本技术涉及金属材料及加工技术,特别是一种高效溶解镁合金的结构设计、材料选择和制备工艺。该镁合金结构由纳米级镁合金晶粒构成,金属元素沿晶界偏聚,增强了材料的溶解性能。
背景技术
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可溶金属材料的开发对于页岩油气的水平分段压裂过程具有重要的意义。采用可溶材料制备的桥塞、暂堵球等工具在压裂工序后可在含氯离子水溶液中自然溶解,避免了人工剔除过程,也缩短了开采周期、降低了生产成本。
目前,可溶金属材料中应用最多的是可溶镁合金,这是由于金属镁的标准电极电位低、比强度和比刚度高。为了获得速率可控的溶解速率和较高的强度,通常采用的策略是较高程度的合金化。一方面在显微组织内部形成的一定数量的第二相,与金属基体通过电偶腐蚀实现在含氯离子水溶液中快速溶解;另一方面通过合金的第二相强化和固溶强化提高材料的强度。金属的塑性变形过程中位错无法绕过较大尺寸的第二相,进而形成位错塞积并逐渐发展成为材料断裂的裂纹源。因而较高程度合金化的镁合金材料往往会恶化材料的塑性,而且较高程度的合金化也会增加可溶镁合金的原材料成本和加工成本。
根据Mises准则,多晶体塑性变形需要五个独立滑移系;而金属镁室温下只有基面两个独立的滑移系,而柱面和锥面滑移系的临界剪切应力较高,相应的滑移系较难开动。拉伸孪晶在一定程度上能促进协调变形,但增加幅度只有大约7%。虽然“固溶强化增塑”理论的提出,拓展了镁合金的强韧化策略,但以钇为代表的稀土元素较高的材料成本阻碍了高性能可溶镁合金的大规模工业化推广。
随着“材料素化”概念的提出,通过调控低合金化的材料不同尺度缺陷(空位、位错、晶界等)来大幅度提高材料综合性能,成为一种新型金属材料的设计思路。
实现思路