[发明专利]一种含Fe可溶镁合金及其制备方法

说明书

本公开涉及金属材料及加工技术领域，具体为一种含Fe可溶镁合金及其制备方法，该合金为Mg‑Nd‑Ce‑Fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Nd 0.20～5.00wt％、Ce 0～2.00wt％、Fe 0.10～2.00wt％，其余为Mg及不可避免的杂质元素。该镁合金材料可通过熔铸、挤压等方式制备，实现了材料的组织和成分的有效调控；并且还具有良好的力学性能和均匀稳定的溶解速率。

技术领域

本发明涉及金属材料及加工技术领域，具体为一种含Fe可溶镁合金及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着传统油气资源面临枯竭，页岩油气逐渐成为当前和未来一段时间内能源领域发展的一个重要方向，具有较高的发展前景和经济价值，相关开采技术在美国已经取得成功——2019年6月，美国一度超越沙特成为世界最大的石油出口国。据统计，中国的页岩气和页岩油储量居世界前列，未来发展前景广阔。然而相关开采技术仍然处于起步价段，目前主流的水平井开采常用分段压裂技术。该技术的一个关键部件是压裂工具，包括暂堵球、球座、桥塞和滑套等。上述工具在压裂过程中要具有可溶性以及较好的力学性能。

常用的可溶材料有高分子材料、铝合金和镁合金。其中，可溶镁合金多为Mg-Zn系、Mg-Al系和Mg-RE系的基础上添加Cu、Ni和Fe等元素，形成阴极相，通过电偶腐蚀实现其在水溶液中的快速溶解。目前含Cu和Ni的镁合金可以通过传统的熔铸、热挤压、热处理等方式制备相关部件，而含Fe的可溶镁合金多采用粉末冶金的方式制备。其原因有二：一是市场上还未见到Mg-Fe中间合金，熔炼过程中由于Fe的熔点较高，在镁合金熔液中的溶解度较低，因而难以加入；二是Fe容易与Al、Zn、Cu、Ni、Mn、Si等多种元素形成第二相，由此导致含Fe阴极相的尺寸和分布不容易控制，导致产品性能不稳定。另外，对于镁合金来说，Fe与Zr元素具有相似的细化晶粒的作用。因此，合理设计含Fe的镁合金成分和Fe元素的加入方式并调控其在镁合金中的分布，是一个重要的技术问题。解决这一问题，有望促进高性能可溶镁合金材料的开发，并提高我国页岩油气开采的技术水平。

发明内容

本公开针对现有通过粉末冶金方法制备的含Fe可溶镁合金材料的不足，提出一种含Fe可溶镁合金及其制备方法。该镁合金材料可通过熔铸、挤压等方式制备，实现了材料的组织和成分的有效调控；并且还具有良好的力学性能和均匀稳定的溶解速率。

具体地，本公开的技术方案如下所述：

在本公开的第一方面，提供了一种含Fe可溶镁合金，该合金为Mg-Nd-Ce-Fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成：Nd 0.20～5.00wt％、Ce 0～2.00wt％、Fe 0.10～2.00wt％，其余为Mg及不可避免的杂质元素。

在本公开的第二方面，本公开提供了一种含Fe可溶镁合金的制备方法，包括：

按上述含Fe可溶镁合金质量百分数配比，称取纯镁锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ce中间合金、纯铁粉末或氧化铁粉末；在氩气保护下，熔炼纯镁锭、Mg-Nd中间合金、Mg-Ce中间合金，精炼除渣，加入纯铁粉末或氧化铁粉末同时浇注成铸锭；将铸锭进行均匀化处理，切成相应尺寸的坯料并去皮；热挤压成棒材；时效处理。

在本公开的第三方面，本公开提供了一种含Fe可溶镁合金和/或含Fe可溶镁合金的制备方法在制备页岩油气开采用的压裂工具中的应用。

本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：

(1)本公开Mg-Nd-Ce-Fe镁合金通过轻稀土元素Nd和Ce的加入可以细化铸锭晶粒尺寸，减少铸锭偏析；另外，Nd和Ce都不会与Fe形成第二相，可以确保合金中的Fe单质存在，这在一定程度上保证了铸锭组织的细化和溶解性能稳定性。