CN109161768B - 一种含铜高强韧快速降解镁合金及其制备方法与用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含铜高强韧快速降解镁合金及其制备方法与用途，涉及油气开采用材料领域，该镁合金在铸态、挤压态、时效态下，强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为3％～60％，Mg5RE相的体积分数为0.5％‑20％，Mg2Cu相的体积分数为0.5％‑15％；其中，RE为稀土金属元素。利用该镁合金制作得到的压裂球能够缓解现有技术中的压裂球强度低且不易降解的问题，从而得到一种含铜高强韧快速降解镁合金，其腐蚀速率最高可达到3000mm/a，同时抗拉强度在150MPa‑450MPa之间可调。

Description

一种含铜高强韧快速降解镁合金及其制备方法与用途
技术领域
本发明涉及油气开采用材料领域，尤其是涉及一种含铜高强韧快速降解镁合金及其制备方法与用途。
背景技术
压裂技术是开发油气资源的核心技术，而压裂球，是决定分段压裂是否成功的关键因素。
在多级滑套分段压裂这项新技术中，压裂球的存在主要起以下两个方面的作用，一是将各级滑套打开，从而对各产层岩石进行压裂；二是隔离压裂液体。因此，压裂球在室温时的水溶液中具有较高的耐压强度，且在油气采集过程中能保持稳定，基本不发生腐蚀分解。在所有产层岩石压裂结束后，需要对油井内油管进行泄压，这样才能利于后期油气井的生产。以前的常规方法是利用油气层和油管的压力差将压裂球返排出井口，但是由于地层压力和现场施工压力的因素，压裂球可能会发生卡位，导致返排不成功；或者进行钻磨保持井筒畅通，但这一过程会增加施工周期，并且对钻具的要求很高，极大增加了成本及风险。因此，一种理想状态的压裂球应该是能够承受压裂施工过程中的高压和油井的高温，并且能够在油井流体环境下进行可控的降解，免除压裂球的返排过程，进而能够有效降低施工成本和风险，缩短施工周期，提高施工效率。
但是目前市场上仍然缺少一种兼具高强度和快速腐蚀特性的轻质压裂球，研制具备上述特性的压裂球对多级分段压裂技术的发展有重要意义，在油气开采领域的应用具有巨大的前景。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种含铜高强韧快速降解镁合金及其制备方法，利用该镁合金制作得到的压裂球能够缓解现有技术中的压裂球强度低且不易降解的问题。
本发明的第二目的在于提供一种上述镁合金在制备压裂球中的用途以及在油气开采中的用途，利用上述镁合金制备得到的压裂球具有强度高和快速降解的优点，将利用该镁合金制备得到的压裂球用于油气开采过程中，可以降低施工成本和风险，缩短施工周期，提高施工效率。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种含铜高强韧快速降解镁合金，所述镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为3％～60％，Mg5RE相的体积分数为0.5％～20％，Mg2Cu相的体积分数为0.5％～15％；
其中，RE为稀土金属元素。
进一步的，所述镁合金包括铸态镁合金、均匀化态镁合金、挤压态镁合金和时效态镁合金；
优选地，所述铸态镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为3％～55％，Mg5RE相的体积分数为1％～15％，Mg2Cu相的体积分数为0.5％～8％；
优选地，所述挤压态镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数相的体积分数为4％～60％，Mg5RE相的体积分数为2～18％，Mg2Cu相的体积分数为1％～10％；
优选地，所述时效态镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg2Cu相以及MgxREy相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为4％～60％，Mg2Cu相的体积分数为2％～15％，MgxREy相的体积分数为3％～22％，其中x:y的取值范围为(3-12):1；
优选地，RE为Gd、Y或Er中一种或至少两种的组合。
进一步的，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu1.0％～10％，RE1.0％～30％，余量包括Mg及不可避免的杂质；
