CN106636821B - 一种智能降解镁合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种智能降解镁合金材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种智能降解镁合金材料，其各元素的质量百分含量：Al 0.5％～12％；Zn 0.2％～7.8％；Sn 0.1％～10.7％；Ca 0.1％～3％；Gd 0％～23.49％；Dy 0％～25.3％；Y 0％～8.75％；Nd 0％～33％；La 0.01％～16.5％；Ce 0％～20.5％；Sr 0％～18.4％；Er 0.01％～1％；Zr 0.01％～0.6％；Ni 0.1％～2％；Ga 0.5％～5％；In 0.05％～2％；Fe 0.1％～0.8％；Cu 0.2％～1％；Mg余量；制备步骤为：配料、熔炼、净化、铸造合金、加工产品。本发明的镁合金具有较宽的力学性能、腐蚀性能调控空间，通过材料、制备方法组合调控产品的力学性能和降解速率，满足石油、页岩气开采井下工具的智能降解要求，同时可以应用于海洋“临时结构件”等其他智能降解领域。

Description

一种智能降解镁合金材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于镁合金材料技术领域，具体涉及一种智能降解镁合金材料，同时涉及该材料的制备方法及其应用。
背景技术
随着国民经济的高速发展，世界各国对能源需求量急剧攀升。优质天然气储量严重不足，逐年降低的储采比使得新增可采储量难以满足日益增长的消费需求，我国尤为突出。目前世界上缓解石油供求矛盾主要有两种方法：一是寻找新的原油地质储量；另一种方法是提高现有油田的采收率。石油是一种不可再生能源，因此通过技术革新提高现有油田采收率是一种行之有效的方法。水平井可以增加井筒与油层的接触面积、提高油气的产量和最终的采收率，成为提高低渗透油气藏水平井产量的有效方式之一。常规的水平井分段压裂技术中的压裂工具被设计为一种执行临时“结构功能”的关键工具，常规的压裂工具随后需要通过人工剔除，耗时长，成本高，而且剔除物易于形成堵塞。
经查，现有公开号为CN104004950 A的发明专利提供了《生产油田可降解合金以及相关产品的方法》，该方法包括添加一种或多种合金化产物至铝或者铝合金熔体中，在该铝或铝合金熔体中溶解该合金化产物，从而形成可降解合金熔体；以及固化该可降解合金熔体以形成可降解合金。该专利的核心是通过在铝及铝合金中大量添加合金元素达到破坏铝合金氧化膜实现在油田等特殊环境下可降解，因为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，需要添加大量的Ga、In等昂贵金属，同时该发明中提出添加Hg、Sb、Tl等有害元素，其制备及使用过程对人体或环境危害较大。
还有公开号为CN 104004950 A的发明专利《一种易溶性镁合金材料及其制造方法和应用》，该发明提供的材料包括如下组分Al、Li、Ca、Zn、In、Ga、Si、Zr等元素，该发明还公开了该易溶性镁合金材料的制备方法，该发明利用了镁合金易于腐蚀的特点，通过合金设计能够满足腐蚀性能的要求，但井下工具同时要满足150℃条件下具有足够的强度要求实现“结构功能”。根据镁合金的性能特点，该发明给出的合金组合很难具有较高的高温性能，同时该发明中实例说明中未提及材料的性能。
针对上述问题，本发明提出一种高性能智能降解镁合金材料，同时给出该材料的制备方法及产品的应用。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有较宽的力学性能、腐蚀性能调控空间的智能降解镁合金材料，该材料在中性介质中具有较快的腐蚀速率，通过材料制备、加工可作为石油、页岩气等井下工具，同时该材料适用于海洋“临时结构件”等其他智能降解领域。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述智能降解镁合金材料的制备方法，制备的镁合金材料在中性介质中具有较快的腐蚀速率，通过材料制备、加工可作为石油、页岩气等井下工具，同时该材料适用于海洋“临时结构件”等其他智能降解领域。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种上述智能降解镁合金材料的应用。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种智能降解镁合金材料，其特征在于：所述镁合金中各元素的质量百分含量如下：
Al 0.5％～12％；Zn 0.2％～7.8％；Sn 0.1％～10.7％；Ca 0.1％～3％；
Gd 0％～23.49％；Dy 0％～25.3％；Y 0％～8.75％；Nd 0％～33％；
La 0.01％～16.5％；Ce 0％～20.5％；Sr 0％～18.4％；Er 0.01％～1％；
Zr 0.01％～0.6％；Ni 0.1％～2％；Ga 0.5％～5％；In 0.05％～2％；
