ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ ИЗ НЕГО
DEFORMABLE ALUMINIUM-BASED ALLOY AND PRODUCT MADE THEREFROM

Область техники
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термически упрочняемым сплавам на основе системы алюминий-магний-кремний, предназначенным для применения в элементах конструкций различного назначения в нефтегазовой отрасли.
Уровень техники
При современных условиях и технологиях бурения значимую роль играет общая масса буровой колонны, при увеличении массы и размеров которой возрастают силы трения и рабочие усилия, а, следовательно, усложняется ее напряженно-деформированное состояние. С учетом низкого веса и высокой коррозионной стойкости алюминиевых материалов, наиболее перспективным направлением является замена стали на алюминиевые сплавы в конструкции бурильных труб. С учетом рабочих температур бурильных колонн (до 150°С), связанных с глубиной бурения, и использования при разработке месторождений бурильных растворов с показателем рН от 4 до 10, алюминиевый сплав должен обеспечивать достаточный уровень прочности при этих температурах и быть коррозионностойким в среде указанных растворов.
Известен деформируемый алюминиевый сплав Д16 (система Al-Cu-Mg), широко применяемый для изготовления бурильных труб (ГОСТ 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки»), содержащий магний, медь, кремний, железо, хром, марганец, цинк, титан, при следующем соотношении компонентов (масс. %):
Магний
1,2-1,8
Медь
3,8-4,9
Железо
0,5
Кремний
0,5
Хром
0,1
Марганец
0,3-0,9
Цинк
0,25
Титан
0,15
Алюминий
Остальное.
Сплав обладает прочностью при комнатной температуре 420 МПа, пластичностью 10% (ГОСТ 18482-79 Трубы, прессованные из алюминия и алюминиевых сплавов.
Технические условия), а также имеет рабочую температуру до 160°С, что позволяет использовать трубы из этого сплава при сверхглубоком бурении. Однако, из-за высокого содержания меди (до 4,9 мас. %) данный сплав имеет низкий показатель общей коррозии, а также расслаивающей (и межкристаллитной (МКК) коррозии. В связи с чем, срок эксплуатации таких труб является ограниченным.
Известен деформированный алюминиевый сплав марки 1953, использующийся для изготовления бурильных труб (ГОСТ 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки»), содержащий магний, цинк, медь, марганец, хром, и титан в следующем соотношении, масс. %:
Магний
2,4-3,0
Цинк
5,6-6,2
Медь
0,4-0,8
Хром
0,15-0,25
Марганец
0,1-0,3
Титан
0,02-0,10
Алюминий
Остальное.
Сплав обладает высоким показателем прочности при комнатной температуре (530 МПа) и имеет хорошую коррозионную стойкость. Основным недостатком указанного сплава является низкая рабочая температура (до 120°С). Повышение температуры эксплуатации выше 120°С приводит к значительному снижению прочностных свойств, что не позволяет его использовать при бурении сверхглубоких скважин. Кроме того, сплав обладает относительно низким уровнем относительного удлинения 7%, что при эксплуатации бурильных труб является недостаточным и может привести к разрушению их во время бурения.
Известен алюминиевый сплав для производства бурильных труб, относящийся к сплавам системы Al-Mg-Si (патент РФ №2385359, С22С 21/18, опубл. 27.03.2010 г.), содержащий следующее соотношение компонентов, масс. %:
Магний
0,9-1,3
Медь
0,8-1,7
Кремний
0,7-1,1
Марганец
0,2-0,6
Цинк
0,4-0,8
Титан
0,01-0,03
Хром
0,18-0,3
Молибден
0,0007-0,012
Кальций
0,05-0,15
Бериллий
0,00005-0,00015
Алюминий
Остальное.
Сплав обладает высоким пределом прочности при температуре 150°С (440 МПа) за счет образования мелкодисперсных фаз, стойких к коагуляции при высоких температурах. Основным недостатком данного сплава является высокое содержание меди, что приводит к снижению коррозионной стойкости (сплав имеет 5 балл расслаивающей коррозии).
