本發(fā)明屬于微納米功能材料和鉆具材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種玄武巖纖維和陶瓷顆粒混雜鋁合金鉆桿材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
石油、天然氣和地質(zhì)勘探業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)作業(yè)的技術(shù)和機(jī)具要求越來越高，深井和超深井作業(yè)對(duì)鉆桿的輕質(zhì)、耐溫、耐磨性要求更是苛刻，鋁合金鉆桿作為一種高新技術(shù)范疇的勘探鉆桿，具有比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、彈性模量小、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在深井、超深井及高含h2s、co2井井中具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于同樣大鉤負(fù)荷能力的鉆機(jī)，使用鋁合金鉆桿替代普通鋼鉆桿可大幅降低鉆井作業(yè)的功耗及時(shí)間，提高鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力，隨著深井、超深井及酸性油氣藏的開發(fā)，我國鋁合金鉆桿的研發(fā)和應(yīng)用勢(shì)在必行，但鋁合金鉆桿存在硬度低、耐磨性差(如孔壁有堅(jiān)硬異物、井孔彎曲時(shí)，表面極易產(chǎn)生快速磨損)、耐高溫強(qiáng)度差等問題，且目前我國鋁合金鉆桿的材料設(shè)計(jì)、耐溫、耐磨的研究處于起步階段，應(yīng)用很少。
國外發(fā)達(dá)國家對(duì)鋁合金鉆桿的研究和應(yīng)用起步較早，上世紀(jì)60年代瑞典的克芮留斯公司成功研制了鋁合金鉆桿，主要應(yīng)用于小口徑地質(zhì)巖心鉆探，并已形成規(guī)格系列；前蘇聯(lián)于1962年開始在石油勘探中使用鋁合金鉆桿，主要用在荒原沼澤、邊遠(yuǎn)地區(qū)(包括北極)以及海洋大陸架，并施工了12262m深的世界第一深鉆sg-3井，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；目前俄羅斯生產(chǎn)鋁合金鉆桿的公司主要為akvatik鉆桿有限公司(其前身為aquatic公司)，可生產(chǎn)直徑從φ103mm至φ147mm的系列鋁合金鉆桿，鉆桿的結(jié)構(gòu)形式有內(nèi)加厚、外加厚、中部加厚、螺旋槽等，采用的鋁合金牌號(hào)有d16t(高強(qiáng))、1953-t1(超高強(qiáng))及ak4-1-t1(耐熱)。美國生產(chǎn)鋁合金鉆桿的企業(yè)主要有美國鋁業(yè)公司(alcoainc.)和aluminumdrillpipe公司，alcoa生產(chǎn)的鋁合金鉆桿主要采用2024鋁合金，規(guī)格從φ41/2吋到φ65/8吋。alcoa公司對(duì)鋁合金鉆桿的物理力學(xué)性能、失效行為、溫度對(duì)性能的影響、腐蝕性質(zhì)、鉆桿內(nèi)涂層、鋁合金鉆桿的使用規(guī)范等進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，提高了鋁合金鉆桿的可靠性。
目前，國外一些發(fā)達(dá)國家的鋁合金鉆桿已經(jīng)初步形成系列，俄羅斯和美國壟斷著深井油氣鉆探用鋁合金鉆桿制造的核心技術(shù)，但對(duì)發(fā)展中國家實(shí)行技術(shù)封鎖，與國外發(fā)達(dá)國家相比，中國對(duì)鋁合金鉆桿的研發(fā)起步較晚，目前我國尚不能生產(chǎn)制造深部鉆探用高性能鋁合金鉆桿，所使用的鋁合金鉆桿全部依賴進(jìn)口，我國相關(guān)部門已逐漸認(rèn)識(shí)到鋁合金鉆桿的優(yōu)越性，塔里木油田曾從俄羅斯進(jìn)口鋁合金鉆桿用于油氣勘探鉆進(jìn)。中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所經(jīng)多輪立項(xiàng)研究，鋁合金鉆桿已初步形成系列，已研制了φ34mm、φ42mm、φ52mm普通鉆桿，φ60mm水文及環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)鉆孔抽水與壓水試驗(yàn)用全鋁鉆桿，φ91mm、φ114mm繩索取心鉆桿，φ95mm反循環(huán)鉆進(jìn)用雙壁鉆桿，φ147mm石油及科學(xué)深部鉆探用鉆桿,并進(jìn)行了相應(yīng)的野外生產(chǎn)試驗(yàn)，吉林大學(xué)復(fù)雜條件鉆采技術(shù)課題組承擔(dān)了國家國際科技合作專項(xiàng)“深部油氣鉆探用高性能鉆具系統(tǒng)合作研究”，引進(jìn)俄羅斯akvatik公司的先進(jìn)技術(shù)，突破了大直徑變斷面鋁合金鉆桿一次擠壓成型、鋁合金鉆桿與鋼接頭的熱組裝等關(guān)鍵技術(shù)，試制的鋁合金鉆桿在陸地油氣定向斜井中進(jìn)行了鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，效果良好。
