一种细化可溶解铝合金材料晶粒的方法与流程

本发明涉及铝合金材料制备技术领域，特别涉及一种细化可溶解铝合金材料晶粒的方法。

背景技术：

世界非常规油气田开采的先进技术为多层多段水力压裂技术，该技术开采过程中会用到大量井下工具。可溶解材料可用于制造此类井下工具，在使用过程中能满足基本的应用性能要求，尤其是在复杂外界条件下，可在工作时间内承受高温高压，又可在压裂工作完成后原地溶解，无需磨削或返排，使油气管道恢复畅通，大大节约了人力、物力和财力，极大的提高了工程进展速度。

目前，最常用的工具制造方法是铸造成型，其在机械制造业中占有重要的地位。铸造具有适应性强(不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制)、成本低廉(使用的原材料成本低、小批量生产时设备投资少)的特点，因此该材料的制备选择金属型铸造。但由于金属型铸造本身无透气性和退让性，即使采用一定措施导出型腔内的空气，生产的铸件在凝固时宏观偏析严重，也易产生气孔、裂纹。

专利201410819770.9提出了一种可溶解铝合金材料，该材料不仅具有较高的强度，而且在发挥其作用后无需磨削或返排，大大提高了油气开采的工作效率。然而，一系列的井下工具如滑套、桥塞等的使用，对材料的抗拉强度提出了更高的要求(500-600MPa)。专利200910130736.X中也涉及制造一种可降解合金，包括在模具中放置一种或多种合金化产物的粉末，经压制和烧结所得粉末制成产品，但并未涉及机械性能。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种细化可溶解铝合金材料晶粒的方法，在于改善现有可溶解铝合金材料铸造成型过程中所存在的宏观偏析、气孔和裂纹等影响材料强度的问题，通过在材料铸造成型过程中外加高频低幅机械振动、外加高频率窄脉宽磁场，在铝合金固液界面处产生特定的电磁感应效应，细化铝合金的微观组织，来提高该材料的机械强度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种细化可溶解铝合金材料晶粒的方法，包括以下工艺，

步骤一、将铝锭放入熔化炉，升温到710-800℃，使之熔融成为铝液；

步骤二、将步骤一中所得的铝液按配方依次加入预制的功能合金、强化合金、低温合金和活化合金，充分搅拌，在710-800℃下保温10-40min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

所述的步骤二中的预制的功能合金、强化合金、低温合金和活化合金比例分别为功能合金(Al-Ga)0.1-15wt％、强化合金(Mg-Si-Mn)5-10wt％、低温合金(Al-In)0.1-4wt％、活化合金(Al-Mg-Sn-Zn)2-30wt％；铝液为60-90wt％；

步骤三、将步骤二中所得的熔体加入0.6wt％消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为5-15T，得到铸件；

步骤四、将步骤三中得到的铸件冷却至室温后，在430-470℃下固溶6-12h后随炉冷却，再在220-280℃下时效10-18h，并加工成工程所需构件。

本发明的有益效果：

本发明所提供的细化可溶解铝合金材料晶粒的方法，主要影响其形核过程，通过机械振动和外加磁场相结合，在铝合金固液界面起作用，使得晶粒细化，微观组织更加致密，气孔、裂纹明显减少，元素分布更加均匀，元素偏析基本消除，从而很大程度上提高了材料的屈服强度；晶粒的细化使得材料的溶解速率更易控制，元素偏析的消除也使得材料溶解更加均匀；浇铸过程中高频低幅振动使铝合金液面宏观上基本保持平稳状态，作用效果稳定，预期能耗较低。

附图说明

图1为未处理材料SEM图片。

图2为本工艺制备材料SEM图片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

步骤一、将铝锭放入熔化炉，升温到710℃，使之熔融成为铝液；

步骤二、将步骤一中所得的铝液按配方87.7wt％依次加入预制的功能合金(Al-Ga)2wt％、强化合金(Mg-Si-Mn)5wt％、低温合金(Al-In)0.3wt％和活化合金(Al-Mg-Sn-Zn)5wt％，充分搅拌，在710℃下保温10min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

步骤三、将步骤二中所得的熔体加入0.6wt％消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为10T，得到铸件；

步骤四、将步骤三中得到的铸件冷却至室温后，在450℃下固溶6h后随炉冷却，再在250℃下时效14h，并加工成工程所需构件。

实施例2

步骤一、将铝锭放入熔化炉，升温到710℃，使之熔融成为铝液；

步骤二、将步骤一中所得的铝液按配方90wt％依次加入预制的功能合金(Al-Ga)1.5wt％、强化合金(Mg-Si-Mn)3wt％、低温合金(Al-In)0.5wt％和活化合金(Al-Mg-Sn-Zn)5wt％，充分搅拌，在760℃下保温20min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

步骤三、将步骤二中所得的熔体加入0.6wt％消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为15T，得到铸件；

步骤四、将步骤三中得到的铸件冷却至室温后，在430℃下固溶12h后随炉冷却，再在260℃下时效12h，并加工成工程所需构件。

实施例3

步骤一、将铝锭放入熔化炉，升温到760℃，使之熔融成为铝液；

步骤二、将步骤一中所得的铝液按配方65wt％依次加入预制的功能合金(Al-Ga)6wt％、强化合金(Mg-Si-Mn)10wt％、低温合金(Al-In)8.5wt％和活化合金(Al-Mg-Sn-Zn)10.5wt％，充分搅拌，在760℃下保温10min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

步骤三、将步骤二中所得的熔体加入0.6wt％消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为6T，得到铸件；

步骤四、将步骤三中得到的铸件冷却至室温后，在460℃下固溶6h后随炉冷却，再在230℃下时效12h，并加工成工程所需构件。

本发明在保持原有可溶解铝合金材料溶解性能的基础上，提出一种细化可溶解铝合金材料晶粒的方法，以提高该材料的强度，满足实际应用中的强度要求。

图1、图2为实验试件扫描电镜下的微观形貌图，图1为未处理SEM图片，图2为机械振动+外加磁场SEM图片。由图可以看出，本发明所提供的细化可溶解铝合金材料晶粒的方法可以使晶粒明显细化，微观组织更加致密，气孔明显减少。进行室温拉伸性能测试，抗拉强度达到516MPa，同比强度提高29％，拓宽了该材料的应用范围。

采用传统浇铸成型方法，材料的抗拉强度很难达到400MPa。采用本发明所提供的提高材料强度的方法，在保证材料原有的溶解性能的基础上，材料的抗拉强度普遍可达到400-600MPa。机械振动和外加磁场对材料强度的提高起到了关键性的作用。