本发明属于金属材料表面强化
技术领域：
，涉及一种具有仿生表面的铝合金、具有高强韧性仿生耐磨表层的铝合金钻杆。
背景技术：
：在石油钻井过程中，钻杆的主要用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头提起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。与普通钢制钻杆比，铝合金钻杆的密度低、比强度高、耐蚀性能好等优势从而使其应用越来越广泛。但是铝合金钻杆硬度低，在钻进的过程中，井壁、套管、及钻井液中的重晶石、铁矿粉等均会导致铝合金钻杆的磨损减薄。其中钻杆与套管和井壁的磨损占主要方面，这大大限制了其应用推广。目前常用的铝合金表面强化方法主要有阳极氧化法、微弧氧化、CVD、PVD等，可获得较高的强化层。这种整体强化的方法不仅容易对套管产生减薄，而且基体的强度低，在受到稍大载荷时，强化层与基体之间应变不协调易产生开裂、脱落等。技术实现要素：本发明要解决的一个技术问题是提供一种表面硬度高、耐磨性好的具有仿生耦合表面的铝合金。为了解决上述技术问题，本发明的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述铝合金为7000系列铝合金，其母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为140HV25/10-190HV25/10，晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5-30微米。上述具有仿生耦合表面的铝合金的制备方法如下：采用激光熔凝的方法，将激光光束在铝合金表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；所述激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-175mA，激光脉宽为3-8ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。所述激光电流优选为175mA，激光脉宽为3ms，激光扫描速度优选为0.8mm/s的激光光束。为了解决上述技术问题，本发明的具有仿生耦合表面的铝合金，其特征在于所述铝合金为6000系列铝合金，其母体表面加工有仿生单元体，仿生单元体的维氏硬度为130HV25/10-175HV25/10晶粒为胞状晶和柱状晶，晶粒尺寸平均值为5～30微米形式。上述具有仿生耦合表面的铝合金的制备方法如下：采用激光熔凝的方法，将激光光束在铝合金表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；所述激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-170mA，激光脉宽为3-7ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。所述激光电流优选为170mA，激光脉宽为7ms，激光扫描速度优选为0.6mm/s的激光光束。本发明利用仿生原理，采用激光熔凝的方法，在铝合金表面制备均匀分布、晶粒组织细化的条状或网格状等仿生单元体。仿生单元体与母体能够形成了软硬相间的仿生物体结构。细化后的仿生单元体不仅使得其硬度升高而且如同在铝合金表面加了桩钉般的耐磨保护层，母体材料将仿生单元体包围连成一体，使其表面的应力分布更加均匀，这两种综合作用使铝合金的硬度及抗磨损性能及强韧性能均得到显著提升。与现有技术中在金属材料表面制作仿生单元体相比，本发明是在7000系和6000系铝合金表面制备仿生单元体，由于铝合金与其他金属材料在成分、组织、性能方面完全不同，不能将处理其他金属材料的方法直接用于铝合金。在利用激光熔凝方法制备仿生单元体过程中，若有一项激光参数选择不当，也会导致实验失败。例如发明人曾选择离焦量分别为10mm、11mm、12mm、13mm、14mm等数值，并在各离焦量数值条件下改变其他参数进行实验,最终确定选择离焦量为11mm。经过近1年时间内的实验，反复调整参数，最终确定了最佳激光参数范围，使得7075铝合金仿生单元体的维氏硬度达到了140HV25/10-190HV25/10，晶粒尺寸平均值达到了5-30微米。本发明要解决的第二个问题是提供一种具有仿生耦合表面的铝合金钻杆，该钻杆具有高强韧性仿生耐磨表层，与普通铝合金钻杆相比，其硬度、耐磨性能及使用寿命均得到了有效提高。为了解决上述问题，本发明的具有仿生耦合表面的铝合金钻杆可以采用下述四种技术方案。技术方案一：所述铝合金钻杆表面制备有螺线仿生单元体，螺线仿生单元体仿生宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm，倾斜角度为θ1，θ1＝50°-60°，相邻螺线仿生单元体之间的垂直距离为h1,h1＝3.5-6.0mm。上述表面制备有螺线仿生单元体的铝合金钻杆，其仿生单元体硬度可达到140HV25/10-190HV25/10高于钻杆母体硬度30％-70％；屈服强度可达到582MPa～630.5MPa，高于钻杆母体20％-30％；断裂延伸率可达15％-20％，高于钻杆基体10％-60％；使用寿命提高了1.3倍左右。该铝合金钻杆特别适合于松散土，松散岩石及接近地表的钻探。