本发明专利技术公开了一种于水及水介质环境中可溶解铝基合金材料及其制备方法，该合金由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；低熔点金属为Ga、In、Sn和Bi、Pb，其中Ga、In、Sn为合金中必备元素，合金可加入Bi和Pb中的一种或多种，但Pb含量不能超过0.3wt.％；强化铝合金的元素为Ti、Cu、Fe、Mg、Zn、Mn、Si、Li、Zr、Y和Gd中的一种或多种，其中Cu和Mg为合金中必备元素。本发明专利技术所述合金在常压下冶炼，然后浇铸于模具中以制成铸件，经固溶和时效处理后形成产品。所得产品在水及水介质环境中的起始反应温度和溶解速率均可调控。且合金的强度大，可用于制备井下可溶工具，所制备工具在高温和高压的含水环境中可自行分解。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于铝合金材料领域，为制备于水及水介质环境中可溶解的井下工具提供一种铝合金及其制备方法，可溶铝合金产品可用于制备石油钻井的压裂工具。
技术介绍
水力压裂技术是一项应用于低丰度、低渗透油气田的增效开采技术。该技术通过向井内注入较高压力(～70MPa)的压裂液将地层压裂，利用压裂液中的支撑剂充填裂缝来改变油气的渗流方式以实现油气的增产。为了给管柱内的压裂液施加压力，施工过程中采用压裂球和桥塞等工具对不同作业层的施工管柱进行封堵，然后自下而上逐级压裂。由普通合金制成的压裂球等工具因滞留井中降低了油井的产能，而压裂球一旦卡在封隔器上则需用特殊工具切削，既延长了施工周期又提高了施工成本。针对上述问题，众多石油公司研发了于水及水介质环境中可溶解的压裂工具，如：由树脂、镁或铝复合材料制备的压裂球，而可溶解的桥塞和球座等工具尚未开发出来。在压裂施工过程中油管内的水压接近70MPa，因此可溶工具要求具备足够高的强度及一定的塑性。压裂前油管内的水温较低，但压裂后水温可升至50℃以上。所以，压裂前可溶合金必须不溶解，而压裂后合金方可溶解。另外，于施工结束后合金需要在一定的时间内完全溶解，这要求合金还要具备一定的溶解速率。因此，可溶铝合金作为结构件使用除了要求具备足够高的强度和一定的塑性外，还须兼备良好的溶解性能，即合金的起始反应温度和溶解速率均可调控。铝表面存在一层极薄的致密氧化膜是导致铝不与水反应的根本原因。如果将铝与一些低熔点金属(Ga、In、Sn)合金化，由这些低熔点金属在铝晶粒表面上形成的界面低熔点相可破坏铝表面氧化膜的连续性。当合金与水接触时界面低熔点相中的铝与水即发生放热反应，利用铝晶粒中的铝原子能够向液态界面低熔点相中不断扩散，铝便可持续与水反应。为了满足可溶铝合金的溶解性能和力学性能，合金中同时添加了低熔点金属(Ga、In、Sn)和多种强化合金元素。固溶和时效工艺可改变合金的晶粒和界面相的结构，利用热处理工艺亦可调控铝合金综合性能。
技术实现思路
本专利技术公开了一种于水及水介质环境中可溶解铝基合金材料及其制备方法，所述合金可采用传统的铸造工艺制备，该工艺产量大且效率高。铸件可根据需求制成各种形状，减小了后续产品的机械加工量。该可溶解铝基合金具备良好的溶解性能和力学性能，适于制备井下可溶压裂工具。本专利技术具体提供了一种于水及水介质环境中可溶解的铝基合金，其特征在于：所述合金由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，低熔点金属的最佳组合为为Ga、In和Sn三种；强化铝合金元素为Cu和Mg。本专利技术所述铝基合金，其特征在于：所述低熔点金属中Ga、In和Sn的重量比为：Ga：In：Sn＝(60～70)：(20～30)：(10～20)。本专利技术所述铝基合金，其特征在于：所述低熔点金属还包括Bi和/或Pb，其中Pb的含量不超过0.3wt.％；所述强化铝合金元素还包括Ti、Fe、Zn、Mn、Si、Li、Zr、Y和Gd之一种或多种。本专利技术所述铝基合金，其特征在于：所述铝基合金的优选成分以及最佳配比为重量比Al:Ga:In:Sn:Cu:Mg:Ti＝(90～94):(1.5～3):(0.2～0.8):(0.2～0.5):(1～2.4):(1.5～5):(0.02～0.2)。本专利技术提供的技术方案中，加入低熔点金属是为了阻止铝晶粒表面上形成氧化膜，促使铝与水持续反应。加入强化铝合金元素是为了强化铝合金，并改善合金的塑性。本专利技术所述铝基合金包含Al固溶体和Ga-In、Ga-Sn、Ga-In-Sn共晶及金属间化合物，主要依靠铝与水的反应来溶解，在水及水介质环境中的起始反应温度和溶解速率均可调控，以满足不同工况的施工要求。本专利技术还提供了所述铝基合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)、多元铝合金的熔炼：将铝、含有强化铝合金元素的中间合金以及低熔点金属根据合金成分配制合金；合金在常压下熔炼，铝液表面覆盖造渣剂；熔炼期间向铝液中加入铝钛硼合金以细化合金晶粒(Ti在铝合金中的成分优选为0.02wt.