一種高強耐熱Al-Cu系鋁合金及其制備方法技術

一種高強耐熱Al?Cu系鋁合金及其制備方法，所述高強耐熱Al?Cu系鋁合金由以下成分及質量百分比組成：Cu?2.6～2.9%，Mg?1.3～1.5%，Fe?0.9～1.2%，Si?0.5～0.8%，Li?0.3～0.5%，Zr?0.02～0.03%，B?0.004～0.006%，RE?0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%。本發明專利技術Al?Zn?Mg系鋁合金具有強度高、耐熱性好以及生產成本低的優點，適合于制造深井、超深井等油氣礦產資源勘探用鋁合金鉆桿，也可用于制造發動機汽缸、活塞、渦輪壓縮機葉片盤、壓力容器等，具有廣闊的市場應用前景。

A kind of high strength heat-resistant Al Cu Aluminum Alloy and preparation method thereof

A kind of high strength heat-resistant Al Cu Aluminum Alloy and a preparation method thereof, wherein the Al Cu system with high strength and heat resistance Aluminum Alloy consists of the following components and mass percentage composition: Cu 2.6 ~ 2.9%, 1.3 ~ 1.5% Mg, Fe 0.9 ~ 1.2%, 0.5 ~ 0.8% Si, Li 0.3 ~ 0.5%, Zr 0.02 ~ 0.03%, 0.004 ~ 0.006% B, Re 0.01 ~ 0.03%, Mn = 0.1%, Zn = 0.1%, the remainder being Al and unavoidable impurities, the single impurity is less than 0.05%, the total amount of less than 0.15%. The invention of Al Zn Mg Aluminum Alloy has high strength, good heat resistance and low production cost advantages, suitable for use in mineral resources exploration Aluminum Alloy drill pipe manufacturing deep and ultra deep oil and gas, but also can be used in the manufacture of engine cylinder, piston, turbine compressor blade disc, pressure vessel and so on, has the broad market application prospect.

