[发明专利]一种中性介质中快速溶解的铝合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种中性介质中快速溶解的铝合金及其制备方法和应用，本发明涉及有色金属制备技术领域。该铝合金包括以下以下质量百分比组分：Zn 1.5‑3％、Mg 1‑2.5％、Cu 0.1‑1.5％、Ga 0.5‑2％、In 0.5‑1％、Sn 0.5‑2％和Re 0.1‑0.5％，余量为Al。本发明制得的铝合金具有较高强度、良好塑性和溶解速率；其成本低廉，工艺简单，易于工业化生产，具有良好的经济效益，可广泛应用于油气田增效开采的压裂球和桥塞等工具材料。本发明解决了现有技术中可溶解铝合金拉伸强度、伸长率和溶解速度存在矛盾的问题。

技术领域

本发明涉及有色金属制备技术领域，具体涉及一种中性介质中快速溶解的铝合金及其制备方法和应用。

背景技术

可溶解铝合金是一种具有可降解结构的新型功能材料，因其具备特有的快速腐蚀的溶解性能、腐蚀和溶解可控性好、良好的力学性能、加工性能、原材料来源广泛和成本低廉等优点，可溶解铝合金制成的压裂球和桥塞，可自动溶解失效，节省回收过程，有效地实现了增产，在非常规油气田的增效开采技术中，发挥着非常重要的作用，在石油开采压裂技术中被广泛应用。而普通合金制成的封堵工具，具有钻、铣难度大、耗时长和钻磨后的粉体、碎片不易反排等缺点，加大了生产成本。因此，可溶解铝合金成为首选，可溶解铝合金性能优化改进技术是目前的研究热点。

中性介质中，铝及常用铝合金极易在其表面形成致密的氧化物或者氢氧化物的钝化膜，使其腐蚀、溶解速度大幅度降低，很难达到油气田的增效开采中铝铝合金制成压裂球和桥塞的溶解速度。研制在60-93℃，一定浓度的中性介质中，溶解速度为60-130mg﹒cm^-2﹒h^-1的铝合金，对油气田的增效开采具有重要意义和应用价值。

已知的国外文献中，油气田增效开采技术中，研制使用的可溶解压裂球主要为树脂、镁合金和铝复合材料。我国油气田增效开采技术中，压裂球和桥塞相关材料仍依靠进口，严重限制了我国石油的增效开采，目前，国内可溶解铝合金材料一直处于不断发展中，研究人员的研究方向主要集中在合金制备、可溶结构件和溶解机理等方面；其中，最具代表性的研究有西安石油大学孙良等，通过稀土Ce和稀土La，以及加入超声波对可溶解铝合金进行了晶粒细化，经过大量的试验以及成分配比的优化和改进，得出了In₃Sn和InSn₄中间相，得到的可溶解铝合金材料能满足油气田用高强度压裂球的需求；中科院金属研究所研制可溶解铝合金结构材料，是通过添加低熔点金属和多种强化合金元素的方法，研发出可在纯水中即可溶解的可溶铝合金材料，合金的溶解速率亦可根据不同工况调整，其组成成分为1-10％的M元素、5-15％的Ga、In和Sn，其余成分为Al；其中，M元素为Cu或Mg，Ga、In和Sn元素的质量比为65：22：13。可溶铝合金具备较高的抗压强度和硬度，通过调节M元素的含量来控制合金与水的反应速度，采用AlTiB晶粒细化剂对可溶解铝合金进行了细化及利用第一性原理计算对可溶解铝合金的晶界相进行了分析，以及应用热处理对晶界相进行了晶粒细化，从而提高溶解速率，满足压裂球的使用要求，可采用传统工艺冶炼和铸造成型，成本低，易达高产能，适合大规模应用和推广；中石化发明可溶解铝基复合材料中，陶瓷材料(Al₂O₃)的含量为5-20％，镁含量为1.9-2.6％、铜含量为2-2.6％、锌含量为5.7-6.7％、锆含量为0.08-0.15％和石墨烯含量为0.5-2％，具有较高的强度和耐冲蚀性能，制作的球座可承受压力在450MPa以上，具有良好的可降解性，在浓度0.5％的HCl溶液条件下，腐蚀溶解速率为6.5mg·cm^-2·h^-1，利用该发明的铝基复合材料制造的球座可在5-10d内完全溶解；中石油研发的一种溶解速度快、溶解彻底和不堵塞井筒以及室温塑性达30％、力学强度比橡胶材料高的可溶金属，组成为Ga0.3-3％、In0.15-3.5％、Sn0.4-6％、细化剂20-90％、其余为铝，可用于替换油田井下工具的橡胶密封件；但是关于在60℃-93℃，0.84-3％KCl中性水溶液环境条件，具有良好室温下的拉伸强度(260-310MPa)和伸长率(8-16％)等综合力学性能、溶解速率达50-130mg﹒cm^-2﹒h^-1的可溶解铝合金材料无相关文献和专利报道。