本發明屬于金屬材料表面強化
技術領域：
，涉及一種具有仿生表面的鋁合金、具有高強韌性仿生耐磨表層的鋁合金鉆桿。
背景技術：
：在石油鉆井過程中，鉆桿的主要用途是將鉆探泥漿運送到鉆頭，并與鉆頭提起提高、降低或旋轉底孔裝置。鉆桿必須能夠承受巨大的內外壓、扭曲、彎曲和振動。與普通鋼制鉆桿比，鋁合金鉆桿的密度低、比強度高、耐蝕性能好等優勢從而使其應用越來越廣泛。但是鋁合金鉆桿硬度低，在鉆進的過程中，井壁、套管、及鉆井液中的重晶石、鐵礦粉等均會導致鋁合金鉆桿的磨損減薄。其中鉆桿與套管和井壁的磨損占主要方面，這大大限制了其應用推廣。目前常用的鋁合金表面強化方法主要有陽極氧化法、微弧氧化、CVD、PVD等，可獲得較高的強化層。這種整體強化的方法不僅容易對套管產生減薄，而且基體的強度低，在受到稍大載荷時，強化層與基體之間應變不協調易產生開裂、脫落等。技術實現要素：本發明要解決的一個技術問題是提供一種表面硬度高、耐磨性好的具有仿生耦合表面的鋁合金。為了解決上述技術問題，本發明的具有仿生耦合表面的鋁合金，其特征在于所述鋁合金為7000系列鋁合金，其母體表面加工有仿生單元體，仿生單元體的維氏硬度為140HV25/10-190HV25/10，晶粒為胞狀晶和柱狀晶，晶粒尺寸平均值為5-30微米。上述具有仿生耦合表面的鋁合金的制備方法如下：采用激光熔凝的方法，將激光光束在鋁合金表面進行掃描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生單元體；所述激光熔凝方法采用激光器功率為300W，離焦量11mm，激光頻率為5HZ，激光電流120-175mA，激光脈寬為3-8ms，激光掃描速度為0.5-1mm/s的激光光束。所述激光電流優選為175mA，激光脈寬為3ms，激光掃描速度優選為0.8mm/s的激光光束。為了解決上述技術問題，本發明的具有仿生耦合表面的鋁合金，其特征在于所述鋁合金為6000系列鋁合金，其母體表面加工有仿生單元體，仿生單元體的維氏硬度為130HV25/10-175HV25/10晶粒為胞狀晶和柱狀晶，晶粒尺寸平均值為5～30微米形式。上述具有仿生耦合表面的鋁合金的制備方法如下：采用激光熔凝的方法，將激光光束在鋁合金表面進行掃描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生單元體；所述激光熔凝方法采用激光器功率為300W，離焦量11mm，激光頻率為5HZ，激光電流120-170mA，激光脈寬為3-7ms，激光掃描速度為0.5-1mm/s的激光光束。所述激光電流優選為170mA，激光脈寬為7ms，激光掃描速度優選為0.6mm/s的激光光束。本發明利用仿生原理，采用激光熔凝的方法，在鋁合金表面制備均勻分布、晶粒組織細化的條狀或網格狀等仿生單元體。仿生單元體與母體能夠形成了軟硬相間的仿生物體結構。細化后的仿生單元體不僅使得其硬度升高而且如同在鋁合金表面加了樁釘般的耐磨保護層，母體材料將仿生單元體包圍連成一體，使其表面的應力分布更加均勻，這兩種綜合作用使鋁合金的硬度及抗磨損性能及強韌性能均得到顯著提升。與現有技術中在金屬材料表面制作仿生單元體相比，本發明是在7000系和6000系鋁合金表面制備仿生單元體，由于鋁合金與其他金屬材料在成分、組織、性能方面完全不同，不能將處理其他金屬材料的方法直接用于鋁合金。在利用激光熔凝方法制備仿生單元體過程中，若有一項激光參數選擇不當，也會導致實驗失敗。例如發明人曾選擇離焦量分別為10mm、11mm、12mm、13mm、14mm等數值，并在各離焦量數值條件下改變其他參數進行實驗,最終確定選擇離焦量為11mm。經過近1年時間內的實驗，反復調整參數，最終確定了最佳激光參數范圍，使得7075鋁合金仿生單元體的維氏硬度達到了140HV25/10-190HV25/10，晶粒尺寸平均值達到了5-30微米。本發明要解決的第二個問題是提供一種具有仿生耦合表面的鋁合金鉆桿，該鉆桿具有高強韌性仿生耐磨表層，與普通鋁合金鉆桿相比，其硬度、耐磨性能及使用壽命均得到了有效提高。