本發(fā)明屬于高性能金屬材料合成領(lǐng)域，特別涉及一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著我國油氣資源的逐漸減少，為提高石油資源的開采產(chǎn)量，油田開采轉(zhuǎn)向難開采的巖石油氣儲層。多級壓裂技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖石油氣的開采中，在油氣壓裂過程中，需要封堵水平井管道，提高水平井壓力，其中壓裂球和橋塞是關(guān)鍵的井下工具。作為關(guān)鍵性工具，壓裂球需要具備較高的強(qiáng)度，以滿足封堵需求。油氣開采后，通常采用井內(nèi)壓力差排出或者采用機(jī)械鉆去除壓裂工具，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且并非適用于所有水平井，機(jī)械破除的過程中產(chǎn)生的碎屑也會污染油氣層，影響油氣開采質(zhì)量。所以壓裂材料需要有較高的降解速率、環(huán)保性，使其可以在施工結(jié)束后在返排液中自行溶解。因此如何在節(jié)約原料成本、簡化工藝條件下，獲得能夠承受高液體壓力、具有較高強(qiáng)度、耐高溫以及在機(jī)械破除過程中具有高速率可溶性(可降解)的環(huán)保性合金是目前亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金，所述合金按質(zhì)量百分比計(jì)，由以下成分組成：鋅1-15％，鈣0.1-1％，添加元素，不可避免雜質(zhì)≤0.02％，余量為鎂，所述的添加元素為鎳，所述的鎳：0.5-7％；它的制備方法包括如下步驟：

2、(1)按質(zhì)量百分比稱取所需各金屬原料，去除表面氧化產(chǎn)物備用，按照體積比0.2-1.5:98.5-99.8將sf6和co2混合后作為保護(hù)氣體，加入純鎂，再升溫至400-460℃保溫10-30min，再升溫至500-560℃保溫0.5-2h，再升溫至650-710℃保溫0.5-2h后，加入純鋅，鎂-鈣中間合金、鎂-鎳中間合金，保溫5-15min后，在675-700℃和氬氣保護(hù)條件下，攪拌1-5min，精煉打渣1-5min，再進(jìn)行澆注，獲得鎂合金鑄錠；

3、(2)將步驟(1)獲得的鎂合金鑄錠在氬氣保護(hù)下進(jìn)行梯度均質(zhì)化熱處理后，再經(jīng)水淬至室溫后獲得均質(zhì)化鎂合金鑄錠；

4、所述的梯度均質(zhì)化熱處理為：在250-320℃保溫1-4h，再在310-360℃保溫5-7h，再在330-410℃保溫3-6h；

5、(3)將步驟(2)獲得的均質(zhì)化鎂合金鑄錠進(jìn)行人工時(shí)效或退火-軋制-退火處理后，再經(jīng)過空冷至室溫后獲得低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金；

6、所述的人工時(shí)效為：在140-210℃保溫3-7h；

7、所述的退火-軋制-退火處理為：在220-320℃下退火10-40min后，再在100-200℃進(jìn)行5-12道次軋制，每道次軋制后再在220-320℃下保溫10-40min，軋制速度為10-25r/min，軋制總壓下量為70-90％，軋制后在220-320℃下退火20-60min。

8、進(jìn)一步地，所述的鋅1.5-12％，鈣0.2-0.5％。

9、進(jìn)一步地，所述的鎳：1-5％。

10、進(jìn)一步地，步驟(2)中所述的梯度均質(zhì)化熱處理為：在280-300℃保溫2-3h，再在325-350℃保溫5.5-6.5h，再在345-400℃保溫4-5h。

11、進(jìn)一步地，步驟(3)中所述的人工時(shí)效為：在150-200℃保溫5-6h。

12、進(jìn)一步地，步驟(3)中所述的退火-軋制-退火處理為：在250-300℃下退火15-30min，再在120-180℃進(jìn)行6-11道次軋制，每道次軋制后再在250-300℃下保溫15-30min，軋制速度為15-20r/min，軋制總壓下量為75-85％，軋制后在250-300℃下退火30-50min。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過合金組分之間的相互作用、配比、工藝和工藝參數(shù)的協(xié)同調(diào)控作用，具有如下優(yōu)勢：

