CN107099685B - 一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法，包括如下步骤：将坩埚预热至600℃左右后，在坩锅壁和其底部撒上少量的熔盐覆盖剂，加入纯镁块，并在其表层撒一层熔盐覆盖剂；对坩埚进行加热，当温度升至720℃时，保温，等镁全部熔化后，加入Cu；将炉温升到720℃‑725℃，加入Mg‑Y中间合金，边加入边搅拌；继续升温，将炉温升至740℃，加入5号镁合金专用剂和镇静剂；静置降温到700℃，在合金中加入中间相开始铸造，得Mg‑4Y‑2Cu合金。本发明在合金中形成了可以使合金的强度提高而塑韧性也同时提高的LPSO结构相以及含Cu的析出相Mg2Cu，而且部分Cu固溶到Mg基体中，材料的降解速率明显增大。

Description

一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法。

背景技术

随着油气勘探开发对象逐渐向低渗透、低品位资源转变，水平井分段压裂技术成为储层改造、有效提高单井产量的重要手段。压裂球和桥塞作为压裂作业的重要工具日益应用广泛。目前，所使用的的常规桥塞主要包括可钻式桥塞和大通径桥塞等。其中，可钻式桥塞在压裂结束后，需要下钻具磨铣，在此过程中易造成井下事故且作业施工成本高，同时产生的碎屑和作业液体将会对储层造成污染。为了解决这些问题，研发一种高强度高韧性快速降解的新型材料是非常必要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法，通过在镁合金中添加稀土Y元素和Cu元素，在合金中生成可以使合金的强度提高而塑韧性也同时提高的LPSO结构相，同时由于Cu的添加，在合金中形成了含Cu的金属间化合物Mg₂Cu，而且部分Cu固溶到Mg基体中，导致材料的降解速率明显增大。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、精选化学物质材料

对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：

高纯镁铸锭：固态固体 99.99％以上；

铜粉：固态固体 99.9％以上；

Mg-50％Y中间合金：固态固体 99.9％以上；

S2、制备开合式模具

用不锈钢材料制备开合式模具，型腔为直径为90m圆柱形，并在浇注口加滤网；

S3、合金化铸造

开启熔炼炉，将坩埚预热至600℃±5℃，坩埚呈暗红色后，在坩锅壁和其底部撒上100g左右熔盐覆盖剂，将称取好的4500kg高纯镁块加入熔炼坩埚中，并在其表层再撒1-2mm厚度的熔盐覆盖剂；

S4、以10℃/min的加热速度对坩埚进行加热，当温度升至720℃±5℃时，保温，使镁锭全部熔化，加入称量好的100kg的Cu粉，添加的过程同时进行搅拌；

S5、Cu添加结束后，将炉温升到725℃±5℃静置5±1min，加入称量好的400g的Mg-50％Y中间合金，添加的过程同时进行搅拌；

S6、继续升温，当炉温升至740℃±5℃时，加入5号镁合金专用剂并加入镇静剂，此温度恒温静置15min±1min，以去除熔融合金中的氧化夹杂等；

S7、关掉加热电源，静置降温到700℃±5℃时，将盛有Mg-Y-Cu熔液的坩埚对准开合式模具进行浇铸；

S8、浇铸完成后，将开合式模具置于自然空气环境中进行冷却，至室温；打开开合式模具，取出铸锭；

本发明通过在镁合金中添加稀土Y元素和Cu元素，在合金中生成可以使合金的强度提高而塑韧性也同时提高的LPSO结构相，同时由于Cu的添加，在合金中形成了含Cu的金属间化合物Mg₂Cu，而且部分Cu固溶到Mg基体中，导致材料的降解速率明显增大。

附图说明

图1为本发明实施例所得的合金的金相组织结构图。

图2为本发明实施例所得的合金的SEM组织形貌图。

图3为本发明实施例所得的合金材料和同类材料的降解速率的对比示意图。

图4为本发明实施例所得的合金材料和同类材料的力学性能对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法，采用以下原料：高纯镁铸锭、铜粉、Mg-50％Y中间合金；

包括如下步骤：

S1、精选化学物质材料

对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：

高纯镁铸锭：固态固体 99.99％以上；

铜粉：固态固体 99.9％以上；

Mg-Y中间合金：固态固体 99.9％以上；

S2、制备开合式模具

用不锈钢材料制备开合式模具，型腔为直径为90mm圆柱形，并在浇注口加滤网；

S3、合金化铸造

开启熔炼炉，将坩埚预热至603℃，坩埚呈暗红色后，在坩锅壁和其底部撒上101g熔盐覆盖剂，将称取好的4500.1kg高纯镁块加入熔炼坩埚中，并在其表层再撒1-2mm熔盐覆盖剂；

S4、以10℃/min的加热速度对坩埚进行加热，当温度升至723℃时，保温，使镁锭全部熔化，开始加入称量好的100.0kg的Cu粉，添加的过程同时进行搅拌；

S5、Cu添加添加结束之后，将炉温升到728℃静置5min20s，加入称量好的400.1g的Mg-50％Y中间合金，添加的过程同时进行搅拌；

S6、继续升温，当炉温升至742℃时，加入5号镁合金专用剂并加入镇静剂，此温度恒温静置15min，以去除熔融合金中的氧化夹杂等；

S7、关掉加热电源，静置降温到705℃时，将盛有Mg-Y-Cu熔液的坩埚对准开合式模具进行浇铸；

S8、浇铸完成后，将开合式模具置于自然空气环境中进行冷却，至室温，打开开合式模具，取出铸锭。

实施例2

一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法，采用以下原料：高纯镁铸锭、铜粉、Mg-50％Y中间合金；

