專利名稱：工程粉末壓塊復(fù)合材料的制作方法
工程粉末壓塊復(fù)合材料相關(guān)申請的交叉參考本申請要求2009年12月8日提交的美國專利申請序列號12/633，678(“ENGINEERED POWDER COMPACT COMPOSITE MATERIAL”)的提交日的權(quán)益。
背景技術(shù)：
石油和天然氣井常常利用井孔部件或工具，由于它們的功能只需要具有有限的使用壽命，該壽命顯著低于井的使用壽命。在完成部件或工具的使用功能后，必須將其去除或處置以便恢復(fù)流體通道用于包括油氣生產(chǎn)、CO2封存等的原始尺寸。常規(guī)通過將部件或工具碾磨或鉆孔進行離開井孔的部件或工具的處置，這通常是耗費時間和昂貴的操作。為了消除對碾磨或鉆進操作的需要，已經(jīng)提出通過使用各種井孔流體溶解可降解的聚乳酸聚合物進行部件或工具的去除。然而，這些聚合物通常在井孔的工作溫度范圍內(nèi)不具有表現(xiàn)出井孔部件或工具的功能所必要的機械強度、斷裂韌性和其它機械性能，因此其應(yīng)用受限。已提出其它可降解的材料,包括某些可降解的(degradable)金屬合金,該金屬合金由占主要份數(shù)的反應(yīng)性金屬(例如Al)連同占次要份數(shù)的其它合金成分形成，所述其它合金成分例如鎵、銦、鉍、錫和混合物及其組合，而不排除某些再熔合金化元素，例如鋅、銅、銀、鎘、鉛及其混合物與組合。這些材料可以通過熔化這些成分的粉末，然后凝固熔體形成合金而形成。它們也可以通過以上述量將反應(yīng)性金屬和其它合金成分的粉末混合物進行壓制、壓實、燒結(jié)等使用粉末冶金而形成。這些材料包括多種組合，這些組合利用它們可能不適合連同材料的降解釋放到環(huán)境中的金屬例如鉛、鎘等。此外，它們的形成可能涉及各種熔化現(xiàn)象，這些現(xiàn)象導(dǎo)致合金結(jié)構(gòu)由各自合金成分的相平衡和凝固特性支配，且可能不會導(dǎo)致最優(yōu)或期望的合金顯微組織、機械性能或溶解特性。因此，非常期望開發(fā)可以用于形成這樣的部件和工具的材料其具有表現(xiàn)出它們的預(yù)期功能所需的機械性能，然后使用井孔流體通過受控溶解從井孔將其去除。 發(fā)明概述公開了工程分散的顆粒一網(wǎng)狀(cellular)納米基質(zhì)復(fù)合材料。將工程分散的顆粒一網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料配置成與流體接觸，且配置成作為與流體接觸時間的函數(shù)從一種第一強度條件到低于工作強度閾值的第二強度條件，或從第一重量損失量到大于重量損失極限的第二重量損失量的可選性與可控性的轉(zhuǎn)變。


現(xiàn)在參考附圖，其中在多張圖中以類似的數(shù)字表示類似的元素圖I是如本文公開的粉末10的光學(xué)顯微照片，所述粉末已嵌入環(huán)氧樹脂樣品安裝材料中，且已剖開；圖2是粉末顆粒12的示例性實施方案的示意圖，正如它在圖I的2 — 2部分所代表的示例性截面視圖中所呈現(xiàn)的；
圖3是粉末顆粒12的第二示例性實施方案的示意圖，正如它在圖I的2 — 2部分所代表的第二示例性截面視圖中所呈現(xiàn)的；圖4是粉末顆粒12的第三示例性實施方案的示意圖，正如它在圖I的2 — 2部分所代表的第三示例性截面視圖中所呈現(xiàn)的；圖5是粉末顆粒12的第四示例性實施方案的示意圖，正如它在圖I的2 — 2部分所代表的第四示例性截面視圖中所呈現(xiàn)的；
圖6是如本文所公開的粉末的第二示例性實施方案的示意圖，所述粉末具有多峰分布的顆粒尺寸；圖7如本文所公開的粉末的第三示例性實施方案的示意圖，所述粉末具有多峰分布的顆粒尺寸；圖8是制造如本文所公開的粉末的方法的示例性實施方案的流程圖；圖9是如本文所公開的粉末壓塊的示例性實施方案的光學(xué)顯微照片；圖10是使用具有單層涂覆的粉末顆粒的粉末制造的圖9的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，正如它沿著截面10 - 10所呈現(xiàn)的；圖11是如本文所公開的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，其具有均勻的多峰分布的顆粒尺寸；圖12是如本文所公開的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，其具有不均勻的、多峰分布的顆粒尺寸；圖13是如本文所公開的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，其由第一粉末和第二種粉末形成，并具有均勻的多峰分布的顆粒尺寸；圖14是如本文所公開的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，其由第一粉末和第二種粉末形成，并具有非均勻的多峰分布的顆粒尺寸。圖15使用具有多層涂覆的粉末顆粒的粉末制造的圖9的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，正如它沿著截面10 - 10所呈現(xiàn)的；圖16是前體粉末壓塊的示例性實施方案的示意性橫截面圖；圖17是制備如本文所公開的粉末壓塊的方法的示例性實施方案的流程圖；圖18是描述用于粉末顆粒和粉末的顆粒芯部和金屬涂覆層的配置的表，這些粉末顆粒和粉末用來制備如本文所公開的測試用粉末壓塊的示例性實施方案；圖19是圖18的粉末壓塊在干燥和在含有3%KC1的水溶液中的抗壓強度的曲線；圖20是圖18的粉末壓塊在200° F和室溫下在含有3%KC1的水溶液中的腐蝕速度(ROC)的曲線；圖21是圖18的粉末壓塊在15%HC1中的ROC曲線；圖22是如本文所公開的粉末壓塊的性能變化與時間和粉末壓塊環(huán)境的條件變化的函數(shù)關(guān)系不意圖；圖23是由純Mg粉末形成的粉末壓塊的斷裂表面的顯微照片；圖24是如本文所公開的粉末金屬壓塊的示例性實施方案的斷裂表面的顯微照片；和圖25是粉末壓塊的抗壓強度與網(wǎng)狀納米基質(zhì)的成分(Al2O3)量的函數(shù)關(guān)系曲線。詳細說明
公開了輕重量、高強度的金屬材料，其可以用于各種應(yīng)用和應(yīng)用環(huán)境中，包括在各種井孔環(huán)境使用以制備各種可選性與可控性的可處置或可降解的輕重量、高強度井內(nèi)工具或其它井內(nèi)部件，以及用于耐用和可處置或可降解的制品的很多其它應(yīng)用。這些輕重量、高強度且可選性與可控性的可降解材料包括由涂覆的粉末材料形成的完全致密、燒結(jié)的粉末壓塊，所述涂覆的粉末材料包括各種輕重量的顆粒芯部和芯部材料，其具有各種單一層和多層納米級涂層。這些粉末壓塊由涂覆的金屬粉末制成，其包括各種電化學(xué)活性(例如具有相對較高標(biāo)準氧化勢)的輕重量、高強度的顆粒芯部和芯部材料，例如分散在由金屬涂覆材料的各種納米級金屬涂覆層形成的網(wǎng)狀納米基質(zhì)內(nèi)的電化學(xué)活性金屬，這些粉末壓塊在井孔應(yīng)用尤其有用。這些粉末壓塊提供機械強度性能例如抗抗壓強度和剪切強度、低密度和可選性與可控性的腐蝕性能，特別是在各種井孔流體中快速和受控溶解的獨特和有利的組合。例如，可以選擇這些粉末的涂覆層和顆粒芯部從而提供適用作高強度工程材料的燒結(jié)粉末壓塊，所述高強度工程材料具有的抗壓強度和剪切強度相當(dāng)于各種其它工程材料，包括碳鋼、不銹鋼和合金鋼，但也具有相當(dāng)于各種聚合物、彈性體、低密度多孔陶瓷和復(fù)合材料的低密度。作為另一個例子，可以配置這些粉末和粉末壓塊材料從而提供響應(yīng)于環(huán)境條件變化的可選性與可控性的降解或處置，例如響應(yīng)于由壓塊形成的制品附近的井孔的性能或條件的變化而從非常低的溶解速度轉(zhuǎn)變到非?？焖俚娜芙馑俣龋鲂阅芑驐l件的變化 包括與粉末壓塊接觸的井孔流體的性能變化。所描述的可選性與可控性的降解或處置特性還允許由這些材料制成的制品例如井孔工具或其它部件的尺寸穩(wěn)定性和強度得到保持，直到不再需要它們，此時可以使預(yù)定環(huán)境條件例如井孔的條件，包括井孔流體溫度、壓力或PH值改變以促進它們因快速溶解而移除。在下文進一步描述了這些涂覆的粉末材料和粉末壓塊以及由它們形成的工程材料，以及制備它們的方法。參考圖1-5，金屬粉末10包括多個金屬的、涂覆的粉末顆粒12?？梢孕纬煞勰╊w粒12以提供粉末10，包括自由流動的粉末，可以以具有可用于形成(fashion)前體粉末壓塊100 (圖16)和粉末壓塊200 (圖10-15)的所有形式的形狀和尺寸成型或造型(未顯示)的方式傾倒或以其它方式處置這些粉末，如本文所述，這些粉末壓塊可用作或用于制造各種制造廣品，包括各種井孔工具和部件。粉末10的每個金屬的、涂覆的粉末顆粒12包括顆粒芯部14和布置在顆粒芯部14上的金屬涂覆層16。顆粒芯部14包括芯部材料18。芯部材料18可以包括用于形成提供粉末顆粒12的顆粒芯部14的任何合適材料，可以將該粉末顆粒12進行燒結(jié)以形成具有可選性與可控性的溶解特性的輕重量、高強度燒結(jié)粉末壓塊200。合適的芯部材料包括標(biāo)準氧化勢大于或等于Zn的電化學(xué)活性金屬,包括如Mg、Al、Mn或Zn或其組合。這些電化學(xué)活性的金屬與一些常見的井孔流體具有高的反應(yīng)性，所述井孔流體包括許多離子流體或高度極性流體，例如包含各種氯化物的那些。例子包括包含氯化鉀(KCl)、鹽酸(HCl)、氯化鈣(CaCl2)、溴化I丐(CaBr2)或溴化鋅(ZnBr2)的流體。