[发明专利]一种耐低温铝合金复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐低温的钻杆用铝基复合材料及增材制造方法，复合材料由三部分组成:基材、连续纤维增强体和晶须增强体。基材成分各质量分数为锂Li：2.0～3.0，硅Si：≤0.10，铁Fe：≤0.1，铜Cu：2.4～3.0，锰Mn：0.4～0.8，镁Mg：0.8～1.4，铬Cr：≤0.05锌Zn：0.10～0.2，锆Zr：0.08～0.15，钛Ti：≤0.15，其余为Al。连续纤维增强体为碳纤维束丝占基材体积百分数的30～50％，晶须增强体为Al₂O₃占基材体积百分数的5～10％。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种耐低温铝合金复合材料及制造方法。

背景技术

随着对北极和南极等高寒地区钻探与科研工作的增加，由于在高寒地区环境恶劣钻探装备的运输是一个突出问题，要保证钻探工作顺利进行，就必须考虑钻探装备载重量。与钢钻探杆相比，铝合金钻探杆具有重量轻、抗疲劳、柔性大、耐蚀、耐寒、临界速度高等优点。目前已有20多个国家开始了铝合金钻探杆的开发和应用。采用铝合金钻杆能够减小钻探装置的载重量，提高了运输能力和安装能力，降低了钻杆运输的时间、材料耗费和运输成本。另外，在寒冷地区建设矿井大气的温度较低并且还伴有多年冻结的岩石，对铝合金钻杆也提出了耐低温的要求。现有市场上的铝合金低温下容易发生脆化现象，其强度、塑性、韧性等力学性能急剧降低，限制了其使用范围。因此，提高铝合金钻杆在低温条件下的强度和韧性对北极和南极高寒冷地区钻探工作具有重要的意义。

目前公知的耐低温的铝基复合材料主要制备方法是对铝合金熔炼、浇注、热处理、热挤压的方式提高其耐低温性。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公告号为:CN103981411A，公告日为：2014.08.13，发明名称为:一种耐低温铝合金型材及其制备方法，按配方配比计算称取炉料，将铝锭加热熔化依次加入中间合金，待符合合金成分要求进行浇注获得铸坯，将得到的铸坯均匀化热处理，将均匀化后的铸坯挤压成型，再进行固溶处理获得一种耐低温铝合金型材。该方法缺点在于采用浇注法制备铸坯晶粒粗大、成分不均匀，不能满足钻杆的使用要

发明内容

本发明针对以上缺点以Al-Li合金为基材，以连续纤维和晶须为增强体，采用喷射沉积增材制造和热挤压工艺制备耐低温钻杆用铝基复合材料。其中基材Al-Li铝合金本身具有优异的耐低温性，所添加的连续纤维碳纤维和晶须具有抗低温脆性，采用喷射沉积不仅可以细化基材晶粒而且使增强体在基材中分布更均匀，连续纤维和晶须还可起到协同增强作用。因此，本发明制备的钻杆用铝基复合材料具有优良的耐低温性。

实现本发明的技术问题所采取的技术方案是：首先，将碳纤维束丝缠绕在铝合金芯棒上进行表面沉积Al₂O₃涂层；其次，以预置芯棒作为喷射沉积的基板喷射沉积制备铝基复合材料铸坯，再对铸坯进行热挤压成管材；最后，对热挤压管材进行二级固溶+时效处理，即得耐低温的钻杆用铝基复合材料。具体技术方案如下：

本发明提供一种耐低温铝合金复合材料，该复合材料由基材和增强体组成，所述基材为铝合金，所述增强体为连续纤维和晶须。

优选的本发明所述增强体在复合材料中占基材体积百分数35～60％。

优选的本发明所述连续纤维在复合材料中占基材体积百分数30～50％，所述晶须在复合材料中占基材体积百分数5～10％。

优选的本发明所述的铝合金为Al-Li合金，各元素的质量分数为Li：2.0～3.0，Si：≤0.10，Fe：≤0.1，Cu：2.4～3.0，Mn：0.4～0.8，Mg：0.8～1.4，Cr：≤0.05,Zn：0.10～0.2，Zr：0.08～0.15，Ti：≤0.15，其余为Al。

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。