CN108265203A

CN108265203A - 一种稀土La改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺

Info

Publication number: CN108265203A
Application number: CN201810332481.4A
Authority: CN
Inventors: 周勇; 赵飞; 党墨含; 高倩; 孙良; 李健
Original assignee: Xian Shiyou University
Current assignee: Xian Shiyou University
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2018-07-10

Abstract

一种稀土La改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺，该合金中Zn含量为0～5.0wt.%，Si含量为0～5.0wt.%，Mn含量为0.1～8.0wt.%，Sn含量为0～15.0wt.%，Ga含量为0～10.0wt.%，In含量为0.1～2.0wt.%，Y含量为0.1～0.5wt.%，其余为Al。其制备方法包括高温熔炼纯铝锭、添加合金元素、搅拌扒渣、冷却浇注、固溶时效处理。通过在熔炼过程中加入稀土元素La来细化铸态晶粒及浇注后固溶时效处理来提高材料的强度和腐蚀性能。所制备出的铝合金材料既具有高强度、耐高压等优良的力学性能，又兼具良好的水溶解性能。

Description

一种稀土La改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺

技术领域

本发明属于有色金属熔炼技术领域，涉及一种可溶解铝合金，具体涉及一种稀土La改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺。

背景技术

水力压裂技术是一项应用于低渗透油气田的增效开采技术。该技术在施工过程中，需采用大量井下工具对不同作业层的施工管柱进行封堵。如果这些工具能够在服役期间满足基本的应用性能要求，又能在服役后迅速溶解，无需切削，保持井筒畅通。这将会极大减少施工周期，节约施工成本。因此，研发一种高强度可溶解材料以制备井下压裂工具对于保障我国油田的稳产和高产有着十分重要的意义。

目前，最常用的可溶解材料主要包括可溶解有机材料、可溶解无机材料和可溶解金属材料。由于可溶解有机材料和可溶解无机材料要么强度低、耐高温、高压性能差，要么溶解速度慢，所以其难以在油气田压裂等对材料热力学性能要求较高的领域使用。因此，使用可溶解金属材料是目前一种最佳的选择。

美国专利（US2007/0181224）公开了一种合金，该合金包括占主要比例的一种或多种活性金属，以及占少量比例的一种或多种合金化产物。主要包含诸如金属元素镓（Ga）、铟（In）、锌（Zn）、铋（Bi）和铝（Al）这类位于元素周期表第Ⅰ和Ⅱ主族中的金属元素。该合金的特征在于其在特定条件下可控制其溶解速度。专利WO2016/165041A1提出了一种高强度可溶解铝合金材料，该材料能够在服役期间满足高机械强度的使用要求，又能在服役完成后迅速溶解。专利201410819770.9提出了一种可溶解铝合金材料，该材料不仅具有较强的强度，而且在服役后无需磨削或返排，大大提高了油气开采的工作效率。专利200910130736.X中也涉及制造一种可降解合金，包括在模具中放置一种或多种合金化产物的粉末，经压制和烧结所得粉末制成产品。以上专利均未涉及到稀土元素La对材料组织及力学性能的影响，而且采用以上方法所制备出的材料其力学性能和溶解性能不能同时满足实际工况要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种稀土La改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺，把铝合金熔炼原理与电化学腐蚀机理相结合，通过引入Zn、Si、Mn、Sn、Ga、In并合理调控各成分含量，成功实现了对产品稳定性的控制。同时，在熔炼过程中加入稀土元素La来细化铸态晶粒及浇注后固溶时效处理来提高材料的强度和腐蚀性能。所制备出的铝合金材料既具有优良的力学性能，同时又兼具良好的水溶解性能，完全满足实际工况要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种稀土La改性高强度可溶解铝合金，其特征在于，按质量百分比包括以下成分：Zn 0～3.0wt.%，Si 0～0.5wt.%，Mn 0.1～5.0wt.%，Sn 0～20.0wt.%，Ga 0.1～13.0wt.%，In0.1～8.0wt.%，La 0.1～0.5wt.%，其余为Al。

一种稀土La改性高强度可溶解铝合金的熔炼工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1）首先将纯度4N的铝锭放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至740～760℃使之熔融为铝液：

2）在步骤1）中加入预制的块状Zn，搅拌均匀，温度回升至740～760℃后保温15分钟，然后进行搅拌、扒渣；

3）当炉温再次升回至740～760℃时，依次加入块状Mn、Si、Sn、Ga和In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为760℃，待炉温升至760℃时再加入稀土元素La，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃左右后浇注在事先预热的模具中获得铸件；