芯部材料18還可以包括比Zn電化學(xué)活性更低的其它金屬、或非金屬材料或其組合。合適的非金屬材料包括陶瓷、復(fù)合物、玻璃或碳，或其組合?？梢赃x擇芯部材料18從而提供在預(yù)定井孔流體中的高溶解速度，但也可以選擇芯部材料18從而提供相對低的溶解速度，包括零溶解，其中納米基質(zhì)材料的溶解導(dǎo)致顆粒芯部14迅速受到破壞并在與井孔流體的界面處從顆粒壓塊中釋放出來，使得使用這些芯部材料18的顆粒芯部14制成的顆粒壓塊的有效溶解速度是高的，即使芯部材料18顆粒本身可以具有低的溶解速度，包括可以基本不溶于井孔流體中的芯部材料20。關(guān)于作為芯部材料18的電化學(xué)活性金屬,包括Mg、Al、Mn或Zn,這些金屬可以以純金屬，或與彼此的任何組合的形式使用，包括這些材料的各種合金組合，包括這些材料的二元、三元或四元合金。這些組合還可以包括這些材料的復(fù)合物。此外，作為對彼此的組合的補充，Mg、Al、Mn或Zn芯部材料18還可以包括其它成分，包括各種合金化添加物，從而例如通過改善芯部材料18的強度、降低密度或改變?nèi)芙馓匦詠砀淖冾w粒芯部14的一種或多種性能。在電化學(xué)活性金屬中，Mg (要么以純金屬要么以合金要么以復(fù)合材料的形式)是特別有用的，這是因為它的低密度和形成高強度合金的能力，以及其高度的電化學(xué)活性，因為它具有比Al、Mn或Zn高的標(biāo)準氧化勢。Mg合金包括具有Mg作為合金成分的所有合金。如本文所述，結(jié)合其它電化學(xué)活性金屬作為合金成分的Mg合金是特別有用，包括二元Mg -Zn、Mg - Al和Mg - Mn合金，以及三元Mg — Zn — Y和Mg-Al-X合金，其中X包括Zn、Mn、SiXa或Y或其組合。這些Mg-Al-X合金可以包括按重量計至多約85%Mg、至多約15%A1和至多約5%X。顆粒芯部14和芯部材料18，特別是電化學(xué)活性金屬包括Mg、Al、Mn或Zn、或其 組合，還可以包括稀土元素或稀土元素的組合。本文所使用的稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd或Er或稀土元素的組合。當(dāng)存在時，稀土元素或稀土元素的組合可以以約5重量％或更少的量存在。顆粒芯部14和芯部材料18具有熔化溫度(Tp)。本文所使用的Tp包括在芯部材料18內(nèi)發(fā)生初期熔化或液化或其它形式的部分熔化的最低溫度，而不管芯部材料18是否包含純金屬、具有熔化溫度不同的多種相的合金或具有不同的熔化溫度的材料的復(fù)合物。顆粒芯部14可以具有任何合適的顆粒尺寸或顆粒尺寸的范圍或顆粒尺寸的分布。例如，可以選擇顆粒芯部14從而提供由在平均值或均值附近的正態(tài)或高斯型單峰分布所表示的平均顆粒尺寸，如圖I大體所示。在另一個例子中，可以選擇或混合顆粒芯部14以提供多峰分布的顆粒尺寸，包括多種平均顆粒芯部尺寸，例如均勻雙峰分布的平均顆粒尺寸，如圖6整體性和示意性地所示?？梢允褂妙w粒芯部尺寸分布的選擇來確定例如粉末10的顆粒12的顆粒尺寸和顆粒間的間距15。在示例性實施方案中，顆粒芯部14可以具有單峰分布和約5 μ m —約300 μ m,更特別是約80 μ m —約120 μ m,甚至更特別約100 μ m的平均顆粒直徑。顆粒芯部14可以具有任何合適的顆粒形狀，包括任何規(guī)則或不規(guī)則的幾何形狀或其組合。在示例性實施方案中，顆粒芯部14是基本球狀的電化學(xué)活性金屬顆粒。在另一個示例性實施方案中，顆粒芯部14是基本不規(guī)則形狀的陶瓷顆粒。在另一個示例性實施方案中，顆粒芯部14是碳的或其它的納米管的結(jié)構(gòu)或空心玻璃微球。粉末10的每個金屬的、涂覆的粉末顆粒12還包括布置在顆粒芯部14上的金屬涂覆層16。金屬涂覆層16包括金屬涂覆材料20。金屬涂覆材料20對粉末顆粒12和粉末10賦予其金屬性質(zhì)。金屬涂覆層16是納米級涂覆層。在示例性實施方案中，金屬涂覆層16可以具有約25nm —約2500nm的厚度。金屬涂覆層16的厚度可以在顆粒芯部14的表面上變化，但優(yōu)選在將顆粒芯部14的表面上具有基本均勻的厚度。金屬涂覆層16可以包括單一層，如圖2所示，或多個層作為多層涂覆結(jié)構(gòu)，如圖3-5對于最多四個層所示。在單一層涂層中，或在多層涂層的每個層中，金屬涂覆層16可以包括單一成分化學(xué)元素或化合物，或可以包括多種化學(xué)元素或化合物。在層包括多種化學(xué)成分或化合物時，它們可以具有均勻或不均勻分布的所有形式，包括金相的均勻或不均勻的分布方式。這可以包括漸變的(graded)分布，其中化學(xué)成分或化合物的相對數(shù)量根據(jù)跨層厚度的各自成分分布而變化。在單一層和多層涂覆層16中，每個各自層或它們的組合可以用于對粉末顆粒12或由此形成的燒結(jié)的粉末壓塊提供預(yù)定性能。例如，預(yù)定性能可以包括顆粒芯部14和涂覆材料20之間的冶金結(jié)合的結(jié)合強度；顆粒芯部14和金屬涂覆層16之間的相互擴散特性，包括多層涂覆層16的層之間的相互擴散特性；多層涂覆層16的各層之間的相互擴散特性；一個粉末顆粒的金屬涂覆層16和相鄰粉末顆粒12的金屬涂覆層16之間的相互擴散特性；相鄰的燒結(jié)粉末顆粒12的金屬涂覆層，包括多層涂覆層的最外層，之間的冶金結(jié)合的結(jié)合強度；和涂覆層16的電化學(xué)活性。金屬涂覆層16和涂覆材料20具有熔化溫度(Te)。本文所使用的T。包括在涂覆材料20內(nèi)發(fā)生初期熔化或液化或其它形式的部分熔化的最低溫度，而不管涂覆材料20是否包含純金屬、具有熔化溫度不同的多種相的合金或復(fù)合物，包括包含具有不同熔化溫度的多種涂覆材料層的復(fù)合物。
金屬涂覆材料20可以包括提供可燒結(jié)的外表面21的任何合適的金屬涂覆材料20，將其配置成要燒結(jié)到相鄰粉末顆粒12，該相鄰粉末顆粒也具有金屬涂覆層16和可燒結(jié)的外表面21。如本文所述，在也包括第二或額外(涂覆或未涂覆的)顆粒32的粉末10中，也將金屬涂覆層16的可燒結(jié)外表面21配置成可燒結(jié)的第二種顆粒32的外表面21。在示例性實施方案中，粉末顆粒12在作為芯部材料18和涂覆材料20的函數(shù)的預(yù)定燒結(jié)溫度(Ts)下是可燒結(jié)的，使得粉末燒結(jié)壓塊200的燒結(jié)完全在固態(tài)實現(xiàn)，且其中Ts小于Tp和T。。在固態(tài)的燒結(jié)將顆粒芯部14/金屬涂覆層16的相互作用限制為固態(tài)擴散過程和冶金傳輸現(xiàn)象，且限制了它們的生長，并提供了對它們之間的所得界面的控制。相比之下，例如，液相燒結(jié)的引入將提供顆粒芯部14/金屬涂覆層16材料的快速互擴散，并使得難以限制它們的生長和提供對它們之間的所得界面的控制，因而干擾顆粒壓塊200的所需顯微組織的形成，如本文所述。在示例性實施方案中，將選擇芯部材料18以提供芯部的化學(xué)組合物，和將選擇涂覆材料20以提供涂層的化學(xué)組合物，也將選擇這些化學(xué)組合物以彼此區(qū)別。在另一個示例性實施方案中，將選擇芯部材料18以提供芯部的化學(xué)組合物，且將選擇涂覆材料20以提供涂層的化學(xué)組合物，也將選擇這些化學(xué)組合物以在它們的界面處彼此區(qū)別。可以選擇涂覆材料20和芯部材料18的化學(xué)組成的差異以提供粉末壓塊的200不同溶解速度和可選性與可控性的溶解速度，該粉末壓塊納入它們使其可選性與可控性的可溶。這包括響應(yīng)于井孔中變化的條件包括井孔流體的直接或間接變化而不同的溶解速度。在示例性實施方案中，由粉末10形成的粉末壓塊200響應(yīng)于變化的井孔條件而可選性的可溶，所述變化的井孔條件包括溫度變化、壓力變化、流量變化、PH變化或井孔流體的化學(xué)組成的變化或其組合，該粉末10具有制成壓塊200的芯部材料18和涂覆材料20。響應(yīng)于變化條件的可選性溶解可以歸因于促進不同的溶解速度的實際化學(xué)反應(yīng)或工藝，但也包括與物理反應(yīng)或工藝相關(guān)的溶解響應(yīng)的變化，例如井孔流體壓力或流量的變化。在粉末10的示例性實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn、或其組合作為芯部材料18，且更特別可以包括純Mg及Mg合金，而金屬涂覆層16包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re、或Ni、或其氧化物、氮化物或碳化物或上述材料的任何組合作為涂覆材料20。在粉末10的另一個示例性實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn、或其組合作為芯部材料18，且更特別可以包括純Mg及Mg合金，而金屬涂覆層16包括Al或Ni、或其組合的單一層作為涂覆材料20，如圖2所示。在金屬涂覆層16包括兩種或更多種成分例如Al和Ni的組合時，該組合可以包括這些材料的各種漸變的或共沉積的結(jié)構(gòu)，其中每種成分的量以及因此該層的組成跨層的厚度變化，也如圖2所示。在另一個示例性實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn、或其組合作為芯部材料18，且更特別可以包括純Mg及Mg合金，而涂覆層16包括兩個層作為芯部材料20，如圖3所示。第一層22布置在顆粒芯部14的表面上，且包括Al或Ni、或其組合，如本文所述。