CN105779830A - 一种易腐蚀铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种易腐蚀铝合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种易腐蚀铝合金材料及其制备方法，该铝合金材料中的各元素的质量百分含量为：Zn3％～7％；Mg2％～5％；Ga0.5％～5％；In0.3％～2％；Sn0.1％～0.5％；Fe0.1％～1％；Mn0.1％～0.5％；Al其余。制备步骤为按照比例进行配料，先将纯铝、Al‑20％Fe中间合金和Al‑10％Mn中间合金升温熔化；温度调整至740±10℃，精炼净化，加入纯锌、纯镁、纯锡、纯镓和纯铟，静置20min以上；检测合金成分，成分合格后待浇注；采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度710±10℃，模具温度为250～350℃，压强为80～180MPa，保压时间为1～2min。本发明的铝合金成分配比科学合理，制备工艺简单，在中性介质中具有较快的腐蚀速率，可满足油气井不同时间的封堵功能要求。

Description

一种易腐蚀铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种易腐蚀铝合金材料及其制备方法。
背景技术
在石油和页岩气开采中，油气井经常需要封住，封堵物除了具有封堵功能外还必须易于清除。2014年美国发明了可溶桥塞技术，利用金属在压裂液中的腐蚀保证在一定时间内的封堵功能，超过一定时间后金属腐蚀消失。
铝在中性介质中表面会生成致密钝化膜，造成铝钝化，不易腐蚀。铝一般加入锌、铟等活化元素可解决以上问题。GB/T4948-2002公布了几种的易腐蚀铝合金材料，见表1，通过加入Zn、In、Sn等元素加快了铝合金的腐蚀，可用作铝牺牲阳极材料，但不能用作油气井中的封堵物，因为腐蚀速率依然太慢，达不到使用要求。
表1用于牺牲阳极的铝-锌-铟系铝合金的化学成分
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种组分配比科学合理的易腐蚀铝合金材料，在中性介质中具有较快的腐蚀速率，可作为油气井中的封堵物之用。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述易腐蚀铝合金材料的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种易腐蚀铝合金材料，其特征在于合金中各元素质量百分含量如下：
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种易腐蚀铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按照该铝合金材料中各元素的质量百分含量进行配置，其中铝、锌、镁、锡、镓、铟以纯铝、纯锌、纯镁、纯锡、纯镓和纯铟的形式加入，铁和锰以Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金的形式加入；
2)首先将纯铝、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金升温熔化；将铝合金熔体的温度调整至740±10℃，精炼净化，加入纯锌、纯镁、纯锡、纯镓和纯铟，静置20min以上，检测合金成分，成分合格后待浇注；
3)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度710±10℃，模具温度为250～350℃，压强为80～180MPa，保压时间为1～2min。
作为优选，所述步骤1)中的纯铝为至少99.7％纯铝，纯锌为至少99.9％纯锌，纯镁为至少99.8％纯镁，纯锡为至少99.8％纯锡，纯镓为至少99.99％纯镓，纯铟为至少99.995％纯铟。
再改进，所述步骤3)的铸造方式不局限于挤压铸造，还可采用砂型铸造、金属型铸造或熔模铸造。
与现有技术相比，本发明的优点在于：对铝合金的各元素进行了科学的配比调整，第一、通过Zn、Mg的共同作用使得该铝合金具有较高的力学性能，抗拉强度不小于300MPa，断后伸长率不小于2％；第二、通过Ga、In和Sn的共同作用使得该铝合金具有较快的腐蚀速率，并通过调整Ga、In和Sn三种元素的含量使得腐蚀速率可控；第三、采用挤压铸造工艺制备，组织致密，无缺陷。制备的易腐蚀铝合金在80℃5％NaCl水溶液中浸泡1h，质量损失百分比为10％～50％，可根据需要满足油气井不同时间的封堵功能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的铝合金经轻微腐蚀后的易腐蚀铝合金的微观组织。
图2是本发明实施例2中易腐蚀铝合金在不同含量的NaCl水溶液中剩余质量百分比随时间的变化规律。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
易腐蚀铝合金的化学成分(质量分数)：3.0％Zn、2.0％Mg，0.5％Ga，0.3％In，0.3％Sn，0.55％Fe，0.3％Mn，其余为Al。
易腐蚀铝合金的制备方法：
1)按照该铝合金材料中各元素的质量百分含量，配置99.7％纯铝、99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓、99.995％纯铟、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金。
2)首先将99.7％纯铝、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金升温熔化；将铝合金熔体的温度调整至730℃，采用铁制钟罩将烘干后的熔剂精炼剂压入铝合金熔体内进行精炼净化，加入质量百分含量为0.6％，精炼完毕后扒渣；加入99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓和99.995％纯铟，静置20min，检测合金成分，成分合格后待浇注。
3)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度700℃，模具温度为250℃，压强为80MPa，保压时间为2min。
这种铝合金的抗拉强度为305MPa，断后伸长率为5％。这种铝合金的在80℃5％NaCl水溶液中浸泡1h，质量损失百分比为10％。
图1为本实施例制备的易腐蚀铝合金经轻微腐蚀后的微观组织，从图中可以看到铝基体与金属间化合物之间形成原电池反应，铝基体被优先腐蚀，钝化膜很难形成。
实施例2
易腐蚀铝合金的化学成分(质量分数)：7.0％Zn、5.0％Mg，5％Ga，2％In，0.1％Sn，0.1％Fe，0.1％Mn，其余为Al。