技术方案二：所述铝合金钻杆表面制备有螺线仿生单元体，螺线仿生单元体仿生宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm，倾斜角度为θ1，θ1＝35°-50°，相邻螺线仿生单元体之间的垂,直距离为h1,h1＝3.5-6.0mm。上述表面制备有螺线仿生单元体的铝合金钻杆，其仿生单元体硬度可达到140HV25/10-190HV25/10，高于钻杆母体硬度30％-70％屈服强度可达到582MPa～630.5MPa，高于钻杆母体20％-30％；断裂延伸率可达15％-20％，高于钻杆基体10％-60％；使用寿命提高了1.4倍左右。该铝合金钻杆特别适合于砂岩，页岩等沉积岩及位于钻杆中部位置的钻探。技术方案三：所述铝合金钻杆表面制备有网格状仿生单元体，网格状仿生单元体由相互交叉的A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体构成，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体的条纹宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm；A螺线仿生单元体倾斜角度为θ1，θ1＝50°-57°，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体之间的夹角为θ2，θ2＝30°-60°；相邻A螺线仿生单元体之间的中心距和相邻B螺线仿生单元体之间的中心距均为h2，h2＝3.5-6.0mm。上述表面制备有网格状仿生单元体的铝合金钻杆，其仿生单元体硬度可达到140HV25/10-190HV25/10高于钻杆母体硬度30％-70％；屈服强度可达到582MPa-630.5MPa，高于钻杆母体20％-30％；断裂延伸率可达15％-20％高于钻杆基体10％-60％；使用寿命提高了1.5倍左右。该铝合金钻杆特别适合于大理石、卵石等稍硬变质岩及位于钻杆中部偏下位置的钻探。技术方案四：所述铝合金钻杆表面制备有网格状仿生单元体，网格状仿生单元体由相互交叉的A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体构成，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体的条纹宽度为a1,a1＝1.33-1.66mm；深度为b1，b1＝0.3-0.53mm；A螺线仿生单元体倾斜角度为θ1，θ1＝40°-50°，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体之间的夹角为θ2，θ2＝30°-60°；相邻A螺线仿生单元体之间的中心距和相邻B螺线仿生单元体之间的中心距均为h2，h2＝3.5-6.0mm。上述表面制备有网格状仿生单元体的7075铝合金钻杆，其仿生单元体硬度可达到140HV25/10-190HV25/10，高于钻杆母体硬度30％-70％；屈服强度可达到582MPa-630.5MPa，高于钻杆母体20％-30％；断裂延伸率可达15％-20％高于钻杆基体10％-60％；使用寿命提高了1.6倍左右。该铝合金钻杆特别适合于花岗岩、玄武岩等岩浆岩及位于钻杆底部位置的钻探。上述四种铝合金钻杆适用于不同地层钻探，实际应用时可根据不同地域地层特点进行组合。例如对于某地域地层由浅及深依次为松散泥土层、沉积岩石层、变质岩石层、岩浆岩石层，可先用第四种铝合金钻杆钻探，待该钻杆进入地层后，将第三种铝合金钻杆与第四种铝合金钻杆连接固定，继续向下钻探；直至四种铝合金钻杆全部连接固定，一起进行工作。本发明采用了激光表面处理这种应用比较广泛，更为灵活经济可靠的方法来处理铝合金钻杆表面，提高了耐磨性的同时使得其强韧性也得到有效提升。本发明在铝合金钻杆表面制备晶粒组织细化、硬度高于母体的仿生单元体。考虑到钻杆所处的地层位置及钻磨时间，所以设计了螺线仿生单元体和网络状仿生单元体，并通过改变仿生单元体的间距和倾斜角度来满足需求。本发明使得铝合金钻杆表面的硬度、耐磨损性能及强韧性均得到显著提升。本发明与传统的强化方法相比操作简单，生产效率高，易于实现自动化，易于推广应用。上述具有仿生耦合表面的铝合金钻杆的制备方法，包括下述步骤：步骤一：对铝合金钻杆表面进行预磨处理以及表面清理；步骤二：采用激光熔凝的方法，将激光光束在铝合金钻杆表面沿设定的轨迹进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。所述铝合金钻杆为7000系列铝合金，激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-175mA，激光脉宽为3-8ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。所述铝合金钻杆为6000系列铝合金，激光熔凝方法采用激光器功率为300W，离焦量11mm，激光频率为5HZ，激光电流120-170mA，激光脉宽为3-7ms，激光扫描速度为0.5-1mm/s的激光光束。铝合金钻杆由于本身硬度较低，在使用过程中经常发生磨损减薄使其使用寿命大大降低，其中与井壁和套管的磨损占主要方面。为了一方面提高铝合金钻杆的表面硬度及耐磨性，另一方面又不会因硬度过高对套管产生减磨，本发明受自然界中一些优异生物结构的启发以及前人做过的一些成功经验，结合仿生理论，采用激光熔凝的方法，在铝合金表面制备一种具有高强韧性，高耐磨性的软硬相间的结构。本发明在铝合金钻杆表面制备的仿生单元体与其表面形成了软硬相间的仿生物体结构的仿生耦合区域。