用于受控速率溶解工具的电化活性的原位形成的颗粒制造技术

一种使用金属主要合金的可浇铸的、可模塑的和/或可挤出的结构。可将一种或多种添加剂添加到金属主要合金，从而在熔体中或者从熔体冷却时形成原位电化活性的增强颗粒。复合材料包含最佳组成和形貌，以在整体复合材料中获得特殊的电化腐蚀速率。原位形成的电化活性颗粒可用于增强复合材料的机械性质，例如延展性和/或拉伸强度。最终浇铸还可通过热处理以及变形加工(例如挤出、煅造或轧制)来相对于铸造状态的材料进一步改善最终复合材料的强度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2014年04月18日提交的美国临时专利申请第61/981,425号的优先权，该申请的内容被纳入本文作为参考。专利
本专利技术涉及用于用作石油钻井中可溶解组件的新颖的镁复合材料。
技术介绍
控制下井油井组件在不同溶液中的溶解的能力对于利用不可钻完井工具例如套筒、压裂球、液压致动工具等而言非常重要。用于这种应用的反应性材料已提出了一些时间，其在暴露于酸、盐和/或其它井眼(wellbore)条件时发生溶解或腐蚀。通常，这些组件由改造成溶解或腐蚀的材料组成。批露了溶解聚合物和一些粉末冶金金属，且其广泛地应用于制药工业，用于药物的缓释。此外，已由在体内溶解的金属或聚合物形成一些医疗装置。虽然在降低完井成本方面现有技术的油井钻探组件已取得了适度成功，但它们具体控制在具体溶液中的溶解速率的一致性和能力以及其它不足例如受限的强度和不良的可靠性，已影响了它们的普遍采纳。理想地，这些组件由低成本的、可放大的方法来制造，并产生受控的腐蚀速率，且与传统的工程合金如铝、镁和铁相比具有相似或增加的强度。理想地，传统的热处理、变形加工和机械加工技术可在不影响这种组件的溶解速率和可靠性的情况下用于所述组件上。
技术实现思路
本专利技术涉及用于用作石油钻井中可溶解组件的新颖的镁复合材料，且将具体结合这种应用来描该镁复合材料。如本领域普通技术人员可理解，本专利技术的新颖镁复合材料可用于其它应用(例如，非油井应用等)。在一种非限制性实施方式中,本专利技术涉及钻井或完井操作(completionoperation)中的球或其它工具组件，例如但不限于，在液压操作中容纳的组件，所述组件在使用之后可以溶解掉，从而无需钻探或除去该组件。管道、阀门、阀门组件、塞子、压裂球和其它形状和组件也可由本专利技术的新颖镁复合材料来形成。出于本专利技术之目的，在零件从阀门底座或塞子设置移除其自身或可变得在系统中自由浮起时，测量阀门组件和塞子的主要溶解。例如，当零件是塞子系统中的塞子时，当塞子降解或溶解到塞子不再能用作塞子且由此使得流体绕着塞子流动的点时，发生主要溶解。出于本专利技术之目的，在零件完全溶解成亚毫米颗粒时，测量次要溶解。如本领域普通技术人员可理解，本专利技术的新颖镁复合材料可用于也需要在一定时间段之后溶解的功能的其它油井组件。在本专利技术的一个非限制性方面中,从新颖镁复合材料组合物沉淀电化活性(galvanically-active)的相，并将其用于控制组件的溶解速率；然而,无需如此。新颖镁复合材料通常是可浇铸的和/或可机械加工的，且可用于取代现有的石油和天然气钻机中的金属或塑料组件，包括但不限于水喷射和水力压裂。新颖镁复合材料可进行热处理以及挤出和/或煅造。在本专利技术的一个非限制性方面中,新颖镁复合材料用于形成可浇铸的、可模塑的或可挤出的组件。根据本专利技术的非限制性镁复合材料包含至少50重量％镁。可将一种或多种添加剂添加到镁或镁合金以形成本专利技术的新颖镁复合材料。可选定一种或多种添加剂且以一定数量使用，从而当镁或镁合金处于熔融状态时和/或在熔体冷却过程中，在镁或镁合金中形成电化活性的中间金属或不溶沉淀物；然而，无需如此。添加的一种或多种添加剂的重量百分数通常小于所述镁或镁合金的重量百分数。通常,镁或镁合金构成镁复合材料的约50.1重量％-99.9重量％以及在那之间的所有数值和范围。在本专利技术的非限制性方面中,镁或镁合金构成镁复合材料的约60重量％-95重量％,且通常镁或镁合金构成镁复合材料的约70重量％-90重量％。通常，在小于一种或多种添加剂熔点的温度下，将一种或多种添加剂添加到熔融的镁或镁合金。所述一种或多种添加剂通常具有下述平均粒度尺寸：至少约0.1微米,通常不超过约500微米(例如,0.1微米,0.1001微米,0.1002微米…499.9998微米,499.9999微米,500微米)和包含在那之间的任意数值或范围，更通常地是约0.1-400微米,和又更通常地是约10-50微米。在熔融的镁或镁合金中混合一种或多种添加剂的过程中,所述一种或多种添加剂通常不在熔融的镁或镁合金中形成完全的熔体。如本领域普通技术人员可理解,可在大于一种或多种添加剂熔点的温度下，将一种或多种添加剂添加到熔融的镁或镁合金。