一种强度高、降解速率快的Mg-Y-Cu合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种强度高、降解速率快的Mg

【技术实现步骤摘要】
一种强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于镁合金材料
，具体涉及一种强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]近几年，在开采石油、天然气、页岩气等非常规油气资源时，为提高资源采收率，一种水平井多级分段压裂技术成为一大研究热点。压裂技术是这种开采方式的核心，而压裂球和桥塞是成功实现多级分段压裂的关键工具。
[0003]在这套多级滑套分段压裂技术中，压裂球的主要作用是将各级滑套顺利打开，与球座顺利对接后，隔绝起到增压作用的压裂气体，从而对各岩层进行压裂。因此，在油气采集完毕之前，压裂球在深井环境中要具有较高的抗压强度。同时在整个采集过程压裂球要保持一个稳定的状态，几乎无腐蚀分解的情况发生。传统的压裂球材料为低碳钢、聚合物或铝镁轻合金，他们拥有优异的机械性能，但降解性能差，油气采集完毕后还需通过碾磨或钻孔等方法将其移除，造成了人力和时间上的浪费。理想的压裂球应是能承受深井下的高温高压环境，同时在采集的油气环境中能进行可调控的降解，以此来免除压裂球的返排过程，缩短工作周期，提升工作效率，降低一定的成本及风险。
[0004]密度低、比强度高、耐蚀性能差的镁合金，恰好满足压裂球的抗压易降解性能要求，因此镁合金获得了广泛关注，成为了压裂球的首选材料。然而，如何进一步提高其强度和可控降解率仍然是限制其广泛应用的关键问题。
[0005]向Mg
‑
RE(RE＝Y、Gd、Er等)合金中添加一定量的过渡族元素X(X＝Ni、Cu、Zn等)可以在合金中引入长周期堆垛有序结构(LPSO)，LPSO是镁合金中的重要强化相，可有效阻碍位错的运动，同时可以束缚晶界，从而提高材料力学性能；同时，LPSO相在镁合金微电偶腐蚀中扮演着阴极的角色加速镁基体的腐蚀，由此提高镁合金的降解速率。目前已有国内外学者通过在Mg
‑
RE合金中添加Ni、Zn、Cu等元素来研究第二相对镁合金的力学性能及腐蚀速率的影响，比如Mg
‑
Y
‑
Zn合金，其具有优异的力学性能，但其降解性能不佳，导致其在使用过程中受到限制。
[0006]有鉴于此，特提出此兼顾力学性能与降解性能的专利技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的主要目的在于提供一种强度高、降解速率快的挤压态镁合金，旨在解决现有Mg
‑
RE合金无法兼顾力学性能和降解性能的不足之处，由此来降低油气开采过程中的施工成本和风险。本专利技术还提供了该强度高、降解速率快的挤压态镁合金的制备方法。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009]第一方面，一种强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金，其特征在于，以质量百分比计，由以下组分组成：Y:2.97
‑
3.13％,Cu：0.0008％
‑
2.09％，其余为Mg和不可避免的杂质；
其中Y/Cu的原子比为0.2
‑
3.3。
[0010]在某些具体实施例中，所述Mg
‑
Y
‑
Cu合金包括挤压态合金和热处理态合金，其中挤压态合金形成层状和块状共存Cu
‑
LPSO相，热处理态合金形成层状和棒状共存的Cu
‑
LPSO相。
[0011]在某些具体实施例中，所述Y/Cu的原子比为1.5。
[0012]一种根据前述强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金的制备方法，包括如下步骤：
[0013]1)熔炼，将预备好的纯镁锭和镁铜中间合金投入电熔炉中的坩埚中，加热熔炼，搅拌精炼后加入镁钇中间合金；
[0014]2)精炼，将电熔炉升温至800℃，过程中人工用搅勺插锅底向上拉动搅拌5min，且搅拌过程中要不断地往液体浪峰处均匀撒精炼剂，沉降10～20min，取样分析；
[0015]3)铸造，将镁合金液体引入结晶器，采用半连续铸造的方法来对合金进行铸造，得到镁合金铸锭；