4）将所得铸件冷却至室温，在450℃固溶8小时后随炉冷却，接着在120℃下时效24小时，得到稀土La改性高强度可溶解铝合金。

进一步，所述的熔炼炉中，整个过程利用氩气或氮气等惰性气体来保护熔体。

进一步，所述的特制覆盖剂的成分为羊粪与氯盐的混合物。

进一步，所述的述模具为直径40mm×长150mm的圆柱体。

进一步，所述的模具的预热温度为150～200℃。

本发明的有益效果是：

1）本发明在熔炼过程中添加了稀土元素La，在保证材料溶解速率可控的同时细化了合金的铸态组织，提高了材料力学性能，材料的抗拉强度可达到300～500MPa。

2）整个熔炼过程当中，利用氩气来保护熔体，避免了元素的烧损。

3）熔炼前加入了特制的覆盖剂，有效减少了铝合金的吸氢量，同时避免了氧化物等杂质的形成。

4）本发明工艺过程简单，制备出的材料力学性能和溶解性能良好，可直接用于制作满足实际工况要求的井下工具。

附图说明

图1不添加稀土元素材料的铸态金相组织照片；

图2添加稀土元素La之后材料的铸态金相组织照片；

图3稀土La改性高强度可溶解铝合金熔炼装置示意图；其中1为氩气瓶；2为压力表；3为阀门；4为干燥剂；5为通气管；6为搅拌头；7为固定架；8为排气口；9为喷吹气管；10为控制柜；11为石墨坩埚熔炼炉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案：

实施例1：

首先将高纯铝锭（纯度4N）放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至750℃使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方90%重量加入1wt.% Zn，搅拌均匀，温度回升至750℃后保温15分钟，进行搅拌、扒渣。当炉温再次升回至750℃时，依次加入0.4 wt.%Mn、0.5wt.%Si、4.0 wt.%Sn、2.7wt.%Ga和1.3 wt.%In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为760℃，待炉温升至760℃时再加入0.1wt.%的稀土元素La，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃后浇注在事先预热的模具中获得铸件。将所得铸件冷却至室温，在450℃固溶8小时后随炉冷却，接着在120℃下时效24小时，并加工成所需工件。整个熔炼过程中，使用氩气来保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为421MPa。在70℃、1%KCl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为40.2mg/(h·cm²)。

实施例2：

首先将高纯铝锭（纯度4N）放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至750℃使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方87.5%重量加入2.0wt.% Zn，搅拌均匀，温度回升至750℃后保温15分钟，进行搅拌、扒渣。当炉温再次升回至750℃时，依次加入0.8wt.%Mn、0.2wt.%Si、2.3 wt.%Sn、5.0wt.%Ga和2.0 wt.%In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为760℃，待炉温升至760℃时再加入0.2wt.%的稀土元素La，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃后浇注在事先预热的模具中获得铸件。将所得铸件冷却至室温，在450℃固溶8小时后随炉冷却，接着在120℃下时效24小时，并加工成所需工件。整个熔炼过程中，使用氩气来保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为455MPa。在70℃、1%KCl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为35.8mg/(h·cm²)。

实施例3：

首先将高纯铝锭（纯度4N）放入石墨坩埚熔炼炉中，加入特制覆盖剂后升温至750℃使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方75.5%重量加入3.0wt.%Zn，搅拌均匀，温度回升至750℃后保温15分钟，进行搅拌、扒渣。当炉温再次升回至750℃时，依次加入4.0 wt.%Mn、0.3 wt.%Si、3.8wt.%Sn、8.0wt.%Ga和5.0 wt.%In，经保温、搅拌、扒渣后设置炉温为760℃，待炉温升至760℃时再加入0.4wt.%的稀土元素La，搅拌均匀，经六氯乙烷精炼除气3分钟后扒渣，静置15分钟，等熔体温度降至750℃后浇注在事先预热的模具中获得铸件。将所得铸件冷却至室温，在450℃固溶8小时后随炉冷却，接着在120℃下时效24小时，并加工成所需工件。整个熔炼过程中，使用氩气来保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为307MPa。在70℃、1%KCl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为56.5 mg/(h·cm²)。

图1、图2为材料铸态金相组织照片，图1为材料没有添加稀土元素La的照片，图2为材料添加稀土元素La之后的照片。由照片可以看出，材料在添加稀土元素La之后，晶粒得到了显著细化，组织结构更加致密，经过固溶时效处理后，材料良好的力学性能和溶解性能得到了进一步体现。

以上实施例表明，本发明工艺过程简单可行，按照本发明的工艺方法制备出的稀土La改性高强度可溶解铝合金材料具有较高的抗拉强度和较快的溶解速率，完全满足实际工况使用要求。

需要说明的是，以上所述实施例为本发明的较佳实施方式而已。除上述实施例以外，本发明尚有其他多种实施方式。凡是采用等效替换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims

1.一种稀土La改性高强度可溶解铝合金，其特征在于，按质量百分比包括以下成分：Zn0～3.0wt.%，Si 0～0.5wt.%，Mn 0.1～5.0wt.%，Sn 0～20.0wt.%，Ga 0.1～13.0wt.%，In0.1～8.0wt.%，La 0.1～0.5wt.%，其余为Al。

2.一种稀土La改性高强度可溶解铝合金的熔炼工艺，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种稀土La改性高强度可溶解铝合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的熔炼炉中，整个过程利用氩气或氮气等惰性气体来保护熔体。

4.根据权利要求1所述的一种稀土La改性高强度可溶解铝合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的特制覆盖剂的成分为羊粪与氯盐的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种稀土La改性高强度可溶解铝合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的述模具为直径40mm×长150mm的圆柱体。

6.根据权利要求1所述的一种稀土La改性高强度可溶解铝合金的熔炼工艺，其特征在于，所述的模具的预热温度为150～200℃。