CN110629087B - 一种速溶镁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种速溶镁合金及其制备方法，所述镁合金组成为Mg‑Cu‑Ni‑RE，其中Cu元素含量为0.5‑6wt.％，Ni元素含量为0.5‑8wt.％，RE元素为Gd，Y，Nd三种元素中的一种或多种组合，含量为0.5‑6wt.％。经熔炼铸造，热处理，热挤压以及时效处理后得到相应合金。与现有技术相比，采用本发明所述成分及工艺制备的镁合金材料，具有较高的强度及良好的塑性，且可在含有微量电解质的溶液中实现快速溶解，适用于加工制备油、气田压裂过程中使用的封堵工具，采用该材料制备的井下工具可在服役结束后自行溶解，省去后续返排、钻铣等工序，极大的提高了施工效率，节约施工成本，降低能源消耗。

Description

一种速溶镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种金属材料领域的镁合金材料制备，具体是一种速溶镁合金及其制备方法。
背景技术
中国低渗透油气资源丰富，具有很大的勘探开发潜力，但这些油气资源大多分布于不同深度的地层中，开发这些非常规油气资源必须依靠水力压裂等储层改造工艺技术。在水力压裂技术中，不同层段间需使用封隔工具(如压裂球、桥塞)分隔后逐层进行压裂改造，待所有层段施工完成后再将封隔工具返排出，以便打通井道实现油、气的开采。
目前，常用封隔工具大多由钢材、铝合金、高分子材料等制备而成，这些工具使用中存在钻铣困难、耗时长、钻后粉末/碎块不易返排等缺点。因此国际上开发出了复合材料，尽管减少了施工中易产生的问题，但是因为不能完全溶解，仍存在易卡堵通道的问题，而且原材料生产与加工需依赖进口，费用昂贵。
镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度，良好的电磁屏蔽能力、机加工性能和易于再生利用等一系列的优点，在航空航天、海洋、汽车、电子等领域受到广泛应用。另一方面，镁合金具有较低的电极电位，化学性质较为活泼，在大部分溶液中容易发生腐蚀，根据这一特点，镁合金材料可用来制备应用于油气开采领域的压裂封隔工具。但现有的镁合金材料的腐蚀速度不高，还不能满足油气开采工具的实际需求，需要提供一种镁合金材料，具有较高的腐蚀速率，以满足工业需求。
本申请旨在提供可溶解镁合金材料，其强度高，塑性好，可快速溶解，可广泛用于石油开采领域。相比于现有材料，其能完全溶解，不存在易卡堵问题，不存在二次下钻问题，可降低生产成本，主要用在压裂井下工具构件，如压裂球、球座、封隔器、桥塞等制造上。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种速溶镁合金及其制备方法，保证其具有优良的力学性能，且能够在电解质含量较低的溶液中实现快速溶解。
一种速溶镁合金及其制备方法，所述镁合金组成为Mg-Cu-Ni-RE，其中Cu元素含量为0.5-6wt.％，Ni元素含量为0.5-8wt.％，RE元素为Gd，Y，Nd三种元素中的一种或多种组合，含量为0.5-6wt.％
一种速溶镁合金及其制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
(1)预处理：按重量百分比称取所需原料，并将金属表面氧化层用砂纸打磨掉。
(2)熔炼浇铸：将预处理后的原料放入石墨坩埚中，在电阻炉中加热熔化，并搅拌混合均匀，浇铸后得到铸锭；
(3)均匀化处理：将所得铸锭在一定温度下保温一段时间；
(4)热挤压：将所得铸锭在一定温度下进行热挤压，得到合金棒材；
(5)时效处理：将挤压所得的合金棒材在一定温度下进行时效处理。
进一步地，步骤(2)所述的熔炼浇铸过程，先将纯镁加入到坩埚中熔化，熔化过程中需使用SF6+CO2气体保护，随后将熔体温度升至700-720℃加入其他纯金属及中间合金，待全部熔化后进行搅拌和扒渣，将熔体温度升高到730-760℃，保温15-30min，之后降温至710-730℃进行浇铸，浇铸模具采用水冷铜模。
进一步地，步骤(3)所述的均匀化处理，保温温度范围为420-530℃，时间为10-50h。
进一步地，步骤(4)所述的热挤压过程，挤压温度为350-450℃，总变形量为60-90％。
进一步地，步骤(5)所述的时效处理，温度范围为150-250℃，时间为10-200h。
与现有技术相比，采用本发明制得的镁合金材料，力学强度高，塑性好，可在盐溶液中实现快速溶解，适用于加工油气田压裂过程中使用的封堵工具，工具可在服役完成后自行溶解，省去后续返排、磨铣工序，提高施工效率。
附图说明
图1是实施例1-3中合金的力学性能对比图；
图2是实施例1-3中合金的腐蚀速率对比图；
具体实施方式
以下实施例将对本发明进行进一步说明。
实施例1：Mg-3.5Cu-0.5Ni-1RE合金
按比例称量所需合金原料，将合金表面打磨干净并清洗烘干。将合金逐个加入到坩埚中熔化，在750℃保温10min后降温至710℃进行浇铸，浇铸模具采用水冷铜模。随后将铸锭进行均匀化处理，保温温度为500℃，时间为15h。将均匀化后的铸锭加工成圆柱体进行挤压加工，挤压温度为450℃，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为16。挤压后对棒材进行时效处理，温度为200℃，时间为12h。
通过上述步骤获得的Mg-3.5Cu-0.5Ni-1RE合金室温抗拉强度为280MPa，屈服强度为190MPa，延伸率高达11％，在40℃下，0.05％KCl溶液中的腐蚀速率约为15mg/cm2/h，可自行实现溶解。
实施例2：Mg-3.5Cu-3Ni-1.5RE合金
按比例称量所需合金原料，将合金表面打磨干净并清洗烘干。将合金逐个加入到坩埚中熔化，在750℃保温10min后降温至730℃进行浇铸，浇铸模具采用水冷铜模。随后将铸锭进行均匀化处理，保温温度为500℃，时间为15h。将均匀化后的铸锭加工成圆柱体进行挤压加工，挤压温度为450℃，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为16。挤压后对棒材进行时效处理，温度为220℃，时间为15h。
通过上述步骤获得的Mg-3.5Cu-3Ni-1.5RE合金室温抗拉强度为320MPa，屈服强度为240MPa，延伸率为6％，在40℃下，0.05％KCl溶液中的腐蚀速率约为55mg/cm2/h，可自行实现溶解。
实施例3：Mg-4.5Cu-3.5Ni-3.5RE合金
按比例称量所需合金原料，将合金表面打磨干净并清洗烘干。将合金逐个加入到坩埚中熔化，在760℃保温10min后降温至730℃进行浇铸，浇铸模具采用水冷铜模。随后将铸锭进行均匀化处理，保温温度为520℃，时间为15h。将均匀化后的铸锭加工成圆柱体进行挤压加工，挤压温度为450℃，挤压速度为0.4mm/s，挤压比为16。挤压后对棒材进行时效处理，温度为225℃，时间为15h。
通过上述步骤获得的Mg-4.5Cu-3.5Ni-3.5RE合金室温抗拉强度为330MPa，屈服强度为270MPa，延伸率为5％，在40℃下，0.05％KCl溶液中的腐蚀速率约为75mg/cm2/h，可自行实现溶解。
本发明所述实施例仅为清楚说明本发明所用的举例，而非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可以在上述说明的基础上做出其他不同形式的改变，相关改变均在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (1)

