專利名稱：納米基體粉末金屬復(fù)合材料的制作方法
納米基體粉末金屬復(fù)合材料相關(guān)申請的交叉參考本申請要求2010年10月27日提交的美國申請?zhí)?2/913321的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用以其全文并入本文。本申請包含涉及下列共同未決申請的主題的主題:美國專利申請系列號 12，633，682 ;12/633，686 ;12/633，688 ;12/633，678 ;12/633，683 ;12/633，662 ；12/633，677和12/633，668，其均于2009年12月8日提交；2010年7月30日提交的12/847，594以及與該申請同日提交的律師案卷號0MS4-48966-US，其委派給本申請的同一受讓人，Baker Hughes Incorporated of Houston, Texas ;其內(nèi)容通過引用以其全文并入本文。
背景技術(shù)：
石油和天然氣井常常使用井眼部件或工具，因其功能它們僅需具有遠(yuǎn)低于井使用壽命的使用壽命。在部件或工具的使用功能完結(jié)后，必須將其除去或處理以恢復(fù)流體通路的原始尺寸以用于包括油氣生產(chǎn)、CO2封存等等。部件或工具的處理傳統(tǒng)上通過將部件或工具銑削或鉆削出井眼來實現(xiàn)，此類操作通常耗時且昂貴。為了消除對銑削或鉆削操作的需要，已經(jīng)提出了通過用各種井眼流體溶解可降解的聚乳酸聚合物除去部件或工具。但是，這些聚合物通常不具有在井眼的工作溫度范圍內(nèi)實施井眼部件或工具的功能所需的機械強度、斷裂韌性和其它機械性質(zhì)，因此，它們的應(yīng)用受到限制。已經(jīng)提出了其它可降解材料，包括來自占主要部分的某些反應(yīng)性金屬(如鋁)以及某些占次要部分的其它合金成分(如鎵、銦、鉍、錫及其混合物和組合)且不排除某些二次合金化元素(如鋅、銅、銀、鎘、鉛及其混合物和組合)的可降解的金屬合金。這些材料可以通過熔化組分的粉末并隨后凝固熔體以形成合金來形成。它們還可以采用粉末冶金法，通過將上述量的反應(yīng)性金屬和其它合金組分的粉末混合物擠壓、壓制、燒結(jié)等等來形成。這些材料包括使用可能不適于隨材料降解而釋放到環(huán)境中的金屬，如鉛、鎘等等的許多組合。同樣，它們的形成可以涉及導(dǎo)致合金組織的多種熔化現(xiàn)象，該合金組織由各合金組分的相平衡和凝固特征決定，并且這不會導(dǎo)致最佳或合意的合金顯微組織、機械性質(zhì)和溶解特征。因此，開發(fā)可用于形成井眼部件和工具的具有實施其預(yù)期功能所必須的機械性質(zhì)并隨后用井眼流體通過受控溶解從井眼除去的材料是非常合意的。發(fā)明概述公開了粉末金屬復(fù)合材料的不例性實施方案。該粉末金屬復(fù)合材料包括包含納米基體材料的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體。該壓塊(compact)還包括分散在該納米基體中的包含顆粒芯部材料的多個分散顆粒和在分散顆粒之間遍及納米基體延伸的接合層，所述顆粒芯部材料包含Mg、Al、Zn或Mn或其組合，所述分散顆粒的芯部材料包含多個分布的碳納米顆粒。還公開了粉末金屬復(fù)合材料的另一不例性實施方案。該粉末金屬復(fù)合材料包括包含納米基體材料的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體。該壓塊還包括分散在該納米基體中的包含顆粒芯部材料的多個分散顆粒和在分散顆粒之間遍及納米基體延伸的接合層，所述顆粒芯部材料包含標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于Zn的金屬、陶瓷、玻璃或碳或其組合，所述分散顆粒的芯部材料包含多個分布的碳納米顆粒。附圖概述下面參考附圖，其中多個圖片中的同樣元件編號相同:

圖1是已經(jīng)嵌在環(huán)氧樹脂樣品安裝材料中并切片的本文公開的粉末10的顯微照片;圖2是粉末顆粒12的示例性實施方案的示意圖，如它在圖1的2-2部分所代表的示例性截面圖中所呈現(xiàn)的那樣；圖3是粉末顆粒12的第二示例性實施方案的示意圖，如它在圖1的2-2部分所代表的第二示例性截面圖中所呈現(xiàn)的那樣；圖4是粉末顆粒12的第三示例性實施方案的示意圖，如它在圖1的2-2部分所代表的第三示例性截面圖中所呈現(xiàn)的那樣；圖5是粉末顆粒12的第四示例性實施方案的示意圖，如它在圖1的2-2部分所代表的第四示例性截面圖中所呈現(xiàn)的那樣；圖6是具有多峰顆粒尺寸分布的本文公開的粉末的第二示例性實施方案的示意圖；圖7是具有多峰顆粒尺寸分布的本文公開的粉末的第三示例性實施方案的示意圖；圖8是如本文中公開的粉末制造方法的示例性實施方案的流程圖；圖9是本文公開的粉末壓塊的示例性實施方案的顯微照片；圖10是描述用具有單層涂覆粉末顆粒的粉末制得的圖9的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，如其沿著界面10-10所呈現(xiàn)的那樣；圖11是本文中公開的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，其具有均勻的多峰顆粒尺寸分布；圖12是本文中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顆粒尺寸分布；圖13是本文中公開的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，所述粉末壓塊由第一粉末和第二粉末形成并具有均勻的多峰顆粒尺寸分布；圖14是本文中公開的粉末壓塊的示例性實施方案的示意圖，所述粉末壓塊由第一粉末和第二粉末形成并具有不均勻的多峰顆粒尺寸分布；圖15是描述用具有多層涂覆粉末顆粒的粉末制得的圖9的粉末壓塊的另一示例性實施方案的示意圖，如其沿著界面10-10所呈現(xiàn)的那樣；圖16是前體粉末壓塊的示例性實施方案的橫截面示意圖；和圖17是如本文中公開的制造粉末壓塊的方法的示例性實施方案的流程圖。發(fā)明詳述公開了輕重量、高強度金屬材料，其可用于多種用途和應(yīng)用環(huán)境，包括用于各種井眼環(huán)境以制造各種可選且可控地可處置或可降解的輕重量、高強度井下工具或其它井下部件，以及用于耐用的且可處置或可降解的制品的許多其它用途。這些輕重量、高強度和可選且可控地降解的材料包括由涂覆的粉末材料形成的完全致密的燒結(jié)粉末壓塊，所述涂覆的粉末材料包括各種輕重量顆粒芯部和具有多個單層和多層納米級涂層的芯部材料。這些粉末壓塊由涂覆的金屬粉末制成，所述金屬粉末包括各種電化學(xué)活性的(例如具有相對更高的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位)輕重量、高強度顆粒芯部和芯部材料，如電化學(xué)活性金屬，其以分散顆粒形式分散在由金屬涂覆層材料的各種納米級金屬涂覆層形成的蜂窩狀納米基體中，并特別可用于井眼用途。分散顆粒的芯部材料還包括多個分布的碳納米顆粒。這些粉末壓塊提供機械強度性質(zhì)(如抗壓強度和剪切強度)、低密度和可選且可控的腐蝕性質(zhì)(特別是在各種井眼流體中快速和受控的溶解)的獨特與有利的組合。例如，可以選擇這些粉末的顆粒芯部和涂覆層以提供適于用作高強度工程材料的燒結(jié)粉末壓塊，其具有可以與各種其它工程材料(包括碳、不銹鋼和合金鋼)相比的抗壓強度和剪切強度，但是其還具有可以與各種聚合物、彈性體、低密度多孔陶瓷和復(fù)合材料相比的低密度。作為再一種實例，可以配置這些粉末和粉末壓塊材料以提供響應(yīng)于環(huán)境條件變化的可選和可控的降解或處置，例如響應(yīng)于由該壓塊形成的制品附近的井眼性質(zhì)或條件的改變(包括與該粉末壓塊接觸的井眼流體的性質(zhì)變化)由極低溶解速率向極快溶解速率的轉(zhuǎn)變。所述可選和可控的降解或處置特征還允許由這些材料制成的制品，如井眼工具或其它部件保持尺寸穩(wěn)定性和強度，直到不再需要它們，此時可以改變預(yù)定的環(huán)境條件，如井眼條件，包括井眼流體溫度、壓力或PH值以促進通過快速溶解將其除去。下面進一步描述這些涂覆的粉末材料和粉末壓塊和由它們形成的工程材料，以及制造它們的方法。分布的碳納米顆粒提供分散顆粒的芯部材料的進一步強化，由此與例如具有不包括它們的分散顆粒的粉末壓塊相比提供提高的粉末強化。同樣地，某些分布的碳納米顆粒的密度可低于分散金屬顆粒芯部材料，由此使粉末壓塊材料與例如具有不包括它們的分散顆粒的粉末壓塊相比具有更低的密度。因此，在納米基體金屬復(fù)合材料壓塊中使用分布的碳納米顆粒可以提供具有比不包括分布的碳納米顆粒的納米基體金屬壓塊相比甚至更高的強度與重量比。參照圖1-5，金屬粉末10包括多個金屬的涂覆的粉末顆粒12。粉末顆粒12可以成形以提供粉末10，包括自由流動的粉末，其可以傾倒或以其它方式布置在具有各種形狀與尺寸的各種模型(forms)或模具(未顯示)并且其可以用于形成前體粉末壓塊100 (圖16)和粉末壓塊200 (圖10-15)，如本文中所述，其可以用作或用于制造各種制品，所述制品制造包括各種井眼工具和部件。粉末10的各個金屬的涂覆的粉末顆粒12包括顆粒芯部14和布置在該顆粒芯部14上的金屬涂覆層16。該顆粒芯部14包括芯部材料18。該芯部材料18可以包括用于形成顆粒芯部14的任何合適的材料，所述顆粒芯部14提供可以燒結(jié)以形成具有可選并可控的溶解特性的輕重量、高強度粉末壓塊200的粉末顆粒12。合適的芯部材料包括標(biāo)準(zhǔn)氧化電位大于或等于Zn的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位的電化學(xué)活性金屬，包括Mg、Al、Mn或Zn或其組合。這些電化學(xué)活性金屬與許多常見井眼流體的反應(yīng)性非常高，所述常見井眼流體包括任意數(shù)量的離子液體或高極性液體，如含有各種氯化物的那些。實例包括包含氯化鉀(KC1)、鹽酸(HCl)、氯化鈣(CaCl2)、溴化鈣(CaBr2)或溴化鋅(ZnBr2)的液體。芯部材料18還可以包括與Zn相比電化學(xué)活性較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)合材料或玻璃。該芯部材料18包括如本文中所述的多個分布的碳納米顆粒90。本文中所用的至少一部分粉末10的粉末顆粒12將包括具有芯部材料18的顆粒芯部14，所述芯部材料18包括多個分布的碳納米顆粒90。因此，在各粉末顆粒12中或僅在一部分粉末顆粒12中可以存在多個分布的碳納米顆粒90。此外，雖然在一種實施方案中，包括分布的碳納米顆粒90的粉末顆粒12包括多個碳納米顆粒90,但還可在顆粒芯部14中分布單個碳納米顆粒90。可以選擇芯部材料18以提供在預(yù)定的井眼流體中的高溶解速率，但是還可以選擇芯部材料18以提供相對低的溶解速率，包括零溶解，其中納米基體材料的溶解導(dǎo)致顆粒芯部14被快速侵蝕并與井眼流體一起在界面處從該顆粒壓塊上釋放，使得使用這些芯部材料18的顆粒芯部14制得的顆粒壓塊的有效溶解速率是高的，即使芯部材料18本身可具有低溶解速率，包括基本不可溶于井眼流體的芯部材料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形式使用，或以彼此的任意組合使用，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)合材料。