CN116005046B - 一种高延伸率可溶铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高延伸率可溶铝合金及其制备方法和应用，本发明涉及有色金属制备技术领域。该铝合金包括以下质量百分比组分：Mg0.5‑1.5％、Cu 0.1‑0.5％、Ga 0.5‑1.5％、In 0.5‑1.2％、Sn 0.5‑1.8％和Bi 0.5‑1％，余量为Al。本发明制得的高延伸率可溶铝合金，延伸率高、拉伸强度大，具有良好综合力学性能；同时，溶解速度快，可应用于油气田增效开采中的压裂球和桥塞等工具材料。本发明解决了现有技术中可溶铝合金高延伸率、中等拉伸强度和溶解速度快不能兼有的问题。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属制备技术领域，具体涉及一种高延伸率可溶铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
铝及铝合金材料具备特有的化学活性，具有在一定的介质中能快速腐蚀、溶解、溶解可控性好、力学性能良好、加工性能及原材料来源广泛和成本低廉等优点，可溶铝合金制成的压裂球和桥塞，可自动溶解失效，节省回收过程，有效地实现了增产，在非常规油气田的增效开采技术中，发挥着非常重要的作用和广泛的应用前景。可溶铝合金技术是一种具有可降解结构的新型功能材料技术，用于油气田的增效开采中，铝合金制成压裂球和桥塞等工具，可溶铝合金成为首选材料。而油气田的增效开采的工况不同，铝合金制成压裂球和桥塞等工具的溶解速度、拉伸强度和伸长率要求不同。因此，根据油气田增效开采的工况，进行可溶铝合金的成分设计与优化、制备技术改进，制备出不同性能的可溶铝合金，是目前主要的研究热点与难点。
在中性介质中，铝及常用铝合金极易在其表面形成致密的氧化物或者氢氧化物的钝化膜，使其反应过程中腐蚀、溶解速度大幅度降低，很难达到油气田的增效开采中铝合金制成压裂球和桥塞的溶解速度，通过合金化技术，虽然可以提高铝合金压裂球和桥塞的溶解速度，但是伴随着材料的强度和塑性这一矛盾的产生，即提材料高强度的同时材料的延伸率降低。因此，研制在60-93℃，一定浓度的氯化钠中性介质中，溶解速度大、延伸率高具有一定拉伸强度的可溶铝合金，对油气田的增效开采具有重要意义和实践应用价值。
已知的国外文献中，油气田增效开采技术中使用的可溶解压裂球、桥塞材料主要为镁合金、铝复合材料和树脂。我国油气田增效开采技术中，使用的可溶解压裂球等工具材料研究起步比较晚，成熟的技术比较少，目前，我国油气田增效开采技术中使用的压裂球和桥塞相关材料主要靠进口，严重限制了我国石油的增效开采。目前，国内可溶铝合金材料一直处于不断发展中，研究人员的研究方向主要集中在合金成分设计、材料制备工艺、可溶结构件和溶解机理等方面。关于在60℃-93℃，0.84-3％KCl中性水溶液环境条件，具有高延伸率(20-32％)、一定拉伸强度(100MPa-160MPa)、溶解速率达50-130mg﹒cm-2﹒h-1等优良综合性能的油气田增效开采用压裂球和桥塞的可溶铝合金材料，目前无相关文献和专利报道。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种高延伸率可溶铝合金及其制备方法和应用，以解决现有技术中可溶铝合金高延伸率、中等拉伸强度和溶解速度快不能兼有的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种高延伸率可溶铝合金，包括以下质量百分比组分：Mg 0.5-1.5％、Cu 0.1-0.5％、Ga 0.5-1.5％、In 0.5-1.2％、Sn0.5-1.8％和Bi 0.5-1％，余量为Al。