雖然鋁合金鉆桿表現(xiàn)出了優(yōu)異的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，然而現(xiàn)階段鋁合金鉆桿還存在硬度較低、耐磨性低、高溫條件下力學(xué)性能衰減較大、高溫及堿性條件下腐蝕嚴(yán)重、增加了成本等不足之處，因此，急需在鋁合金鉆桿材料和鋁合金鉆桿制備工藝方面有所突破。
眾所周知，地殼由火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖組成，玄武巖屬于火成巖，是一種以sio2和al2o3的礦物巖石。連續(xù)玄武巖纖維(continuousbasaltfiber，以下簡稱(cbf)就是以天然玄武巖礦石作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在l450-l500℃熔融后，通過鉑銠合金漏板拉制而成的新型高性能綠色環(huán)保無機(jī)纖維材料。cbf不僅穩(wěn)定性好，而且還具有電絕緣、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優(yōu)異性能，其力學(xué)性能和耐高溫性能尤為突出，可在-269～650℃范圍內(nèi)連續(xù)工作。此外，玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的廢棄物少，對(duì)環(huán)境污染小，產(chǎn)品廢棄后可直接轉(zhuǎn)入生態(tài)環(huán)境中，無任何危害，因而是一種名副其實(shí)的綠色、環(huán)保材料。我國已把玄武巖纖維列為我國重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維(玄武巖纖維、碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維)之一，在我國基本上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。玄武巖連續(xù)纖維已在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業(yè)、高溫過濾織物以及防護(hù)領(lǐng)域等多個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，但在鉆井領(lǐng)域和鉆具材料領(lǐng)域未見相關(guān)報(bào)道。
陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、優(yōu)秀的高溫性能和良好的耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用逐年增多，然而有關(guān)陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合鉆桿材料的研究未見報(bào)道。因此，玄武巖纖維和陶瓷顆?；祀s增強(qiáng)的鋁合金鉆桿材料對(duì)于研發(fā)長壽命、高可靠性和高耐磨性鋁合金鉆桿具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是解決上述背景技術(shù)中現(xiàn)有鋁合金鉆桿硬度較低、耐磨性低、高溫條件下力學(xué)性能衰減較大、高溫及堿性條件下腐蝕嚴(yán)重、增加了成本等為題，而提供一種玄武巖纖維和陶瓷顆粒混雜鋁合金鉆桿材料及其制備方法。該復(fù)合材料是一種經(jīng)熱壓燒結(jié)、中溫?cái)D壓的纖維和陶瓷顆?；祀s增強(qiáng)的鋁合金鉆桿材料，其顯著提高了深井(孔)鉆進(jìn)時(shí)鋁合金鉆桿的壽命和耐磨性，將取之于火成巖的玄武巖纖維用于地下巖層鉆進(jìn)用的鉆桿材料研制，達(dá)到“取之于巖，用之于巖”。