第二層24布置在第一層的表面上，且包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其組合，且第一層具有的化學(xué)組成不同于第二層的化學(xué)組成。通常，選擇第一層22以提供到顆粒芯部14的強冶金結(jié)合，并限制顆粒芯部14和涂覆層16 (特別是第一層22) 之間的相互擴散?？梢赃x擇第二層24以提高金屬涂覆層16的強度，或提供強的冶金結(jié)合和促進與相鄰的粉末顆粒12的第二層24的燒結(jié)，或兩者。在示例性實施方案中，可以選擇金屬涂覆層16的各自層從而響應(yīng)于井孔包括井孔流體的性能變化而促進涂覆層16的可選性與可控性溶解，如本文所述。然而，這只是示例性，將理解，還可采用對于各層的其它選擇標(biāo)準。例如，可以選擇任何各自層從而響應(yīng)于井孔包括井孔流體的性能變化促進涂覆層16的可選性與可控性溶解，如本文所述。用于包含Mg的顆粒芯部14的兩層金屬涂覆層16的示例性實施方案包括包含Al/Ni和A1/W的第一 /第二層組合。在另一個實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn、或其組合作為芯部材料18，且更特別可以包括純Mg及Mg合金，而涂覆層16包括三個層，如圖4所示。第一層22布置于顆粒芯部14上，且可以包括Al或Ni、或其組合。第二層24布置于第一層22上，且可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re、或Ni、或其氧化物、氮化物或碳化物、或上述第二層材料的任何組合。第三層26布置于第二層24上，并可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或其組合。在三層配置中，相鄰層的組成是不同的，使得第一層的化學(xué)組成不同于第二層，第二層的化學(xué)組成不同于第三層。在示例性實施方案中，可以選擇第一層22以提供與顆粒芯部14的強冶金結(jié)合，并限制顆粒芯部14和涂覆層16 (特別是第一層22)之間的相互擴散。可以選擇第二層24以提高金屬涂覆層16的強度，或限制顆粒芯部14或第一層22與外部層或第三層26之間的相互擴散，或促進第三層26和第一層22之間的附著與強的冶金結(jié)合，或它們的任何組合。可以選擇第三層26以提供強的冶金結(jié)合和促進與相鄰的粉末顆粒12的第三層26的燒結(jié)。然而，這只是示例性，將理解，還可采用對于各層的其它選擇標(biāo)準。例如，可以選擇任何各自的層從而響應(yīng)于井孔包括井孔流體的性能變化促進涂覆層16的可選性與可控性溶解，如本文所述。用于包含Mg的顆粒芯部的三層涂覆層的示例性實施方案包括包含A1/A1203/A1的第一 /第二 /第三層的組合。在另一個實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn、或其組合作為芯部材料18，更特別可以包括純Mg和Mg合金，而涂覆層16包括四個層，如圖5所示。在四個層的配置中，第一層22可以包括Al或Ni、或其組合，如本文所述。第二層24可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、氮化物、碳化物、或上述第二層材料的組合。第三層26還可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、氮化物或碳化物、或上述第三層材料的組合。第四層28可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或其組合。在四個層的配置中，相鄰層的化學(xué)組成是不同的，使得第一層22的化學(xué)組成不同于第二層24的化學(xué)組成，第二層24的化學(xué)組成不同于第三層26的化學(xué)成，第三層26的化學(xué)組成不同于第四層28的化學(xué)組成。在示例性的實施方案中，各層的選擇將類似上文關(guān)于內(nèi)部(第一)和外部(第四)層描述的三個層的配置，而第二層和第三層可以用于提供增強的中間層附著力、整體金屬涂覆層16的強度、有限的中間層擴散或可選性與可控性的溶解、或其組合。然而，這僅僅是示例性的，將理解，也可以使用對于各層的其它選擇標(biāo)準。例如，可以選擇任何各自層從而響應(yīng)于井孔包括井孔流體的性能變化促進涂覆層16的可選性與可控性溶解，如本文所述。在多層配置中的各層厚度可以以任何方式分布各層之間，只要層厚度的總和提供納米級涂覆層16，包括如本文所述的層厚度。在一個實施方案中，第一層22和外部層(24，26，或28，取決于層數(shù))可以比存在的其它層更厚，這是因為在燒結(jié)粉末壓塊200期間期望提供足夠的材料來促進第一層22與顆粒芯部14的所需結(jié)合，或相鄰粉末顆粒12的外層的 彡口口 粉末10也可以包含散布在多個粉末顆粒12中的額外或第二種粉末30，如圖7所示。在示例性的實施方案中，第二種粉末30包括多個第二種粉末顆粒32。可以選擇這些第二種粉末顆粒32以改變由粉末10和第二種粉末30形成的粉末顆粒壓塊200的物理、化學(xué)、機械或其它性能、或這樣的性能的組合。在示例性的實施方案中，性能改變可以包括由粉末10和第二種粉末30形成的粉末壓塊200的抗壓強度的提高。在另一個示例性實施方案中，可以選擇第二種粉末30從而響應(yīng)于井孔包括井孔流體的性能變化促進在由粉末10和第二種粉末30形成的粉末壓塊200中的可選性與可控性溶解，如本文所述。第二種粉末顆粒32可以是未涂覆的或涂覆有金屬涂覆層36。當(dāng)?shù)玫酵扛矔r，包括單一層或多層涂層，第二種粉末顆粒32的涂覆層36可以包含相同的涂覆材料40作為粉末顆粒12的涂覆材料20，或涂覆材料40可以不同。第二種粉末顆粒32 (未涂覆的)或顆粒芯部34可以包括任何合適的材料以提供所需的好處，包括多種金屬。在示例性的實施方案中，當(dāng)使用包含Mg、AUMn或Zn、或其組合的涂覆的粉末顆粒12時，合適的第二種粉末顆粒32可以包括Ni、W、Cu、Co或Fe、或其組合。因為還將配置第二種粉末顆粒32用于在預(yù)定燒結(jié)溫度(Ts)下固態(tài)燒結(jié)至粉末顆粒12，所以顆粒芯部34將具有熔化溫度Tap，而任何涂覆層36將具有第二熔化溫度Ta。，其中Ts小于Tap和Ta。。還理解，第二種粉末30并不限于一種額外的粉末顆粒32類型(即第二種粉末顆粒)，而可以以任何數(shù)量包括多個額外的粉末顆粒32 (即，第二、第三、第四等類型的額外粉末顆粒32)。參考圖8，公開了制備金屬粉末10的方法300的示例性實施方案。方法300包括形成310如本文所述的多個顆粒芯部14。方法300還包括在多個顆粒芯部14的每一個上沉積320金屬涂覆層16。沉積320是由此將涂覆層16布置在顆粒芯部14上的過程，如本文所述。顆粒芯部14的形成310可以通過形成所需芯部材料18的多個顆粒芯部14的任何合適的方法進行，其主要包括形成芯部材料18的粉末的方法。形成合適粉末的方法包括機械方法；包括機加工、碾磨、沖擊和形成金屬粉末的其它機械方法；化學(xué)方法，包括化學(xué)分解、從液體或氣體析出、固-固反應(yīng)合成和其它化學(xué)粉末形成方法；霧化方法，包括氣體霧化、液體和水霧化、離心霧化、等離子體霧化和形成粉末的其它霧化方法；以及各種蒸發(fā)和冷凝的方法。在示例性實施方案中，可以使用霧化方法如真空噴射成形或惰性氣體噴射成形制造含Mg的顆粒芯部14?？梢允褂萌魏魏线m的沉積方法，包括各類薄膜沉積方法，例如化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積方法，在多個顆粒芯部14上進行金屬涂覆層16的沉積320。在示例性實施方案中，使用流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)進行金屬涂覆層16的沉積320。通過FBCVD沉積320金屬涂覆層16包括使作為涂覆介質(zhì)的反應(yīng)流體流過在合適條件下在反應(yīng)器容器中流化的顆粒芯部14的床，所述涂覆介質(zhì)包括所需的金屬涂覆材料20，所述合適條件包括溫度、壓力、流量條件等，足以引發(fā)涂覆介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生所需的金屬涂覆材料20，并引發(fā)其沉積在顆粒芯部14的表面上以形成涂覆的粉末顆粒12。所選的反應(yīng)流體將取決于所需的金屬涂覆材料20，且通常將包含包括要沉積的金屬材料的金屬有機化合物，例如四羰基鎳(Ni (C0)4)、六氟化鎢(WF6)和三乙基鋁(C6H15Al),該金屬有機化合物在載體流體例如氦或氬氣中傳輸。反應(yīng)性流體，包括載體流體，導(dǎo)致多個顆粒芯部14的至少一部分懸浮在流體中，由此使懸浮的顆粒芯部14的整個表面暴露于反應(yīng)流體，該反應(yīng)流體包括例如所需 的金屬有機成分，并使金屬涂覆材料20和涂覆層16沉積在顆粒芯部14的整個表面上，使得它們各自變成封閉的，形成具有金屬涂覆層16的涂覆顆粒12，如本文所述。還如本文所述，每個金屬涂覆層16可以包括多個涂覆層。通過如下方式可以將涂覆材料20沉積成多個層以形成多層金屬涂覆層16 :重復(fù)上文所述的沉積320步驟和改變330反應(yīng)流體從而為每個后續(xù)層提供所需的金屬涂覆材料20，其中在顆粒芯部14的外表面上沉積每個后續(xù)層，該顆粒芯部14已包括任何之前沉積的涂覆層或構(gòu)成金屬涂覆層16的層。