CN114164365A - 一种高塑性快速降解镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高塑性快速降解镁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高塑性快速降解镁合金及其制备方法。所述高塑性快速降解镁合金，以重量百分比计，包括如下成分：Gd：1~6%；Cu：0.05~2%；余量为Mg及不可避免的杂质。所述制备方法包括以下步骤：（1）按照镁合金成分进行配料；（2）熔炼过程中采用CO2和SF6作为保护气体，升温至720～750℃后保温，待原料全部熔化后降温至700～720℃静置保温25~30min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；（3）将制备得到的合金铸锭在400℃~440℃下均匀化处理4~12h；（4）铸锭在350℃~430℃下预热30min，以挤压比11~28一次挤压成形。本发明制备的镁合金的力学性能和降解速率得到明显提升，满足压裂工具的使用要求，能够广泛应用于油气开采等能源采掘领域，降低开采难度，提高开采效率。

Description

一种高塑性快速降解镁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及镁合金技术领域，具体涉及一种高塑性快速降解镁合金及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的发展，对石油、天然气等能源的需求也越来越大。我国页岩气储量世界第一，油页岩世界第四。页岩气的开采难度大，水力压裂技术是提高其开采效率、节省开采成本的有效方法。
传统压裂作业完成后需要通过钻井工具将压裂球、桥塞等压裂工具钻碎，然后返排出地面。在返排过程中，经常会遇到卡球等返排不成功的现象，导致油井使用寿命缩短、开采难度和开采成本增加。目前大多数可溶压裂工具是由钢铁材料、高分子材料、铝基复合材料等制备，尽管具有较高的力学性能，但这些材料的降解性能较差。如采用镁合金制造，虽然镁合金具有密度低、比强度高、阻尼性能好等优点，且在相同条件下的降解速率相较于其他合金快，但是镁为密排六方结构，变形过程中容易形成较强的基面织构，变形能力差，影响其大规模的应用。
因此，急需研制一种既具有高塑性又便于后续加工以及在压裂结束后快速降解的材料，用于制备压裂工具。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有的用于制造压裂工具的镁合金材料的塑性差、变形能力差的问题，提供一种高塑性快速降解镁合金及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高塑性快速降解镁合金，以重量百分比计，包括如下成分：Gd：1~6%；Cu：0.05~2%；余量为Mg及不可避免的杂质。
优选，以重量百分比计，还包括X：0~1%；其中，所述X为Ca或Zr。
本发明还提供一种高塑性快速降解镁合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照权利要求1或2所述的镁合金成分进行配料；
（2）熔炼过程中采用CO2和SF6作为保护气体，升温至720～750℃后保温，并搅拌使成分均匀且原料充分熔化；待原料全部熔化后降温至700～720℃静置保温25~30min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃~440℃下均匀化处理4~12h；
（4）将均匀化处理后的铸锭在350℃~430℃下预热30~60min，以挤压比11~28一次挤压成形。
其中，步骤（1）中，采用Mg-Gd、Mg-Cu、Mg-Ca、Mg-Zr中间合金作为原料。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明通过Mg和Gd元素形成高塑性的Mg-Gd合金，Gd元素能够弱化镁合金中的织构、细化晶粒，从而提升镁合金的强度与塑性。通过添加Cu元素，在Mg-Gd合金中形成含Cu-LPSO相，进一步提升合金的强度和塑性。同时含Cu-LPSO相、Mg2Cu相能够与镁基体之间形成微电偶，加速镁合金的降解，使得本发明制备的镁合金的塑性和降解速率相比较现有可溶镁合金（AZ+Cu/Ni、Mg-Zn+Cu/Ni）得到明显提升，满足压裂工具的使用要求，能够广泛应用于油气开采等能源采掘领域，降低开采难度，提高开采效率。
2、本发明还通过添加的Zr和Ca元素增加异质形核点，促进形核，细化晶粒，改善合金的综合性能。添加微量晶粒细化元素Zr明显细化晶粒，改善合金的力学性能。添加微量元素Ca，一方面Ca具有与稀土元素相同的作用，能够弱化织构，提高镁合金塑性，另一方面能够细化晶粒，进一步提升塑性
3、本发明提供的制备方法简单，一次挤压成形，满足压裂工具的使用要求所采用的设备如熔炼炉、热挤压机等均为常规设备，具有可移植性强的特点，便于在工业中实现。