％～0.2wt.％)，熔炼后期铝液经精炼处理。(b)、多元铝合金的浇铸成型：将铝液浇于铸模具中制成各种形状的铸件，包括：球、棒，管，楔形等；铝液可采用倾转浇铸和低压铸造的方式成型。(c)、铸件经固溶和时效形成产品：所述铸件的淬火温度为470℃～510℃，时间为1～2小时；时效温度为160℃～190℃，时间为14～20小时。其中，淬火温度为490℃，时间为1.5小时；时效温度为180℃，时间为16小时的条件下，合金的强度大且塑性好。该工艺方法产量大且效率高，后续产品的机械加工量小，后续固溶和时效处理在调节合金的溶解性能(溶解起始温度和溶解速率)的同时，可进一步提高合金的强度。按照该方法制备的可溶铝基合金其屈服强度可达300MPa以上，维氏硬度在130以上。本专利技术所述铝基合金，其特征在于：通过调节合金中低熔点金属和强化铝合金元素的含量来控制铝与水的起始反应温度和溶解速率，其中起始反应温度在50℃-85℃范围，合金的溶解速率在0.1g/h-10g/h。本专利技术所述铝基合金在水及水介质环境中的起始反应温度和溶解速率均可调控，可用于制备多种石油井下压裂工具，包括：压裂球、桥塞、压裂球座等，这些工具在温度较高的含水环境中可自行分解。附图说明图1 Al91Mg3Cu1Si0.2Ti0.1Ga3.2In1Sn0.5铝合金的微观形貌和界面相的成分。图2 Al91Mg3Cu1Si0.2Ti0.1Ga3.2In1Sn0.5铝合金在室温的压缩曲线。图3 Al91Mg3Cu1Si0.2Ti0.1Ga3.2In1Sn0.5铝合金在90℃水中的溶解量与时间的关系。具体实施方式如未特殊说明，本专利技术所涉及的硬度均指维氏硬度。实施例1按合金Al91Mg3Cu1Si0.2Ti0.1Ga3.2In1Sn0.5的质量比准确称取各金属，用坩埚熔炼炉先熔化铝，合金的熔炼温度为730℃。待加入的其他金属熔化，在铝液表面撒上一层清渣覆盖剂(KCl和MgCl的混合物)。按Ti含量0.1wt.％加入铝钛硼(Al94Ti5B)晶粒细化剂后，对铝液进行15分钟精炼处理。铝液静置一段时间后，去除铝液表面的氧化渣。将铝液浇铸于模具中，待铝液完全凝固后，将铸态合金放入淬火炉中加热至490℃并保温1.5小时。取出合金于油中淬火，淬火后铸件在时效炉中于180℃保温16小时。通过断口形貌测得合金的平均晶粒尺寸为84μm，界面相中主要包含Al、Ga、Sn或Al、Ga、In(图1)。合金压缩时的屈服强度为320MPa，在变形量超过25％时合金未断裂(图2)。用维氏硬度仪在200g载荷下测得合金的硬度值为140。合金在纯水中于64℃时开始与水反应。样品尺寸为2cm的正方体合金在90℃水温的平均溶解速率为1.5g/h(图3，表1)。实施例2重复实施例1的过程制备Al90Mg4Cu2Si0.2Ti0.1Ga2.5In0.8Sn0.4合金。淬火温度470℃，保温1.2小时。合金于油中淬火，淬火后铸件的时效温度为160℃保温18小时。合金的屈服强度为332MPa，变形量超过25％时合金未断裂。合金在200g载荷本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种于水及水介质环境中可溶解的铝基合金，其特征在于：所述合金由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。
【技术特征摘要】
1.一种于水及水介质环境中可溶解的铝基合金，其特征在于：所述合金由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。2.按照权利要求1所述铝基合金，其特征在于：所述低熔点金属中Ga、In和Sn的重量比为：Ga：In：Sn＝(60～70)：(20～30)：(10～20)。3.按照权利要求1所述铝基合金，其特征在于：所述低熔点金属还包括Bi和/或Pb，其中Pb的含量不超过0.3wt.％；所述强化铝合金元素还包括Ti、Fe、Zn、Mn、Si、Li、Zr、Y和Gd之一种或多种。4.按照权利要求3所述铝基合金，其特征在于：所述强化铝合金元素还包括Ti。5.按照权利要求4所述铝基合金，其特征在于：所述铝基合金的成分以及配比为重量比Al:Ga:In:Sn:Cu:Mg:Ti＝(90～94):(1.5～3):(0.2～0.8):(0.2～0.5):(1～2.4):(1.5～5):(0.02～0.2)...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪伟，陈德敏，陈伟，杜邦登，杨柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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