此外，除了彼此的組合之外，該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元素以改變顆粒芯部14的一種或多種性質(zhì)，例如通過改善芯部材料18的強度、降低密度或改變其溶解特性。在所述電化學(xué)活性金屬中，Mg (純金屬或合金或復(fù)合材料形式)是特別有用的，因為其低密度和形成高強度合金的能力，以及其高電化學(xué)活性程度(因為Mg具有高于Al、Mn或Zn的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位)。Mg合金包括具有Mg作為合金成分的所有合金。結(jié)合如本文中所述的其它電化學(xué)活性金屬作為合金成分的Mg合金是特別用用的，包括二元的Mg-ZruMg-Al和Mg-Mn合金，以及三元的Mg-Zn-Y和Mg-Al-X合金，其中X包括Zn、Mn、S1、Ca或Y或其組合。這些Mg-Al-X合金可以按重量計包括最多約85%的Mg、最多約15%的Al和最多約5%的X。顆粒芯部14和芯部材料18，以及特別是包括Mg、Al、Mn或Zn或其組合的電化學(xué)活性金屬，還可以包括稀土元素或稀土元素的組合。如本文中所用，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按重量計可以以約5%或更少的量存在。顆粒芯部14和芯部材料18 (包括分布的碳納米顆粒90)具有熔化溫度(TP)。如本文中所用，Tp包括在芯部材料18中發(fā)生初熔或熔析或其它形式的部分熔化時的最低溫度，而不考慮是否芯部材料18包含純金屬、具有熔化溫度不同的多個相的合金或具有不同熔化溫度的材料的復(fù)合材料。顆粒芯部14可以具有任何合適的顆粒尺寸或顆粒尺寸范圍或顆粒尺寸分布。例如，可以選擇該顆粒芯部14以提供由通常如圖1所示的在平均或平均數(shù)顆粒尺寸附近的正態(tài)或高斯型單峰分布所代表的平均顆粒尺寸。在另一實施例中，可以選擇或混合顆粒芯部14以提供多峰顆粒尺寸分布，其包括多個平均顆粒芯部尺寸，例如通常在圖6中示意性顯示的平均顆粒尺寸的均勻的雙峰分布。顆粒芯部尺寸分布的選擇可用于確定例如該粉末10的顆粒12的顆粒尺寸和顆粒間間距15。在一種示例性實施方案中，該顆粒芯部14可以具有單峰分布和約5微米至約300微米、更特別約80微米至約120微米、甚至更特別約100微米的平均顆粒直徑。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)則幾何形狀，或其組合。在一種示例性實施方案中，顆粒芯部14為基本球形的電化學(xué)活性金屬顆粒。在另一種示例性實施方案中，顆粒芯部14是陶瓷顆粒，包括規(guī)則和不規(guī)則形狀的陶瓷顆粒。在再一種示例性實施方案中，顆粒芯部14是中空的玻璃微球。粉末10的金屬的覆的粉末顆粒12的顆粒芯部14還包括分散在該芯部材料18中的多個分布的碳納米顆粒90。分布的碳納米顆粒90可以包括碳的任何合適的同素異形體的納米顆粒。合適的同素異形體包括金剛石的納米顆粒(納米金剛石)、石墨(包括各種石墨烯);富勒烯(包括各種巴基球、巴基球團簇、納米芽或納米管，并包括單壁或多壁納米管);無定形碳；玻璃碳；碳納米泡沫；六方碳(1nsdaleite);或趙擊石(chaoite)或其組合。分布的碳納米顆粒90可以具有任何合適的納米顆粒形狀或尺寸。如本文中所用，納米顆粒可以包括各種規(guī)則和不規(guī)則的顆粒形狀，包括平面形狀、球形、橢球形和管形或柱形，具有約100納米或更低的至少一個顆粒尺寸，更特別具有為約0.1納米至約100納米且更特別約1.0納米至約100納米的至少一個顆粒尺寸。分布的碳納米顆粒90還可以包括具有布置在其上的金屬(例如布置在碳納米顆粒外表面上的金屬層)的金屬化納米顆粒。合適的碳納米顆粒包括各種石墨烯；富勒烯或納米金剛石或其組合。合適的富勒烯可以包括巴基球、巴基球團簇、巴基紙、納米芽或納米管，包括單壁和多壁納米管。富勒烯還包括上述任何種類的三維聚合物。合適的富勒烯還可以包括金屬富勒烯包合物(metallofullerene),或包含各種金屬或金屬離子的那些富勒烯。 本文中公開的基本球形的中空多面體或巴基球形式的富勒烯可以包括任何已知的具有多面體結(jié)構(gòu)的碳的籠形中空同素異形形式。巴基球可以包含例如約20至約100個碳原子。例如，C6tl是具有60個碳原子和高對稱性(D5h)的富勒烯，并且是相對常見的市售富勒烯。示例性富勒烯包括例如 c3(l、C32> C34> C38> C40> C42> C44> C46> C48> C50> C52> C60> C70> C76 或C84等等，或其組合。巴基球或巴基球團簇可以包括任何合適的球尺寸或直徑，包括具有任意碳原子數(shù)的基本球形構(gòu)造。納米管是碳基管狀或筒形的具有開放或封閉末端的富勒烯結(jié)構(gòu)，其可以是無機的或完全或部分由碳制成，并還可以包括其它元素，如金屬或類金屬。單壁和多壁納米管是基本筒形的，可以具有任何預(yù)定的管長度或管直徑或其組合。多壁納米管可以具有任何預(yù)定
的壁數(shù)量。納米石墨是石墨的平板狀片材的簇，其中一層或多層石墨的堆疊結(jié)構(gòu)(其具有稠合六元環(huán)的平板狀二維結(jié)構(gòu)，所述稠合六元環(huán)具有擴展的離域η電子體系)，分層并通過π-π堆疊相互作用彼此微弱鍵合。通常石墨烯(包括納米石墨烯)可以是具有納米級尺寸的石墨的單個片材或幾個片材，所述納米級尺寸例如小于約例如500納米的平均顆粒尺寸(平均最大尺寸)，或者在其它實施方案中可以具有大于約I微米的平均最大尺寸。納米石墨烯可以通過如下方式制備:剝離納米石墨或通過使納米管中一系列碳-碳鍵的催化的鍵斷裂以通過“解開(unzipping)”法形成納米石墨烯帶,并接著衍生該納米石墨烯以制備例如納米石墨烯氧化物。石墨烯納米顆?？梢跃哂腥魏魏线m的預(yù)定平面尺寸，包括任何預(yù)定的長度或預(yù)定的寬度，并由此可以包括任何預(yù)定的碳原子數(shù)量。本文中所用的納米金剛石可以來自天然生成的來源，如天然金剛石的銑削或其它處理的副產(chǎn)物，或可以是合成的，通過任何合適的工業(yè)方法制備，所述工業(yè)方法例如但不限于高壓高溫(HPHT)、爆炸沖擊(也稱為爆轟，縮寫為DTD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、超聲空化等等。納米金剛石可以以接受狀態(tài)使用，或可以通過各種方法分選并清潔以除去污染物和可能存在的非金剛石碳相(如無定形碳或石墨的殘余物)。納米金剛石可以是單晶或多晶的。納米金剛石可以包括各種規(guī)則和不規(guī)則的形狀，包括基本球形的形狀。該納米金剛石可以是單分散的，其中所有顆粒具有幾乎沒有變化的相同尺寸，或者可以是多分散的，其中該顆粒具有一定范圍的尺寸并且是取平均的。通常使用多分散納米金剛石?？梢允褂镁哂胁煌骄w粒尺寸的納米金剛石，因此，納米金剛石的顆粒尺寸分布可以是如本文中所述的單峰分布(表現(xiàn)出單一分布)、表現(xiàn)出兩個分布的雙峰分布或表現(xiàn)出超過一個顆粒尺寸分布的多峰分布。分布的碳納米顆粒90可以均勻或非均勻地分布在芯部材料18中。例如，在均勻分布的示例性實施方案中，多個相同類型的碳納米顆粒(包括具有相同尺寸和形狀的那些)可以均勻地在各顆粒芯部14中并遍布其芯部材料18分布或分散。在非均勻分布的另一種示例性實施方案中，多個不同類型的碳納米顆粒(包括具有不同的尺寸和/或形狀的那些)可以均勻或不均勻地在各顆粒芯部14中并遍布其芯部材料18分布。在非均勻分布的另一種示例性實施方案中，分布的碳納米顆粒90可以優(yōu)先(例如以較高的體積濃度)分布在例如顆粒芯部14的外周，或朝向顆粒芯部14內(nèi)部。分布的碳納米顆粒90可以以任何合適的相對于它們分布于其中的顆粒芯部14的量使用，無論是按重量、體積或原子百分比計。在一種示例性實施方案中，該分布的碳納米顆粒92可以占約20重量％或更低、更特別約10重量％或更低和甚至更特別約5重量％或更低。粉末10的各金屬的涂覆的粉末顆粒12還包括金屬涂覆層16，其布置在顆粒芯部14上。金屬涂覆層16包括金屬涂覆材料20。金屬涂覆材料20將其金屬性質(zhì)賦予該粉末顆粒12和粉末10。金屬涂覆層16是納米級涂覆層。在一種示例性實施方案中，金屬涂覆層16可以具有約25納米至約2500納米的厚度。金屬涂覆層16的厚度可以在顆粒芯部14的表面上變化，但是優(yōu)選在顆粒芯部14的表面上具有基本均勻的厚度。金屬涂覆層16可以如圖2中所示包括單個層，或如圖3-5中所示以多層涂層結(jié)構(gòu)形式包括最多四個層的多個層。在單層涂層中，或在多層涂層的各層中，該金屬涂覆層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。當(dāng)層包括多種化學(xué)成分或化合物時，它們可以具有所有均勻或非均勻分布的方式，包括冶金相的均勻或非均勻分布。這可以包括其中相對量的化學(xué)成分或化合物在整個層厚度上根據(jù)各成分分布圖變化的梯度分布。在單層和多層涂覆層16中，各個層或它們的組合可用于向粉末顆粒12或由此形成的燒結(jié)粉末壓塊提供預(yù)定的性質(zhì)。例如，該預(yù)定的性質(zhì)可以包括顆粒芯部14與涂覆材料20之間的冶金接合的接合強度；顆粒芯部14與金屬涂覆層16之間相互擴散特性，包括在多層涂覆層16的層之間的任何相互擴散；在多層涂覆層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與相鄰粉末顆粒12的金屬涂覆層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)之間的冶金接合的接合強度；以及涂覆層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(Tc)。如本文中所用，Tc包括在涂覆材料20中發(fā)生初熔或熔析或其它形式的部分熔化時的最低溫度，而不考慮是否涂覆材料20包含純金屬、具有熔化溫度不同的多個相的合金或復(fù)合材料，包括包含多個具有不同熔化溫度的涂覆材料層的復(fù)合材料。金屬涂覆材料20可以包括提供可燒結(jié)外表面21的任何合適的金屬涂覆材料20，所述可燒結(jié)外表面21構(gòu)造為燒結(jié)到同樣具有金屬涂覆層16和可燒結(jié)外表面21的相鄰粉末顆粒12上。在還包括如本文中所述的第二或附加(涂覆或未涂覆的)顆粒32的粉末10中，金屬涂覆層16的可燒結(jié)外表面21同樣構(gòu)造為燒結(jié)到第二顆粒32的可燒結(jié)外表面21上。在一種示例性實施方案中，該粉末顆粒12在隨芯部材料18和涂覆材料20而變的預(yù)定燒結(jié)溫度(Ts)下可燒結(jié)，使得粉末壓塊200的燒結(jié)完全在固態(tài)下實現(xiàn)，并且其中Ts低于Tp和T。。固態(tài)下燒結(jié)將顆粒芯部14/金屬涂覆層16相互作用限制為固態(tài)擴散過程和冶金傳遞現(xiàn)象，并限制了它們的生長和在它們之間所得界面上方提供控制。