一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料制造技术

一种具有宽腐蚀速率范围的Mg‑Zn‑Ni三元镁合金材料，原料组分按照100wt％计，为：Zn 4‑10wt％，Ni 0.5‑4wt％，其余为Mg，三者通过熔炼反应生成合金；本发明专利技术通过生成不同相以及相数量的差异，实现宽腐蚀速率范围变化，同时调整其力学性能，具体是Mg、Zn、Ni三种合金元素通过熔炼反应生成合金，其组织组成相包括αMg、Mg

【技术实现步骤摘要】
一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料
本专利技术涉及油气开采用可降解镁合金材料，特别涉及一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，是基于相图设计的低成本宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料。
技术介绍
近年来，随着我国经济快速增长，对能源的需求量越来越大，石油、天然气供求矛盾越来越大，仅靠常规油气供应将很难满足国民经济发展的需要，发展非常规油气资源成为解决我国能源安全问题的有效手段。页岩气作为一种非常规天然气，在我国储量非常丰富，初步估计，我国页岩气可采资源量在36.1万亿立方米，居世界首位。这意味着大力发展页岩气开采产业成为了解决我国能源安全问题的有效手段。与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，但是埋藏深度深、渗透率较低，开采难度比较大，一般采用水平井和分段多级压裂相结合的方式进行开采。随着水平井分段压裂技术的迅速发展，应用于分段压裂工艺的完井工具(如压裂球、球座、桥塞等)由可钻、易钻向可降解的方向发展。这一发展，可以避免因钻除完井工具所带来的时间、经济成本等，大大提高了生产效率。目前压裂用完井工具的可降解材料主要有非金属可降解材料和金属可降解材料。非金属可降解材料一般是高分子材料，虽然可以自行降解，但是抗压强度较低，由这种材料制成的压裂球在作业过程中容易出现变形或者破裂而卡在球座上，造成失效。所以，目前主要研究方向转向了金属可降解材料。国外可降解材料比较成熟，形成了可降解球、可降解球座、可降解桥塞等多种工具。我国使用的这类工具基本还是靠进口，但国外进口产品的价格贵，且供货商单一，国内企业容易受制于人。此外，国外与国内的地质环境即温度、pH值、地下水成分等不同，进口材料难以满足我国复杂地质环境的实际要求。国内有很多企业和高校也在研发此类材料，通过专利和文献调研发现，这些研究中的大部分金属可降解材料的成分都比较复杂，有些含有数十种合金元素，如专利CN104004950B易溶性镁合金材料及其制造方法和应用中含有多达13种合金元素，专利CN106636821A一种智能降解镁合金材料及其制备方法和应用中合金元素多达19种，且含有多种含量很高的稀土元素；有些添加过多的稀土元素导致材料制备成本增加，如上述专利以及专利CN109295368A含镍高强韧可控降解镁合金材料及其制备方法和应用中描述添加稀土元素含量最高达到了28％，有些添加了过多高密度合金元素，导致材料密度过大，如专利CN103343271A一种轻质耐压快速分解的铸造镁合金中含有9种合金元素，且添加的Al、Zn含量最高达到了25％和15％，不利于井下工具的传送等，而且绝大多数专利中的腐蚀速率范围调节较小，无法通过简单的成分配比实现腐蚀速率的数量级变化，如专利CN107523732B一种含Na快速降解镁合金及其制备方法，专利CN105950930A一种可溶挤压态镁合金及其制备方法等专利中实施例腐蚀速率变化不大。因此，研发出适于国内腐蚀环境可宽范围调节腐蚀速率的、合金元素种类少且密度较低、满足使用要求的可降解材料对于国内页岩气开发的发展至关重要。目前我国亟需研发具有自主知识产权的可降解镁合金，以用于页岩气开采完井及压裂工具中。
技术实现思路
