随着石油和天然气的消耗日益增加,地壳中的浅层地表资源逐渐枯竭。海洋油气资源的勘探开采已成为资源开发利用的必然趋势。与传统的钢钻杆比较,铝合金钻杆拥有比强度高、密度低、抗腐蚀性强、无磁性、与孔壁间摩擦阻力小等特点,在钻机功率相同的条件下,使用铝合金钻杆可以抵达钢质钻杆无法达到的深度。在深海钻探,深井,超深井和含硫气井的钻探开采中也具有很大的优势。当前,我国海上油气资源勘探用铝的研究仍低于世界水平,一些关键结构铝合金依旧依赖进口。国内的2024铝合金应用于海洋钻井平台的短板在于其硬度低、耐磨损性能不突出和强度低、抗弯扭能力较弱等。本文通过调整海洋工程用2024铝合金的成分和热处理工艺,使用X射线衍射仪（XRD）、金相显微镜、宏观硬度计、扫描电镜（SEM）、万能拉伸试验机等分析测试方法研究不同Zn含量和不同稀土Yb添加量对2024铝合金组织和性能的影响规律和机理,探讨了固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间等热处理工艺参数对合金组织和性能的影响,优化出综合性能最佳的合金成分配比和热处理工艺组合,以提高2024铝合金的综合性能,为2024铝合金应用于海洋钻井平台提供理论和实验依据。研究结果表明:当Zn的添加量为0.25 wt.%～1.0 wt.%时,随着Zn含量的提高,2024铝合金的晶粒细化效果增强,Zn含量为0.75 wt.%时,合金硬度达到78.8 HRB,但是当Zn含量到达1.0 wt.%时,出现了复杂Al₇Cu₂Fe第二相,影响合金的性能。固溶温度和固溶时间对第二相溶入α（Al）基体效果有显著影响,通过分析Al₂Cu、Al₂Cu Mg相的数量、形态和尺寸可以看出:当固溶温度在455℃～515℃时,随着固溶温度的升高,固溶效果增强,细小颗粒状第二相逐渐固溶进入基体,粗大第二相逐渐细化,2024铝合金硬度先上升后下降,固溶温度过高时,晶粒有长大的趋势。当固溶时间为4～6 h时,时间越长,固溶越充分,但伴有组织粗化现象。通过分析得到最佳固溶工艺为:495℃/5 h水淬,经此工艺处理后,2024铝合金的α（Al）基体组织均匀细小,固溶效果好,硬度达到88.9 HRB。将经过上述最佳固溶工艺处理的2024铝合金在175℃～205℃范围内时效,随着时效温度的升高,Al₂Cu、Al₂Cu Mg相析出效果明显,硬度先上升后下降。当时效工艺为195℃/12 h时,Zn含量为0.75 wt.%的2024铝合金表现出最优的综合力学性能,硬度、延伸率和抗拉强度分别为93.0 HRB、10.3%和353 MPa。以最优的0.75 wt.%Zn含量为基础,向2024铝合金中添加三种含量的稀土Yb,发现添加0.1 wt.%Yb后,2024铝合金铸态组织中生成了Al_7.4Cu_9.6Yb₂相,且晶粒得到了细化,并对稀土元素Yb的变质机理进行了研究。通过对固溶+时效处理工艺的单级优化,最终判定495℃/5 h的固溶处理+195℃/12 h的时效处理为三种Yb添加量的2024铝合金最优的热处理工艺。通过拉伸性能比较,优化出最佳的稀土Yb添加量为0.10 wt.%Yb,此合金经最优固溶时效工艺处理后,具有良好的综合力学性能,抗拉强度达到413 MPa,延伸率达到12.8%。