石油钻杆用7xxx系铝合金微观组织和性能的研究进展

铝合金具有密度低、强度高、耐酸性气体腐蚀等优点,其在石油钻探领域的应用优势逐渐引起了国内外学者的重视。铝合金石油钻杆在美国、俄罗斯等少数发达国家已被应用于钻探领域数十年,然而我国对铝合金石油钻杆的研究起步较晚,目前主要依靠进口,这极大地限制了我国钻采工业的发展,因此实现自主研发超强耐蚀铝合金钻杆具有很高的社会意义和经济效益。Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金属于7xxx系铝合金,因具有很高的抗拉强度、较好的耐腐蚀性和高温冲击韧性,已成为当下最具发展潜力的铝合金钻杆用材料,也是我国近几年对高性能铝合金钻具材料的主要研究方向。7xxx系铝合金的主要析出强化相是弥散分布的GP区和η'相。众所周知,合金的成分和组织决定其性能,因而通过改变热处理工艺和合金成分可以调控铝合金材料的性能。铝合金的热处理工艺流程主要包括均匀化、固溶和时效处理等。目前均匀化倾向于采用多级热处理制度,热处理后材料不仅会得到更为弥散细小的析出相,合金在后续热加工过程中的再结晶行为也会受到抑制。热变形后再经双级或多级固溶,合金中残余过剩相可有效溶解,其稳定性和综合性能得到提高。时效处理作为较关键的热处理步骤,也从传统单级处理向多级转变,一种新型的回归再时效(RRA)制度综合了单级和双级时效的优点,在保持铝合金较高强度的同时,又可获得较高的腐蚀抗力。因此,探索合适的热处理制度对提高钻杆用铝合金材料的综合性能有深刻的影响。另外,优化合金成分也是提高铝合金性能的重要方式。研究发现,将石油钻杆用7xxx系铝合金的成分大致控制在Al-6～6.5Zn-2.0～2.8Mg-1.6～2.0Cu范围内,其可获得较优的综合性能。此外,引入新的微合金元素,如Mn、Zr、Cr及稀土元素等,可以显著细化铝合金晶粒,提高其再结晶温度,从而提高它的耐热性和耐腐蚀性,使其更好地满足石油钻杆在实际工况中的服役要求。7xxx系铝合金虽具有诸多性能优势,但其在富氯气氛环境中耐蚀性较差,易发生应力腐蚀开裂,在海洋钻探领域服役时存在一定的失效风险。另外,7xxx系铝合金耐冲蚀磨损能力差,在钻探过程中易产生磨损,从而缩短了其使用寿命。今后的工作重点应从成分设计、材料制备及热处理工艺等方面来提高铝合金钻杆的高温强度,同时系统深入探讨上述因素对材料力学性能、电化学性能、耐磨性能的影响,并就这些性能的优化机理展开基础研究。本文综述了国内外铝合金石油钻杆的研究现状、性能特点和生产工艺,重点归纳了钻杆用7xxx系铝合金的时效析出过程及其微合金化研究方面的进展,阐述了固溶和时效等热处理对7xxx系铝合金综合性能的影响,分析了铝合金石油钻杆耐腐蚀性能及磨损行为的表现。在此基础上,对我国石油钻杆用7xxx系铝合金目前存在的问题以及日后的发展方向进行了展望。     

7xxx系铝合金的研究现状及发展趋势

评述了国内外7xxx系铝合金的研究及工业应用概况,讨论了热处理工艺对7xxx系铝合金微观组织与性能的影响,介绍了相关的表征技术.针对目前7xxx系铝合金在研究以及产业化应用中存在的问题,指出实现7xxx系铝合金的高强、高韧以及低应力腐蚀(SCC)敏感性将成为今后研究和开发工作的主要方向,并提出了具体的建议.     

