一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料，按照质量百分比计算，包括如下原料：Al为2~10wt%，Cu为0.1~5.0wt%，Mn为0.1~5.0wt%；余量为镁和不可避免的杂质元素。本发明专利技术所述镁合金材料通过对各元素的用量进行调控，使镁合金在是温水中降解速率慢，在高温水中降解速率快，确保在石油钻井开采过程中对满足较低温度下的开采需求；同时，在含有Cl

【技术实现步骤摘要】
一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及镁合金材料
，具体涉及一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]我国非常规油气资源极为丰富，而压裂增产技术是煤层气、页岩油/气、致密气工业化开采的重要技术手段之一。传统的压裂球、桥塞分别采用钢材、纤维增强复合材料制备，存在钻铣困难、耗时长、钻磨后的粉末以及碎屑返排困难等缺点。美国Baker Hughes公司开发了压裂施工后可自行溶解的降解压裂球，极大地提高了非常规油气井压裂施工效率和技术紧急指标。随后开发了不同掺杂的铝基、胞状结构镁基可溶金属材料。但是，由于不同的地质环境，导致油田地层水中的Cl
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浓度存在巨大差异，而油田地层水中的Cl
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会对镁基可溶金属材料的性能造成巨大影响，导致可溶金属材料的溶解速度失控而无法满足施工要求，在较高的矿化度条件下，镁合金能够及时降解达到施工要求，但在低矿化度条件下，镁合金降解速率往往会非常慢，严重影响工程应用的要求；同样的，介质温度也会对可溶金属材料的性能带来不利影响，可溶金属材料普遍在较高的温度下具有优异的降解速度，能够迅速完成降解，根据行业标准，镁合金的承受能力要求至少为8小时，最慢降解速率为30天，但在低温下镁合金的降解速率一般不尽如人意，甚至在最慢降解速率的时间内仍然无法完成降解，导致可溶金属材料在低温的返排液中溶解速度较慢，而在高温度返排液中溶解速度较快。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料及其制备方法，以解决现有技术的可溶性镁基金属材料在低温或者低矿化度条件下镁合金降解速率无法满足施工需求的问题。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料，按照质量百分比计算，包括如下原料：Al为2～10wt％，Cu为0.1～5.0wt％，Mn为0.1～5.0wt％；余量为镁和不可避免的杂质元素。
[0006]本专利技术还提供一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：根据上述含Cu镁合金材料进行备料，将纯Mg及Mg
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Mn合金加入炉中熔炼，待熔化后加入纯Al、Mg
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Cu合金，同时向炉中通入惰性气体保护，在650℃～700℃保温至少30min；
[0008]步骤2：升温至750℃～780℃，缓慢搅拌至合金熔化，保温静置20min～30min，得到镁合金熔体；
[0009]步骤3：将得到的镁合金熔体倒入模具中，待其冷却后得到镁合金铸锭，在通过挤压得到所述可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料。
[0010]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0011]本专利技术所述镁合金材料通过对各元素的用量进行调控，在含有Cl
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水溶液中，使镁合金在低矿化度的条件下能够在要求时间内承受足够的压力，并且还能够及时、快速地降解；同时，在低温、低矿化度条件下，本专利技术所述镁合金材料能够满足行业标准(SYT7462
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2019)中对可溶桥塞的性能要求，当在要求时间内承受足够的压力后，也能及时、快速地降解，从而满足施工要求。
具体实施方式
[0012]下面将结合实施例对本专利技术作进一步说明。
[0013]一、实施例和对比例
[0014]本专利技术在对镁合金及加入镁合金中的各种元素进行深入研究后发现，在镁合金中，Al元素能够起到固溶强化的作用，提升镁合金材料的强度，所以Al元素含量对于提升镁合金的强度至关重要，需要将Al元素的用量控制在2～10wt％以内，进一步优化控制在3～9.5wt％，最优为3～9wt％，当Al元素含量低于3％时，Al元素对于镁合金强度的提升效果非常有限，难以满足可溶桥塞工作条件300MPa的要求；但是，Al元素与Mg基体形成的Mg17Al12相会恶化镁合金材料的塑性，特别是当Al元素的添加量超过9％时，镁合金材料中，Mg17Al12相的数量会大大增加，使得镁合金材料在变形过程中第二相附近产生大量微裂纹，导致其塑性变形能力急剧下降。