Fe 0.1％～0.8％；Cu 0.2％～1％；Mg 余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Al：3％～8％；Zn：0.8％～1.2％；Ga：1％～2％；In：0.1％～0.5％；Fe：0.1～0.5％；Cu：0.2～0.6％，Ni：0.1％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Al：9％～12％；Zn：0.8％～1.2％；Ga：1.5％～2％；In：0.3％～0.5％；Fe：0.1～0.5％；Cu：0.4～0.6％，Ni：0.1％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Al：3％～9％；Sr：0.1％～7％；Ca：0.1％～5％；Ga：0.8％～1.6％；In：0.2％～0.8％；Fe：0.1～0.5％；Cu：0.4～0.6％，Ni：0.1％；Sn：0.1％；Zn：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Zn：4％～6％；Ga：1％～2％；In：0.4％～0.6％；Zr：0.4％～0.6％，Cu：0.2％，Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Sn：2％～6％；Ca:1％～3％；Ga：0.8％～1.5％；In：0.1％～0.4％；Cu：0.2～0.3％；Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Zn：0.2％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Zn：3％～8％；Y:1％～3％；Ce:0.8％～1.5％；Ga：1.2％～2.0％；In：0.2％～0.5％；Cu：0.2～0.4％；Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Dy：6％～14％；Nd:2％～5％；Gd:0％～5％；Zr:0.2％～0.6％；Ga：1％～1.8％；In：0.1％～0.6％；Cu：0.2％，Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Zn：0.2％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Gd：6％～12％；Y:1％～5％；Zn:0.2％～1.6％；Zr:0.2％～0.6％；Ga：1％～1.8％；In：0.1％～0.6％；Ni：0.1％～0.6％；Cu：0.2％，Fe:0.1％；Al：0.5％～12％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Nd：1％～4％；Ce:0％～0.5％；Zn:1％～7％；Al：0.5％～6％；Zr:0.2％～0.6％；Ga：1.2％～1.8％；In：0.3％～0.6％；Ni：0.1％；Cu：0.2％，Fe:0.1％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述智能降解镁合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按照智能降解镁合金材料中各元素的质量百分含量进行配置，其中Mg、Al、Zn、Sn、Ca、Gd、Dy、Y、Nd、La、Ce、Sr、Ni、Ga、In、Fe、Cu均以单质的形式加入，其余均以中间合金的形式加入；
2)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至750℃～780℃；加入高熔点合金元素Gd、Dy、Y、Nd、La、Er、Ce、Sr、Ni、Fe、Cu、Zr，静置20min以上；
3)待合金完全熔化后将合金溶液降温至740℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
4)然后加入Sn、Ga、In低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
5)检测合金成分，成分合格后待浇注；
6)采用铸造工艺制备出设计产品。
7)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理。
作为优选，所述步骤6)的铸造工艺包括如下三种之一：
一、采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度700℃～720℃，模具温度为250℃～350℃，压强为80～180MPa，保压时间为1～2min，可以直接制备出近成形毛坯，然后少量加工制备成产品；
二、采用金属型铸造，浇注温度690℃～710℃，模具温度为200℃～300℃，可以直接制备出棒料或管料或板材，然后加工制备成产品；
三、采用半连续铸造制备镁合金铸锭，具体制备工艺如下：针对低稀土含量合金(稀土合金总含量＜1％)材料，浇注温度670℃～710℃，铸造速度80mm/min～150mm/min，冷却强度1m3/h～5m3/h；针对高稀土含量合金(稀土合金总含量≥1％)材料，浇注温度700℃～750℃，铸造速度60mm/min～120mm/min，冷却强度3m3/h～10m3/h，通过上述工艺制备出Φ150mm～Φ600mm镁合金铸锭。
作为优选，所述铸造工艺(二)中制备的棒料或管料还可进行挤压或压力加工制备变形智能降解镁合金材料，且可通过后续热处理进一步调控合金的性能，然后通过加工制备出设计产品。
作为改进，所述铸造工艺(三)制备的镁合金铸锭还需进行以下步骤处理：