进一步的，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu1.0％～10％，RE1.0％～30％，M 0.03％～10％，余量包括Mg及不可避免的杂质；
其中，M为能与镁发生合金化的元素。
进一步的，M为Zn、Mn、Zr、V、Hf、Nb、Mo、Ti、Ca、Fe或Ni中的任一种或至少两种的组合。
一种上述镁合金的制备方法，按照所述镁合金的最终相组成选取原料，制备所述镁合金。
进一步的，依据镁合金的元素组成配比选取原料，采用合金制备工艺制备得到所述镁合金。
进一步的，所述合金制备工艺包括熔炼铸造法或粉末冶金法；
优选地，熔炼铸造法的工艺步骤包括：将原料熔炼后进行浇铸和成型处理，得到所述镁合金。
进一步的，熔炼工艺过程包括：在690～780℃下将原料熔化，熔化过程中采用惰性气体进行保护，待原料充分熔化后降温至630～700℃静置20～90min，完成熔炼；
优选地，原料熔炼后进行浇铸得到镁合金铸锭，所述镁合金铸锭依次经均匀化处理、挤压变形和时效热处理后再进行球型化成型处理；
或，所述镁合金铸锭依次经均匀化处理、挤压变形和球型化成型处理后，再进行时效热处理；
优选地，所述均匀化处理的工艺条件为：350℃～480℃下保温10h～36h；
优选地，所述挤压变形的工艺条件为：挤压温度为350℃～470℃，挤压比为10～40；
优选地，时效热处理的条件为：在150℃～250℃下保温20h～60h。
上述镁合金在制备压裂球中的用途。
上述镁合金在油气开采中的用途。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的含铜高强韧快速降解镁合金以镁为基础材料，通过加入稀土金属元素RE和Cu，使得到的镁合金材料中形成Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，从而显著改善了镁合金的强度等力学性能；Mg12CuRE型长周期相和大量含Cu金属间化合物微颗粒如Mg2Cu相的存在，与镁基体之间存在很大电负差，形成大量微电池，促进镁合金材料的降解。
经试验证明，本发明提供的镁合金，抗拉强度达到150-450MPa，具有良好的延伸率，在93℃下，在3.5wt.％氯化钠溶液中的腐蚀速率为300mm/a-3000mm/a。由此可见，本发明提供的镁合金具有高强度、高韧性和快速降解的特点。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
一方面，本发明提供了一种含铜高强韧快速降解镁合金，所述镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为3％～60％，Mg5RE相的体积分数为0.5％～20％，Mg2Cu相的体积分数为0.5％～15％；
其中，RE为稀土金属元素。
本发明提供的含铜高强韧快速降解镁合金以镁为基础材料，通过加入稀土金属元素RE和Cu，使得到的镁合金材料中形成Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，从而显著改善了镁合金的强度等力学性能；Mg12CuRE型长周期相和大量含Cu金属间化合物微颗粒如Mg2Cu相的存在，与镁基体之间存在很大电负差，形成大量微电池，促进镁合金材料的降解。
经试验证明，本发明提供的镁合金，抗拉强度达到150-450MPa，具有良好的塑性，在93℃下，在3.5wt.％氯化钠溶液中的腐蚀速率为300mm/a-3000mm/a。由此可见，本发明提供的镁合金具有高强度、高韧性和快速降解的特点。
本发明中，长周期堆垛有序结构(long-period stacking orderd)，简称长周期结构，Mg12CuRE型长周期相是镁合金中一种新的强化相，Mg12CuRE型长周期相能够增强镁合金的室温和高温力学性能。本发明中的特定占比的Mg12CuRE型长周期堆垛有序相，可以显著改善镁合金的强度和塑性，该Mg12CuRE型长周期堆垛有序相和含铜的金属间化合物相配合，可以提高镁合金的降解速率。
Cu是提高合金易溶性或加大降解速度的重要元素。铜微溶于镁中，常与镁形成金属化合物相分布在晶界上，有利于提高镁的降解速度，并对提高合金的高温力学性能有利。铜能大大加速镁的降解速度，当含量达到易溶性或快速降解临界值时，对镁的降解速度提高尤其显著，含量越高降解速度越大，但太高不利于对合金密度及成本的控制，此外会对合金的力学性能产生负面影响。
