一种高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法及钻铤材料

摘要

本发明涉及钻铤材料强化领域，更具体地，本发明涉及一种高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法及钻铤材料。本发明采用冷轧、不完全再结晶退火以及表面纳米化相结合的方法制备出具有表面超细纳米晶层、纳米孪晶、微米再结晶、残留拉长变形粗晶相混合的异质层状结构不锈钢，表面超细纳米晶层可有效提高其防腐蚀性能，并且可有效提高不锈钢表面光洁度，硬质的纳米孪晶能够有效提高不锈钢强度，软质的微米再结晶及残留拉长变形粗晶保证了材料的塑性，大量的软硬界面可以有效地协调变形，通过背应力形式进一步提高材料的强度与塑性，并且可满足在苛刻条件下的力学性能要求，使得在具有高力学性能的同时，具有好的耐腐蚀性。

说明书

技术领域

本发明涉及钻铤材料强化领域，更具体地，本发明涉及一种高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法及钻铤材料。

背景技术

随着油气资源勘探开发的战略需求，深井、超深井及特超深井钻井技术是实现勘探和开发深部地层油气资源的保障，深层超深层油气勘探与开发对钻探机具用材料的服役性能提出了更高的要求，如对钻探机具的磨损(不同岩层特性引起)、疲劳断裂(扭转、受压、离心力、动载等)、腐蚀(应力腐蚀破裂、晶间腐蚀、均匀腐蚀、电化学腐蚀、风蚀、冲蚀、裂缝腐蚀等)等性能带来更大的挑战。深层超深层油气钻探过程中钻铤是钻柱的重要组成部分，用于提供钻头切削地层所需要的钻压和防止井斜，其中无磁钻铤保证测井仪器(利用磁性原理)的测量结果准确性，保证井眼轨迹符合要求。长用于定向井、水平井、大位移井和要求很高的直井。其中交变弯曲应力、应力腐蚀及磨损是造成钻铤材料失效破坏的主要因素。据统计我国每年发生钻具事故数百起，其中钻铤失效占据比例较大，造成经济损失达数亿元。在超深层复杂地质环境施工中常发生钻铤断裂失效，直接引发重大事故造成重大经济损失。

不锈钢如316L奥氏体不锈钢因其具有优异的抗氧化，抗腐蚀性能，以及其良好的加工硬化效果和成形性而被广泛地应用于钻铤生产中。然而粗晶态奥氏体不锈钢的屈服强度较低，在常温条件下一般只有100～300MPa，严重制约了其在超深钻井技术中的应用。深层超深层油气勘探与开发对钻探机具用材料的服役性能提出了更高的要求，对不锈钢的强塑性匹配性能提出了更高的要求，因此快速制备出大批量的具有良好强塑性匹配的不锈钢显得至关重要。但传统的加工强化并不能有效增强其力学性能和耐腐蚀性能，达到力学和耐腐蚀性的平衡，所以找寻一个更加经济有效，更能满足工业加工的方法尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明第一个方面提供了一种高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法，包括：

对不锈钢依次经过固溶处理、冷轧处理、不完全再结晶退火处理和表面纳米化处理，得到异构组织钻铤材料。

作为本发明一种优选的技术方案，所述固溶处理中，将不锈钢在850～1150℃保温20～600min，空冷至室温，得到奥氏体组织，所述奥氏体组织的平均晶粒尺寸为30～130μm。

作为本发明一种优选的技术方案，所述冷轧处理中，冷轧总下压量为60～85％，冷轧速度≤12m/min。

作为本发明一种优选的技术方案，所述不完全再结晶退火处理中，退火温度为700～900℃，退火时间为5～60min。

作为本发明一种优选的技术方案，所述表面纳米化处理后，形成10～45μm的表面超细纳米晶层。

作为本发明一种优选的技术方案，所述表面纳米化处理中，表面纳米化处理时间为30～360min，表面纳米化次数≥36690次/m

作为本发明一种优选的技术方案，所述表面纳米化处理的方法选自表面机械研磨处理、表面机械碾磨处理、表面机械滚压处理、超声冲击表面处理、旋转加速喷丸处理中的一种。

作为本发明一种优选的技术方案，所述异构组织钻铤材料的结构为异质层状结构，所述异质层状结构包括条带状聚集的再结晶晶粒，细化的超细晶、纳米晶、纳米孪晶，和拉长变形的粗晶。