a、在360℃～530℃等温加热18h～36h进行均匀化处理，然后空冷；
b、将上述镁合金铸锭在400℃～500℃等温加热1h～3h，然后放入挤压模具进行挤压变形，模具预热温度200℃～300℃，根据产品设计要求挤压成Φ20mm～Φ150mm的棒料或管料或宽度≤600mm板材；
c、将上述挤压棒料或管料或板材进行350℃～550℃×2～5h+160℃～300℃×12～36h热处理；
d、将上述热处理棒料或管料或板材按照产品设计尺寸加工成成品；
本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种上述智能降解镁合金材料的应用，其特征在于：所述智能降解镁合金材料可用于加工成石油、页岩气开采井下工具，包括油气藏井下工具用的智能降解压裂球、智能降解气举阀、智能降解球座、智能降解孔枪组件、智能降解锚定工具或智能降解压裂套管。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)该合金具有较宽的力学性能、腐蚀性能调控空间，能够满足不同地质条件、不同油气井、不同工况的要求；
(2)通过微量添加Ga、In和Sn等低熔点或高电位差合金元素能够有效调控合金的腐蚀性能，实现腐蚀速率的智能控制和均匀腐蚀；
(3)根据不同产品的工艺特点及性能要求，提出不同铸造方式，而且提出通过挤压变形、热处理、阳极氧化等工艺进一步改善合金的力学性能和腐蚀性能，满足不同地质条件、不同油气井、不同工况的要求。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
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
按以下合金成分配比进行原料配置：Al：8％；Zn：1％；Ga：1.5％；In：0.2％；Fe：0.3％；Cu：0.2％，Ni：0.1％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％，其余为Mg。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至750℃～780℃；加入高熔点Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至740℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)将检验合格的铝合金熔体继续降温至670℃～710℃，然后浇注到半连续铸锭机结晶器中，结晶器尺寸为Φ455mm，具体铸造工艺为浇注温度670℃～710℃，铸造速度120mm/min～150mm/min，冷却强度1.5m3/h。
(6)将上述制备的镁合金铸锭在400℃等温加热24h进行均匀化处理，然后空冷；
(7)将上述镁合金铸锭车去表面的氧化表皮，截去铸锭首尾部分，然后在400℃等温加热1h～2h，然后放入挤压模具进行挤压变形，模具预热温度200℃～250℃，根据产品设计要求挤压成Φ65mm或Φ95/Φ40mm的棒料或管料；
(8)将上述Φ65mm的棒料加工成Φ60mm的压裂球，将Φ95/Φ40mm的管料按设计尺寸加工成压裂球座。
(9)将上述产品进行400℃×2h+177℃×16h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥250MPa，伸长率≥5％，抗压强度≥280MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为800-1200mg/cm2/Day。
(10)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例2
按以下合金成分配比进行原料配置：Al：10％；Zn：1％；Ga：1.8％；In：0.4％；Fe：0.2％；Cu：0.5％，Ni：0.1％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％，其余为Mg。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到680℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至750℃～780℃；加入高熔点Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度700℃～720℃，模具温度为250℃～350℃，压强为120～180MPa，保压时间为2min，可以直接制备出智能降解射孔枪组件近成形毛坯，然后少量加工制备成产品；
(6)将上述产品进行420℃×2h+180℃×18h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥200MPa，伸长率≥4％，抗压强度≥250MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为1000-1400mg/cm2/Day。
(7)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例3
