一种耐压快速降解的铸造铝合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种耐压快速降解的铸造铝合金及其制备方法。所述合金由下述组份按重量百分组成：Cu：3～8％，Mg：3～8％，Sn：0～5％，Ga：3～9％，In:1～3％，余量为Al。同时Ga/In的质量百分比不低于3。其制备方法为：按设计的组分配比，称取各组分，先将铝、铜、镁放入熔炼炉中，熔化后降温，再将锡、镓、铟放入铝铜镁合金熔体中，精炼除气除渣，静置并浇铸，然后再经过固溶时效处理。本发明专利技术组分配比合理，工艺过程简单，通过调控合金的成分，获得耐压快速降解的铸造铝合金。所得产品的降解性能与耐压强度明显超过现有的同类产品。其性能满足石油天然气多级滑套分段压裂技术对压裂工具材料耐压可降解性能的要求。

Pressure resistant quick degradation casting aluminium alloy and preparation method thereof

The invention relates to a fast casting aluminium alloy with high pressure resistance and degradation and a preparation method thereof. The alloy is composed of the following components according to weight percentage: Cu:3 to 8%, Mg:3 to 8%, Sn:0 to 5%, Ga:3 to 9%, In:1 to 3%, and margin to Al. At the same time, the mass percentage of Ga/In is not less than 3. The preparation method is as follows: according to the design ratio, weighting, the aluminum, copper and magnesium in the smelting furnace, melting after cooling, the tin, gallium and indium in Al Cu Mg alloy melt, degassing refining slag, static and casting, and then through the solid solution aging treatment. The casting ratio of the invention is reasonable and the process is simple. By controlling the composition of the alloy, the cast aluminium alloy with high pressure resistance and quick degradation can be obtained. The degradation properties and compressive strength of the products are much higher than those of the existing products. Its performance meets the requirements of oil and natural gas multi staged sliding fracturing technology for fracture resistance and biodegradability of fracturing tools.

【技术实现步骤摘要】
一种耐压快速降解的铸造铝合金及其制备方法
本专利技术涉及一种耐压快速降解的铸造铝合金及其制备方法，铸造铝合金可作为石油天然气开采用的多级滑套分段压裂技术用压裂工具材料。属于压裂工具材料制备

