本发明属于金属材料及加工技术领域，特别涉及一种低成本快速腐蚀镁合金及其制备方法和应用。
背景技术：
科学技术的发展促使全球工业自动化水平不断提高，这导致能源的需求进一步增加。页岩油气作为当前和未来一段时间内能源领域发展的重要方向之一，具有较高的经济价值，相关开采技术在美国已经取得成功并逐步推广到全球。根据相关数据统计，我国的页岩气储量居世界第一位，页岩油储量居世界第三位，未来发展前景广阔。然而相关开釆技术仍然处于起步价段，目前主流技术为水平井开采常用的多级滑套分段压裂技术。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解以及较好的强度和延伸率等特点。目前市面上的现有材料大多数含有价格昂贵的稀土或镍，极大的增加了材料成本，也阻碍了其应用推广。
技术实现要素：
本发明是为了解决目前镁合金材料成本高和降解时间过长的技术问题，而提供一种低成本快速腐蚀镁合金及其制备方法。
本发明采用以下技术方案：
本发明第一个方面，一种低成本快速腐蚀镁合金，所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成：al：3-25wt%、ca：0.20-1.owt%、zn：2-15wt%，cu：1.2-3.0wt%，fe：1.5-5.0wt%，余量为mg及其他杂质元素。
其中，杂质元素是在熔炼过程中由原材料的带入的不可避免的杂质元素，杂质元素的重量百分比少于0.1%。
本发明第二个方面，提供以上所述低成本快速腐蚀镁合金的制备方法，包括以下步骤：称取纯镁锭、纯铝锭、mg-ca中间合金，mg-zn中间合金，mg-cu中间合金；通入保护气体并进行熔炼，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；所述热挤压条件为：挤压温度350-400℃、挤压比为4-10、挤压速度10-20m/min；优选挤压温度350℃。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明mg-al-ca-zn-cu-fe合金通过ca细化晶粒尺寸，进而降低铸锭偏析，使得材料中的cu和fe均匀分布，形成细小弥散的mg2cu和mg2fe，达到快速腐蚀溶解的目的。
（2）本发明的合金通过ca元素的加入，弱化了镁合金的基面织构，进而提高材料的延伸率。另外，ca本身具有阻燃和抗氧化效果，提高了合金的燃点。因而在熔炼过程中降低了保护气体的用量；在均匀化处理过程中不需要气体保护。
（3）本发明在合金中加入al元素，一方面通过固溶强化方式提高材料的强度，另一方面可以形成少量高熔点的(mg，al)2ca第二相，通过弥散强化的方式提高材料的强度。
（4）本发明快速腐蚀镁合金可以在350-400℃高温、小于10的挤压比条件下快速挤压得到良好力学性能的可溶性镁合金。“通入保护气体变形”和“小挤压比”，一方面可以降低加工过程中变形抗力，提高成形速率，降低设备损耗;另一方面可以采用小吨位设备加工大尺寸产品，减少设备等固定资产投入。
（5）本发明可溶性镁合金添加了少量较便宜的fe元素，对合金成本增加较少；同时，材料加工速率高、成本低，因此应用前景较好。
本发明快速腐蚀镁合金中不含价格昂贵的稀土元素，在实现低成本的基础上，既具有良好的力学性能，又具备较快的腐蚀速率，是一种综合性能良好的可快速腐蚀镁合金。
具体实施方式
针对背景技术中所述问题，本发明第一个方面，提供一种低成本快速腐蚀镁合金，低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成:al：3-25wt%、ca：0.20-1.owt%、zn：2-15wt%，cu：1.20-3.0wt%，fe:1.50-5wt%，余量为mg及其他杂质元素。
镁合金由于化学性质活泼，在没有保护的情况下，熔炼和铸造过程极易发生氧化燃烧，适度的合金化可以提高合金的燃点温度，降低熔炼、铸造过程中的成本和事故风险；另外镁合金属于密排六方金属结构，室温滑移系较少，需要热成形加工，而高合金化会增加材料成本，同时降低其成形性能即挤压过程中容易出现氧化、裂纹等缺陷。因此，合金化元素的选择和含量的控制对材料的加工成本和产品质量、力学性能、溶解速率都具有显著的影响。本发明镁合金通过优化合金元素及其含量，达到了低成本、易成形、力学性能适宜、可快速腐蚀的目的。
a1是最经济的提高变形镁合金强度的元素。ca元素可以显著提高镁合金的燃点温度，并且细化铸锭组织。另外，a1和ca可以与mg形成熔点较高的2ca相。通过al、ca的微合金化既提高了镁合金强度，又保持了较好的延伸率。传统上认为cu和fe属于杂质元素，会提高镁合金腐蚀速度。本发明通过控制cu和fe元素的含量，在镁合金组织得到细小的mg2cu和mg2fe相，从而可以制备快速腐蚀镁合金。