按以下合金成分配比进行原料配置：Al：6％；Sr：4.5％；Ga：0.8％；In：0.3％；Fe：0.1％；Cu：0.5％，Ni：0.1％；Sn：0.1％；Ca：1.5％；Zn：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％，其余为Mg。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到680℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至750℃～780℃；加入高熔点Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sr、Ca、Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)采用金属型铸造，浇注温度690℃～710℃，模具温度为200℃～300℃，可以直接制备出管料，然后加工制备智能降解球座；
(6)将上述产品进行460℃×2h+170℃×12h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥220MPa，伸长率≥5％，抗压强度≥260MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为1200-1600mg/cm2/Day。
(7)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例4
按以下合金成分配比进行原料配置：Sn：5％；Ca：2％；Zn：1％；Ga：1.2％；In：0.3％；Fe：0.1％；Cu：0.3％，Ni：0.1％；Al：0.5％；La：0.01％；Er：0.01％，其余为Mg。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到680℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至750℃～780℃；加入高熔点Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度700℃～720℃，模具温度为250℃～350℃，压强为150～180MPa，保压时间为2min，可以直接制备出智能降解锚定工具近成形毛坯，然后少量加工制备成产品；
(6)将上述产品进行480℃×2h+200℃×18h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥240MPa，伸长率≥5％，抗压强度≥280MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为1500-1800mg/cm2/Day。
(7)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例5
按以下合金成分配比进行原料配置：Zn：6％；Ga：1％；In：0.4％；Zr：0.4％，Cu：0.2％，Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％。其余为Mg。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至750℃～770℃；加入高熔点Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)、Zr(以Al-Zr合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)将检验合格的铝合金熔体继续降温至690℃～710℃，然后浇注到半连续铸锭机结晶器中，结晶器尺寸为Φ500mm，具体铸造工艺为浇注温度690℃～710℃，铸造速度100mm/min～120mm/min，冷却强度2m3/h。
(6)将上述制备的镁合金铸锭在360℃等温加热24h进行均匀化处理，然后空冷；
(7)将上述镁合金铸锭车去表面的氧化表皮，截去铸锭首尾部分，然后在400℃等温加热1h～2h，然后放入挤压模具进行挤压变形，模具预热温度200℃，根据产品设计要求挤压成40mm×250mm的板材；
(8)将上述40mm×250mm的板材加工成智能降解气举阀；
(9)将上述产品进行460℃×2h+165℃×16h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥280MPa，伸长率≥8％，抗压强度≥300MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为1000-1500mg/cm2/Day。
(10)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例6
按以下合金成分配比进行原料配置：Zn：5％；Y:2％；Ce:1.0％；Ga：1.2％；In：0.4％；Cu：0.3％；Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至760℃～780℃；加入高熔点Y、Ce、Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)、Zr(以Al-Zr合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)将检验合格的铝合金熔体继续升温至720℃～730℃，然后浇注到半连续铸锭机结晶器中，结晶器尺寸为Φ200mm，具体铸造工艺为浇注温度720℃～730℃，铸造速度100mm/min～120mm/min，冷却强度3.6m3/h。