Известен деформируемый сплав на основе алюминия (патент РФ №2215055, С22С 21/08, опубл. 27.10.2003 г.), относящийся к сплавам системы Al-Mg-Si. Сплав обладает высокими механическими свойствами, удовлетворительной коррозионной стойкостью и подходит для использования в качестве конструкционного материала в транспортном машиностроении, в том числе и для бурильных труб. Предлагаемый сплав на основе алюминия содержит, масс. %:
Магний
0,7-1,4
Цинк
0,01-0,8
Кремний
0,6-1,2
Никель
0,005-0,5
Медь
0,6-1,4
по меньшей мере, один элемент из группы, масс. %:
Скандий
0,005-0,4
Церий
0,005-0,2
и, по меньшей мере, один элемент из группы, масс. %:
Хром
0,01-0,3
Марганец
0,01-0,5
Титан
0,01-0,3
Цирконий
0,005-0,2
Алюминий
Остальное.
Основным недостатком данного алюминиевого сплава является наличие большого количества переходных и редкоземельных элементов, таких как скандий, никель, церий, медь, хром, цирконий и высокая суммарная их концентрация, что приводит к существенному удорожанию сплава, а также снижению его технологичности и пластичности. Низкая технологичность приведет к возникновению трудностей при производстве полуфабрикатов из данного сплава, а недостаточная пластичность может привести к разрушению бурильной трубы в процессе эксплуатации.
Наиболее близким, принятым за прототип, по технической сущности к заявляемому изобретению является деформируемый сплав на основе алюминия (патент ЕР 3214191, С22С 21/02; C22F 1/05, опубл. 06.09.2017 г.), предназначенный для производства прессованных полуфабрикатов. Сплав содержит следующее соотношение компонентов, масс. %:
Магний
0,85-1,1
Медь
не более 0,75
Кремний
1,3-1,7
Марганец
0,7-0,8
Титан
не более 0,1
Хром
0,15-0,25
Железо
0,14-0,25
Цинк
не более 0,2
Цирконий
0,15-0,25
Алюминий
Остальное.
Сплав обладает высокими пределом прочности МПа и пределом текучести. Однако, сплав обладает низкой коррозионной стойкостью (МКК достигает 200 мкм), к которой приводит в том числе высокое содержание кремния. Кроме этого, заявленное количество меди в сочетании с другими элементами в сплаве может быть недостаточным для достижения требуемого уровня прочности полуфабрикатов при высоких температурах.
Раскрытие изобретения Задачей данного изобретения является разработка нового технологичного деформируемого алюминиевого сплава с высокой коррозионной стойкостью, обладающего высокой прочностью при температуре до 150°С (предел текучести не ниже 330 МПа) и высокой прочностью при комнатной температуре (предел текучести не ниже 370 МПа).
Техническим результатом заявленного изобретения является создание алюминиевого сплава с достижением указанных выше характеристик.
Технический результат достигается за счет того, что в предложенном деформируемом сплаве на основе алюминия, содержащем магний, цинк, кремний, медь, марганец, хром, железо, новым является то, что в составе содержится никель и по меньшей мере, один элемент из группы: титан, бор, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Магний
1,45-1,85
Медь
0,5-1,0
Кремний
0,7-1,2
Цинк
0,25-0,8
Марганец
0,1-0,5
Хром
0,1-0,3
Железо
0,1-0,3
Никель
0,25-0,6
по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей:
Титан
0,02-0,12
Бор
0,001-0,02
Углерод
0,001-0,01
Алюминий и примеси остальное, при этом должно выполняться следующее условие по содержанию элементов в сплаве: Ni/Fe не менее 1.
Предложенное изобретение относится также к изделию из вышеуказанного деформируемого сплава на основе алюминия.
Изобретение дополняют частные случаи исполнения. Так, никель находится в виде фаз эвтектического происхождения размером не более 15 мкм.