相比之下，例如，引入液相燒結(jié)提供顆粒芯部14/金屬涂覆層16材料的快速相互擴散，并難以限制它們的生長和在它們之間所得界面上提供控制，并由此妨礙了如本文中所述的顆粒壓塊200的合意的顯微組織的形成。在一種示例性實施方案中，將選擇芯部材料18以提供芯部化學(xué)組成并將選擇涂覆材料20以提供涂料化學(xué)組成，還可以選擇化學(xué)組成以彼此不同。在另一種示例性實施方案中，選擇芯部材料18以提供芯部化學(xué)組成并將選擇涂覆材料20以提供涂料化學(xué)組成并且將選擇這些化學(xué)組成以便在它們的界面處彼此不同?？梢赃x擇涂覆材料20與芯部材料18 (包括分布的碳納米顆粒90 )的化學(xué)組成差異以提供粉末壓塊200的不同的溶解速率和可選且可控的溶解，在所述粉末壓塊200中混入它們使其可選且可控地可溶。這包括響應(yīng)于井眼中變化(包括井眼流體的間接或直接改變)的條件而不同的溶解速率。在一種示例性實施方案中，由具有使壓塊200可選地響應(yīng)于變化的井眼條件(包括井眼流體的溫度變化、壓力變化、流量變化、PH變化或化學(xué)組成變化或其組合)可溶解于井眼流體中的芯部材料18和涂覆材料20的化學(xué)組成的粉末10形成的粉末壓塊200。響應(yīng)于變化的條件的可選溶解可以是由于促進不同溶解速率的實際化學(xué)反應(yīng)或過程，但也包括與物理反應(yīng)或過程有關(guān)的溶解響應(yīng)方面的變化，如井眼流體壓力或流量的變化。在粉末10的一種示例性實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn或其組合作為芯部材料18，并且更特別可以包括純Mg和Mg合金，并且金屬涂覆層16包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述材料的任意組合作為涂覆材料20。在粉末10的另一種示例性實施方案中，如圖2中所示，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn或其組合作為芯部材料18，更特別可包括純Mg和Mg合金，并且金屬涂覆層16包括Al或Ni或其組合的單個層作為涂覆材料20。其中金屬涂覆層16包括兩種或更多種成分，如Al和Ni的組合，該組合可以包括這些材料的各種階梯式或共沉積式結(jié)構(gòu)，其中各成分的量并因此該層的組成如圖2中所示那樣在該層的整個厚度上改變。在再一種示例性實施方案中，如圖3中所示,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，并且該涂覆層16包括兩個層作為芯部材料20。如本文中所述，該第一層22布置在顆粒芯部14的表面上并包括Al或Ni或其組合。第二層24布置在該第一層的表面上并包括八1、211、1%^0、1、(:11、？6、3丨、0&、(:0、Ta、Re或Ni或其組合，并且第一層的化學(xué)組成與第二層的化學(xué)組成不同。通常，選擇第一層22以提供對顆粒芯部14的強冶金接合并限制顆粒芯部14與涂覆層16，特別是第一層22之間的相互滲透?？梢赃x擇第二層24以提高金屬涂覆層16的強度和/或提供強的冶金接合并促進與相鄰粉末顆粒12的第二層24的燒結(jié)。在一種示例性實施方案中，選擇金屬涂覆層16的各個層以便促進如本文中所述的涂覆層16響應(yīng)于井眼(包括井眼流體)的性質(zhì)變化的選擇性和可控的溶解。但是，這僅是示例性的，要理解的是，對各個層的其它選擇條標(biāo)準(zhǔn)也可使用。例如，可以選擇任意各層以促進如本文中所述的涂覆層16響應(yīng)于井眼(包括井眼流體)的性質(zhì)變化的選擇性和可控的溶解。用在包含Mg的顆粒芯部14上的雙層金屬涂覆層16的示例性實施方案包括包含的Al/Ni和A1/W的第一 /第二層組合。在又一種實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn或其組合作為芯部材料18，并且更特別可以包括純Mg和Mg合金，并且涂覆層16如圖4所示包括三個層。該第一層22布置在顆粒芯部14上并可以包括Al或Ni或其組合。第二層24布置在第一層22上并可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni，或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述第二層材料的任意組合。第三層26布置在第二層24上并可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或其組合。在三層構(gòu)造中，相鄰層的組成不同，使得該第一層具有不同于第二層的化學(xué)組成，第二層具有不同于第三層的化學(xué)組成。在一種示例性實施方案中，可以選擇第一層22以提供對顆粒芯部14的強冶金接合并限制顆粒芯部14與涂覆層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、或限制顆粒芯部14或第一層22和外部或第三層26之間的相互擴散，或促進第三層26與第一層22之間的接合和強冶金接合，或它們的任意組合?？梢赃x擇第三層26以提供與相鄰粉末顆粒12的第三層26的強冶金接合并促進與之燒結(jié)。但是，這僅是示例性的，要理解的是，對各個層的其它選擇標(biāo)準(zhǔn)也可使用。例如，可以選擇任意各層以促進如本文中所述的涂覆層16響應(yīng)于井眼(包括井眼流體)的性質(zhì)變化的選擇性和可控的溶解。用在包含Mg的顆粒芯部上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 /第三層組合。在又一種實施方案中，顆粒芯部14包括Mg、Al、Mn或Zn或其組合作為芯部材料18，并且更特別可以包括純Mg和Mg合金，并且涂覆層16如圖5所示包括四個層。在該四層構(gòu)造中，如本文所述，該第一層22可以包括Al或Ni或其組合。第二層24可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物、碳化物或前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、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物或前述第三層材料的任意組合。該第四層28可以包括Al、Mn、Fe、Co、Ni或其組合。在四層構(gòu)造中，相鄰層的組成不同，使得該第一層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)組成，并且第三層26的化學(xué)組成不同于第四層28的化學(xué)組成。在一種示例性實施方案中，各個層的選擇類似于上文對三層構(gòu)造所述的那樣，關(guān)于內(nèi)(第一)層和外(第二)層，該第二和第三層可用于提供提高的層間粘合、整個金屬涂覆層16的強度、有限的層間擴散或可選和可控的溶解或其組合。但是，這僅是示例性的，要理解的是，對各個層的其它選擇標(biāo)準(zhǔn)也可使用。例如，可以選擇任意各層以促進如本文所述的涂覆層16響應(yīng)于井眼(包括井眼流體)的性質(zhì)變化的選擇性和可控的溶解。多層構(gòu)造中各個層的厚度可以在各層之間以任何方式分配，只要層厚度的總和提供納米級涂覆層16，包括如本文中所述的層厚度。在一種實施方案中，該第一層22和外層(24、26或28，取決于層數(shù)量)可以比其它層(如果存在的話)更厚，因為在燒結(jié)粉末壓塊200的過程中需要提供足夠的材料以促進第一層22與顆粒芯部14的所需結(jié)合，或與相鄰粉末顆粒12的外層的結(jié)合。
如圖7所示，粉末10還可以包括散布在多個粉末顆粒12中的附加或第二粉末30。在一種示例性實施方案中，該第二粉末30包括多個第二粉末顆粒32?？梢赃x擇這些第二粉末顆粒32以改變由粉末10和第二粉末30形成的粉末顆粒壓塊200的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、機械性質(zhì)或其它性質(zhì)，或此類性質(zhì)的組合。在一種示例性實施方案中，性質(zhì)變化可以包括由粉末10和第二粉末30形成的粉末壓塊200的抗壓強度的提高。在另一種示例性實施方案中，可以選擇該第二粉末30以促進如本文所述的粉末10和第二粉末30形成的顆粒壓塊200響應(yīng)于井眼(包括井眼流體)的性質(zhì)變化的選擇性和可控的溶解。第二粉末顆粒32可以是未涂覆的，或涂覆有金屬涂覆層36。當(dāng)涂覆時，包括單層或多層涂層，該第二粉末顆粒32的涂覆層36可以包含與粉末顆粒12的涂覆材料20相同的涂覆材料40，或者該涂覆材料40可以不同。該第二粉末顆粒32 (未涂覆)或顆粒芯部34可以包括任何合適的材料以提供所需益處，包括許多金屬。該第二粉末顆粒32 (未涂覆)的芯部材料或顆粒芯部34還可以包括如本文所述分散的多個分散的第二碳納米顆粒92。第二分布的碳納米顆粒92可以是本文中所述那些的任意種類，并且可以與第一碳納米顆粒是相同的納米顆粒和分布，或是不同的納米顆粒和/或不同的分布。類似于第一碳納米顆粒90，第二碳納米顆粒92還可以包括布置在其上的金屬層93?？梢赃x擇金屬層93的組成以包括與第二芯部材料38相同的組成以改善第二碳納米顆粒92向熔體中的混合，或可以選擇具有不同于第二芯部材料38的組成，并且可以選擇以便例如與第二芯部材料38合金化和混合，或避免與第二芯部材料38合金化和混合。金屬層93還可以通過任何合適的方法布置在第二碳納米顆粒92上，所述方法包括各種化學(xué)或物理沉積法，更特別包括鍍覆、化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積法，甚至更特別通過各種FBCVD法。在一種示例性實施方案中，當(dāng)使用包含Mg、Al、Mn或Zn或其組合的涂覆的粉末顆粒12時，合適的第二粉末顆粒32可以包括N1、W、Cu、Co或Fe或其組合。由于第二粉末顆粒32也將配置用于在預(yù)定燒結(jié)溫度(Ts)下固態(tài)燒結(jié)為粉末顆粒12，顆粒芯部34 (包括任何分布的第二碳納米顆粒92)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低于Tap和TA。。還將理解的是，第二粉末30不限于一種附加粉末顆粒32類型(即第二粉末顆粒)，而是可以以任意數(shù)量包括多種粉末顆粒32(即第二、第三、第四等等類型的附加粉末顆粒32)，它們各自還可以包括分布的第二碳納米顆粒92。參照圖8，公開了制造金屬粉末10的方法300的示例性實施方案。方法300包括形成310如本文所述的包括分布的碳納米顆粒90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是由此如本文中所述在顆粒芯部14上布置涂覆層16的方法。顆粒芯部14的形成310可以通過用于形成所需芯部材料18的多個顆粒芯部14的任何合適方法實施，其基本上包括形成芯部材料18的粉末的方法。