一种油气开采暂堵工具用镁合金及其制备方法与流程

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种油气开采暂堵工具用镁合金，还涉及该镁合金的制备方法。

背景技术：

镁合金在实际应用中有着独特的优势，如：比强度高、比弹性模量大、散热性好、对碱和有机物的有较强的耐腐蚀性。纯mg是一种银白色的轻金属，但是其综合性能较差，在实际工程领域的应用价值并不是很高，因此将纯mg进行合金化处理是一个可行的方案。

目前使用的最为广泛的是镁铝合金，其次是镁-锰合金和镁-锌-锆合金。当前，在低渗透压油气田的开采过程中，为了提高油气田的产量与生产效率，井下暂堵工具的应用越来越广泛，譬如：可溶性压裂球。国际上一般采用尼龙等材料来生产压裂球，但是尼龙材料在使用过程中会发生变形，而卡在滑套中。另外，由于压裂球不溶解，需要进行反排操作，这样生产效率就会降低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种油气开采暂堵工具用镁合金，能通过改变镁合金的组织结构，能增强镁合金的力学拉伸性能。

本发明的另一目的是提供一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法。

本发明采用的技术方案为，一种油气开采暂堵工具用镁合金，按照质量百分比由原料组成：

gd2％-10％，ni0％-5％，cu0％-5％，mn0.05％-0.1％，al0.05％-0.1％，其余成分为mg，以上原料质量总和为100％。

本发明的另一技术方案为，一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对熔炼设备进行预处理，具体方法如下：

在熔炼设备表面涂刷上一层氧化锌涂料，并对设备进行加热，加热温度为200℃，保温2h，覆盖剂加热至100℃保温1h，用于去除水分；

步骤2、称取原材料纯镍0-5％，纯铜0-5％，mg-gd中间合金6.67％-33.3％，mg-al中间合金0.167％-0.33％，mg-mn中间合金0.167％-0.33％，对原材料进行干燥除湿处理；

步骤3、将步骤2称取的原材料置于步骤1预处理的熔炼设备中，制备得到镁合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、将步骤2称取的纯mg加入到坩埚中，表面添加覆盖剂，将纯mg覆盖，再将坩埚升温至720℃待纯mg完全溶解，然后保温20min-25min，得到液态镁溶液；

步骤3.2、将步骤2中称取的mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金添加到经步骤3.1得到的液态镁溶液中，待mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金完全溶解于液态镁溶液中后升温至750℃，然后保温10min-20min，得到中间产物；

步骤3.3、将步骤2中称取的纯ni和纯cu添加到经步骤3.2得到的中间产物中，待纯ni和纯cu完全充分溶解于中间产物后，搅拌并扒掉表面熔渣，得到镁合金溶液；

步骤3.4、将经步骤3.3得到的镁合金溶液降温至710-720℃，保温静置20-25min，浇铸到模具中，得到镁合金。

本发明的特点还在于：

在步骤2中：纯mg、纯cu、纯ni的纯度不低于99.9％。

mg-gd中间合金中gd的质量分数为30％，mg-al中间合金中al的质量分数为30％，mg-mn中间合金中mn的质量分数为30％。

在步骤2中，干燥除湿处理的过程具体如下：先将原材料加热至温度为200℃，再保温2h。

在步骤3.1中：覆盖剂由以下原料混合组成：

mgcl241-47％，kcl33-39％，bacl24-10％，caf21-7％，cacl21-7％，nacl1-7％，mgo1-7％，杂质1.5％，h2o0.5％，以上原料总质量为100％。

本发明的有益效果是，

在本发明的镁合金中，通过以中间合金的形式添加一定质量百分数的合金元素gd，gd具有较大的固溶度，添加后具有自身的固溶强化作用，能在一定程度上改善铸造性能，提高镁合金的室温和高温力学性能以及抗蠕变性能，用于在井下流体环境中又能够自行分解，无需进行反排操作，从而提高生产效率，提高油气田的产量；并在其中添加能够提高镁合金力学性能的cu、ni；

本发明的镁合金制备方法，各原料组分配比合理，生产工艺简单，能够有效的提高镁合金的总体强度，改善其力学性能；本发明采用熔炼铸造的方法，通过调控合金的成分与制备工艺，能够获得新型镁合金，制备过程中以mg-gd中间合金添加gd和部分mg，要比单独添加要便宜，适用于工业化大规模生产，而且在熔炼过程中溶质元素分布更均匀，防止偏析，该合金满足实际工程领域的要求，形成可实际应用于油气开采暂堵工具的镁合金。