本发明的有益效果为：本发明通过添加Cu、Mg元素，形成CuAl2、Mg5Al8等强化相、析出强化和细晶强化，保证可溶铝合金具有一定的拉伸强度的同时，提高可溶解铝合金的延伸率，添加低熔点合金化元素(Ga、In、Sn、Bi)形成熔点低的第二相化合物，低熔点的第二相化合物产生“过烧”而熔化，在Al表面产生大量缺陷，破坏Al表面形成的致密的氧化膜结构，暴露出高活性Al，使其不断与水发生反应而腐蚀、溶解，同时利用添加电极电位较正的阴极性金属Cu，其与Al形成微观原电池，Al作为原电池阳极、加速腐蚀、溶解；从而制备出高延伸率、一定强度、腐蚀溶解速度快的可溶Al-Mg-Cu-Ga-In-Sn-Bi铝合金材料，满足油气田的增效开采用压裂球和桥塞的工程技术要求。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，该铝合金包括以下质量百分比组分：Mg 1％、Cu 0.3％、Ga 1％、In0.8％、Sn 1％和Bi 0.8％，余量为Al。
本发明还提供上述高延伸率可溶铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Mg、Cu、Al、Ga、In、Sn、Bi和铝合金覆盖剂混合，于740-750℃条件下熔炼，全部熔化后加入精炼剂，精炼处理10-30min，然后静置、过滤和浇铸，制得铝合金圆锭；
(2)将步骤(1)制得的铝合金圆锭挤压成圆棒，然后均匀化热处理，制得高延伸率可溶铝合金。
进一步，步骤(1)中，铝合金覆盖剂为NaCl、KCl和MgCl2的混合物。
进一步，混合物中NaCl的质量分数为40-45％，混合物中KCl的质量分数为45-50％。
进一步，混合物中NaCl的质量分数为45％，KCl的质量分数为50％，MgCl2的质量分数为5％。
进一步，步骤(1)中，精炼剂为NaCl、KCl和CaF2的混合物。
进一步，混合物中NaCl的质量分数为40-45％，混合物中KCl的质量分数为45-50％。
进一步，混合物中NaCl的质量分数为45％，混合物中KCl的质量分数为50％，CaF2的质量分数为5％。
进一步，步骤(1)中，浇铸温度为730-740℃。
进一步，步骤(1)中，浇铸温度为735℃。
进一步，步骤(2)中，挤压条件为：挤压筒温度390-420℃、铸锭温度390-420℃和挤压比10-20。
进一步，步骤(2)中，挤压条件为：挤压筒温度400℃、铸锭温度400℃和挤压比15。
进一步，步骤(2)中，将挤压制得的圆棒加热至490-520℃，保温2-4h，然后于15-30℃的水中淬火，再于继续加热至150-190℃，保温6-12h，冷却至室温，完成均匀化热处理过程。
进一步，步骤(2)中，将挤压制得的圆棒加热至500℃，保温3h，然后于20℃的水中淬火，再于继续加热至180℃，保温10h，冷却至室温，完成均匀化热处理过程。
进一步，第一次加热的升温速率为5-10℃/min，第二次加热的升温速率为5-10℃/min。
进一步，第一次加热的升温速率为8℃/min，第二次加热的升温速率为8℃/min。
本发明还提供上述铝合金在制备油气田增效开采压裂球和桥塞方面的应用
本发明具有以下有益效果：
1、本发明制得的高延伸率可溶铝合金，延伸率高(20-32％)、拉伸强度大(室温，100-180Mpa)，具有良好综合力学性能；同时，溶解速度快(60-93℃水溶液中溶解速度为50-130mg﹒cm-2﹒h-1)，可应用于油气田增效开采中的压裂球和桥塞等工具材料。
2、本发明的工艺简单，易于工程化化生产，同时原材料来源广泛、成本低，具有良好的经济效益；可溶铝合金添加元素均为环境友好元素、无环境污染。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。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。
实施例1：
一种高延伸率可溶铝合金，包括以下质量百分比组分：Mg 1％、Cu 0.3％、Ga 1％、In 0.8％、Sn 1％和Bi 0.8％，余量为Al。
一种高延伸率可溶铝合金，其制备方法包括以下步骤：
