CN111118363A - 一种高抗压快速降解镁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高抗压快速降解镁合金及其制备方法，合金中各元素的质量百分比为：Zn：5.0‑10wt%、Cu：1.20‑6.0wt%、Ni：1.50‑3.0wt%、Nd：1.50‑5.0wt%、Ca：0.5‑1.5wt%余量为Mg及其他杂质元素。本发明通过添加Cu、Nd、Ca等合金元素来提高材料的抗压性能，Cu和Ni元素提高降解速率。本发明制备的镁合金高抗压快熟降解镁合金，25°C 3%KC1溶液中腐蚀速率可达7.4 mg cm^‑2h^‑1，在93℃3%KC1溶液中的腐蚀速率可达到88 mg cm^‑2h^‑1，同时还具有较高的抗压强度，适用于有快速腐蚀要求的页岩气开采领域。

Description

一种高抗压快速降解镁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及应用领域，特别涉及一种高抗压快速降解镁合金及其制备方法和应用。

背景技术

近几年我国油气资源变得日益紧张，燃油价格也日益高涨，油田开采进而由高渗透油田转向低渗透非常规油田的开采，使得油气资源得到了高效全面的开采利用。随着油田开发年限及次数的增加，原有油田的开发很难遵循高产、稳产的需求。油气开采在注水开发的过程中，会出现注入水沿着老裂缝方向外渗的现象，这就需要井下暂堵工具封堵老裂缝，开压新裂缝，提高井下开采效率。可降解聚合物及可降解金属是目前使用率较高的暂堵工具。其中，可降解镁合金利用其易腐蚀的特性在低渗透石油开采中被广泛作为暂堵工具。目前市面上应用广泛的暂堵工具大部分是钢材制品，进而存在钻孔困难、难以清理、耗时长、事后人力物力费用高等缺陷。针对以上所述问题，本发明提供一种高抗压快速降解镁合金及其制备方法和应用。

发明内容

本发明是为了解决目前暂堵工具钻孔困难、难以清理、耗时长、事后人力物力费用高等缺陷，而提供一种高抗压快速降解镁合金的制备工艺。

本发明采用以下技术方案：

本发明第一个方面,一种高抗压快速降解镁合金,所述高抗压快速降解镁合金为Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca镁合金，由以下质量百分比的元素组成: Zn：5.0-10wt%、Cu：1.20-6.0wt%、Ni: 1.50-3.0wt%、Nd：1.50-6.0wt%、Ca：0.5-1.5wt%余量为Mg及其他杂质元素。

本发明所述高抗压快速降解镁合金一方面引起地层渗透率下降，对储存层而言，形成了一个封闭性良好的屏蔽环，防止储存层被破坏；另一方面，让工件在井下自行溶解失效,可以省去钻磨和回收工序,降低工程风险,提高施工效率,同时也可以避免由于工件密封问题导致的施工安全问题。因此,本发明研发的高抗压快速降解镁合金可以大幅度提高作业效率，降低作业成本，是一种综合性能良好的镁合金。

其中，杂质元素是在熔炼过程中由原材料的带入的不可避免的杂质元素,杂质元素的重量百分比少于0.1%。

本发明第二个方面，提供以上所述高抗压快速降解镁合金的制备方法，包括以下步骤:称取纯镁锭、纯锌锭、纯铜锭、纯镍锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ca中间合金。熔炼前先对原料和模具加热30min去除水分并预热；将坩埚预热到400℃后，将溶剂均匀喷洒在坩埚内壁之后；将预热的金属锭放入坩埚升温至720℃，适当搅拌后升温至750℃静置，加热30min后降温至700℃进行浇注，浇注模具预热，预热温度为200℃。所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体。

进一步地，对浇注得到的合金产品进行热挤压，所述热挤压条件为:挤压前进行加热保温，保温温度为340℃，保温6小时后进行热挤压，热挤压温度为 340℃，挤压速度25mm/s，完成挤压后的冷却方式为空冷。挤出试样直径为Φ122mm，挤压比为 7.9。

随后对挤压得到的合金试样进行固溶时效处理，采用的固溶时效处理工艺如下：对挤压态合金棒材上经过20min由室温升温至200℃，再经过20min升温至具体设定工艺温度，在该温度下保温6h后，用60℃温水对固溶完成的合金进行淬火，以防合金在冷水中淬裂；根据由DSC（差示扫描量热仪）测得的合金相变温度，具体设定温度由280℃至 400℃，每20℃温度间隔进行固溶处理；时效处理采用电热鼓风干燥箱对经过固溶处理的合金进行人工时效，具体的时效参数为在200℃下时效12h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca合金通过Ca细化铸锭晶粒尺寸，进而降低铸锭偏析，使得材料中的Cu均匀分布，形成细小弥散的Mg₂Cu相，达到快速腐蚀溶解的目的。同时Ca元素的加入，弱化了镁合金的基面织构，进而提高材料的延伸率。另外，Ca本身具有阻燃和抗氧化效果，提高了合金的燃点。