包括如下步骤：

S1、精选化学物质材料

对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：

高纯镁铸锭：固态固体 99.99％以上；

铜粉：固态固体 99.9％以上；

Mg-Y中间合金：固态固体 99.9％以上；

S2、制备开合式模具

用不锈钢材料制备开合式模具，型腔为直径为90mm圆柱形，并在浇注口加滤网；

S3、合金化铸造

开启熔炼炉，将坩埚预热至600℃，坩埚呈暗红色后，在坩锅壁和其底部撒上98g熔盐覆盖剂，将称取好的4500.2kg高纯镁块加入熔炼坩埚中，并在其表层再撒1-2mm熔盐覆盖剂；

S4、以10℃/min的加热速度对坩埚进行加热，当温度升至719℃时，保温，使镁锭全部熔化，开始加入称量好的99.8g的Cu粉，添加的过程同时进行搅拌；

S5、Cu添加添加结束之后，将炉温升到728℃静置5min20s，加入称量好的400.2g的Mg-50％Y中间合金，添加的过程同时进行搅拌；

S6、继续升温，当炉温升至741℃时，加入5号镁合金专用剂并加入镇静剂，此温度恒温静置15min，以去除熔融合金中的氧化夹杂等；

S7、关掉加热电源，静置降温到701℃时，开始浇注将盛有Mg-Y-Cu熔液的坩埚对准开合式模具进行浇铸；

S8、浇铸完成后，将开合式模具置于自然空气环境中进行冷却，至室温，打开开合式模具，取出铸锭。

实施例3

一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法，采用以下原料：高纯镁铸锭、铜粉、Mg-50％Y中间合金；

包括如下步骤：

S1、精选化学物质材料

对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：

高纯镁铸锭：固态固体 99.99％以上；

铜粉：固态固体 99.9％以上；

Mg-Y中间合金：固态固体 99.9％以上；

S2、制备开合式模具

用不锈钢材料制备开合式模具，型腔为直径为90mm圆柱形，并在浇注口加滤网；

S3、合金化铸造

开启熔炼炉，将坩埚预热至604℃，坩埚呈暗红色后，在坩锅壁和其底部撒上98g熔盐覆盖剂，将称取好的4500.0kg高纯镁块加入熔炼坩埚中，并在其表层再撒1-2mm熔盐覆盖剂；

S4、以10℃/min的加热速度对坩埚进行加热，当温度升至722℃时，保温，使镁锭全部熔化，开始加入称量好的100.1g的Cu粉，添加的过程同时进行搅拌；

S5、Cu添加添加结束之后，将炉温升到725℃静置5min20s，加入称量好的399.8g的Mg-50％Y中间合金，添加的过程同时进行搅拌；

S6、继续升温，当炉温升至742℃时，加入5号镁合金专用剂并加入镇静剂，此温度恒温静置15min，以去除熔融合金中的氧化夹杂等；

S7、关掉加热电源，静置降温到701℃时，开始浇注，将盛有Mg-Y-Cu熔液的坩埚对准开合式模具进行浇铸；

S8、浇铸完成后，将开合式模具置于自然空气环境中进行冷却，至室温，打开开合式模具，取出铸锭。

本具体实施采用半连续铸造的方法制备Mg-4Y-2Cu合金。这一合金具有较高的强度、较好塑韧性，同时降解速率明显比具有相图LPSO结构相的镁合金Mg-4Y-2Zn的快的多。在室温下，合金在KCl溶液中浸泡3天，其平均腐蚀速率约是同类型材料的10倍，可以达到0.25mm day^-1。此制备方法工艺简单，量值准确翔实，在油气勘探开发工业中，是十分理想的高强高韧性快速降解材料，可以作为压裂作业的重要工具压裂球和桥塞。可在镁合金铸造工业中实现批量生产应用。

如图1-图2所示，为所做合金的金相组织结构和SEM组织形貌图，可以看到形成了LPSO相，而且分布均匀，通过SEM可以看到LPSO相中含有较明亮的长条状相，这是Mg₂Cu相。如图3所示，是发明材料和同类材料的降解速率的对比，可见发明材料的降解速率明显快于同类材料的。如图4所示，是发明材料和同类材料的力学性能对比，可见其强度基本持平，但是具有更好的塑韧性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高强高韧性快速降解镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、精选化学物质材料

对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：

高纯镁铸锭：固态固体 99.99％以上；

铜粉：固态固体 99.9％以上；

Mg-50％Y中间合金：固态固体 99.9％以上；

S2、制备开合式模具

用不锈钢材料制备开合式模具，型腔为直径为90mm圆柱形，并在浇注口加滤网；

S3、合金化铸造

开启熔炼炉，将坩埚预热至600℃±5℃，坩埚呈暗红色后，在坩锅壁和其底部撒上100g左右熔盐覆盖剂，将称取好的4500kg高纯镁块加入熔炼坩埚中，并在其表层再撒1-2mm厚度的熔盐覆盖剂；

S4、以10℃/min的加热速度对坩埚进行加热，当温度升至720℃±5℃时，保温，使镁锭全部熔化，加入称量好的100kg的Cu粉，添加的过程同时进行搅拌；

S5、Cu添加结束后，将炉温升到725℃±5℃静置5±1min，加入称量好的400g的Mg-50％Y中间合金，添加的过程同时进行搅拌；

S6、继续升温，当炉温升至740℃±5℃时，加入5号镁合金专用剂并加入镇静剂，此温度恒温静置15min±1min；

S7、关掉加热电源，静置降温到700℃±5℃时，将盛有Mg-Y-Cu熔液的坩埚对准开合式模具进行浇铸；

S8、浇铸完成后，将开合式模具置于自然空气环境中进行冷却，至室温；打开开合式模具，取出铸锭。