[0016]4)均匀化处理，将所得的镁合金铸锭放入马弗炉中进行均匀化处理；
[0017]5)热挤压，将均匀化处理后的镁合金铸锭进行热挤压，得到挤压态镁合金，得到挤压态合金；
[0018]6)热处理，将所制得的挤压态合金进行固溶时效处理，获得热处理态合金。
[0019]在某些具体实施例中，所述步骤3)铸造过程，所用结晶器高为120mm，铸造条件为：温度为800℃，铸造速度为120mm/min，铸造时间为0.15h/炉。
[0020]在某些具体实施例中，所述步骤4)均匀化处理过程，均匀化处理的条件为：于温度为380～420℃下维持8～24h。
[0021]在某些具体实施例中，所述步骤5)热挤压过程，将镁合金铸锭外表皮打磨光滑，加工成直径为80mm、高60mm的圆柱形试样，挤压前在350～450℃温度下保温5
‑
8h。
[0022]在某些具体实施例中，所述步骤5)热挤压过程，挤压温度为350～450℃，挤压比范围为4～64，挤压速度为1～1.5mm/min。
[0023]在某些具体实施例中，所述步骤6)热处理过程，固溶温度为400～500℃，固溶时间为4h～36h；时效250
‑
350℃，保温时间0
‑
16h。
[0024]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下优点：
[0025]1)本申请所提供的强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金，在Mg
‑
Y
‑
Zn合金的基础上通过加入Cu去置换Zn元素，进一步调控Y/Cu原子比，控制其组织产生的主要第二相为块状和层状共存的Cu
‑
LPSO相；再通过对热挤压工艺的调控，使其第二相变得细小且分散均匀；最后通过热处理调控，调控出含大量棒状+层状LPSO相的Cu
‑
LPSO相，制备出的Mg
‑
Y
‑
Cu合金不仅保留着Mg
‑
Y
‑
Zn合金的高强度性能，同时还具有极好的降解性能。
[0026]2)本专利技术提供的挤压态镁合金满足强度高、降解速率快两大要求，适用于加工油气田压裂过程中所需的压裂工具，可以保证井下施工的顺利进行，且在服役完成后可在溶液中自行溶解，省去后续返排等工序，可作为压裂球制造的预备材料。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0028]图1是对照组1、对照组2和实施例1中挤压态Mg本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金，其特征在于，以质量百分比计，由以下组分组成：Y:2.97
‑
3.13％,Cu：0.0008％
‑
2.09％，其余为Mg和不可避免的杂质；其中Y/Cu的原子比为0.2
‑
3.3。2.根据权利要求1所述的强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金，其特征在于，所述Mg
‑
Y
‑
Cu合金包括挤压态合金和热处理态合金，其中挤压态合金形成层状和块状共存Cu
‑
LPSO相，热处理态合金形成层状和棒状共存的Cu
‑
LPSO相。3.根据权利要求1所述的强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金，其特征在于，所述Y/Cu的原子比为1.5。4.一种根据权利要求1所述的强度高、降解速率快的Mg
‑
Y
‑
Cu合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)熔炼，将预备好的纯镁锭和镁铜中间合金投入电熔炉中的坩埚中，加热熔炼，搅拌精炼后加入镁钇中间合金；2)精炼，将电熔炉升温至800℃，过程中人工用搅勺插锅底向上拉动搅拌5min，且搅拌过程中要不断地往液体浪峰处均匀撒精炼剂，沉降10～20min，取样分析；3)铸造，将镁合金液体引入结晶器，采用半连续铸造的方法来对合金进行铸造，得到镁合金铸锭；4)均匀化处理，将所得的镁合金铸锭放入马弗炉中进行均匀化处理；5)热挤压，将均匀化处理后的镁合...

【专利技术属性】
技术研发人员：席国强，林家驹，熊菊，毛中于，麻彦龙，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：