一种高强度可溶铝合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于有色金属领域，一种高强度可溶铝合金及其制备方法，本发明专利技术通过调整Mg的百分含量并添加Ti和Zr元素进行复合细化强化，在真空环境下进行冶炼，避免Mg元素的烧损，并结合不同的热处理工艺，显著提升了合金的抗拉强度，得到可满足不同实际工况需求的可溶铝合金材料，为不同性能要求的工具提供可批量工业化生产的材料。所述高强度可溶铝合金的压缩屈服强度为110～300Mpa、压缩强度为500～900MPa、抗拉强度为140～400MPa、拉伸率为1～15％，所述高强度可溶铝合金在不同温度的清水和矿化度溶液中溶解速率均可调整，应用于具有溶解性要求的各种工具，例如暂堵工具、桥塞等。桥塞等。桥塞等。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度可溶铝合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于有色金属领域，具体涉及一种高强度可溶铝合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]我国在近几年探明的油气储量中，其中70％是低渗透的非常规油气资源，在未来我国油气产量中随着低渗透非常规油气资源所占比重的增长，其对于我国油气产能稳定增长的重要性将显著加大。开发这些非常规油气资源需要依靠水力压裂、酸压等储层改造工艺技术，其中采用套管、滑套、裸眼封隔器以及桥塞的多层多段分段压裂技术是正在广泛应用的技术之一。在井下分层分段压裂中，需要在层段间投球或者下入桥塞进行各层段间的封隔，再进行下一步施工，施工完成后，需要将暂堵工具去除。此前，此类工具大多由钢材制成，存在钻铣困难、耗时长、钻磨后的粉末、碎块不易返排等缺点。在井下工具中引入在水中可溶解材料，让工件在井下自行溶解失效，能省去钻磨和回收工序，降低工程风险，提高施工效率，同时也可避免钻屑及循环液对储层的伤害。因此，对于井下暂堵工具溶解材料的持续研发能同时达到提高产能和保护环境的目标，大幅提高作业效率，降低作业成本。
[0003]目前国内外井下工具材料应用较多的都是镁合金，镁合金强度低、制备工艺复杂，因镁易燃烧的特性也大大降低了镁合金的应用，本专利技术提出了一种强度高、延伸率大的可溶铝合金，大大扩展了制备的井下工具种类。
[0004]中国专利文献CN106906392A(CN201710327729.3)提出了一种耐压快速降解的铝合金及制备方法，其强化金属只有Cu和Mg元素，材料抗拉强度有限，整个暂堵工具在工作时，除压裂球外其他主体工具更多的处于拉伸状态，所以在评价材料力学性能时其拉伸性能更重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述问题提出了一种高强度可溶铝合金及其制备方法，主要解决现在技术对可溶解铝合金材料抗拉强度评价性较少，导致使用范围受限的问题。本专利技术的可溶铝合金材料通过调整低熔点金属和强化元素的种类和成分，有效改善了材料的抗拉强度，使其能够应用于有自降解需求的各种井下工具，强度及拉伸率可根据实际情况做出调整，并且溶解速率可调。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种高强度可溶铝合金，由以下组分组成：1～10wt.％低熔点金属、3.9～10.5wt.％强化元素，余量为铝；所述低熔点金属包括Ga、In和Sn；所述强化元素包括Cu、Mg、Ti、Si、Zr，所述Mg含量为3.5～7.5wt.％。
[0008]本专利技术的专利技术原理：通过调整低熔点金属和强化元素的含量，保证材料力学性能的同时，能够通过调整低熔点金属的成分及含量来调整溶解速率，由于低熔点金属在铝合金中的化合物为脆性材料，会弱化材料的抗拉性能，因此需要控制低熔点金属与强化元素的比例，并通过调整强化元素增强材料的抗拉性能；
[0009]溶解度方面：Ga、In和Sn同时加入合金中可形成熔点为10.7℃的Ga
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In
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Sn共晶具有阻碍和破坏铝表面氧化膜的作用。Ga
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In
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Sn共晶中镶嵌了大量铝小颗粒，这些铝小颗粒在与水接触时首先与水反应并释放大量热量，待这些铝小颗粒消耗完，覆盖在Ga
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In
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Sn共晶下铝晶粒中的铝便开始向Ga
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In
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Sn共晶中扩散，并补充Ga
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In
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Sn共晶中铝的浓度。这部分新迁移的铝会向Ga
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In