作为本发明一种优选的技术方案，所述条带状聚集的再结晶的体积分数一般在10～60％，平均晶粒尺寸为1～8μm，纳米孪晶的体积分数在5～20％，纳米晶体积分数在15～55％，拉长变形粗晶体积分数在5～15％。

本发明第二个方面提供了一种异构组织钻铤材料，根据所述的高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法制备得到。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1)本发明采用冷轧、不完全再结晶退火以及表面纳米化相结合的方法制备出具有表面超细纳米晶层、纳米孪晶、微米再结晶、残留拉长变形粗晶相混合的异质层状结构不锈钢。

2)异质层状结构中表面超细纳米晶层可有效提高其防腐蚀性能，并且可有效提高不锈钢，尤其是316L不锈钢表面光洁度，硬质的纳米孪晶能够有效提高不锈钢，尤其是316L不锈钢的强度，软质的微米再结晶及残留拉长变形粗晶保证了材料的塑性，与此同时，大量的软硬界面可以有效地协调变形，通过背应力形式进一步提高材料的强度与塑性，使得力学性能相当于处理前的不锈钢性能提高2～3倍，并且可满足在苛刻条件下的力学性能要求。

3)通过对不锈钢使用固溶、冷轧处理，可得到纳米晶、纳米孪晶、超细晶等待装冷轧组织，之后进行退火之后，使得部分超细晶、纳米晶、纳米孪晶等转化成再结晶晶粒，得到异质层状结构，最后进行表面纳米化处理，使得冷轧结构表面形成一定厚度的表面超细纳米晶层，进一步细化晶粒，从而得到一定厚度的层状结构和合适的晶粒长度，使得在具有高强、高韧力学性能的同时，具有好的耐腐蚀性。

4)本发明提供的制备方法条件简单，操作容易，可大规模工业化生产。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。

说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。

此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。

以下通过具体实施方式说明本发明，但不局限于以下给出的具体实施例。

本发明第一个方面提供了一种高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法包括：

对不锈钢依次经过固溶处理、冷轧处理、不完全再结晶退火处理和表面纳米化处理，得到异构组织钻铤材料。

不同不锈钢的成分含量不同，使得固溶处理、冷轧、退火和表面纳米化时的温度、时间也不同，本发明对不锈钢，尤其是奥氏体不锈钢进行研究，来提高力学和防腐蚀性能，奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。本发明所述奥氏体不锈钢可列举的有，316L、904L、317LMN、254SMO、654SMO，优选的为316L。在一种优选的实施方式中，本发明所述不锈钢的质量百分比含量为：C≤0.03wt％，Si≤1.0wt％，Mn≤2.0wt％，P≤0.045wt％，S≤0.03wt％，Ni：10.0～14.0wt％，Cr：16.0～18.0wt％，Mo：2.0～3.0wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

固溶处理(solution treatment)是指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺，最终得到合适晶粒尺寸，本发明固溶处理的装置不做具体限定，可列举的有，高温箱式马弗炉。在一种实施方式中，本发明所述固溶处理中，将不锈钢在850～1150℃保温20～600min，空冷至室温，得到奥氏体组织；在一种实施方式中，本发明所述固溶处理中，将温度升温到850～1150℃后，放入不锈钢保温20～600min，空冷至室温。

申请人发现，通过控制固溶温度和时间，可以获得合适的晶粒尺寸，随着温度和时间的增加，晶粒尺寸增加，申请人发现，当固溶温度在在850～1150℃，具有合适的晶粒尺寸，且随着温度增加，晶粒均匀性增加，但申请人发现，当温度高于1150℃，保温时间过长时，碳化物的固溶效果增强，晶粒变得粗大，使得力学性能下降，不利于后续加工。优选地，本发明所述固溶处理中，固溶温度为850～1150℃，保温时间为20～600min；在一种优选的实施方式中，本发明所述固溶处理中，固溶温度为850～1150℃，保温时间为100～600min；在一种优选的实施方式中，本发明所述固溶处理中，固溶温度为850～1150℃，保温时间为200～500min。