各自層(例如22、24、26、28、等)的金屬涂覆材料20可以彼此不同，和可以通過使用不同反應(yīng)介質(zhì)提供差異，所述反應(yīng)介質(zhì)配置成在流化床反應(yīng)器中的顆粒芯部14上產(chǎn)生所需的金屬涂覆層16。如圖I和9所不，可以選擇顆粒芯部14和芯部材料18及金屬涂覆層16以及涂覆材料20從而提供粉末顆粒12與粉末10，為壓實和燒結(jié)而配置粉末10以提供輕重量(即具有相對低的密度)、高強度的粉末壓塊200，該粉末壓塊200響應(yīng)于井孔性能的變化可從井孔可選性與可控性的移除，包括可選性與可控性溶解于合適井孔流體中，包括如本文所公開的各種井孔流體。粉末壓塊200包括納米基質(zhì)材料220的基本連續(xù)、網(wǎng)狀納米基質(zhì)216，該納米基質(zhì)材料220具有遍及網(wǎng)狀納米基質(zhì)216分散的多個分散顆粒214。基本上連續(xù)的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216和由燒結(jié)的金屬涂覆層16形成的納米基質(zhì)材料220是通過多個粉末顆粒12的多個金屬涂覆層16的壓實與燒結(jié)形成的。納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成可以不同于涂覆材料20的化學(xué)組成，這是因為與本文所述的燒結(jié)相關(guān)的擴散效應(yīng)。粉末金屬壓塊200還包括多個分散顆粒214，所述分散顆粒214包含顆粒芯部材料218。分散的顆粒芯部214和芯部材料218對應(yīng)于多個顆粒芯部14和多個粉末顆粒12的芯部材料18，并由多個顆粒芯部14和多個粉末顆粒12的芯部材料18形成，因為金屬涂覆層16燒結(jié)在一起形成納米基質(zhì)216。芯部材料218的化學(xué)組成可以不同于與芯部材料18的化學(xué)組成，這是因為與本文所述的燒結(jié)相關(guān)的擴散效應(yīng)。本文所使用的術(shù)語基本連續(xù)的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216不表示粉末壓塊的主要成分，而是意指一種或多種次要成分，不論以重量計或體積計。這區(qū)別于其中基質(zhì)包含主要組分(以重量計或體積計)的大多數(shù)基質(zhì)復(fù)合材料。使用術(shù)語基本連續(xù)的、網(wǎng)狀納米基質(zhì)旨在描述納米基質(zhì)材料220在粉末壓塊200內(nèi)的擴展的、規(guī)則的、連續(xù)的和相互連接的分布性質(zhì)。本文所使用的"基本連續(xù)的"描述納米基質(zhì)材料遍及粉末壓塊200的擴展，使得它在基本所有分散的顆粒214之間擴展和包封基本所有分散的顆粒214。使用基本連續(xù)表示完整連續(xù)性，且不需要每個分散顆粒214周圍的納米基質(zhì)的規(guī)則順序。例如，在一些粉末顆粒12上的顆粒芯部14上方的涂覆層16中的缺陷可以在粉末壓塊200的燒結(jié)期間導(dǎo)致顆粒芯部14的橋接，由此在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216內(nèi)導(dǎo)致局部不連續(xù)性，即使在粉末壓塊的其它部分中納米基質(zhì)是基本連續(xù)的，且展現(xiàn)出如本文所描述的結(jié)構(gòu)。本文所使用的"網(wǎng)狀"用來表示納米基質(zhì)限定納米基質(zhì)材料220的整體重復(fù)、相互連接的隔室或單兀的網(wǎng)絡(luò)，該納米基質(zhì)材料220包圍分散的顆粒214且還與分散的顆粒214相互連接。本文所使用〃納米基質(zhì)〃用來描述基質(zhì)的尺寸或尺度，尤其是相鄰分散顆粒214之間的基質(zhì)厚度。燒結(jié)在一起以形成納米基質(zhì)的金屬涂覆層本身是納米級厚度涂覆層。由于納米基質(zhì)在超過兩個分散的顆粒214的相交處之外的大多數(shù)位置處通常包含來自具有納米級厚度的相鄰粉末顆粒12的兩個涂覆層16的相互擴散和結(jié)合，因此形成的基質(zhì)也具有納米級厚度(例如大約兩倍的涂覆層厚度，如本文所述)，并因此描述為納米基質(zhì)。此外，使用術(shù)語分散的顆粒214不表示粉末壓塊 200的次要成分，而是意指一種或多種主要成分，不論以重量或體積計。使用術(shù)語分散的顆粒旨在表達顆粒芯部材料218在粉末壓塊200內(nèi)的不連續(xù)和離散的分布。粉末壓塊200可以具有任何所需的形狀和尺寸，包括柱形坯體或棒材的形狀和尺寸，可將其機加工或以其它方式用于形成有用的制造產(chǎn)品，包括各種井孔工具和部件。用于形成前體粉末壓塊100的壓制和用于形成粉末壓塊200并使粉末顆粒12變形的燒結(jié)與壓制工藝提供粉末壓塊200及其顯微組織的完全密度以及所需的宏觀形狀和尺寸，所述粉末顆粒12包括顆粒芯部14和涂覆層16。粉末壓塊200的顯微組織包括分散的顆粒214的等軸(equiaxed)配置，所述分散的顆粒214遍及燒結(jié)的涂覆層的基本連續(xù)、網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中分散，且嵌入在燒結(jié)的涂覆層的基本連續(xù)、網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中。此顯微組織有些類似于具有連續(xù)晶界相的等軸晶粒的顯微組織，但它不需要使用具有能夠生產(chǎn)這種組織的熱動力學(xué)相平衡性能的合金成分。相反地，可以使用其中熱機械相平衡條件不會產(chǎn)生等軸狀組織的成分來產(chǎn)生此等軸分散的顆粒組織和燒結(jié)的金屬涂覆層16的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216。分散的顆粒214的等軸形態(tài)和顆粒層的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)216來源于粉末顆粒12的燒結(jié)和變形，因為將它們壓實并相互擴散和變形以填充顆粒間的間距15 (圖I)?？梢赃x擇燒結(jié)溫度和壓力以確保粉末壓塊200的密度達到基本完全理論密度。在如圖I和9所示的示例性實施方案中，由分散在燒結(jié)的金屬涂覆層16的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中的顆粒芯部14形成分散的顆粒214，且納米基質(zhì)216包括在分散顆粒214之間遍及網(wǎng)狀納米基質(zhì)216擴展的固態(tài)冶金結(jié)合217或結(jié)合層219，如圖10中所示，所述固態(tài)冶金結(jié)合217或結(jié)合層219在燒結(jié)溫度(Ts)形成，其中Ts小于Tc和TP。如所示，通過由相鄰粉末顆粒12的涂覆層16之間的固態(tài)相互擴散以固態(tài)形成固態(tài)冶金結(jié)合217，將所述粉末顆粒12在用于形成粉末壓塊200的壓實和燒結(jié)過程中壓實至接觸性接觸，如本文所述。這樣，網(wǎng)狀納米基質(zhì)216的燒結(jié)涂覆層16包括固態(tài)結(jié)合層219，該固態(tài)結(jié)合層的厚度⑴由涂覆層16的涂覆材料20的相互擴散的程度限定，這進而由沉積層16的性質(zhì)限定，包括它們是單一涂覆層還是多層涂覆層，是否已選擇它們來促進或限制這樣的相互擴散，和如本文所述的其它因素，以及燒結(jié)和壓實的條件，包括用于形成粉末壓塊200的燒結(jié)時間、溫度和壓力。隨著形成納米基質(zhì)216，包括結(jié)合217和結(jié)合層219，金屬涂覆層16的化學(xué)組成和/或相分布可變化。納米基質(zhì)216也具有熔化溫度(Tm)。本文使用的Tm包括在納米基質(zhì)216內(nèi)發(fā)生初期熔化或液化或其它形式的部分熔化的最低溫度，而不管納米基質(zhì)材料220是否包含純金屬、具有熔化溫度不同的多種相的合金或復(fù)合物，包括包含具有不同熔化溫度的各種涂覆材料的多個層的復(fù)合物，或其組合，或其它。由于連同納米基質(zhì)216形成分散的顆粒214和顆粒芯部材料218，因此金屬涂覆層16的成分也可擴散到顆粒芯部14中，這可導(dǎo)致顆粒芯部14的化學(xué)組成或相分布或兩者的變化。因此，分散的顆粒214和顆粒芯部材料218可以具有不同于Tp的熔化溫度(Tdp)。本文所使用Tdp包括在分散的顆粒214內(nèi)發(fā)生初期熔化或液化或其它形式的部分熔化的最低溫度，而不管顆粒芯部材料218是否包含純金屬、具有熔化溫度不同的多種相的合金或復(fù)合物，或其它。在燒結(jié)溫度(Ts)形成粉末壓塊200，其中 Ts 小于 Tc、TP、Tm 和 Tdp。