附图说明

图1是本发明的油气开采暂堵工具用镁合金的拉伸力学性能曲线图；

图2是对比合金的拉伸力学性能曲线；

图3是本发明的油气开采暂堵工具用镁合金的金相组织结构图；

图4是对比合金的的金相组织结构图；

图5是不同含量ni添加的腐蚀速率图；

图6是不同含量ni添加的失重速率图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种油气开采暂堵工具用镁合金，按照质量百分比由原料组成：

gd2％-10％，ni0％-5％，cu0％-5％，mn0.05％-0.1％，al0.05％-0.1％，其余成分为mg，以上原料质量总和为100％。

上述油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对熔炼设备进行预处理，具体方法如下：

在熔炼设备表面涂刷上一层氧化锌涂料，并对设备进行加热，加热温度为200℃，保温2h，覆盖剂加热至100℃保温1h，用于去除水分；

步骤2、称取原材料，对原材料进行干燥除湿处理；

原材料是指纯mg、mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金、纯cu、纯ni；其中，纯mg、纯cu、纯ni的纯度不低于99.9％；mg-gd中间合金中gd的质量分数为30％，mg-al中间合金中al的质量分数为30％，mg-mn中间合金中mn的质量分数为30％；

干燥除湿处理指对原材料加热至温度为200℃，并保温2h。

步骤3、将步骤2中称取的原材料置于步骤1预处理的熔炼设备中，经炼制得到油气开采暂堵工具用镁合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、将步骤2中称取的纯mg加入到坩埚中，表面添加覆盖剂，将纯mg覆盖，将坩埚升温至720℃待纯mg完全溶解，然后保温20min-25min，得到液态镁溶液；

其中，覆盖剂由以下原料经混合后得到：

mgcl241-47％，kcl33-39％，bacl24-10％，caf21-7％，cacl21-7％，nacl1-7％，mgo1-7％，杂质1.5％，h2o0.5％，以上原料总质量为100％。

步骤3.2、将步骤2中称取的mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金添加到经步骤3.1得到的液态镁溶液中，待mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金完全溶解于液态镁溶液中后升温750℃，然后保温10min-20min，得到中间产物；

步骤3.3、将步骤2中称取的纯ni和纯cu添加到经步骤3.2得到的中间产物中，待纯ni和纯cu完全充分溶解于中间产物后，搅拌并扒掉表面熔渣，得到镁合金溶液；

步骤3.4、将经步骤3.3得到的镁合金溶液降温至720℃，保温静置20min，浇铸到模具之中，得到镁合金。

实施例1

一种油气开采暂堵工具用镁合金，按照质量百分比主要包括以下组分：gd2％，mn0.05％，al0.05％，mg97.9％。

一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对设备预处理，在熔炼设备表面涂刷上一层氧化锌涂料，并对设备进行加热，加热温度为200℃，保温2h，覆盖剂加热至100℃保温1h，用于去除水分；

步骤2、称取原材mg-gd中间合金6.67％，mg-al中间合金0.167％％，mg-mn中间合金0.167％，纯mg89.99％，对原材料进行干燥除湿处理；

其中，干燥除湿处理指加热至温度为200℃，并保温2h；

步骤3、将步骤2中称取的原材料置于步骤1预处理的熔炼设备中，经炼制得到油气开采暂堵工具用镁合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、将步骤2中称取的纯mg加入到坩埚中，表面添加覆盖剂，将纯mg覆盖，再将坩埚升温至720℃待纯mg完全溶解，然后保温20min，得到液态镁溶液；

其中，纯镁的纯度为99.9％；

其中，覆盖剂由以下原料经混合后得到：

mgcl241％，kcl33％，bacl24％，caf27％，cacl27％，nacl5％，mgo1％，杂质1.5％，h2o0.5％；

步骤3.2将步骤2中称取的mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金添加到经步骤3.1得到的液态镁溶液中，待mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金完全溶解于液态镁溶液中后升温至750℃，然后保温10min，得到中间产物；

其中，mg-gd中间合金中gd的质量分数为30％，mg-al中间合金中al的质量分数为30％，mg-mn中间合金中mn的质量分数为30％，纯美和mg-gd中间合金的质量比为6.35；

步骤3.3、将步骤2中称取的纯ni和纯cu添加到经步骤3.2得到的中间产物中，待纯ni和纯cu完全充分溶解于中间产物后，搅拌并扒掉表面熔渣，得到镁合金溶液；

其中，纯镁的纯度为99.9％；

步骤3.4、将经步骤3.3得到的镁合金溶液降温至710-720℃，保温静置20-25min，浇铸到模具中，得到镁合金。

实施例2

一种油气开采暂堵工具用镁合金，按照质量百分比主要包括以下原料：gd4％，ni1.2％，cu1％，mn0.06％，al0.06％，mg占95.68％。

一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对设备预处理，在熔炼设备表面涂刷上一层氧化锌涂料，并对设备进行加热，加热温度为200℃，保温2h，覆盖剂加热至100℃保温1h，用于去除水分；

