一种耐热可溶解镁合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种耐热可溶解镁合金及其制备方法和应用，以下原子百分数的元素组成：Lu 0.10％～8.00％、Ce 0.001～0.05％、Al 0.10％～0.60％、Ca 0.001％～0.50％、Cu 0.01％～1.00％、Ni 0.01％～1.00％，杂质元素＜0.30％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg‑Lu‑Al和Mg‑Ce‑Al。在150℃下具有良好的力学性能，在93℃、3％KCl溶液中的溶解速率为30‑100mg·cm

A Soluble Heat Resistant Magnesium Alloy and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种耐热可溶解镁合金及其制备方法和应用
本专利技术属于金属材料制备
，具体涉及一种耐热可溶解镁合金及其制备方法和应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。目前，页岩油气开采过程中大多使用压裂技术，常用部件包括：桥塞和暂堵球等。这些部件兼具结构性和功能性——在压裂开采时，实现支撑或者压力控制功能；使用完毕后需要在地下水环境下自然溶解。一般情况下，相关部件采用可溶解金属材料制备，这避免了高成本、低效率的人工剔除过程，也消除了管道堵塞的可能。可溶解金属材料包括：铝合金和镁合金。由于铝合金在碱性溶液环境中会发生明显钝化，这在一定程度上限制了其更广泛的应用。为满足不同油气田开采工况的需求，研究者通过合金化、改善成形工艺和热处理等方法制备了多种可溶解镁合金。专利201611015708.X《一种智能降解镁合金材料及其制备方法和应用》公开了一种Mg镁合金，含有Al、Zn、Sn、Ca、Gd、Dy、Y、Nd、La、Ce、Sr、Er、Zr、Ni、Ga、In、Fe、Cu等元素，通过熔炼、及特定的挤压铸造工艺加工获得相应产品。该合金产品抗拉强度≥200～250MPa，伸长率≥4～5％，抗压强度≥260～280MPa，主要用于石油、页岩气开采的井下工具。硕士论文《可溶镁合金力学性能及溶解性能试验研究》(张怀博，大连海事大学，2017)提供了一种Mg-Al-Zn镁合金，其提出当Al含量6.5％wt.时，获得的合金压缩强度和溶解性能最好，其抗压强度可达360～375MPa。然而，已公开的可溶镁合金专利大多未给出高温力学性能，而一些油气资源却是在较高的温度条件下开采的。专利CN1050018812B《一种耐热镁合金及其制备方法》公开了一种Mg-Al-Sn-Sm合金，该合金在200℃下，抗拉强度≥206MPa，屈服强度≥162MPa；专利CN107574325A《一种MgCeMnSc耐热镁合金的制备方法》公开了一种合金具有良好的室温/高温抗拉性能和300℃高温抗蠕变性能；专利CN107119220B公开了一种Mg-Sm-Al-Sn-Si-Mn-Ag-Zn-Ca耐热合金，该合金也具有优异的高温抗拉强度和抗蠕变性能。专利技术人发现，从已公开的文献中可以发现，已公开的耐热镁合金虽然高温力学性能较好，但又不具备可溶解性能，现有技术中的镁合金还无法同时获得良好的高温力学性能和可溶解性能。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的一个目的是提供一种耐热可溶解镁合金及其制备方法。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一方面，一种耐热可溶解镁合金，以下原子百分数的元素组成：Lu0.10％～8.00％、Ce0.001～0.05％、Al0.10％～0.60％、Ca0.001％～0.50％、Cu0.01％～1.00％、Ni0.01％～1.00％，杂质元素＜0.30％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。其中，杂质元素指在制备合金的过程中由原料带入的不可避免的杂质元素，即存在于金属中的但并非有意加入或保留的金属或非金属元素。该镁合金通过调节主元素Lu的含量以及Ce、Al、Ca、Cu、Ni的多元合金化得到耐热可溶解镁合金。Lu元素在镁中具有较大固溶度，因而具有固溶强化的作用。适量Lu元素的加入可以显著细化铸锭晶粒尺寸，提高合金在高温环境下的延伸率。另外，Lu元素的固溶度随温度下降而显著降低，通过后续时效处理可以得到弥散的高熔点Lu5Mg24相，从而提高其高温强度和抗蠕变能力。晶粒尺寸对材料力学性能有较大影响：在高温使用情况下，为了提高金属塑性和韧性，一般要求采用细晶粒；而为了提高抗蠕变性能和强度，一般需要采用大晶粒。因此，本专利技术的合金可以结合晶粒尺寸调控得到在高温下具有高延伸率或者高强度的材料。Ce、Al、Ca也具有明显细化晶粒的作用，并且Ce和Mg、Al可以分别形成Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相。Al还可以改善合金铸造过程的流动性，减少铸造缺陷。