(1)将Mg、Cu、Al、Ga、In、Sn和Bi置于坩埚电阻炉中，加入铝合金覆盖剂(NaCl45wt％，KCl 50wt％和MgCl2 5wt％)，于745℃条件下熔炼，全部熔化后，加入精炼剂(NaCl45wt％，KCl 50wt％和CaF2 5wt％)，精炼处理20min，然后静置30min，过滤，于735℃条件下浇铸，制得Φ95mm的铝合金圆锭；
(2)将步骤(1)制得的铝合金圆锭在挤压筒温度400℃、铸锭温度400℃和挤压比15条件下，挤压成Φ26mm圆棒，在空气电阻炉中，将挤压制得的圆棒以速率8℃/min加热至500℃，保温3h，然后于20℃的水中淬火，再于继续以速率8℃/min加热至180℃，保温10h，冷却至室温，完成均匀化热处理过程，制得高延伸率可溶铝合金。
实施例2：
一种高延伸率可溶铝合金，包括以下质量百分比组分：Mg 0.5％、Cu0.1％、Ga0.5％、In 0.5％、Sn 0.5％和Bi 0.5％，余量为Al。
一种高延伸率可溶铝合金，其制备方法包括以下步骤：
(1)将Mg、Cu、Al、Ga、In、Sn和Bi置于坩埚电阻炉中，加入铝合金覆盖剂(NaCl40wt％，KCl 50wt％和MgCl2 10wt％)，于740℃条件下熔炼，全部熔化后，加入精炼剂(NaCl40wt％，KCl 50wt％和CaF2 10wt％)，精炼处理10min，然后静置30min，过滤，于730℃条件下浇铸，制得Φ95mm的铝合金圆锭；
(2)将步骤(1)制得的铝合金圆锭在挤压筒温度390℃、铸锭温度390℃和挤压比10条件下，挤压成Φ31mm圆棒，在空气电阻炉中，将挤压制得的圆棒以速率5℃/min加热至490℃，保温4h，然后于15℃的水中淬火，再于继续以速率5℃/min加热至150℃，保温12h，冷却至室温，完成均匀化热处理过程，制得高延伸率可溶铝合金。
实施例3：
一种高延伸率可溶铝合金，包括以下质量百分比组分：Mg 1.4％、Cu0.4％、Ga1.4％、In 1.1％、Sn 1.7％和Bi 0.8％，余量为Al。
一种高延伸率可溶铝合金，其制备方法包括以下步骤：
(1)将Mg、Cu、Al、Ga、In、Sn和Bi置于坩埚电阻炉中，加入铝合金覆盖剂(NaCl42wt％，KCl 48wt％和MgCl2 10wt％)，于748℃条件下熔炼，全部熔化后，加入精炼剂(NaCl42wt％，KCl 48wt％和CaF2 10wt％)，精炼处理28min，然后静置30min，过滤，于738℃条件下浇铸，制得Φ95mm的铝合金圆锭；
(2)将步骤(1)制得的铝合金圆锭在挤压筒温度418℃、铸锭温度418℃和挤压比18条件下，挤压成Φ23.5mm圆棒，在空气电阻炉中，将挤压制得的圆棒以速率8℃/min加热至518℃，保温3.8h，然后于28℃的水中淬火，再于继续以速率8℃/min加热至188℃，保温5.8h，冷却至室温，完成均匀化热处理过程，制得高延伸率可溶铝合金。
实施例4：
一种高延伸率可溶铝合金，包括以下质量百分比组分：Mg 1.5％、Cu0.5％、Ga1.5％、In 1.2％、Sn 1.8％和Bi 1％，余量为Al。
一种高延伸率可溶铝合金，其制备方法包括以下步骤：
(1)将Mg、Cu、Al、Ga、In、Sn和Bi置于坩埚电阻炉中，加入铝合金覆盖剂(NaCl43wt％，KCl 49wt％和MgCl2 8wt％)，于750℃条件下熔炼，全部熔化后，加入精炼剂(NaCl43wt％，KCl 49wt％和CaF2 8wt％)，精炼处理30min，然后静置30min，过滤，于740℃条件下浇铸，制得Φ95mm的铝合金圆锭；
(2)将步骤(1)制得的铝合金圆锭在挤压筒温度420℃、铸锭温度420℃和挤压比20条件下，挤压成Φ22mm圆棒，在空气电阻炉中，将挤压制得的圆棒以速率10℃/min加热至520℃，保温2h，然后于30℃的水中淬火，再于继续以速率10℃/min加热至190℃，保温6h，冷却至室温，完成均匀化热处理过程，制得高延伸率可溶铝合金。
对比例1：
一种高延伸率可溶铝合金，包括以下以下质量百分比组分：同实施例1。