本发明中，Mg12CuRE型长周期堆垛有序相的体积分数例如为3％、4.0％、4.5、5.0％、8％、10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％、32％、34％、36％、38％、42％、46％、50％、55％、58％或60％；Mg5RE相的体积分数例如可以为0.5％、1％、2％、5％、7％、10％、12％、15％、18％或20％；Mg2Cu相的体积分数例如可以为0.5％、1％、2％、3％、5％、6％、8％、9％、10％、12％或15％。
本发明中，稀土金属元素RE例如可以为Gd、Y或Er中一种或至少两种的组合。例如，RE为Gd、Y、Er、Gd和Y的组合、Gd和Er的组合、Y和Er的组合或Gd、Y和Er的组合。
在本发明的一些优选实施方式中，所述镁合金包括铸态镁合金、均匀化态镁合金、挤压态镁合金和时效态镁合金。
在所述铸态镁合金中，强化相主要包括Mg12CuRE型长周期堆垛有序相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为3％～55％，Mg5RE相的体积分数为1％～15％，Mg2Cu相的体积分数为0.5％～8％。
在所述挤压态镁合金中，强化相主要包括Mg12CuRE型长周期堆垛有序相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数相的体积分数为4％～60％，Mg5RE相的体积分数为2～18％，Mg2Cu相的体积分数为1％～10％。
在所述时效态镁合金中，强化相主要包括Mg12CuRE型长周期堆垛有序相和Mg2Cu相以及MgxREy相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为4％～60％，Mg2Cu相的体积分数为2％～15％，MgxREy相的体积分数为3％～22％，其中x:y的取值范围为(3-12):1，MgxREy例如可以为Mg7RE、Mg5RE、Mg12RE或Mg24RE5。MgxREy相的体积分数例如可以为3％、5％、7％、10％、12％、15％、18％、20％或22％。
在本发明的一些实施方式中，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu1.0％～10％，RE 1.0％～30％，余量包括Mg及不可避免的杂质。
在本发明进一步优选的实施方式中，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu 1％～9％，RE 1％～25％，余量包括Mg及不可避免的杂质。
在本发明进一步优选的实施方式中，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu 2％～8％，RE 2.5％～22％，余量包括Mg及不可避免的杂质。
通过采用上述配比的元素组成，可以得到上述微观组织的镁合金。即，Mg12CuRE型长周期堆垛有序相的体积分数为3％～60％，Mg5RE相的体积分数为0.5％～20％，Mg2Cu相的体积分数为0.5％～15％。
在本发明的一些实施方式中，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu1.0％～10％，RE 1.0％～30％，M 0.03％～10％，余量包括Mg及不可避免的杂质；其中，M为能与镁发生合金化的元素。
在本发明进一步优选的实施方式中，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu 1％～6.5％，RE 1％～28％，M 0.1％～9％，余量包括Mg及不可避免的杂质；其中，M为能与镁发生合金化的元素。
在本发明更进一步优选的实施方式中，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu 2.0％～6.0％，RE 2.0％～22％，M 0.1％～8.5％，余量包括Mg及不可避免的杂质；其中，M为能与镁发生合金化的元素。
添加能够与镁发生合金化的元素，可以进一步改善镁合金某一方的性能。例如，M为Zn、Mn、Zr、V、Hf、Nb、Mo、Ti、Ca、Fe或Ni中的任一种或至少两种的组合。
Zn具有良好的固溶强化效果，加入Zn可以在镁合金中形成Mg-Zn共晶相，该共晶相具有良好的弥散强化效果。
Mn、Zr、V、Hf、Nb、Mo、Ti或Ca主要作用是细化晶粒，其中Zr和Mn元素均为不与Mg形成第二相的元素，以质点的形式存在于合金中。Ca与Mg较易形成Mg2Ca相，在凝固和热变形过程可以提供大量的形核质点从而明显细化晶粒。V、Hf、Nb、Mo、Ti等元素的强化作用主要体现在挤压过程中可以抑制晶粒及第二相长大第二相。