盡管由于如本文所述的擴散效應(yīng)，分散的顆粒214的化學(xué)組成可以不同，但分散的顆粒214可以包含本文對于顆粒芯部14所描述的任何材料。在示例性實施方案中，分散的顆粒214由顆粒芯部14形成，該顆粒芯部包含標(biāo)準氧化勢大于或等于Zn的材料，包括Mg、Al、Zn或Mn、或其組合，可以包括各種二元、三元和四元合金，或本文所公開的這些成分的組合，連同顆粒芯部14。在這些材料中，具有由本文所述的金屬涂覆材料16形成的納米基質(zhì)216和含Mg的分散顆粒214的那些材料是特別有用的。分散的顆粒214和Mg、Al、Zn或Mn或其組合的顆粒芯部材料218還可以包括如本文所公開的稀土元素或稀土元素的組合，連同顆粒芯部14。在另一個示例性實施方案中，分散的顆粒214由顆粒芯部14形成，所述顆粒芯部14包含比Zn電化學(xué)活性低的金屬或非金屬材料。合適的非金屬材料包括陶瓷、玻璃(例如空心玻璃微球)或碳或其組合，如本文所述。粉末壓塊200的分散顆粒214可以具有任何合適的顆粒尺寸，包括本文對于顆粒芯部14所描述的平均顆粒尺寸。取決于對顆粒芯部14和粉末顆粒12所選擇的形狀，以及用于燒結(jié)和壓實粉末10的方法，分散顆粒214可以具有任何適合的形狀。在示例性實施方案中，粉末顆粒12可以是球形或基本球形的，而分散顆粒214可以包括如本文所述的等軸顆粒配置。分散顆粒214的分散性質(zhì)可受到用來制造顆粒壓塊200的一種粉末10或多種粉末10的選擇的影響。在一個示例性實施方案中，可以選擇具有單峰分布的粉末顆粒12尺寸的粉末10以形成粉末壓塊200，且在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216內(nèi)會產(chǎn)生基本均勻的單峰分散的顆粒尺寸的分散顆粒214，如圖9大體所示。在另一個示例性實施方案中，可以選擇具有多個粉末顆粒的多種粉末10并如本文所述均勻混合以提供具有均勻、多峰分布的粉末顆粒12尺寸的粉末10，且所述粉末10可以用于形成具有在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216內(nèi)均勻、多峰分散的顆粒尺寸的分散顆粒214的粉末壓塊200，如圖6和11所示，所述多個粉末顆粒具有顆粒芯部14，所述顆粒芯部14具有相同的芯部材料18和不同的芯部尺寸和相同的涂覆材料20。類似地，在另一個示例性實施方案中，可以選擇具有多種顆粒芯部14的多種粉末10并將其以非均勻方式分布從而提供非均勻、多峰分布的粉末顆粒尺寸，并可以用來形成在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216內(nèi)具有非均勻、多峰分散性顆粒尺寸的分散顆粒214的粉末壓塊200，如圖12示意地所示，所述多種顆粒芯部14可以具有相同的芯部材料18和不同的芯部尺寸和相同的涂覆材料20?？梢允褂妙w粒芯部尺寸的分布的選擇來確定例如由粉末10制成的粉末壓塊200的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216內(nèi)的分散顆粒214的顆粒間間距和顆粒尺寸。如圖7和13大體所示，也可以使用涂覆的金屬粉末10和如本文所述的額外或第二種粉末30形成粉末壓塊200。使用額外的粉末30提供了還包括多個分散的第二種顆粒234的粉末壓塊200，所述第二種顆粒234分散在納米基質(zhì)216內(nèi)，且還關(guān)于分散顆粒214分散。如本文所述，還可以由涂覆或未涂覆的第二種粉末顆粒32形成分散的第二種顆粒234。在示例性實施方案中，涂覆的第二種粉末顆粒32可以涂覆有與粉末顆粒12的涂覆層16相同的涂覆層36，使得涂覆層36也有助于納米基質(zhì)216。在另一個示例性實施方案中，第二種粉末顆粒232可以是未涂覆的，使得分散的第二種顆粒234嵌入納米基質(zhì)216中。如本文所公開，可以混合粉末10和額外粉末30從而形成均勻分散的分散顆粒214和分散的第二種顆粒234，如圖13所示，或形成非均勻分散的這些顆粒，如圖14所示。可以由不同于粉末10的任何合適的額外粉末30形成分散的第二種顆粒234，這是因為顆粒芯部34或涂覆層36或它們兩個中的組成差別，并可以包括本文對用作第二種粉末30所公開的任何材 料，該第二種粉末30不同于選擇用于形成粉末壓塊200的粉末10。在示例性實施方案中，分散的第二種顆粒234可以包括Fe、Ni、Co、或Cu、或其氧化物、氮化物或碳化物或任何上述材料的組合。納米基質(zhì)216是彼此燒結(jié)的金屬涂覆層16的基本連續(xù)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。納米基質(zhì)216的厚度取決于用于形成粉末壓塊200的一種粉末10或多種粉末10的性質(zhì)，以及任何第二種粉末30的納入，特別是與這些顆粒相關(guān)的涂覆層的厚度。在示例性實施方案中，納米基質(zhì)216的厚度遍及粉末壓塊200的顯微組織是基本均勻的，且包含粉末顆粒12的涂覆層16的厚度的兩倍。在另一個示例性實施方案中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)216在分散顆粒214之間具有約50nm至約5000nm的基本均勻的平均厚度。納米基質(zhì)216是通過相互擴散并產(chǎn)生結(jié)合層219通過彼此燒結(jié)相鄰顆粒的金屬涂覆層16形成的，如本文所述。金屬涂覆層16可以是單一層或多層結(jié)構(gòu)，且可以選擇它們以促進和/或抑制在層內(nèi)或金屬涂覆層16的層之間，或金屬涂覆層16與顆粒芯部14之間，或金屬涂覆層16與相鄰粉末顆粒的金屬涂覆層16之間的擴散，在燒結(jié)期間金屬涂覆層16的相互擴散的程度可以是有限的或廣泛的，這取決于所選的涂層厚度、所選的一種或多種涂覆材料、燒結(jié)條件和其它因素?？紤]到成分的相互擴散和相互作用的潛在復(fù)雜性，對所得納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成的描述可簡單理解為涂覆層16的成分的組合，其還可以包括分散顆粒214的一種或多種成分，這取決于發(fā)生在分散的顆粒214和納米基質(zhì)216之間的相互擴散(如果有)的程度。類似地，分散的顆粒214和顆粒芯部材料218的化學(xué)組成可以簡單理解為顆粒芯部14的成分的組合，其還可以包括納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的一種或多種成分，這取決于發(fā)生在分散顆粒214和納米基質(zhì)216之間的相互擴散(如果有)的程度。在示例性實施方案中，納米基質(zhì)材料220具有一種化學(xué)組成，顆粒芯部材料218的化學(xué)組成不同于納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成，且可以配置化學(xué)組成的差異從而響應(yīng)于壓塊200附近的井孔的性能或條件的變化，包括與粉末壓塊200接觸的井孔流體的性能變化而提供可選性與可控性溶解速度，包括從極低的溶解速度到非?？焖俚娜芙馑俣鹊目蛇x擇性轉(zhuǎn)變?？梢杂删哂袉我粚雍投鄬油扛矊?6的粉末顆粒12形成納米基質(zhì)216。這種設(shè)計靈活性提供了大量的材料組合，特別是在多層涂覆層16的情形中，該靈活性可以通過控制給定層內(nèi)以及涂覆層16和與之相關(guān)的顆粒芯部14或相鄰粉末顆粒12的涂覆層16之間的涂覆層成分的相互作用來調(diào)節(jié)網(wǎng)狀納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的組成。在下文提供了證明這種靈活性的幾個示例性實施方案。如圖10所示，在示例性的實施方案中，由其中涂覆層16包含單一層的粉末顆粒12形成粉末壓塊200，在多個分散的顆粒214的相鄰顆粒之間所得到的納米基質(zhì)216包含一種粉末顆粒12的單一金屬涂覆層16、結(jié)合層219和另一種相鄰粉末顆粒12的單一涂覆層16。結(jié)合層219的厚度⑴由單一金屬涂覆層16之間的相互擴散的程度決定，并可以包圍納米基質(zhì)216的整個厚度或僅其一部分。在使用單一層粉末10形成的粉末壓塊200的示例性實施方案中，粉末壓塊200可以包括分散的顆粒214，所述分散的顆粒214包含Mg、Al、Zn或Mn、或其組合，如本文所述，而所述納米基質(zhì)216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S i、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、碳化物或氮化物或任何上述材料的組合，包括這樣的組合其中網(wǎng)狀納米基質(zhì)216的納米基質(zhì)材料220，包括結(jié)合層219，具有一種化學(xué)組成，而分散的顆粒214的芯部材料218的化學(xué)組成不同于納米基質(zhì)材料216的化學(xué)組成?？梢允褂眉{米基質(zhì)材料220和芯部材料218的化學(xué)組成的差異來提供響應(yīng)于井孔包括井孔流體的性能變化的可選性與可控性的溶解，如本文所述。在由具有單一涂覆層配置的粉末10形成的粉末壓塊200的其它示例性實施方案中，分散顆粒214包括Mg、Al、Zn或Mn、或其組合，而網(wǎng)狀納米基質(zhì)216包括Al或Ni、或其組合。如圖15所示，在另一個示例性實施方案中，由其中涂覆層16包含多層涂覆層16(其具有多個涂覆層)的粉末顆粒12形成粉末壓塊200，且多個分散顆粒214的相鄰顆粒之間的所得納米基質(zhì)216包含多個層(t)，所述多個層(t)包含一種顆粒12的涂覆層16、結(jié)合層219、以及包含另一種粉末顆粒12的涂覆層16的多個層。在圖15中以兩層金屬涂覆層16對此進行說明，但將會理解，多層金屬涂覆層16的多個層可以包括任何所需的層數(shù)。結(jié)合層219的厚度(t)也由各自涂覆層16的多個層之間的相互擴散的程度決定，并可以包圍納米基質(zhì)216的整個厚度或僅其任何部分。