申请人发现，通过控制固溶温度和时间，空冷后晶粒尺寸可控制在30～130μm，有利于后续冷轧中马氏体结构的转变，以及纳米晶、超细晶、纳米孪晶的生成。更优选地，本发明所述奥氏体组织的平均晶粒尺寸为30～130μm；在一种实施方式中，本发明所述奥氏体组织的平均晶粒尺寸为30～100μm；在一种实施方式中，本发明所述奥氏体组织的平均晶粒尺寸为30～80μm。

平均晶粒尺寸表示晶粒的大小，本发明不对平均晶粒尺寸的具体测试方法做进一步限定，可列举的有，XRD。

冷轧是在室温条件下将材料进一步轧薄至为目标厚度。和热轧比较，冷轧厚度更加精确，而且表面光滑、漂亮，同时还具有各种优越的机械性能，特别是加工性能方面。但是冷轧原卷比较脆硬，不太适合加工，所以通常情况下冷轧钢板要求经过退火等步骤，本发明不对冷轧处理的装置进行限定，可列举的有，冷轧机，如中型同步轧机。在一种实施方式中，本发明所述冷轧处理中，在室温下对奥氏体组织进行冷轧处理，得到冷轧板。

优选地，本发明所述不锈钢的厚度为5～35mm，冷轧板厚度为0.3～6mm。

申请人发现，当控制冷轧下压量和冷轧速度时，有利于促进奥氏体到马氏体的转变，随着下压量和冷轧速度的增加，奥氏体晶粒组件发生转化成马氏体晶粒，剪切带数量减少，当下压量到60％时，组织主要由马氏体组成，细化的超细晶、纳米晶、纳米孪晶生成，最终形成带状冷轧组织，随着下压量增加，冷轧后硬度、屈服强度和抗拉强度，但申请人发现，当超过85％时，会造成延伸率下降。更优选地，本发明所述冷轧处理中，冷轧总下压量为60～85％，冷轧速度≤12m/min。

冷轧总下压量为冷轧轧制后轧件高度的减少量。

冷轧速度为每分钟冷轧后高度的减少量。

进一步优选地，本发明所述冷轧处理中，每道次压下量为0.04～0.1mm。

再结晶退火(recrystallization annealing)是将经过冷变形加工的工件加热至再结晶温度以上，保温一定时间后冷却，使工件发生再结晶，从而消除加工硬化的工艺。退火一般只需制定最高加热温度和保温时间，加热和冷却速度可以不考虑，退火的特点为组织和性能是单向不可逆变化。在一种实施方式中，本发明所述不完全再结晶退火处理中，将经固溶处理、冷轧处理、表面纳米化处理后的不锈钢进行退火后，空冷至室温。

在700～900℃条件下对316L不锈钢进行5～60min的退火处理，随后迅速冷却至室温，保温过程中，原先冷变形组织中变形严重的区域优先再结晶形成带状的再结晶偏聚，与纳米孪晶、残留的超细晶/纳米晶以及残留拉长的变形粗晶共同构成异质层状结构组织。申请人发现，通过退火处理，片层间纳米晶、孪晶和超细晶等产生更多的再结晶晶粒，再结晶的体积分数和平均粒径增加，当在一定退火温度和退火时间时，可控制再结晶的体积分数和平均晶粒尺寸合适，再结晶之间存在纳米孪晶束和纳米晶、超细晶等，在提高力学性能的同时提高防腐蚀性能。且申请人发现，当退火温度过高或退火时间过长时，再结晶体积分数过大，层间存在过度融合，且过高的退火温度和时间会影响表面纳米晶层的结构，对力学和腐蚀性能产生不利影响，而当退火温度和时间较小时，无法完全渗入组织内部，同样会对力学性能产生影响。优选地，本发明所述不完全再结晶退火处理中，退火温度为700～900℃，退火时间为5～60min；进一步地，本发明所述不完全再结晶退火处理中，退火温度为700～850℃，退火时间为10～30min。

