[发明专利]一种稀土Ce改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺

说明书

一种稀土Ce改性高强度可溶解铝合金及其熔炼工艺，所述的稀土Ce改性高强度可溶解铝合金中Zn含量为0~8.0wt.%，Sn含量为1.0~30.0wt.%，Ga含量为0.1~15.0wt.%，In含量为0.1~2.0wt.%，Ce含量为0.1~1.0wt.%，其余为Al。本发明熔炼工艺过程简单，在熔炼过程中通过添加稀土元素Ce，采用最佳的熔炼工艺参数，对可溶解铝合金铸态组织晶粒进行了有效细化。所制备出的铝合金材料既具有良好的力学性能，又兼具良好的水溶解性能。能够满足实际工况要求，具有良好的市场前景和广泛的推广应用价值。

技术领域

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。

发明内容

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：Zn 0～8.0wt.%，Sn3.0～30.0wt.%，Ga 0.1～15.0wt.%，In 0.1～2.0wt.%，Ce 0.1～1.0wt.%，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；