Осуществление изобретения
2
2
2
Основной фазой-упрочнителем в рассматриваемой системе Al-Mg-Si является β'-MgSi. В предлагаемом изобретении содержание Mg и Si контролируется в пределах 1,45-1,85 и 0,7-1,2 мас. %, соответственно. При данном соотношении компонентов в сплаве обеспечивается максимальное выделение фаз β'-MgSi после закалки и старения, обеспечивающее необходимый уровень прочностных свойств при комнатной температуре. При концентрациях компонентов ниже указанных пределов не обеспечивается необходимая плотность выделений фазы β'-MgSi, что снизит прочность сплава, а превышение - приведет к падению технологичности материала.
Содержание Cu при концентрации 0,5-1,0 мас. % обеспечивает дополнительный прирост прочности при комнатной и высоких температурах, за счет вторичных выделений фаз с медью, например, Q'-AlMgSiCu. Также в указанной концентрации медь обеспечивает твердорастворное упрочнение. Однако, содержание Си не должно быть выше 1,0 мас. %, иначе коррозионная стойкость материала будет существенно снижена.
3
6
Наличие в сплаве Mn на уровне 0,1-0,5 мас. % способствует образованию фазы α-AlFeSiMn вместо фаз β-AlFeSi и AlFe, что повышает коррозионную стойкость материала и технологичность материала. Кроме того, добавка марганца обеспечивает дополнительный прирост прочности без снижения коррозионной стойкости и пластичности за счет выделения дисперсоидов AlMn во время технологических нагревов.
6
9
Содержание Fe 0,1-0,3 мас. % совместно с марганцем, хромом, медью и никелем повышает прочность при комнатной и повышенных температурах за счет выделения интерметаллидов, например, α-AlFeSiMn, (Fe, Mn)Al, AlFeSi (Mn, Cr), AlFeNi и других, а также повышает литейные свойства за счет образования эвтектики. Вместе с тем, добавка железа оказывает негативное влияние на коррозионную стойкость алюминиевых сплавов, а избыток фаз с железом может приводить к ухудшению технологичности материала, в связи с чем, его содержание необходимо ограничивать. Введение железа в концентрации менее 0,1 мас. % не позволяет обеспечить требуемое повышение уровня прочности, в том числе при повышенных температурах.
Zn в количестве 0,25-0,8 мас. % обеспечивает твердорастворное упрочнение сплава без снижения пластичности и коррозионной стойкости. Кроме того, верхний предел легирования выбран с учетом уровня предельной растворимости элемента в алюминии для предотвращения образования диффузионно подвижных фаз.
7
Присутствие Cr в количестве 0,1-0,3 мас. %. обеспечивает модифицирование зерна при литье, а также получение нерекристаллизованной структуры после деформации и последующей термической обработки за счет образования вторичных выделений AlCr размером менее 200 нм, что способствует получению высоких прочностных свойств при комнатной и повышенных температурах. При превышении этого предела при кристаллизации появляется тенденция к образованию грубых хрупких интерметаллидов, что может приводить к снижению коррозионной стойкости, технологичности сплава и появлению горячих трещин.
3
9
3
3
9
Содержание Ni в количестве 0,25-0,6 мас. % обеспечивает необходимый уровень прочности при повышенных температурах за счет образования термически стабильных компактных интерметаллидов AlNi и AlFeNi размером не более 15 мкм. Также никель обеспечивает повышение литейных свойств за счет образование эвтектики с никелем. Кроме этого, никель способствует устранению в структуре грубых выделений железистой фазы, особенно при содержании, превышающем содержание железа в сплаве, тем самым повышая технологичность. Превышение концентрации никеля 0,6 мас. % может привести к появлению первичных грубых выделений AlNi, которые будут способствовать образованию дефектов при литье и снижению технологичности при деформации. Добавка менее 0,25 мас. % не обеспечит образование необходимой плотности выделившихся фаз эвтектического происхождения типа AlNi и типа AlFeNi.
