本發(fā)明涉及一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金及其制備方法，鑄造鋁合金可作為石油天然氣開采用的多級滑套分段壓裂技術(shù)用壓裂工具材料。屬于壓裂工具材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

頁巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源。近幾年來，美國頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)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)是近年來油氣井工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)新型石油、天然氣儲(chǔ)層改造技術(shù)，主要應(yīng)用與頁巖氣和低滲透儲(chǔ)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(chǔ)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)鍵部位之一是壓裂工具，包括憋壓球、球座及滑套等，壓裂工具材料要求具有耐壓及快速降解的特點(diǎn)。

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、Al₂O₃等，然后再把鍍層后復(fù)合粉末進(jìn)行燒結(jié)，獲得具有一定降解性能的納米復(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。中國專利(專利號201300901104160)公布了一種輕質(zhì)耐壓快速分解的鑄造鎂合金，采用含高鋁高鋅含量的Mg-Al-Zn系合金為基礎(chǔ)，通過添加Cu、Ni、Ag等元素，調(diào)控合金的降解性能，使合金具有輕質(zhì)耐壓快速降解的特征，但因鎂的活性比較高，強(qiáng)度相對鋁較低，生產(chǎn)上具有較大的安全隱患性，所制備的材料結(jié)構(gòu)不均勻，而且材料的制備成本相對比較高，不適合壓裂工具的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

鋁合金具有活性比較低、強(qiáng)度明顯超過鎂合金、生產(chǎn)較為安全及工藝相對比較簡單等優(yōu)點(diǎn)。美國專利(專利號US2007/0181224A1、US20080105438)報(bào)道了以Al-Mg-Si系合金為基礎(chǔ)，通過添加Ga、Zn、Bi、Sn等元素，采用熔煉鑄造發(fā)制備了可降解的Al-Mg-Ga-Zn-Bi-Sn系合金，但合金的強(qiáng)度較低(低于350MPa)，其降解速度達(dá)不到壓裂工具的要求。中國專利(專利號201410819770.9)公布了一種高強(qiáng)可降解鋁合金材料的制備方法，同樣以Al-Mg-Si系合金為基礎(chǔ)，采用Sn、Mn、Ga、In、Zn等元素為添加劑，加入到鋁中，通過熔煉鑄造方法制備成Al-Mg-Si-Sn-Ga-In系合金，并通過熱處理提高其降解性能，但該合金的降解速率低，在50℃水中的降解速率低于0.3g/h，同時(shí)該材料的強(qiáng)度達(dá)不到壓裂工具的要求。中國專利(專利號201610327671.8)公布了一種于水及水介質(zhì)環(huán)境中可降解的鋁基合金，采用低Cu、低Mg含量的鋁合金為基礎(chǔ)，合金由90wt.％～94wt.％的Al、1.8wt.％～4.8wt.％的低熔點(diǎn)金屬以及2.5wt.％～7.6wt.％的強(qiáng)化鋁合金元素組成，其中低熔點(diǎn)金屬為Ga、In和Sn，強(qiáng)化鋁合金元素為Cu和Mg，其中Cu含量為1～2.4wt.％，Mg含量為1.5～5wt.％，該發(fā)明的合金的起始反應(yīng)溫度只是50～85℃，但在開采頁巖氣時(shí)，地下的溫度超過了90℃，因此需要壓裂工具的承載溫度在90℃以上，所以導(dǎo)致該材料很難用于環(huán)境惡劣的工況。

為了提高強(qiáng)度和降解速率，降低生產(chǎn)成本，制備具有高強(qiáng)度可降解的滿足壓裂工具用的材料，本發(fā)明者提出通過優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)，采用熔煉鑄造方法，制備耐壓快速降解的鑄造鋁合金，以滿足多級滑套分段壓裂技術(shù)中對壓裂工具材料的分解性能要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在針對現(xiàn)有頁巖氣開采用的多級滑套分段壓裂技術(shù)中所使用的壓裂工具材料的技術(shù)不足和缺陷，提出一種組分配比合理、生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉、可快速降解的鑄造鋁合金及其制備方法，使鋁合金的降解性能超過現(xiàn)有報(bào)道的可降解鑄造鎂合金與鋁合金，以滿足壓裂工具對材料的要求。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金，包含以下重量百分比的組分：

Cu：4～8％，

Mg：3～8％，

Sn：0～5％，

余量為Al，各組分重量百分之和為100％。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金，包含以下重量百分比的組分：

Cu：4～8％，

Mg：3～8％，

Sn：0～5％，

Ga：3～9％，

In:1～3％，

余量為Al，各組分重量百分之和為100％。

優(yōu)選的，本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金，包含以下重量百分比的組分：

Cu：6～8％，

Mg：5～8％，

Sn：2～5％，進(jìn)一步優(yōu)選為2～2.5％，

Ga：6～9％，

In:2～3％，

余量為Al，各組分重量百分之和為100％。

進(jìn)一步優(yōu)選，本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金，包含以下重量百分比的組分：