在形成镁复合材料的这种方法中,一种或多种添加剂与镁和/或镁合金中的其它金属形成次要金属合金(secondarymetallicalloy),所述次要金属合金具有大于镁和/或镁合金中其它金属的熔点。当熔融的金属冷却时,这些新形成的次要金属合金开始从熔融的金属沉淀出来，并在冷却的固体镁复合材料中形成原位相到基质相。在混合过程结束以后,冷却熔融的镁或镁合金和在熔融的镁或镁合金中混合的一种或多种添加剂，以形成固体组件。通常，熔融的镁或镁合金的温度比在添加过程和混合过程中添加到熔融的镁或镁合金的添加剂的熔点更小至少约10℃,通常比在添加过程和混合过程中添加到熔融的镁或镁合金的添加剂的熔点更小至少约100℃,更通常的比在添加过程和混合过程中添加到熔融的镁或镁合金的添加剂的熔点更小约100℃-1000℃(以及在那之间的任何数值或范围)；然而,无需如此。从未熔融的颗粒和/或新形成的次要金属合金称作熔融的镁复合材料中的原位颗粒形成。这种过程可用来在整体镁复合材料中和/或沿着镁复合材料的晶粒边界实现特殊的电化腐蚀速率。本专利技术采用了在传统铸造实施中通常是负面的特征，其中在熔体加工中形成颗粒，其在接触导电流体时腐蚀合金，且借助沉淀硬化嵌入在共熔相中、晶粒边界中和/或甚至在晶粒之内。这个特征使得能控制在最终浇铸中电化活性的相所在的地方，以及原位相和基质相的表面积比例,这使得与粉末冶金或合金复合材料相比，可使用更低的阴极相负载来获得相同的溶解速率。原位形成的电化添加剂可用于增强镁复合材料的机械性质例如延展性,拉伸强度,和/或剪切强度。最终镁复合材料还可通过热处理以及变形加工(例如挤出、煅造或轧制)来相对于铸造状态的(as-cast)材料进一步改善最终复合材料的强度；然而,无需如此。变形加工可用来通过降低镁复合材料的晶粒尺寸，来强化镁复合材料。其它增强例如传统合金热处理(例如固溶化(solutionizing)、老化和/或冷加工)可用来通过下述实现控制溶解速率：在合金微观结构之内沉淀更多或更少的电化活性的相，同时改善机械性质；然而,无需如此。因为电化腐蚀是同时受到阳极相和阴极相之间的电势以及两个相的暴露表面积的影响，还可通过下述来控制腐蚀速率：调节原位形成的粒度而不增加或降低添加物的体积或重量分数和/或通过改变体积/重量分数却不改变粒度。原位粒度控制的实现可通过下述来获得：熔体的机械搅拌、熔体的超声加工、控制冷却速率和/或通过实施热处理。原位粒度还可由或者由辅助加工来改变，例如轧制、煅造、挤出和/或其它变形技术。在本专利技术的另一非限制性方面中,可将浇铸的结构制成几乎任何形状。在形成过程中，电化活性的原位相可在整个组件中均匀分散，且可改变晶粒或晶粒边界组成来获得所需的溶解速率。电化腐蚀可改造成只影响晶粒边界和/或也可影响晶粒(基于组成)；然而,无需如此。与其它方法相比，这个特征可用于实现使用显著更少的活性(阴极)原位相，来快速溶解高强轻量合金复合材料。又在本专利技术的另一和/或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制镁或镁合金溶解性质的方法，所述方法包括下述步骤：将镁或镁合金加热到该镁或镁合金固相线温度以上的点；当所述镁或镁合金在所述镁或镁合金固相线温度以上时，将添加剂材料添加到所述镁或镁合金以形成混合物,所述添加剂材料具有大于所述镁或镁合金的所述固相线温度的熔点温度,所述添加剂材料构成所述混合物的约0.05重量％‑45重量％；当所述镁或镁合金在所述镁或镁合金固相线温度以上时，在所述混合物中分散所述添加剂材料；和,冷却所述混合物以形成镁复合材料,所述镁复合材料包含电化活性的中间金属相的原位沉淀。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.18 US 61/981,4251.一种控制镁或镁合金溶解性质的方法，所述方法包括下述步骤：将镁或镁合金加热到该镁或镁合金固相线温度以上的点；当所述镁或镁合金在所述镁或镁合金固相线温度以上时，将添加剂材料添加到所述镁或镁合金以形成混合物,所述添加剂材料具有大于所述镁或镁合金的所述固相线温度的熔点温度,所述添加剂材料构成所述混合物的约0.05重量％-45重量％；当所述镁或镁合金在所述镁或镁合金固相线温度以上时，在所述混合物中分散所述添加剂材料；和,冷却所述混合物以形成镁复合材料,所述镁复合材料包含电化活性的中间金属相的原位沉淀。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：通过在所述分散步骤中混合技术的受控选择、控制所述混合物的冷却速率或其组合，来控制所述原位沉淀的中间金属相的尺寸。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述镁或镁合金加热到小于所述添加剂材料的所述熔点温度的温度。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述镁或镁合金加热到小于所述添加剂材料的所述熔点温度的温度。