Добавка хотя бы одного элемента из группы Ti, В и С обеспечивает получение мелкого зерна, что снижает вероятность появления горячих трещин при литье и повышает технологичность сплава во время деформации.
Обязательным условием достижения технического результата является выполнение соотношения: Ni/Fe не менее 1, что обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств при повышенной температуре без существенного снижения коррозионной стойкости и технологичности. При соотношении элементов меньше 1 не обеспечивается необходимая плотность выделений эвтектических фаз, содержащих никель, что снижает прочность при повышенной температуре.
Цирконий не используется в сплаве, так как он ослабляет модифицирующее действие титана и бора, что вызывает необходимость введения титана и бора в больших количествах.
2
Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена типичная структура материала с изображением фазы типа MgSi и (Al, Fe, Ni) эвтектического происхождения.
Примеры осуществления изобретения
Пример 1
Методом полунепрерывного литья были изготовлены цилиндрические полые слитки с наружным диаметром 275 мм и внутренним диаметром 90 мм. Химический состав предлагаемых сплавов приведен в таблице 1.
Слитки гомогенизировали при температуре 530-540°С и выдержкой, при которой степень трансформации железистых фаз и размер зерна были оптимальными. Уменьшение температуры гомогенизации требует более длительных выдержек в печи для получения оптимального результата, что экономически нецелесообразно, а повышение температуры выше верхней границы указанного интервала температур может привести к пережогу (неисправимому браку).
Далее на горизонтальном прессе с применением иглы слитки прессовали в трубы с наружным диаметром 100 мм и толщиной стенки 10 мм. После чего трубы подвергали термической обработке по режиму Т6. Закалку осуществляли при температуре, при которой происходило максимальное обогащение твердого раствора. После выдержки трубы охлаждали в воду с последующим искусственным старением при температуре 165-175°С. Термообработанные трубы по режиму Т6 исследовали в электронном сканирующем микроскопе Tescan Mira 3 LM, испытывали на растяжение при температуре 20°С по ГОСТ 10006-80 и при 150°С по ГОСТ 19040-81 с определением основных механических свойств, кроме того, определяли коррозионную стойкость труб на межкристаллитную (МКК) коррозию по ГОСТ 9.021 (раствор №2). Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Из анализа таблицы 2 следует, что сплав №1, не удовлетворяющий условию содержания железа и никеля, из-за появления грубых первичных выделений железистых фаз, не содержащих никель, показал низкие механические свойства при комнатной и повышенной температурах. Кроме этого, коррозионная стойкость сплава также оказалась снижена. Механические свойства, а также коррозионная стойкость остальных рассматриваемых сплавов, удовлетворяющих всем условиям формулы, соответствует техническому результату. По сравнению с прототипом механическими свойствами при комнатной температуре сплавы №2-5 оказались немного ниже. Однако, при повышенной температуре рассматриваемые сплавы превосходят прототип более чем на 5%. Высокое значение прочности при повышенной температуре достигается оптимальным соотношением Ni и Fe, обеспечивающих образование в структуре достаточного количества упрочняющих фаз эвтектического происхождения, содержащие никель, несклонных к коагуляции при данных условиях. При этом размер фаз эвтектического происхождения, содержащих никель, не превышает 15 мкм. Одновременно с этим, небольшое содержание Cu обеспечивает дополнительное твердорастворное упрочнение, не оказывая существенного влияния на коррозионную стойкость. В соответствии с полученными результатами (см. таблицу 2) наблюдалось снижение склонности к межкристаллитной коррозии рассматриваемых сплавов по отношению к прототипу в 2 раза. Таким образом, наличие высоких механических свойств при комнатной и повышенной температурах, а также наличие высокой коррозионной стойкости позволяют рассматривать данный сплав для производства изделий для нефтегазовой отрасли, в частности для производства бурильных труб.