细化后的仿生单元体不仅使得其硬度升高，而且单元体如同在钻杆表面加了堤坝可以阻碍套管的碾压，在钻杆表面形成了一层耐磨保护层。而且母体材料将单元体包围连成一体，使其表面的应力分布更加均匀，这两种综合作用使铝合金钻杆的硬度及抗磨损性能均得到显著提升，延长了其使用寿命。本发明在提高铝合金钻杆的表面硬度及耐磨性的同时还设计了多种形状模型更好的与套管匹配，并且制备工艺简单，易于推广应用。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：图1a是螺线仿生单元体以单一尺寸存在的铝合金钻杆的整体外观图，图1b是螺线仿生单元体以单一尺寸存在的铝合金钻杆的主视图，图1c是图1b的展开图，图1d是图1b中钻杆的剖面图，图1e是图1d的I处局部放大图。图2a是网络状单元体以单一尺寸存在的铝合金钻杆的整体外观图，图2b是图2a的展开图，图2c是图2a中钻杆的剖面图，图2d是图2c的J处局部放大图。图3是钻杆在地层中使用的整体分布图。具体实施方式生物进化了近几十亿万年，在漫长的生物进化中，生物不断的优化结构、形态、组织形成最优系统以适应环境的变化。传统的观点认为越光滑，耐磨损性能会越好，随着仿生耐磨材料的不断发展，发现并非越是光滑越好。通过对蜣螂头部、背板、鞘翅形态进行观察比较，发现这些动物的体表具有明显的耐磨效果，为了逼近生物原型以及加工的简便性，研究者将生物体表简化为凸包、凹坑、波纹等几种简单的形状。它们的体表之所以具有优异的性能，主要体现在其体表形态、材料、结构、柔性等多个耦元相互作用的结果。它们的优势主要表现在：1、它们的体表所形成的结构都是一种软硬相间的一种状态；2、在它们的体表中硬质单元的分布状态并不是相同的；3、硬质单元的相对高硬度均来自其与软质单元的组成材料或组织结构差别。这种形态、结构和组成材料的有机结合使得生物体具有优异的力学性能和抗磨损性能。本发明根据仿生理论，采用激光熔凝的方法，通过在铝合金钻杆表面制备不同形貌的仿生单元体来获得不同的硬度，以更好的满足钻杆具体的钻磨时间和所处的环境。所获得的单元体，类似于生物体表的硬质单元，晶粒组织明显细化且硬度、机械性能均优于基体。而且随着模型的不同，所获得的晶粒细化程度及硬度不同，灵活性高。如图3所示，地层一般由浅及深依次松散泥土层、沉积岩石层、变质岩石层、岩浆岩石层。针对松散泥土层，本发明在铝合金钻杆11表面制备螺线仿生单元体12，螺线仿生单元体12宽度为a1,a1＝1.3-1.5mm；深度为b1，b1＝0.2-0.6mm，倾斜角度为θ1，θ1＝50°-60°，相邻螺线仿生单元体之间的垂直距离为h1,h1＝5-6mm。针对沉积岩石层，本发明在铝合金钻杆11表面制备有螺线仿生单元体12，螺线仿生单元体宽度为a1,a1＝1.3-1.5mm；深度为b1，b1＝0.2-0.6mm，倾斜角度为θ1，θ1＝35°-50°，相邻螺线仿生单元体之间的垂直距离为h1,h1＝3.5-5mm。针对变质岩石层，本发明在铝合金钻杆21表面制备有网格状仿生单元体，网格状仿生单元体由相互交叉的A螺线仿生单元体22和B螺线仿生单元体23构成，A螺线仿生单元体22和B螺线仿生单元体23的条纹宽度为a1,a1＝1.3-1.5mm；深度为b1，b1＝0.2-0.6mm；A螺线仿生单元体22倾斜角度为θ1，θ1＝50°-57°，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体之间的夹角为θ2，θ2＝30°-60°；相邻A螺线仿生单元体之间的中心距和相邻B螺线仿生单元体之间的中心距均为h2，h2＝5-5.8mm。针对岩浆岩石层，本发明在铝合金钻杆表面制备有网格状仿生单元体，网格状仿生单元体由相互交叉的A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体构成，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体的条纹宽度为a1,a1＝1.3-1.5mm；深度为b1，b1＝0.2-0.6mm；A螺线仿生单元体倾斜角度为θ1，θ1＝40°-50°，A螺线仿生单元体和B螺线仿生单元体之间的夹角为θ2，θ2＝30°-60°；相邻A螺线仿生单元体之间的中心距和相邻B螺线仿生单元体之间的中心距均为h2，h2＝3.8-5mm。实施例1以7075铝合金钻杆为例，7075铝合金的表面硬度110.3HV25/10(采用25千克力，保持10秒得到的硬度值)，屈服强度485MPa，断裂延伸率14％，耐磨性。7075铝合金钻杆表面制备仿生单元体后性能见表1，使用激光参数见表2。表1表2试样编号离焦量/mm电流/mA脉宽/ms扫描速度/mm/s频率/HZ11112030.8521113051531114550.6541114030.6551116550.8561117070.6571114570.5581113580.6591117530.8510111505151111165715121116060.55实施例2以6082铝合金钻杆为例，6082铝合金的表面硬度103.5HV25/10，屈服强度330MPa，断裂延伸率17％。6082铝合金钻杆表面制备仿生单元体后性能见表3，使用激光参数见表4，其中耐磨性提高倍数是做实验中根据失重量，还有磨损形貌综合得来的；使用寿命提高倍数是综合硬度，拉伸数据，还有耐磨性得来)。表3表4当前第1页1 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