【技術實現步驟摘要】
一種高強耐熱Al-Cu系鋁合金及其制備方法
本專利技術屬于鋁合金
，具體是涉及一種高強耐熱Al-Cu系鋁合金及其制備方法。
技術介紹
鉆桿是油氣礦產資源勘探的主要工具，承載傳遞動力和輸送泥沙泥漿的重任，其重量占到整個勘探裝備的80%以上。隨著我國油氣礦產資源勘探事業的發展，深井、超深井和水平井的數量不斷增多，勘探開發難度越來越大。現有的鋼制鉆桿雖有強度高的優點，但其重量也大，限制了鉆探深度，運輸也困難。鋁合金鉆桿具有重量輕、比強度高、耐腐蝕和抗疲勞性能好等優點，可以減輕鉆機的負荷，提高鉆探深度、鉆探速度和鉆探效率，也便于鉆探裝備的遠距離運輸，是解決深井、超深井、定向井、水平井、酸性氣井等深山深海油氣礦產資源勘探問題的重要裝備。鋁合金鉆桿的研究起源于上世紀60年代，經過50多年的發展，鋁合金鉆桿技術的研究和應用已成為世界上油氣礦產資源勘探的一個熱點。2011年，俄羅斯ExxonNeftegas公司采用鋁合金鉆桿僅用60天就完成了長達11475米水平井的鉆探。目前，鋁合金鉆桿的最大鉆井深度已超過12000米。我國在2009年引進了一批俄羅斯阿克瓦基公司的高強度鋁合金鉆桿并成功下井使用。對于鋁合金鉆桿而言，由于深井、超深井等的特定服役工況，要求其必須具有高的強度和熱穩定性。目前普遍使用的鋁合金鉆桿材料多為Al-Cu系鋁合金，但對于深井和超深井的鉆探而言，現有的Al-Cu系鋁合金鉆桿仍存在強度和熱穩定性不足的問題，另外，現有的Al-Cu系鋁合金中Cu含量普遍較高，并添加了Ni、Ag等價格昂貴的合金元素，導致鋁合金鉆桿的生產成本也較高。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種強度高、熱穩定性好、生產成本低的高強耐熱Al-Cu系鋁合金及其制備方法。本專利技術的技術方案是這樣實現的：本專利技術所述的高強耐熱Al-Cu系鋁合金，其特點是由以下成分及質量百分比組成：Cu2.6～2.9%，Mg1.3～1.5%，Fe0.9～1.2%，Si0.5～0.8%，Li0.3～0.5%，Zr0.02～0.03%，B0.004～0.006%，Re0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%。優選的，本專利技術所述的高強耐熱Al-Cu系鋁合金，由以下成分及質量百分比組成：Cu2.8%，Mg1.4%，Fe1.1%，Si0.7%，Li0.4%，Zr0.025%，B0.005%，Re0.02%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%。其中，所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr16.4%，Nd19.3%，Pm11.5%，Sm23.6%，Eu12.9%，Gd16.3%。本專利技術所述的高強耐熱Al-Cu系鋁合金的制備方法，其特點是包括以下步驟：第一步：選用工業純鋁錠、純鎂錠、電解銅、速溶硅、Al20Fe合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作為原材料；第二步：將鋁錠在700～740℃加熱熔化，并加入占原材料總重量為2.6～2.9%的電解銅、1.3～1.5%的鎂錠、0.5～0.8%的速溶硅、4.0～5.5%的Al20Fe合金和1.5～2.5%的Al20Li合金，攪拌熔化成鋁合金液；第三步：對鋁合金液精煉除氣除渣后，再加入占原材料總重量為0.4～0.6%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土Re，攪拌使鋁合金液的成分均勻；第四步：將鋁合金液降溫至680～720℃并靜置0.5～1小時，然后鑄造成鋁合金；第五步：將鋁合金在520～530℃固溶處理1～3小時，水淬后，在145～165℃時效處理12～18小時，隨爐冷卻后得到高強耐熱Al-Cu系鋁合金。本專利技術與現有技術相比，具有以下優點：本專利技術Al-Cu系鋁合金的室溫抗拉強度大于550MPa，屈服強度大于500MPa，伸長率大于9%，在200℃下熱暴露500小時后的室溫抗拉強度大于510MPa，屈服強度大于475MPa，伸長率大于8%，具有強度高、熱穩定性好和生產成本低的優點，適合于制造深井、超深井等油氣礦產資源勘探用鋁合金鉆桿，也可用于制造發動機汽缸、活塞、渦輪壓縮機葉片盤、壓力容器等，具有廣闊的市場應用前景。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本專利技術作進一步的詳細說明。本專利技術所述的高強耐熱Al-Cu系鋁合金，由以下成分及質量百分比組成：Cu2.6～2.9%，Mg1.3～1.5%，Fe0.9～1.2%，Si0.5～0.8%，Li0.3～0.5%，Zr0.02～0.03%，B0.004～0.006%，Re0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%。優選的，所述高強耐熱Al-Cu系鋁合金的成分組成及質量百分比為：Cu2.8%，Mg1.4%，Fe1.1%，Si0.7%，Li0.4%，Zr0.025%，B0.005%，Re0.02%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%。其中，所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr16.4%，Nd19.3%，Pm11.5%，Sm23.6%，Eu12.9%，Gd16.3%。Cu和Mg是本專利技術Al-Cu系鋁合金的主要合金元素，Cu和Mg除了具有固溶強化作用外，還可形成時效強化效果極為明顯的CuAl2和Mg2Si相以及熱穩定性極好的Al2CuMg、Al2CuLi等過剩相，增強鋁合金的強度和耐熱性。Cu、Mg含量越高，鋁合金的強度越高，耐熱性越好，但Cu的價格較貴，Cu含量太高會增加鋁合金的生產成本，因此，Cu含量選擇在2.6～2.9%，Mg含量選擇在1.3～1.5%，優選的，Cu含量為2.8%，Mg含量為1.4%。Fe在Al-Cu系鋁合金可形成熱穩定性較好的Al3Fe、Al2FeSi、FeSiAl3、Fe2SiAl8等過剩相，增強鋁合金的耐熱性能。Fe含量越高，過剩相的數量也越多，鋁合金的耐熱性越好。Fe的價格便宜，并且工業純鋁錠中一般都含有0.1%的Fe。但Fe含量太高也會降低鋁合金的塑性、抗應力腐蝕性能和疲勞性能。因此，Fe含量選擇在0.9～1.2%，優選的，Fe含量為1.1%。Li在鋁合金時效過程會還析出納米尺寸且熱力學穩定的Al3Li、Al2MgLi、Al2CuLi等強化相，釘扎位錯、亞晶及晶界，抑制合金再結晶，提高鋁合金的強度和耐熱性能。添加0.3～0.5%的Li即可對鋁合金產生顯著的強化效果，優選的，Li添加量為0.4%。Zr、B是以Al5Zr1B合金的形式加入到鋁合金中，Al5Zr1B合金是由氟鋯酸鉀和氟硼酸鉀的混合物與鋁液反應得到，內部含有大量的ZrB2粒子。Al5Zr1B合金是一種新型的鋁合金晶粒細化劑，專利技術人的大量實驗證明，Al5Zr1B合金比現有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更強的晶粒細化能力，添加0.4～0.6%的Al5Zr1B合金，鋁合金中含有0.02～0.03%的Zr和0.004～0.006%的B，可顯著細化鋁合金的晶粒，改善鋁合金的組織均勻性，提高鋁合金的塑性變形能力，優選的，Al5Zr1B合金本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高強耐熱Al?Cu系鋁合金，其特征在于由以下成分及質量百分比組成：Cu?2.6～2.9%，Mg?1.3～1.5%，Fe?0.9～1.2%，Si?0.5～0.8%，Li?0.3～0.5%，Zr?0.02～0.03%，B?0.004～0.006%，Re?0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn?≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr?16.4%，Nd?19.3%，Pm?11.5%，Sm?23.6%，Eu?12.9%，Gd?16.3%。

【技術特征摘要】
1.一種高強耐熱Al-Cu系鋁合金，其特征在于由以下成分及質量百分比組成：Cu2.6～2.9%，Mg1.3～1.5%，Fe0.9～1.2%，Si0.5～0.8%，Li0.3～0.5%，Zr0.02～0.03%，B0.004～0.006%，Re0.01～0.03%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr16.4%，Nd19.3%，Pm11.5%，Sm23.6%，Eu12.9%，Gd16.3%。2.根據權利要求1所述的高強耐熱Al-Cu系鋁合金，其特征在于由以下成分及質量百分比組成：Cu2.8%，Mg1.4%，Fe1.1%，Si0.7%，Li0.4%，Zr0.025%，B0.005%，Re0.02%，Mn≤0.1%，Zn≤0.1%，余量為Al和不可避免的雜質，雜質單個≤0.05%，總量≤0.15%，其中所述Re的成分組成及質量百分比為：Pr16.4%，Nd19.3%，Pm11....

【專利技術屬性】
技術研發人員：王順成，甘春雷，楊虹，李繼林，鄭開宏，
申請(專利權)人：廣東省材料與加工研究所，
類型：發明
國別省市：廣東,44