在此實施方案中，可以將包含每個涂覆層16的多個層用于控制相互擴散和結(jié)合層219的形成以及厚度(t)。在使用具有多層涂覆層16的粉末顆粒12制成的粉末壓塊200的一個示例性實施方案中，所述壓塊包括分散的顆粒214，該分散的顆粒214包含Mg、Al、Zn或Mn、或其組合，如本文所述，且所述納米基質(zhì)216包含燒結(jié)的兩層涂覆層16的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，該兩層涂覆層16包含布置在分散的顆粒214上的第一層22和布置在第一層22上的第二層24。第一層22包括Al或Ni、或其組合，而第二層24包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其組合。在這些配置中，選擇用于形成納米基質(zhì)216的分散的顆粒214和多層涂覆層16的材料，使得相鄰材料的化學(xué)組成是不同的(例如分散的顆粒/第一層和第一層/第二層)。在使用具有多層涂覆層16的粉末顆粒12制成的粉末壓塊200的另一個示例性實施方案中，所述壓塊包括分散的顆粒214，該分散的顆粒214包含Mg、Al、Zn或Mn、或其組合，如本文所述，且所述納米基質(zhì)216包含燒結(jié)的三層金屬涂覆層16的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，該三層涂覆層16包含布置在分散的顆粒214上的第一層22、布置在第一層22上的第二層24和布置在第二層24上的第三層26。第一層22包括Al或Ni、或其組合；第二層24包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、氮化物或碳化物，或任何上述第二層材料的組合；第三層包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其組合。材料的選擇類似于本文對于使用兩層涂覆層粉末制成的粉末壓塊200所述的選擇考慮，但還必須擴展到包括用于第三涂覆層的材料。在使用具有多層涂覆層16的粉末顆粒12制成的粉末壓塊200的另一個示例性實施方案中，所述壓塊包括分散的顆粒214，該分散的顆粒214包含Mg、Al、Zn或Mn、或其組合，如本文所述，且所述納米基質(zhì)216包含燒結(jié)的四層金屬涂覆層16的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，該四層涂覆層16包含布置在分散的顆粒214上的第一層22 ;布置在第一層22上的第二層24 ;布置在第二層24上的第三層26和布置在第三層26上的第四層28。第一層22包括Al或Ni、或其組合；第二層 24 包括 Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re 或 Ni、或其氧化物、氮化物或碳化物，或任何上述第二層材料的組合；第三層包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、氮化物或碳化物，或任何上述第三層材料的組合；且第四層包含Al、Mn、Fe、Co或Ni、或其組合。材料的選擇類似于本文對于使用兩層涂覆層 粉末制成的粉末壓塊200所述的選擇考慮，但還必須擴展到包括用于第三和第四涂覆層的材料。在粉末壓塊200的另一個示例性實施方案中，分散的顆粒214包含標(biāo)準氧化勢小于Zn的金屬或非金屬材料，或其組合，如本文所述，且納米基質(zhì)216包含燒結(jié)的金屬涂覆層16的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。合適的非金屬材料包括各種陶瓷、玻璃或各種形式的碳或其組合。此外，在包括包含這些金屬或非金屬材料的分散顆粒214的粉末壓塊200中，納米基質(zhì)216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、碳化物或氮化物，或作為納米基質(zhì)材料220的任何上述材料的組合。參考圖16，燒結(jié)的粉末壓塊200可以包含燒結(jié)的前體粉末壓塊100，該前體粉末壓塊100包括如本文所述的多個變形的、機械結(jié)合的粉末顆粒?？梢酝ㄟ^如下方式形成前體粉末壓塊100 :將粉末10壓實到粉末顆粒12彼此壓入的程度，由使它們變形并形成顆粒間的機械或其它結(jié)合110，該結(jié)合與該變形相關(guān)，足以導(dǎo)致變形的粉末顆粒12彼此粘合并形成具有生坯密度的生坯狀態(tài)的粉末壓塊，該生坯密度小于粉末10的完全致密壓塊的理論密度，這部分是因為顆粒間的間距15。可以通過例如在室溫下等靜壓粉末10以提供形成前體粉末顆粒壓塊100所需的粉末顆粒12的變形和顆粒間結(jié)合來進行壓實。燒結(jié)并鍛壓的(forged)粉末壓塊200展示出了例示如本文所公開的輕重量、高強度材料的機械強度和低密度的優(yōu)異組合，如本文所述的該粉末壓塊200包括含Mg的分散顆粒214和包含各種納米基質(zhì)材料的納米基質(zhì)216。在圖18的表中列出了粉末壓塊200的例子，所述粉末壓塊具有純Mg分散顆粒214和由具有純Mg顆粒芯部14的粉末10形成的各種納米基質(zhì)216以及各種單一或多層金屬涂覆層16，所述涂覆層包括Al、Ni、W或A1203、或其組合，所述粉末壓塊使用本文公開的方法400制成。使這些粉末壓塊200經(jīng)受各種機械測試和其它測試，包括密度測試，且對它們的溶解和機械性能劣化行為也進行表征，如本文所公開的。結(jié)果表明可以將這些材料配置成提供從極低腐蝕速度到極高腐蝕速度的寬范圍的可選性與可控性的腐蝕或溶解行為，尤其是比沒有納入網(wǎng)狀納米基質(zhì)的粉末壓塊更低和更高的腐蝕速度，沒有納入網(wǎng)狀納米基質(zhì)的粉末壓塊例如由純Mg粉末通過與在本文所述的包括各種網(wǎng)狀納米基質(zhì)中包括純Mg分散顆粒的壓塊相同的壓實和燒結(jié)工藝形成的壓塊。還可以將這些粉末壓塊200配置成提供顯著增強的性能，相對于由不包括本文描述的納米級涂層的純Mg顆粒所形成的粉末壓塊而言。例如參考圖18和19，如本文所述的包括含Mg的分散顆粒214和包含各種納米基質(zhì)材料220的納米基質(zhì)216的粉末壓塊200展示出了至少約37ksi的室溫抗壓強度，并進一步展示出在干燥和浸入200° F的3%KC1溶液中超過約50ksi的室溫抗壓強度。相比之下，由純Mg粉末形成的粉末壓塊具有約20ksi以下的室溫抗壓強度。納米基質(zhì)粉末壓塊200可以通過優(yōu)化粉末10得到進一步改善，特別是用于形成網(wǎng)狀納米基質(zhì)216的納米級金屬涂覆層16的重量百分數(shù)。例如，圖25顯示氧化鋁涂層的不同重量百分比(wt. %)即厚度對于由涂覆的粉末顆粒12形成的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216的粉末壓塊200的室溫抗壓強度的影響，其中所述涂覆的粉末顆粒12包括純Mg顆粒芯部14上的多層(A1/A1203/A1)金屬涂覆層16。在此例子中，優(yōu)化強度是在4重量％的氧化鋁處實現(xiàn)的，這代表了相比0重量％氧化鋁的21%的增長。
如本文所述的包含分散顆粒214和納米基質(zhì)216的粉末壓塊200還展示出至少約20ksi的室溫剪切強度，所述分散顆粒214包括Mg，而納米基質(zhì)216包括各種納米基質(zhì)材料。這與具有約Sksi的室溫剪切強度的由純Mg粉末形成的粉末壓塊形成對比。本文所公開類型的粉末壓塊200能夠?qū)崿F(xiàn)與基于粉末10的組成的壓塊材料的預(yù)定理論密度基本相等的實際密度，該粉末10的組成包括顆粒芯部14和金屬涂覆層16的相對數(shù)量的成分，且本文將其描述成完全致密的粉末壓塊。如本文所述的包含分散顆粒和納米基質(zhì)216的粉末壓塊200展示出約I. 738g/cm3 一約2. 50g/cm3的實際密度，這基本與預(yù)定理論密度相等，與預(yù)定理論密度相差至多4%，其中所述分散顆粒包括Mg，而納米基質(zhì)216包括各種納米基質(zhì)材料。可以將如本文公開的粉末壓塊200配置成響應(yīng)于井孔中的改變條件而可選性與可控性地可溶于井孔流體中?？捎糜谔峁┛蛇x性與可控性的溶解度的改變條件的例子包括溫度變化、壓力變化、流量變化、井孔流體的PH變化或化學(xué)組成變化，或其組合。包括溫度變化的改變條件的例子包括井孔流體的溫度變化。例如，參考圖18和20，包含如本文所述的包括Mg的分散顆粒214和包括各種納米基質(zhì)材料的納米基質(zhì)216的粉末壓塊200在室溫下在3%KC1溶液中具有約0 —約llmg/cm2/hr的相對低的腐蝕速度，相對于在200° F約I 一約246mg/cm2/hr的相對高的腐蝕速度而言,這取決于不同的納米級涂覆層16。包括化學(xué)組成變化的改變條件的例子包括井孔流體的氯離子濃度或PH值變化，或兩者。例如，參考圖18和21，包含如本文所述的包括Mg的分散顆粒214和包括各種納米級涂層的納米基質(zhì)216的粉末壓塊200在15%HC1中展示出約4750mg/cm2/hr-約7432mg/cm2/hr的腐蝕速度。因此，可以使用可選性與可控性的溶解度實現(xiàn)如圖22所示的特征響應(yīng)，該可選性與可控性的溶解度響應(yīng)于井孔的改變條件即從KCl到HCl的井孔流體化學(xué)組成的變化，該圖22說明了在所選的預(yù)定臨界使用時間(CST)下，隨著將粉末壓塊200用于給定應(yīng)用中，例如井孔環(huán)境，可以將改變的條件施加于粉末壓塊200，這引起粉末壓塊200響應(yīng)于其所應(yīng)用的環(huán)境中的改變條件的可控變化。