一種快速腐蝕的鎂基合金材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及有色金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步說，涉及一種快速腐蝕的鎂基合金 材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來，國外非常規(guī)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)取得突破，產(chǎn)量快速增長，對國際天然 氣市場及世界能源格局產(chǎn)生重大影響，世界主要資源國都加大了對頁巖氣的勘探開發(fā)力 度。多級滑套分段壓裂技術(shù)是一項(xiàng)新型石油、天然氣儲層改造技術(shù)，主要應(yīng)用與頁巖氣和低 滲透儲層的定向井、水平井的壓裂增產(chǎn)改造。該項(xiàng)技術(shù)可根據(jù)地層地質(zhì)狀況與儲層開發(fā)的 需要，采用封隔器將水平井分隔成若干段，通過地面頭球控制裝置向井內(nèi)依次投入直徑由 小到大的憋壓球，逐級打開滑套，有針對性地對產(chǎn)層巖石進(jìn)行壓裂，形成石油、天然氣流體 裂縫通道，以擴(kuò)大油氣產(chǎn)層的泄油面積，提高油氣采收率。在這項(xiàng)技術(shù)中，關(guān)鍵部位之一是 憋壓球。憋壓球主要有兩個(gè)功能，1)將滑套打開，以便對產(chǎn)層巖石進(jìn)行壓裂；2)將與壓裂液 體和壓力隔離。待到所有巖石產(chǎn)層壓裂結(jié)束后，需要對井內(nèi)油管進(jìn)行泄壓，以便利于后期油 氣井的生產(chǎn)。以往的常規(guī)方法是利用低層壓力作用下把憋壓球反排出井口，或使用鉆具將 滑套球座及憋壓球鉆掉，這些方法的不足之處在于，受地層壓力及現(xiàn)場施工壓力的影響，可 能導(dǎo)致憋壓球發(fā)生卡位，反排不成功，下入鉆具進(jìn)行磨銑會延長施工周期，增加施工成本與 風(fēng)險(xiǎn)。因此，研制一種能承受壓裂施工高壓、井底高溫，并在井內(nèi)流體環(huán)境下能自行快速腐 蝕的輕質(zhì)憋壓球，可有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率。美國專利公布了一種可分解的多層 包覆的核殼結(jié)構(gòu)式復(fù)合材料制備方法（美國專利，US2011/0132143A1，2011年），該專利顯 示，通過在納米級核體金屬粉末（如鎂、鋁、鋅、錳及其合金）顆粒的表面，采用化學(xué)鍍的方 法，鍍上多層不同金屬或金屬氧化物納米級殼層，如Al、Ni、A1 203等，然后再把鍍層后復(fù)合 粉末進(jìn)行燒結(jié)，獲得具有一定分解性能的納米復(fù)合材料，但該方法要求在活性比較高的納 米級鎂、鋁、鋅、錳及其合金粉表面鍍多層納米級金屬或金屬氧化物，極大的增加了該材料 的生產(chǎn)成本，無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。而中國專利（專利號201110328251.9)公布了"一種用 于分段壓裂投球滑套打開的新材料憋壓球"，盡管該專利制備的材料密度比較低，但該專利 采用的是高分子材料制備憋壓球，憋壓球材料在高溫腐蝕介質(zhì)中不發(fā)生分解，導(dǎo)致在多級 滑套分段壓裂技術(shù)中必需使用鉆具將憋壓球鉆掉，極大地增加了生產(chǎn)成本。
[0003] 在現(xiàn)有輕質(zhì)合金材料中，鎂合金因其據(jù)有密度低、綜合性能較好而廣受關(guān)注，其 中尤以鑄造鎂合金AZ91鎂合金的應(yīng)用最為廣泛，該合金的主要成分及其重量百分比是A1 8. 3~9. 7、Zn 0. 35~1. 0、Μη 0. 15~0. 5、余量為鎂，合金的維氏硬度低（小于80HV)，腐 蝕速率極低（彡5X 10 4g. cm2, h)(中國有色金屬學(xué)報(bào)，2007,17卷2期，pl81)，無法滿足多 級滑套分段壓裂技術(shù)中對憋壓球材料的輕質(zhì)耐壓可分解性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中憋壓球材料不能快速分解的問題，本發(fā)明提供了一種快速腐蝕 的鎂基合金材料及制備方法。本發(fā)明的快速腐蝕的鎂基合金材料能滿足多級滑套分段壓裂 技術(shù)中憋壓球材料的性能要求，形成可實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的快速腐蝕鎂基合金材料。
