高塑可溶Mg-Li-Gd-Ni合金力学与降解性能研究

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在油气开采中,以桥塞为核心工具的水平井分段压裂技术是国内外非常规油气资源开采的主要手段。但传统桥塞压裂后,需要钻磨,从而增加了施工成本和卡钻风险。由于可溶桥塞压裂后无需钻磨作业,可在井内液体中自行降解,既降低了成本又提高了效率,故国内外开展了大量可溶桥塞的研制。目前可溶桥塞主要用钢和橡胶制造,存在材料组分多和降解不完全的问题,需要研发完全可降解的全金属可溶桥塞。目前研发的高强可溶Mg合金,降解速率快,但塑性较低,难以满足全金属可溶桥塞中胶筒和密封环部件对高塑可溶材料的要求,高塑性可溶Mg合金亟待开发。前人发现,引入适量β-Li能有效改善Mg合金基体组织,从而提高Mg合金塑性。此外,长周期堆垛有序(LPSO)相有助于提高Mg合金的力学与降解性能,两种相的耦合为开发高塑可溶Mg合金提供了新思路。本实验首先在塑性良好的Mg-8Li双相合金基础上,为探究稀土相对组织结构、强塑性及降解性能的影响规律,设计不同Gd含量的Mg-8Li-x Gd合金,分析不同Gd含量下合金微观组织演变以及力学与降解性能变化,研究Mg-8Li-x Gd合金塑性变形机制和降解机理。实验结果表明,合金主要由α-Mg基体相、β-Li基体相和Mg5Gd相组成。此外,Gd含量增加,Mg-8Li-x Gd合金的力学和降解性能逐渐提高,Mg-8Li-6Gd合金有优异的强塑性和降解性能。其次,在优选的Mg-8Li-6Gd合金基础上,进一步探究由稀土元素(Gd)与过渡族元素(Ni)形成的LPSO强韧相对组织结构、强塑性及降解性能的影响规律。通过调控Ni/Gd比来设计不同LPSO含量的Mg-8Li-6Gd-xNi合金,进而调控α-Mg和β-Li体积分数,研究α-Mg、β-Li和LPSO相的含量对Mg-8Li-6Gd-xNi合金力学和降解性能的影响。实验结果表明,合金主要由α-Mg基体相,β-Li基体相和LPSO相组成。随着Ni含量增加,LPSO相含量增多,α-Mg体积分数减少,β-Li体积分数增多,合金强度提高,塑性降低,降解性能提高。铸态Mg-8Li-6Gd-1.5Ni合金的降解速率较高,在93℃的3.0 wt.%KCl溶液中降解速率达到198.9 mg/cm~2/h。最后,研究了不同挤压工艺对Mg-8Li-6Gd-xNi合金的微观组织与力学和降解性能的影响。挤压后,合金中相的种类基本没有发生改变,α-Mg被拉长,β-Li发生再结晶,LPSO相发生扭折变形,晶粒尺寸随挤压比增大逐渐减小。挤压比增大,合金的屈服强度和塑性提高,0.5Ni和1.0Ni合金降解速率增加。挤压比为50的挤压态Mg-8Li-6Gd-1.0Ni合金有优异的强塑性和良好的降解性能,抗拉强度为208MPa,延伸率为47.3%,在93℃的3.0 wt.%KCl溶液中降解速率为63.9 mg/cm~2/h。
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