[發明專利]一種稀土Ce改性高強度可溶解鋁合金及其熔煉工藝

在審

• 申請號: 201810332483.3
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN108359849A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發明（設計）人: 周勇;趙飛;黨墨含;高倩;孫良;李健
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C21/10;C22C1/02
• 代理公司: 西安西達專利代理有限責任公司 61202
• 代理人: 第五思軍

一種稀土Ce改性高強度可溶解鋁合金及其熔煉工藝，所述的稀土Ce改性高強度可溶解鋁合金中Zn含量為0~8.0wt.%，Sn含量為1.0~30.0wt.%，Ga含量為0.1~15.0wt.%，In含量為0.1~2.0wt.%，Ce含量為0.1~1.0wt.%，其余為Al。本發明熔煉工藝過程簡單，在熔煉過程中通過添加稀土元素Ce，采用最佳的熔煉工藝參數，對可溶解鋁合金鑄態組織晶粒進行了有效細化。所制備出的鋁合金材料既具有良好的力學性能，又兼具良好的水溶解性能。能夠滿足實際工況要求，具有良好的市場前景和廣泛的推廣應用價值。

技術領域

本發明屬于有色金屬制備技術領域，涉及一種可溶解鋁合金，具體涉及一種稀土Ce改性高強度可溶解鋁合金及其熔煉工藝。

背景技術

油氣田開采常采用水力壓裂工藝，該工藝開采過程中需要使用大量的井下工具，如滑套、套管、封隔器以及橋塞等。當壓裂完成后，所有工具必須通過打撈或鉆磨方式進行回收，保持井筒暢通。如果這些工具能夠在使用過程中滿足使用要求，又能在壓裂完成后迅速溶解，無需回收。這將會避免工具回收時資源浪費問題，極大的提高了油氣開采效率，并大幅降低生產成本。

目前，常見的可溶解材料主要分為有機高分子材料、無機材料和金屬材料三大類。其中，有機高分子材料無法滿足油氣壓裂所需的高溫、高壓要求，有的還需要在特殊條件下使用。因此，難以在要求較高的壓裂環境中使用。相比有機高分子材料而言，無機材料溶解速率小，精確尺寸加工困難，而且需要一定的強酸環境。因此，無機材料難以在油氣壓裂領域得到廣泛應用。金屬可溶解材料使用最多的是可溶解鎂合金材料和可溶解鋁合金材料。可溶解鎂合金目前主要用于生物材料，在含有大量氯離子的溶液中，鎂及其合金材料會比在其他溶液中更容易發生溶解腐蝕反應。但鎂合金可溶解材料溶解腐蝕反應速度相對較慢，無法達到油氣壓裂環境下材料溶解性能的最低要求。

專利201410819770.9提出了一種可溶解鋁合金材料，該材料不僅具有較強的強度，而且在服役后無需磨削或返排，大大提高了油氣開采的工作效率。但是，該專利中并未涉及稀土元素Ce對該合金材料組織及性能的影響。美國專利（US2007/0181224）公開了一種合金材料，該合金材料包括占主要比例的一種或多種活性金屬，以及占少量比例的一種或多種合金化產物。主要包含諸如金屬元素鎵（Ga）、銦（In）、鋅（Zn）、鉍（Bi）和鋁（Al）這類位于元素周期表第Ⅰ和Ⅱ主族中的金屬元素。該合金材料的特征在于其在特定條件下可控制其溶解速度。但是該合金的抗拉強度僅能達到幾十個MPa。專利WO2016/165041A1提出了一種高強度可溶解鋁合金材料，該材料能夠在服役期間滿足高機械強度的使用要求，又能在服役完成后迅速溶解。然而，大量的井下工具對材料的抗拉強度（500～600MPa）提出了更高的要求。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種稀土Ce改性高強度可溶解鋁合金及其熔煉工藝，在熔煉過程中添加稀土元素Ce，采用最佳的熔煉參數，在確保溶解速率可控的同時細化了可溶解鋁合金鑄態晶粒，制備出的可溶解鋁合金材料既具有良好的力學性能，又具備良好的溶解性能。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種稀土Ce改性高強度可溶解鋁合金按質量百分比包括以下成分：Zn 0～8.0wt.%，Sn3.0～30.0wt.%，Ga 0.1～15.0wt.%，In 0.1～2.0wt.%，Ce 0.1～1.0wt.%，其余為Al。

一種稀土Ce改性高強度可溶解鋁合金的熔煉工藝，包括以下步驟：

1）將純度為4N的鋁錠放入坩堝熔煉爐中，升溫至710～780℃，使之熔融為鋁液；

2）然后按照原料配比在鋁液中依次加入預制的塊狀Zn、Sn、Ga和In，接著加入稀土元素Ce，充分攪拌后在710～760℃保溫0.5～2小時，使之成為具有宏觀均勻性質的熔體；