Ni一方面提高合金的易溶性或加速降解速度，另外，Ni与Y、Gd、Er等稀土元素的混合添加，也会向合金中引入Mg12CuRE型长周期堆垛有序相，提高合金的塑性和强度。Fe作为重金属元素，是合金配方中不可或缺或不可避免的重要合金元素，其作用是提高合金易溶性或加大降解速度。
在本发明的一些实施方式中，含铜高强韧快速降解镁合金例如可以为Mg-Cu-Y系合金、Mg-Cu-Er系合金、Mg-Cu-Gd系合金或Mg-Cu-Y-Er-Gd系合金。
在上述每种系列的合金中可以选择性的加入一定比例的Zn、Mn、Fe或Ni以进一步改善合金的强度、塑性或降解性。
以Mg-Cu-Y-Er-Gd系合金为例，添加Gd，一方面是为了起到沉淀强化的作用，另一方面与Cu的混合添加，可以向合金中引入Mg12CuRE型长周期堆垛有序相，能够综合提高合金的塑性和强度。Er的添加，可以促进变形过程中合金的动态再结晶过程，同时由于第二相颗粒的存在抑制了再结晶长大，使得合金的晶粒尺寸明显细化。并且Er与Cu的混合添加，可以向合金中引入Mg12CuRE型长周期堆垛有序相，能够综合提高合金的塑性和强度。此外，Er在基体中固溶浓度的增加引起的晶格畸变，促进了非基面滑移，并且弱化基面织构，可以促进合金塑性的提高。
以Mg-Cu-Y-Ni合金为例，在Mg-Cu-Y-Ni合金中，Ni一方面提高合金的易溶性或加速降解速度，另外，Ni与Y元素的混合添加，也会向合金中引入Mg12CuRE型长周期堆垛有序相，提高合金的塑性和强度。镁合金具有密度小，比强度和比刚度高，良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能，高的腐蚀速率，便于机械加工等特点，综合性能符合压裂球的基本要求。
另一方面，本发明提供了一种镁合金的制备方法，按照所述镁合金的最终相组成选取原料，制备所述镁合金。
该镁合金具备上述镁合金的全部优点，在此不再赘述。
在本发明的一些实施方式中，依据上述镁合金的元素组成配比选取原料，采用合金制备工艺制备得到所述镁合金。
其中，原料例如可以为镁钇合金、镁钆合金、镁铒合金或镍钇合金。以上原料中，由于Gd，Er，Y，Ni或Mg以中间合金形式提供，此时，在计算配比时可以根据每种中间合金中的元素含量进行计算即可。选用镁钇合金、镁钆合金、镁铒合金或镍钇合金作为原料，可以降低加工温度，防止不同元素物质之间因熔融温度不一致导致溶液质量差的问题，进而提高熔融质量和加工效率。Cu和Fe可以以中金合金的形式添加也可以以单质铜和单质铁的形式添加，本发明中，对于Cu和Fe的添加形式不做具体的限定。
在本发明的一些实施方式中，所述合金制备工艺包括熔炼铸造法或粉末冶金法。本发明中，对合金的制备工艺不做具体的限定，例如可以采用熔炼铸造方法，也可采用粉末冶金的方法，或铸造后再进行压力加工成型的方法进行制造。
在本发明的一些实施方式中，采用熔炼铸造法加工镁合金，该熔炼铸造法的工艺步骤包括：将原料熔炼后进行浇铸和成型处理，得到所述镁合金。例如，可以采用如下熔炼工艺过程：在690～780℃下将原料熔化，熔化过程中采用惰性气体进行保护，待原料充分熔化后降温至630～700℃静置20～90min，完成熔炼；优选为，在710～770℃下将原料熔化，熔化过程中采用惰性气体进行保护，待原料充分熔化后降温至640～680℃静置30～60min，完成熔炼。
原料熔炼后进行浇铸得到镁合金铸锭，所述镁合金铸锭依次经均匀化处理和挤压变形后再进行球型化成型处理；
或，原料熔炼后进行浇铸得到镁合金铸锭，所述镁合金铸锭依次经均化处理、挤压变形和时效热处理后再进行球型化成型处理；
或，所述镁合金铸锭依次经均化处理、挤压变形和球型化成型处理后，再进行时效热处理。
其中，均匀化处理的工艺条件可以为：350℃～480℃下保温10h～36h；优选为，360℃～450℃下保温12h～24h；所述挤压变形的工艺条件例如可以为：挤压温度为350℃～470℃，挤压比为10～40；优选为挤压温度为380℃～450℃，挤压比为10～28；时效热处理的条件可以为：在150℃～250℃下保温20h～60h，优选为在170℃～220℃下保温25h～50h。
铸锭后通过均化处理可以改善合金铸锭化学成分和组织上的不均匀性，消除结晶时出现的偏析和元素在某一部位出现富集的问题，使合金材料中的各项性能更为一致，提高其工艺塑性。
通过进行挤压变形处理，可以消除合金锭子中的孔洞等缺陷，使合金锭子更致密，细化晶粒从而能进一步提高合金锭子的强度。