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Sn共晶表面不断移动，并接触水而反应，依靠这种方式合金中的铝便可持续与水反应，直到所有铝消耗完毕。所以，Ga
‑
In
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Sn共晶除了具有破坏铝表面氧化膜的作用外，还具备为铝原子提供扩散通道的作用，但是低熔点金属化合物脆性较大，并且在晶界处生成，削弱了材料的力学性能，通过复合添加Ti和Zr，用于细化铝基体和增强弥散强化效果，使低熔点金属化合物在界面分布的更加均匀，显著提升了材料的抗拉强度；
[0010]力学性能方面：由于本专利技术的基础合金为Al
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Mg
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Cu合金，通过添加Cu能够提高材料的机械性能；Mg元素能够有效强化铝基体，Mg的含量越高，材料的抗拉强度越大，但是Mg含量超过5％时，Mg与Al容易形成第二相Al3Mg2易粗大，使拉伸强度降低，因此Mg的含量控制在3.5～7.5wt.％，在合金铸造时，其凝固析出的S(Al2CuMg)相、θ(Al2Cu)相及Mg2Sn相，连续分布在铝基体的晶界上；而固溶时效析出的θ/(Al2Cu)相分布在铝基体内，虽然适量的S(Al2CuMg)相、θ(Al2Cu)相及Mg2Sn相能够增强合金的抗软化强度，但是连续分布的S(Al2CuMg)相、θ(Al2Cu)相及Mg2Sn相会相应弱化材料的抗拉强度，通过复合添加Ti和Zr细化铝基体和增强弥散强化效果，使S(Al2CuMg)相、θ(Al2Cu)相及Mg2Sn相更加细化，适量添加Si元素，改善合金的流动性，使S(Al2CuMg)相、θ(Al2Cu)相及Mg2Sn相分布更加均匀，从而增强了合金的抗拉强度。
[0011]根据本专利技术优选的：Ga、In和Sn中各成分的重量比为：Ga、In和Sn中各成分的重量比为：Ga：In：Sn＝(0.67～156)：(0.01～42)：1。
[0012]在本专利技术中，Ga具有良好的流动性，在溶解时Ga原子进去金属/氧化膜界面，形成活性点，随着Ga的堆积，这些活性点的氧化膜厚度变得越来越薄，最终氧化膜被破坏，Al基体溶解，同时Ga能改变铝晶粒在溶解过程中存在的各向异性，使铝阳极溶解均匀，因为在Al
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Ga合金中，Ga对Al的活化并不是一个瞬间的过程，因此能通过控制Ga的含量达到控制溶解速度的目的，同时保证合金不会过早溶解，另外由于Ga在Al合金中的固溶度较大，因此Ga元素为低熔点金属的主要成分。
[0013]在本专利技术中，In具有很强的活化性能。在含In的铝合金中，In以偏析相存在，并富集在金属、氧化膜界面之间。在活化反应时，In能有效的破坏Al表面的氧化膜，促使Al基体大量溶解，同时溶解在溶液中的In3+离子通过置换反应沉积在Al表面，从而使得活化得以继续，In的作用是降低合金熔点，增强在酸、碱以及中性溶液中的溶解性，加速易溶或降解速度，因此在不同酸碱度溶液环境下，通过控制In的含量使材料满足不同溶解速度，地底环境复杂，不同深度温度不同，一般为50～150℃，不同温度材料的溶解性能不同，不同溶解速度适用于不同的地层环境，但铟价格较贵，实际应用中需控制加入量。
[0014]在本专利技术中，Sn能溶于铝中形成固溶体，高价Sn4+在氧化膜表面取代Al3+，产生一个附加空穴，破坏铝表面的钝化膜，使铝表面钝化膜产生孔隙，降低其电阻。并且Sn还具有较高的析氢过电位，同时可以细化晶粒，还可以减少晶间的偏析相，改善腐蚀状况。但锡密度大对合金密度控制不宜。
[0015]根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度可溶铝合金，其特征在于：由以下组分组成：1～10wt.％低熔点金属、3.9～10.5wt.％强化元素，余量为铝；所述低熔点金属包括Ga、In和Sn；所述强化元素包括Cu、Mg、Ti、Si、Zr，所述Mg含量为3.5～7.5wt.％。2.根据权利要求1所述高强度可溶铝合金，其特征在于：Ga、In和Sn中各成分的重量比为：Ga：In：Sn＝(0.67～156)：(0.01～42)：1。3.根据权利要求2所述高强度可溶铝合金，其特征在于：Ga、In和Sn中各成分的重量比为：Ga：In：Sn＝(2～16)：(0.4～5.3)：1。4.根据权利要求1
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3任一所述高强度可溶铝合金，其特征在于：Cu、Mg、Ti、Si和Zr中各成分的重量比为：Cu：Mg：Ti：Si：Zr＝(2～25)：(16～72)：(0.4～3.5)：(0.04～0.5)：1。5.根据权利要求4所述高强度可溶铝合金，其特征在于：Cu、Mg、Ti、Si和Zr中各成分的重量比为：Cu：Mg：Ti：Si：Zr＝(2～25)：(16～72)：(0.4～3)：(0.04～0.5)：1。6.根据权利要求4所述高强度可溶铝合金，其特征在于：所述强化元素还包括RE稀土元素Sc、Er、La、Ce的一种或几种，优选的，所述RE稀土元素和Zr的重量比为：(0.04～5)：1。7.根据权利要求4所述高强度可溶铝合金，其特征在于：所述低熔点金属还包括Zn、Bi、Pb的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：支玲玲，温庆志，张东晓，
申请(专利权)人：青岛大地创鑫科技有限公司，
类型：发明
国别省市：