摘要
随着我国自然资源勘探和开发利用深度的不断增加，钻井的工况条件也更加复杂，高地温、高地应力和强腐蚀环境等恶劣工况要求钻杆必须具有更高的综合性能。传统的钢钻杆由于较大的自重和较差的抗应力腐蚀能力，在深部钻探工程中的使用存在一定的安全隐患。近几十年来，铝合金钻杆凭借其低密度和高比强度等优点，得到了业内人员的关注和研究，在深部科学钻探、油气钻井、大位移井和水平井等领域得到了广泛的应用。然而，铝合金钻杆在实际使用过程中还存在耐磨性不足以及碱性钻井液中耐腐蚀性差等问题，很大程度上限制了铝合金钻杆的应用和推广。在钻进过程中，铝合金钻杆在与井壁发生接触、摩擦和碰撞后，表面易出现磨损、划痕和压痕等缺陷，此外，在碱性钻井液环境中，铝合金钻杆表面的氧化膜容易被氯离子破坏，导致其耐腐蚀性能下降。本文面向深部钻探工程对轻质、高强、耐腐蚀铝合金钻杆的迫切需求，采用高强度的7075铝合金作为基体，引入强度高、耐碱性好的玄武岩纤维，制备并研究了玄武岩纤维增强铝基复合材料，力争为新型高性能铝合金钻杆的研发提供设计思路和实验数据支撑。 采用粉末冶金和热挤压工艺制备了玄武岩纤维质量分数分别为0.0wt.%、0.2wt.%、0.6wt.%、1.0wt.%和2.0wt.%的铝基复合材料，简称为7075-xBF(x=0，0.2，0.6，1.0，2.0)。微观组织观察结果表明，玄武岩纤维在基体中分散较为均匀，没有结团，并且其形状规则，无明显变形，主要的析出相为条状和块状的Al2Cu相，均匀分布在晶界和晶内区域。经过热挤压塑性变形后，大部分玄武岩纤维在基体中呈现沿挤压方向定向排布。随着玄武岩纤维含量的增加，BF/7075Al复合材料的晶粒尺寸逐渐减小，在靠近纤维的区域晶粒尺寸较小。在热挤压过程中，由于玄武岩纤维的流变阻力，挤压破碎周围晶粒导致玄武岩纤维的两端出现了条带状的细晶区。在玄武岩纤维和铝基体的界面附近，Al和SiO2之间发生置换反应，在界面处形成了一层宽度约2μm的Al2O3反应区，反应层光滑平直，没有产生小尺寸的有害产物导致应力集中，通过化学结合方式提高了纤维和铝基体的结合强度，从而提高复合材料整体的力学性能。 玄武岩纤维的引入提高了BF/7075Al复合材料的硬度，显微硬度测试结果表明7075-0.6BF时效后硬度达到177.58HV，经过T6热处理后，复合材料的硬度进一步提升。拉伸实验结果表明，随着玄武岩纤维含量的增加，BF/7075Al复合材料的抗拉强度和延伸率呈现先上升后下降的趋势，其中，7075-0.6BF具有最高的抗拉强度和弹性模量，分别为482.9MPa和75.64，7075-0.2BF的延伸率达到5.4%，相较于7075Al提高了75.5%。拉伸断口显示玄武岩纤维的主要断裂形式为剪切破坏，加入玄武岩纤维后，断口处的韧窝数量增加，证明玄武岩纤维能够有效提高复合材料的塑性。加入玄武岩纤维后，复合材料的抗磨损能力显著提高，摩擦系数降低，磨损深度和磨损体积减小，7075-0.6BF的最大磨损深度仅为101.6μm，只有7075的25%左右，7075-0.2BF的磨损体积最小，仅为0.0321mm3。玄武岩纤维的引入改善了材料的性能，硬度提高，晶粒细化，在磨损过程中产生的磨粒尺寸和数量减少，避免了大片粘着区的出现，磨损过程以轻微的磨粒磨损为主。 采用浸泡实验、电化学测试研究了复合材料的耐腐蚀性能。在碱性钻井液中浸泡7天后，7075-1.0BF表现出最好的耐腐蚀性能，其析氢速率大幅下降，质量损失相比7075原样减少60%。但是当玄武岩纤维的含量为0.2wt.%时，其腐蚀速率相比7075原样有所升高。铝基复合材料的腐蚀机制主要是点腐蚀，当玄武岩纤维含量为0.2wt.%时，腐蚀坑的数量减少，但是每个点蚀坑会向四周和纵向发展，形成较大的坑蚀。当玄武岩纤维含量为1.0wt.%时，其腐蚀深度明显减小，密集程度也有所下降。通过动电位阳极极化测试，发现7075-1.0BF的腐蚀电流密度最低，其腐蚀失重率(?Wi)和年腐蚀深度(Pi)分别为9.86μg·cm-2d-1和13.33μm·y-1，平均年腐蚀深度相比7075原样减少42%。通过电化学阻抗谱测试，发现7075-1.0BF样品的电荷转移电阻最大，添加了玄武岩纤维的复合材料双电层电容减小，这是由于BF与铝基体反应产生了Al2O3反应层，复合材料在腐蚀过程中所形成的钝化膜厚度增加，强度更高，致密性好，对基体与溶液之间的离子和电荷交换阻碍作用更明显，从而表现出较好的耐腐蚀性能。
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