表面纳米化是利用各种物理或化学方法，将材料的表层晶粒细化至纳米量级,制备出具有表面超细纳米晶层，基体仍然保持原有的状态，借以改善和提高材料的表面性能，如疲劳强度、抗蚀性和耐磨性等。申请人发现，需要控制表面纳米化后纳米表层的深度，从而控制最终异质层状结构的每层的厚度，且申请人发现，腐蚀性能和最终生成的结构中的每层厚度有关，而应力性能和每层厚度和晶粒尺寸，如长度有关，两者相互影响，甚至两者相反，当纳米表层深度不当，形成的超细晶、纳米晶和纳米孪晶等的分布和比例不当，也会影响最终异质层状结构的形成和分布，从而无法达到防腐蚀性能和力学性能的平衡。在一种实施方式中，本发明所述表面纳米化处理后，形成10～45μm的表面超细纳米晶层。

申请人发现，随着表面纳米化处理时间增加，表层的晶粒尺寸降低，表面超细纳米晶层深度增加，表面超细纳米晶层以及表面参与压力的产生，使得腐蚀敏感性下降，但申请人发现，随着处理时间继续增加，因为处理温度的升高而使得纳米晶略有回复，晶粒尺寸增加，以及孪晶和滑移台阶等，会造成腐蚀敏感性增加，不利于耐腐蚀性能。优选地，本发明所述表面纳米化处理中，表面纳米化处理时间为30～360min，表面纳米化次数≥36690次/m

目前表面纳米化的方法有，机械或超声等处理，如表面机械研磨处理(SMGT)、表面机械碾磨处理(SMRT)、表面机械滚压处理(USSP)、超声冲击表面处理、旋转加速喷丸处理(RASP)。超声冲击(UIT)表面纳米化是利用超声能量在金属机械零部件上方便、快速、低成本、大规模地进行表面纳米化加工处理的新方法，通过超声冲击可在多种金属材料表面获得了纳米晶体结构，形成表面为纳米晶，晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构。更优选地，本发明所述表面纳米化处理的方法选自表面机械研磨处理、表面机械碾磨处理、表面机械滚压处理、超声冲击表面处理、旋转加速喷丸处理中的一种。进一步地，本发明所述表面纳米化处理的方法为超声冲击表面处理。

更优选地，本发明所述异构组织钻铤材料的结构为异质层状结构，所述异质层状结构包括条带状聚集的再结晶晶粒，细化的超细晶、纳米晶、纳米孪晶，和拉长变形的粗晶。

超细晶材料是指在三维空间尺寸至少有一维是处于亚微米数量级(0.1

进一步优选地，本发明所述条带状聚集的再结晶的体积分数一般在10～60％，平均晶粒尺寸为1～8μm，纳米孪晶的体积分数在5～20％，纳米晶体积分数在15～55％，拉长变形粗晶体积分数在5～15％。通过所述方法制得的异质层状结构不锈钢，如异质层状结构316L不锈钢屈服强度为750～1250MPa，抗拉强度为850～1360MPa，均匀延伸率≥10％，防腐蚀性能相比于316L增强≥25％。

本发明第二个方面提供一种异构组织钻铤材料，根据如上所述的高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法制备得到。

实施例

下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例所用设备为：高温箱式马弗炉、超声表面纳米晶强化设备、中型同步轧机。

本实施例提供一种高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法，依次包括：

固溶处理：将不锈钢板材放入950℃的高温箱式马弗炉中保温360min，取出空冷至室温，固溶处理后粗晶态不锈钢晶粒尺寸比较均匀，平均晶粒尺寸约为65μm；

冷轧处理：在室温条件下对固溶处理的不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.05mm，最终将板厚轧制为3.75mm，总轧制压下量为75％；

不完全再结晶退火处理：最后将高温箱式马弗炉加热至850℃，接着放入表面纳米化处理后的不锈钢板材，保温25min，迅速取出空冷至室温；

表面纳米化处理：将轧制后不锈钢钢板进行表面纳米化处理，使用超声表面纳米晶强化设备对316L不锈钢钢板进行100min的表面纳米化处理，处理后钢板表层形成10μm厚的表面超细纳米晶层；