合適的粉末形成方法包括機械方法，包括機加工、纟先削、沖擊和用于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、由液體或氣體中沉淀、固體-固體反應(yīng)性合成和其它化學(xué)粉末形成法；霧化方法，包括氣體霧化、液體和水霧化、離心霧化、等離子體霧化和用于形成粉末的其它霧化方法；以及各種蒸發(fā)和冷凝方法。分布的碳納米顆粒90可以通過任何合適的分布或分散方法分散在顆粒芯部14與芯部材料18中，該方法可以與形成該顆粒芯部14的方法相容。在一種示例性實施方案中，可以使用霧化方法，如真空噴霧成形或惰性氣體噴霧成形來制造包含Mg的顆粒芯部14。分布的碳納米顆粒90可以在霧化以形成顆粒芯部14之前分布在芯部材料18的熔體中，例如通過使用各種混合方法將碳納米顆粒90添加到熔體中。在一種示例性實施方案中，碳納米顆粒90可以包括布置在其上的金屬層91?？梢赃x擇金屬層91的組成以包括與芯部材料18相同的組合以改善碳納米顆粒90向熔體中的混合，或可以選擇以具有不同于芯部材料18的組成，并且可以選擇以便例如與芯部材料18合金化和混合，或避免與芯部材料18混合和合金化。金屬層91可以通過任何合適的方法布置在碳納米顆粒90上，包括各種化學(xué)或物理沉積方法，更特別包括鍍覆、化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積法，甚至更特別通過各種FBCVD方法。在多個顆粒芯部14上沉積320金屬涂覆層16可以使用任何合適的沉積方法實施，所述沉積方法包括各種薄膜沉積方法，例如化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積法。在一種示例性實施方案中，金屬涂覆層16的沉積320使用流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)實施。通過FBCVD沉積320金屬涂覆層16包括使反應(yīng)性流體作為涂覆介質(zhì)(其包括所需金屬涂覆材料20)在合適條件下流過在反應(yīng)器容器中硫化的顆粒芯部14的床層，所述條件包括足以引發(fā)涂覆介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生所需金屬涂覆材料20并引發(fā)其在顆粒芯部14表面上沉積以形成涂覆的粉末顆粒12的溫度、壓力和流量條件等等。所選的反應(yīng)性流體將取決于所需的金屬涂覆材料20，并通常包含包括待沉積的金屬材料的有機金屬化合物，如四羰基鎳(Ni (CO) 4)、六氟化鎢(WF6)和三乙基鋁(C6H15Al)，其在載流流體(如氦氣或氬氣)中輸送。該反應(yīng)性流體，包括載流流體，導(dǎo)致多個顆粒芯部14的至少一部分懸浮在該流體中，由此使得懸浮的顆粒芯部14的整個表面暴露于該反應(yīng)性流體，所述反應(yīng)性流體包括例如所需有機金屬成分，并能夠在顆粒芯部14的整個表面上沉積金屬涂覆材料20和涂覆層16，使得它們能夠各自變成本文中所述的具有金屬涂覆層16的封閉成形的涂覆的顆粒12。如本文中也描述的那樣，各金屬涂覆層16可以包括多個涂覆層。涂覆材料20可以通過以下方法以多個層沉積以形成多層金屬涂覆層16:重復(fù)上述沉積320步驟并改變330反應(yīng)性流體以便對各相繼層(其中各相繼層沉積在顆粒芯部14外表面上，其已經(jīng)包括構(gòu)成金屬涂覆層16的任何預(yù)先沉積的涂覆層或?qū)?提供所需金屬涂覆材料20。各個層(例如22、24、26、28等)的金屬涂覆材料20可以彼此不同，并且可以通過使用構(gòu)造成在流化床反應(yīng)器中在顆粒芯部14上制造所需金屬涂覆層16的不同反應(yīng)性介質(zhì)提供這種差異。如圖1和9中所示，可以選擇包括分布的碳納米顆粒90的顆粒芯部14和芯部材料18，以及金屬涂覆層16和涂覆材料20以提供配制用于壓制和燒結(jié)以提供粉末壓塊200的粉末顆粒12和粉末10，所述粉末壓塊200為輕重量(即具有相對低的密度)、高強度并可以響應(yīng)于井眼性質(zhì)變化可選并可控地從井眼中除去，所述性質(zhì)變化包括可選并可控地溶解在適當(dāng)?shù)木哿黧w，包括本文中公開的各種井眼流體中。粉末壓塊200包括納米基體材料220的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體216，其具有分散遍及蜂窩狀納米基體216的多個分散顆粒214。燒結(jié)金屬涂覆層16形成的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體216和納米基體材料220通過壓制和燒結(jié)多個金屬粉末顆粒12的多個金屬涂覆層16來形成。由于與本文中所述的燒結(jié)相關(guān)的擴散效果，納米基體材料220的化學(xué)組成可以不同于涂覆材料20。粉末金屬復(fù)合材料200還包括多個分散的顆粒214，所述分散的顆粒214包含顆粒芯部材料218。當(dāng)金屬涂覆層16燒結(jié)在一起形成納米基體216時，分散的顆粒芯部214和芯部材料218對應(yīng)于多個粉末顆粒12的顆粒芯部14和芯部材料18并由其形成。由于與本文中所述的燒結(jié)相關(guān)的擴散效果，芯部材料218的化學(xué)組成可以不同于芯部材料18的。分布的碳納米顆粒290如本文中所述分布在分散的顆粒214中，并如本文中所述可以包含在所有分散的顆粒214中，或僅包含在其一部分中。由具有布置在其上的金屬層91的碳納米顆粒90形成的分布的碳納米顆粒290在該壓塊中可以保留該層的全部或一部分作為分布的碳納米顆粒291。如本文中所用，使用術(shù)語基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體216并不意味著粉末壓塊的主要成分，而是指一種次要成分或多種次要成分，無論按重量還是按體積計。這不同于大多數(shù)基體復(fù)合材料，其中該基體包含按重量或體積計的主要成分。使用術(shù)語基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體想要描述納米基體材料220在粉末壓塊200中的分布的廣泛、規(guī)則、連續(xù)或互連的性質(zhì)。如本文中所用，“基本連續(xù)”描述了納米基體材料遍及整個粉末壓塊200延伸，使得其在幾乎所有分散顆粒214之間延伸并遮蓋了幾乎所有分散顆粒214?；具B續(xù)用于表明在各分散顆粒214周圍的納米基體不需要具有完全連續(xù)性和規(guī)則次序(regular order)。例如，在某些粉末顆粒12上的顆粒芯部14上的涂覆層16中的缺陷可以導(dǎo)致在燒結(jié)粉末壓塊200過程中顆粒芯部14的橋連，由此導(dǎo)致在蜂窩狀納米基體216中的局部不連續(xù)性結(jié)果，即使在該粉末壓塊的其它部分中，該納米基體是基本連續(xù)的并表現(xiàn)出本文中所述的結(jié)構(gòu)。如本文中所用，“蜂窩狀”用于表示該納米基體限定了包含分散顆粒214并與之互連的通常重復(fù)的、互連的納米基體材料220隔室或胞室的網(wǎng)絡(luò)。如本文中所用，“納米基體”用于描述基體的尺寸或規(guī)模，特別是相鄰的分散顆粒214之間的基體厚度。燒結(jié)在一起形成該納米基體的金屬涂覆層本身是納米級厚度的涂覆層。由于大多數(shù)位置處(除了超過兩個分散顆粒214的交會處)的納米基體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的相互擴散和接合，因此形成的基體也具有納米級厚度(如本文中所述，例如為涂覆層厚度的約兩倍)并由此描述為納米基體。此外，使用術(shù)語“分散顆粒214”并不意味著粉末壓塊200的次要成分，而是指一種主要成分或多種主要成分，無論按重量還是按體積計。使用術(shù)語分散顆粒想要描述顆粒芯部材料218在粉末壓塊200中的不連續(xù)和離散的分布。粉末壓塊200可以具有任何所需的形狀或尺寸，包括可以機加工或以其它方式用于形成可用制品，包括各種井眼工具和部件的柱形坯段或棒的形狀或尺寸。用于形成前體粉末壓塊100的壓制和用于形成粉末壓塊200并使包括顆粒芯部14和涂覆層16的粉末顆粒12變形以提供真密度和粉末壓塊200的所需宏觀形狀與尺寸以及其顯微組織的燒結(jié)與壓制。粉末壓塊200的顯微組織包括分散顆粒214 (包括分布的碳納米顆粒290)的等軸構(gòu)造，所述分散顆粒遍及燒結(jié)涂層的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體216分散并嵌入到其中。這種顯微組織略微類似于具有連續(xù)晶界相的等軸晶粒顯微組織，除了其不需要使用能夠制造此類結(jié)構(gòu)的具有熱力學(xué)相平衡性質(zhì)的合金成分。相比之下，這種等軸的分散顆粒結(jié)構(gòu)與燒結(jié)的金屬涂覆層16的蜂窩狀納米基體216可以使用其中熱力學(xué)相平衡條件不會產(chǎn)生等軸結(jié)構(gòu)的成分制得。所述分散顆粒214的等軸形態(tài)和顆粒層的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)216是由于粉末顆粒12被壓縮并相互擴散和變形以填充顆粒間空間15 (圖1)時粉末顆粒12的燒結(jié)與變形?？梢赃x擇燒結(jié)溫度與壓力以確保粉末壓塊200的密度達到基本理論真密度。在圖1和9所示的一種示例性實施方案中，分散顆粒214由分散在燒結(jié)金屬涂覆層16的蜂窩狀納米基體216中的顆粒芯部14形成，并且該納米基體216包括冶金接合217，如固態(tài)冶金接合，或如圖10中示意性描述的遍及蜂窩狀納米基體216在所述分散顆粒214之間延伸的接合層219，其在燒結(jié)溫度(Ts)下形成，其中Ts低于T。和TP。如所示那樣，冶金接合217通過如本文中所述的在用于形成粉末壓塊200的壓制和燒結(jié)工藝過程中壓縮至緊密接觸(touching contact)的相鄰粉末顆粒12的涂覆層16之間的受控相互擴散而形成。在一種實施方案中，這可以包括通過如本文中所述的在用于形成粉末壓塊200的壓制和燒結(jié)工藝過程中壓縮至緊密接觸的相鄰粉末顆粒12的涂覆層16之間的固態(tài)相互擴散以固態(tài)形成的固態(tài)冶金接合217。這樣，蜂窩狀納米基體216的燒結(jié)涂覆層16包括接合層219，其具有由金屬涂覆層16的涂覆材料20的相互擴散程度限定的厚度(t)，其又由涂覆層16的性質(zhì)限定，包括它們是單一涂層還是多層涂層，是否已選擇它們是用于促進還是限制此類相互擴散，和其它因素，如本文中所述，以及燒結(jié)和壓制條件，包括用于形成粉末壓塊200的燒結(jié)時間、溫度和壓力。當(dāng)納米基體216形成時,包括接合217和接合層219,金屬涂覆層16的化學(xué)組成和/或相分布可以改變。納米基體216還具有熔化溫度(TM)。如本文中所用，Tm包括在納米基體216中發(fā)生初熔或熔析或其它形式的部分熔化時的最低溫度，而不考慮是否納米基體材料220包含純金屬、具有熔化溫度不同的多個相的合金或復(fù)合材料(包括多個具有不同熔化溫度的各種涂料層的復(fù)合材料)或其組合，或其它。當(dāng)分散顆粒214與顆粒芯部材料218與納米基體216與納米基體216—起形成時，金屬涂覆層16的成分向顆粒芯部14中的擴散也是可能的，這可導(dǎo)致顆粒芯部14的化學(xué)組成和/或相分布的變化。