可溶解铝合金材料、其制备方法及压裂球
技术领域
本发明涉及金属功能材料技术领域，且特别涉及可溶解铝合金材料、其制备方法及压裂球。
背景技术
压裂技术是利用水力作用使油气层形成裂缝的一种油气开采技术，是使用频率最高的油气开采技术之一，压裂球是压裂技术得以实施的关键，国内的油田大多使用塑料球或钢球作为压裂作业过程中的压裂球。但是，由于钢球比重大，在水平地层层段很难快速坐封投球滑套的球座，影响压裂液和油气的流通通道；塑料球在返回井口过程中易堵住已经压开的其他裂缝，不利于提高油气的产出量。
为了适应水平井压裂的发展，需要选择其他比重轻的材料来制造压裂球。一般而言，压裂球需要满足一下要求：(1)密度低；(2)可承受井下工作压力；(3)加工性能好；(4)压裂结束之后易返排或者其本身具有可溶解性；(5)溶解速度与其使用温度有关。基于以上要求，可溶解铝合金是制备压裂球的理想材料，但是一般溶解速率越高则强度往往越低，不能满足工艺要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可溶解铝合金材料，旨在提升合金的溶解速率，且使合金的强度也保持在较高水平。
本发明的另一目的在于提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，其通过合金成分的改进，使制备得到的铝合金材料具有很快的溶解速率。
本发明的第三目的在于提供一种压裂球，其溶解速率高，且强度也较为理想。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出了一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%200.01～6.0％、In%200.01～5.5％、Sn%200.01～6.0％、Zn%200.01～7.0％、Mg%200.01～5.0％、Cu%200.01～4.0％、Ce%200.01～3.5％、La%200.01～6.5％，其余为Al。
本发明还提出一种可溶解铝合金材料的制备方法，将按比例调配的原料进行冶炼。
本发明还提出一种压裂球，其由上述可溶解铝合金材料或上述制备方法制备得到的可溶解铝合金材料制备而得。
本发明实施例提供一种可溶解铝合金材料的有益效果是：其在铝合金中引入Ga、In、Sn、Zn、Mg、Cu、Ce和La，通过Ga、In、Sn和Zn调控合金的溶解性能；通过Mg和Cu强化析出，提高材料强度；通过Ce和La进行细晶强化，同样有利于提升材料的强度。发明人通过以上组分用量的调控，达到显著改善材料溶解性能的目的，同时还能够使材料的强度保持在较好水平。
本发明实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，按照上述成分比例调控原料，能显著提升材料的溶解速率，并使材料的强度满足工艺要求，非常适合于制备压裂球。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的可溶解铝合金材料、其制备方法及压裂球进行具体说明。
本发明实施例提供了一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga0.01～6.0％、In%200.01～5.5％、Sn%200.01～6.0％、Zn%200.01～7.0％、Mg%200.01～5.0％、Cu0.01～4.0％、Ce%200.01～3.5％、La%200.01～6.5％，其余为Al。
需要说明的是，通过Ga、In、Sn和Zn调控合金的溶解性能；通过Mg和Cu强化析出，提高材料强度；通过Ce和La进行细晶强化，同样有利于提升材料的强度。发明人通过改进铝合金材料的组成和用量配比使制备得到的铝合金材料的溶解速率得到显著改善，同时使强度维持在适中水平，适合于作为制备压裂球的材料使用。若各组分的用量超出上述范围则会影响材料的溶解性能，或者一定程度上降低材料的强度，特别是Cu、Ce和La的用量影响更为显著，Cu能够与Al形成Al2Cu相，起析出相强化的作用，Ce和La能够协同细化铝合金晶粒组织，起细晶强化作用。
为了在保证材料强度的前提下，进一步提升材料的溶解速率，发明人对各组分的用量进行了进一步优化。以质量百分比计包括以下成分：Ga%200.1-5.0％、In%200.1-4.5％、Sn0.1-5.0％、Zn%200.1-6.0％、Mg%200.2-4.5％、Cu%200.1-3.5％、Ce%200.1-3.0％、La%200.1-5.5％，其余为Al；更优选地，包括以下成分：Ga%200.25-4.0％、In%200.3-3.5％、Sn%200.25-4.0％、Zn0.35-4.5％、Mg%200.4-4.0％、Cu%200.15-3.0％、Ce%200.15-2.5％、La%200.25-4.0％，其余为Al。
本发明实施例还提供了一种可溶解铝合金材料的制备方法，将按上述比例调配的原料进行冶炼，具体包括如下步骤：
S1、铸坯的制备
将铝锭熔化后按配比加入其它原料(包括Ga、In、Sn、Zn、Mg、Cu、Ce和L对应的原料)制成铸坯。在一些实施例中是将铝锭熔化升温至700-810℃并保温10-60min之后再加入其它原料，以使各组分混合均匀。