為了解決上述問題，本發明的具有仿生耦合表面的鋁合金鉆桿可以采用下述四種技術方案。技術方案一：所述鋁合金鉆桿表面制備有螺線仿生單元體，螺線仿生單元體仿生寬度為a1,a1＝1.33-1.66mm；深度為b1，b1＝0.3-0.53mm，傾斜角度為θ1，θ1＝50°-60°，相鄰螺線仿生單元體之間的垂直距離為h1,h1＝3.5-6.0mm。上述表面制備有螺線仿生單元體的鋁合金鉆桿，其仿生單元體硬度可達到140HV25/10-190HV25/10高于鉆桿母體硬度30％-70％；屈服強度可達到582MPa～630.5MPa，高于鉆桿母體20％-30％；斷裂延伸率可達15％-20％，高于鉆桿基體10％-60％；使用壽命提高了1.3倍左右。該鋁合金鉆桿特別適合于松散土，松散巖石及接近地表的鉆探。技術方案二：所述鋁合金鉆桿表面制備有螺線仿生單元體，螺線仿生單元體仿生寬度為a1,a1＝1.33-1.66mm；深度為b1，b1＝0.3-0.53mm，傾斜角度為θ1，θ1＝35°-50°，相鄰螺線仿生單元體之間的垂,直距離為h1,h1＝3.5-6.0mm。上述表面制備有螺線仿生單元體的鋁合金鉆桿，其仿生單元體硬度可達到140HV25/10-190HV25/10，高于鉆桿母體硬度30％-70％屈服強度可達到582MPa～630.5MPa，高于鉆桿母體20％-30％；斷裂延伸率可達15％-20％，高于鉆桿基體10％-60％；使用壽命提高了1.4倍左右。該鋁合金鉆桿特別適合于砂巖，頁巖等沉積巖及位于鉆桿中部位置的鉆探。技術方案三：所述鋁合金鉆桿表面制備有網格狀仿生單元體，網格狀仿生單元體由相互交叉的A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體構成，A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體的條紋寬度為a1,a1＝1.33-1.66mm；深度為b1，b1＝0.3-0.53mm；A螺線仿生單元體傾斜角度為θ1，θ1＝50°-57°，A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體之間的夾角為θ2，θ2＝30°-60°；相鄰A螺線仿生單元體之間的中心距和相鄰B螺線仿生單元體之間的中心距均為h2，h2＝3.5-6.0mm。上述表面制備有網格狀仿生單元體的鋁合金鉆桿，其仿生單元體硬度可達到140HV25/10-190HV25/10高于鉆桿母體硬度30％-70％；屈服強度可達到582MPa-630.5MPa，高于鉆桿母體20％-30％；斷裂延伸率可達15％-20％高于鉆桿基體10％-60％；使用壽命提高了1.5倍左右。該鋁合金鉆桿特別適合于大理石、卵石等稍硬變質巖及位于鉆桿中部偏下位置的鉆探。技術方案四：所述鋁合金鉆桿表面制備有網格狀仿生單元體，網格狀仿生單元體由相互交叉的A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體構成，A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體的條紋寬度為a1,a1＝1.33-1.66mm；深度為b1，b1＝0.3-0.53mm；A螺線仿生單元體傾斜角度為θ1，θ1＝40°-50°，A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體之間的夾角為θ2，θ2＝30°-60°；相鄰A螺線仿生單元體之間的中心距和相鄰B螺線仿生單元體之間的中心距均為h2，h2＝3.5-6.0mm。上述表面制備有網格狀仿生單元體的7075鋁合金鉆桿，其仿生單元體硬度可達到140HV25/10-190HV25/10，高于鉆桿母體硬度30％-70％；屈服強度可達到582MPa-630.5MPa，高于鉆桿母體20％-30％；斷裂延伸率可達15％-20％高于鉆桿基體10％-60％；使用壽命提高了1.6倍左右。