Cu：8％，

Mg：8％，

Sn：2.5％，

Ga：9％，

In:3％，

余量為Al，各組分重量百分之和為100％。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金，Cu/Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比≥1，Ga/In的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比≥3。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種耐壓可溶解的鑄造鋁基復(fù)合材料，其起始反應(yīng)溫度為90℃～150℃、優(yōu)選為90～93℃，當(dāng)也可針對實(shí)際工況選擇適宜的起始反應(yīng)溫度。當(dāng)起始反應(yīng)溫度為90～93℃，其特別適用于開采頁巖氣時(shí)，地下的溫度超過了90℃的惡劣環(huán)境。初始分解溫度過高，不利于其降解、過低則過早的降解導(dǎo)致其強(qiáng)度降低過快。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，包括下述步驟：

按設(shè)計(jì)的耐壓快速降解的鑄造鋁合金組分配比，稱取各組分，先將鋁源、銅源放入熔煉爐中，升溫熔化后再將鎂源加入熔化，精煉除氣除渣，然后降溫并加入錫源、鎵源、銦源，攪拌熔化，精煉除氣除渣，靜置，然后澆鑄，再經(jīng)過固溶、淬火、時(shí)效處理。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，將鋁源、銅源放入熔煉爐中，升溫至750～800℃。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，鋁源、銅源、鎂源熔化精煉后，降溫至660～730℃，加入錫源、鎵源、銦源攪拌熔化。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，澆鑄時(shí)溫度控制為660～730℃。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，固溶溫度為400～460℃、優(yōu)選為430～450℃，時(shí)間1～5h、優(yōu)選為1～3h；時(shí)效溫度為120～180℃、優(yōu)選為120～160℃，時(shí)效時(shí)間為5～20h、優(yōu)選為10～20h。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，固溶處理后淬火，淬火介質(zhì)為無水有機(jī)介質(zhì)，優(yōu)選為汽油、煤油、機(jī)油中的至少一種。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，所述鎂源優(yōu)選為純鎂。鋁源優(yōu)選為鋁合金或純鋁、銅源優(yōu)選為純銅或銅鋁合金、錫源優(yōu)選為純錫、鎵源優(yōu)選為純鎵或含鎵鋁合金、銦源優(yōu)選為純銦或含銦鋁合金。

本發(fā)明一種耐壓快速降解的鑄造鋁合金的制備方法，精煉時(shí)通入氬氣或者加入C₂Cl₆精煉劑。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)和制備的耐壓快速降解的鑄造鋁合金；其室溫抗壓縮強(qiáng)度為520～560MPa，其在93℃/3wt％KCl的降解速率為2.5～4.8g/h。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)和制備的耐壓快速降解的鑄造鋁合金；能很好的應(yīng)用于溫度超過90℃的工況。

原理和優(yōu)點(diǎn)

本發(fā)明通過適量各組分以及制備工藝的協(xié)同作用，得到了性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同類產(chǎn)品的耐壓快速降解鑄造鋁合金。

本發(fā)明采用高銅、高鎂含量的Al-Cu-Mg系合金為基礎(chǔ)，通過添加一定比例和一定量的低熔點(diǎn)Sn、Ga、In元素，調(diào)控合金中Cu/Mg與Ga/In的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例，并通過固溶時(shí)效處理，制備成耐壓快速降解的鑄造鋁合金。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高銅、高鎂的耐壓快速降解的鑄造鋁合金，在合金鑄造時(shí)，其凝固析出的S(Al₂CuMg)相、θ(Al₂Cu)相及Mg₂Sn相，連續(xù)分布在鋁基體的晶界上；而固溶時(shí)效析出的θ^/(Al₂Cu)相分布在鋁基體內(nèi)。適量的S(Al₂CuMg)相、θ(Al₂Cu)相及Mg₂Sn相可保證材料在90℃以上的高溫具有較高的抗軟化強(qiáng)度，而時(shí)效析出的適量θ^/(Al₂Cu)相則提高了基體鋁合金的強(qiáng)度。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的合金中，Ga固溶在鋁基體與鋁晶界相中，而In則彌散分布在S(Al₂CuMg)、θ(Al₂Cu)及Mg₂Sn相中。通過調(diào)控Cu、Mg的量以及Cu/Mg的比例，可調(diào)控S(Al₂CuMg)相、θ(Al₂Cu)及θ^/(Al₂Cu)相的量和比例，從而調(diào)控材料的強(qiáng)度。本發(fā)明通過調(diào)控Ga、ln的量以及Ga/In的比例，在適量的Ga、ln以及其他元素的協(xié)同作用下，得到了起始反應(yīng)溫度大于等于90℃的耐壓快速降解鑄造鋁合金；根據(jù)實(shí)際使用工況，通過調(diào)整組分，可以得到耐壓性能以及降解速率完全符合工況需求的產(chǎn)品。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)和制備的耐壓快速降解鑄造鋁合金室溫抗壓縮強(qiáng)度比現(xiàn)有可降解鑄造鎂合金提高100MPa以上，于93℃/3％KCl的降解速率與現(xiàn)有可降解鑄造鎂合金的相當(dāng)或超過其速率，但生產(chǎn)工藝簡單，安全可靠性高，可利用現(xiàn)有的鋁合金設(shè)備進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，成本相對低廉。

