摘要
针对铝合金钻杆耐磨性和耐腐蚀性差导致其难以在深部钻井中应用的技术难题，本文以7075铝合金粉作为基体，玄武岩短纤维作为增强体，利用真空热压烧结技术制备了玄武岩纤维增强型铝基复合材料，并对其微观组织结构、密度和显微硬度等性能进行了研究。结果表明，玄武岩纤维在铝基体中分散均匀，界面处发生了化学渗透，SiO2和Al之间发生置换反应，从而获得了良好的界面结合强度，复合材料的密实度较高，玄武岩纤维的加入显著提高了复合材料的显微硬度。
20世纪60年代瑞典的克芮留斯公司成功研制了铝合金钻杆，苏联于1962年开始在石油勘探中使用铝合金钻杆，并施工了12262 m深的世界第一深钻SG-3井，获得了巨大的经济和社会效
国内相关部门已逐渐认识到铝合金钻杆的优越性，并积极开展相关应用和研究，形成一系列产
玄武岩纤维（Basalt Fiber，以下简称BF）是以天然玄武岩矿石作为原料，将其破碎后加入熔窑中，在l500~l700 ℃熔融
铝合金钻杆在钻井工程中，要承受较高温度、巨大的井下应力、扭转振动和碱性的泥浆环境，其本身硬度和强度较低，难以适应井下的复杂工况，尤其在碱性钻井液中铝合金钻杆受腐蚀和磨损严重，具有很大的安全隐
铝合金钻杆的弯曲应力和单位长度质量都远小于钢钻杆，其更适合在超深井、大位移井钻探中应用。目前常见的铝合金钻杆牌号为2024和7075两种，由于7075的强度高、耐腐蚀效果强和抗疲劳方面更符合超深井钻探需求，同时7075铝合金是一种高强度的锻压合金，可以通过热处理提升强度和硬度等机械性能，因此选择7075铝合金作为基体合金。实验选用7075铝合金粉（标称成分见
由于长玄武岩纤维在混料过程中容易发生团聚现象，难以均匀分散在铝基体中，无法起到弥散强化的作用，需要将玄武岩纤维制成短纤维。首先将玄武岩纤维短切至长度为2~3 mm，再将其进行机械球磨粉碎。球磨工艺参数为：使用乙醇作为助磨剂进行湿磨，球料比为4∶1，球磨转速为150 r/min，球磨时间为2 h。然后将球磨完的纤维烘干，再通过240目的标准筛进行筛分，从而获得长度为60 μm左右相对均匀的玄武岩短纤维。
制备了4组玄武岩短纤维质量分数分别为0.0%、0.2%、0.6%和1.0%的复合材料，以下简称为7075-xBF（x=0、0.2、0.6和1.0）。为了避免玄武岩短纤维在铝基体中团聚，玄武岩纤维增强铝基复合材料的制备过程如
图1 玄武岩纤维/7075铝基复合材料的制备过程
Fig.1 Preparation process of the basalt fiber/7075 aluminum composite
具体混料过程为：首先将玄武岩短纤维置于无水乙醇中通过超声波预分散30 min，再与 7075铝合金粉末配制成混合溶液，进行电磁搅拌50 min，搅拌完成后用真空泵进行抽滤，然后置于65 °C条件下的真空烘箱中保温干燥10 h，真空条件降温至室温后取出，采用公转速度为50 r/min、自转速度为100 r/min和球料比为1∶6的机械球磨参数混合3 h，最终获得干燥的混合预烧结合金粉料。
预烧结合金粉末利用石墨模具进行组装，采用真空热压烧结炉进行烧结成型。烧结工艺参数：烧结温度为580 °C，烧结压力为30 MPa，保温时间15 min。
根据7075铝合金的热处理工艺规范，对复合材料采用T6热处理，首先采用470° C、2 h固溶处理，之后采用120 °C、24 h人工时效处理。
图2 玄武岩纤维/7075铝基复合材料的光镜照片
Fig.2 Optical microscope photo of basalt fiber/7075 aluminum composites
为了进一步探究玄武岩纤维在7075铝合金基体中的结合形式，利用SEM观察了玄武岩纤维的分布，并利用EDS进行了元素分析，结果如
图3 玄武岩纤维/7075铝基复合材料的SEM照片及元素分析
Fig.3 SEM images and elemental analysis of basalt fiber /7075 aluminum composites
4Al+3SiO2=3Si+2α-Al2O3
随着反应的进行，反应物Al2O3逐渐由界面区域向纤维内部生长，反应推进一段距离后，金属基体即发生形核凝固。由于此反应伴随着物质元素的扩散迁移，在温度下降、基体凝固的情况下，Al原子只能通过晶界等高内能无序区域进行扩散，在动力学因素的抑制作用下，最终在纤维表层形成一层反应层。
针对不同玄武岩纤维含量的铝基复合材料，利用阿基米德排水法测量了其真实密度。如
采用显微硬度计对烧结态和热处理后不同玄武岩纤维含量的铝基复合材料的维氏硬度进行了测量，复合材料的硬度随玄武岩纤维含量的变化如
图4 玄武岩纤维/7075铝基复合材料的维氏硬度随玄武岩纤维质量分数的变化
Fig.4 Vickers hardness of basalt fiber /7075 aluminum composites as a function of the mass fraction of basalt fiber
（1）利用真空热压烧结工艺制备玄武岩纤维增强铝基复合材料是可行的，这种烧结工艺与“超声波预分散+溶剂辅助预分散+机械球磨”混料方法相结合实现了玄武岩纤维在铝基体中较为均匀的分布，制备的玄武岩纤维增强铝基复合材料还具有97 %以上的致密度。
（2）玄武岩纤维和铝基体之间发生化学置换反应，在两相的界面区域形成一个以Al2O3为主的反应区，因此玄武岩纤维和铝基体之间具有较好的界面结合强度。同时随着玄武岩纤维含量的增加，7075铝基复合材料的维氏硬度得到显著提高，并且热处理态的数值更均匀。
（3）本文尝试将取之于岩的玄武岩纤维用于制备钻进岩石用的铝合金钻杆材料，玄武岩纤维的力学性能和耐蚀性非常好，其密度又和铝合金接近，同时两者又具有较好的界面结合强度，这为设计制造新型轻质高强铝合金钻杆提供了一种新思路。
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