本发明属于有色金属制备技术领域，涉及一种可溶解铝合金，具体涉及一种稀土ce改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺。
背景技术：
油气田开采常采用水力压裂工艺，该工艺开采过程中需要使用大量的井下工具，如滑套、套管、封隔器以及桥塞等。当压裂完成后，所有工具必须通过打捞或钻磨方式进行回收，保持井筒畅通。如果这些工具能够在使用过程中满足使用要求，又能在压裂完成后迅速溶解，无需回收。这将会避免工具回收时资源浪费问题，极大的提高了油气开采效率，并大幅降低生产成本。
目前，常见的可溶解材料主要分为有机高分子材料、无机材料和金属材料三大类。其中，有机高分子材料无法满足油气压裂所需的高温、高压要求，有的还需要在特殊条件下使用。因此，难以在要求较高的压裂环境中使用。相比有机高分子材料而言，无机材料溶解速率小，精确尺寸加工困难，而且需要一定的强酸环境。因此，无机材料难以在油气压裂领域得到广泛应用。金属可溶解材料使用最多的是可溶解镁合金材料和可溶解铝合金材料。可溶解镁合金目前主要用于生物材料，在含有大量氯离子的溶液中，镁及其合金材料会比在其他溶液中更容易发生溶解腐蚀反应。但镁合金可溶解材料溶解腐蚀反应速度相对较慢，无法达到油气压裂环境下材料溶解性能的最低要求。
专利201410819770.9提出了一种可溶解铝合金材料，该材料不仅具有较强的强度，而且在服役后无需磨削或返排，大大提高了油气开采的工作效率。但是，该专利中并未涉及稀土元素ce对该合金材料组织及性能的影响。美国专利（us2007/0181224）公开了一种合金材料，该合金材料包括占主要比例的一种或多种活性金属，以及占少量比例的一种或多种合金化产物。主要包含诸如金属元素镓（ga）、铟（in）、锌（zn）、铋（bi）和铝（al）这类位于元素周期表第ⅰ和ⅱ主族中的金属元素。该合金材料的特征在于其在特定条件下可控制其溶解速度。但是该合金的抗拉强度仅能达到几十个mpa。专利wo2016/165041a1提出了一种高强度可溶解铝合金材料，该材料能够在服役期间满足高机械强度的使用要求，又能在服役完成后迅速溶解。然而，大量的井下工具对材料的抗拉强度（500～600mpa）提出了更高的要求。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种稀土ce改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺，在熔炼过程中添加稀土元素ce，采用最佳的熔炼参数，在确保溶解速率可控的同时细化了可溶解铝合金铸态晶粒，制备出的可溶解铝合金材料既具有良好的力学性能，又具备良好的溶解性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种稀土ce改性高强度可溶解铝合金按质量百分比包括以下成分：zn0～8.0wt.%，sn3.0～30.0wt.%，ga0.1～15.0wt.%，in0.1～2.0wt.%，ce0.1～1.0wt.%，其余为al。
一种稀土ce改性高强度可溶解铝合金的熔炼工艺，包括以下步骤：
1）将纯度为4n的铝锭放入坩埚熔炼炉中，升温至710～780℃，使之熔融为铝液；
2）然后按照原料配比在铝液中依次加入预制的块状zn、sn、ga和in，接着加入稀土元素ce，充分搅拌后在710～760℃保温0.5～2小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；
3）最后浇注在事先预热的模具中，从而制备出稀土ce改性高强度可溶解铝合金铸件。
进一步，所述的熔炼炉中，整个过程利用氩气或氮气等惰性气体来保护熔体。
进一步，所述模具为直径40mm×长150mm的圆柱体。
进一步，所述模具预热温度为150～200℃。
与现有技术相比，本发明技术方案的突出性实质特点和显著性的进步主要体现在：
1）本发明在熔炼过程中添加了稀土元素ce，在保证材料溶解速率可控的同时细化了合金的铸态组织，提高了材料的力学性能。材料的抗拉强度可达到300～600mpa。
2）整个熔炼过程当中，利用氩气或氮气等惰性气体来保护熔体，避免了稀土元素和合金元素的烧损。
3）本发明工艺过程简单易行，制备出的材料力学性能和溶解性能良好，可直接用于制作滑套、套管、封隔器以及桥塞等满足实际工况要求的井下工具。
附图说明
