一种可溶镁合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可溶镁合金及其制备方法。所述可溶镁合金的成分为Mg

【技术实现步骤摘要】
一种可溶镁合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料加工
，具体涉及一种可溶镁合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]可溶金属材料已经逐步应用于页岩油气的水平井分段压裂开采过程，其制备的暂堵工具可在地下水环境自然溶解，避免了人工剔除过程，可显著提高生产效率并降低成本。然而，大部分可溶金属材料的室温溶解速度较慢，且其在碱性溶液环境易出现钝化现象。针对这一问题，常用的方法是压裂工艺结束后在暂堵工具位置投放弱酸，降低周围环境的pH值，提高相关部件溶解速率。这种方式由于工艺步骤的增多，在不同程度上影响了油气开采效率。
[0004]镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、标准电极电位低等特点，是理想的可溶金属材料。然而，大多数可溶镁合金材料在室温、含氯离子溶液中溶解速率较慢；在较高pH值溶液中其腐蚀电位会增大，腐蚀电流降低，甚至产生钝化现象。因此，亟需开发在室温和碱性溶液环境中具有较高溶解速率的可溶镁合金材料，这对页岩油气压裂开采过程具有重要的价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的旨在针对现有页岩油气开采常用的分段压裂技术中溶解金属材料的不足，提出一种可溶镁合金及其制备方法。该镁合金材料在室温、含氯离子溶液中可快速率溶解；在碱性的氯化钾溶液环境中也可以较快的速率溶解。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一方面，提供了一种可溶镁合金材料，所述镁合金为Mg
a
A
b
RE
c
X
d
Co
e
合金，其中，A为Al、Zn、Ca、Sn、Mn、Zr中的任意一种或多种，0.001wt.％<b<10wt.％；RE为Gd、Y、Nd、Ce、Sm、Er、Yb中的任意一种或多种，0.001wt.％<c<20wt.％；X为Cu和/或Ni，0.001wt.％<d<5wt.％；0.001wt.％<e<5wt.％；且a+b+c+d+e＝100％。
[0008]本专利技术提供的可溶镁合金，可通过铸造、热处理、塑性成形、粉末冶金等工艺制备可溶材料及工具。
[0009]本专利技术提供的可溶镁合金材料，具有良好的力学性能，并且在含氯离子水溶液(如1％KCl水溶液、3％KCl水溶液)中可以快速溶解。此外，该材料在pH值为12、含氯离子水溶液中的溶解速率，高于其在pH值为7、同等氯离子浓度水溶液中溶解速率的50％。
[0010]本专利技术提供的可溶镁合金，通过添加Co和Cu/Ni元素调控组织的第二相分布，形成了分布于晶界的MgCo2初生相、晶内的含Cu/Ni/Co的次生相。在含氯离子溶液中，两类阴极相均能与镁基体实现典型的电偶腐蚀进而快速溶解。此外，MgCo2相与含Cu/Ni的Mg2Cu、
Mg2Ni相相比，具有更高的标准电极电位，易导致沿晶界的小孔腐蚀；添加稀土生成的较大尺寸MgRECo相，会导致大阴极小阳极电偶腐蚀。上述因素协同作用，使得镁合金在碱性含氯离子溶液中也可实现相对较快的溶解速度。
[0011]合金中添加Al、Zn、Ca、Sn、Mn、Zr以及、RE、Gd等元素，可以改善材料的力学性能。其中，Al可以改善镁合金的铸造性能；Al、Zn、Sn和RE可以使镁合金通过固溶强化或沉淀强化增强材料强度；Ca、Mn、Zr和RE可以细化显微组织，进而改善材料的强度和塑性。
[0012]本专利技术的第二个方面，提供了一种上述的可溶镁合金的制备方法，包括：
[0013](1)按可溶镁合金成分配比，称取纯Mg、纯Al、纯Zn、Mg
‑
Ca中间合金、纯Sn、Mg
‑
Mn中间合金、Mg
‑
Zr中间合金、Mg
‑
RE中间合金、Mg
‑
Cu中间合金、Mg
‑
Ni中间合金、Mg
‑
Co中间合金等；在气氛保护下熔炼并浇注成可溶镁合金铸锭；
[0014](2)将上一步制备的制备得到的可溶镁合金铸锭进行热处理；
