TiB2/Al-Zn-Mg-Cu复合管材的沉淀调控：强度与耐蚀性协同优化机制

为解决深井钻探中铝基复合材料（PRAMCs）强度与耐蚀性难以协同提升的问题，研究人员通过原位合成TiB2纳米颗粒与挤压成型技术，系统研究了TiB2/7055复合管在不同时效处理下界面沉淀（IPs）与晶界沉淀（GBPs）的演化规律。研究发现，双级时效与回归再时效可调控IPs尺寸与分布，实现屈服强度（YS）达650 MPa的同时降低晶间腐蚀（IGC）敏感性，为深井钻杆材料设计提供了新思路。

　　

在石油资源开采向深部地层推进的背景下，传统钢制钻杆因密度高、耐蚀性不足难以满足超深井复杂工况需求。铝锌镁铜（Al-Zn-Mg-Cu）合金虽具备轻量化优势，但其强度与弹性模量不足，且在高氯离子环境中易发生晶间腐蚀（IGC）。更棘手的是，添加陶瓷颗粒增强的铝基复合材料（PRAMCs）中，TiB₂纳米颗粒虽能提升强度，却可能因界面电化学不均加剧腐蚀——这种"强度-耐蚀性此消彼长"的困境，成为制约深井钻杆材料发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国石油联合高校团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，创新性地采用混合盐反应法原位合成1.5 wt.% TiB₂/7055Al复合材料，通过挤压成型制备变径管材，并对比单级时效（T6）、双级时效（T7）和回归再时效（RRA）对微观组织与性能的影响。研究借助扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和电化学测试等技术，首次揭示了TiB₂/Al界面沉淀（IPs）的调控机制及其对力学与腐蚀行为的双重作用。

材料制备与热处理
采用K₂TiF₆-KBF₄混合盐反应法制备TiB₂/7055Al铸锭，经460℃/24h均匀化处理后，在420℃下以28:1挤压比成型。管材经固溶处理（470℃/1h水淬）后，分别进行120℃/24h（T6）、105℃/8h+165℃/18h（T7）和120℃/24h+200℃/30min+120℃/24h（RRA）时效。

时效前微观组织特征
挤压态复合材料中TiB₂颗粒（平均尺寸95.20±19.96 nm）沿挤压方向定向排列，固溶处理后基体呈强纤维织构。值得注意的是，能谱分析显示TiB₂颗粒周围存在Zn、Mg元素富集，预示其可能成为沉淀相优先形核位点。

时效处理对力学性能的影响
RRA处理样品展现出最优强度-耐蚀平衡：屈服强度达650 MPa，较T6处理提高12%，这归因于TiB₂颗粒的载荷传递效应与η'相（MgZn₂）沉淀强化的协同作用。透射电镜显示，RRA处理后IPs间距扩大至80-120 nm，有效缓解了应力集中；同时晶界沉淀（GBPs）中Cu含量提升至9.3 at.%，形成电化学惰性屏障。

界面沉淀与腐蚀机制
研究发现TiB₂/Al界面存在三类典型IPs：与基体共格的GP区（Guinier-Preston zone）、半共格η'相和非共格η相。T6处理导致IPs密集分布（间距<50 nm），诱发局部微电偶腐蚀；而RRA处理通过调控IPs尺寸（增至15-25 nm）和间距，使腐蚀路径由连续晶界扩展转变为"之字形"迂回，IGC深度降低61%。

结论与意义
该研究首次阐明TiB₂/Al界面沉淀的"尺寸-间距-成分"三维调控策略：通过RRA处理扩大IPs间距以缓解应力集中，增加Cu含量以提升GBPs惰性，同时保持η'相的高密度分布。这种多尺度协同优化使复合材料兼具650 MPa级高强度和低IGC敏感性（腐蚀速率<0.12 mm/year），为深井钻杆材料设计提供了理论依据。工程应用上，采用变径管设计结合RRA工艺，可显著降低深井钻探系统的重量与维护成本，对万米级超深井开发具有重要实践价值。