CN108950346A - 一种敏感性可溶解合金材料及其制造方法 - Google Patents

一种敏感性可溶解合金材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种敏感性可溶解合金材料，所述合金材料是对不同化学介质如H+，SO42‑,Cl‑,OH‑……敏感的金属复合而成，所述合金材料至少包括有纳米级颗粒A和纳米级颗粒B，其中，纳米级颗粒A包括但不限于Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In及其氧化物，纳米级颗粒B包括但不限于Ni、Ti、W、Mo、Zr、Cr、P、S及其氧化物。由颗粒A赋予材料敏感的化学特性，颗粒B赋予材料特殊的力学特性，从而可以使材料具有高的力学特性，同时对所述化学介质及其他类似介质具有敏感活性和选择性。

Description

一种敏感性可溶解合金材料及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料制造的技术领域，特别涉及一种可溶解的金属材料及 其制备方法。
背景技术
在一些特殊施工环境，要求使用具有一定机械强度的金属材料，在发挥完 它的功能后金属材料本体能在一定环境介质中迅速降解或完全溶解掉。这些材 料多用于人工难于接触或操作的远距离施工环境如地下工程，采油，采矿工程 等。
目前，现有的主要材料则以简单的镁基合金添加一些其他合金元素构成基 本的溶解体系。这些溶解体系中，溶解介质要求只能取决于合金材料本身特性， 无法选择；溶解时间控制困难，由于环境改变，材料的选择范围有限；材料本 体机械物理性能可调性差，因此，无法满足人们施工的要求。
如专利申请201510915732.8所公开的一种可溶解合金及其制备方法和应 用。以质量百分比计，可溶解合金含有：铝0.5-8.0wt％、硅0.5-6.0wt％、铜 0.4-5.0wt％、锡0.8-6.0wt％、锌0.3-4wt％和余量的镁。上述可溶解合金的制 备方法包括以下步骤：将金属镁、铝、铜、锡和锌熔炼为熔体；将Al-50wt％ Si中间合金加入到上述熔体中，搅拌均匀后浇铸，制得可溶解合金；在满足各 组分配比的前提下，硅是以Al-50wt％Si中间合金的形式加入的。该可溶解合 金可制成的压裂桥塞用于采油工程中。
然而，该专利申请中合金材料是固定的，溶解介质无法进行选择，材料本 体机械物理性能可调性差，因此，无法满足人们施工的要求。
发明内容
基于此，因此本发明的首要目地是提供一种敏感性可溶解合金材料及其制 造方法，该合金材料及制造方法能够针对不同介质通过制造工艺和成分优化进 行选配，具有不同溶解敏感性；能够根据溶解降解时间要求进行合金匹配，具 有不同溶解活化时间。
本发明的另一个目的在于提供一种敏感性可溶解合金材料及其制造方法， 该合金材料及制造方法对材料的机械力学性能可以大范围调整，具有更高硬度， 强度，耐磨，耐冲击性能，能够满足人们多方面的需求。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述合金材料是对不同化学介质 如H+，SO42-,Cl-,OH-……敏感的金属复合而成，所述合金材料至少包括有纳 米级颗粒A和纳米级颗粒B，其中，纳米级颗粒A包括但不限于Zn、Al、Mg、 Mn、Ca、Fe、Co、In及其氧化物，纳米级颗粒B包括但不限于Ni、Ti、W、 Mo、Zr、Cr、P、S及其氧化物。由颗粒A赋予材料敏感的化学特性，颗粒B 赋予材料特殊的力学特性，从而可以使材料具有高的力学特性，同时对所述化学介质及其他类似介质具有敏感活性和选择性。
其中，所述纳米级敏感金属颗粒A(即纳米级颗粒A)，包括是Al、Mg、 Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中一种或一种以上，且其用量占总重量 的百分比(以下百分比的表述意思相同)为0.01％～90.0％。
所述纳米级颗粒A，包括Zn、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物 中一种或一种以上，且重量百分比为0.01％～90.0％。
所述纳米级颗粒A，包括Zn、Al、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物 中一种或一种以上，且重量百分比为0.01％～25.0％。
所述纳米级颗粒A，包括Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物 中一种或一种以上，且重量百分比为0.01％～90.0％。
所述纳米级颗粒A，包括Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Co、In和或者其氧化物 中一种或一种以上，且重量百分比为0.01％～90.0％。
所述纳米级颗粒A，包括Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co和或者其氧化 物中一种或一种以上，且重量百分比为0.01％～90.0％。
所述纳米级颗粒A，包括Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、In和或者其氧化物 中一种或一种以上，且重量百分比为0.01％～90.0％。
所述B，包括但不限于Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In及其氧化物。
进一步，所述的纳米级金属颗粒B(即纳米级颗粒B)是具有机械力学性 能一种或一种以上选项，所述纳米级金属颗粒B为Ti、W、Mo、Zr、Cr、P、 S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B的重量百分比 为0.01％～15.0％。
进一步，所述的纳米级金属颗粒B是具有机械力学性能一种或一种以上选 项，所述纳米级金属颗粒B为Ni、W、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中 任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～20.0％。
