合金铝管兼备足够高的强度可溶铝合金压裂工具在油气田开采所采用的水力压裂技术中有着十分重要的应用。可溶铝合金作为结构件使用除了要求具备良好的溶解性能外,还须兼备足够高的强度和一定的塑性。因此,合金中添加强…
合金铝管兼备足够高的强度
可溶铝合金压裂工具在油气田开采所采用的水力压裂技术中有着十分重要的应用。可溶铝合金作为结构件使用除了要求具备良好的溶解性能外,还须兼备足够高的强度和一定的塑性。因此,合金中添加强化合金元素、热处理以及细化合金晶粒等手段虽然能改善合金的力学性能,但是上述手段在改善合金力学性能的同时,无疑对合金的溶解性能也产生巨大影响。其中比较突出的问题是合金加入的Mg与低熔点金属生成了多种晶界相使得适用于Al-Ga-In-Sn合金的液态界面相机理已不适用于含Mg合金。晶界相的溶解与晶界相与基体间的电位差及晶界相化学键的类型有关。固溶于铝晶格中的Mg和Ga含量可改变铝基体电位,即改变晶界相与基体间的电位差。含镁多元铝合金中晶界相与铝基体间的电位差（AVPD）与晶界相晶体中类s态电子的能量密度有关。Mg2Sn、MgIn、Mg2Ga及Mg5Ga2相晶体中类s态电子的能量密度依次降低,故晶界相与铝基体间A.VPD的绝对值按Mg2Sn>MgIn>Mg2Ga>Mg5Ga2的顺序变化。阳极晶界相溶解服从镁镓化合物、Mg2Sn、MgIn顺序。晶界相的化合键强弱及类s态电子能量密度（功函数或晶界相与基体间的电位差）共同决定晶界相的溶解。镁镓化合物的化合键较强,类s态电子能量密度最低,所以该类型化合物最不易溶解;Mg2Sn相的化合键最强,类s态电子能量密度最高,所以Mg2Sn相较容易溶解;MgIn相的化合键最弱,类s态电子能量密度较高,所以MgIn最容易溶解。虽然MgGa相最不易溶解,但合金中添加少量In利于Ga从MgGa相中析出。含Mg合金中阳极晶界相溶解使得Ga、In、Sn析出,析出的低熔点金属在晶界处重新形成了 Ga-In、Ga-In-Sn相。依靠这些液态相含Mg合金可持续与水反应,展示了与四元Al-Ga-In-Sn合金不同的反应机理。因此,合金中添加强化合金元素、热处理以及细化合金晶粒等手段虽然能改善合金的力学性能,但是上述手段在改善合金力学性能的同时,无疑对合金的溶解性能也产生巨大影响。其中比较突出的问题是合金加入的Mg与低熔点金属生成了多种晶界相使得适用于Al-Ga-In-Sn合金的液态界面相机理已不适用于含Mg合金。所以,关于含Mg铝合金的铝水反应机理是值得研究的课题。另外,合金中加入Al-5Ti-1B细化剂及强化合金元素Cu等均改变合金微观结构并影响合金的铝水反应,而这也是值得研究的课题。本文采用常压铸造制备了多个系列铝合金并对合金进行热处理。利用XRD、SEM/EDX对合金的微观结构进行了表征。晶界相的溶解与晶界相与基体间的电位差及晶界相化学键的类型有关。固溶于铝晶格中的Mg和Ga含量可改变铝基体电位,即改变晶界相与基体间的电位差。含镁多元铝合金中晶界相与铝基体间的电位差（AVPD）与晶界相晶体中类s态电子的能量密度有关。Mg2Sn、MgIn、Mg2Ga及Mg5Ga2相晶体中类s态电子的能量密度依次降低,故晶界相与铝基体间A.VPD的绝对值按Mg2Sn>MgIn>Mg2Ga>Mg5Ga2的顺序变化。阳极晶界相溶解服从镁镓化合物、Mg2Sn、MgIn顺序。晶界相的化合键强弱及类s态电子能量密度（功函数或晶界相与基体间的电位差）共同决定晶界相的溶解。镁镓化合物的化合键较强,类s态电子能量密度最低,所以该类型化合物最不易溶解;Mg2Sn相的化合键最强,类s态电子能量密度最高,所以Mg2Sn相较容易溶解;MgIn相的化合键最弱,类s态电子能量密度较高,所以MgIn最容易溶解。虽然MgGa相最不易溶解,但合金中添加少量In利于Ga从MgGa相中析出。含Mg合金中阳极晶界相溶解使得Ga、In、Sn析出,析出的低熔点金属在晶界处重新形成了 Ga-In、Ga-In-Sn相。依靠这些液态相含Mg合金可持续与水反应,展示了与四元Al-Ga-In-Sn合金不同的反应机理。由于Ga、In从MgGa、MgGa2、MgIn相中析出速度比从Mg5Ga2-xInx、Mg2Ga1-xIn相中析出速度快,致使Mg含量大于4 wt.%合金的产氢速率和产氢率较Mg量含小于4 wt.%合金低。Cu不与低熔点金属反应,铝晶粒内固溶的Cu及晶界处CuAl2均降低合金的产氢速率和产氢率。热处理改变了合金晶界相数量、种类及铝基体成分、析出相数量,所以影响合金的产氢速率和产氢率。上述工作基本研究清楚了可溶合金的铝水反应机理,找到了多种合金元素添加含量的大致范围,初步掌握了热处理制度对合金结构及铝水反应的作用规律。研究结果为可溶合金综合性能优化奠定了一定实验基础。
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