基于现有可降解材料存在的以上问题，本专利技术的目的在于提供一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，通过分析完善三元合金相图，设计不同成分的Mg-Zn-Ni三元合金，通过生成不同相以及相数量的差异，实现宽腐蚀速率范围变化，同时调整其力学性能，以满足油气开采中对可降解材料的不同需求。一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，原料组分按照100wt％计，为：Zn4-10wt％，Ni0.5-4wt％，其余为Mg，三者通过熔炼反应生成合金。本专利技术通过生成不同相以及相数量的差异，实现宽腐蚀速率范围变化同时调整力学性能，具体是Mg、Zn、Ni三种合金元素通过熔炼反应生成合金，其组织组成相包括αMg、Mg2Ni相、MgZnNi相、MgZn相等，其中，由于Mg2Ni相与基体的电极电位差比较大，在腐蚀环境中容易发生电偶腐蚀，从而加快腐蚀的发生；MgZnNi相、MgZn相与基体电极电位差相对比较小，腐蚀过程相对缓慢；在制备合金过程中，通过合理调节各元素的含量，可以控制生成不同物相并改变其数量，从而调控合金的腐蚀速率使其在一定范围内变化。本专利技术使用的合金元素常规且只有三种，不含贵金属元素、稀土元素、有毒有害元素等，合金元素种类少，含量适中，制备方便，成本低廉，具有明显优势，且通过简单调整成分即可实现腐蚀速率数量级间的变化。附图说明图1是实施例3的铸态组织扫描图。图2是实施例3的铸态组织能谱范围图。图3是实施例3的图2中区域1的能谱图。图4是实施例3的铸态压缩曲线图。图5是实施例3的挤压态TD方向组织扫描图。图6是实施例3的挤压态ED方向组织扫描图。图7是实施例3的挤压态拉伸曲线图。图8是实施例9的铸态组织扫描图。图9是实施例9的铸态组织能谱范围图。图10是实施例9的图9中区域6的能谱图。图11是实施例9的铸态压缩曲线图。图12是实施例9的挤压态TD方向组织扫描图。图13是实施例9的挤压态ED方向组织扫描图。图14是实施例9的挤压态拉伸曲线图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术做详细叙述。本专利技术设计不同成分的Mg-Zn-Ni三元合金，通过生成不同相以及相数量的差异，实现宽腐蚀速率范围变化，同时调整其力学性能，以满足油气开采中对可降解材料的不同需求。合金元素常规且只有三种，按照100wt％计，为：纯度大于99.98％的锌含量4-10wt.％，镍含量0.5-4wt.％，其余为镁。制备工艺为真空感应熔炼反应，根据上述设计成分进行配料，选用纯度大于99.98％的镁块、纯度大于99.98％的锌块以及镁镍中间合金(MgNi30)作为原料，对原料进行清洗，以去除表面油污、氧化皮等。熔炼选用不锈钢坩埚或者石墨坩埚皆可，浇铸选择具有拔模斜度的石墨坩埚以便脱模。将配好的原料与熔炼、浇铸所用坩埚放入干燥箱进行烘干。装料：采用真空感应熔炼炉进行熔炼。清理熔炼炉内壁、熔炼观察镜和炉门橡胶密封圈，关闭炉门，利用机械泵和扩散泵抽真空。抽到一定真空度后关闭真空泵，通入适量保护气。熔炼过程分为升温熔化、保温均匀化和降温浇铸三个阶段。浇铸坩埚放于室温下的水冷锭模中。浇铸过程中应该保证液态金属匀速浇出，以确保铸锭质量，待30分钟后取出铸锭。均匀化处理：将铸锭车削加工后，进行均匀化热处理，根据合金成分不同，在320～360℃范围内均匀化处理2～4h，取出水淬，得到热处理后试样。热塑性变形：去除均匀化处理后铸锭试样表面氧化皮，根据合金成分不同，在300～380℃之间先保温一段时间，再进行热挤压，挤压比16：1，挤压速度0.1～1.1mm/min。实施例1合金成分按照质量百分比为Zn含量4wt.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，其特征在于，原料组分按照100wt％计，为：Zn 4-10wt％，Ni 0.5-4wt％，其余为Mg，三者通过熔炼反应生成合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，其特征在于，原料组分按照100wt％计，为：Zn4-10wt％，Ni0.5-4wt％，其余为Mg，三者通过熔炼反应生成合金。


2.根据权利要求1所述的一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，其特征在于，合金成分按照质量百分比为Zn含量5.5wt.％，Ni含量2wt.％，其余为Mg，通过真空感应熔炼反应生成合金。


3.根据权利要求1所述的一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，其特征在于，合金成分按照质量百分比为Zn含量7wt.％，Ni含量0.5wt.％，其余为Mg，通过熔炼反应生成合金。


4.根据权利要求1所述的一种具有宽腐蚀速率范围的Mg-Zn-Ni三元镁合金材料，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘博宇，高霄鹏，柴东朗，单智伟，吴海，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61