結(jié)果，分散顆粒214與顆粒芯部材料218 (包括分布的碳納米顆粒290)可以具有不同于Tp的熔化溫度(Tdp)0如本文中所用，Tdp包括在分散顆粒214中發(fā)生初熔或熔析或其它形式的部分熔化時的最低溫度，而不考慮是否顆粒芯部材料218包含純金屬、具有熔化溫度各自不同的多個相的合金或復(fù)合材料或其它。在一種示例性實施方案中，粉末壓塊200在燒結(jié)溫度(Ts)下形成，其中Ts低于t、TP、TM和TDP，并且燒結(jié)完全在固態(tài)下進行，產(chǎn)生固態(tài)接合層。在另一種示例性實施方案中，粉末壓塊200在燒結(jié)溫度(Ts)下形成，其中Ts高于或等于T。、Tp, Tm或Tdp中的一個或多個，并且燒結(jié)包括如本文中所述的在粉末壓塊200中的有限或部分熔化，并進一步可以包括液態(tài)或液相燒結(jié)，導(dǎo)致至少部分熔化并再凝固的接合層。在這種實施方案中，可以選擇預(yù)定Ts與預(yù)定燒結(jié)時間(ts)的組合以保持包含該蜂窩狀納米基體216和分散顆粒214的所需顯微組織。例如，如通過選擇不會導(dǎo)致顆粒芯部完全熔化的顆粒芯部14、Ts和ts，可以例如在全部或一部分納米基體216中允許發(fā)生局部熔析或熔化，只要保持該蜂窩狀納米基體216/分散顆粒214的形態(tài)。類似地，如通過選擇不是為涂覆層16完全熔化而提供的金屬涂覆層16、Ts和ts，可以例如在全部或一部分分散顆粒214中允許發(fā)生局部熔析，只要保持該蜂窩狀納米基體216/分散顆粒214的形態(tài)。金屬涂覆層16的熔化例如可以在燒結(jié)過程中沿著金屬層16/顆粒芯部14界面，或沿著多層涂覆層16的相鄰層之間的界面發(fā)生。要理解的是，超過預(yù)定值的Ts和ts的組合可產(chǎn)生其它顯微組織，如平衡熔體/再凝固顯微組織，如果例如納米基體216 (即金屬涂覆層16的結(jié)合)和分散顆粒214 (即顆粒芯部14)都熔化，由此使得這些材料可以快速相互擴散。分散顆粒214可以包含本文中對顆粒芯部14所述的任何材料，即使分散顆粒214的化學(xué)組成因本文中所述的擴散效應(yīng)而不同。在一種示例性實施方案中，分散顆粒214由顆粒芯部14形成,所述顆粒芯部14包含標(biāo)準(zhǔn)氧化電位大于或等于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中結(jié)合顆粒芯部14所公開的這些成分的其它組合。在這些材料中，本文中所述的具有包含Mg的分散顆粒214和由金屬涂料16形成的納米基體216的那些是特別有用的。如本文中結(jié)合顆粒芯部14所公開的那樣，Mg、Al、Zn或Mn或其組合的分散顆粒214和顆粒芯部材料218還可以包括稀土元素或稀土元素的組合。在另一種示例性實施方案中，分散顆粒214由包含金屬的顆粒芯部14形成，所述金屬電化學(xué)活性比Zn低，或是非金屬材料。如本文中所述，合適的非金屬材料包括陶瓷、玻璃(例如中空玻璃微球)或碳或其組合。粉末壓塊200的分散顆粒214可以具有任何合適的顆粒尺寸，包括本文中對顆粒芯部14所述的平均顆粒尺寸。分散顆粒214可以具有任何合適的形狀，取決于對顆粒芯部14和粉末顆粒12所選的形狀，以及用于燒結(jié)和壓制粉末10的方法。在一種示例性實施方案中，粉末顆粒12可以是球形或基本球形的，而分散顆粒214可以包括如本文中所述的等軸顆粒構(gòu)造?？梢酝ㄟ^選擇用于制造顆粒壓塊200的粉末10來影響分散顆粒214的分散的性質(zhì)。在一種示例性實施方案中，可以選擇具有粉末顆粒12尺寸的單峰分布的粉末10以形成粉末壓塊200，并通常如圖9中所示將在蜂窩狀納米基體216中產(chǎn)生分散顆粒214的顆粒尺寸的基本均勻的單峰分散。在另一種示例性實施方案中，可以選擇具有多個粉末顆粒(其具有顆粒芯部14，所述顆粒芯部具有相同的芯部材料18和不同的芯尺寸和相同的涂覆材料20)的多個粉末10并如本文中所述均勻混合以提供具有粉末顆粒12尺寸的均勻的多峰分布的粉末10，并如圖6和11中示意性描述的那樣可用于形成在蜂窩狀納米基體216中具有分散顆粒214的顆粒尺寸的均勻的多峰分散的粉末壓塊200。類似地，在再一種示例性實施方案中，可以選擇具有多個顆粒芯部14(其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)的多個粉末10并以非均勻方式分布以提供粉末顆粒尺寸的不均勻的多峰分布，并如圖12中示意性描述的那樣可用于形成在蜂窩狀納米基體216中具有分散顆粒214的顆粒尺寸的不均勻的多峰分散的粉末壓塊200。顆粒芯部尺寸分布的選擇可用于確定例如由粉末10制成的粉末壓塊200的蜂窩狀納米基體216中所述分散顆粒214的顆粒尺寸和顆粒間間距。如通常在圖7和13中所示那樣，粉末金屬復(fù)合材料200還可以如本文中所述使用涂覆的金屬粉末10和附加或第二粉末30形成。如本文中所述，使用附加粉末30提供了還包括多個分散的第二顆粒234的粉末壓塊200，所述第二顆粒234分散在該納米基體216中，并還相對于所述分散顆粒214分散。分散的第二顆粒234可以如本文中所述由涂覆或未涂覆的第二粉末顆粒32形成，并還可以如本文中所述包括第二分布的碳納米顆粒92。在一種示例性實施方案中，涂覆的第二粉末顆粒32可以用涂覆層36涂覆，該涂覆層36與粉末顆粒12的涂覆層16相同，使得涂覆層36也貢獻于該納米基體216。在另一種示例性實施方案中，該第二粉末顆粒232可以是未涂覆的，使得分散的第二顆粒234嵌在納米基體216中。第二分布的碳納米顆粒292可以如本文中所述分布在分散的第二顆粒234中，并可以包括在所有分散的第二顆粒234中，或僅包括在其一部分中，如本文中所述。由具有布置在其上的金屬層93的第二碳納米顆粒92形成的分布的第二碳納米顆粒292可以在壓塊中作為分布的第二碳納米顆粒293保留該層的全部或一部分。如本文中公開的那樣，粉末10和附加粉末30可以混合，以便如圖13所示形成分散顆粒214和分散的第二顆粒234的均勻分散體，或如圖14所示形成這些顆粒的不均勻分散體。由于顆粒芯部34和/或涂覆層36中的組成差異，該分散的第二顆粒234可以由不同于粉末10的任何合適的附加粉末30形成，并可以包括本文中公開的用作第二粉末30的任何材料，所述第二粉末30不同于選擇以形成粉末壓塊200的粉末10。在一種示例性實施方案中，分散的第二顆粒234可以包括Fe、N1、Co或Cu或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述材料的任意組合。納米基體216是彼此燒結(jié)的金屬涂覆層16的基本連續(xù)的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)。納米基體216的厚度將取決于用于形成粉末壓塊200的粉末10的性質(zhì)以及任何第二粉末30的混入，特別是與這些顆粒相關(guān)的涂層的厚度。在一種示例性實施方案中，納米基體216的厚度在粉末壓塊200的整個顯微組織中是基本均勻的，并包含粉末顆粒12的涂覆層16厚度的約兩倍。在另一種示例性實施方案中，該蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)216具有約50納米至約5000納米的在分散顆粒214之間的基本均勻的平均厚度。通過將相鄰顆粒的金屬涂覆層16經(jīng)本文中所述的相互擴散與接合層219的生成而相互燒結(jié)來形成該納米基體216。金屬涂覆層16可以是單一層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，可以選擇它們以促進和/或抑制在該層中的或在金屬涂覆層16的多個層之間的，或在金屬涂覆層16與顆粒芯部14之間的，或在金屬涂覆層16與相鄰粉末顆粒的金屬涂覆層16之間的擴散，燒結(jié)過程中金屬涂覆層16的相互擴散程度可以是受限的，或極大依賴于涂層厚度、所選的一種或多種涂覆材料、燒結(jié)條件和其它因素。鑒于成分的相互擴散和相互作用的潛在復(fù)雜性，納米基體216和納米基體材料220的所得化學(xué)組成的描述可以簡單地理解為還可包括分散顆粒214的一種或多種成分的涂覆層16成分的組合，取決于在所述分散顆粒214與納米基體216之間發(fā)生的相互擴散的程度(如果有任何相互擴散的話)。類似地，分散顆粒214與顆粒芯部材料218的化學(xué)組成可以簡單地理解為是還可以包括納米基體216和納米基體材料220的一種或多種成分的顆粒芯部14成分的組合，取決于在所述分散顆粒214與納米基體216之間發(fā)生的相互擴散的程度(如果有任何相互擴散的話)。在一種示例性實施方案中，該納米基體材料220具有一種化學(xué)組成，該顆粒芯部材料218具有不同于納米基體材料220的化學(xué)組成的化學(xué)組成，并且如本文中所述可以配置化學(xué)組成方面的差異以提供響應(yīng)于壓塊200附近的井眼性質(zhì)或條件的受控變化(包括與粉末壓塊200接觸的井眼流體的性質(zhì)變化)的可選和可控的溶解速率，包括從極低溶解速率可選擇地轉(zhuǎn)為極快速的溶解速率。納米基體216可以由具有單層和多層涂覆層16的粉末顆粒12形成。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的情況下，其可用于通過控制在給定層中、以及在涂覆層16和與之相關(guān)的顆粒芯部14之間的或涂覆層16與相鄰粉末顆粒12的涂覆層16之間的涂覆層成分的相互作用調(diào)整該蜂窩狀納米基體216以及納米基體材料220的組成。下面提供證明這種靈活性的幾個示例性實施方案。如圖10中所示，在一種示例性實施方案中，粉末壓塊200由粉末顆粒12形成，在粉末顆粒12中，該涂覆層16包含單一層，在多個分散顆粒214的相鄰顆粒之間的所得納米基體216包含一個粉末顆粒12的單一金屬涂覆層16、接合層219和另一相鄰粉末顆粒12的單一涂覆層16。接合層219的厚度(t)通過單一金屬涂覆層16之間相互擴散的程度來確定，并可包括納米基體216的整個厚度或僅包括其一部分。在使用單層粉末10形成粉末壓塊200的一種示例性實施方案中，粉末壓塊200可以包括如本文中所述包含Mg、Al、Zn或Mn或其組合的分散顆粒214，并且納米基體216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca,Co,Ta,Re或Ni或其氧化物、碳化物或氮化物，或前述材料的任意組合，包括其中蜂窩狀納米基體216的納米基體材料220 (包括接合層219)具有一種化學(xué)組成，分散顆粒214的芯部材料218具有不同于納米基體材料216的化學(xué)組成的化學(xué)組成的組合。如本文中所述，納米基體材料220與芯部材料218的化學(xué)組成方面的差異可用于提供響應(yīng)于井眼(包括井眼流體)的性質(zhì)變化的可選和可控的溶解。在由具有單一涂覆層構(gòu)造的粉末10形成粉末壓塊200的另一示例性實施方案中，分散顆粒214包括Mg、Al、Zn或Mn或其組合，蜂窩狀納米基體216包括Al或Ni或其組合。