玄武巖纖維增強鋁基復合鉆桿材料的制備研究

熊洪威，馬銀龍*，張 帥，劉 祥，孫志剛，羅朝椿

（1.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026；2.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林長春130026）

0 引言

20 世紀60 年代瑞典的克芮留斯公司成功研制了鋁合金鉆桿，蘇聯(lián)于1962 年開始在石油勘探中使用鋁合金鉆桿，并施工了12262 m 深的世界第一深鉆SG-3 井，獲得了巨大的經(jīng)濟和社會效益［1-2］。鋁合金鉆桿具有質量輕、比強度高、鉆進深度大、所需能耗小等優(yōu)點，在深井、超深井及水平井鉆井中具有廣闊的應用前景［1-5］。國土資源部“三深一土”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略中提出了“顯著提升6500～10000 m 深的油氣勘查技術能力及實施萬米科學鉆探計劃”。但是目前國內所急需的大量的高性能鉆桿幾乎完全依賴進口［3］。同時由于鋁合金鉆桿具有硬度低、耐磨性差和高溫服役性不足等問題，制約了其在油氣勘探和深井中的應用［2-5］。國產(chǎn)鋁合金鉆桿在“松科二井”現(xiàn)場試驗后可見明顯局部磨損和腐蝕［6］。而顆粒和纖維增強型鋁基復合材料具有高強度、優(yōu)秀的高溫性能和良好的耐磨性等優(yōu)點［7-9］，因此，探索開發(fā)高性能適用于鉆井工程的鋁基復合鉆桿材料勢在必行，該材料也將對設計制造出輕質高強鋁合金鉆桿提供理論借鑒。

國內相關部門已逐漸認識到鋁合金鉆桿的優(yōu)越性，并積極開展相關應用和研究，形成一系列產(chǎn)品［2］（見表1）。塔里木油田曾從俄羅斯進口鋁合金鉆桿用于油氣勘探鉆進。中國地質科學院勘探技術研究所已初步形成鋁合金鉆桿系列，并進行了相應的野外生產(chǎn)試驗，取得了可喜的效果［1-3］。吉林大學復雜條件課題組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鍵技術，試制的鋁合金鉆桿在陸地油氣定向井中進行了鉆進試驗［10-11］。但是，目前國內研究人員主要對鋁合金鉆桿的制造及應用的關鍵技術進行研究，針對鋁合金鉆桿材料本身的相關研究相對較少。目前，鋁合金鉆桿體采用的合金體系主要有成分為Al-Cu-Mg 的2 系鋁合金、成分為Al-Zn-Mg-Cu 的7 系鋁合金和成分為Al-Cu-Mg-Fe-Ni 的2 系鋁合金［12-14］。7 系合金在時效過程中析出的MgZn2和Al2Zn3Mg3使該合金具有很強的時效強化效應，此 外Al2CuMg 可 提 高 強度 和 重復 加 載 抗力［15］，因此，7 系鋁合金在強度、硬度和抗疲勞方面更滿足鉆井工況要求。

玄武巖纖維（Basalt Fiber，以下簡稱BF）是以天然玄武巖礦石作為原料，將其破碎后加入熔窯中，在l500～l700 ℃熔融后［16］，通過拉制而成的一種新型高性能綠色環(huán)保無機材料。BF 具有穩(wěn)定性好、電絕緣、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優(yōu)異性能，目前已在纖維增強復合材料、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領域等多個方面得到了廣泛的應用［17-19］。BF 突出的力學性能、耐高溫性能、抗腐蝕、低密度及低成本，特別適合作為制造高強、耐溫、抗腐、輕質的鉆桿材料。將取之于火成巖的玄武巖纖維用于地下巖層鉆進用的鉆桿材料研制，實現(xiàn)“取之于巖，用之于巖”。

鋁合金鉆桿在鉆井工程中，要承受較高溫度、巨大的井下應力、扭轉振動和堿性的泥漿環(huán)境，其本身硬度和強度較低，難以適應井下的復雜工況，尤其在堿性鉆井液中鋁合金鉆桿受腐蝕和磨損嚴重，具有很大的安全隱患［20-22］。根據(jù)作者對于玄武巖纖維增強鋁基復合材料耐腐蝕性能的研究，添加玄武巖纖維后，復合材料的耐腐蝕性能也得到顯著提升［23］。因此，本文嘗試將玄武巖纖維作為增強體，7075 鋁合金作為基體，采用粉末冶金方法制備一種耐磨性和耐腐蝕性能優(yōu)良的鋁基復合材料，為新型輕質高強鋁合金鉆桿材料設計提供參考。

表1 中國部分鋁合金鉆桿研發(fā)規(guī)格系列Table 1 Specification series of the aluminum alloy drill pipes developed in China