本发明第二个方面，提供低成本快速腐蚀镁合金的制备方法，包括以下步骤：称取纯镁锭、纯铝锭、mg-ca中间合金，mg-zn中间合金，mg-cu中间合金；通入保护气体并进行熔炼，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；所述热挤压条件为：挤压温度350-400℃、挤压比为4-10、挤压速度10-20m/min；优选挤压温度350℃。本发明方法挤压比小，挤压速度大，降低设备损耗。
进一步地，所述热挤压条件为:挤压温度350℃、挤压比为8，挤压速度20m/min.在该热挤压条件下制备得到的快速腐蚀镁合金溶解性、抗拉强度、延伸率等性能最佳。本发明采用上述较低的挤压比可以制备较大尺寸的棒材，同时可以降低所需挤压机设备的吨位。
进一步地，所述熔炼，浇注成铸锭的步骤包括:将纯镁锭、纯铝锭，mg-ca中间合金、mg-zn中间合金、mg-cu中间合金按照配比称重，通入保护气体，在720-740℃熔炼，保温40-60min，搅拌5-lomin，并精炼20-30min，精炼后升温至740-760℃静置30-40min，在720-740℃浇注成铸锭；在730℃熔炼，保温60min，搅拌lomin，并精炼20min，精炼后升温至760℃，静置40min，在720℃浇注成铸锭。
进一步地，所用保护气体为co2和sf6的混合气体，co2和sf6体积比为200-400:1；优选的，co2和sf6体积比为300:l.该混合气体防止合金制备过程中发生氧化作用效果最显著。
进一步地，所述均匀化处理的条件是在480-520℃下进行均匀化处理保温时间1-4h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮；优选的，在500℃下进行均匀化处理保温时间2h。本发明采用较高的均匀化温度，一方面可以促进微量合金尽快固溶到镁合金基体中，降低热处理成本；另一方面可缩短均匀化保温时间，防止铸态组织粗化。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施试例详细说明本发明的技术方案。
实施例1一种低成本快速腐蚀镁合金
所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成:al13.00wt%、zn9.0wt%、ca0.4wt%、cu2.0wt%、fe3.0wt%，其余为mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、mg-25%ca中间合金、mg-30%cu中间合金；在co2+sf6混合气体（体积比为300:1）保护条件下，在720℃熔炼，保温60min，搅拌lomin，并精炼20min，精炼后升温至740℃静置30min，在720℃浇注成铸锭。
将实施例1铸锭在520℃下进行均匀化处理保温时间2h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度350℃、挤压比为5、挤压速度20m/min条件下，挤压成棒材，即得。
实施例2一种低成本快速腐蚀镁合金
所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成：al25.00wt%、zn2.0wt%、ca0.2wt%、cu3.0wt%、fe1.5wt%，按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、mg-25%ca中间合金、mg-10%zn中间合金、mg-30%cu中间合金；在co2+sf6混合气体（体积比为400:1）保护条件下，在740℃熔炼，保温40min，搅拌5min，并精炼30min，精炼后升温至760℃静置40min，在740℃浇注成铸锭。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度400℃、挤压比为8、挤压速度20m/min条件下，挤压成棒材。
将实施例2铸锭在500℃下进行均匀化处理保温时间2h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度400℃、挤压比为8、挤压速度20m/min条件下，挤压成棒材。
实施例3一种低成本快速腐蚀镁合金
所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成:al3.0wt%、zn15wt%、ca0.75wt%、cu2.8wt%、fe2.0wt%，其余为mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、mg-25%ca中间合金、mg-10%zn中间合金、mg-30%cu中间合金；在co2+sf6混合气体(体积比为400:1)保护条件下，在720℃熔炼，保温40min，搅拌5min，并精炼30min，精炼后升温至750℃静置30min，在730℃浇注成铸锭。