上述实施方式中，可以选择性地实施时效热处理，当稀土含量较低，合金的时效效果不明显时可不进行时效热处理。通过时效热处理，可以促进Mg5RE相和Mg2Cu相等第二相的析出，可以进一步合金锭子或镁合金的内应力，稳定组织和尺寸，进一步提高合金锭子或镁合金的强度。
通过上述分析可知，通过采用特定配比的原料组成，并经过熔炼，挤压变形和时效热处理工艺，对合金的相组成及形貌进行调控，可以制备出抗拉强度在150MPa-450Mpa之间可控，腐蚀速率最高可达到3000mm/a的超含铜高强韧快速降解镁合金。
第三方面，本发明提供了一种镁合金在压裂球中的用途。利用本发明提供的镁合金可以制备压裂球，由该镁合金制备得到的压裂球具有强度高、韧性好和降解速率快的优点。
第四方面，本发明提供了一种镁合金在油气开采中的用途。利用本发明提供的镁合金可以制备得到压裂球，该压裂球可以用于油气开采中，由于该压裂球具有强度高、韧性好和快速降解的优点，因此，可以减少施工过程缩短施工周期，提高施工效率，降低施工成本和风险。
下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1-7
实施例1-7分别是一种镁合金，按重量百分比计，各实施例的元素组成及列于表1。
对比例1-4
对比例1-4分别是一种镁合金，按重量百分比计，各对比例的元素组成及列于表1。
表1各实施例和对比例元素组成
Figure BDA0001838633950000131
实施例8
本实施例是实施例1中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法包括以下步骤：
a)按配方配料：按照实施例1中的镁合金的组成配方进行精确配料；
b)熔炼：采用电阻炉或工频感应炉熔炼，熔炼过程中采用氩气作为保护气体进行保护，升温至750℃并进行保温，使用电磁感应搅拌使成分均匀且使原料充分熔化，待原料全部熔化后降温至640℃静置保温22min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
c)均化、挤压和时效热处理：435℃下保温14h进行均化处理，然后在435℃和挤压比为11下进行挤压变形处理，之后再在190℃保温时间为35h进行时效热处理，出炉空冷至室温；
d)采用常规加工工艺将合金锭子加工成压裂球，得到含铜高强韧快速降解镁合金。
实施例9
本实施例是实施例2中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法包括以下步骤：
a)按配方配料：按照实施例2中的镁合金的组成配方进行精确配料；
b)熔炼：采用电阻炉或工频感应炉熔炼，熔炼过程中采用氩气作为保护气体进行保护，升温至750℃并进行保温，使用电磁感应搅拌使成分均匀且使原料充分熔化，待原料全部熔化后降温至650℃静置保温30min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
c)均匀化、挤压和时效热处理：450℃下保温12h进行均匀化处理，然后在420℃和挤压比为11下进行挤压变形处理，之后再在200℃保温时间为35h进行时效热处理，出炉空冷至室温；
d)采用常规加工工艺将合金锭子加工成压裂球，得到含铜高强韧快速降解镁合金。
实施例10
本实施例是实施例3中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法包括以下步骤：
a)按配方配料：按照实施例3中的镁合金的组成配方进行精确配料；
b)熔炼：采用电阻炉或工频感应炉熔炼，熔炼过程中采用氩气作为保护气体进行保护，升温至760℃并进行保温，使用电磁感应搅拌使成分均匀且使原料充分熔化，待原料全部熔化后降温至670℃静置保温40min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
c)均匀化、挤压和时效热处理：420℃下保温16h进行均匀化处理，然后在430℃和挤压比为11下进行挤压变形处理，之后再在210℃保温时间为35h进行时效热处理，出炉空冷至室温；
d)采用常规加工工艺将合金锭子加工成压裂球，得到含铜高强韧快速降解镁合金。
实施例11
本实施例是实施例4中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法包括以下步骤：
a)按配方配料：按照实施例4中的镁合金的组成配方进行精确配料；
b)熔炼：采用电阻炉或工频感应炉熔炼，熔炼过程中采用氩气作为保护气体进行保护，升温至760℃并进行保温，使用电磁感应搅拌使成分均匀且使原料充分熔化，待原料全部熔化后降温至650℃静置保温50min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
