一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺制造技术

一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺，该合金中Zn含量为0~5.0wt.%，Si含量为0~5.0wt.%，Mn含量为0.1~8.0wt.%，Sn含量为0~15.0wt.%，Ga含量为0~10.0wt.%，In含量为0.1~2.0wt.%，Y含量为0.1~0.5wt.%，其余为Al。其制备方法包括高温熔炼纯铝锭、配比添加合金元素、搅拌扒渣、冷却浇注。通过在熔炼过程中加入稀土元素Y来细化铸态晶粒，提高材料的强度和腐蚀性能。所制备出的稀土Y改性高强度可溶解铝合金既具有优良的力学性能，又兼具良好的水溶解性能，完全满足实际工况使用要求。

A rare earth Y modified high strength soluble aluminum alloy and its smelting process

A high strength soluble aluminum alloy modified by rare earth Y and its melting process are described. The content of Zn, Si, Mn, Sn, Ga, in the alloy is 0-5.0wt., 0-5.0wt., 0.1-8.0wt., 0-15.0wt., 0-10.0wt., in, 0.1-2.0wt., Y, 0.1-0.5wt., and the rest is Al. The preparation method includes high temperature melting pure aluminum ingot, adding alloy elements in proportion, stirring and slag removing, and cooling pouring. By adding rare earth element Y into the melting process to refine as-cast grain, the strength and corrosion resistance of the material are improved. The high strength soluble aluminium alloy modified by rare earth Y has excellent mechanical properties and good water solubility, which fully meets the actual operating conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺
本专利技术属于有色金属制备
，涉及一种可溶解铝合金，具体涉及一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺。
技术介绍
水力压裂技术是一项应用于低渗透油气田的增效开采技术。该技术在施工过程中，需采用大量井下工具对不同作业层的施工管柱进行封堵。如果这些工具能够在服役期间满足基本的应用性能要求，又能在服役后迅速溶解，无需切削，保持井筒畅通。这将会极大减少施工周期，节约施工成本。因此，研发一种高强度可溶解材料以制备井下压裂工具对于保障我国油田的稳产和高产有着十分重要的意义。目前，最常用的可溶解材料主要包括可溶解有机材料、可溶解无机材料和可溶解金属材料。由于可溶解有机材料和可溶解无机材料要么强度低、耐高温、高压性能差，要么溶解速度慢，所以其难以在油气田压裂等对材料热力学性能要求较高的领域使用。因此，使用可溶解金属材料是目前一种最佳的选择。美国专利（US2007/0181224）公开了一种合金，该合金包括占主要比例的一种或多种活性金属，以及占少量比例的一种或多种合金化产物。主要包含诸如金属元素镓（Ga）、铟（In）、锌（Zn）、铋（Bi）和铝（Al）这类位于元素周期表第Ⅰ和Ⅱ主族中的金属元素。该合金的特征在于其在特定条件下可控制其溶解速度。但是该合金的抗拉强度仅能达到几十个MPa，而且专利中并未涉及稀土元素Y对材料组织性能的影响。专利WO2016/165041A1提出了一种高强度可溶解铝合金材料，该材料能够在服役期间满足高机械强度的使用要求，又能在服役完成后迅速溶解。然而，大量的井下工具对材料的抗拉强度（500~600MPa）提出了更高的要求。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺，在熔炼过程中加入稀土元素Y来细化铸态晶粒，提高材料的强度和腐蚀性能。所制备出的稀土Y改性高强度可溶解铝合金既具有优良的力学性能，又兼具良好的水溶解性能。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金，按质量百分比包括以下成分：Zn0~5.0wt.%，Si0~5.0wt.%，Mn0.1~8.0wt.%，Sn0~15.0wt.%，Ga0~10.0wt.%，In0.1~2.0wt.%，Y0.1~0.5wt.%，其余为Al。一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金熔炼工艺，包括以下步骤：1）首先将纯度为4N的铝锭放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至740~780℃使之熔融为铝液；2）加入预制的块状Zn，搅拌均匀，温度回升至740~780℃后保温15分钟，然后进行搅拌、扒渣；3）当炉温再次升回至740~780℃时，依次加入块状Mn、Si、Sn、Ga和In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为780℃，待炉温升至780℃时再加入稀土元素Y，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃后浇注在事先预热的模具中，从而制备出稀土Y改性高强度可溶解铝合金铸件。进一步，所述的熔炼炉中，整个过程利用氩气或氮气等惰性气体来保护熔体。。进一步，所述的特制覆盖剂的成分为羊粪与氯盐的混合物。进一步，所述的模具为直径40mm×长150mm的圆柱体。进一步，所述的模具的预热温度为200~300℃。