步骤2、称取原材料纯镍1.2％，纯铜1％，mg-gd中间合金13.3％，mg-al中间合金0.2％，mg-mn中间合金0.2％，纯mg84.1％，对原材料进行干燥除湿处理；

其中，干燥除湿处理指加热至温度为200℃，并保温2h；

步骤3、将步骤2称取的原材料置于步骤1预处理的熔炼设备中，经炼制得到油气开采暂堵工具用镁合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、将步骤2称取的纯mg加入到坩埚中，表面添加覆盖剂，将纯mg覆盖，再将坩埚升温至720℃待纯mg完全溶解，然后保温22min，得到液态镁溶液；

其中，纯镁的纯度为99.9％；

其中，覆盖剂由以下原料经混合后得到：

mgcl242％，kcl34％，bacl25％，caf26％，cacl26％，nacl3％，mgo2％，杂质1.5％，h2o0.5％；

步骤3.2、将步骤2中称取的mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金添加到经步骤3.1得到的液态镁溶液中，待mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金完全溶解于液态镁溶液中后升温至750℃，然后保温13min，得到中间产物；

其中，mg-gd中间合金中gd的质量分数为30％，mg-al中间合金中al的质量分数为30％，mg-mn中间合金中mn的质量分数为30％；

步骤3.3、将步骤2中称取的纯ni和纯cu添加到经步骤3.2得到的中间产物中，待纯ni和纯cu完全充分溶解于中间产物后，搅拌并扒掉表面熔渣，得到镁合金溶液；

步骤3.4、将经步骤3.3得到的镁合金溶液降温至712℃，保温静置22min，浇铸到模具中，得到镁合金。

实施例3

一种油气开采暂堵工具用镁合金，按照质量百分比主要包括以下原料：gd5％，ni3％，cu2.5％，mn0.07％，al0.07％，mg89.36％。

一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对设备预处理，在熔炼设备表面涂刷上一层氧化锌涂料，并对设备进行加热，加热温度为200℃，保温2h，覆盖剂加热至100℃保温1h，用于去除水分；

步骤2、称取原材料纯镍3％，纯铜2.5％，mg-gd中间合金16.7％，mg-al中间合金0.233％，mg-mn中间合金0.233％，纯mg77.33％，对原材料进行干燥除湿处理；

其中，干燥除湿处理指加热至温度为200℃，并保温2h；

步骤3、将步骤2中称取的原材料置于步骤1预处理的熔炼设备中，经炼制得到油气开采暂堵工具用镁合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、将步骤2称取的纯mg加入到坩埚中，表面添加覆盖剂，将纯mg覆盖，再将坩埚升温至720℃待纯mg完全溶解，然后保温23min，得到液态镁溶液；

其中，纯镁的纯度为99.9％；

其中，覆盖剂由以下原料经混合后得到：

mgcl244％，kcl35％，bacl27％，caf23％，cacl23％，nacl3％，mgo3％，杂质1.5％，h2o0.5％；

步骤3.2、将步骤2中称取的mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金添加到经步骤3.1得到的液态镁溶液中，待mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金完全溶解于液态镁溶液中后升温至750℃，然后保温14min，得到中间产物；

其中，mg-gd中间合金中gd的质量分数为30％，mg-al中间合金中al的质量分数为30％，mg-mn中间合金中mn的质量分数为30％；

步骤3.3、将步骤2中称取的纯ni和纯cu添加到经步骤3.2得到的中间产物中，待纯ni和纯cu完全充分溶解于中间产物后，搅拌并扒掉表面熔渣，得到镁合金溶液；

其中，纯cu、纯ni的纯度为99.9％；

步骤3.4、将经步骤3.3得到的镁合金溶液降温至715℃，保温静置23min，浇铸到模具中，得到镁合金。

实施例4

一种油气开采暂堵工具用镁合金，按照质量百分比主要包括以下原料：gd8％，ni4％，cu4％，mn0.08％，al0.09％，mg85.83％。

一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对设备预处理，在熔炼设备表面涂刷上一层氧化锌涂料，并对设备进行加热，加热温度为200℃，保温2h，覆盖剂加热至100℃保温1h，用于去除水分；

步骤2、称取原材料纯镍4％，纯铜4％，mg-gd中间合金26.67％，mg-al中间合金0.3％，mg-mn中间合金0.267％，纯mg64.77％，对原材料进行干燥除湿处理；

其中，干燥除湿处理指加热至温度为200℃，并保温2h；

步骤3、将步骤2中称取的原材料置于步骤1预处理的熔炼设备中，经炼制得到油气开采暂堵工具用镁合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、将步骤2称取的纯mg加入到坩埚中，表面添加覆盖剂，将纯mg覆盖，再将坩埚升温至720℃待纯mg完全溶解，然后保温24min，得到液态镁溶液；