Mg、Lu/Ce、Al两两原子对具有负混合焓，并且原子半径的大小顺序为：Lu/Ce>Mg>Al，因而本专利技术合金可以通过铸造和后续时效处理得到长周期堆垛有序(LPSO)相——Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al相，进一步提高合金的性能。Cu、Ni可与镁形成分布于晶界和晶内的高熔点的金属间化合物(Mg2Cu和Mg2Ni)，通过调节二者的形态、尺寸和比例，可以获得良好的溶解性能。在一些实施例中，一种耐热可溶解镁合金，由以下原子百分数的元素组成：Lu0.10％～4.00％、Ce0.001～0.04％、Al0.20％～0.50％、Ca0.10％～0.40％、Cu0.10％～0.50％、Ni0.10％～0.50％，杂质元素＜0.30％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。在一些实施例中，一种耐热可溶解镁合金，以下原子百分数的元素组成：Lu0.50％、Ce0.02％、Al0.20％、Ca0.10％、Cu0.20％、Ni0.10％，杂质元素＜0.20％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。在一些实施例中，一种耐热可溶解镁合金，以下原子百分数的元素组成：Lu4.0％、Ce0.04％、Al0.50％、Ca0.50％、Cu0.40％、Ni0.20％，杂质元素＜0.20％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。第二方面，一种耐热可溶解镁合金的制备方法，具体步骤为：将各种原料按比例混合，将得到的混合料进行熔炼、精炼得到熔体，将熔体进行浇铸得到铸锭，将铸锭进行均匀化处理得到坯料，塑性加工坯料，将得到的成形件经过时效强化处理后得到镁合金。在一些实施例中，原料为纯镁锭、纯铝锭、Mg-Lu中间合金、Mg-Ce中间合金、Mg-Ca中间合金、Mg-Cu中间合金和Mg-Ni中间合金；优选的，原料为纯镁锭、纯铝锭、Mg-30wt.％Lu中间合金、Mg-30wt.％Ce中间合金、Mg-30wt.％Ca中间合金、Mg-30wt.％Cu中间合金和Mg-25wt.％Ni中间合金。在一些实施例中，熔炼的温度为720-760℃；在一些实施例中，熔炼的时间为40-60min；优选为50-60min；进一步优选为60min。在一些实施例中，精炼的时间为20-40min；优选为20min。在一些实施例中，精炼后升温至780-800℃，并进行静置；优选的，精炼后升温至760℃；优选的，静置时间为30-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐热可溶解镁合金，其特征在于：以下原子百分数的元素组成：Lu 0.10％～8.00％、Ce 0.001～0.05％、Al 0.10％～0.60％、Ca 0.001％～0.50％、Cu 0.01％～1.00％、Ni 0.01％～1.00％，杂质元素＜0.30％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg‑Lu‑Al和Mg‑Ce‑Al。

【技术特征摘要】
1.一种耐热可溶解镁合金，其特征在于：以下原子百分数的元素组成：Lu0.10％～8.00％、Ce0.001～0.05％、Al0.10％～0.60％、Ca0.001％～0.50％、Cu0.01％～1.00％、Ni0.01％～1.00％，杂质元素＜0.30％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：以下原子百分数的元素组成：Lu0.10％～4.00％、Ce0.001～0.04％、Al0.20％～0.50％、Ca0.10％～0.40％、Cu0.10％～0.50％、Ni0.10％～0.50％，杂质元素＜0.30％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。3.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：以下原子百分数的元素组成：Lu0.50％、Ce0.02％、Al0.20％、Ca0.10％、Cu0.20％、Ni0.10％，杂质元素＜0.20％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。4.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：以下原子百分数的元素组成：Lu4.0％、Ce0.04％、Al0.50％、Ca0.50％、Cu0.40％、Ni0.20％，杂质元素＜0.20％，其余为Mg，镁合金中形成Lu5Mg24、Mg2Cu、Mg2Ni、Mg12Ce、Al11Ce3和(Mg,Al)2Ca高温相，以及长周期堆垛有序的LPSO相Mg-Lu-Al和Mg-Ce-Al。5.一种权利要求1-4任一项镁合金的制备方法，其特征在于：将各种原料按比例混合，将得到的混合料进行熔炼、精炼得到熔体，将熔体进行浇铸得到铸锭，将铸锭进行均匀化处理得到坯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘运腾，刘聪，林涛，周吉学，刘玉，王美芳，唐守秋，
申请(专利权)人：山东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37