1.一种速溶镁合金，所述镁合金组成为Mg-Cu-Ni-RE，其中Cu元素含量为3.5-4.5wt.％，Ni元素含量为0.5-3.5wt.％，RE元素为Nd元素，含量为1.0-3.5wt.％；
所述合金的制备方法包括如下步骤：
(1)预处理：按重量百分比称取所需原料，并将金属表面氧化层用砂纸打磨掉，并在酒精中超声清洗去除油污；
(2)熔炼浇铸：将预处理后的原料放入石墨坩埚中，在电阻炉中加热熔化，并搅拌混合均匀，浇铸后得到铸锭；
(3)均匀化处理：将所得铸锭在一定温度下保温一段时间；
(4)热挤压：将所得铸锭在一定温度下进行热挤压，得到合金棒材；
(5)时效处理：将挤压所得的合金棒材在一定温度下进行时效处理；
步骤(2)的熔炼浇铸过程，先将纯镁加入到坩埚中熔化，熔化过程中需使用SF6+CO2气体保护，随后将熔体温度升至700-720℃加入其他纯金属及中间合金，待全部熔化后进行搅拌和扒渣，将熔体温度升高到730-760℃，保温15-30min，之后降温至710-730℃进行浇铸，浇铸模具采用水冷铜模；
步骤(3)均匀化处理，保温温度范围为420-530℃，时间为10-50h；
步骤(4)热挤压过程，挤压温度为350-450℃，总变形量为60-90％；
步骤(5)时效处理，温度范围为150-250℃，时间为10-200h。
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