其中，纯镁的纯度不低于99.9％；

其中，覆盖剂由以下原料经混合后得到：

mgcl246％，kcl36％，bacl27％，caf22％，cacl22％，nacl2％，mgo3％，杂质1.5％，h2o0.5％；

步骤3.2、将步骤2中称取的mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金添加到经步骤3.1得到的液态镁溶液中，待mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金完全溶解于液态镁溶液中后升温至750℃，然后保温17min，得到中间产物；

其中，mg-gd中间合金中gd的质量分数为30％，mg-al中间合金中al的质量分数为30％，mg-mn中间合金中mn的质量分数为30％；

步骤3.3、将步骤2中称取的纯ni和纯cu添加到经步骤3.2得到的中间产物中，待纯ni和纯cu完全充分溶解于中间产物后，搅拌并扒掉表面熔渣，得到镁合金溶液；

其中，纯cu、纯ni的纯度为99.9％；

步骤3.4、将经步骤3.3得到的镁合金溶液降温至717℃，保温静置24min，浇铸到模具中，得到镁合金。

实施例5

一种油气开采暂堵工具用镁合金，按照质量百分比主要包括以下原料：gd10％，ni5％，cu5％，mn0.1％，al0.1％，mg79.8％。

一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法，按照以下步骤实施：

步骤1、对设备预处理，在熔炼设备表面涂刷上一层氧化锌涂料，并对设备进行加热，加热温度为200℃，保温2h，覆盖剂加热至100℃保温1h，用于去除水分；

步骤2、称取原材料纯镍5％，纯铜5％，mg-gd中间合金33.3％，mg-al中间合金0.33％，mg-mn中间合金0.33％，纯mg56.04％，对原材料进行干燥除湿处理；

其中，干燥除湿处理指加热至温度为200℃，并保温2h；

步骤3、将步骤2中称取的原材料置于步骤1预处理的熔炼设备中，经炼制得到油气开采暂堵工具用镁合金，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、将步骤2称取的纯mg加入到坩埚中，表面添加覆盖剂，将纯mg覆盖，再将坩埚升温至720℃待纯mg完全溶解，然后保温25min，得到液态镁溶液；

其中，纯镁的纯度不低于99.9％；

覆盖剂由以下原料经混合后得到：

mgcl247％，kcl39％，bacl28％，caf21％，cacl21％，nacl1％，mgo1％，杂质1.5％，h2o0.5％；

步骤3.2、将步骤2中称取的mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金添加到经步骤3.1得到的液态镁溶液中，待mg-gd中间合金、mg-al中间合金、mg-mn中间合金完全溶解于液态镁溶液中后升温至750℃，然后保温20min，得到中间产物；

其中，mg-gd中间合金中gd的质量分数为30％，mg-al中间合金中al的质量分数为30％，mg-mn中间合金中mn的质量分数为30％；

步骤3.3、将步骤2中称取的纯ni和纯cu添加到经步骤3.2得到的中间产物中，待纯ni和纯cu完全充分溶解于中间产物后，搅拌并扒掉表面熔渣，得到镁合金溶液；

其中，纯镁、纯cu、纯ni的纯度为99.9％；

步骤3.4、将经步骤3.3得到的镁合金溶液降温至720℃，保温静置25min，浇铸到模具中，得到镁合金。

将本发明的的方法制备实施例2、实施例3和其他合金进行对比，对比合金为：mg-6al-1zn-(0.2-0.4)zr-(0.1-0.3)mn(质量分数)，对比镁合金来源于生产厂家，将其加工成为拉伸试样，并对力学性能进行测试，在室温内的拉伸强度如表1：

由比较实施例与对比例的性能参数值以及图1和图2，可以看出：本发明制备的铸造镁合金的拉伸强度较对比例有了较大地提高，改善了其力学性能，优化了金相组织结构，在实际工程领域的应用更加广泛。

如图3和图4金相组织照片可以看到，在镁基体上分布着大量的lpso相因此其力学性能得到提高。

由图5和图6可知镍元素对镁合金腐蚀速率的影响，随着镍元素含量的增加镁合金的腐蚀速率会加快。

通过上述方式，本发明的一种油气开采暂堵工具用镁合金，改变镁合金的组织结构，提高了合金的拉伸强度，通过以中间合金的形式添加一定质量百分数的合金元素gd,并添加了能够提高镁合金力学性能的cu、ni元素，同时能够细化晶粒；本发明组分配比合理，生产工艺简单，能够有效的提高镁合金的总体强度，改善其力学性能，本发明的一种油气开采暂堵工具用镁合金的制备方法采用熔炼铸造的方法，通过调控合金的成分与制备工艺，能够获得新型镁合金，该合金满足实际工程领域的要求，形成可实际工业应用的铸造镁合金及其制备方法。