CN104480354A - 一种高强可溶解铝合金材料的制备方法 - Google Patents

一种高强可溶解铝合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强可溶解铝合金材料的制备方法，包括高温灼烧，质量配比搅拌,除渣冷却热处理；把高强铝合金的制备原理与电化学腐蚀机理相结合，成功的实现了对产品组分稳定性的控制，制备出了一种可溶解、高强度、抗冲击性能好、耐高温高压、易加工等具有较高热力学性能，又兼具良好溶解性能的Al基合金材料，提高了该类材料的综合性能。

Description

一种高强可溶解铝合金材料的制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种高强可溶解铝合金材料的制备方法。
背景技术
高强可溶解材料属于生态环境材料的一种，是指在材料中加入一些促进其降解的助剂，或合成本身具有降解功能的材料，在使用和保存期内能满足原来应用性能要求，尤其是在复杂外界条件下，可以在一定时间内承受高温高压环境，又可以在其完成任务后就地降解，无需回收，这样就可以大大节约人力，物力和财力，极大的提高了工程进展速度。
可降解有机材料一般来说都很脆，耐高温性能、抗冲击性能差，强度低，难以在汽车零部件、油气开发用密封球等对抗冲性要求较高的领域使用。因此，可降解有机材料在这些领域的开发和使用受到了严重的阻碍。
相比于可降解有机材料来说，可溶解无机材料如陶瓷材料具有高力学性能，如高硬度、高强度、耐摩擦磨损性能等，如果陶瓷材料能做成可降解材料，有望应用于油气开发用密封球等对抗冲击性能要求较高的领域。然而陶瓷是脆性材料硬度高，难以进行精确尺寸加工，溶解速度太慢，难以满足生产需要，且不能水溶解，必须在强酸条件下进行，使用条件难以满足。因此，需要寻找其他材料。
金属材料(如，合金)具有典型的更高的机械强度，而该机械强度对于高温高压等极端环境来说是必须的，因此可溶解金属材料最有望成为该领域的首选材料。
目前，可溶解金属主要为Mg及Mg合金，通过现代先进的合金熔炼及加工工艺，控制Mg及Mg合金的腐蚀速度,一段时间内既能发挥其金属材料的高强度特点完成植入体功能，又能在人体病变部位自身修复的同时逐渐被人体腐蚀降解，具有广阔的发展前景。镁基合金在人体生理环境可腐蚀降解，但是与其它同种类型的可降解材料相比，在一般NaCl水溶液及水中降解速度相对较慢，不能达到高温高压等极端环境下材料溶解性能的最低要求。
近年来，一类可溶解铝合金由于对油气开采需要的高温、高压要求相适应受到越来越多的关注。但是近几年中，这类可降解金属材料大部分都为国外研究者开发并申请专利，他们多采用粉末冶金技术压制烧结成型，该技术可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，但使用该工艺首先必须使呈固态、液态或气态的金属或合金转变成粉末状态，生产过程复杂，并且一些单质元素如Mg属于易燃固体，使用压制烧结技术时，烧结温度不易控制易导致产品组分缺失。如果可以在成功合成制备出符合性能要求的产品的基础上，进一步简化生产过程，并实现对产品稳定性的控制，那么该材料的研究及应用前景将是极为广阔的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高强可溶解铝合金材料的制备方法，把高强铝合金的制备原理与电化学腐蚀机理相结合，通过预合成技术引入Sn、Si、Mn、Mg、Ga、In、Zn并协调各成分之间的作用，保证并提高了材料的均匀性，使用熔融浇铸法，成功的实现了对产品组分稳定性的控制，制备出了一种可溶解、高强度、抗冲击性能好、耐高温高压、易加工等具有较高热力学性能，又兼具良好溶解性能的Al基合金材料，提高了该类材料的综合性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高强可溶解铝合金材料的制备，包括下述步骤：
步骤一，高温灼烧
将铝锭放入熔化炉，升温至710-760℃，使之熔融成为铝液；
步骤二，质量配比搅拌
将步骤一所得铝液按重量百分比依次加入Sn、Si、Mn、Mg、Ga、In、Zn，充分搅拌，材料的组成成分比为：Al含量为60.0-90.0wt％，Sn含量为8.0-30.0wt％，Si含量为0-10.0wt％，Mn含量为0.1-10.0wt％，Mg含量为1.0-6.0wt％，Ga含量为0.1-15.0wt％，In含量为0.1-2.0wt％，Zn含量为0-8.0wt％，在710-760℃保温0.5-2个小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；
步骤三，除渣冷却热处理
将步骤二所得熔体加入0.2-0.5％wt消泡剂进行除渣，并浇注在预先预热好的模具中；将所得铸件冷却至室温后，在350℃下马弗炉中进行热处理，热处理时间为2h，制得高强可溶解铝合金材料。
所述模具为直径15mm×长30mm的圆柱体。
所述消泡剂组成成分为聚醚改性硅。
本发明的有益效果：本发明所制备的高强可溶解铝合金材料，由基体相和第二相两部分组成，基体相主要由固溶了Mg、Ga等元素的Al合金构成；第二相主要为添加剂形成的Mg2Sn等合金组成。利用Al锭,引入Sn、Si、Mn、Mg、Ga、In、Zn经低温熔融工艺，通过充分搅拌使之形成宏观均匀基体相的过程中生成第二相，所生成的第二相分布在基体相晶界，第二相对基体相细化作用明显，晶粒越细，合金的强度越高，并且晶粒细化对提高溶解性能也有帮助，使整个合金的溶解速度越来越快，另外本发明中使用的Ga、In、Zn使合金在低温水溶液中的溶解性能有很大的改善。由于该材料成分可调范围大、熔融浇铸温度低、易加工、力学性能优异、溶解性能好，拓宽了该材料的应用范围。
附图说明