图1为不添加稀土元素ce的可溶解合金材料铸态金相组织照片；
图2为添加稀土元素ce后材料的铸态金相组织照片；
图3为稀土ce改性高强度可溶解铝合金熔炼装置示意图；其中，1为惰性气体瓶；2为石墨坩埚熔炼炉；3为气瓶阀门；4为通气管；5为固定架；6为喷吹气管；7为可溶解铝合金熔液；8为热电偶；9为温度显示器；10为压力表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案：
实施例1：
首先将高纯铝锭（纯度4n）放入石墨坩埚熔炼炉中，升温至740℃，使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方85.5%重量依次加入7.0wt.%zn，3.0wt.%sn，2.4wt.%ga，2.0wt.%in，搅拌均匀，温度回升至740℃后保温15分钟。然后进行搅拌，扒渣。当炉内温度再次回升至740℃时，加入0.1wt.%的稀土元素ce，充分搅拌后在750℃保温1小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体。最后将合金熔体浇注在事先预热的模具中，待铸件冷却至室温后，即可制备出稀土ce改性高强度可溶解铝合金铸件；整个熔炼过程中，使用氮气保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为434mpa。在60℃、3.5%nacl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为10.8mg/(h·cm2)。
实施例2：
首先将高纯铝锭（纯度4n）放入石墨坩埚熔炼炉中，升温到730℃，使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方80.0%重量依次加入5.0wt.%zn，10.0wt.%sn，2.7wt.%ga，2.0wt.%in，搅拌均匀，温度回升至730℃后保温15分钟。然后进行搅拌，扒渣。当炉内温度再次回升至730℃时，加入0.3wt.%稀土元素ce，充分搅拌后在740℃保温1小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体。最后将合金熔体浇注在事先预热的模具中，待铸件冷却至室温后，即可制备出稀土ce改性高强度可溶解铝合金铸件；整个熔炼过程中，使用氮气保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为475mpa。在60℃、3.5%nacl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为15.4mg/(h·cm2)。
实施例3：
首先将高纯铝锭（纯度4n）放入石墨坩埚熔炼炉中，升温到710℃，使之熔融为铝液，然后将所得铝液按配方65.0%重量依次加入1.5wt.%zn，25.0wt.%sn，6.0wt.%ga，2.0wt.%in，搅拌均匀，温度回升至710℃后保温15分钟。然后进行搅拌，扒渣。当炉内温度再次回升至710℃时，加入0.5wt.%稀土元素ce，充分搅拌后在720℃保温1小时，使之成为具有宏观均匀性质的熔体。最后将合金熔体浇注在事先预热的模具中，待铸件冷却至室温后，即可制备出稀土ce改性高强度可溶解铝合金铸件；整个熔炼过程中，使用氮气保护熔体，减少合金元素的烧损。熔炼完成后，对所制备的材料在常温下进行了拉伸性能测试，其抗拉强度为376mpa。在60℃、3.5%nacl溶液中对所制备的材料进行溶解性能测试，测得材料的溶解速率为20.7mg/(h·cm2)。
图1、图2为材料铸态金相组织照片，图1为材料没有添加稀土元素ce的照片，图2为材料添加稀土元素ce之后的照片。由照片可以看出，材料在添加稀土元素ce之后，晶粒得到了显著细化，组织结构更加致密，材料良好的力学性能和溶解性能得到了进一步体现。
以上实施例表明，本发明工艺过程简单可行，按照本发明的工艺方法制备出的稀土ce改性高强度可溶解铝合金材料具有较高的抗拉强度和较快的溶解速率，完全满足实际工况使用要求。
需要说明的是，以上所述实施例为本发明的较佳实施方式而已。除上述实施例以外，本发明尚有其他多种实施方式。凡是采用等效替换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。