在制备自润滑钻杆中的应用。
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] 本发明在铝合金基材中添加了具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定性的高熵合金，以及抗具有自润滑的MoS2，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耐磨性以及自润滑性，克服了公知专利自润滑层薄、使用寿命短、废液污染大的主要缺点，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具有自润滑的钻杆用铝基复合材料及制备方法。附图说明
[0020] 图1：本发明自润滑的钻杆用铝基复合材料制备工艺流程图；
[0022] 下面结合施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限制于以下实施例。
[0023] 实施例1：一种具有自润滑的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，具体步骤如下：
[0024] 1)制备增强体：将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Al金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2加注到固体流化输送器中，高熵合金与MoS2质量比6：4，分别向金属液包和固体流化输送器中通入0.85MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得增强体颗粒，沉积距离900mm；
[0025] 2)制备基材：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体；
[0026] 3)制备铸坯：将步骤1)中获得的增强体颗粒，超声震荡充分搅拌加按照基材质量百分比30％注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；将步骤2)获得的铝合金液体注入到金属液包中；向输送器和金属液包同时通入气压为0.85Mpa氩气将铝合金液和增强体同时雾化，沉积在基板上获得铸坯；
[0027] 4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至500℃，保温30min后，在温度为520℃，挤压比为30，挤压速度为3mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
[0028] 5)固溶、时效处理：将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；再进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s；第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h。
[0029] 经检测，本实施例得到的具有自润滑钻杆用铝基复合材料，组织均匀，前驱体弥散分布，晶粒细小，耐磨性能和摩擦系数小。
[0030] 实施例2：一种具有自润滑的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，具体步骤如下：
[0031] 1)制备增强体：将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Al金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2加注到固体流化输送器中，高熵合金与MoS2质量比6：4，分别向金属液包和固体流化输送器中通入0.7MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得增强体颗粒，沉积距离700mm；
[0032] 2)制备基材：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体；
[0033] 3)制备铸坯：将步骤1)中获得的增强体颗粒，超声震荡充分搅拌加按照基材质量百分比35％注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；将步骤2)获得的铝合金液体注入到金属液包中；向输送器和金属液包同时通入气压为0.7Mpa氩气将铝合金液和增强体同时雾化，沉积在基板上获得铸坯；
[0034] 4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至450℃，保温30min后，在温度为520℃，挤压比为20，挤压速度为1mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
[0035] 5)固溶、时效处理：将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；再进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s；第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h。
