可溶铝合金的制备及其组织性能研究

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可溶材料因其独特的溶解性能和机械性能等优势在生物医学、食品包装和石油压裂等领域具有广泛应用。在油气压裂环境中,可溶有机高分子材料和无机材料由于无法承受高温、高压等苛刻条件而不能满足工况要求。与之相反,可溶铝合金因其具有高产量、低密度、低成本和良好的机械性能等优点而备受关注。但纯铝在空气中容易形成氧化膜,阻碍溶解反应的进行,而且可溶铝合金目前普遍存在溶解均匀性差、溶解速率难以控制等缺点,以上因素严重限制了其在油气压裂领域的应用。本文采用高温熔炼法在纯铝中引入Zn、Sn和Ga等合金元素制备出了适用于油气压裂环境的可溶铝合金材料。采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射等研究手段分析了不同含量的合金元素对可溶铝合金微观组织结构及物相组成的影响;利用失重法、电化学工作站和显微硬度计等测试方法研究了合金元素对可溶铝合金的溶解性能、电化学性能和硬度的影响;综合分析合金的微观组织结构和溶解性能,探讨了可溶铝合金的活化溶解机理。在纯铝中引入Sn元素后且随着Sn元素含量的增加,合金中产生了Al2Zn相和单质Sn相,平均晶粒尺寸先减小后增大,当Sn元素含量为2wt%时达到最细小的65.33μm,显微硬度值降到了最低的38.5HV0.05,降幅为48.8%,合金的自腐蚀电流密度最大,自腐蚀电位最负,活性显著提高;合金在90℃下3.5%NaCl溶液中溶解速率较高,达到了0.889mg/(h·cm2);在此基础上添加不同含量的Ga元素后,合金中出现了Al2Zn合金相和少量单质Sn相,Ga元素固溶进Al基体中。随着Ga元素添加量的增加,合金中的第二相数量增加,平均晶粒尺寸先减小后增大,显微硬度值逐渐增大。当Ga元素含量从0.5wt%增加到2wt%时,合金的平均晶粒尺寸由170.83μm减小到80.42μm,开路电位负移;当Ga的添加量为2wt%时,合金在3.5%NaCl溶液中自腐蚀电位最负且自腐蚀电流密度最大,活性最高,在90℃下3.5%NaCl溶液中溶解速率较高,可以达到3.968mg/(h·cm2)。进一步研究了Sn和Ga元素在不同配比下对可溶铝合金的显微组织和溶解性能的影响,发现随着Ga元素配比的升高,合金中的第二相数量增加,呈等轴晶均匀分布,显微硬度逐渐增大,开路电位负移,活性提高。当Sn:Ga为3:2.5时,合金的自腐蚀电流密度最大,活性最大;在90℃时的最大溶解速率比在50℃时的最大溶解速率提高了25%,说明升高溶液温度可以显著提高合金的活性。结合可溶铝合金显微组织结构和电化学测试分析可以看出,在溶解过程中,第二相与合金表面的氧化膜形成化学微电池,在含有氯离子的溶液中发生点蚀优先溶解;第二相溶解产生的金属阳离子通过与铝发生反应再次沉积到合金表面代替氧化膜中的铝,形成更多的活化点,使合金进一步活化,同时,低熔点元素Ga与其他金属形成流动性较好的Ga基类汞齐合金,破坏基体表面氧化膜,使合金沿着横向不断溶解;随着点蚀的不断扩展连接成一片后转变为均匀溶解。
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