（2）本发明在合金中加入适量的Cu和Ni元素，以提高合金的强度并增加腐蚀速率。

（3）Nd元素一定程度上减弱了合金的耐蚀性能，后续的热挤压及热处理使得合金微观组织发生变化，力学性能得到优化。Nd元素含量＞1wt%一定程度上减弱了合金的耐蚀性能，可以起到加快降解速率的作用。

（4） 随着固溶温度的升高，合金腐蚀电流密度增大、降解速率增加。经热处理后的Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca合金的各项性能完全满足在实际工况下的使用要求。

具体实施方式

在熔炼前需要对纯镁锭进行去氧化皮处理，在所用工具上喷刷涂料，以防熔炼过程中掺入杂质，然后将镁锭切割成小块试样，使得合金充分溶解；

熔炼前先对坩埚进行清理，防止熔炼过程中杂质进入合金中，产生缺陷；

所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体，由于其具有化学惰性，在常温下是极为稳定的气体，其在镁合金溶液中与镁反应生成 MgF₂作为一层致密的保护膜覆盖在镁合金表面，阻止镁合金溶液与外界环境中的氧气接触。

针对背景技术中所述问题，本发明提供一种高抗压快速降解镁合金，高抗压快速降解镁合金为Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca镁合金，由以下质量百分比的元素组成:Zn：5.0-10wt%、Cu：1.20-6.0wt%、Ni: 1.50-3.0wt%、Nd：1.50-6.0wt%、Ca：0.5-1.5wt%余量为Mg及其他杂质元素。

镁合金由于化学性质活泼,在没有保护的情况下,熔炼和铸造过程极易发生氧化燃烧，适度的合金化可以提高合金的燃点温度，降低熔炼、铸造过程中的成本和事故风险；另外镁合金属于密排六方金属结构，室温滑移系较少，需要热成形加工，而高合金化会增加材料成本，同时降低其成形过程中容易出现氧化、裂纹等缺陷。因此，合金化元素的选择和含量的控制对材料的加工成本和产品质量、力学性能、溶解速率都具有显著的影响。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施试例详细说明本发明的技术方案。

实施例1 一种高抗压快速降解镁合金

所述高抗压快速降解镁合金为Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca镁合金，由以下质量百分比的元素组成： Zn 5.00wt%、Cu 1.20wt%、Ni 1.50wt%、Nd 1.50wt%、Ca 0.5wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料称取纯镁锭、纯锌锭、纯铜锭、纯镍锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ca中间合金。熔炼前先对原料和模具加热30min去除水分并预热；将坩埚预热到400℃后，将溶剂均匀喷洒在坩埚内壁之后；将预热的金属锭放入坩埚升温至720℃，适当搅拌后升温至750℃静置，加热30min后降温至700℃进行浇注，浇注模具预热，预热温度为200℃。所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体。挤压前进行加热保温，保温温度为340℃，保温6小时后进行热挤压，热挤压温度为 340℃，挤压速度 25mm/s，完成挤压后的冷却方式为空冷。挤出试样直径为Φ122mm，挤压比为 7.9。随后采用的固溶时效处理工艺如下：对挤压态合金棒材上经过20min由室温升温至200℃，再经过20min升温至具体设定工艺温度，在该温度下保温6h后，用60℃温水对固溶完成的合金进行淬火，以防合金在冷水中淬裂；根据由DSC测得的合金相变温度，具体设定温度由280℃至 400℃，每20℃温度间隔进行固溶处理；时效处理采用电热鼓风干燥箱对经过固溶处理的合金进行人工时效，具体的时效参数为在200℃下时效12h。