[0036] 经检测，本实施例得到的具有自润滑钻杆用铝基复合材料，组织均匀，前驱体弥散分布，晶粒细小，耐磨性能和摩擦系数小。
[0037] 实施例3：一种具有自润滑的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，具体步骤如下：
[0038] 1)制备增强体：将Ti、Co、Cr、Fe、Ni、Al金属按照原子比进行配置原料，放置于坩埚熔炼炉加热至熔化，然后将熔液加注到喷射沉积机中的金属液包，同时将粒径为10μm的MoS2加注到固体流化输送器中，高熵合金与MoS2质量比6：4，分别向金属液包和固体流化输送器中通入0.8MPa的高压氩气让高熵合金金属液和MoS2颗粒同步雾化形成固液混合的液滴，在雾化室下端冷却器作用下液滴快速凝固，沉积在基板上获得增强体颗粒，沉积距离800mm；
[0039] 2)制备基材：将Al、Cu、Mn、Mg金属块按质量分数进行配制得基材原料，添加到坩埚熔炼炉熔化，得铝合金液体；
[0040] 3)制备铸坯：将步骤1)中获得的增强体颗粒，超声震荡充分搅拌加按照基材质量百分比40％注到喷射沉积设备的固体颗粒流化输送器中；将步骤2)获得的铝合金液体注入到金属液包中；向输送器和金属液包同时通入气压为0.8Mpa氩气将铝合金液和增强体同时雾化，沉积在基板上获得铸坯；
[0041] 4)挤压成型：将步骤3)获得的铸坯放到热挤压机中预热至480℃，保温30min后，在温度为520℃，挤压比为25，挤压速度为2mm/s的条件下热挤压成型，得挤压管材；
[0042] 5)固溶、时效处理：将步骤4)获得的挤压管材进行第一级固溶处理，固溶温度470±5℃，保温时间2h；再进行第二级固溶处理，固溶温度490±5℃，保温时间1h，室温水冷，转移时间≤12s；第二级固溶处理后的管材进行人工时效处理，时效温度190±5℃，保温时间12h。
[0043] 经检测，本实施例得到的具有自润滑钻杆用铝基复合材料，组织均匀，前驱体弥散分布，晶粒细小，耐磨性能和摩擦系数小。
[0044] 对比例1：只调整步骤1)中高熵合金与MoS2质量比6：3，其余步骤同实施例1，制得对比例1复合材料。
[0045] 经检测，本对比例得到的具有自润滑钻杆用铝基复合材料，组织不均匀，前驱体团聚，晶粒粗大，耐磨性能低和摩擦系数高。
[0046] 对比例2：只调整步骤1)中高熵合金与MoS2质量比6：5，其余步骤同实施例1，制得对比例2复合材料。
[0047] 经检测，本对比例得到的具有自润滑钻杆用铝基复合材料，组织不均匀，前驱体团聚，晶粒粗大，耐磨性能低和摩擦系数高。
[0048] 对比例3：只调整步骤3)中增强体占基材质量百分比为45％，其余步骤同实施例1，制得对比例3复合材料。
[0049] 经检测，本对比例得到的具有自润滑钻杆用铝基复合材料，虽然耐磨性高摩擦系数小但制备的铸坯经挤压成型后表面有微裂纹产生。
[0050] 对比例4：只调整步骤3)中增强体占基材质量百分比为25％，其余步骤同实施例1，制得对比例4复合材料。
[0051] 经检测，本对比例得到的具有自润滑钻杆用铝基复合材料，虽然耐磨性高摩擦系数小并且制备的铸坯经挤压成型管材后强度降低。
[0052] 试验例：通过采用MMQ-02G球盘式旋转运动高温摩擦磨损试验机，摩擦对偶件为Φ6mm陶瓷球，材质为SiO2，硬度880HV。摩擦时间为30min，转速设为500r/min、载荷设为15N。
对上述实施例1-3的铝基复合材料进行摩擦性能测试，结果见下表：
对上述实施例1-3的铝基复合材料进行摩擦性能测试，结果见下表：
[0053] 实施例 磨损量 平均摩擦系数实施例1 1.1mg 0.11
实施例2 1.0mg 0.07
实施例3 0.9mg 0.05
对比例1 5.5mg 0.76
对比例2 5.7mg 0.78
对比例3 0.88mg 0.05
对比例4 1.5mg 0.14
实施例2 1.0mg 0.07
实施例3 0.9mg 0.05
对比例1 5.5mg 0.76
对比例2 5.7mg 0.78
对比例3 0.88mg 0.05
对比例4 1.5mg 0.14
[0054] 经过上述3种实施例方法以及多次实验制备的具有自润滑的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，在铝合金基材中添加了具有高硬度、高强度、耐磨、耐腐蚀、高温热稳定性的高熵合金包覆MoS2的颗粒，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耐磨性以及耐腐蚀性，克服了公知耐腐蚀铝基复合材料表面耐磨性和具有自润滑层薄、电镀液污染大的主要缺点，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具有自润滑的钻杆用铝基复合材料及制备方法。
[0055] 实施例1与对比例1-4比较发现只有高熵合金与MoS2质量比6：4，增强体占基材质量百分比为30-50％时制备的复合材料提高其耐磨性以及耐腐蚀性，克服了公知耐腐蚀铝基复合材料表面耐磨性和具有自润滑层薄。增强体占基材质量百分比以及高熵合金与MoS2发生较小的变化都会对复合材料的性能产生较大的影响。
[0056] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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