4、本发明制备的高塑性快速降解镁合金延伸率25%-40%，在93℃，3%KCl溶液中的降解速率达到15-50 mg/cm2·h。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种高塑性快速降解镁合金，其制备方法为：
（1）以纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Cu中间合金作为原料，按照镁合金成分进行配料。该镁合金以重量百分比计，包括如下成分：Gd 3.0%，Cu 0.96%，余量为Mg。
（2）将原料的表面充分打磨后进行熔炼。先升温至750℃，在SF6 和CO2 混合气体保护下进行熔炼，全部熔化后充分搅拌，静置，降温至720℃保温25分钟，最后在盐水浴中冷却得到铸锭。
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃下保温10h，充分消除铸造缺陷。
（4）将均匀化处理后的合金在400℃预热30min，挤压温度400℃，挤压比11，一次挤压成形。
将本实施例制备的镁合金进行性能测试，该挤压态镁合金室温抗拉强度为188MPa，屈服强度为126MPa，延伸率为32.1%。在93℃，3%KCl溶液中的降解速率为27.1 mg/cm2·h 。
实施例2
一种高塑性快速降解镁合金，其制备方法为：
（1）以纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Cu中间合金、Mg-Zr中间合金作为原料，按照镁合金成分进行配料。该镁合金以重量百分比计，包括如下成分：Gd 2.95%，Cu 0.89%，Zr0.11%，余量为Mg。
（2）将原料的表面充分打磨后进行熔炼。先升温至750℃，在SF6 和CO2 混合气体保护下进行熔炼，全部熔化后充分搅拌，静置，降温至720℃保温25分钟，最后在盐水浴中冷却得到铸锭。
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃下保温10h，充分消除铸造缺陷。
（4）将均匀化处理后的合金在420℃预热30min，挤压温度420℃，挤压比28，一次挤压成形。
将本实施例制备的镁合金进行性能测试。该镁合金室温抗拉强度为210 MPa，屈服强度为169 MPa，延伸率为29.2%。在93℃，3%KCl溶液中的降解速率为17 mg/cm2·h 。
实施例3
一种高塑性快速降解镁合金，其制备方法为：
（1）以纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Cu中间合金、Mg-Zr中间合金作为原料，按照镁合金成分进行配料。该镁合金以重量百分比计，包括如下成分：Gd 3.7%，Cu 0.97%，Zr 0.38%，余量为Mg。
（2）将原料的表面充分打磨后进行熔炼。先升温至750℃，在SF6 和CO2 混合气体保护下进行熔炼，全部熔化后充分搅拌，静置，降温至720℃保温25分钟，最后在盐水浴中冷却得到铸锭。
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃下保温10h，充分消除铸造缺陷。
（4）将均匀化处理后的合金在420℃预热30min，挤压温度420℃，挤压比28，一次挤压成形。
将本实施例制备的镁合金进行性能测试。该镁合金室温抗拉强度为221 MPa，屈服强度为178 MPa，延伸率为26.5%。在93℃，3%KCl溶液中的降解速率为19.1 mg/cm2·h 。
实施例4
一种高塑性快速降解镁合金，其制备方法为：
（1）以纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Cu中间合金、Mg-Zr中间合金作为原料，按照镁合金成分进行配料。该镁合金以重量百分比计，包括如下成分：Gd 2.9%，Cu 0.95%，Zr 0.65%，余量为Mg。
（2）将原料的表面充分打磨后进行熔炼。先升温至750℃，在SF6 和CO2 混合气体保护下进行熔炼，全部熔化后充分搅拌，静置，降温至720℃保温25分钟，最后在盐水浴中冷却得到铸锭。
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃下保温10h，充分消除铸造缺陷。
（4）将均匀化处理后的合金在420℃预热30min，挤压温度420℃，挤压比28，一次挤压成形。
将本实施例制备的镁合金进行性能测试。该镁合金室温抗拉强度为235 MPa，屈服强度为175 MPa，延伸率为25.1%。在93℃，3%KCl溶液中的降解速率为19.8 mg/cm2·h 。
实施例5
一种高塑性快速降解镁合金，其制备方法为：
（1）以纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Cu中间合金作为原料，按照镁合金成分进行配料。该镁合金以重量百分比计，包括如下成分：Gd3.1%，Cu 0.98%，Zr 0.16%，余量为Mg。
