Деформируемый сплав на основе алюминия и изделие из него

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термически упрочняемым сплавам на основе системы алюминий-магний-кремний, предназначенным для применения в элементах конструкций нефтегазовой отрасли, в частности для изготовления бурильных труб и цилиндрических полых слитков. Деформируемый сплав на основе алюминия содержит, 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 отношение содержания Ni/Fe составляет не менее 1. Изобретение направлено на разработку деформируемого алюминиевого сплава с высокой коррозионной стойкостью, обладающего высокой прочностью при температуре до 150°С, предел текучести не ниже 330 МПа, и относительно высокой прочностью при комнатной температуре, предел текучести не ниже 370 МПа. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 1 пр.

 

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

Основной фазой-упрочнителем в рассматриваемой системе Al-Mg-Si является β'-Mg₂Si. 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'-Mg₂Si 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'-Mg₂Si, 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.

Наличие в сплаве Mn на уровне 0,1-0,5 мас. % способствует образованию фазы α-AlFeSiMn вместо фаз β-AlFeSi и Al₃Fe, 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 Al₆Mn во время технологических нагревов.

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)Al₆, AlFeSi (Mn, Cr), Al₉FeNi 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.

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 Al₇Cr 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.

Содержание Ni в количестве 0,25-0,6 мас. % обеспечивает необходимый уровень прочности при повышенных температурах за счет образования термически стабильных компактных интерметаллидов Al₃Ni и Al₉FeNi 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 Al₃Ni, 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 Al₃Ni и типа Al₉FeNi.

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.

Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена типичная структура материала с изображением фазы типа Mg₂Si 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.

1. Деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, цинк, кремний, медь, марганец, хром, железо, отличающиеся тем, что сплав содержит никель и по меньшей мере, один элемент из группы: титан, бор, углерод, в 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 условие содержания элементов в сплаве Ni/Fe не менее 1.

2. Деформируемый сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что никель присутствует в нем в виде фаз эвтектического происхождения размером не более 15 мкм.

3. Изделие для нефтегазовой отрасли из деформируемого сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.

4. Изделие по п. 3, отличающееся тем, что оно выполнено в виде бурильной трубы.

5. Изделие по п. 3, отличающееся тем, что оно выполнено в виде цилиндрического полого слитка.