本發(fā)明之玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒增強(qiáng)型鋁合金鉆桿材料，是由鋁合金基體、玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒組成，玄武巖纖維和納米陶瓷顆?；祀s在鋁合金基體中，玄武巖纖維的質(zhì)量百分比為2％-15％，納米陶瓷顆粒的質(zhì)量百分比為0.1％-5％，鋁合金基體質(zhì)量百分比為84％-96％；
所述的玄武巖纖維直徑為13±15％微米，長1-3毫米，線密度400特，含水率0.02％-0.10％，斷裂強(qiáng)度0.45牛/特以上；
所述的納米陶瓷顆?？梢詾榧{米碳化硅、碳化鈦、二硼化鈦、三氧化二鋁中的一種或者兩種混雜，平均粒度為20納米-50納米，純度為99.9％；
所述的鋁合金基體各組分的質(zhì)量百分比如下：
銅為3.9％-5.0％、硅為0.5％-1.2％、鎂為0.2％-1.2％、錳為0.4％-1.2％、鐵為0.1％-0.7％、鋁為91％-94.5％。
本發(fā)明的技術(shù)方案是：采用真空熱壓燒結(jié)和中溫?cái)D壓相結(jié)合的制備工藝，通過玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的耐磨性和高溫強(qiáng)度，利用納米陶瓷顆粒使玄武巖纖維在基體中分散均勻并在基體中形成位錯(cuò)加快基體中第二相析出速度。從而提高玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒增強(qiáng)型鋁合金鉆桿材料的強(qiáng)度和耐磨性，并在高溫條件下具有良好的服役性。
具體包括以下步驟：
1)混料
采用jh2d-6型三維搖滾式混料機(jī)進(jìn)行球磨混料，球料比為8:1，混料時(shí)間4-12小時(shí)，原料為鋁合金基體粉末、玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒，加入1.0wt.％硬脂酸(pca)作為過程控制劑，首先通過溶劑(乙醇)輔助分散，然后再機(jī)械球磨混料；
2)冷壓成型
在制備鋁合金復(fù)合材料粉末后，對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓，冷壓壓強(qiáng)8-12兆帕，保壓時(shí)間10-20分鐘，壓制成圓柱型坯料；
3)熱壓燒結(jié)
采用真空熱壓燒結(jié)爐對(duì)圓柱型坯料進(jìn)行燒結(jié)，其燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度520-540攝氏度，保溫20-30分鐘，單軸加壓40-50兆帕，保壓時(shí)間為8-15分鐘；
4)中溫?cái)D壓
將燒結(jié)制得的復(fù)合燒結(jié)材料放入擠壓模具，420-440攝氏度進(jìn)行擠壓，擠壓比為16：1；
5)熱處理工藝
采用熱處理工藝為固溶和自然時(shí)效，固溶溫度為500-506攝氏度，固溶設(shè)備為高溫烘箱(hoc-dh30d)，控溫精度±1攝氏度，保溫時(shí)間為2小時(shí)，隨后進(jìn)行水冷淬火，自然時(shí)效停放時(shí)間≥80h。
本發(fā)明提供一種低成本、綠色環(huán)保的玄武巖纖維和納米陶瓷顆?；祀s增強(qiáng)鋁合金鉆桿材料及其制備方法，與目前現(xiàn)有技術(shù)相比主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)本發(fā)明所使用的玄武巖纖維密度為2.6-3.05g/cm3、鋁合金基體密度2.6-2.88g/cm3、碳化硅密度為3.2g/cm3、碳化鈦密度為4.93g/cm3、二硼化鈦密度為4.52g/cm3、三氧化二鋁密度為3.97g/cm3，其中玄武巖纖維和鋁合金基體的密度接近，易于混合均勻，且所加的材料密度均較小，符合輕質(zhì)高強(qiáng)鉆桿材料的發(fā)展趨勢(shì)要求。
2)本發(fā)明將取之于火成巖的玄武巖纖維用于地下巖層鉆進(jìn)用的鉆桿材料研制，“取之于巖，用之于巖”綠色環(huán)保，且玄武巖纖維價(jià)格比碳纖維具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
3)本發(fā)明針對(duì)性較強(qiáng)，主要針對(duì)提高鋁合金鉆桿材料硬度、耐磨性和強(qiáng)度，通過玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒協(xié)同增強(qiáng)的鋁合金復(fù)合鉆桿材料比基體耐磨性可以提高至少30％，抗拉強(qiáng)度提高至少10％，從而提高了深井(孔)鉆進(jìn)時(shí)鋁合金鉆桿的壽命，節(jié)約成本。