[0005] 本發(fā)明的目的之一是提供一種快速腐蝕的鎂基合金材料。
[0006] 包含以下重量百分比的組分：
[0007] Al:8 ~12%，
[0008] Cu: 5.1 ~10%，
[0009] Zn :0.5 ~1.9%，
[0010] Zr :0· 55 ~1. 5%，
[0011] 余量為Mg，各組分重量百分之和為100%。
[0012] 本發(fā)明的目的之二是提供一種快速腐蝕的鎂基合金材料的制備方法。
[0013] 包括：
[0014] 按設(shè)計(jì)的要求組分配比，稱取各組分，先將純鎂、純鋁、鋁-50wt %銅中間合金、 鋁-4 %鋯合金放入熔煉爐中，熔化后再將純鋅放入合金熔體中，升溫熔化后，用鎂合金精煉 劑精煉除氣、靜置，然后在氬氣保護(hù)氣氛下澆鑄成型。鑄錠然后經(jīng)過固溶淬火并時(shí)效熱處 理，以進(jìn)一步提尚合金的綜合性能。
[0015] 原料的熔化溫度為690~710°C ;精煉溫度為710~730°C ;靜置、澆鑄溫度為 690~710°C，澆鑄保護(hù)氣氛為氬氣；
[0016] 鎂合金精煉劑為現(xiàn)有產(chǎn)品，成分的重量百分比為：35% MgCl、35% KC1、10% NaCl、 10% CaCl、5% BaCl2、5% CaF2〇
[0017] 鑄錠的固溶溫度為380~410°C，固溶時(shí)間4-12h，水淬，時(shí)效溫度為120-200°c，時(shí) 效時(shí)間4h-24h。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0019] 本發(fā)明采用Mg-Al-Zn基鎂合金為基礎(chǔ)，并添加提高鎂合金腐蝕性能的高含量Cu 元素，并同時(shí)添加晶粒細(xì)化劑Zr元素，形成了 Mg-Cu-Zn-Zr系合金材料。其中添加 A1元 素在鎂合金中除了固溶強(qiáng)化鎂基體外，還在鎂合金的晶界處形成了陰極相Mg17Al 12相；而添 加 Cu元素在鎂合金晶界處Mg17Al12相中形成了陰極相的T相（AZn xMgyCuz)微顆粒，陰極相 Mg17Al12相及T相與陽極相鎂基體相形成了大量微電池，這些微電池在高溫腐蝕過程中產(chǎn)生 大量的細(xì)小電流，從而加速了鎂合金的腐蝕。本發(fā)明制備的快速腐蝕鎂基材料的維氏硬度 達(dá)到90-121狀，超過了現(xiàn)有的六291鎂合金（維氏硬度為60-80爪0，于93°(：、3%1((：1溶液中 的快速腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有AZ91鎂合金。而且本發(fā)明的合金的澆鑄成型性能與AZ91 鎂合金相當(dāng)。
[0020] 綜上所述，本發(fā)明組分配比合理、生產(chǎn)工藝簡單、可有效提高鎂基合金材料的快速 腐蝕性能。采用熔煉鑄造方法，通過調(diào)控合金的成分與制備工藝，可獲得快速腐蝕的鎂基合 金材料，使其性能滿足多級滑套分段壓裂技術(shù)中憋壓球材料的性能要求，形成可實(shí)際工業(yè) 應(yīng)用的快速腐蝕鎂基合金材料。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0022] 對比例1
[0023] 對比合金為AZ91鎂合金，該合金的化學(xué)成分為：Mg-9Al-lZn-0. 3Zr-0. ΙΜη (質(zhì)量 分?jǐn)?shù)，下同），合金配料（原料為：純鋁、純鎂、鋁鋯中間合金、鋁錳中間合金、純鋅）在中頻 感應(yīng)電阻爐中熔煉，于700°C熔化，然后并鎂合金精煉劑于710°C進(jìn)行精練處理，精煉劑成 分的重要百分比為：35%MgCl、35%KCl、10%NaCl、10% 0&(：1、5%83(：12、5%〇3?2。經(jīng)過靜 置、扒渣，在氬氣保護(hù)下于690°C通過鐵模澆鑄成坯錠。鑄錠在400°C固溶5h，水淬，在150°C 時(shí)效14h。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 鎂基合金的組份及其重量百分比為Mg-8Al-7.5Cu-L9Zn-L0Zr，其余為Mg。制備 方法是：先將純鎂、純鋁、鋁銅合金、鋁鋯合金放入熔煉爐中，升溫至71(TC熔化；熔化后再 將經(jīng)烘烤的純鋅放入鎂鋁合金熔體中；熔化后，在710°C時(shí)加入對比例1中所述的鎂合金精 煉劑進(jìn)行精煉處理；降溫至690°C，靜置，在氬氣保護(hù)下澆鑄，冷卻。鑄錠在400°C固溶8h， 水淬，在120°C時(shí)效24h。
[0026] 實(shí)施例2