技术介绍
页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。近几年来，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。多级滑套分段压裂技术是近年来油气井工程
发展起来的一项新型石油、天然气储层改造技术，主要应用与页岩气和低渗透储层的定向井、水平井的压裂增产改造。该项技术可根据地层地质状况与储层开发的需要，采用封隔器将水平井分隔成若干段，通过地面头球控制装置向井内依次投入直径由小到大的憋压球，逐级打开滑套，有针对性地对产层岩石进行压裂，形成石油、天然气流体裂缝通道，以扩大油气产层的泄油面积，提高油气采收率。在这项技术中，关键部位之一是压裂工具，包括憋压球、球座及滑套等，压裂工具材料要求具有耐压及快速降解的特点。美国专利公布了一种可分解的多层包覆的核壳结构式复合材料制备方法(美国专利，US2011/0132143A1,2011年)，该专利显示，通过在纳米级核体金属粉末(如镁、铝、锌、锰及其合金)颗粒的表面，采用化学镀的方法，镀上多层不同金属或金属氧化物纳米级壳层，如Al、Ni、Al2O3等，然后再把镀层后复合粉末进行烧结，获得具有一定降解性能的纳米复合材料，但该方法要求在活性比较高的纳米级镁、铝、锌、锰及其合金粉表面镀多层纳米级金属或金属氧化物，极大的增加了该材料的生产成本，无法进行工业化生产。而中国专利(专利号201110328251.9)公布了一种用于分段压裂投球滑套打开的新材料憋压球，尽管该专利制备的材料密度比较低，但该专利采用的是高分子材料制备憋压球，憋压球材料在高温腐蚀介质中不发生分解，导致在多级滑套分段压裂技术中必需使用钻具将憋压球钻掉，极大地增加了生产成本。中国专利(专利号201300901104160)公布了一种轻质耐压快速分解的铸造镁合金，采用含高铝高锌含量的Mg-Al-Zn系合金为基础，通过添加Cu、Ni、Ag等元素，调控合金的降解性能，使合金具有轻质耐压快速降解的特征，但因镁的活性比较高，强度相对铝较低，生产上具有较大的安全隐患性，所制备的材料结构不均匀，而且材料的制备成本相对比较高，不适合压裂工具的大规模工业化生产。铝合金具有活性比较低、强度明显超过镁合金、生产较为安全及工艺相对比较简单等优点。美国专利(专利号US2007/0181224A1、US20080105438)报道了以Al-Mg-Si系合金为基础，通过添加Ga、Zn、Bi、Sn等元素，采用熔炼铸造发制备了可降解的Al-Mg-Ga-Zn-Bi-Sn系合金，但合金的强度较低(低于350MPa)，其降解速度达不到压裂工具的要求。中国专利(专利号201410819770.9)公布了一种高强可降解铝合金材料的制备方法，同样以Al-Mg-Si系合金为基础，采用Sn、Mn、Ga、In、Zn等元素为添加剂，加入到铝中，通过熔炼铸造方法制备成Al-Mg-Si-Sn-Ga-In系合金，并通过热处理提高其降解性能，但该合金的降解速率低，在50℃水中的降解速率低于0.3g/h，同时该材料的强度达不到压裂工具的要求。中国专利(专利号201610327671.8)公布了一种于水及水介质环境中可降解的铝基合金，采用低Cu、低Mg含量的铝合金为基础，合金由90wt.％～94wt.％的Al、1.8wt.％～4.8wt.％的低熔点金属以及2.5wt.％～7.6wt.％的强化铝合金元素组成，其中低熔点金属为Ga、In和Sn，强化铝合金元素为Cu和Mg，其中Cu含量为1～2.4wt.％，Mg含量为1.5～5wt.％，该专利技术的合金的起始反应温度只是50～85℃，但在开采页岩气时，地下的温度超过了90℃，因此需要压裂工具的承载温度在90℃以上，所以导致该材料很难用于环境恶劣的工况。为了提高强度和降解速率，降低生产成本，制备具有高强度可降解的满足压裂工具用的材料，本专利技术者提出通过优化合金成分设计，采用熔炼铸造方法，制备耐压快速降解的铸造铝合金，以满足多级滑套分段压裂技术中对压裂工具材料的分解性能要求。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在针对现有页岩气开采用的多级滑套分段压裂技术中所使用的压裂工具材料的技术不足和缺陷，提出一种组分配比合理、生产工艺简单、成本低廉、可快速降解的铸造铝合金及其制备方法，使铝合金的降解性能超过现有报道的可降解铸造镁合金与铝合金，以满足压裂工具对材料的要求。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金，包含以下重量百分比的组分：Cu：4～8％，Mg：3～8％，Sn：0～5％，余量为Al，各组分重量百分之和为100％。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金，包含以下重量百分比的组分：Cu：4～8％，Mg：3～8％，Sn：0～5％，Ga：3～9％，In:1～3％，余量为Al，各组分重量百分之和为100％。优选的，本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金，包含以下重量百分比的组分：Cu：6～8％，Mg：5～8％，Sn：2～5％，进一步优选为2～2.5％，Ga：6～9％，In:2～3％，余量为Al，各组分重量百分之和为100％。进一步优选，本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金，包含以下重量百分比的组分：Cu：8％，Mg：8％，Sn：2.5％，Ga：9％，In:3％，余量为Al，各组分重量百分之和为100％。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金，Cu/Mg的质量分数之比≥1，Ga/In的质量分数之比≥3。本专利技术设计的一种耐压可溶解的铸造铝基复合材料，其起始反应温度为90℃～150℃、优选为90～93℃，当也可针对实际工况选择适宜的起始反应温度。当起始反应温度为90～93℃，其特别适用于开采页岩气时，地下的温度超过了90℃的恶劣环境。初始分解温度过高，不利于其降解、过低则过早的降解导致其强度降低过快。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金的制备方法，包括下述步骤：按设计的耐压快速降解的铸造铝合金组分配比，称取各组分，先将铝源、铜源放入熔炼炉中，升温熔化后再将镁源加入熔化，精炼除气除渣，然后降温并加入锡源、镓源、铟源，搅拌熔化，精炼除气除渣，静置，然后浇铸，再经过固溶、淬火、时效处理。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金的制备方法，将铝源、铜源放入熔炼炉中，升温至750～800℃。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金的制备方法，铝源、铜源、镁源熔化精炼后，降温至660～730℃，加入锡源、镓源、铟源搅拌熔化。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金的制备方法，浇铸时温度控制为660～730℃。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金的制备方法，固溶温度为400～460℃、优选为430～450℃，时间1～5h、优选为1～3h；时效温度为120～180℃、优选为120～160℃，时效时间为5～20h、优选为10～20h。本专利技术一种耐压快速降解的铸造铝合金的制备方法，固溶处理后淬火，淬火介质为无水有机介质，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐压快速降解的铸造铝合金，包含以下重量百分比的组分：Cu：4～8％，Mg：3～8％，Sn：0～5％余量为Al，各组分重量百分之和为100％。

【技术特征摘要】
1.一种耐压快速降解的铸造铝合金，包含以下重量百分比的组分：Cu：4～8％，Mg：3～8％，Sn：0～5％余量为Al，各组分重量百分之和为100％。2.根据权利要求1所述的一种耐压快速降解的铸造铝合金，其特征在于：包含以下重量百分比的组分：Cu：4～8％，Mg：3～8％，Sn：0～5％Ga：3～9％In:1～3％余量为Al，各组分重量百分之和为100％。3.根据权利要求2所述的一种耐压快速降解的铸造铝合金，其特征在于：包含以下重量百分比的组分：Cu：6～8％，Mg：5～8％，Sn：2～2.5％，Ga：6～9％，In:2～3％，余量为Al，各组分重量百分之和为100％。4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种耐压快速降解的铸造铝合金，其特征在于：Cu/Mg的质量分数之比≥1，Ga/In的质量分数之比≥3。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种耐压快速降解的铸造铝合金，其起始反应温度为90℃～150℃。6.一种制备如权利要求1-3任意一项所述的耐压快速降解的铸造铝合金的方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖代红，王梦凡，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43