例如，在預(yù)定CST下，將與粉末壓塊200接觸的井孔流體從第一流體(例如KCl)改變到第二井孔流體(例如HCl)，所述第一流體提供作為時間函數(shù)的第一腐蝕速度和相關(guān)的重量損失或強度，所述第二井孔流體提供作為時間函數(shù)的第二腐蝕速度和相關(guān)的重量損失和強度，其中與第一流體相關(guān)的腐蝕速度顯著小于與第二流體相關(guān)的腐蝕速度。例如，可以使用對于井孔流體條件的變化的這種特征響應(yīng)將臨界使用時間與用于特定應(yīng)用的尺度損失極限或最低強度關(guān)聯(lián)，使得當(dāng)由如本文所公開的粉末壓塊200形成的井孔工具或部件不再需要在井孔中使用(例如CST)時，井孔(例如井孔流體的氯離子濃度)中的條件可以改變以導(dǎo)致粉末壓塊200的快速溶解及其從井孔去除。在上述的例子中，粉末壓塊200以約0 —約7000mg/cm2/hr的速度可選性地可溶。這一系列的響應(yīng)例如提供這樣的能力通過在不到一小時中改變井孔流體從井孔去除由這種材料形成的3英寸直徑球。上述的可選性與可控性的溶解度行為與本文所述的優(yōu)異強度和低密度性能結(jié)合定義了一種新設(shè)計的分散的顆粒一納米基質(zhì)材料，該納米基質(zhì)材料配置為與流體接觸并配置成作為與流體接觸時間的函數(shù)從一種第一強度條件到低于工作強度閾值的第二強度條件，或從第一重量損失量到大于重量損失極限的第二重量損失量的可選性與可控性的轉(zhuǎn)變。分散的顆粒一納米基質(zhì)復(fù)合物是本文描述的粉末壓塊200的特性，并包括納米基質(zhì)材料220的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216、包括分散在基質(zhì)中的顆粒芯部材料218的多個顆粒214。納米基質(zhì)216的特征是遍及納米基質(zhì)擴展的固態(tài)結(jié)合層219。與上文所述的流體接觸的時間可以包括如上文所述的CST。CST可以包括溶解與流體接觸的粉末壓塊200的預(yù)定部分所期望或需要的預(yù)定時間。CST還可以包括對應(yīng)于工程材料或流體的性能、或其組合的變化的時間。在工程 材料的性能變化的情形中，該變化可以包括工程材料的溫度變化。在存在流體的性能變化的情形中，該變化可以包括流體的溫度、壓力、流量、化學(xué)組成或PH值或其組合的變化?？梢哉{(diào)節(jié)工程材料與工程材料或流體的性能或其組合的變化從而提供所需的CST響應(yīng)特性，包括在CST之前(例如階段I)和CST之后(例如階段2)的特定性能(例如，重量損失、強度損失)的變化速度，如圖22所示。參考圖17，制備粉末壓塊200的方法400。方法400包括形成410包含粉末顆粒12的涂覆的金屬粉末10，所述粉末顆粒12具有顆粒芯部14以及布置于其上的納米級金屬涂覆層16，其中金屬涂覆層16具有一種化學(xué)組成，且顆粒芯部14的化學(xué)組成不同于金屬涂覆材料16的化學(xué)組成。方法400還包括通過如下方式形成420粉末壓塊對涂覆的粉末顆粒施加預(yù)定溫度和預(yù)定壓力以形成納米基質(zhì)材料220的基本上連續(xù)的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216和分散在如本文所述的納米基質(zhì)216中的多個分散的顆粒214，所述預(yù)定溫度和預(yù)定壓力足以通過固相燒結(jié)將它們燒結(jié)，所述固相燒結(jié)為多個涂覆的顆粒粉末12的涂覆的層的固相
紅彡口 涂覆的金屬粉末10的形成410可以通過任何合適的方法進行，該涂覆的金屬粉末10包含粉末顆粒12以及布置于其上的納米級金屬涂覆層16，該粉末顆粒12具有顆粒芯部14。在示例性實施方案中，形成410包括使用如本文所述的流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)將如本文所述的金屬涂覆層16施加到如本文所述的顆粒芯部14。施加金屬涂覆層16可以包括施加如本文所述的單層金屬涂覆層16或多層金屬涂覆層16。施加金屬涂覆層16還可以包括在施加單個層時控制其厚度，以及控制金屬涂覆層16的總體厚度?？梢匀绫疚乃鲂纬深w粒芯部14。粉末壓塊200的形成420可以包括形成粉末10的完全致密壓塊的任何合適的方法。在示例性實施方案中，形成420包括動態(tài)鍛壓生坯密度的前體粉末壓塊100從而施加足以燒結(jié)和變形粉末顆粒的預(yù)定溫度和預(yù)定壓力，并形成如本文所述的完全致密的納米基質(zhì)216和分散顆粒214。如本文使用的動態(tài)鍛壓意指動態(tài)施加負載，其溫度和持續(xù)時間足以促進相鄰粉末顆粒12的金屬涂覆層16的燒結(jié)，并可以優(yōu)選包括在預(yù)定負載速度下，在一定溫度下施加動態(tài)鍛壓負載一段時間，該時間和溫度足以形成燒結(jié)的和完全致密的粉末壓塊200。在示例性實施方案中，動態(tài)鍛壓包括I)加熱前體或生坯狀態(tài)的粉末壓塊100到預(yù)定固相燒結(jié)溫度，例如足以促進相鄰粉末顆粒12的金屬涂覆層16之間相互擴散的溫度；2)將前體粉末壓塊100保持在燒結(jié)溫度持續(xù)預(yù)定保持時間，例如足以確保燒結(jié)溫度遍及前體壓塊100的基本均勻性的時間；3)將前體粉末壓塊100鍛壓至完全密度，例如通過如下方式根據(jù)足以快速實現(xiàn)完全密度的預(yù)定壓力進度表(schedule)或斜變(ramp)速率施加預(yù)定鍛壓壓力，同時將壓塊保持在預(yù)定燒結(jié)溫度；和4)使壓塊冷卻到室溫。在形成420過程中施加的預(yù)定壓力和預(yù)定溫度包括如本文所述的將確保粉末顆粒12的固態(tài)燒結(jié)和變形從而形成完全致密的粉末壓塊200的燒結(jié)溫度Ts和鍛壓壓力PF，該粉末壓塊200包括固態(tài)結(jié)合217和結(jié)合層219。將前體粉末壓塊100加熱到預(yù)定燒結(jié)溫度和將前體粉末壓塊100保持于預(yù)定燒結(jié)溫度持續(xù)預(yù)定時間的步驟可以包括溫度和時間的任何合適組合，并取決于例如所選擇的粉末10，包括用于顆粒芯部14和金屬涂覆層16的材料、前體粉末壓塊100的尺 寸、所用的加熱方法和影響為實現(xiàn)前體粉末壓塊100內(nèi)的所需溫度和溫度均勻性所需時間的其它因素。在鍛壓步驟中，預(yù)定壓力可以包括足以實現(xiàn)完全致密的粉末壓塊200的任何合適壓力和壓力施加進度表或壓力斜變速度，并取決于例如所選擇的粉末顆粒12的材料性能，包括依賴溫度的應(yīng)力/應(yīng)變特性(例如應(yīng)力/應(yīng)變速度特性)、相互擴散和冶金熱動力學(xué)和相平衡特性、位錯動動力學(xué)及其它材料性能。例如，可以使用動態(tài)鍛壓的最大鍛壓壓力和鍛壓進度表(即對應(yīng)于所使用的應(yīng)變速度的壓力斜變速度)來調(diào)節(jié)粉末壓塊的機械強度和韌性。最大鍛壓壓力和鍛壓斜變速度(即應(yīng)變速度)是正低于壓塊開裂壓力的壓力，即在壓塊中不形成裂縫的情況下動態(tài)回復(fù)過程不能釋放壓塊顯微組織中的應(yīng)變能。例如，對于需要具有相對較高強度和較低韌性的粉末壓塊的應(yīng)用，可以使用相對較高的鍛壓壓力和斜變速度。如果需要粉末壓塊的相對較高韌性，可以使用相對較低的鍛壓壓力和斜變速度。對于本文描述的粉末10和其尺寸足以形成多個井孔工具和部件的前體壓塊100的某些示例性實施方案，可以使用約I 一約5小時的預(yù)定保持時間。如本文所述，優(yōu)選地選擇預(yù)定燒結(jié)溫度Ts從而避免任一顆粒芯部14和金屬涂覆層16的熔化，因為它們在方法400期間進行轉(zhuǎn)化以提供分散的顆粒214和納米基質(zhì)216。對于這些實施方案，動態(tài)鍛壓可以包括通過在約0. 5 —約2ksi/秒的壓力斜變速度下動態(tài)壓制到約80ksi的最高值來施加鍛壓壓力。在顆粒芯部14包括Mg和金屬涂覆層16包括如本文所述的各種單一和多層涂覆層(例如包含Al的各種單一和多層涂覆層)的示例性實施方案中，通過如下方式進行動態(tài)鍛壓在約450°C至約470°C的溫度Ts下燒結(jié)至多約I小時而不施加鍛壓壓力，接著通過以約