1 試驗材料和方法

1.1 原料

鋁合金鉆桿的彎曲應力和單位長度質量都遠小于鋼鉆桿，其更適合在超深井、大位移井鉆探中應用。目前常見的鋁合金鉆桿牌號為2024 和7075兩種，由于7075 的強度高、耐腐蝕效果強和抗疲勞方面更符合超深井鉆探需求，同時7075 鋁合金是一種高強度的鍛壓合金，可以通過熱處理提升強度和硬度等機械性能，因此選擇7075 鋁合金作為基體合金。實驗選用7075 鋁合金粉（標稱成分見表2），純度為99.9%，平均粒度為5 μm。以玄武巖纖維作為增強體，實驗選用單絲平均直徑為13 μm 的玄武巖纖維無捻粗紗（化學成分見表3）。

表2 7075 鋁合金的標稱成分Table 2 Nominal composition of 7075 aluminum alloy

表3 玄武巖纖維的化學成分Table 3 Average chemical composition of basalt fibers

1.2 玄武巖短纖維的制備

由于長玄武巖纖維在混料過程中容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，難以均勻分散在鋁基體中，無法起到彌散強化的作用，需要將玄武巖纖維制成短纖維。首先將玄武巖纖維短切至長度為2～3 mm，再將其進行機械球磨粉碎。球磨工藝參數(shù)為：使用乙醇作為助磨劑進行濕磨，球料比為4∶1，球磨轉速為150 r/min，球磨時間為2 h。然后將球磨完的纖維烘干，再通過240 目的標準篩進行篩分，從而獲得長度為60 μm 左右相對均勻的玄武巖短纖維。

1.3 混料燒結和熱處理工藝

制備了4 組玄武巖短纖維質量分數(shù)分別為0.0%、0.2%、0.6%和1.0%的復合材料，以下簡稱為7075-xBF（x=0、0.2、0.6 和1.0）。為了避免玄武巖短纖維在鋁基體中團聚，玄武巖纖維增強鋁基復合材料的制備過程如圖1 所示。在混料過程中采用“超聲波預分散+溶劑輔助預分散+機械球磨”相結合的混料方法，增加玄武巖纖維在基體中的分散均勻度，從而減弱團聚的現(xiàn)象。

具體混料過程為：首先將玄武巖短纖維置于無水乙醇中通過超聲波預分散30 min，再與7075 鋁合金粉末配制成混合溶液，進行電磁攪拌50 min，攪拌完成后用真空泵進行抽濾，然后置于65 °C 條件下的真空烘箱中保溫干燥10 h，真空條件降溫至室溫后取出，采用公轉速度為50 r/min、自轉速度為100r/min 和球料比為1∶6 的機械球磨參數(shù)混合3 h，最終獲得干燥的混合預燒結合金粉料。

預燒結合金粉末利用石墨模具進行組裝，采用真空熱壓燒結爐進行燒結成型。燒結工藝參數(shù)：燒結溫度為580 °C，燒結壓力為30 MPa，保溫時間15 min。

根據(jù)7075 鋁合金的熱處理工藝規(guī)范，對復合材料采用T6 熱處理，首先采用470° C、2 h 固溶處理，之后采用120 °C、24 h 人工時效處理。

圖1 玄武巖纖維/7075 鋁基復合材料的制備過程Fig.1 Preparation process of the basalt fiber/7075 aluminum composite

1.4 試驗方法

對所燒結的復合材料試樣均采用排水法測量了其密度，采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-IT500A）觀察了復合材料的微觀組織，采用顯微維氏硬度計分別測量了熱處理前后試樣的顯微硬度。

2 微觀組織和性能

2.1 微觀組織

圖2 為7075-1.0BF 樣品的燒結態(tài)和T6 熱處理后在光鏡下的微觀組織圖，可以看出玄武巖短纖維在基體中分散較為均勻，沒有出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，并且其形狀規(guī)則，沒有出現(xiàn)明顯的變形，這表明“超聲波預分散+溶劑輔助預分散+機械球磨”相結合的混料方法能夠使玄武巖短纖維均勻地分散在7075 基體中并且短纖維和基體的界面結合較好。經(jīng)過T6熱處理后，第二相的尺寸和數(shù)量均有所下降，這是由于粗大的第二相顆粒在固溶處理時重新溶進鋁基體中，隨后又在時效過程中以細小的強化相析出，起到彌散強化的作用。然而熱處理工藝也導致部分晶粒發(fā)生重結晶，再度生長變成粗大的晶胞，一定程度上影響了材料的性能。

為了進一步探究玄武巖纖維在7075 鋁合金基體中的結合形式，利用SEM 觀察了玄武巖纖維的分布，并利用EDS 進行了元素分析，結果如圖3 所示。根據(jù)元素分析圖，可以看出在玄武巖纖維和鋁基體的界面附近，從纖維中心區(qū)域向鋁基體方向，Al 元素逐漸增加，Si 和O 元素逐漸減少。這表明玄武巖纖維的主要成分SiO2和Al 之間發(fā)生了反應。根據(jù)Heguo Zhu 等人對于Al-SiO2反應體系的研究，在反應區(qū)會發(fā)生如下反應［24-25］：