(6)将上述制备的镁合金铸锭在500℃等温加热24h进行均匀化处理，然后空冷；
(7)将上述镁合金铸锭车去表面的氧化表皮，截去铸锭首尾部分，然后在500℃等温加热1h～2h，然后放入挤压模具进行挤压变形，模具预热温度200℃～250℃，根据产品设计要求挤压成Φ65mm棒料；
(8)将上述Φ65mm的棒料加工成Φ60mm的压裂球。
(9)将上述产品进行500℃×2h+280℃×18h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥320MPa，伸长率≥6％，抗压强度≥380MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为1000-1400mg/cm2/Day。
(10)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例7
按以下合金成分配比进行原料配置：Dy：6％～8％；Nd:2％～3％；Gd:3％～5％；Zr:0.4％～0.6％；Ga：1％～1.2％；In：0.4％～0.6％；Cu：0.2％，Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Zn：0.2％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至760℃～780℃；加入高熔点Dy、Nd、Gd、Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)、Zr(以Al-Zr合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)将检验合格的铝合金熔体继续升温至720℃～730℃，然后浇注到半连续铸锭机结晶器中，结晶器尺寸为Φ250mm，具体铸造工艺为浇注温度720℃～730℃，铸造速度80mm/min～100mm/min，冷却强度3.5m3/h。
(6)将上述制备的镁合金铸锭在510℃等温加热24h进行均匀化处理，然后空冷；
(7)将上述镁合金铸锭车去表面的氧化表皮，截去铸锭首尾部分，然后在480℃等温加热1h～2h，然后放入挤压模具进行挤压变形，模具预热温度200℃～250℃，根据产品设计要求挤压成Φ65mm～Φ150mm棒料；
(8)将上述Φ65mm的棒料加工成Φ60mm的压裂球。
(9)将上述产品进行510℃×2h+260℃×16h～24h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥380MPa，伸长率≥6％，抗压强度≥420MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为800-1200mg/cm2/Day。
(10)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例8
按以下合金成分配比进行原料配置：Gd：8％～10％；Y:1％～2％；Zn:0.8％～1％；Zr:0.4％；Ga：1.5％～1.8％；In：0.1％～0.3％；Ni：0.5％；Cu：0.2％，Fe:0.1％；Al：0.5％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％，其余Mg。其工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至760℃～780℃；加入高熔点Gd、Y、Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)、Zr(以Al-Zr合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)将检验合格的铝合金熔体继续升温至720℃～730℃，然后浇注到半连续铸锭机结晶器中，结晶器尺寸为Φ300mm，具体铸造工艺为浇注温度720℃～730℃，铸造速度80mm/min～100mm/min，冷却强度3m3/h。
(6)将上述制备的镁合金铸锭在520℃等温加热24h进行均匀化处理，然后空冷；
(7)将上述镁合金铸锭车去表面的氧化表皮，截去铸锭首尾部分，然后在480℃等温加热1h～2h，然后放入挤压模具进行挤压变形，模具预热温度200℃～250℃，根据产品设计要求挤压成Φ65mm～Φ150mm棒料、Φ95/Φ40mm管料、40mm～60mm×200mm的板材；
(8)将上述Φ65mm的棒料加工成Φ60mm的压裂球，将Φ95/Φ40mm的管料按设计尺寸加工成压裂球座，将上述40mm～60mm×200mm的板材加工成智能降解气举阀。
(9)将上述产品进行530℃×2h+300℃×16h～24h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥400MPa，伸长率≥5％，抗压强度≥420MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为800-1600mg/cm2/Day。
(10)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
实施例9