如圖15所示，在另一種示例性實施方案中，粉末壓塊200由其中涂覆層16包含具有多個涂覆層的多層涂覆層16的粉末顆粒12形成，并且在多個分散顆粒214的相鄰顆粒之間獲得的納米基體216包含多個層(t)，所述多個層包含一個顆粒12的涂覆層16、接合層219和包含另一粉末顆粒12的涂覆層16的多個層。在圖15中，這用雙層金屬涂覆層16來例示，但是要理解，多層金屬涂覆層16的多個層可以包括任意所需數(shù)量的層。接合層219的厚度(t)也通過各涂覆層16的多個層之間相互擴散的程度來確定，并可包括納米基體216的整個厚度或僅包括其一部分。在這種實施方案中，包括各涂覆層16的多個層可用于控制接合層219的相互擴散與形成以及厚度(t)。在使用具有多層涂覆層16的粉末顆粒12制得粉末壓塊200的一種示例性實施方案中，該壓塊包括如本文中所述包含Mg、Al、Zn或Mn或其組合的分散顆粒214，并且如圖3中所示，納米基體216包含燒結(jié)的雙層涂覆層16的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)，所述雙層涂覆層16包含布置在所述分散顆粒214上的第一層22和布置在第一層22上的第二層24。該第一層22包括 Al 或 Ni 或其組合，第二層 24 包括 Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re 或 Ni或其組合。在這些構(gòu)造中，選擇分散顆粒214和用于構(gòu)成納米基體216的多層涂覆層16的材料，使得相鄰材料的化學(xué)組成不同(例如分散顆粒/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制得粉末壓塊200的另一種示例性實施方案中，該壓塊包括如本文中所述包含Mg、Al、Zn或Mn或其組合的分散顆粒214，并且如圖4中所示，納米基體216包含燒結(jié)的三層金屬涂覆層16的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)，所述三層金屬涂覆層16包含布置在所述分散顆粒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、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述第二層材料的任意組合；第三層包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其組合。材料的選擇類似于本文中對使用雙層涂覆層粉末制得的粉末壓塊200所述的選擇考量，但是必須擴展至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制得粉末壓塊200的又一種示例性實施方案中，該壓塊包括如本文中所述包含Mg、Al、Zn或Mn或其組合的分散顆粒214，并且納米基體216包含燒結(jié)的四層涂覆層16的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)，所述四層涂覆層16包含布置在所述分散顆粒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、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述第二層材料的任意組合；第三層包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述第三層材料的任意組合；第四層包括Al、Mn、Fe、Co或Ni或其組合。材料的選擇類似于本文中對使用雙層涂覆層粉末制得的粉末壓塊200所述的選擇考量，但是必須擴展至包括用于第三和第四涂覆層的材料。在粉末壓塊200的另一種示例性實施方案中，分散顆粒214如本文中所述包含標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于Zn的金屬或非金屬材料或其組合，納米基體216包含燒結(jié)金屬涂覆層16的蜂窩狀網(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，納米基體216可以包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、碳化物或氮化物，或前述材料的任意組合作為納米基體材料220。參照圖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，其如本文中所述包括多個變形的、機械接合的粉末顆粒。通過如下方式形成前體粉末壓塊100:將粉末10壓制至粉末顆粒12壓入彼此中的程度，由此使它們變形并形成與這種形變相關(guān)的顆粒間機械或其它接合110，所述顆粒間機械或其它接合足以導(dǎo)致變形的粉末顆粒12彼此粘連和形成具有低于粉末10的完全致密壓塊的理論密度的生坯密度(部分由于顆粒間空隙15)的生坯狀態(tài)粉末壓塊。例如，可以通過在室溫下等靜壓粉末10以提供形成前體粉末壓塊100所必要的粉末顆粒12的變形和顆粒間接合來實施壓制。如本文中所述，包括包含Mg的分散顆粒214和包含各種納米基體材料的納米基體216的燒結(jié)和鍛造的粉末壓塊200已經(jīng)示范了機械強度與低密度的極佳組合，這例證了本文中公開的輕重量、高強度材料?？梢詷?gòu)造這些材料以提供寬范圍的由極低腐蝕速率至極高腐蝕速率的可選和可控的腐蝕或溶解行為，特別是比沒有混入該蜂窩狀納米基體的粉末壓塊(例如與包括在各種本文中所述蜂窩狀納米基體中的純Mg分散顆粒的那些相比，通過相同壓制和燒結(jié)過程由純Mg粉末形成的壓塊)更低和更高的腐蝕速率。還可以構(gòu)造這些粉末壓塊200以提供與由純Mg顆粒形成的粉末壓塊(不包括本文中所述的納米級涂層)相比極大提高的性質(zhì)。例如，本文中所述包括包含Mg的分散顆粒214和包含各種納米基體材料220的納米基體216的粉末壓塊200已經(jīng)示范了至少約37ksi的室溫抗壓強度，并已經(jīng)進一步示范了超過約50ksi的室溫抗壓強度，其是干燥的和浸沒在200的3%KC1溶液中的?；烊敕植嫉奶技{米顆粒，如分布的碳納米顆粒90,預(yù)期會進一步提高這些粉末壓塊200的抗壓強度值。相比之下，由純Mg粉末形成的粉末壓塊具有約20ksi或更低的抗壓強度。該納米基體粉末金屬復(fù)合材料200的強度可以通過優(yōu)化粉末10，特別是用于形成蜂窩狀納米基體216的納米級金屬涂覆層16的重量百分比來進一步改善。例如，改變氧化鋁涂層的重量百分比(重量％)——即厚度——改變了由純Mg顆粒芯部14上包括多層(A1/A1203/A1)金屬涂覆層16的涂覆的粉末顆粒12形成的蜂窩狀納米基體216的粉末壓塊200的室溫抗壓強度。在該實例中，在4重量％的氧化鋁下達到了最佳強度，即與O重量％氧化鋁相比表現(xiàn)出21%的提高。如本文中所述包含包括Mg的分散顆粒214和包括各種納米基體材料的納米基體216的粉末壓塊200已經(jīng)示范了至少約20ksi的室溫剪切強度。這與純Mg粉末形成的粉末壓塊形成對照，其具有約Sksi的室溫剪切強度?；烊敕植嫉奶技{米顆粒90預(yù)期進一步提高了這些粉末壓塊200的室溫剪切強度值。本文中公開的類型的粉末壓塊200能夠?qū)崿F(xiàn)基本等于以粉末10的組合物為基礎(chǔ)的壓塊材料(包括相對量的顆粒芯部14與金屬涂覆層16的成分)的預(yù)定理論密度的實際密度，并在本文中還描述為完全致密粉末壓塊。如本文中所述包含包括Mg的分散顆粒214和包括各種納米基體材料的納米基體216的粉末壓塊200已經(jīng)示范了約1.738克/立方厘米至約2.50克/立方厘米的實際密度，這基本上等于預(yù)定的理論密度，與預(yù)定理論密度相差最多4%?；烊敕植嫉奶技{米顆粒92 (包括具有更低的密度的那些，包括約1.3至約1.4克/立方厘米的密度)將降低這些密度，降低量取決于所用的分布的碳納米顆粒92的相對量?？梢詫⑷绫疚闹泄_的粉末壓塊200進行構(gòu)造以便響應(yīng)于井眼中變化的條件而可選和可控地可溶于井眼流體?？捎糜谔峁┛蛇x和可控溶解性的變化條件的實例包括溫度的變化、壓力的變化、流量的變化、PH的變化或井眼流體的化學(xué)組成的變化或其組合。包含溫度變化的變化條件的實例包括井眼流體溫度的變化。如本文中所述包含包括Mg的分散顆粒214和包括各種納米基體材料的蜂窩狀納米基體216的粉末壓塊200在室溫下在3%的KCl溶液中與在200下相對高的腐蝕速率(其為約I至約246毫克/平方厘米/小時，取決于不同的納米級涂覆層16)相比具有相對較低的腐蝕速率(其為約O至約11毫克/平方厘米/小時)。包含化學(xué)組成變化的變化條件的實例包括井眼流體的氯離子濃度和/或PH值的變化。例如，如本文中所述包含包括Mg的分散顆粒214和包括各種納米級涂層的納米基體216的粉末壓塊200在15%HC1中示范了約4750毫克/平方厘米/小時至約7432毫克/平方厘米/小時的腐蝕速率。因此，響應(yīng)于井眼中變化的條件(即井眼流體化學(xué)組成由KCl改變?yōu)镠Cl)的可選和可控的溶解性可用于實現(xiàn)特征響應(yīng)，使得在所選擇的預(yù)定臨界使用時間(CST)時，變化的條件可以在粉末壓塊應(yīng)用于給定用途(如井眼環(huán)境)時施加于該粉末壓塊200，這會導(dǎo)致響應(yīng)于應(yīng)用粉末壓塊的環(huán)境中的條件變化，粉末壓塊200的性質(zhì)發(fā)生可控的變化。例如，在預(yù)定的CST改變時，與粉末壓塊200接觸的井眼流體由提供隨時間改變的第一腐蝕速率和相關(guān)重量損失或強度的第一流體(例如KCl)改變成提供隨時間改變的第二腐蝕速率和相關(guān)重量損失與強度的第二井眼流體(例如HCl )，其中與第一流體相關(guān)的腐蝕速率遠(yuǎn)低于與第二流體相關(guān)的腐蝕速率。對井眼流體條件的特征響應(yīng)例如可用于將臨界使用時間與特定用途所需的尺寸損失限制或最小強度關(guān)聯(lián)在一起，使得當(dāng)由本文中公開的粉末壓塊200形成的井眼工具或部件不再需要在井眼中使用時(例如CST)，可以改變井眼中的條件(例如，井眼流體的氯離子濃度)以導(dǎo)致粉末壓塊200的快速溶解并將其從井眼中除去。在上述實施例中，粉末壓塊200可選地可以以約O至約7000毫克/平方厘米/小時的速率溶解。該響應(yīng)范圍使得能夠例如通過改變井眼流體而在少于一小時內(nèi)從井眼中除去3英寸直徑的由該材料形成的球。上述可選和可控的溶解性行為(與本文中所述的優(yōu)異的強度和低密度性質(zhì)結(jié)合)定義了一種新的分散顆粒-納米基體工程材料，其構(gòu)造用于與流體接觸并構(gòu)造為提供隨與流體接觸的時間變化而由第一強度條件向低于功能強度閾值的第二強度條件，或由第一重量損失量向高于重量損失極限的第二重量損失量的可選和可控地過渡。該分散顆粒-納米基體復(fù)合材料是本文中所述粉末壓塊200的特性，包括納米基體材料220的蜂窩狀納米基體216、分散在該基體中的多個包括顆粒芯部材料218的分散顆粒214。納米基體216的特征在于接合層219,如固態(tài)接合層,其遍及納米基體延伸。與上述流體接觸的時間可以包括上述CST。該CST可以包括溶解與流體接觸的粉末壓塊200的預(yù)定部分所需或要求的預(yù)定時間。