将实施例3铸锭在510℃下进行均匀化处理保温时间lh，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度390℃、挤压比为10、挤压速度10m/min条件下，挤压成棒材。
实施例4一种低成本快速腐蚀镁合金
所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成:al19.0wt%、zn4wt%、ca0.30wt%、cu1.8wt%、fe4.0wt%，其余为mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、mg-10%zn中间合金、mg-25%ca中间合金、mg-30%cu中间合金；在co2+sf6混合气体(体积比为300:1)保护条件下，在720℃熔炼，保温40min，搅拌lomin，并精炼30min，精炼后升温至740℃静置30min，在720℃浇注成铸锭。
将实施例4铸锭在500℃下进行均匀化处理保温时间2h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度380℃、挤压比为10、挤压速度5m/min条件下，挤压成棒材。
实施例5一种低成本快速腐蚀镁合金
所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成:al11.0wt%、zn7.0wt%、ca0.6wt%、cu1.20wt%、fe5.00wt%，其余为mg及不可避免的杂质元素。在co2+sf6混合气体（体积比为300:1）保护条件下，在720℃熔炼，保温60min，搅拌lomin，并精炼20min，精炼后升温至740℃静置30min，在720℃浇注成铸锭。
将实施例5铸锭在520℃下进行均匀化处理保温时间2h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度350℃、挤压比为5、挤压速度20m/min条件下，挤压成棒材，即得。
实施例6一种低成本快速腐蚀镁合金
所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成:al5.00wt%、zn12.0wt%、ca1.0wt%、cu2.0wt%、fe4.0wt%，其余为mg及不可避免的杂质元素。按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、mg-25%ca中间合金、mg-30%cu中间合金；在co2+sf6混合气体（体积比为300:1）保护条件下，在720℃熔炼，保温60min，搅拌lomin，并精炼20min，精炼后升温至740℃静置30min，在720℃浇注成铸锭。
将实施例6铸锭在520℃下进行均匀化处理保温时间2h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度350℃、挤压比为5、挤压速度20m/min条件下，挤压成棒材，即得。
实施例7一种低成本快速腐蚀镁合金制备方法
所述低成本快速腐蚀镁合金为mg-al-ca-zn-cu-fe镁合金，由以下质量百分比的元素组成:al21.00wt%、zn3.0wt%、ca0.5wt%、cu2.6wt%、fe3.5wt%，按配比称重原料，上述原料采用纯镁锭、纯铝锭、mg-25%ca中间合金、mg-10%zn中间合金、mg-30%cu中间合金；在co2+sf6混合气体（体积比为400:1）保护条件下，在740℃熔炼，保温40min，搅拌5min，并精炼30min，精炼后升温至760℃静置40min，在740℃浇注成铸锭。
将实施例7铸锭在500℃下进行均匀化处理保温时间2h，冷却方式为风冷，然后切成相应的坯料并去皮。将上一步得到的坯料，经过挤压机在挤压温度400℃、挤压比为8、挤压速度20m/min条件下，挤压成棒材。
对各组合金的力学性能及腐蚀性能进行测定（见下表），力学性能测试方法依据gbt228.1-2010执行，腐蚀性能测试条件为:将(ψ20\20min的试样置于93℃的质量分数为3%kc1水溶液中，测试每小时腐蚀的重量。腐蚀速率为:腐蚀的重量/(试样表面积×时间)。
比较实施例1、2、3、4、5镁合金室温力学性能与高温溶解速率，可以看出：本发明的制备的低成本快速腐蚀镁合金的室温力学性能在逐步提高，而且本发明的合金在93℃、3%kc1溶液中的腐蚀速率明显随着制备方法的改变在增加，说明腐蚀性能在逐渐提高。对比实施组例1、6和7，可以看出：材料的力学性能随着挤压比增大而进一步增强，本发明采用较小的挤压比即可达到较好的性能，有利于该合金及制备方法的推广应用。