按以下合金成分配比进行原料配置：作为优选，所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Nd：2％；Ce:0.3％；Zn:6％；Al：2％；Zr:0.4％；Ga：1.2％；In：0.5％；Ni：0.1％；Cu：0.2％，Fe:0.1％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg余量。
工艺按如下进行：
(1)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至760℃～780℃；加入高熔点Ce、Nd、Ni、Fe、Cu、La、Er(以Al-Er合金形式加入)等合金元素，并用搅拌棒轻轻搅拌，静置20min以上；
(2)待合金完全熔化后将合金溶液降温至750℃～760℃利用旋转喷吹和Ar(N2)进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金溶液继续降温至700℃～720℃待用；
(3)然后加入Sn、Ga、In等低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
(4)检测合金成分，成分合格后待浇注；
(5)采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度700℃～720℃，模具温度为250℃～350℃，压强为160～180MPa，保压时间为2min，可以直接制备出智能降解锚定工具近成形毛坯，然后少量加工制备成产品；
(6)将上述产品进行460℃×2h+180℃×20h热处理；产品的力学性能为抗拉强度≥280MPa，伸长率≥7％，抗压强度≥310MPa，100℃1％-15％的KCl溶液中降解速率为1600-2000mg/cm2/Day。
(7)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理或直接使用。
该发明提供的智能降解镁合金材料可用于以下一些产品，但不局限于以下一些产品，本发明可应用于需要类似材料特性的产品。
(1)智能降解压裂球
将本发明制备的智能降解镁合金材料通过机加工或直接铸造制备出Φ20mm～Φ150mm的球形，用于油气藏井下工具用压裂球，施工时按从小到大顺序投入，消除了卡球风险，无需回收或钻磨作业，大大提高了常规储层和非常规储层的压裂作业效率。可降解铝合金压裂球降解的副产品为微米级粉末，不会影响返排和油气生产。
(2)智能降解气举阀
将本发明提供的智能降解镁合金材料通过设计加工成智能降解气举阀，试压阶段智能气举阀作为Dummy阀使用，之后可降解塞在盐水中降解(10小时～3天)，临时Dummy阀变为Live阀进行气举施工。
(3)智能降解球座
将本发明提供的智能降解镁合金材料通过设计加工应用于油气藏开采压裂球座、油套管压力测试、封隔器坐封和压裂滑套。以压裂滑套为例，压裂滑套先于压裂球(同一尺寸)下至井内，对于球和球座可设定不同的降解速率，实现同时完全降解，为后续作业提供全通径通道。
(4)智能降解孔枪组件
将本发明提供的智能降解镁合金材料通过设计加工应用于药型罩等射孔枪组件，产生的碎屑在射孔孔眼中遇水基液体即可完全降解。目前的射孔弹包括小孔径深穿透、大孔径浅穿透和大孔径深穿透3种类型，与前2种射孔弹相比，大孔径深穿透射孔弹爆炸后产生的较多碎屑滞留在孔眼中会堵塞孔隙，从而严重影响产能。
(5)智能降解锚定工具
将本发明提供的智能降解镁合金材料通过设计加工应用于锚定工具。卡瓦是封隔器、桥塞和水力锚等锚定工具的关键部件，必要时需要钻磨，但时间长、卡钻风险大。智能降解材料制备锚定工具卡瓦可延迟降解，解决钻磨难题。
(6)智能降解压裂套管
将本发明提供的智能降解镁合金材料通过设计加工应用于降解压裂套管。套管水平井多级分段压裂需要多次干预作业，如逐级射孔或开启固井滑套，则极大地降低了施工效率。若将套管在地面预射孔，用高强度可降解材料制成塞安装在孔中，则固井过程中可作为流体流失的屏障，智能降解塞遇盐水延迟降解后露出孔眼即可进行压裂施工。

Claims (11)

1.一种智能降解镁合金材料，其特征在于：所述镁合金中各元素的质量百分含量如下：
Al 0.5％～12％；Zn 0.2％～7.8％；Sn 0.1％～10.7％；Ca 0.1％～3％；
Gd 0％～23.49％；Dy 0％～25.3％；Y 0％～8.75％；Nd 0％～33％；
La 0.01％～16.5％；Ce 0％～20.5％；Sr 0％～18.4％；Er 0.01％～1％；
Zr 0.01％～0.6％；Ni 0.1％～2％；Ga 0.5％～5％；In 0.05％～2％；
Fe 0.1％～0.8％；Cu 0.2％～1％；
Mg 余量。
2.根据权利要求1所述的智能降解镁合金材料，其特征在于：所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Zn：4％～6％；Ga：1％～2％；In：0.4％～0.6％；Zr：0.4％～0.6％，Cu：0.2％，Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg 余量。