[0015]Mn元素能够与Al元素形成Al
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Mn金属间化合物，能够促进镁合金材料在挤压过程中形成细晶组织，有利于提高强度和塑性，进而实现强度和塑性的匹配，需要将Mn元素的用量控制在0.1～5.0wt％，进一步优化控制在0.2～3.0wt％，最优为0.5～2.0wt％，当Mn元素含量较高时(>3％)，Mn元素会与Al元素形成大量的超过10微米以上的第二相颗粒，这些颗粒会导致塑性急剧降低，而当Mn元素含量较低时(低于0.5％)，Mn元素对于挤压过程的晶粒细化效果又很弱，难以起到细晶强化的作用。
[0016]同时，Cu元素加入后，镁合金材料的性能又发生了改变，需要将Cu元素的用量控制在0.1～5.0wt％，进一步优化控制在0.2～4.0wt％，最优为0.5～3.0wt％，当Cu含量较低时(低于0.5％时)，主要形成Mg
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Cu相，Cu元素虽然有一定的细晶效果，降解速率较低，需要超过15天的时间才能够完全降解，不能满足井下作业的需求；而随着Cu含量进一步提高，将形成Mg
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Al
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Cu三元相，这种三元相具有较高的电极电位，而镁基体的电极电位较低，在基体较低的电极电位情况下，形成了电势差，在这些三元相与基体之间形成原电池，将会发生腐蚀反应，则会加快降解行为；但Cu元素的含量不能过高，一旦超过3％，会使得镁合金中形成的三元相过多，一方面造成镁合金材料降解速率过快，还未完成支撑任务就已经开始降解；另一方面，大量存在的三元相会影响镁合金材料的力学性能，大大降低了镁合金材料的属性，导致局部需要在压裂过程中变形的部件无法满足工程作业的要求。因此，本专利技术发现通过调控三元相的体积分数，可以调控本专利技术中镁合金材料在相应溶液中的降解速率。
[0017]为此，本专利技术对镁合金材料中各种元素的用量进行调整，使其能够保证强度塑性的同时，提供可控的降解速率，确保本专利技术中所述镁合金能够适应不同的石油钻井平台对可溶解镁合金的需求。
[0018]表1
[0019][0020]根据表1进行备料，通过如下方法制备得到实施例1：
[0021]步骤1：按照表1的组分比精确配料，将纯Mg及Mg
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Mn合金在700℃～720℃下熔炼，熔化后加入纯Al、Mg
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Cu合金，同时向炉中通入惰性气体保护，在650℃～700℃保温30min。其中，所述惰性保护气体为CO2和SF6的混合气体，并且，CO2和SF6的体积比为(200～400)：1，最优为300:1。该保护气体的保护效果超过氩气，因为SF6会与Mg反应形成MgS，即形成一层致密的保护膜，而CO2起到隔绝氧气的作用，能够使保护效果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下原料：Al为2~10wt%，Cu为0.1~5.0wt%，Mn为0.1~5.0wt%；余量为镁和不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下原料：Al为3~9.5wt%，Cu为0.2~4.0wt%，Mn为0.2~3.0wt%；余量为镁和不可避免的杂质元素。3.根据权利要求1所述可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下原料：Al为3~9wt%，Cu为0.5~3.0wt%，Mn为0.5~2.0wt%；余量为镁和不可避免的杂质元素。4.一种可快速降解的高强韧含Cu镁合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据权利要求1~3任一所述含Cu镁合金材料进行备料，将纯Mg及Mg
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Mn合金加入炉中熔炼，待熔化后加入纯Al、Mg
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Cu合金，同时向炉中通入惰...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭鹏，彭怡，张林培，简采，余霖枫，佘加，杨青山，戴庆伟，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：