4)本發(fā)明縮短了玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁合金鉆桿材料的制備周期，由于納米陶瓷顆粒的加入，加快了基體材料的第二相析出速度，從而可以有效減少自然時(shí)效時(shí)間，有利于縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約制造成本。
5)本發(fā)明有效的解決了玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁合金鉆桿材料制備過程的關(guān)鍵科學(xué)問題即玄武巖纖維引入分散性：通過納米陶瓷顆粒的加入有助于玄武巖纖維的分散。
具體實(shí)施方式
實(shí)施案例一：具體如下所示。
分別選取原料，所述的玄武巖纖維各組成成分質(zhì)量百分比如下：
鋁合金基體粉末88％、玄武巖纖維10％和納米陶瓷顆粒2％；
鋁合金基體粉末各組成成分的質(zhì)量百分比如下：
銅為4.8％、硅為1.2％、鎂為0.8％、錳為0.9％、鐵為0.7％、鋁為91.6％；
玄武巖纖維直徑為13微米，長1毫米，線密度400特，含水率0.02％，斷裂強(qiáng)度0.53牛/特；納米陶瓷顆粒為納米碳化硅和三氧化二鋁按照質(zhì)量比1:1混雜，平均粒度為50nm，純度為99.9％；
具體制備步驟如下：
1)混料
采用的jh2d-6型三維搖滾式混料機(jī)進(jìn)行球磨混料，球料比為8:1，將原料為鋁合金基體粉末、玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒通過乙醇輔助分散，機(jī)械球磨時(shí)加入1.0wt.％硬脂酸(pca)作為過程控制劑，混料時(shí)間為8小時(shí)；
2)冷壓成型
在制備鋁合金復(fù)合材料粉末后，對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓，冷壓壓強(qiáng)10兆帕，保壓時(shí)間15分鐘，壓制成圓柱型坯料；
3)熱壓燒結(jié)
采用真空熱壓燒結(jié)爐對(duì)圓柱型坯料進(jìn)行燒結(jié)，其燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度520攝氏度，保溫30分鐘，單軸加壓45兆帕，保壓時(shí)間為15分鐘；
4)中溫?cái)D壓
將燒結(jié)制得的復(fù)合燒結(jié)材料放入擠壓模具，420攝氏度進(jìn)行擠壓，擠壓比為16：1；
5)熱處理工藝
固溶溫度為504攝氏度，固溶設(shè)備為高溫烘箱(hoc-dh30d)，控溫精度±1攝氏度，保溫時(shí)間為2小時(shí)，隨后進(jìn)行水冷淬火，自然時(shí)效停放80小時(shí)。
實(shí)施案例二：具體如下所示。
分別選取原料，所述的玄武巖纖維各組成成分質(zhì)量百分比如下：
鋁合金基體粉末92％、玄武巖纖維7％和納米陶瓷顆粒1％；
鋁合金基體粉末各組成成分的質(zhì)量百分比如下：
銅為4.8％、硅為1.2％、鎂為0.8％、錳為0.9％、鐵為0.7％、鋁為91.6％；
玄武巖纖維直徑為13微米，長2毫米，線密度400特，含水率0.02％，斷裂強(qiáng)度0.53牛/特；納米陶瓷顆粒為納米碳化硅，平均粒度為40nm，純度為99.9％；
具體制備步驟如下：
1)混料
采用的jh2d-6型三維搖滾式混料機(jī)進(jìn)行球磨混料，球料比為8:1，將原料為鋁合金基體粉末、玄武巖纖維和納米陶瓷顆粒通過乙醇輔助分散，機(jī)械球磨時(shí)加入1.0wt.％硬脂酸(pca)作為過程控制劑，混料時(shí)間為6小時(shí)；
2)冷壓成型
在制備鋁合金復(fù)合材料粉末后，對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓，冷壓壓強(qiáng)12兆帕，保壓時(shí)間10分鐘，壓制成圓柱型坯料；
3)熱壓燒結(jié)
采用真空熱壓燒結(jié)爐對(duì)圓柱型坯料進(jìn)行燒結(jié)，其燒結(jié)工藝，燒結(jié)溫度530攝氏度，保溫30分鐘，單軸加壓40兆帕，保壓時(shí)間為12分鐘；
4)中溫?cái)D壓
將燒結(jié)制得的復(fù)合燒結(jié)材料放入擠壓模具，420攝氏度進(jìn)行擠壓，擠壓比為16：1；
5)熱處理工藝
固溶溫度為502攝氏度，固溶設(shè)備為高溫烘箱(hoc-dh30d)，控溫精度±1攝氏度，保溫時(shí)間為2小時(shí)，隨后進(jìn)行水冷淬火，自然時(shí)效停放84小時(shí)。