該鋁合金鉆桿特別適合于花崗巖、玄武巖等巖漿巖及位于鉆桿底部位置的鉆探。上述四種鋁合金鉆桿適用于不同地層鉆探，實際應用時可根據不同地域地層特點進行組合。例如對于某地域地層由淺及深依次為松散泥土層、沉積巖石層、變質巖石層、巖漿巖石層，可先用第四種鋁合金鉆桿鉆探，待該鉆桿進入地層后，將第三種鋁合金鉆桿與第四種鋁合金鉆桿連接固定，繼續向下鉆探；直至四種鋁合金鉆桿全部連接固定，一起進行工作。本發明采用了激光表面處理這種應用比較廣泛，更為靈活經濟可靠的方法來處理鋁合金鉆桿表面，提高了耐磨性的同時使得其強韌性也得到有效提升。本發明在鋁合金鉆桿表面制備晶粒組織細化、硬度高于母體的仿生單元體。考慮到鉆桿所處的地層位置及鉆磨時間，所以設計了螺線仿生單元體和網絡狀仿生單元體，并通過改變仿生單元體的間距和傾斜角度來滿足需求。本發明使得鋁合金鉆桿表面的硬度、耐磨損性能及強韌性均得到顯著提升。本發明與傳統的強化方法相比操作簡單，生產效率高，易于實現自動化，易于推廣應用。上述具有仿生耦合表面的鋁合金鉆桿的制備方法，包括下述步驟：步驟一：對鋁合金鉆桿表面進行預磨處理以及表面清理；步驟二：采用激光熔凝的方法，將激光光束在鋁合金鉆桿表面沿設定的軌跡進行掃描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成均勻分布、晶粒組織細化的仿生單元體。所述鋁合金鉆桿為7000系列鋁合金，激光熔凝方法采用激光器功率為300W，離焦量11mm，激光頻率為5HZ，激光電流120-175mA，激光脈寬為3-8ms，激光掃描速度為0.5-1mm/s的激光光束。所述鋁合金鉆桿為6000系列鋁合金，激光熔凝方法采用激光器功率為300W，離焦量11mm，激光頻率為5HZ，激光電流120-170mA，激光脈寬為3-7ms，激光掃描速度為0.5-1mm/s的激光光束。鋁合金鉆桿由于本身硬度較低，在使用過程中經常發生磨損減薄使其使用壽命大大降低，其中與井壁和套管的磨損占主要方面。為了一方面提高鋁合金鉆桿的表面硬度及耐磨性，另一方面又不會因硬度過高對套管產生減磨，本發明受自然界中一些優異生物結構的啟發以及前人做過的一些成功經驗，結合仿生理論，采用激光熔凝的方法，在鋁合金表面制備一種具有高強韌性，高耐磨性的軟硬相間的結構。本發明在鋁合金鉆桿表面制備的仿生單元體與其表面形成了軟硬相間的仿生物體結構的仿生耦合區域。細化后的仿生單元體不僅使得其硬度升高，而且單元體如同在鉆桿表面加了堤壩可以阻礙套管的碾壓，在鉆桿表面形成了一層耐磨保護層。而且母體材料將單元體包圍連成一體，使其表面的應力分布更加均勻，這兩種綜合作用使鋁合金鉆桿的硬度及抗磨損性能均得到顯著提升，延長了其使用壽命。本發明在提高鋁合金鉆桿的表面硬度及耐磨性的同時還設計了多種形狀模型更好的與套管匹配，并且制備工藝簡單，易于推廣應用。附圖說明下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明：圖1a是螺線仿生單元體以單一尺寸存在的鋁合金鉆桿的整體外觀圖，圖1b是螺線仿生單元體以單一尺寸存在的鋁合金鉆桿的主視圖，圖1c是圖1b的展開圖，圖1d是圖1b中鉆桿的剖面圖，圖1e是圖1d的I處局部放大圖。圖2a是網絡狀單元體以單一尺寸存在的鋁合金鉆桿的整體外觀圖，圖2b是圖2a的展開圖，圖2c是圖2a中鉆桿的剖面圖，圖2d是圖2c的J處局部放大圖。圖3是鉆桿在地層中使用的整體分布圖。具體實施方式生物進化了近幾十億萬年，在漫長的生物進化中，生物不斷的優化結構、形態、組織形成最優系統以適應環境的變化。傳統的觀點認為越光滑，耐磨損性能會越好，隨著仿生耐磨材料的不斷發展，發現并非越是光滑越好。通過對蜣螂頭部、背板、鞘翅形態進行觀察比較，發現這些動物的體表具有明顯的耐磨效果，為了逼近生物原型以及加工的簡便性，研究者將生物體表簡化為凸包、凹坑、波紋等幾種簡單的形狀。