該CST還可以包括相應(yīng)于該工程材料或流體或其組合的性質(zhì)變化的時間。在工程材料性質(zhì)變化的情況下，該變化可以包括工程材料的溫度變化。在其中流體性質(zhì)發(fā)生變化的情況下，該變化可以包括流體溫度、壓力、流量、化學(xué)組成或PH或其組合的變化?？梢哉{(diào)整該工程材料以及該工程材料或流體或其組合的性質(zhì)變化以提供所需的CST響應(yīng)特性，包括在CST之前和在CST之后該特定性質(zhì)變化(例如重量損失、強度損失)的速率。參照圖17，制造粉末壓塊200的方法400。方法400包括形成410包含具有顆粒芯部14的粉末顆粒12的涂覆金屬粉末10，所述顆粒芯部14具有布置在其上的納米級金屬涂覆層16，其中該金屬涂覆層16具有一種化學(xué)組成，該顆粒芯部14具有不同于該金屬涂料16的化學(xué)組成的化學(xué)組成。如本文中所述，方法400還包括通過向該涂覆粉末顆粒施加預(yù)定溫度和預(yù)定壓力形成420粉末壓塊，所述預(yù)定溫度和預(yù)定壓力足以通過固相燒結(jié)多個涂覆顆粒粉末12的涂覆的層以形成納米基體材料220的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體216和分散在納米基體216中的多個分散顆粒214。包含具有顆粒芯部14 (具有布置在其上的納米級金屬涂覆層16)的粉末顆粒12的涂覆金屬粉末10的形成410可以通過任何合適的方法實施。在一種示例性實施方案中，形成410包括使用如本文中所述的流化床化學(xué)氣相沉積(FBCVD)將如本文中所述的金屬涂覆層16施加到如本文中所述的顆粒芯部14上。施加該金屬涂覆層16可以包括施加如本文中所述的單層金屬涂覆層16或多層金屬涂覆層16。施加該金屬涂覆層16還可以包括在施加它們時控制單個層的厚度，以及控制金屬涂覆層16的總厚度?？梢匀绫疚闹兴鲂纬深w粒芯部14。粉末壓塊200的成形420可以包括成形粉末10的全致密壓塊的任何合適的方法。在一種示例性實施方案中，成形420包括生坯密度前體粉末壓塊100的動態(tài)鍛造成形以施加預(yù)定溫度和預(yù)定壓力，該預(yù)定溫度和預(yù)定壓力足以使該粉末顆粒燒結(jié)和變形并形成如本文中所述的全致密納米基體216與分散顆粒214。本文中所述的動態(tài)鍛造指的是在一定溫度下動態(tài)施加載荷一段足以促進相鄰粉末顆粒12的金屬涂覆層16的燒結(jié)的時間，并優(yōu)選包括在預(yù)定加載速率下和在足以形成燒結(jié)和全致密粉末壓塊200的溫度下施加動態(tài)鍛造載荷一段時間。在一種示例性實施方案中，動態(tài)鍛造包括:1)將前體或生坯狀態(tài)粉末壓塊100加熱至預(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之間的相互擴散的溫度；2)將前體粉末壓塊100保持在該燒結(jié)溫度下一段預(yù)定的保持時間，例如足以確保在整個前體壓塊100中燒結(jié)溫度基本均勻的時間；3)將前體粉末壓塊100鍛造至全密度，例如，通過在將壓塊保持在預(yù)定燒結(jié)溫度下的同時根據(jù)預(yù)定壓力進程或斜變速率施加足以快速實現(xiàn)全密度的預(yù)定鍛造壓力；和4)將該壓塊冷卻至室溫。在成形420過程中施加的預(yù)定壓力和預(yù)定溫度將包括燒結(jié)溫度Ts和鍛造壓力Pf，如本文中所述，這將確保粉末顆粒12的燒結(jié)(如固態(tài)燒結(jié))和變形以形成全致密粉末壓塊200 (包括接合217，如固態(tài)接合，和接合層219)。加熱并將前體粉末壓塊100保持在預(yù)定燒結(jié)溫度下一段預(yù)定時間的步驟可以包括溫度與時間的任何合適的組合，并將取決于例如所選的粉末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在前體粉末壓塊100中達到所需溫度和溫度均勻性所需的時間的其它因素。在鍛造步驟中，預(yù)定壓力可以包括任何合適的壓力和足以獲得全密度粉末壓塊200的壓力施加進程或壓力斜變速率，并將取決于例如所選粉末顆粒12的材料性質(zhì)，包括隨溫度變化的應(yīng)力/應(yīng)變特性(例如應(yīng)力/應(yīng)變特征)、相互擴散和冶金熱力學(xué)和相平衡特性、位錯動力學(xué)和其它材料性質(zhì)。例如，動態(tài)鍛造的最大鍛造壓力和鍛造進程(即符合所用應(yīng)變率的壓力斜變速率)可用于調(diào)整粉末壓塊的機械強度與韌性。最大鍛造壓力和鍛造斜變速率(即應(yīng)變率)是剛好低于壓塊開裂壓力的壓力，即，其中動態(tài)回復(fù)過程不能釋放壓塊顯微組織中的應(yīng)變能而又不會在壓塊中生成裂紋。例如，對于需要粉末壓塊具有相對較高的強度和較低的韌性的應(yīng)用，可以使用相對較高的鍛造壓力和斜變速率。如果需要粉末壓塊具有相對較高的韌性，可以使用相對較低的鍛造壓力和斜變速率。對于本文中所述的粉末10和具有足以形成許多井眼工具和部件的尺寸的前體壓塊100的某些示例性實施方案來說，可以使用約I至約5小時的預(yù)定保持時間。優(yōu)選如本文中所述選擇該預(yù)定燒結(jié)溫度Ts以避免顆粒芯部14 (包括分布的碳納米顆粒90)或金屬涂覆層16在方法400的過程中轉(zhuǎn)變以提供分散顆粒214和納米基體216時熔化。對于這些實施方案，動態(tài)鍛造可以包括施加鍛造壓力，例如以約0.5至約2ksi/秒的壓力斜變速率動態(tài)壓制至最高約80ksi。在其中顆粒芯部14包括Mg和金屬涂覆層16包括如本文中所述的各種單層和多層涂覆層，如包含Al的各種單層和多層涂層的示例性實施方案中，通過以下步驟實施動態(tài)鍛造:在不施加鍛造壓力的情況下在約450°C至約470°C的溫度Ts下燒結(jié)最多約I小時，接著通過以約0.5至約2ksi/秒的壓力斜變速率施加等靜壓力至約30ksi至約60ksi的最大壓力Ps (這導(dǎo)致15秒至約120秒的鍛造周期)進行動態(tài)鍛造?？梢愿鶕?jù)包括在顆粒芯部14中的分布的碳納米顆粒90的量來影響該鍛造周期，因為混入該納米顆?？梢栽阱懺爝^程中改變粉末顆粒12的動態(tài)響應(yīng)，如通過限制(例如減少)相關(guān)位錯運動和滑動機制。鍛造周期的短持續(xù)時間是顯著的優(yōu)點，因為這將相互擴散(包括在給定的金屬涂覆層16中的相互擴散，在相鄰金屬涂覆層16之間的相互擴散和在金屬涂覆層16與顆粒芯部14之間的相互擴散)限制在形成冶金接合217與接合層219所需的相互擴散，同時還保持了所需的等軸的分散顆粒214形狀與蜂窩狀納米基體216強化相的完整性。動態(tài)鍛造周期的持續(xù)時間遠(yuǎn)短于常規(guī)粉末壓塊成形方法所需的成形周期和燒結(jié)時間，如熱等靜壓(HIP)、壓力輔助燒結(jié)或擴散燒結(jié)。 方法400還可以任選包括通過如下方式成形430前體粉末壓塊:在成形420粉末壓塊前將多個涂覆粉末顆粒12壓制到足以使顆粒變形并形成彼此的顆粒間接合，并形成前體粉末壓塊100。壓制可以包括將多個粉末顆粒12在室溫下擠壓(如熱等靜壓)以形成前體粉末壓塊100。壓制430可以在室溫下實施。在一種示例性實施方案中，粉末10可以包括包含Mg的顆粒芯部14，并且成形430前體粉末壓塊可以在室溫下在約IOksi至約60ksi的等靜壓下實施。方法400還可任選包括在成形420粉末壓塊或成形430前體粉末壓塊之前如本文中所述將第二粉末30混合440到粉末10中。在不受理論束縛的情況下，由涂覆粉末顆粒12形成粉末壓塊200，所述粉末顆粒12包括顆粒芯部14和相關(guān)芯部材料18以及金屬涂覆層16和相關(guān)金屬涂覆材料20，以便形成基本連續(xù)的三維的蜂窩狀納米基體216，所述蜂窩狀納米基體216包括燒結(jié)和相關(guān)擴散接合各涂覆層16形成的納米基體材料220，其包括多個顆粒芯部材料218的分散顆粒214。這種獨特的結(jié)構(gòu)可以包括材料的亞穩(wěn)組合，所述材料的亞穩(wěn)組合極難或不可能通過凝固由具有相同的相對量組成材料的熔體形成?？梢赃x擇該涂覆層和相關(guān)的涂覆材料以提供在預(yù)定流體環(huán)境(如井眼環(huán)境)中可選和可控的溶解，其中預(yù)定流體是通常使用的井眼流體，其注入井眼或從井眼中提出。如從本文中的描述進一步理解的是，納米基體的受控溶解暴露出該芯部材料的所述分散顆粒。也可以選擇顆粒芯部材料以提供在井眼流體中的可選和可控的溶解?；蛘?，還可以選擇它們以便向粉末壓塊200提供特定的機械性質(zhì)，如抗壓強度或剪切強度，而不必提供芯部材料本身的可選和受控的溶解，因為這些顆粒周圍的納米基體材料的可選和受控溶解將必須釋放它們，使得它們被井眼流體帶走。具有分散顆粒214(可以對其選擇以提供等軸分散顆粒214)的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體216 (對其選擇以提供強化相材料)的顯微組織形態(tài)提供了具有提高的機械性質(zhì)的這些粉末壓塊，所述機械性質(zhì)包括抗壓強度和剪切強度，因為可以通過類似于傳統(tǒng)強化機理(例如晶粒尺寸減小、通過使用雜質(zhì)原子的固溶硬化、沉淀或時效硬化和強度/加工硬化機理)的方法控制該納米基體/分散顆粒的所得形態(tài)以提供強化。如本文中所述，該納米基體/分散顆粒結(jié)構(gòu)傾向于通過大量的顆粒納米基體界面、納米基體材料中的離散層之間的界面和混入分布的碳納米顆粒90或第二分布的碳納米顆粒92限制位錯運動。響應(yīng)于足以引發(fā)失效的剪切應(yīng)力，這些材料的粉末壓塊的斷裂行為可以表現(xiàn)出不規(guī)則斷裂。相比之下，如本文中所述，使用具有形成分散顆粒214的純Mg粉末顆粒芯部14和形成納米基體216的包括Al的金屬涂覆層16的粉末顆粒12制得并施以足以引發(fā)失效的剪切應(yīng)力的粉末壓塊200顯示出穿晶斷裂和顯著更高的斷裂應(yīng)力。因為這些材料具有高強度特性，所以可以選擇該芯部材料和涂覆材料以利用無法以其它方式提供用于所需用途(包括井眼工具和部件)的必要強度特性的低密度材料或其它低密度材料，如低密度金屬、陶瓷或玻璃。雖然已經(jīng)顯示和描述了一種或多種實施方案，單可以在不偏離本發(fā)明的精神與范圍的情況下進行改變和置換。因此，要理解的是已經(jīng)通過例示而非限制的方式描述了本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.粉末金屬復(fù)合材料，包含: 包含納米基體材料的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體； 分散在所述蜂窩狀納米基體中的包含顆粒芯部材料的多個分散顆粒，所述顆粒芯部材料包含Mg、Al、Zn或Mn或其組合,所述分散顆粒的芯部材料包含多個分布的碳納米顆粒；和 在分散顆粒之間遍及蜂窩狀納米基體延伸的接合層。
2.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述接合層包含固態(tài)接合層。