进一步，所述的纳米级金属颗粒B是具有机械力学性能一种或一种以上选 项，所述纳米级金属颗粒B为Ni、Ti、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中 任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～10.0％。
进一步，所述的纳米级金属颗粒B是具有机械力学性能一种或一种以上选 项，所述纳米级金属颗粒B为Ni、Ti、W、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中 任意一种或任意组合，且所述纳米级颗B中重量百分比为0.01％～25.0％。
进一步，所述的纳米级金属颗粒B是具有机械力学性能一种或一种以上选 项，所述纳米级金属颗粒B为Ni、Ti、W、Mo、Cr、P、S和或者其氧化物中 任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～15.0％。
进一步，所述的纳米级金属颗粒B是具有机械力学性能一种或一种以上选 项，所述纳米级金属颗粒B为Ni、Ti、W、Mo、Zr、P、S和或者其氧化物中 任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～15.0％。
所述的A、B和C的粒径为5μm～300μm，形状与各向化学特性受控。
一种敏感性可溶解合金材料的制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)、称量配料：将A、B按照配方进行精确称量；
2)、材料颗粒制造：
21)、按照配比与适量的聚丙烯树脂颗粒混匀；
22)、升温至80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：
进一步，热成型时，依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照 配比和应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理。
进一步，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
本发明中，纳米粒子A和B的成分，形状和各项化学特性各不相同，所以 具有不同功能。颗粒A赋予材料敏感的化学特性，颗粒B赋予材料特殊的力学 特性。从而可以使材料具有高的力学特性，通过A和B的相对比例调整，将材 料最终的机械力学性能，溶解参数，时间以及对介质的敏感性量化。总之，本 发明的有益效果是：
1、能够针对不同介质通过制造工艺和成分优化进行选配，具有不同溶解敏 感性。
2、能够根据溶解降解时间要求进行合金匹配，具有不同溶解活化时间。
3、材料的机械力学性能可以大范围调整，具有更高硬度，强度，耐磨，耐 冲击性能。
该材料的制造工艺包括三种及三种以上不同成分纳米金属和/或金属氧化 物粒子制备；三种及三种以上纳米颗粒材料按一定配比复合；复合成型并制成 具有不同机械力学性能，对不同介质敏感的活性溶解金属材料。
本发明所实现的合金材料可用于地下工程、石油开采。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案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。
本发明所实现的敏感性可溶解合金材料，所述合金材料是对不同化学介质 如H+，SO42-,Cl-,OH-……敏感的金属复合而成，所述合金材料至少包括有纳 米级颗粒A和纳米级颗粒B，其中，纳米级颗粒A包括但不限于Zn、Al、Mg、 Mn、Ca、Fe、Co、In及其氧化物，纳米级颗粒B包括但不限于Ni、Ti、W、 Mo、Zr、Cr、P、S及其氧化物。由颗粒A赋予材料敏感的化学特性，颗粒B 赋予材料特殊的力学特性，从而可以使材料具有高的力学特性，同时对所述化学介质及其他类似介质具有敏感活性和选择性。
A和B的粒径为5μm～300μm，形状与各向化学特性受控。如果A、B功能 要求不能满足使用要求，还可以引入第三种以及多种颗粒C，甚至第四种颗粒 D。
具体地说，纳米级颗粒A可以在如下方式中选择：
Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中一种或一种以上，重量 百分比为0.01％～90.0％；
Zn、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中一种或一种以上，且重 量百分比为0.01％～90.0％；
Zn、Al、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中一种或一种以上，且重 量百分比为0.01％～25.0％；
Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中一种或一种以上，且重 量百分比为0.01％～90.0％；
Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Co、In和或者其氧化物中一种或一种以上，且重 量百分比为0.01％～90.0％；
Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co和或者其氧化物中一种或一种以上，且重 量百分比为0.01％～90.0％；
Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、In和或者其氧化物中一种或一种以上，且重 量百分比为0.01％～90.0％。
纳米级颗粒B可以在如下方式中选择：
Ti、W、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且重 量百分比分别为0.01％～15％；
Ni、W、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且 重量百分比分别为0.01％～20％；
Ni、Ti、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且 重量百分比分别为0.01％～10％；
Ni、Ti、W、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且 重量百分比分别为0.01％～25％；