（2）将原料的表面充分打磨后进行熔炼。先升温至750℃，在SF6 和CO2 混合气体保护下进行熔炼，全部熔化后充分搅拌，静置，降温至720℃保温25分钟，最后在盐水浴中冷却得到铸锭。
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃下保温10h，充分消除铸造缺陷。
（4）将均匀化处理后的合金在380℃预热30min，挤压温度380℃，挤压比11，一次挤压成形。
将本实施例制备的镁合金进行性能测试。该镁合金室温抗拉强度为202 MPa，屈服强度为145 MPa，延伸率为37.2%。在93℃，3%KCl溶液中的降解速率为30.2 mg/cm2·h 。
实施例6
一种高塑性快速降解镁合金，其制备方法为：
（1）以纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Cu中间合金作为原料，按照镁合金成分进行配料。该镁合金以重量百分比计，包括如下成分：Gd3.5%，Cu 1.5%，Zr 0.2%，余量为Mg。
（2）将原料的表面充分打磨后进行熔炼。先升温至750℃，在SF6 和CO2 混合气体保护下进行熔炼，全部熔化后充分搅拌，静置，降温至720℃保温25分钟，最后在盐水浴中冷却得到铸锭。
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃下保温10h，充分消除铸造缺陷。
（4）将均匀化处理后的合金在380℃预热30min，挤压温度380℃，挤压比11，一次挤压成形。
将本实施例制备的镁合金进行性能测试。该镁合金室温抗拉强度为210 MPa，屈服强度为150 MPa，延伸率为35.6%。在93℃，3%KCl溶液中的降解速率为43.2 mg/cm2·h。
实施例7
一种高塑性快速降解镁合金，其制备方法为：
（1）以纯镁、Mg-Gd中间合金、Mg-Cu中间合金、Mg-Ca中间合金作为原料，按照镁合金成分进行配料。该镁合金以重量百分比计，包括如下成分：Gd 3.2%，Cu 1.2%，Ca 0.15%，余量为Mg。
（2）将原料的表面充分打磨后进行熔炼。先升温至750℃，在SF6 和CO2 混合气体保护下进行熔炼，全部熔化后充分搅拌，静置，降温至720℃保温25分钟，最后在盐水浴中冷却得到铸锭。
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃下保温10h，充分消除铸造缺陷。
（4）将均匀化处理后的合金在420℃预热30min，挤压温度420℃，挤压比28，一次挤压成形。
将本实施例制备的镁合金进行性能测试。该镁合金室温抗拉强度为 215 MPa，屈服强度为170 MPa，延伸率为26.2 %。在93℃，3%KCl溶液中的降解速率为26.8 mg/cm2·h 。
实施例1-7中制备的镁合金的成分如表1所示。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例1-7中制备的镁合金的力学性能如表2所示。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE004
从表1和表2中可以看出，本发明制备的镁合金的延伸率25%-40%，在93℃，质量分数3%的KCl溶液中的降解速率15-50 mg/cm2·h。细化元素Zr、Ca的添加，在保持较高塑性的前提下，合金的力学性能得到了一定提升。因此，本发明制备的高塑性快速降解镁合金抗拉强度，延伸率以及降解性能都得到了提升。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高塑性快速降解镁合金，其特征在于，以重量百分比计，包括如下成分：Gd：1~6%；Cu：0.05~2%；余量为Mg及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高塑性快速降解镁合金，其特征在于，以重量百分比计，还包括X：0~1%；其中，所述X为Ca或Zr。
3.一种高塑性快速降解镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照权利要求1或2所述的镁合金成分进行配料；
（2）熔炼过程中采用CO2和SF6作为保护气体，升温至720～750℃后保温，并搅拌使成分均匀且原料充分熔化；待原料全部熔化后降温至700～720℃静置保温25~30min，取出进行盐浴水冷获得合金铸锭；
（3）将制备得到的合金铸锭在400℃~440℃下均匀化处理4~12h；
（4）将均匀化处理后的铸锭在350℃~430℃下预热30~60min，以挤压比11~28一次挤压成形。
4.根据权利要求3所述的高塑性快速降解镁合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，采用Mg-Gd、Mg-Cu、Mg-Ca、Mg-Zr中间合金作为原料。
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