3.權(quán)利要求2的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述納米基體材料具有熔化溫度(TM)，所述顆粒芯部材料具有熔化溫度(Tdp);其中壓塊在燒結(jié)溫度(Ts)下以固態(tài)可燒結(jié)，并且Ts低于Tm 和 TDP。
4.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述接合層包含部分熔化并再凝固的接合層。
5.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述顆粒芯部材料包含Mg-Zn、Mg-Zn、Mg-Al、Mg-Mn 或 Mg-Zn-Y。
6.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述芯部材料包含Mg-Al-X合金,其中X包含Zn、Mn、S1、Ca或Y或其組合。
7.權(quán)利要求6的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述Mg-Al-X合金包含按重量計至多約85%的Mg、至多約15%的Al和至多約5%的X。
8.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述分散顆粒進一步包含稀土元素。
9.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述分散顆粒具有約5微米至約300微米的平均顆粒尺寸。
10.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中分散顆粒的分散包括在所述蜂窩狀納米基體中的基本均質(zhì)的分散。
11.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中分散顆粒的分散包括在所述蜂窩狀納米基體中的顆粒尺寸的多峰分布。
12.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述分散顆粒具有等軸的顆粒形狀。
13.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，進一步包含多個分散的第二顆粒，其中所述分散的第二顆粒也分散在所述蜂窩狀納米基體中并相對于所述分散顆粒。
14.權(quán)利要求13的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述分散的第二顆粒包含F(xiàn)e、N1、Co或Cu或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述材料的任意組合。
15.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述納米基體材料包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、碳化物或氮化物，或前述材料的任意組合，并且其中所述納米基體材料具有一種化學(xué)組成，和所述顆粒芯部材料具有不同于所述納米基體材料的化學(xué)組成的化學(xué)組成。
16.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述蜂窩狀納米基體具有約50納米至約5000納米的平均厚度。
17.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中由包含多個粉末顆粒的燒結(jié)粉末形成所述壓塊，各粉末顆粒具有在燒結(jié)時包含分散顆粒和布置在其上的單一金屬涂覆層的顆粒芯部，并且其中在多個分散顆粒的相鄰顆粒之間的所述蜂窩狀納米基體包含一種粉末顆粒的單一金屬涂覆層、所述接合層和另一粉末顆粒的單一金屬涂覆層。
18.權(quán)利要求17的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述分散顆粒包含Mg，所述蜂窩狀納米基體包含Al或Ni或其組合。
19.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中由包含多個粉末顆粒的燒結(jié)粉末形成所述壓塊，各粉末顆粒具有在燒結(jié)時包含分散顆粒和布置在其上的多個金屬涂覆層的顆粒芯部，并且其中在多個分散顆粒的相鄰顆粒之間的所述蜂窩狀納米基體包含一種粉末顆粒的多個金屬涂覆層、所述接合層和另一粉末顆粒的多個金屬涂覆層，并且其中多個金屬涂覆層的相鄰?fù)扛矊泳哂胁煌幕瘜W(xué)組成。
20.權(quán)利要求19的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述多個層包含布置在所述顆粒芯部上的第一層和布置在所述第一層上的第二層。
21.權(quán)利要求20的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述分散顆粒包含Mg，且所述第一層包含Al 或 Ni 或其組合，且所述第二層包含 Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re 或 Ni或其組合，其中所述第一層具有不同于所述第二層的化學(xué)組成的化學(xué)組成。
22.權(quán)利要求21的粉末金屬復(fù)合材料，權(quán)利要求18的金屬粉末，進一步包含布置在第二層上的第三層。
23.權(quán)利要求22的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述第一層包含Al或Ni或其組合，所述第二層包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述第二層材料的任意組合，且所述第三層包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其組合，其中所述第二層具有不同于所述第三層的化學(xué)組成的化學(xué)組成。
24.權(quán)利要求23的粉末金屬復(fù)合材料，進一步包含布置在第三層上的第四層。
25.權(quán)利要求24的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述第一層包含Al或Ni或其組合，所述第二層包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述第二層材料的任意組合，所述第三層包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、氮化物或碳化物，或前述第三層材料的任意組合，并且所述第四層包含Al、Mn、Fe、Co或Ni或其組合，其中所述第二層具有不同于所述第三層的化學(xué)組成的化學(xué)組成，所述第三層具有不同于所述第三層的化學(xué)組成的化學(xué)組成。
26.權(quán)利要求1的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述碳納米顆粒包括石墨烯、富勒烯或納米金剛石納米顆粒或其組合。
27.權(quán)利要求26的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述芯部材料包含富勒烯，所述富勒烯包括單壁納米管、多壁納米管、巴基球或巴基球團簇或其組合。
28.權(quán)利要求26的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述分布的碳納米顆粒具有約0.1納米至約100納米的至少一種尺寸。
29.權(quán)利要求26的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述碳納米顆?；揪鶆虻胤稚⒃谒龇稚㈩w粒中。
30.權(quán)利要求26的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述碳納米顆?；静痪鶆虻胤稚⒃谒龇稚㈩w粒中。
31.權(quán)利要求30的粉末金屬復(fù)合材料， 其中所述碳納米顆粒分散在所述分散顆粒周邊附近。
32.粉末金屬復(fù)合材料,包含: 包含納米基體材料的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體；分散在所述蜂窩狀納米基體中的多個包含顆粒芯部材料的分散顆粒，所述顆粒芯部材料包含標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于Zn的金屬、陶瓷、玻璃或碳或其組合，所述分散顆粒的芯部材料包含多個分布的碳納米顆粒；和 在分散顆粒之間遍及蜂窩狀納米基體延伸的接合層。
33.權(quán)利要求32的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述納米基體材料包含Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、S1、Ca、Co、Ta、Re或Ni或其氧化物、碳化物或氮化物，或前述材料的任意組合，并且其中所述納米基體材料具有一種化學(xué)組成，和所述芯部材料具有不同于所述納米基體材料的化學(xué)組成的化學(xué)組成。
34.權(quán)利要求32的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述碳納米顆粒包括石墨烯、富勒烯或納米金剛石納米顆粒或其組合。
35.權(quán)利要求34的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述芯部材料包含富勒烯，所述富勒烯包括單壁納米管、多壁納米管、巴基球或巴基球團簇或其組合。
36.權(quán)利要求32的粉末金屬復(fù)合材料,其中所述接合層包含固態(tài)接合層。
37.權(quán)利要求36的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述納米基體材料具有熔化溫度(TM)，所述顆粒芯部材料具有熔化溫度(Tdp);其中所述壓塊在燒結(jié)溫度(Ts)下以固態(tài)可燒結(jié)，并且Ts低于Tm和TDP。
38.權(quán)利要求32的粉末金屬復(fù)合材料，其中所述接合層包含部分熔化并再凝固的接合層。
全文摘要
公開了粉末金屬復(fù)合材料。該粉末金屬復(fù)合材料包括包含納米基體材料的基本連續(xù)的蜂窩狀納米基體。該壓塊還包括分散在該納米基體中的多個包含顆粒芯部材料的分散顆粒以及在所述分散顆粒之間在整個納米基體中延伸的接合層，所述顆粒芯部材料包含Mg、Al、Zn或Mn或其組合，所述分散顆粒的芯部材料包含多個分布的碳納米顆粒。該納米基體粉末金屬復(fù)合材料是獨特的輕重量高強度材料，還可以提供獨特地可選且可控的腐蝕性質(zhì)，包括非?？斓母g速率，可用于制造多種可降解或可處置制品，包括各種井下工具和部件。
文檔編號B82B1/00GK103189154SQ201180052095
公開日2013年7月3日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者徐志躍, S·查克拉伯蒂, G·阿格拉瓦爾 申請人:貝克休斯公司