高温环境下碳纤维增强铝合金钻杆中的材料界面反应及其对钻杆性能的影响机制研究

In the deep petroleum resources development, drill pipe is required with light weight, high strength and good wear resistance at elevated temperature. Carbon fiber is used as reinforcement in aluminum alloys to reduce the density of aluminum alloy drill pipe. However, the poor wettability and harmful interfacial product greatly restricts the improvement in the strength of aluminum drill pipe. In addition, the harmful interfacial reaction is aggravated at elevated temperature, leading to the degradation of strength. Therefore, avoiding the harmful reaction between aluminum and carbon fiber and the degradation of interfacial structure at elevated temperature is the key work to ensure the normal operation of carbon fiber reinforced aluminum alloy drill pipe at high temperature. In this project, the interfacial components and structures between carbon fiber and aluminum are optimized by primarily using carbides coatings (TiC, B4C, etc.) on carbon fiber. The strengthening mechanism is also established through studying the interfacial components and structures. On this basis, the evolution of interfacial components and structures and the effect on the high temperature properties are obtained by high temperature in-situ characterizations.

深部油气资源开发要求钻杆具有轻质、高温强度和高温耐磨等特点。以碳纤维为增强相加入到铝合金中可以有效降低钻杆的密度并提高强度和耐磨性。但是碳纤维和铝之间润湿性较差，且容易生成脆性界面产物，极大限制了碳纤维增强铝合金钻杆性能的提升。此外，高温会加剧脆性界面产物的形成，使得钻杆的性能在高温下快速退化。因此，如何避免脆性界面产物的形成以及高温下界面结构的退化是保证碳纤维增强铝合金钻杆在高温下工作的关键。本项目通过预先在碳纤维表面涂覆碳化物涂层（如碳化钛、碳化硼等）来设计碳纤维与铝合金的界面成分与结构，从而达到抑制不良界面化学反应的发生，杜绝碳纤维与铝合金脆性界面产物的形成，提高钻杆高温性能的效果。研究并建立碳纤维与铝界面成分和结构对钻杆性能的强化机制。在此基础上，借助高温原位表征及测试手段，获得碳纤维与铝界面成分和结构在高温下的演变规律以及其对钻杆的各项高温性能的影响。

深部油气资源开发要求钻杆在深部地层的高温环境下长时间工作，对钻杆的高温强度提出了更高的要求。本项目碳纤维为增强相加入到铝合金中有效的提高了铝合金钻杆材料的使用温度。同时研究发现碳纤维加入对铝合金钻杆材料的高温强度提高并没有达到理论预测值，经过研究其主要原因是铝和碳纤维的界面处形成了脆性的棒状碳化铝。拉伸过程中应力在棒状碳化铝界面产物处集中并导致碳纤维被剪切断裂，限制了碳纤维应力传递效果的发挥，因而碳纤维高强度的特点在复合材料中并没有得到充分的发挥。为进一步提升铝合金钻杆材料的高温强度，本项目对碳纤维和铝合金的界面进行设计，研究了通过预先在碳纤维表面形成碳化硼镀层、碳化钛镀层和氧化钛镀层对碳纤维增强铝合金钻杆材料的高温强度影响。研究表明碳化硼镀层不能有效的抑制脆性的棒状碳化铝界面产物形成不能起到有效的强化效果；碳化钛镀层能隔绝碳纤维和铝合金基体避免脆性的棒状碳化铝界面产物，但碳化钛镀层本身也可以成为裂纹扩展的通道，使得碳纤维整体脱落，对碳纤维增强铝合金钻杆材料的高温强度改善有限；氧化钛镀层的加入可以在界面形成不连续的碳化钛和氧化镁复合界面，有效的抑制了脆性界面产物的形成并且自身不会促进裂纹的扩展，因而使得碳纤维增强铝合金钻杆材料的室温和高温强度得到进一步提升。镀氧化钛的碳纤维使得2024 铝合金的室温抗拉强度从 427MPa 上升至 525MPa，7075 铝合金的室温抗拉强度从 575MPa 上升至 590MPa。在 150℃时镀氧化钛的碳纤维使得2024 铝合金的强度从 357MPa 提升至 442MPa，7075 铝合金的强度从 441MPa 提升至 535MPa。