易腐蚀铝合金的制备方法：
1)按照该铝合金材料中各元素的质量百分含量，配置99.7％纯铝、99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓、99.995％纯铟、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金。
2)首先将99.7％纯铝、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金升温熔化；将铝合金熔体的温度调整至750℃，采用高纯氮气进行精炼除气，精炼完毕后扒渣；加入99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓和99.995％纯铟，静置20min，检测合金成分，成分合格后待浇注。
3)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度720℃，模具温度为350℃，压强为180MPa，保压时间为1min。
这种铝合金的抗拉强度为350MPa，断后伸长率为2％。这种铝合金的在80℃5％NaCl水溶液中浸泡1h，质量损失百分比为50％。
图2为本实施例制备的易腐蚀铝合金在80℃NaCl水溶液中浸泡1～4h后的剩余质量百分比，试样尺寸为Φ12mm×10mm，随着水溶液中NaCl含量的增加，腐蚀速率加快，在5％NaCl水溶液中浸泡4h后已经被完全腐蚀掉。
实施例3
易腐蚀铝合金的化学成分(质量分数)：5.0％Zn、3.5％Mg，3％Ga，1％In，0.1％Sn，0.1％Fe，0.1％Mn，其余为Al。
易腐蚀铝合金的制备方法：
1)按照该铝合金材料中各元素的质量百分含量，配置99.7％纯铝、99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓、99.995％纯铟、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金。
2)首先将99.7％纯铝、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金升温熔化；将铝合金熔体的温度调整至740℃，采用0.6％六氯乙烷进行精炼除气，精炼完毕后扒渣；加入99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓和99.995％纯铟，静置20min，检测合金成分，成分合格后待浇注。
3)采用砂型铸造、金属型铸造和熔模铸造，浇注温度710℃。
这种铝合金的在80℃5％NaCl水溶液中浸泡1h，质量损失百分比为30％
实施例4
易腐蚀铝合金的化学成分(质量分数)：3.0％Zn、4.0％Mg，3％Ga，1.5％In，0.5％Sn，1％Fe，0.5％Mn，其余为Al。
易腐蚀铝合金的制备方法：
1)按照该铝合金材料中各元素的质量百分含量，配置99.7％纯铝、99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓、99.995％纯铟、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金。
2)首先将99.7％纯铝、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金升温熔化；将铝合金熔体的温度调整至750℃，采用高纯氮气进行精炼除气，精炼完毕后扒渣；加入99.9％纯锌、99.8％纯镁、99.8％纯锡、99.99％纯镓和99.995％纯铟，静置20min，检测合金成分，成分合格后待浇注。
3)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度720℃，模具温度为350℃，压强为160MPa，保压时间为1.5min。
这种铝合金的抗拉强度为350MPa，断后伸长率为2.2％。这种铝合金的在80℃5％NaCl水溶液中浸泡1h，质量损失百分比为40％。
下面对本发明的易腐蚀铝合金中各合金元素所起的作用进行详细说明：
Zn、Mg起时效强化的作用，使得该铝合金材料具有较高的强度；
Ga，In和Sn破坏了铝合金表面钝化膜的形成，增加了腐蚀速率。含有Ga、In或Sn的第二相与铝基体之间具有明显的电位差，在腐蚀介质中构成了原电池反应，即使在中性介质中该铝合金也可发生反应，铝基体优先腐蚀；
Fe也可增加铝合金的腐蚀速率，但Fe的增加会形成针状相，恶化该材料的力学性能；
Mn用于改善Fe相的形态，由针状相转变为鱼骨状，削弱Fe对力学性能的不利影响。
本发明的易腐蚀铝合金的特点为：1)通过Zn、Mg的共同作用使合金具有较高的力学性能。2)该铝合金通过Ga、In和Sn的共同作用具有较快的腐蚀速率，并通过Ga、In和Sn三种元素含量的调整可控制腐蚀速率。在80℃5％NaCl水溶液中浸泡1h，质量损失百分比为10％～50％，可根据需要满足油气井不同时间的封堵功能。

Claims (4)

1.一种易腐蚀铝合金材料，其特征在于：所述易腐蚀铝合金材料中的各元素的质量百分含量如下：
2.一种根据权利要求1所述的易腐蚀铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按照该铝合金材料中各元素的质量百分含量进行配置，其中铝、锌、镁、锡、镓、铟以纯铝、纯锌、纯镁、纯锡、纯镓和纯铟的形式加入，铁和锰以Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金的形式加入；
2)首先将纯铝、Al-20％Fe中间合金和Al-10％Mn中间合金升温熔化；将铝合金熔体的温度调整至740±10℃，精炼净化，加入纯锌、纯镁、纯锡、纯镓和纯铟，静置20min以上，检测合金成分，成分合格后待浇注；
3)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度710±10℃，模具温度为250～350℃，压强为80～180MPa，保压时间为1～2min。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的纯铝为至少99.7％纯铝，纯锌为至少99.9％纯锌，纯镁为至少99.8％纯镁，纯锡为至少99.8％纯锡，纯镓为至少99.99％纯镓，纯铟为至少99.995％纯铟。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)的铸造方式不局限于挤压铸造，还可采用砂型铸造、金属型铸造或熔模铸造。
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