在一些实施例中，Ga、In、Sn、Zn和Mg均是以纯金属的形式加入，Cu、Ce和La均以铝合金的形式加入，即以Al-Cu、Al-Ce和Al-La中间合金的形式加入。各组分的加入形式考虑原料易得和成本问题，采用上述的加入方式为宜。
具体地，铸坯的制备过程包括：按配比加入各原料之后，将熔体升温至710-840℃并保温20-60min，然后经过精炼和静置后进行浇注；浇注温度为700-820℃。精炼和静置为常规步骤，在此不做过多赘述。发明人调控了浇铸温度使铸坯的成型效果更好，有利于得到质地更加均匀的合金材料。
S2、热处理
将铸坯进行热处理之后能够获得高强度的铝合金材料，在一些实施例中，热处理过程包括双级固溶处理和双级时效处理，双级固溶处理是依次在第一级固溶温度和第二级固溶温度下进行固溶，第二级固溶温度大于第一级固溶温度；双级时效处理是依次在第一级时效温度和第二级时效温度下进行处理，第二级时效温度大于第一级时效温度。发明人创造性地采用双级固溶+双级时效热处理工艺制度，相对于铝合金热处理工艺材料的强度得到进一步提升。
具体地，第一级固溶温度为380-480℃，对应的固溶时间为1-5h；第二级固溶温度为400-520℃，对应的固溶时间为1-6h。第一级时效温度为100-200℃，对应的时效时间为5-12h；第二级时效温度为150-250℃，对应的时效时间为6-24h。将双级固溶和双级时效热处理的具体参数控制在上述范围内能够达到显著提升材料强度的目的，若处理温度和时间超出上述范围均不利于提升材料的强度。
本发明实施例还提供了一种压裂球，其由上述可溶解铝合金材料或上述制备方法制备得到的可溶解铝合金材料制备而得，该压裂球具备很好的溶解性能，且强度也较为理想。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%206.0％、In%200.01％、Sn%200.01％、Zn%207.0％、Mg%200.01％、Cu%200.01％、Ce%203.5％、La%200.01％，其余为Al。
本实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在熔炼炉中先将99.99％的纯铝锭熔化升温至700℃，保温60min，之后根据成分要求以纯金属的形式加入Ga、In、Sn、Zn和Mg，以Al-50Cu、Al-20Ce、Al-10La中间合金的形式加入Cu、Ce和La。加入合金元素后将合金熔体升温至710℃并保温60min，经过精炼和静置后进行浇注而制成铸坯，浇注温度为700℃。
(2)对铸锭进行双级固溶处理，第一级固溶温度为380℃，固溶时间为5h；第二级固溶温度为400℃，固溶时间为6h。之后进行双级时效处理，第一级时效温度为100℃，时效时间为12h；第二级时效温度为150℃，时效时间为24h。
实施例2
本实施例提供一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga0.01％、In%205.5％、Sn%206.0％、Zn%200.01％、Mg%205.0％、Cu%204.0％、Ce%200.01％、La%206.5％，其余为Al。
本实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在熔炼炉中先将99.99％的纯铝锭熔化升温至810℃，保温10min，之后根据成分要求以纯金属的形式加入Ga、In、Sn、Zn和Mg，以Al-50Cu、Al-20Ce、Al-10La中间合金的形式加入Cu、Ce和La。加入合金元素后将合金熔体升温至840℃并保温20min，经过精炼和静置后进行浇注而制成铸坯，浇注温度为820℃。
(2)对铸锭进行双级固溶处理，第一级固溶温度为480℃，固溶时间为1h；第二级固溶温度为520℃，固溶时间为1h。之后进行双级时效处理，第一级时效温度为200℃，时效时间为5h；第二级时效温度为250℃，时效时间为6h。
实施例3
本实施例提供一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%203.4％、In%202.4％、Sn%205.2％、Zn%206.1％、Mg%204.2％、Cu%201.5％、Ce%201.3％、La%203.7％，其余为Al。
本实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)在熔炼炉中先将99.99％的纯铝锭熔化升温至760℃，保温40min，之后根据成分要求以纯金属的形式加入Ga、In、Sn、Zn和Mg，以Al-50Cu、Al-20Ce、Al-10La中间合金的形式加入Cu、Ce和La。加入合金元素后将合金熔体升温至780℃并保温30min，经过精炼和静置后进行浇注而制成铸坯，浇注温度为750℃。
(2)对铸锭进行双级固溶处理，第一级固溶温度为420℃，固溶时间为3h；第二级固溶温度为480℃，固溶时间为4h。之后进行双级时效处理，第一级时效温度为160℃，时效时间为6h；第二级时效温度为220℃，时效时间为7h。
实施例4