图1为760℃熔融浇铸产品的物相分析结果。
图2为760℃熔融浇铸产品的表面形貌图。
图3为高强可溶解铝合金材料的溶解过程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
步骤一，高温灼烧
将铝锭放入熔化炉，升温至760℃，使之熔融成为铝液；
步骤二，质量配比搅拌
将步骤一所得铝液按配方称取质量百分含量为Al：71.0％,Sn：12.0％，Si：2.0％,Mn：1.0％，Mg：4.0％，Ga：8.0％,In：0.5％,Zn：1.5％，充分搅拌，在760℃保温0.5个小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；
步骤三，除渣冷却
将步骤二所得熔体加入0.2％wt消泡剂进行除渣，并浇注在预先预热好的模具中；将所得铸件冷却至室温后，在350℃下马弗炉中进行热处理，热处理时间为2h，制得高强可溶解铝合金材料。
实施例2
步骤一，高温灼烧
将铝锭放入熔化炉，升温至710℃，使之熔融成为铝液；
步骤二，质量配比搅拌
将步骤一所得铝液按配方称取质量百分含量为Al：62.0％,Sn：
17.5％,Si：2.0％,Mn：1.5％，Mg：4.0％，Ga：11.0％,In：1.0％,Zn：1.0％，充分搅拌，在710℃保温2个小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；
步骤三，除渣冷却
将步骤二所得熔体加入0.5％wt消泡剂并进行除渣工艺，并浇注在预先预热好的模具中；将所得铸件冷却至室温后，在350℃下马弗炉中进行热处理，热处理时间为2h，制得高强可溶解铝合金材料。
实施例3
步骤一，高温灼烧
将铝锭放入熔化炉，升温至760℃，使之熔融成为铝液；
步骤二，质量配比搅拌
将步骤一所得铝液按配方称取质量百分含量为Al：90.0％,Sn：8.0％,Si：0.1％,Mn：0.2％，Mg：1.0％，Ga：0.1％,In：0.3％,Zn：0.3％，充分搅拌，在760℃保温0.5个小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；
步骤三，除渣冷却
将步骤二所得熔体加入0.2％wt消泡剂并进行除渣工艺，并浇注在预先预热好的模具中；将所得铸件冷却至室温后，在350℃下马弗炉中进行热处理，热处理时间为2h，制得高强可溶解铝合金材料。
实施例4
步骤一，高温灼烧
将铝锭放入熔化炉，升温至710℃，使之熔融成为铝液；
步骤二，质量配比搅拌
将步骤一所得铝液按配方称取质量百分含量为Al：60.0％,Sn：18.0％,Si：2.0％,Mn：2.0％，Mg：4.0％，Ga：11.0％,In：1.0％,Zn：2.0％，充分搅拌，在710℃保温2个小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；
步骤三，除渣冷却
将步骤二所得熔体加入0.5％wt消泡剂并进行除渣工艺，并浇注在预先预热好的模具中；将所得铸件冷却至室温后，在350℃下马弗炉中进行热处理，热处理时间为2h，制得高强可溶解铝合金材料。
图1为760℃熔融浇铸产品的物相分析结果，表明该材料基体相主要由固溶了Mg、Ga等元素的Al合金构成；第二相主要为添加剂形成的Mg2Sn等合金组成。图中，横坐标为衍射角，纵坐标为衍射峰强度。
图2为760℃熔融浇铸产品的表面形貌图，由图可以看出，该材料晶粒细小，结构致密，进一步表现出了该材料的高强度和良好的溶解性能。
图3为高强可溶解铝合金材料结合表1的溶解过程图。
表1溶解性能
通过表1的试验方式，用气动水压试验台，在承压试验中，球座内径90mm，球直径为92.1mm，水温为40℃，压力逐渐升到60MPa，稳压4小时；溶解试验中，水浴温度为50℃，球直径为88.9mm，每隔一定时间取出测量其直径变化。由此可以得出以下结论，1/8极差60MPa承压4小时以上，优于指标要求；球在50℃55小时完全溶解，优于指标要求。

Claims (3)

1.一种高强可溶解铝合金材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤一，高温灼烧
将铝锭放入熔化炉，升温至710-760℃，使之熔融成为铝液；
步骤二，质量配比搅拌
将步骤一所得铝液按重量百分比依次加入Sn、Si、Mn、Mg、Ga、In、Zn，充分搅拌，材料的组成成分比为：Al含量为60.0-90.0wt％，Sn含量为8.0-30.0wt％，Si含量为0-10.0wt％，Mn含量为0.1-10.0wt％，Mg含量为1.0-6.0wt％，Ga含量为0.1-15.0wt％，In含量为0.1-2.0wt％,Zn含量为0-8.0wt％，在710-760℃保温0.5-2个小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；
步骤三，除渣冷却
将步骤二所得熔体加入0.2-0.5％wt消泡剂进行除渣，并浇注在预先预热好的模具中；将所得铸件冷却至室温后，在350℃下马弗炉中进行热处理，热处理时间为2h，制得高强可溶解铝合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种高强可溶解铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述模具为直径15mm×长30mm的圆柱体。
3.根据权利要求1所述的一种高强可溶解铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述消泡剂组成成分为聚醚改性硅。
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