所述不锈钢为5mm厚316L不锈钢板材，其质量百分比含量为：C≤0.03wt％，Si≤1.0wt％，Mn≤2.0wt％，P≤0.045wt％，S≤0.03wt％，Ni：10.0～14.0wt％，Cr：16.0～18.0wt％，Mo：2.0～3.0wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本实施例还提供一种异构组织钻铤材料，根据如上所述的高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法制备得到。

通过本实施例得到的异构组织钻铤材料方法制备得到具有表面超细纳米晶层、纳米孪晶、微米再结晶、残留拉长变形粗晶相混合的异质层状结构异构组织钻铤材料，其屈服强度可达到950MPa，抗拉强度可达1030MPa，断裂延伸率～20％；对于未处理的样品，其屈服强度～350MPa，抗拉强度～490MPa，断裂延伸率～40％。对经过本实施例强化后的样品以及未处理的样品经过慢应变速率拉伸腐蚀试验(温度：200℃、应变速率：4.5×10

本实施例提供一种高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法，依次包括：

固溶处理：将不锈钢板材放入1150℃的高温箱式马弗炉中保温240min，取出空冷至室温，固溶处理后粗晶态不锈钢晶粒尺寸比较均匀，平均晶粒尺寸约为55μm；

冷轧处理：在室温条件下对固溶处理的不锈钢板材进行冷轧处理，轧制每道次压下量为0.08mm，最终将板厚轧制为3mm，总轧制压下量为60％；

不完全再结晶退火处理：将高温箱式马弗炉加热至800℃，接着放入表面纳米化处理后的不锈钢板材，保温30min，迅速取出空冷至室温；

表面纳米化处理：将将轧制后不锈钢钢板进行表面纳米化处理，使用超声表面纳米晶强化设备对316L不锈钢钢板进行150min的表面纳米化处理，处理后钢板表层形成大约18.5μm厚的表面超细纳米晶层；

所述不锈钢为5mm厚316L不锈钢板材，其质量百分比含量为：C≤0.03wt％，Si≤1.0wt％，Mn≤2.0wt％，P≤0.045wt％，S≤0.03wt％，Ni：10.0～14.0wt％，Cr：16.0～18.0wt％，Mo：2.0～3.0wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本实施例还提供一种异构组织钻铤材料，根据如上所述的高强、高韧异构组织钻铤材料的制备方法制备得到。

通过本实施例得到的异构组织钻铤材料方法制备得到具有表面超细纳米晶层、纳米孪晶、微米再结晶、残留拉长变形粗晶相混合的异质层状结构异构组织钻铤材料，其屈服强度可达到870MPa，抗拉强度可达990MPa，断裂延伸率～25％；对于未处理的样品，其屈服强度～350MPa，抗拉强度～490MPa，断裂延伸率～40％。对经过本实施例强化后的样品以及未处理的样品经过慢应变速率拉伸腐蚀试验(温度：200℃、应变速率：4.5×10

本对比例提供一种钻铤材料的制备方法，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，制备方法依次包括固溶处理、冷轧处理、不完全再结晶退火处理。

本例还提供一种钻铤材料，根据如上所述的钻铤材料的制备方法制备得到。

通过本实施例得到的钻铤材料，其屈服强度可达到735MPa，抗拉强度可达790MPa，断裂延伸率～32％；对经过本实施例强化后的样品经过慢应变速率拉伸腐蚀试验(温度：200℃、应变速率：4.5×10

本对比例提供一种钻铤材料的制备方法，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，所述表面纳米化处理中，将轧制后不锈钢钢板进行表面纳米化处理，使用超声表面纳米晶强化设备对316L不锈钢钢板进行300min的表面纳米化处理，处理后钢板表层形成34μm厚的表面超细纳米晶层。

本例还提供一种钻铤材料，根据如上所述的钻铤材料的制备方法制备得到。

通过本实施例得到的钻铤材料，其屈服强度可达到1020MPa，抗拉强度可达1260MPa，断裂延伸率～18.1％；对经过本实施例强化后的样品经过慢应变速率拉伸腐蚀试验(温度：200℃、应变速率：4.5×10

前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。