隨著反應的進行，反應物Al2O3逐漸由界面區(qū)域向纖維內部生長，反應推進一段距離后，金屬基體即發(fā)生形核凝固。由于此反應伴隨著物質元素的擴散遷移，在溫度下降、基體凝固的情況下，Al 原子只能通過晶界等高內能無序區(qū)域進行擴散，在動力學因素的抑制作用下，最終在纖維表層形成一層反應層。

圖2 玄武巖纖維/7075 鋁基復合材料的光鏡照片F(xiàn)ig.2 Optical microscope photo of basalt fiber/7075 aluminum composites

圖3 玄武巖纖維/7075 鋁基復合材料的SEM 照片及元素分析Fig.3 SEM images and elemental analysis of basalt fiber /7075 aluminum composites

2.2 密度

針對不同玄武巖纖維含量的鋁基復合材料，利用阿基米德排水法測量了其真實密度。如表3 所示，加入玄武巖纖維后，材料的實際密度均有所降低。試驗用7075 鋁合金粉末的密度為2.82 g/cm3，玄武巖纖維的密度為2.53 g/cm3。根據(jù)混合法則計算了各體積分數(shù)下復合材料的理論密度并求出其相對密度，結果列于表3 中。材料的致密度直接關系到其力學性能，特別是對抗拉強度和硬度的影響較大，本次試驗制備的復合材料的致密度都在97 %以上，由此可以判斷該復合材料應具有較好的力學性能。加入玄武巖纖維后，材料的相對密度均有所下降，這可能是由于不同的顆粒尺寸和形狀導致混合粉末在制備過程中壓實性下降，存在一定孔隙導致的。

2.3 維氏硬度

采用顯微硬度計對燒結態(tài)和熱處理后不同玄武巖纖維含量的鋁基復合材料的維氏硬度進行了測量，復合材料的硬度隨玄武巖纖維含量的變化如圖4 所示。燒結態(tài)不含玄武巖纖維的7075 鋁合金的硬度值最低，僅為82.9 HV。隨著玄武巖纖維含量的增加，燒結態(tài)復合材料的硬度逐漸增大，玄武巖纖維質量分數(shù)為1.0 %時達到最大值，為96.3 HV。經(jīng)過T6 熱處理后，材料的硬度均有一定提升，整體趨勢仍為隨著玄武巖纖維質量分數(shù)的增加而增大。同時，經(jīng)過熱處理后復合材料的顯微硬度數(shù)值偏差要比燒結態(tài)有所降低，表明熱處理態(tài)更均勻，這主要歸功于熱處理后第二相的尺寸和數(shù)量均有所下降，并且時效后又有細小的第二相析出。值得一提的是隨著玄武巖纖維質量分數(shù)的增加，顯微硬度數(shù)值偏差也有所增大，這是由于玄武巖纖維在復合材料中起釘扎作用，從而強化了其力學性能，因此靠近玄武巖纖維的區(qū)域硬度要高于其他區(qū)域，從而導致玄武巖含量高的復合材料硬度不均勻性增加。

表3 玄武巖纖維/7075 鋁基復合材料的密度Table 3 Density of basalt fiber /7075 aluminum composites

圖4 玄武巖纖維/7075 鋁基復合材料的維氏硬度隨玄武巖纖維質量分數(shù)的變化Fig.4 Vickers hardness of basalt fiber /7075 aluminum composites as a function of the mass fraction of basalt fiber

3 結論

（1）利用真空熱壓燒結工藝制備玄武巖纖維增強鋁基復合材料是可行的，這種燒結工藝與“超聲波預分散+溶劑輔助預分散+機械球磨”混料方法相結合實現(xiàn)了玄武巖纖維在鋁基體中較為均勻的分布，制備的玄武巖纖維增強鋁基復合材料還具有97 %以上的致密度。

（2）玄武巖纖維和鋁基體之間發(fā)生化學置換反應，在兩相的界面區(qū)域形成一個以Al2O3為主的反應區(qū)，因此玄武巖纖維和鋁基體之間具有較好的界面結合強度。同時隨著玄武巖纖維含量的增加，7075 鋁基復合材料的維氏硬度得到顯著提高，并且熱處理態(tài)的數(shù)值更均勻。

（3）本文嘗試將取之于巖的玄武巖纖維用于制備鉆進巖石用的鋁合金鉆桿材料，玄武巖纖維的力學性能和耐蝕性非常好，其密度又和鋁合金接近，同時兩者又具有較好的界面結合強度，這為設計制造新型輕質高強鋁合金鉆桿提供了一種新思路。