与现有技术相比，本专利技术技术方案的突出性实质特点和显著性的进步主要体现在：1）本专利技术在熔炼过程中添加了稀土元素Y，在保证材料溶解速率可控的同时细化了合金的铸态组织，提高了材料的综合力学性能，材料的抗拉强度可达到300~500MPa。2）整个熔炼过程当中，利用氩气来保护熔体，避免了元素的烧损。3）熔炼前加入了特制的覆盖剂，有效减少了铝合金的吸氢量，避免了氧化物等杂质的形成。4）本专利技术工艺过程简单，制备出的材料力学性能和溶解性能良好，可直接用于制作满足实际工况要求的井下工具。附图说明图1为现有技术不添加稀土元素材料的铸态金相组织照片；图2为添加稀土元素Y之后材料的铸态金相组织照片；图3为稀土Y改性高强度可溶解铝合金熔炼装置示意图，其中1为氩气瓶；2为压力表；3为阀门；4为干燥剂；5为通气管；6为搅拌头控制器；7为固定支架；8为搅拌头；9为喷吹气管；10为石墨坩埚熔炼炉；11为铝合金熔液。具体实施方式下面结合附图和具体实施例来进一步说明本专利技术的技术方案：实施例1：首先将高纯铝锭（纯度4N）放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至750℃使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方82.0%重量加入3.0wt.%Zn，搅拌均匀，温度回升至750℃后保温15分钟，进行搅拌、扒渣。当炉温再次升回至750℃时，依次加入0.2wt.%Mn、1.0wt.%Si、10.0wt.%Sn、2.35wt.%Ga和1.3wt.%In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为780℃，待炉温升至780℃时再加入0.15wt.%的稀土元素Y，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃后浇注在事先预热的模具中，从而制备出稀土Y改性高强度可溶解铝合金铸件。整个熔炼过程中，使用氩气来保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为405MPa。在70℃、3%KCl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为55.7mg/(h·cm2)。实施例2：首先将高纯铝锭（纯度4N）放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至760℃使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方76.0%重量加入3.0wt.%Zn，搅拌均匀，温度回升至760℃后保温15分钟，进行搅拌、扒渣。当炉温再次升回至760℃时，依次加入5.0wt.%Mn、3.0wt.%Si、10.0wt.%Sn、1.5wt.%Ga和1.0wt.%In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为780℃，待炉温升至780℃时再加入0.5wt.%的稀土元素Y，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃后浇注在事先预热的模具中，从而制备出稀土Y改性高强度可溶解铝合金铸件。整个熔炼过程中，使用氩气来保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为324MPa。在70℃、3%KCl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为45.2mg/(h·cm2)。实施例3：首先将高纯铝锭（纯度4N）放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至760℃使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方88.5%重量加入1.5wt.%Zn，搅拌均匀，温度回升至760℃后保温15分钟，进行搅拌、扒渣。当炉温再次升回至760℃时，依次加入2.0wt.%Mn、2.0wt.%Si、1.7wt.%Sn、3.0wt.%Ga和1.0wt.%In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为780℃，待炉温升至780℃时再加入0.3wt.%的稀土元素Y，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃后浇注在事先预热的模具中，从而制备出稀土Y改性高强度可溶解铝合金铸件。整个熔炼过程中，使用氩气来保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金，其特征在于，按质量百分比包括以下成分：Zn 0~5.0wt.%，Si 0~5.0wt.%，Mn 0.1~8.0wt.%，Sn 0~15.0wt.%，Ga 0~10.0wt.%，In 0.1~2.0wt.%，Y 0.1~0.5wt.%，其余为Al。

【技术特征摘要】
1.一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金，其特征在于，按质量百分比包括以下成分：Zn0~5.0wt.%，Si0~5.0wt.%，Mn0.1~8.0wt.%，Sn0~15.0wt.%，Ga0~10.0wt.%，In0.1~2.0wt.%，Y0.1~0.5wt.%，其余为Al。2.一种稀土Y改性高强度可溶解铝合金熔炼工艺，其特征在于，包括以下步骤：1）首先将纯度为4N的铝锭放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至740~780℃使之熔融为铝液；2）加入预制的块状Zn，搅拌均匀，温度回升至740~780℃后保温15分钟，然后进行搅拌、扒渣；3）当炉温再次升回至740~780℃时，依次加入块状Mn、Si、Sn、Ga和In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为780℃，待炉温升至78...

【专利技术属性】
技术研发人员：周勇，党墨含，赵飞，孙良，高倩，李健，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61