綜上所述，本發(fā)明組分配比合理、生產(chǎn)工藝簡單、安全可靠性高、成本低廉。采用熔煉鑄造及固溶時(shí)效處理方法，通過調(diào)控合金的成分與制備工藝，可獲得耐壓快速降解的鑄造鋁合金，使其性能滿足多級滑套分段壓裂技術(shù)中壓裂工具材料的性能要求，這為拓展鋁合金在條件極為苛刻的石油天然氣開采領(lǐng)域的應(yīng)用提供了必要條件。

附圖說明：

圖1為Al-6％Cu-6％Mg-5Sn-3Ga-1In耐壓可溶解鑄造鋁合金的顯微組織及其能譜圖。

圖1(a)為合金的顯微組織圖，包含鋁基體相、可溶解相、強(qiáng)化相S(Al₂CuMg)與Mg₂Sn相；

圖1(b)為S相的能譜；

圖1(c)為可溶解相能譜,包含Ga、In元素。

本發(fā)明的實(shí)施例如下：

具體實(shí)施方式:

根據(jù)本發(fā)明的特點(diǎn)，采用熔煉鑄造及固溶時(shí)效方法，通過化學(xué)成分調(diào)控與工藝優(yōu)化，獲得室溫壓縮強(qiáng)度超過現(xiàn)有可降解鑄造鎂合金與鑄造鋁合金，而在高溫氯化鉀溶液(93℃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％氯化鉀水溶液)中的分解性能達(dá)到或超過現(xiàn)有的可降解鑄錠冶金型鎂合金與鋁合金(如高鋁高鋅含量的Mg-Al-Cu系鎂合金、Al-Mg-Si-Ga-In-Sn系)。具體實(shí)施例說明如下：

本發(fā)明實(shí)施例及對比例的合金性能指標(biāo)見表1。

對比例1

合金的組份及其重量百分比為18％Al-8％Zn-2.5％Fe-2.0％Ni-5％Cu-1％Ag-0.25Ti-0.25Zr，其余為Mg。制備方法是：先將純鋁放入熔煉爐中，升溫至715℃；熔化后再將經(jīng)烘烤的Al-Fe中間合金、Al-Ni中間合金、Al-Cu中間合金、Al-Ag中間合金、Al-Zr中間合金及Al-Ti中間合金加入鋁熔體中，同時(shí)升溫至750℃；熔化后，降溫至730℃時(shí)，將純鎂、純鋅放入合金熔體中熔化后，用C₂Cl₆精煉劑進(jìn)行除氣處理；降溫至710℃，靜置，在氬氣保護(hù)下澆鑄，冷卻；得到成品。

對比例2

合金的組份及其重量百分比為17.5％Si-2％Mn-1.5Mg-4％Ga-11％In-1％Zn，其余為Al。制備方法是：把原料在760℃充分融化攪拌，在710℃保溫2小時(shí)，使之成為具有宏觀均勻性質(zhì)的熔體。然后在350℃保溫2小時(shí)；得到成品；所述成品與KCl水反應(yīng)的起始溫度為50～85℃。

對比例3

合金的組份及其重量百分比為91％Al-3.5％Mg-1％Cu-3％Ga-1％In-0.5％Sn。按設(shè)計(jì)組分配取各組分，用坩堝熔煉爐先熔化鋁，合金的熔煉溫度為730℃。待加入的其他金屬熔化，在鋁液表面撒上一層清渣覆蓋劑(KCl和MgCl的混合物)。按Ti含量0.1wt.％加入鋁鈦硼(Al 94 Ti 5B)晶粒細(xì)化劑后，對鋁液進(jìn)行15分鐘精煉處理。鋁液靜置一段時(shí)間后，去除鋁液表面的氧化渣。將鋁液澆鑄于模具中，待鋁液完全凝固后，將鑄態(tài)合金放入淬火爐中加熱至470℃并保溫1.8小時(shí)。取出合金于油中淬火，淬火后鑄件在時(shí)效爐中于190℃保溫18小時(shí)。所述成品與KCl水反應(yīng)的起始溫度為50～85℃。