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂包含选自下组的一种或多种金属：铜、硅、镍和钴。6.如权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂包含选自下组的一种或多种金属：铜、硅、镍和钴。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂由单一组成形成，且具有约0.1-500微米的平均粒度尺寸。8.如权利要求2-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂由单一组成形成，且具有约0.1-500微米的平均粒度尺寸。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镁合金包含超过50重量％镁和选自下组的一种或多种金属：铝、硼、铋、锌、锆和锰。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述镁合金包含超过50重量％镁和选自下组的一种或多种金属：约0.5-10重量％量的铝、约0.1-6重量％量的锌、约0.01-3重量％量的锆、约0.15-2重量％量的锰；约0.0002-0.04重量％量的硼和约0.4-0.7重量％量的铋。11.如权利要求2-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述镁合金包含超过50重量％镁和选自下组的一种或多种金属：约0.5-10重量％量的铝、约0.1-3重量％量的锌、约0.01-1重量％量的锆、约0.15-2重量％量的锰；约0.0002-0.04重量％量的硼和约0.4-0.7重量％量的铋。12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：在300℃以上且在所述镁复合材料熔融温度以下的温度下固溶化所述镁复合材料，从而改善所述镁复合材料的拉伸强度、延展性或其组合。13.如权利要求2-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：在300℃以上且在所述镁复合材料熔融温度以下的温度下固溶化所述镁复合材料，从而改善所述镁复合材料的拉伸强度、延展性或其组合。14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：在100℃以上且在300℃以下的温度下老化所述镁复合材料，从而改善所述镁复合材料的拉伸强度。15.如权利要求2-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：在100℃以上且在300℃以下的温度下老化所述镁复合材料，从而改善所述镁复合材料的拉伸强度。16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂金属包含约0.05-35重量％镍,所述镍在所述镁复合材料中形成作为电化活性的原位沉淀的中间金属MgxNi。17.如权利要求2-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂金属包含约0.05-35重量％镍,所述镍在所述镁复合材料中形成作为电化活性的原位沉淀的中间金属MgxNi。18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂金属包含约0.05-35重量％铜,所述铜在所述镁复合材料中形成作为电化活性的原位沉淀的中间金属CuMgx。19.如权利要求2-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂金属包含约0.05-35重量％铜,所述铜在所述镁复合材料中形成作为电化活性的原位沉淀的中间金属CuMgx。20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂金属包含约0.05-35重量％钴,所述钴在所述镁复合材料中形成作为电化活性的原位沉淀的中间金属CoMgx。21.如权利要求2-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂金属包含约0.05-35重量％钴,所述钴在所述镁复合材料中形成作为电化活性的原位沉淀的中间金属CoMgx。22.一种镁复合材料，所述镁复合材料包含电化活性的中间金属相的原位沉淀，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·P·杜德，N·J·法卡斯，A·J·舍曼，
申请(专利权)人：特维斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US