3.根据权利要求1所述的智能降解镁合金材料，其特征在于：所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Sn：2％～6％；Ca:1％～3％；Ga：0.8％～1.5％；In：0.1％～0.4％；Cu：0.2～0.3％；Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Zn：0.2％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg 余量。
4.根据权利要求1所述的智能降解镁合金材料，其特征在于：所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Dy：6％～14％；Nd:2％～5％；Gd:0％～5％；Zr:0.2％～0.6％；Ga：1％～1.8％；In：0.1％～0.6％；Cu：0.2％，Ni：0.1％；Fe:0.1％；Al：0.5％；Zn：0.2％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg 余量。
5.根据权利要求1所述的智能降解镁合金材料，其特征在于：所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Gd：6％～12％；Y:1％～5％；Zn:0.2％～1.6％；Zr:0.2％～0.6％；Ga：1％～1.8％；In：0.1％～0.6％；Ni：0.1％～0.6％；Cu：0.2％，Fe:0.1％；Al：0.5％～12％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg 余量。
6.根据权利要求1所述的智能降解镁合金材料，其特征在于：所述镁合金中各元素的质量百分含量为：Nd：1％～4％；Ce:0％～0.5％；Zn:1％～7％；Al：0.5％～6％；Zr:0.2％～0.6％；Ga：1.2％～1.8％；In：0.3％～0.6％；Ni：0.1％；Cu：0.2％，Fe:0.1％；Sn：0.1％；Ca：0.1％；La：0.01％；Er：0.01％；Mg 余量。
7.一种根据权利要求1所述的智能降解镁合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)按照智能降解镁合金材料中各元素的质量百分含量进行配置，其中Mg、Al、Zn、Sn、Ca、Gd、Dy、Y、Nd、La、Ce、Sr、Ni、Ga、In、Fe、Cu均以单质的形式加入，其余均以中间合金的形式加入；
2)首先将纯Mg、Al、Zn、Ca加热到660℃～700℃，在Ar+0.2％SF6保护下进行熔炼，然后继续加热至750℃～780℃；加入高熔点合金元素Gd、Dy、Y、Nd、La、Er、Ce、Sr、Ni、Fe、Cu、Zr，静置20min以上；
3)待合金完全熔化后将合金熔液降温至740℃～760℃利用旋转喷吹和Ar或N2进行精炼，精炼时间为15～20min，然后静置20min后扒渣，然后合金熔液继续降温至700℃～720℃待用；
4)然后加入Sn、Ga、In低熔点合金元素，待合金熔化后在坩埚底部进行轻轻搅拌使其成分均匀一致；
5)检测合金成分，成分合格后待浇注；
6)采用铸造工艺制备出设计产品；
7)根据产品需求，对上述加工成品进行阳极氧化处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6)的铸造工艺包括如下三种之一：
一、采用挤压铸造工艺铸造，浇注温度700℃～720℃，模具温度为250℃～350℃，压强为80～180MPa，保压时间为1～2min，直接制备出近成形毛坯，然后加工制备成产品；
二、采用金属型铸造，浇注温度690℃～710℃，模具温度为200℃～300℃，直接制备出棒料或管料或板材，然后加工制备成产品；
三、采用半连续铸造制备镁合金铸锭，具体制备工艺如下：针对稀土合金总含量＜1％的低稀土含量合金材料，浇注温度670℃～710℃，铸造速度80mm/min～150mm/min，冷却强度1m3/h～5m3/h；针对稀土合金总含量≥1％的高稀土含量合金材料，浇注温度700℃～750℃，铸造速度60mm/min～120mm/min，冷却强度3m3/h～10m3/h，通过上述工艺制备出Φ150mm～Φ600mm镁合金铸锭。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述铸造工艺二中制备的棒料或管料进行挤压或压力加工制备变形智能降解镁合金材料，且可通过后续热处理进一步调控合金的性能，然后通过加工制备出设计产品。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述铸造工艺三制备的镁合金铸锭还需进行以下步骤处理：
a、在360℃～530℃等温加热18h～36h进行均匀化处理，然后空冷；
b、将上述镁合金铸锭在400℃～500℃等温加热1h～3h，然后放入挤压模具进行挤压变形，模具预热温度200℃～300℃，根据产品设计要求挤压成Φ20mm～Φ150mm的棒料或管料或宽度≤600mm板材；
c、将上述挤压棒料或管料或板材进行350℃～550℃×2～5h+160℃～300℃×12～36h热处理；
d、将上述热处理棒料或管料或板材按照产品设计尺寸加工成成品。
11.一种根据权利要求1至6任一权利要求所述的智能降解镁合金材料的应用，其特征在于：所述智能降解镁合金材料可用于加工成石油、页岩气开采井下工具。
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