一种高延伸率可溶铝合金的制备方法，包括以下步骤：不包括在空气电阻炉中的均匀化热处理过程，其余同实施例1。
对比例2：
一种高延伸率可溶铝合金，包括以下以下质量百分比组分：同实施例2。
一种高延伸率可溶铝合金的制备方法，包括以下步骤：不包括在空气电阻炉中的均匀化热处理过程，其余同实施例2。
试验例
一、将实施例1-4和对比例1-2制得的铝合金机加工成Φ20mm×30mm圆柱体试样，不经过任何热处理，测试其在中性介质水溶液中的溶解速度、室温拉伸强度和伸长率。
具体的测试方法为：将圆柱体试样称量其质量，计算其表面积；在1000mL烧杯内加入约850mL NaCl溶液，将其置于恒水浴锅内，加热至规定的温度并保持恒温，然后将试样放入烧杯中，浸泡一定时间后，取出试样并干燥质称量其质量，待完全溶解时记录其溶解时间，然后计算铝合金单位面积、单位时间内质量的损失，按照下式计算溶解速率：
V＝(M0-M1)/S·T；
式中：V：溶解速率，mg/cm2·h；M0：溶解前试样的初始质量,mg；M1：试样腐蚀一定时间后的质量，mg；S：试样初始表面积，cm2；T：时间，h。
拉伸强度和伸长率测试方法：按照国家标准：GB/T 228-2002.在万能材料拉伸试验机上测试；
结果见表1。
表1铝合金的溶解速度、拉伸强度和伸长率
由表1可知，本发明制得的铝合金延伸率高、拉伸强度适中，具有良好综合力学性能；同时，溶解速度快，可应用于油气田增效开采中的压裂球和桥塞等工具材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高延伸率可溶铝合金，其特征在于，由以下质量百分比组分组成：Mg 1%、Cu0.3%、Ga 1%、In 0.8%、Sn 1%和Bi 0.8%，余量为Al；
所述的高延伸率可溶铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将Mg、Cu、Al、Ga、In、Sn、Bi和铝合金覆盖剂混合，于740-750℃条件下熔炼，全部熔化后加入精炼剂，精炼处理10-30min，然后静置、过滤和浇铸，制得铝合金圆锭；
（2）将步骤（1）制得的铝合金圆锭挤压成圆棒，然后均匀化热处理，制得高延伸率可溶铝合金；
步骤（2）中，将挤压制得的圆棒加热至490-520℃，保温2-4h，然后于15-30℃的水中淬火，再于继续加热至150-190℃，保温6-12h，冷却至室温，完成均匀化热处理过程。
2.根据权利要求1所述的高延伸率可溶铝合金，其特征在于，步骤（1）中，铝合金覆盖剂为NaCl、KCl和MgCl2的混合物。
3.根据权利要求1所述的高延伸率可溶铝合金，其特征在于，步骤（1）中，精炼剂为NaCl、KCl和CaF2的混合物。
4.根据权利要求1所述的高延伸率可溶铝合金，其特征在于，步骤（1）中，浇铸温度为730-740℃。
5.根据权利要求1所述的高延伸率可溶铝合金，其特征在于，步骤（2）中，挤压条件为：挤压筒温度390-420℃、铸锭温度390-420℃、挤压比10-20。
6.根据权利要求1所述的高延伸率可溶铝合金，其特征在于，第一次加热的升温速率为5-10℃/min，第二次加热的升温速率为5-10℃/min。
7.权利要求1所述的高延伸率可溶铝合金在制备油气田增效开采压裂球和桥塞方面的应用。
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-
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| 用于石油井下工具崩解压裂球的可溶铝基合金的性能分析;尚晓峰;王丹鹏;林忠超;;西安石油大学学报(自然科学版)(第04期);全文 * |
| 高强变形铝合金的研究现状和发展趋势;王涛;尹志民;;稀有金属(第02期);全文 * |
Also Published As
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