Ni、Ti、W、Mo、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且 重量百分比分别为0.01％～15％；
Ni、Ti、W、Mo、Zr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且 重量百分比分别为0.01％～15％。
本发明所实现敏感性可溶解合金材料的制造方法，包括如下步骤：
1)、称量配料：将A、B按照配方进行精确称量；
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与适量的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至80-220℃，造 粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
实施例一。
1)、称量配料：将粒径为5μm～300μm的A、B按照配方进行精确称量；
其中A＝0.01％，B＝99.99％。
具体地说，A为Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In的组合，Al、Mg、Mn、 Ca、Fe、Co、In的用量均等；B为Ni、W、Mo、Zr、Cr、P、S的组合，且 Ni、W、Mo、Zr、Cr、P、S的用量均等。
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与一定聚合度的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至 80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
实施例二。
1)、称量配料：将粒径为5μm～300μm的A、B按照配方进行精确称量；
其中A＝1％，B＝99％。
具体地说，A为Zn、Mg、Mn的组合，Zn、Mg、Mn的用量均等；B为 Ti、W、Mo、Zr的组合，且Ti、W、Mo、Zr的用量均等。
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与一定聚合度的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至 80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
实施例三。
1)、称量配料：将粒径为5μm～300μm的A、B按照配方进行精确称量；
其中A＝75％，B＝25％。
具体地说，A为Zn、Al、Mn、Ca、Fe、Co、In的组合，Zn、Al、Mn、 Ca、Fe、Co、In的用量均等；B为Ni、Ti、Mo、Zr、Cr、P、S的组合，且 Ni、Ti、Mo、Zr、Cr、P、S的用量均等。
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与一定聚合度的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至 80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
实施例四。
1)、称量配料：将粒径为5μm～300μm的A、B按照配方进行精确称量；
其中A＝88％，B＝12％。
具体地说，A为Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Co、In的组合，Zn、Al、Mg、 Ca、Fe、Co、In的用量均等；B为Ni、Ti、W、Zr、Cr、P、S的组合，且 Ni、Ti、W、Zr、Cr、P、S的用量均等。
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与一定聚合度的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至 80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
实施例五。
1)、称量配料：将粒径为5μm～300μm的A、B按照配方进行精确称量；
其中A＝95％，B＝5％。
具体地说，A为Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Co、In的组合，Zn、Al、Mg、 Mn、Ca、Co、In的用量均等；B为Ni、Ti、W、Mo、Cr、P、S的组合，且 Ni、Ti、W、Mo、Cr、P、S的用量均等。
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与一定聚合度的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至 80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
实施例六。
1)、称量配料：将粒径为5μm～300μm的A、B按照配方进行精确称量；
其中A＝85％，B＝15％。
具体地说，A为Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co的组合，Zn、Al、Mg、 Mn、Ca、Fe、Co的用量均等；B为Ni、Ti、W、Mo、Zr、P、S的组合，且 Ni、Ti、W、Mo、Zr、P、S的用量均等。
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与一定聚合度的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至 80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
实施例七。
1)、称量配料：将粒径为5μm～300μm的A、B按照配方进行精确称量；
其中A＝99.99％，B＝0.01％。
具体地说，A为Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、In的组合，Zn、Al、Mg、 Mn、Ca、Fe、In的用量均等；B为Ti、W、Mo、Zr、Cr、P、S的组合，且 Ti、W、Mo、Zr、Cr、P、S的用量均等。