[0015](3)将上一步制备的热处理后得到的可溶镁合金通过热挤压或轧制、锻造等挤压方式，加工成棒、管、板等进行加工。；
[0016](4)将上一步制备的得到的挤压材进行时效处理。
[0017]所述熔炼，并浇注成铸锭的具体步骤为：将配好的可溶镁合金原料，在CO2+SF6混合气体保护条件下，在720
‑
760℃熔炼，保温40
‑
60min，搅拌5
‑
10min，并精炼20
‑
30min，精炼后升温至740
‑
780℃静置30
‑
40min，在700
‑
740℃浇注成铸锭。
[0018]所述热处理的条件为：在400
‑
520℃下，保温时间1
‑
96h，冷却方式为风冷或水冷。
[0019]所述挤压的条件为：挤压温度300
‑
500℃、挤压比为4
‑
40、挤压速度0.1
‑
10m/min。挤压方式包括热挤压或轧制、锻造等。
[0020]所述的时效处理条件为：在100
‑
300℃下，保温1
‑
200h。
[0021]所述CO2+SF6混合气体中CO2和SF6体积比为100
‑
200：1。
[0022]本专利技术的第三个方面，提供了上述的可溶镁合金在制备页岩油气开采的可溶部件中应用。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024](1)本专利技术通过Co和Cu/Ni的微合金化，调控了可溶镁合金显微组织中阴极相的分布、种类、尺寸，得到了分布于晶界的MgCo2初生相、晶内的含Cu/Ni/Co的次生相以及MgRECo相。分布于晶界的MgCo2初生相可以促进材料晶间腐蚀；包含MgRECo相在内的晶内次生相会导致“大阴极小阳极”局部电偶腐蚀。因而本专利技术材料不仅能够在室温、含氯离子水溶液中快速溶解；还可以在室温、碱性含氯离子水溶液中较快速溶解。
[0025](2)本专利技术通过Al、Zn、Ca、Sn、Mn、Zr元素合金化，细化晶粒和第二相尺寸，可显著提高镁合金的力学性能。其中Al、Zn、Sn可通过热处理析出细小第二相；Ca、Mn、Zr可以细化铸锭组织晶粒。本专利技术制备的可溶镁合金的抗拉强度＞200MPa、屈服强度＞150MPa、延伸率＞10％。本专利技术中添加较多量的合金元素，通过合理设置用量，保证材料在优秀溶解速率的基础上具有良好的力学性能。
[0026](3)本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可溶镁合金，其特征在于，所述可溶镁合金为Mg
a
A
b
RE
c
X
d
Co
e
合金，其中，A为Al、Zn、Ca、Sn、Mn、Zr中的任意一种或多种，0.001wt.％<b<10wt.％；RE为Gd、Y、Nd、Ce、Sm、Er、Yb中的任意一种或多种，0.001wt.％<c<20wt.％；X为Cu和/或Ni，0.001wt.％<d<5wt.％；0.001wt.％<e<5wt.％；且a+b+c+d+e＝100％。2.根据权利要求1所述可溶镁合金，其特征在于，所述可溶镁合金为Mg
a
A
b
RE
c
X
d
Co
e
合金，其中，A为Al、Zn、Ca、Sn、Mn、Zr中的任意一种或多种，0.05wt.％<b<7wt.％；RE为Gd、Y、Nd、Ce、Sm、Er、Yb中的任意一种或多种，1wt.％<c<13wt.％；X为Cu和/或Ni，0.5wt.％<d<1.2wt.％；1.2wt.％<e<3wt.％；且a+b+c+d+e＝100％；优选的，所述可溶镁合金，由以下质量百分数的元素组成：Zn0.5％、Gd 9％、Y 4％、Cu 0.6％、Ni 0.6％、Co 1.2％，其余为Mg元素。3.如权利要求1或2所述可溶镁合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)按可溶镁合金成分配比，称取纯Mg、纯Zn、纯Sn、Mg
‑
Ca中间合金、Mg
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Mn中间合金、Mg
‑
Zr中间合金、Mg
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：刘运腾，王美芳，刘洪涛，吴建华，周吉学，
申请(专利权)人：山东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：