c)均匀化、挤压和时效热处理：420℃下保温20h进行均匀化处理，然后在400℃和挤压比为28下进行挤压变形处理，之后再在200℃保温时间为50h进行时效热处理，出炉空冷至室温；
d)采用常规加工工艺将合金锭子加工成压裂球，得到含铜高强韧快速降解镁合金。
实施例12
本实施例是实施例5中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法包括以下步骤：
a)按配方配料：按照实施例5中的镁合金的组成配方进行精确配料；
b)熔炼：采用电阻炉或工频感应炉熔炼，熔炼过程中采用氩气作为保护气体进行保护，升温至760℃并进行保温，使用电磁感应搅拌使成分均匀且使原料充分熔化，待原料全部熔化后降温至650℃静置保温60min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
c)均匀化、挤压和时效热处理：435℃下保温14h进行均匀化处理，然后在435℃和挤压比为11下进行挤压变形处理，之后再在250℃保温时间为20h进行时效热处理，出炉空冷至室温；
d)采用常规加工工艺将合金锭子加工成压裂球，得到含铜高强韧快速降解镁合金。
实施例13
本实施例是实施例6中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法包括以下步骤：
a)按配方配料：按照实施例6中的镁合金的组成配方进行精确配料；
b)熔炼：采用电阻炉或工频感应炉熔炼，熔炼过程中采用氩气作为保护气体进行保护，升温至750℃并进行保温，使用电磁感应搅拌使成分均匀且使原料充分熔化，待原料全部熔化后降温至660℃静置保温80min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
c)均匀化、挤压和时效热处理：400℃下保温36h进行均匀化处理，然后在435℃和挤压比为40下进行挤压变形处理，之后再在190℃保温时间为35h进行时效热处理，出炉空冷至室温；
d)采用常规加工工艺将合金锭子加工成压裂球，得到含铜高强韧快速降解镁合金。
实施例14
本实施例是实施例7中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法包括以下步骤：
a)按配方配料：按照实施例7中的镁合金的组成配方进行精确配料；
b)熔炼：采用电阻炉或工频感应炉熔炼，熔炼过程中采用氩气作为保护气体进行保护，升温至750℃并进行保温，使用电磁感应搅拌使成分均匀且使原料充分熔化，待原料全部熔化后降温至650℃静置保温80min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
c)均匀化、挤压和时效热处理：400℃下保温20h进行均匀化处理，然后在380℃和挤压比为11下进行挤压变形处理，之后再在200℃保温时间为35h进行时效热处理，出炉空冷至室温；
d)采用常规加工工艺将合金锭子加工成压裂球，得到含铜高强韧快速降解镁合金。
对比例5
本对比例是对比例1中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法除原料与实施例9中的原料不同外，其余工艺参数与实施例9的制备方法相同。
对比例6
本对比例是对比例2中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法除原料与实施例9中的原料不同外，其余工艺参数与实施例9的制备方法相同。
对比例7
本对比例是对比例3中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法除原料与实施例13中的原料不同外，其余工艺参数与实施例13的制备方法相同。
对比例8
本对比例是对比例4中镁合金的制备方法，采用熔炼铸造法制备得到，该制备方法除原料与实施例10中的原料不同外，其余工艺参数与实施例10的制备方法相同。
在相同测试条件下分别对实施例1-7和对比例1-3提供的镁合金进行性能测试，分别测试其抗拉强度、延伸率和腐蚀速率，测试结果列于表2。
表2测试结果
Figure BDA0001838633950000181
Figure BDA0001838633950000191
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (15)

1.一种含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为3%～60%，Mg5RE相的体积分数为0.5%～20%，Mg2Cu相的体积分数为0.5%～15%；