0.5 —約2ksi/秒的斜變速度施加等靜壓力至約30ksi —約60ksi的最大壓力Ps進行動態(tài)鍛壓，這導(dǎo)致約15秒至約120秒的鍛壓循環(huán)。鍛壓循環(huán)的短時間是明顯的優(yōu)勢，因為它將相互擴散，包括給定金屬涂覆層16內(nèi)的相互擴散、相鄰的金屬涂覆層16之間的相互擴散以及金屬涂覆層16與顆粒芯部14之間的相互擴散，限制為形成冶金結(jié)合217與結(jié)合層219所需要的相互擴散，同時也保持所需的等軸分散顆粒214的形狀與網(wǎng)狀納米基質(zhì)216強化相的完整性。動態(tài)鍛壓循環(huán)的時間顯著短于常規(guī)粉末壓塊形成工藝例如熱等靜壓(HIP)、壓力輔助燒結(jié)或擴散燒結(jié)所需的形成循環(huán)和燒結(jié)時間。方法400也可以任選地包括通過如下方式形成430前體粉末壓塊充分地將多個涂覆的粉末12進行壓實從而使顆粒變形并彼此形成顆粒間的結(jié)合且在形成420粉末壓塊之前形成前體粉末壓塊100。壓實可以包括在室溫壓制例如等靜壓多個粉末顆粒12至形成前體粉末壓塊100。可以在室溫下進行壓實430。在示例性實施方案中，粉末10可以包括含Mg的顆粒芯部14，且形成430前體粉末壓塊可以在室溫下在約IOksi —約60ksi的等靜壓力下進行。方法400還可以任選地在形成420粉末壓塊或形成430前體粉末壓塊之前包括將第二種粉末30混入440如本文所述的粉末10中。不受限于理論，由涂覆的粉末顆粒12形成粉末壓塊200，該涂覆的粉末顆粒12包括顆粒芯部14和相關(guān)的芯部材料18以及金屬涂覆層16和相關(guān)的金屬涂覆材料20從而形成基本連續(xù)的、三維的、網(wǎng)狀納米基質(zhì)216，該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216包括通過各自涂覆層16的燒結(jié)和相關(guān)擴散形成的納米基質(zhì)材料220，所述各自涂覆層16包括顆粒芯部材料218的多 個分散顆粒214。這種獨特的結(jié)構(gòu)可以包括將會很難或不可能通過從熔體凝固而形成的材料的亞穩(wěn)組合，所述熔體具有相同的相對量的構(gòu)成材料?？梢赃x擇涂覆層和相關(guān)的涂覆材料從而提供在預(yù)定流體環(huán)境例如井孔環(huán)境中可選性與可控性的溶解速度，其中預(yù)定流體可以是注入井孔或從井孔提取的常用的井孔流體。還將從本文的描述中理解，納米基質(zhì)的受控溶解使芯部材料的分散顆粒暴露。還可以選擇顆粒芯部材料從而也提供井孔流體中的可選性與可控性的溶解?；蛘撸€可以選擇它們從而對粉末壓塊200提供特定的機械性能，例如抗壓強度或剪切強度，而不必提供芯部材料本身的可選性與可控性的溶解，因為圍繞這些顆粒的納米基質(zhì)材料的可選性與可控性的溶解必然會釋放它們，使得它們被井孔流體帶走?？梢赃x擇以提供強化相材料的基本連續(xù)、網(wǎng)狀納米基質(zhì)216以及可以選擇以提供等軸分散顆粒214的分散顆粒214的顯微組織形態(tài)對這些粉末壓塊提供了增強的機械性能，包括抗壓強度和剪切強度，因為可以控制納米基質(zhì)/分散顆粒的所得形態(tài)從而通過類似于常規(guī)強化機制的工藝提供強化，所述常規(guī)強化機制例如晶粒尺寸減小、通過使用雜質(zhì)原子的固溶強化、析出或時效硬化和強度/加工硬化的機制。由于如本文所述的納米基質(zhì)材料內(nèi)的不連續(xù)層之間的界面以及多個顆粒納米基質(zhì)界面，因此納米基質(zhì)/分散的顆粒結(jié)構(gòu)趨于限制位錯運動。如圖23和24所示，這例示于這些材料的斷裂行為中。在圖23中，使用未涂覆純Mg粉末制成粉末壓塊200，并使其經(jīng)受足以誘發(fā)失效(表現(xiàn)為晶間斷裂)的剪切應(yīng)力。相比之下，在圖24中，使用粉末顆粒12制成粉末壓塊200并使其經(jīng)受足以誘發(fā)失效(表現(xiàn)為穿晶斷裂)的剪切應(yīng)力和如本文所述的顯著較高的破裂應(yīng)力，該粉末顆粒12具有純Mg粉末顆粒芯部14 (從而形成分散顆粒214)和包括Al的金屬涂覆層16 (從而形成納米基質(zhì)216)。由于這些材料具有高強度特性，因此可以選擇芯部材料與涂覆材料以利用低密度材料或其它低密度材料，例如低密度的金屬、陶瓷、玻璃或碳，否則將不會提供用于所需應(yīng)用包括井孔工具和部件中的必要強度特性。雖然已經(jīng)顯示和描述了一個或多個實施方案，但可以對其進行修改和替換，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，要理解，通過說明而非限制的方式描述了本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種工程分散的顆粒一網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料，其配置成與流體接觸，且配置成作為與流體接觸時間的函數(shù)從一種第一強度條件到低于工作強度閾值的第二強度條件，或從第一重量損失量到大于重量損失極限的第二重量損失量的可選性與可控性的轉(zhuǎn)變。
2.權(quán)利要求I的工程材料，其中分散顆粒一網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合物包含 納米基質(zhì)材料的基本連續(xù)、網(wǎng)狀納米基質(zhì)， 包含顆粒芯部材料的多個分散的顆粒，其分散在網(wǎng)狀納米基質(zhì)中；和 固態(tài)結(jié)合層，其遍及網(wǎng)狀納米基質(zhì)擴展。
3.權(quán)利要求2的工程材料，其中與流體接觸的時間是臨界使用時間。
4.權(quán)利要求3的工程材料，其中臨界使用時間包含使與流體接觸的一部分納米基質(zhì)溶解所需要的時間。
5.權(quán)利要求3的工程材料，其中臨界使用時間包含對應(yīng)于工程材料或流體或其組合的性能改變的預(yù)定時間。
6.權(quán)利要求5的工程材料，其中存在工程材料的性能改變，且其中該改變是工程材料的溫度的改變。
7.權(quán)利要求5的工程材料，其中存在流體的性能改變，且其中該改變包含流體的溫度、壓力、流量、化學(xué)組成或pH、或其組合的改變。
8.權(quán)利要求5的工程材料，其中改變的條件是化學(xué)組成的改變，包含氯離子濃度的改變。
9.權(quán)利要求I的工程材料，其中分散的顆粒包含標(biāo)準氧化勢大于或等于Zn的金屬。
10.權(quán)利要求9的工程材料，其中分散的顆粒包含Mg、Al、Zn或Mn、或其組合。
11.權(quán)利要求10的工程材料，其中網(wǎng)狀納米基質(zhì)包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、碳化物或氮化物、或任何上述材料的組合，且其中納米基質(zhì)具有一種化學(xué)組成，且分散的顆粒具有的化學(xué)組成不同于納米基質(zhì)的化學(xué)組成。
12.權(quán)利要求I的工程材料，其中分散的顆粒包含標(biāo)準氧化勢小于Zn的金屬、陶瓷、玻璃、或碳、或其組合。
13.權(quán)利要求12的工程材料，其中網(wǎng)狀納米基質(zhì)包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni、或其氧化物、碳化物或氮化物、或任何上述材料的組合，且其中納米基質(zhì)具有一種化學(xué)組成，且分散的顆粒具有的化學(xué)組成不同于納米基質(zhì)的化學(xué)組成。
14.權(quán)利要求I的工程材料，其中網(wǎng)狀納米基質(zhì)具有約50nm至約5000u m的平均厚度。
15.權(quán)利要求I的工程材料，其中分散的顆粒包含Mg，且分散的顆粒一網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料具有至少約37ksi的室溫抗壓強度。
16.權(quán)利要求I的工程材料，其中分散的顆粒包含Mg，且分散的顆粒一網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料具有至少約20ksi的室溫剪切強度。
17.權(quán)利要求I的工程材料，其中分散的顆粒一網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料包含具有預(yù)定理論密度和實際密度的粉末壓塊，該實際密度基本等于預(yù)定理論密度。
18.權(quán)利要求I的工程材料，其中分散的顆粒包含Mg，且分散的顆粒一網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料具有約I. 738g/cm3至約2. 50g/cm3的密度。
19.權(quán)利要求I的工程材料，其中顆粒芯部材料包含Mg，且粉末壓塊以約0至約7OOOmg/cm2/hr粉末壓塊的速度可選性地可溶。
20.權(quán)利要求I的工程材料，其中流體是井孔流體。
21.權(quán)利要求20的工程材料，其中井孔流體包含KC1、HC1、CaBr2,CaBr2或ZnBr2或其組合。
22.權(quán)利要求2的工程材料，其中在多個分散的顆粒的相鄰顆粒之間的網(wǎng)狀納米基質(zhì)包含一個顆粒的單一金屬涂覆層、結(jié)合層和另一顆粒的單一金屬涂覆層。
23.權(quán)利要求2的工程材料，其中在多個分散的顆粒的相鄰顆粒之間的網(wǎng)狀納米基質(zhì)包含一個顆粒的多層金屬涂覆層、結(jié)合層以及另一顆粒的多層金屬涂覆層。
全文摘要
本發(fā)明公開了工程分散的顆粒－網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料。將工程分散的顆粒－網(wǎng)狀納米基質(zhì)復(fù)合材料配置成與流體接觸，且配置成作為與流體接觸時間的函數(shù)從一種第一強度條件到低于工作強度閾值的第二強度條件，或從第一重量損失量到大于重量損失極限的第二重量損失量的可選性與可控性的轉(zhuǎn)變。
文檔編號B22F3/12GK102781609SQ201080055610
公開日2012年11月14日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者G·阿格拉瓦爾, 徐志躍 申請人:貝克休斯公司