7xxx系铝合金应力腐蚀的控制

综述了7xxx系铝合金的应力腐蚀开裂机理(Stress corrosion cracking)与影响因素。应力腐蚀开裂机理主要有阳极溶解理论、氢致理论与"相变-Mg-H"理论。适当的固溶工艺与时效工艺可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能;铝合金的应力腐蚀开裂敏感性随水蒸气中氧含量的增加而提高,含有Cl-、Br-和I-的水溶液会加快铝合金的应力腐蚀开裂的裂纹扩展速率。     

5xxx系铝合金研究现状及发展趋势

5xxx系铝合金因具有高耐蚀性又被称为防锈铝，是海洋工程装备的重要材料之一。随着海洋工业的快速发展和海洋环境的复杂多变，人们对海洋工程装备用材料的性能提出了更高的要求，因此5xxx系铝合金材料既要保证轻质高强还要进一步提高耐蚀性。本文综述了5xxx系铝合金中主加合金元素的含量范围，讨论了微合金元素对5xxx系铝合金组织与性能影响研究现状，分析了5xxx系铝合金的制备和热处理工艺，阐明了5xxx系铝合金热变形工艺与热处理工艺的协同调控、组织细化和性能提升的发展趋势，最后对5xxx系铝合金的微合金化、热处理工艺、热变形行为及耐腐蚀性能等方面的研究进行了展望。     

7xxx 系铝合金时效处理的研究现状及应用进展

简要分析了7xxx系列高强铝合金的时效强化机理,归纳了7xxx系铝合金的时效处理工艺,讨论了典型牌号7xxx铝合金的时效处理工艺及其在工业生产,特别是航空航天领域的应用情况,评述了7xxx铝合金时效处理的国内外研究现状.针对目前存在的问题并结合实践应用的要求,提出了未来7xxx系铝合金时效处理工艺研究和开发的重点.     

Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的研究现状与发展趋势

分析了近年来超高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的成分设计、工艺优化、显微组织分析、力学性能测试及微量元素的作用，对今后的发展动向提出了一些新的看法：采用传统铸造技术得到的铝合金，Zn含量的最大值在8wt％左右，抗拉强度低于700MPa；采用喷射成形技术，Zn含量最大值能够超过12wt％，同时抗拉强度可达800MPa以上，大大提高了铝合金的强度；超高强度铝合金的固溶强化相主要为MgZn2相；经回归时效处理(RRA)后，合金同时具有T6的强度和T7X的抗应力腐蚀性能；微量元素对超高强度铝合金的组织和性能具有显著的影响。     

合金元素对Al-Mg合金抗腐蚀性能及拉伸性能的影响

为了在保证力学性能的基础上提高铝合金的抗腐蚀性能,采用拉伸试验、浸泡腐蚀、动电位极化曲线和形貌观察对添加了Mg、Cr元素的Al-Mg合金的拉伸性能和抗腐蚀性能进行了分析.结果表明:与Al-2.03Mg合金相比,Al-2.90Mg合金的屈服强度和抗拉强度提高,但抗腐蚀性能明显降低;而添加了少量Cr的Al-2.90Mg-0.15Cr合金,其屈服强度和抗拉强度进一步增大,且抗腐蚀性能与Al-2.03 Mg合金相比没有明显下降,甚至在模拟海水腐蚀液中浸泡1 500h后,Al-2.90Mg-0.15Cr合金具有比Al-2.03 Mg合金更低的平均腐蚀速率,说明适量添加Mg和Cr元素,能够在保证抗腐蚀性能的基础上,有效提高铝合金的屈服强度和抗拉强度.     

回归再时效中预时效温度对7050铝合金应力腐蚀性能的影响

采用硬度测试、电导率测试、慢应变速率拉伸、透射电镜和扫描电镜等方法,研究了回归再时效热处理工艺中预时效温度对7050铝合金微观组织和应力腐蚀性能的影响。结果表明:随着预时效温度升高,回归再时效后7050铝合金晶内析出相从以GP区为主转变为以η′相为主,晶界析出相逐渐粗化,晶界变得不连续分布,合金应力腐蚀敏感性降低;但晶界无沉淀析出带宽度增加,120℃时达到140nm,易导致应力集中和阳极溶解,合金抗应力腐蚀性能下降。预时效温度为80℃,即稍微欠时效时,7050铝合金抗应力腐蚀性能较好,在缓慢应变速率(10-6s-1)和3.5%NaCl溶液腐蚀介质下,合金抗拉强度为473.5MPa,伸长率为10.67%,应力腐蚀指数为0.05824。     

Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的研究进展

Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金具有低密度、高比强度、高韧性和良好的抗腐蚀性能的特点,广泛应用于航空航天、交通运输和兵器领域。本文主要介绍近年来国内外Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的最新研究进展。超高强度铝合金基体上分布着纳米级的晶内时效析出相、亚微米级的高温析出相、微米级的结晶析出相和晶界析出相,这些相的形态、数量、尺寸和分布对合金的综合力学性能和抗腐蚀性能有直接的影响;主元素成分含量对超高强度铝合金综合力学性能有影响,合金的综合力学性能随Zn/Mg和Cu/Mg比值的变化而变化;微量元素能够提高超高强度铝合金的综合力学性能。微量元素对铝合金的影响主要体现在提高沉淀相的过饱和度,改变沉淀析出过程,促进或抑制沉淀相的析出和促进新相的沉淀析出。新制备技术能够显著细化晶粒、抑制偏析、析出相均匀分布和提高各种元素的过饱和度,从而改善超高强度铝合金的综合力学性能。强化固溶处理能够提高时效析出程度,从而提高铝合金的力学性能。三级时效处理后的超高强度铝合金具有峰值时效T6态的强度和优异的抗腐蚀性能。     

升温时效处理7075铝合金在含SRB模拟海水中的应力腐蚀行为

7系铝合金是一种可热处理强化的铝合金,通过改变热处理工艺的方法可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能.本文研究了不同升温时效处理下,铝合金在含硫酸盐还原菌(SRB)模拟海洋溶液中的应力腐蚀行为,并通过应力-应变曲线和断口形貌,对比分析了铝合金在无菌溶液和SRB溶液中的应力腐蚀行为差异.研究表明,升温时效处理可以提高合金的自腐蚀...     

时效制度对B95лч锻件断裂韧性和抗应力腐蚀性能的影响

研究了双级时效工艺和回归再时效(RRA)工艺对B95лч铝合金锻件的断裂韧性和应力腐蚀性能的影响.测定了9种双级时效工艺和3种RRA工艺状态下的断裂韧度,同时测定了各时效工艺状态下的电导率和强度指标.通过对试样组织性能的分析研究发现:当一级时效条件相同时,随着二级时效温度的升高和时效时间的延长,断裂韧度和抗应力腐蚀性能提高,其中以115℃×7h 185℃×13h为最佳时效工艺.RRA工艺能使合金获得最高的强度,经回归20min的RRA试样的抗应力腐蚀性能也能达到115℃×7h 185℃×13h的水平,但断裂韧度不如采用较高二级时效温度的试样.     

微量稀土Ce对Al-Zn-Mg铝合金组织和腐蚀性能的影响

采用金相(OM)和扫描电镜(SEM)分析、力学拉伸实验、剥落腐蚀实验、电化学阻抗谱实验以及慢应变速率拉伸实验研究了微量稀土Ce对AlZn-Mg铝合金组织和性能的影响。研究结果表明:在Al-Zn-Mg铝合金中添加微量的稀土Ce元素,合金的抗腐蚀性能显著提高,应力腐蚀断裂时间延长,应力腐蚀敏感性显著降低;添加0. 04%(质量分数,下同) Ce对Al-Zn-Mg铝合金力学性能影响较小,但可显著提高合金的抗腐蚀性能,合金的剥蚀等级由EC提升至N,钝化膜电阻(Rp)由14 655Ω·cm~2提升至36 839Ω·cm~2,应力腐蚀敏感指数由0. 612降至0. 219。     

新型Al-Mg合金的耐腐蚀性能

采用晶间腐蚀、剥落腐蚀实验结合扫描、透射电镜等手段观察分析腐蚀后合金的微观形貌和相结构,研究了合金元素和热变形工艺对新型Al-Mg合金的抗晶间腐蚀和剥落腐蚀性能的影响。结果表明:随着Mg含量的增加合金在浓硝酸溶液中的腐蚀失重量增大,抗晶间腐蚀性能降低;合金中Zn含量的的提高导致在晶界上形成了不连续析出的Mg32(Al,Zn)49相,降低了合金的腐蚀失重量,提高了Al-Mg合金的抗晶间腐蚀性能。合金的抗腐蚀性能也受形变热处理工艺的影响,对冷变形后的合金进行适当的稳定化处理,相比单纯的冷变形可同时提高合金的抗晶间腐蚀性能与剥落腐蚀性能。冷变形后的残余应力、高位错密度以及拉长晶粒形貌都导致更多的析出相在晶界连续析出,形成网状膜,使合金的抗腐蚀性能降低。     

高Mo含量对Ni-Cr-Mo合金应力腐蚀性能影响的研究

探讨了Mo元素的加入对成分为60％Ni、20％Cr的Ni-Ci-Mo系合金在氯化物介质中的抗应力腐蚀性能。试验结果表明,Mo含量为7％～17％时,对合金抗应力腐蚀没有影响,并在这一试验范围内的合金对氯化物应力腐蚀开裂免疫。     

7xxx系铝合金氢脆的研究现状及发展趋势

全面评述了7xxx系铝合金氢脆(HE)问题的国内外研究现状,讨论了氢脆机理以及氢脆的影响因素,并介绍了几种重要的测试方法.针对目前研究工作中尚未从理论上揭示氢脆本质这一突出问题,指出了今后7xxx系铝合金氢脆问题的研究方向,同时结合前期的研究工作,提出了具体的相关建议.     

