一种高强可降解铝合金及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种高强可降解铝合金，包括Al及以下重量百分比的组分：Zn：5～10％，Mg：1.5～5％，Cu：2～5％，Ga：1～3％，In：0.2～2％。本发明专利技术还相应提供一种上述高强可降解铝合金的制备方法。本发明专利技术的高强可降解铝合金通过控制加入的低熔点元素、强化铝合金元素与晶粒细化元素的量，最终制备得到的高强可降解铝合金具备高强度、高硬度与溶解性好等优点，具备良好力学性能的同时还具备良好的溶解性能，可大大拓宽该类铝合金材料的应用范围。

High strength degradable aluminum alloy and preparation method and application thereof

The invention discloses a high strength degradable aluminum alloy, including the components of Al and the following weight percentage: Zn:5 to 10%, Mg:1.5 to 5%, Cu:2 - 5%, Ga:1 - 3%, In:0.2 - 2%. The invention also provides a preparation method of the high strength and degradable aluminum alloy. The high strength degradable aluminum alloy of the invention has the advantages of high strength, high hardness and good solubility in the final preparation by controlling the addition of low melting point elements, strengthening the aluminum alloy elements and grain refining elements, and has good solubility in the same time with good mechanical properties. The scope of application of this kind of aluminum alloy material is widened.

【技术实现步骤摘要】
一种高强可降解铝合金及其制备方法、应用
本专利技术属于压裂工具材料领域，尤其涉及一种铝合金及其制备方法、应用。
技术介绍
页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中的、以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，其成分以甲烷为主，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取得了突破，产量得到了快速的增长，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，主要应用于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，有针对性的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。另外，现有的井底油气输出用管采用的是钢管材料，无法溶解，需要开发一种新型的高强度可溶解材料，以满足实际工业生产使用要求。美国专利公布了一种可分解的多层包覆核壳结构式复合材料制备方法(美国专利，US2011/0132143A1，2011年)，该专利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上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。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，极大的增加了生产成本。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，该镁合金以含高铝高锌含量的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。传统的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是一种典型的时效强化型铝合金，具有高强度高韧的优点，广泛应用于工业生产中，但该系合金耐腐蚀性能强，在水系及卤素溶液中几乎不分解，不能用作压裂工具(如憋压球、球座及滑套等)与井底油气输出用管材料。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与井底油气输出用管的要求。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1～1.5wt.％，该专利技术的合金在50℃～85℃范围的降解速率在0.1g/h～10g/h之间，而在85℃以上的温度范围内并没有报道其降解速率，但在开采页岩气时，地下的温度通常超过了90℃，因此需要压裂工具的承载温度在90℃以上，同时该专利所制备的合金的最大压缩屈服强度低于400MPa，满足不了压裂工具与井底油气输出用管的使用要求。中国专利(专利号201710327729.3)公布了一种以Al-Cu-Mg合金为基础的可溶解铸造铝合金，含有低熔点金属Sn、Ga、In等元素，但材料的抗压缩强度最大只有551MPa，达不到压裂工具中球座与滑套、井底油气输出用管等的使用要求。因此，进一步提高强度，改善降解速率，并降低生产成本，制备具有高强度可降解的、满足压裂工具与井底油气输出用管道材料以满足压裂工具(如憋压球、球座及滑套等)与井底油气输出用管对材料强度与降解性能的要求具有广阔的市场前景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种具有良好综合力学性能、可降解、低成本的高强可降解铝合金，并相应提供其制备方法及应用，该铝合金特别适用于井下可溶压裂工具与井底油气输出用管。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种高强可降解铝合金，包括Al及以下重量百分比的组分：Zn：5～10％，Mg：1.5～5％，Cu：2～5％，Ga：1～3％，In：0.2～2％。上述高强可降解铝合金中，优选的，所述铝合金中还包括以下重量百分比的组分：不超过0.5％的Zr，不超过0.5％的Ti，不超过0.5％的Sc，不超过0.5％的Er，不超过0.5％的Y，不超过0.5％的Mn，不超过0.5％的Cr。上述高强可降解的铝合金中，优选的，所述Ga与In的重量比为1～3。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述高强可降解铝合金的制备方法，所述高强可降解铝合金为铸态铝合金或挤压态铝合金，所述铸态铝合金的制备方法包括以下步骤：(1)称取各组分，将Al、Cu熔化后进行除气除渣精炼，再向铝铜合金熔体中加入Mg、Zn熔化后进行除气除渣精炼，降温后再加入Ga、In及其它剩余组分，搅拌，待Ga、In及其它剩余组分熔化后再次进行除气除渣精炼得到合金熔体；(2)将步骤(1)中制备得到的合金熔体进行静置、浇铸得到铸造铝合金；(3)将步骤(2)中制备得到的铸造铝合金进行退火、固溶、淬火及时效处理得到铸态铝合金；所述挤压态铝合金的制备方法包括以下步骤：(1)称取各组分，将Al、Cu熔化后进行除气除渣精炼，再向铝铜合金熔体中加入Mg、Zn熔化后进行除气除渣精炼，降温后再加入Ga、In及其它剩余组分，搅拌，待Ga、In及其它剩余组分熔化后再次进行除气除渣精炼得到合金熔体；(2)将步骤(1)中制备得到的合金熔体进行静置、浇铸得到铸造铝合金；(3)将步骤(2)中制备得到的铸造铝合金进行退火、热变形、固溶、淬火及时效处理得到挤压态铝合金。上述制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强可降解铝合金，其特征在于，包括Al及以下重量百分比的组分：Zn：5～10％，Mg：1.5～5％，Cu：2～5％，Ga：1～3％，In：0.2～2％。

【技术特征摘要】
1.一种高强可降解铝合金，其特征在于，包括Al及以下重量百分比的组分：Zn：5～10％，Mg：1.5～5％，Cu：2～5％，Ga：1～3％，In：0.2～2％。2.根据权利要求1所述的高强可降解铝合金，其特征在于，所述铝合金中还包括以下重量百分比的组分：不超过0.5％的Zr，不超过0.5％的Ti，不超过0.5％的Sc，不超过0.5％的Er，不超过0.5％的Y，不超过0.5％的Mn，不超过0.5％的Cr。3.根据权利要求1或2所述的高强可降解铝合金，其特征在于，所述Ga与In的重量比为1～3。4.一种根据权利要求1～3中任一项所述的高强可降解铝合金的制备方法，其特征在于，所述高强可降解铝合金为铸态铝合金或挤压态铝合金，所述铸态铝合金的制备方法包括以下步骤：(1)称取各组分，将Al、Cu熔化后进行除气除渣精炼，再向铝铜合金熔体中加入Mg、Zn熔化后进行除气除渣精炼，降温后再加入Ga、In及其它剩余组分，搅拌，待Ga、In及其它剩余组分熔化后再次进行除气除渣精炼得到合金熔体；(2)将步骤(1)中制备得到的合金熔体进行静置、浇铸得到铸造铝合金；(3)将步骤(2)中制备得到的铸造铝合金进行退火、固溶、淬火及时效处理得到铸态铝合金；所述挤压态铝合金的制备方法包括以下步骤：(1)称取各组分，将Al、Cu熔化后进行除气除渣精炼...

【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