2)、材料颗粒制造：
首先，按照配比与一定聚合度的聚丙烯树脂颗粒混匀；然后升温至 80-220℃，造粒成型。
3)、热成型：依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和 应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
4)、热处理，所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
以上获得的材料零件具有快速溶解特性和选择性环境敏感溶解特性、机械 强度、硬度和抗冲蚀性明显。
本发明中，纳米粒子A和B的成分，形状和各向化学特性各不相同，所以 具有不同功能。从而通过A和B的的相对比例调整，将材料最终的机械力学性 能，溶解参数，时间以及对介质的敏感性量化。
总之，本发明的有益效果是：
1、能够针对不同介质通过制造工艺和成分优化进行选配，具有不同溶解敏 感性。
2、能够根据溶解降解时间要求进行合金匹配，具有不同溶解活化时间。
3、材料的机械力学性能可以大范围调整，具有更高硬度，强度，耐磨，耐 冲击性能。
该材料的制造工艺包括三种及三种以上不同成分纳米金属和/或金属氧化 物粒子制备；三种及三种以上纳米颗粒材料按一定配比复合；复合成型并制成 具有不同机械力学性能，对不同介质敏感的活性溶解金属材料。
本发明所实现的合金材料可用于地下工程、石油开采。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述合金材料至少包括有纳米级颗粒A和纳米级颗粒B，其中，纳米级颗粒A包括但不限于Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In及其氧化物，纳米级颗粒B包括但不限于Ni、Ti、W、Mo、Zr、Cr、P、S及其氧化物。
2.如权利要求1所述的敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述的纳米级颗粒A为Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中任意一种或一种以上任意组合，或为Zn、Mg、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中的任意一种或任意的组合，或为Zn、Al、Mg、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中的任意一种或任意的组合，或为Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Co、In和或者其氧化物中的任意一种或任意的组合，或A为Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、Co和或者其氧化物中的任意一种或任意的组合，或A为Zn、Al、Mg、Mn、Ca、Fe、In和或者其氧化物中的任意一种或任意的组合，且所述A用量的重量百分比为0.01％～90.0％。
3.如权利要求1所述的敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述的纳米级颗粒A为Zn、Al、Mn、Ca、Fe、Co、In和或者其氧化物中任意一种或一种以上任意组合，且所述A用量的重量百分比为0.01％～25％。
4.如权利要求1所述的敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述纳米级颗粒B为Ti、W、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，或为Ni、Ti、W、Mo、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，或为Ni、Ti、W、Mo、Zr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且所述B用量的重量百分比为0.01％～15.0％。
5.如权利要求1所述的敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述纳米级颗粒B为Ni、W、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～20.0％。
6.如权利要求1所述的敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述的纳米级颗粒B为Ni、Ti、Mo、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～10.0％；或者，所述的纳米级颗粒B为Ni、Ti、W、Zr、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且所述纳米级颗B中重量百分比为0.01％～25.0％；或者，所述纳米级颗粒B为Ni、Ti、W、Mo、Cr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～15.0％；或者，所述纳米级颗粒B为Ni、Ti、W、Mo、Zr、P、S和或者其氧化物中任意一种或任意组合，且所述纳米级颗粒B中重量百分比为0.01％～15.0％。
7.如权利要求1所述的敏感性可溶解合金材料，其特征在于所述的A和B的粒径为5μm～300μm，形状与各项化学特性受控。
8.一种敏感性可溶解合金材料的制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)、称量配料：将A和B按照配方进行精确称量；
2)、材料颗粒制造：
21)、按照配比与适量的聚丙烯树脂颗粒混匀；
22)、升温至80-220℃，造粒成型；
3)、热成型：
4)、热处理。
9.如权利要求8所述的敏感性可溶解合金材料的制造方法，其特征在于所述热处理在真空或惰性气体下进行，温度300-870℃。
10.如权利要求9所述的敏感性可溶解合金材料的制造方法，其特征在于热成型时，依照不同应用要求、溶解特性、物理机械强度，按照配比和应用零件尺寸投入预成型粒子热压成型，成型温度为90-200℃。
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