[0027] 鎂基合金的組份及其重量百分比為Mg-10Al-5· lCu-1. 2Zn-l. 5Zr，其余為Mg。制 備方法是：先將純鎂、純鋁、鋁銅合金、鋁鋯合金放入熔煉爐中，升溫至690°C熔化；熔化后 再將經(jīng)烘烤的純鋅放入鎂鋁合金熔體中；熔化后，在730°C時(shí)加入對比例1中所述的鎂合金 精煉劑進(jìn)行精煉；降溫至700°C，靜置，在氬氣保護(hù)下澆鑄，冷卻。鑄錠在380°C固溶12h，水 淬，在150°C時(shí)效14h。
[0028] 實(shí)施例3
[0029] 鎂基合金的組份及其重量百分比為Mg-12Al-10Cu-0· 5Ζη-(λ 55Zr，其余為Mg。制 備方法是：先將純鎂、純鋁、鋁銅合金、鋁鋯合金放入熔煉爐中，升溫至70(TC熔化；熔化后 再將經(jīng)烘烤的純鋅放入鎂鋁合金熔體中；熔化后，在720°C時(shí)加入對比例1中所述的鎂合金 精煉劑進(jìn)行精煉；降溫至710°C，靜置，在氬氣保護(hù)下澆鑄，冷卻。鑄錠在410°C固溶4h，水 淬，在200°C時(shí)效4h。
[0030] 實(shí)施例4
[0031] 鎂基合金的組份及其重量百分比為Mg-9Al-6Cu-l. 1Ζη-0· 7Zr，其余為Mg。制備方 法是：先將純鎂、純鋁、鋁銅合金、鋁鋯合金放入熔煉爐中，升溫至70(TC熔化；熔化后再將 經(jīng)烘烤的純鋅放入鎂鋁合金熔體中；熔化后，在710°C時(shí)加入對比例1中所述的鎂合金精煉 劑進(jìn)行精煉；降溫至700 °C，靜置，在氬氣保護(hù)下澆鑄，冷卻。鑄錠在400 °C固溶8h，水淬，在 160°C 時(shí)效 7h。
[0032] 表1本發(fā)明鑄態(tài)合金的主要化學(xué)成分（重量百分比）
[0033]
[0034] 表2本發(fā)明合金的室溫力學(xué)性能與高溫腐蝕速率
[0035]
[0036] 對比例與實(shí)施例的性能參數(shù)值，可以看出：本發(fā)明制備的快速分解鎂基合金材料 的維氏硬度高于對比例合金，而在93°C及3% KC1溶液中的腐蝕速率明顯超過了對比例合 金，能滿足多級滑套分段壓裂技術(shù)中憋壓球材料的輕質(zhì)耐壓快速分解的性能要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速腐蝕的鎂基合金材料，其特征在于所述合金材料包含以下重量百分比的組 分： A1 :8 ~12%， Cu:5. 1 ~10%， Zn :0· 5 ~1. 9%， Zr :0. 55 ~1. 5%， 余量為Mg，各組分重量百分之和為100%。2. -種如權(quán)利要求1所述的快速腐蝕的鎂基合金材料的制備方法，其特征在于所述方 法包括： 按所述用量，先將純鎂、純鋁、鋁銅合金、鋁鋯合金放入熔煉爐中，熔化后再將純鋅放入 合金熔體中，升溫熔化后，用鎂合金精煉劑精煉除氣、靜置，澆鑄成型。3. 如權(quán)利要求2所述的快速腐蝕的鎂基合金材料的制備方法，其特征在于所述方法包 括： 澆鑄成型后經(jīng)過固溶淬火并時(shí)效熱處理。4. 如權(quán)利要求2所述的快速腐蝕的鎂基合金材料的制備方法，其特征在于： 所述熔化溫度為690~710°C ;精煉溫度為710~730°C ;靜置、澆鑄溫度為690~ 710 °C，澆鑄保護(hù)氣氛為氬氣。5. 如權(quán)利要求3所述的快速腐蝕的鎂基合金材料的制備方法，其特征在于： 固溶溫度為380~410°C，固溶時(shí)間4-12h，水淬，時(shí)效溫度為120-200°C，時(shí)效時(shí)間 4h-24h〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速腐蝕的鎂基合金材料及制備方法。合金材料包含以下重量百分比的組分：Al：8～12％，Cu:5.1～10％，Zn：0.5～1.9％，Zr：0.55～1.5％，余量為Mg，各組分重量百分之和為100％。本發(fā)明的快速腐蝕的鎂基合金材料能滿足多級滑套分段壓裂技術(shù)中憋壓球材料的性能要求，形成可實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的快速腐蝕鎂基合金材料。
【IPC分類】C22F1/06, C22C23/00, C22C23/02, C22C1/03
【公開號】CN105624499
【申請?zhí)枴緾N201410593868
【發(fā)明人】魏遼, 朱和明, 郭朝輝, 韓峰, 崔曉杰, 朱敏濤
【申請人】中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2014年10月29日