實(shí)施例1

合金的組份及其重量百分比為4％Cu-3％Mg-3Ga-1In，其余為鋁。制備方法是：先將純鋁、Al-Cu中間合金放入熔煉爐中，升溫至750℃，熔化后再將純鎂加入熔化，用C₂Cl₆精煉除氣除渣。然后降溫到660℃，加入Ga、In熔化并攪拌，再用C₂Cl₆精煉除氣除渣，并于660℃澆筑成直徑20mm的鑄錠。鑄錠在400℃等溫固溶5h，然后在汽油中淬火冷卻至室溫，再在180℃時(shí)效處理5h；得到成品；所述成品與KCl水反應(yīng)的起始溫度大于等于90℃。該成品可適用于：開采頁巖氣時(shí)，地下的溫度超過了90℃的惡劣環(huán)境。

實(shí)施例2

合金的組份及其重量百分比為6％Cu-6％Mg-5Sn-3Ga-1In，其余為鋁。制備方法是：先將純鋁、Al-Cu中間合金放入熔煉爐中，升溫至780℃，熔化后再將純鎂加入熔化，用氬氣精煉除氣除渣。然后降溫到700℃，加入Ga、In、Sn熔化并攪拌，再用氬氣除氣除渣，并于700℃澆筑成直徑20mm的鑄錠。鑄錠在460℃等溫固溶2.5h，然后在機(jī)油中淬火冷卻至室溫，再在150℃時(shí)效處理12.5h；得到成品；所述成品與KCl水反應(yīng)的起始溫度大于等于90℃。該成品可適用于：開采頁巖氣時(shí)，地下的溫度超過了90℃的惡劣環(huán)境。

實(shí)施例3

合金的組份及其重量百分比為8％Cu-8％Mg-2.5Sn-9Ga-3In，其余為鋁。制備方法是：先將純鋁、Al-Cu中間合金放入熔煉爐中，升溫至800℃，熔化后再將純鎂加入熔化，用C₂Cl₆精煉除氣除渣。然后降溫到730℃，加入Ga、In、Sn熔化并攪拌，再用C₂Cl₆除氣除渣，并于730℃澆筑成直徑20mm的鑄錠。鑄錠在430℃等溫固溶3h，然后在汽油中淬火冷卻至室溫，再在120℃時(shí)效處理20h；得到成品；所述成品與KCl水反應(yīng)的起始溫度大于等于90℃。該成品可適用于：開采頁巖氣時(shí)，地下的溫度超過了90℃的惡劣環(huán)境。

實(shí)施例4

合金的組份及其重量百分比為6％Cu-5％Mg-2Sn-6Ga-2In，其余為鋁。制備方法是：先將純鋁、Al-Cu中間合金放入熔煉爐中，升溫至780℃，熔化后再將純鎂加入熔化，用C₂Cl₆精煉除氣除渣。然后降溫到710℃，加入Ga、In、Sn熔化并攪拌，再用C₂Cl₆除氣除渣，并于710℃澆筑成直徑20mm的鑄錠。鑄錠在450℃等溫固溶2h，然后在機(jī)油中淬火冷卻至室溫，再在160℃時(shí)效處理6h。得到成品；所述成品與KCl水反應(yīng)的起始溫度大于等于90℃。該成品可適用于：開采頁巖氣時(shí)，地下的溫度超過了90℃的惡劣環(huán)境。

實(shí)施例5

合金的組份及其重量百分比為6％Cu-5％Mg-3Ga-1In，其余為鋁。制備方法是：先將純鋁、Al-Cu中間合金放入熔煉爐中，升溫至780℃，熔化后再將純鎂加入熔化，用C₂Cl₆精煉除氣除渣。然后降溫到720℃，加入Ga、In、Sn熔化并攪拌，再用C₂Cl₆除氣除渣，并于700℃澆筑成直徑20mm的鑄錠。鑄錠在450℃等溫固溶1h，然后在機(jī)油中淬火冷卻至室溫，再在150℃時(shí)效處理10h；得到成品；所述成品與KCl水反應(yīng)的起始溫度大于等于90℃。該成品可適用于：開采頁巖氣時(shí)，地下的溫度超過了90℃的惡劣環(huán)境。

表1本發(fā)明鑄態(tài)合金室溫壓縮強(qiáng)度與高溫降解速率

比較實(shí)施例與對比例的性能參數(shù)值，可以看出：本發(fā)明制備的鑄造鋁合金的抗壓縮強(qiáng)度明顯高于對比實(shí)施例合金，而在93℃在3％KCl溶液中的降解速率超過了對比實(shí)施例合金，能滿足多級滑套分段壓裂技術(shù)中壓裂工具材料的耐壓可降解的性能要求。