实施例2 一种高抗压快速降解镁合金

所述高抗压快速降解镁合金为Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca镁合金，由以下质量百分比的元素组成： Zn 7.00wt%、Cu 2.40wt%、Ni 1.90wt%、Nd 2.70wt%、Ca 0.8wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料采用称取纯镁锭、纯锌锭、纯铜锭、纯镍锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ca中间合金。熔炼前先对原料和模具加热30min去除水分并预热；将坩埚预热到400℃后，将溶剂均匀喷洒在坩埚内壁之后；将预热的金属锭放入坩埚升温至720℃，适当搅拌后升温至750℃静置，加热30min后降温至700℃进行浇注，浇注模具预热，预热温度为200℃。所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体。挤压前进行加热保温，保温温度为340℃，保温6小时后进行热挤压，热挤压温度为 340℃，挤压速度 25mm/s，完成挤压后的冷却方式为空冷。挤出试样直径为Φ122mm，挤压比为 7.9。随后采用的固溶时效处理工艺如下：对挤压态合金棒材上经过20min由室温升温至200℃，再经过20min升温至具体设定工艺温度，在该温度下保温6h后，用60℃温水对固溶完成的合金进行淬火，以防合金在冷水中淬裂；根据由DSC测得的合金相变温度，具体设定温度由280℃至 400℃，每20℃温度间隔进行固溶处理；时效处理采用电热鼓风干燥箱对经过固溶处理的合金进行人工时效，具体的时效参数为在200℃下时效12h。

实施例3 一种高抗压快速降解镁合金

所述高抗压快速降解镁合金为Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca镁合金，由以下质量百分比的元素组成： Zn 8.00wt%、Cu 3.60wt%、Ni 2.30wt%、Nd 4.10wt%、Ca 1.0wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料称取纯镁锭、纯锌锭、纯铜锭、纯镍锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ca中间合金。熔炼前先对原料和模具加热30min去除水分并预热；将坩埚预热到400℃后，将溶剂均匀喷洒在坩埚内壁之后；将预热的金属锭放入坩埚升温至720℃，适当搅拌后升温至750℃静置，加热30min后降温至700℃进行浇注，浇注模具预热，预热温度为200℃。所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体。挤压前进行加热保温，保温温度为340℃，保温6小时后进行热挤压，热挤压温度为 340℃，挤压速度 25mm/s，完成挤压后的冷却方式为空冷。挤出试样直径为Φ122mm，挤压比为 7.9。随后采用的固溶时效处理工艺如下：对挤压态合金棒材上经过20min由室温升温至200℃，再经过20min升温至具体设定工艺温度，在该温度下保温6h后，用60℃温水对固溶完成的合金进行淬火，以防合金在冷水中淬裂；根据由DSC测得的合金相变温度，具体设定温度由280℃至 400℃，每20℃温度间隔进行固溶处理；时效处理采用电热鼓风干燥箱对经过固溶处理的合金进行人工时效，具体的时效参数为在200℃下时效12h。

实施例4 一种高抗压快速降解镁合金

所述高抗压快速降解镁合金为Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Zn 9.0wt%、Cu 4.8wt%、Ni 2.7wt%、Nd 5.20wt%、Ca 1.3wt% ,其余为Mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料称取纯镁锭、纯锌锭、纯铜锭、纯镍锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ca中间合金。熔炼前先对原料和模具加热30min去除水分并预热；将坩埚预热到400℃后，将溶剂均匀喷洒在坩埚内壁之后；将预热的金属锭放入坩埚升温至720℃，适当搅拌后升温至750℃静置，加热30min后降温至700℃进行浇注，浇注模具预热，预热温度为200℃。所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体。挤压前进行加热保温，保温温度为340℃，保温6小时后进行热挤压，热挤压温度为 340℃，挤压速度 25mm/s，完成挤压后的冷却方式为空冷。挤出试样直径为Φ122mm，挤压比为 7.9。随后采用的固溶时效处理工艺如下：对挤压态合金棒材上经过20min由室温升温至200℃，再经过20min升温至具体设定工艺温度，在该温度下保温6h后，用60℃温水对固溶完成的合金进行淬火，以防合金在冷水中淬裂；根据由DSC测得的合金相变温度，具体设定温度由280℃至 400℃，每20℃温度间隔进行固溶处理；时效处理采用电热鼓风干燥箱对经过固溶处理的合金进行人工时效，具体的时效参数为在200℃下时效12h。

实施例5 一种高抗压快速降解镁合金

所述高抗压快速降解镁合金为Mg-Ca-Zn-Cu-Ni-Nd镁合金，由以下质量百分比的元素组成Zn 10.0wt%、Cu 6.0wt%、Ni 3.0wt%、Nd 6.0wt%、Ca 1.50wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料称取纯镁锭、纯锌锭、纯铜锭、纯镍锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ca中间合金。熔炼前先对原料和模具加热30min去除水分并预热；将坩埚预热到400℃后，将溶剂均匀喷洒在坩埚内壁之后；将预热的金属锭放入坩埚升温至720℃，适当搅拌后升温至750℃静置，加热30min后降温至700℃进行浇注，浇注模具预热，预热温度为200℃。所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体。挤压前进行加热保温，保温温度为340℃，保温6小时后进行热挤压，热挤压温度为340℃，挤压速度25mm/s，完成挤压后的冷却方式为空冷。挤出试样直径为Φ122mm，挤压比为 7.9。随后采用的固溶时效处理工艺如下：对挤压态合金棒材上经过20min由室温升温至200℃，再经过20min升温至具体设定工艺温度，在该温度下保温6h后，用60℃温水对固溶完成的合金进行淬火，以防合金在冷水中淬裂；根据由DSC测得的合金相变温度，具体设定温度由280℃至 400℃，每20℃温度间隔进行固溶处理；时效处理采用电热鼓风干燥箱对经过固溶处理的合金进行人工时效，具体的时效参数为在200℃下时效12h。