锻造、轧制变形对2519A铝板抗腐蚀性能的影响

为改善2519A-T87铝合金的腐蚀性能并探求其影响因素,采用金相显微镜、透射电镜及X射线衍射仪研究了锻造以及轧制两种变形方式对该合金板晶界无沉淀带、析出相、晶粒取向与抗腐蚀性能的影响.结果表明:锻造板中晶界无沉淀带(PFZ)较轧制板的宽,晶界析出相粒子间距大,较难形成连续腐蚀通道,其抗晶间腐蚀与剥落腐蚀性能优于轧制板;PFZ与基体,析出相与PFZ构成两对电偶发生反应,而晶界上不连续分布的、大的第二相之间的间距有利于提高合金的抗应力腐蚀性能,锻造板的应力腐蚀性能(KISCC=32.1 MPa.m1/2)比轧制板(KISCC=22.1 MPa.m1/2)高;锻造板的{100}晶粒取向密度较低;第二相的大小及分布是决定该合金腐蚀性能的关键..     

用低应变速率方法测定919铝合金的应力腐蚀敏感性

用低应变速率方法测定了３种热处理状态的９１９铝合金的应力腐蚀敏感性，结果表明，３种状态合金的应力腐蚀敏感性顺序与在恒载荷试验中获得的结果具有很好的相关性。因而，低应变速率方法适用于９１９及其同类合金的应力腐蚀性能研究。     

用低应速率方法测定919铝合金的应力腐蚀敏感性

用低应速率方法测定了３种热处理状态的９１９铝合金的应力腐蚀敏感性，结果表明３种状态合金的应力腐蚀敏感性顺序与恒载荷试验中获得的结果具有很好的相关性。因而，低应变速率方法适用于９１９及其同类合金的应力腐蚀性能研究。     

微量Co对7056铝合金组织与腐蚀性能的影响

通过金相观察、晶间腐蚀、电化学腐蚀、扫描电镜和透射电镜等测试分析方法,研究了微量Co对7056铝合金组织与腐蚀性能的影响。研究表明,与未添加Co合金相比,添加微量Co的7056铝合金的应力腐蚀寿命提高了22. 57%,应力腐蚀断裂强度从511 MPa增加到559 MPa,应力腐蚀因子从0. 118降到了0. 064。添加微量Co的7056铝合金形成了更加均匀细小的Al3Zr弥散相,更有效地钉扎位错和亚界晶,使基体保持形变回复组织和小角度晶界,抑制再结晶,保持了细小的亚晶组织。亚晶界析出相与晶内接近,从而降低了晶间腐蚀的电化学动力,提升了抗晶间腐蚀性能。此外,其晶界析出相所占面积分数增大,相当于增加了电化学反应过程阳极相对阴极的比例,导致阳极电流减小,晶界析出相溶解速率降低。不连续的晶界析出相能够阻断沿晶界阳极溶解通道,减缓沿晶腐蚀,提高合金抗应力腐蚀性能。     

3种表面处理对2E12-T3铝合金晶间腐蚀和剥离腐蚀行为的影响

为了有效控制2E12新型铝合金的晶间腐蚀和剥离腐蚀破坏,对2E12-B铝合金表面分别进行了包铝、阳极氧化和微弧氧化处理,利用浸泡腐蚀试验、金相显微镜、扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）等研究了表面处理对2E12-T3铝合金晶间腐蚀和剥离腐蚀行为的影响规律,探讨了作用机理。结果表明：2E12一13铝合金对晶间腐蚀和剥离腐蚀十分敏感,表面包铝、阳极氧化和微弧氧化均能显著提高2E12-13铝合金的抗晶间腐蚀和抗剥离腐蚀性能,其中微弧氧化处理提高抗晶间腐蚀性能的效果最好,表面包铝提高抗剥离腐蚀性能的效果最好。