其中，RE为稀土金属元素；
所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu 1.0%～10%，RE 1.0%～30%，余量包括Mg及不可避免的杂质；
所述镁合金的制备方法包括如下步骤：
依据镁合金的元素组成配比选取原料，采用熔炼铸造法制备得到镁合金；
所述熔炼铸造法工艺步骤包括将原料熔炼后进行浇铸和成型处理，得到所述镁合金；
熔炼工艺过程包括在690～780℃下将原料熔化，熔化过程中采用惰性气体进行保护，待原料充分熔化后降温至630～700℃静置20～90min，完成熔炼。
2.根据权利要求1所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述镁合金包括铸态镁合金、挤压态镁合金和时效态镁合金。
3.根据权利要求2所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述铸态镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为3%～55%，Mg5RE相的体积分数为0.5%～15%，Mg2Cu相的体积分数为0.5%～8%。
4.根据权利要求2所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述挤压态镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg5RE相以及Mg2Cu相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数相的体积分数为4%～60%，Mg5RE相的体积分数为2～20%，Mg2Cu相的体积分数为1%～10%。
5.根据权利要求2所述的高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述时效态镁合金中强化相主要包括Mg12CuRE型长周期相和Mg2Cu相以及Mg5RE相，所述Mg12CuRE型长周期相的体积分数为4%～60%，Mg2Cu相的体积分数为2%～15%，Mg5RE相的体积分数为3%～20%。
6.根据权利要求1所述的高强韧快速降解镁合金，其特征在于，RE为Gd、Y或Er中一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述镁合金包括以下重量百分比的元素组成：Cu 1.0%～10%，RE 1.0%～30%，M 0.03%～10%，余量包括Mg及不可避免的杂质；
其中，M为能与镁发生合金化的元素，不包括Cu和RE。
8.根据权利要求7所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，M为Zn、Mn、Zr、V、Hf、Nb、Mo、Ti、Ca、Fe或Ni中的任一种或至少两种的组合。
9.根据权利要求1所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，原料熔炼后进行浇铸得到镁合金铸锭，所述镁合金铸锭依次经均匀化处理和挤压变形后再进行球型化成型处理。
10.根据权利要求9所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，原料熔炼后进行浇铸得到镁合金铸锭，所述镁合金铸锭依次经均匀化处理、挤压变形和时效热处理后再进行球型化成型处理；
或，所述镁合金铸锭依次经均匀化处理、挤压变形和球型化成型处理后，再进行时效热处理。
11.根据权利要求9所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述均匀化处理的工艺条件为：350℃～480℃下保温10h～36h。
12.根据权利要求9所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，所述挤压变形的工艺条件为：挤压温度为350℃～470℃，挤压比为10～40。
13.根据权利要求10所述的含铜高强韧快速降解镁合金，其特征在于，时效热处理的条件为：在150℃～250℃下保温20h～60h。
14.如权利要求1-13任一项所述的镁合金在制备压裂用井下工具中的用途。
15.如权利要求1-13任一项所述的镁合金在油气开采中的用途。
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