对各组合金的力学性能及腐蚀性能进行测定，力学性能测试方法依据GB T228.1-2010执行，腐蚀性能测试条件为:将Φ20mm的试样置于室温下自来水和93 °C 3 %KCl水溶液中，测试样品的腐蚀速率。

表1. 实施案例的抗压强度及腐蚀速率

Claims (10)

1.一种高抗压快速降解镁合金，其特征在于,所述合金为Mg-Zn-Cu-Ni-Nd-Ca合金，由以下质量百分比的元素组成：Zn：5.0-10wt%、Cu：1.20-6.0wt%、Ni: 1.50-3.0wt%、Nd：1.50-6.0wt%、Ca：0.5-1.5wt%余量为Mg及其他杂质元素。

2.根据权利要求1所述的一种高抗压快速降解镁合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成： Zn 5.0wt%、Cu 1.2wt%、Ni 1.5wt%、Nd 1.5wt%、Ca 0.5wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的一种高抗压快速降解镁合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成： Zn 7.0wt%、Cu 2.4wt%、Ni 1.9wt%、Nd 2.7wt%、Ca 0.8 wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1所述的一种高抗压快速降解镁合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成： Zn 8.0wt%、Cu 3.6wt%、Ni 2.3wt%、Nd 4.1wt%、Ca1.0wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。

5.根据权利要求1所述的一种高抗压快速降解镁合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成： Zn 9.0wt%、Cu 4.8wt%、Ni 2.7wt%、Nd 5.2wt%、Ca 1.3wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。

6.根据权利要求1所述的一种高抗压快速降解镁合金，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成： Zn 10.0wt%、Cu 6.0wt%、Ni 3.0wt%、Nd 6.0wt%、Ca 1.50wt%,其余为Mg及不可避免的杂质元素。

7.权利要求1-6任一项所述一种高抗压快速降解镁合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：称取纯镁锭、纯锌锭、纯铜锭、纯镍锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ca中间合金；熔炼前先对原料和模具加热30min去除水分并预热；将坩埚预热到400℃后，将溶剂均匀喷洒在坩埚内壁，之后将预热的金属锭放入坩埚升温至720℃，适当搅拌后升温至750℃静置，加热30min后降温至700℃进行浇注；浇注模具要预热，预热温度为200℃；熔炼过程中所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体。

8.根据权利要求7所述的一种高抗压快速降解镁合金的制备方法，其特征在于，对浇注得到的合金产品进行热挤压，热挤压工艺确定如下：挤压前对合金产品进行加热保温，保温温度为340℃，保温6小时后进行热挤压，热挤压温度为340℃，挤压速度25mm/s，完成挤压后的冷却方式为空冷；挤出试样直径为Φ122mm，挤压比为7.9。

9.根据权利要求8所述的一种高抗压快速降解镁合金的制备方法，其特征在于挤压得到的合金试样进行固溶时效处理，工艺如下：对挤压态合金棒材经过20min由室温升温至200℃，再经过20min升温至具体设定工艺温度，在该温度下保温6h后，用60℃温水对固溶完成的合金进行淬火，以防合金在冷水中淬裂；根据由DSC测得的合金相变温度，具体设定温度由280℃至 400℃，每20℃温度间隔进行固溶处理；时效处理采用电热鼓风干燥箱对经过固溶处理的合金进行人工时效，具体的时效参数为在200℃下时效12h。

10.根据权利要求7所述的一种高抗压快速降解镁合金的制备方法，其特征在于，在熔炼前需要对纯镁锭进行去氧化皮处理，在所用工具上喷刷涂料，以防熔炼过程中掺入杂质，然后将镁锭切割成小块试样，使得合金充分溶解；

熔炼前先对坩埚进行清理，防止熔炼过程中杂质进入合金中，产生缺陷；

所用的气氛保护炉的保护气氛为5%SF₆+95%CO₂混合气体，由于其具有化学惰性，在常温下是极为稳定的气体，其在镁合金溶液中与镁反应生成 MgF₂作为一层致密的保护膜覆盖在镁合金表面，阻止镁合金溶液与外界环境中的氧气接触。