14、(1)現(xiàn)有技術(shù)的問題：現(xiàn)有技術(shù)通過添加稀土元素或增加合金添加量或復(fù)雜工藝實(shí)現(xiàn)提升強(qiáng)度和耐腐蝕性的效果，也就是說當(dāng)合金強(qiáng)度提高時(shí)，耐腐蝕性也將提高，這將會導(dǎo)致降解速率降低，即合金強(qiáng)度和降解速率較難實(shí)現(xiàn)同步提高。而本發(fā)明通過未加入稀土、減少合金添加量等方式降低成本并且簡化工藝的情況下，通過低成本元素的成分和比例的有效調(diào)控，并結(jié)合工藝和工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，不僅獲得了較好的力學(xué)性能和耐高溫性能，同時(shí)顯著提升了鎂合金的降解速率，并且具有較好的環(huán)保性，適用于壓裂鎂合金領(lǐng)域；

15、(2)本發(fā)明通過形成mg2ni、τ(mgznni)等第二相，增大了第二相與α-mg基體之間的電壓差、增加了電偶對、增強(qiáng)了陰極析氫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化電偶腐蝕的作用、降低鎂合金的耐蝕性，因此增大了腐蝕速率和降解速率；現(xiàn)有技術(shù)面臨的問題是：獲得的合金中第二相種類復(fù)雜，低熔點(diǎn)第二相在固溶過程中融化不均勻，而本發(fā)明較好解決上述問題的同時(shí)，并有效實(shí)現(xiàn)合金元素固溶到基體中、晶粒內(nèi)部連續(xù)分布的第二相被壓碎成破碎的第二相，破壞了第二相原有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，削弱了第二相的腐蝕屏障作用、提高了降解速率；同時(shí)，使得晶粒細(xì)化，提高了組織均勻性，最終提高了合金力學(xué)性能、耐高溫性能和降解速率。

16、(3)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用降低合金添加種類和質(zhì)量等低成本方式和簡化工藝的情況下，采用不同于現(xiàn)有技術(shù)的制備工藝情況下，本發(fā)明獲得的合金力學(xué)性能和耐高溫性能均優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)獲得的合金，此外，本發(fā)明獲得的合金室溫和高溫高降解速率均顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)獲得的合金，即本發(fā)明獲得的合金同步實(shí)現(xiàn)了合金的高力學(xué)性能、耐高溫性、室溫和高溫高降解速率。

17、綜上：本發(fā)明獲得的合金最優(yōu)異力學(xué)性能、耐高溫性、室溫和高溫高降解速率是由合金的組分之間的相互作用、配比、工藝及工藝參數(shù)協(xié)同調(diào)控作用實(shí)現(xiàn)的。

技術(shù)特征：

1.一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金，其特征在于：所述合金按質(zhì)量百分比計(jì)，由以下成分組成：鋅1-15％，鈣0.1-1％，添加元素，不可避免雜質(zhì)≤0.02％，余量為鎂，所述的添加元素為鎳，所述的鎳：0.5-7％；它的制備方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金，其特征在于：所述的鋅1.5-12％，鈣0.2-0.5％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金，其特征在于：所述的鎳：1-5％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意所述的一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金，其特征在于，步驟(2)中所述的梯度均質(zhì)化熱處理為：在280-300℃保溫2-3h，再在325-350℃保溫5.5-6.5h，再在345-400℃保溫4-5h。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金，其特征在于：步驟(3)中所述的人工時(shí)效處理為：在150-200℃保溫5-6h。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金，其特征在于：步驟(3)中所述的退火-軋制-退火處理為：在250-300℃下退火15-30min，再在120-180℃進(jìn)行6-11道次軋制，每道次軋制后再在250-300℃下保溫15-30min，軋制速度為15-20r/min，軋制總壓下量為75-85％，軋制后在250-300℃下退火30-50min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金及其制備方法。所述鎂合金按成分按照質(zhì)量百分比，由如下成分組成：鋅1?15％，鈣0.1?1％，鎳0.5?7％，余量為鎂，不可避免雜質(zhì)≤0.02％。所述的鎂合金制備方法包括配料熔煉、均質(zhì)化、人工時(shí)效或退火?軋制?退火。與現(xiàn)有技術(shù)獲得的鎂合金相比，本發(fā)明通過合金組分、配比、工藝及工藝參數(shù)的協(xié)同調(diào)控，改變鎂合金第二相的組成、尺寸與分布，細(xì)化晶粒，以達(dá)到強(qiáng)化電偶腐蝕、削弱第二相的腐蝕屏蔽作用，實(shí)現(xiàn)較高力學(xué)性能和降解速率，最終獲得低成本高強(qiáng)度快速降解鎂合金。

技術(shù)研發(fā)人員：王大為,姜相雙,王慧遠(yuǎn),查敏,陳長鑫,王珵,馬銀龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21