它們的體表之所以具有優異的性能，主要體現在其體表形態、材料、結構、柔性等多個耦元相互作用的結果。它們的優勢主要表現在：1、它們的體表所形成的結構都是一種軟硬相間的一種狀態；2、在它們的體表中硬質單元的分布狀態并不是相同的；3、硬質單元的相對高硬度均來自其與軟質單元的組成材料或組織結構差別。這種形態、結構和組成材料的有機結合使得生物體具有優異的力學性能和抗磨損性能。本發明根據仿生理論，采用激光熔凝的方法，通過在鋁合金鉆桿表面制備不同形貌的仿生單元體來獲得不同的硬度，以更好的滿足鉆桿具體的鉆磨時間和所處的環境。所獲得的單元體，類似于生物體表的硬質單元，晶粒組織明顯細化且硬度、機械性能均優于基體。而且隨著模型的不同，所獲得的晶粒細化程度及硬度不同，靈活性高。如圖3所示，地層一般由淺及深依次松散泥土層、沉積巖石層、變質巖石層、巖漿巖石層。針對松散泥土層，本發明在鋁合金鉆桿11表面制備螺線仿生單元體12，螺線仿生單元體12寬度為a1,a1＝1.3-1.5mm；深度為b1，b1＝0.2-0.6mm，傾斜角度為θ1，θ1＝50°-60°，相鄰螺線仿生單元體之間的垂直距離為h1,h1＝5-6mm。針對沉積巖石層，本發明在鋁合金鉆桿11表面制備有螺線仿生單元體12，螺線仿生單元體寬度為a1,a1＝1.3-1.5mm；深度為b1，b1＝0.2-0.6mm，傾斜角度為θ1，θ1＝35°-50°，相鄰螺線仿生單元體之間的垂直距離為h1,h1＝3.5-5mm。針對變質巖石層，本發明在鋁合金鉆桿21表面制備有網格狀仿生單元體，網格狀仿生單元體由相互交叉的A螺線仿生單元體22和B螺線仿生單元體23構成，A螺線仿生單元體22和B螺線仿生單元體23的條紋寬度為a1,a1＝1.3-1.5mm；深度為b1，b1＝0.2-0.6mm；A螺線仿生單元體22傾斜角度為θ1，θ1＝50°-57°，A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體之間的夾角為θ2，θ2＝30°-60°；相鄰A螺線仿生單元體之間的中心距和相鄰B螺線仿生單元體之間的中心距均為h2，h2＝5-5.8mm。針對巖漿巖石層，本發明在鋁合金鉆桿表面制備有網格狀仿生單元體，網格狀仿生單元體由相互交叉的A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體構成，A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體的條紋寬度為a1,a1＝1.3-1.5mm；深度為b1，b1＝0.2-0.6mm；A螺線仿生單元體傾斜角度為θ1，θ1＝40°-50°，A螺線仿生單元體和B螺線仿生單元體之間的夾角為θ2，θ2＝30°-60°；相鄰A螺線仿生單元體之間的中心距和相鄰B螺線仿生單元體之間的中心距均為h2，h2＝3.8-5mm。實施例1以7075鋁合金鉆桿為例，7075鋁合金的表面硬度110.3HV25/10(采用25千克力，保持10秒得到的硬度值)，屈服強度485MPa，斷裂延伸率14％，耐磨性。7075鋁合金鉆桿表面制備仿生單元體后性能見表1，使用激光參數見表2。表1表2試樣編號離焦量/mm電流/mA脈寬/ms掃描速度/mm/s頻率/HZ11112030.8521113051531114550.6541114030.6551116550.8561117070.6571114570.5581113580.6591117530.8510111505151111165715121116060.55實施例2以6082鋁合金鉆桿為例，6082鋁合金的表面硬度103.5HV25/10，屈服強度330MPa，斷裂延伸率17％。6082鋁合金鉆桿表面制備仿生單元體后性能見表3，使用激光參數見表4，其中耐磨性提高倍數是做實驗中根據失重量，還有磨損形貌綜合得來的；使用壽命提高倍數是綜合硬度，拉伸數據，還有耐磨性得來)。表3表4當前第1頁1 2 3