本实施例提供一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%200.1％、In%200.1％、Sn%205.0％、Zn%200.1％、Mg%200.2％、Cu%200.1％、Ce%200.1％、La%200.1％，其余为Al。
本实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，其采用本实施例中各组分的比例调控原料的用量，具体步骤参照实施例3。
实施例5
本实施例提供一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%205.0％、In%204.5％、Sn%200.1％、Zn%206.0％、Mg%204.5％、Cu%203.5％、Ce%203.0％、La%205.5％，其余为Al。
本实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，其采用本实施例中各组分的比例调控原料的用量，具体步骤参照实施例3。
实施例6
本实施例提供一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga0.25％、In%203.5％、Sn%200.25％、Zn%200.35％、Mg%200.4％、Cu%200.15％、Ce%200.15％、La%204.0％，其余为Al。
本实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，其采用本实施例中各组分的比例调控原料的用量，具体步骤参照实施例3。
实施例7
本实施例提供一种可溶解铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%204.0％、In%200.3％、Sn%204.0％、Zn%204.5％、Mg%204.0％、Cu%203.0％、Ce%202.5％、La%200.25％，其余为Al。
本实施例还提供一种可溶解铝合金材料的制备方法，其采用本实施例中各组分的比例调控原料的用量，具体步骤参照实施例3。
对比例1
本对比例提供一种铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%203.4％、In2.4％、Sn%205.2％、Zn%206.1％、Mg%204.2％、Cu%201.5％、Ce%204.0％、La%207.0％，其余为Al。相对于实施例3增加了Ce和La的用量。
本对比例还提供一种铝合金材料的制备方法，其采用本对比例中各组分的比例调控原料的用量，具体步骤参照实施例3。
对比例2
本对比例提供一种铝合金材料，具体组成与实施例3相同。
本对比例还提供一种铝合金材料的制备方法，具体步骤参照实施例3，与实施例3不同之处仅在于热处理步骤不采用热处理步骤不采用双级固溶+双级时效热处理工艺制度，具体步骤如下：
对铸锭进行固溶处理，固溶温度为420℃，固溶时间为7h；之后进行时效处理，时效温度为160℃，时效时间为15h。
对比例3
本对比例提供一种铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%203.4％、In2.4％、Sn%205.2％、Zn%206.1％、Mg%205.7％、Ce%201.3％、La%203.7％，其余为Al。相对于实施例3不加入Cu，且Mg的用量相当于原来Cu和Mg用量之和。
本对比例还提供一种铝合金材料的制备方法，其采用本对比例中各组分的比例调控原料的用量，具体步骤参照实施例3。
对比例4
本对比例提供一种铝合金材料，以质量百分比计包括以下成分：Ga%203.4％、In2.4％、Sn%205.2％、Zn%206.1％、Mg%204.2％、Cu%201.5％、Ce%205.0％，其余为Al。相对于实施例3不加入La，且Ce的用量相当于原来Ce和La用量之和。
本对比例还提供一种铝合金材料的制备方法，其采用本对比例中各组分的比例调控原料的用量，具体步骤参照实施例3。
试验例1
测试实施例1-7和对比例1-4中铝合金的室温抗压强度和溶解速率，结果见表1。测试方法：(1)室温抗压强度的测试参照GB/T%207314-2017，高温抗压强度的测试参照HB%207571-1997。(2)溶解性能测试在浓度为3％的KCl水溶液中进行，溶液温度为50℃和150℃，通过计算每小时的溶解量而评价溶解速率。
表1铝合金的力学性能和溶解速率测试结果
从表1的测试数据可知：本申请实施例中制备得到铝合金的溶解速率在88～127mg/(cm2.h)。
对比实施例3和对比例1可知：当Ce和La的添加量大于本发明所规定的范围后，可溶解铝合金的强度降低，并且溶解速率也大大降低。
综上，本发明提供的一种可溶解铝合金材料，其在铝合金中引入Ga、In、Sn、Zn、Mg、Cu、Ce和La，通过Ga、In、Sn和Zn调控合金的溶解性能；发明人通过以上组分用量的调控，达到显著改善材料溶解性能的目的，同时还能够使材料的强度保持在较好水平。
本发明还提供的一种可溶解铝合金材料的制备方法，按照上述成分比例调控原料，能显著提升材料的溶解速率，并使材料的强度满足工艺要求，非常适合于制备压裂球。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
