一种油气开采用镁合金材料及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了属于有色金属技术领域的一种油气开采用镁合金材料及其制备方法和应用。所述镁合金材料的成分含量为：富铈混合稀土：0.5～25wt.％，Sn：0～10wt.％；Fe：0～10wt.％，Ti：0～10wt.％；Ni：0～10wt.％；Cu：0～10wt.％；余量为Mg。利用本发明的镁合金材料制造的工具能用于石油井、页岩气、油气井中油气开采井下作业，工具包括可溶桥塞、可溶球座、压裂球、封堵球、靶镖等。该材料可精确控制和预测其在油气井环境中力学性能和溶解速率演变，建立准确的预测模型，可直接针对不同页岩油气井环境选择最合适的成分以及制备和变形方法，大幅缩短供货周期，确保油气开采的安全和效率，并降低生产事故的风险和成本。

权利要求

1.一种油气开采用镁合金材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1）按比例Ce：50wt.%；La：30wt.%；Nd：15wt.%；Pr：5wt.%；将金属粉末混合均匀，得到富铈混合稀土；

以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉为原料；

按比例富铈混合稀土：9 wt.%，Sn：2 wt.%，Ti：1wt.%，Cu：0.5wt.%，余量镁，分别进行备料；

纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉纯度大于99.99%，粒度小于10um；

2）将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；

将纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉在200℃预热炉保温2小时后，将富铈混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

3）将合金熔液温度控制在800℃，纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉加入熔液中，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；

4）将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，模具和喷管均经过500℃保温7h预热，模具外加15mm厚的保温石棉层，模具中心固定6个喷管，每个喷嘴的喷射直线间呈60度，喷嘴均匀等距朝向模具壁喷射镁合金熔液，用转移泵将镁合金熔液转移到每个喷管中，通过喷嘴将镁合金熔液喷出，随着喷射过程的进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持15mm的距离，喷嘴与模具壁保持100mm的距离；

通过喷管浇注成Φ560mm的铸锭，将制备的铸锭进行均匀化热处理，均匀化温度480℃，保温24h，然后挤压成Φ200mm棒材，形成的基面织构，将挤压棒材重新加热进行模锻，并进行时效处理，时效温度120℃，保温24h。

2.一种油气开采用镁合金材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1）按比例Ce：50wt.%；La：30wt.%；Nd：15wt.%；Pr：5wt.%；将金属粉末混合均匀，得到富铈混合稀土；

以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ni粉、纯Fe粉为原料；

按比例富铈混合稀土：8wt.%，Sn：2wt.%，Ni：0.8 wt.%，Fe：0.3 wt.%，余量镁，分别进行备料；

纯Sn粉、纯Ni粉、纯Fe粉原料纯度均为99.99%以上，粒度小于10um；

2）将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；

将富铈混合稀土、纯金属粉末在200℃预热炉保温2小时后，先将富铈混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

3）将合金熔液温度控制在800℃，加入纯金属粉末，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；

4）将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，模具和喷管均经过500℃保温7h预热，模具外加20mm厚的保温石棉层，模具中心固定6个喷管，每个喷嘴的喷射直线间呈60度，喷嘴均匀等距朝向模具壁喷射镁合金熔液，用转移泵将镁合金熔液转移到每个喷管中，通过喷嘴将镁合金熔液喷出，随着喷射过程的进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持20mm的距离，喷嘴与模具壁保持80mm的距离；

通过喷管浇注成直径Φ410mm的铸锭，将制备的铸锭进行均匀化热处理，均匀化温度

480℃，保温24h，然后挤压成Φ100mm棒材，使加工材中形成强烈的基面织构进行时效处理，时效温度150℃，保温13h。

3.一种油气开采用镁合金材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1）按比例Ce：45 wt.%；La：35 wt.%；Nd：10 wt.%；Pr：10 wt.%；将金属粉末混合均匀，得到富铈混合稀土；

以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉为原料；

按比例富铈混合稀土：5 wt.%，Sn：2 wt.%，Ti：0.5wt.%，余量Mg；分别进行备料；

纯Sn粉、纯Ti粉原料纯度均为99.99%以上，粒度小于10um；

2）将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；

将纯Sn粉、纯Ti粉在200℃预热炉保温2小时后，先将富铈混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

3）将合金熔液温度控制在800℃，纯Sn粉、纯Ti粉加入熔液中，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；

4）将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，准备金属模具和喷管，喷管为铜合金，模具和喷管均经过500℃保温10h预热，模具外加20mm厚的保温石棉层，模具中心固定6个喷管，每个喷嘴的喷射直线间呈60度，喷嘴均匀等距朝向模具壁喷射镁合金熔液，用转移泵将镁合金熔液转移到每个喷管中，通过喷嘴将镁合金熔液喷出，随着喷射过程的进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持20mm的距离，喷嘴与模具壁保持60mm的距离；

通过喷管浇注成Φ410mm的镁合金材料的铸锭，将制备的铸锭进行均匀化热处理，均匀化温度480℃，保温24h，然后挤压成Φ60mm棒材，形成的基面织构，并进行时效处理，时效温度115℃，保温24h。

4.一种油气开采用镁合金材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

1）按比例Ce：40 wt.%；La：40 wt.%；Nd：15 wt.%；Pr：5 wt.%；将金属粉末混合均匀，得到富铈混合稀土；

以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Cu粉为原料；

按比例富铈混合稀土：25wt.%，Sn：1wt.%，Cu：0.5 wt.%，余量镁；分别进行备料；

纯Sn粉、纯Cu粉原料纯度均为99.99%以上，粒度小于10um；

2）将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；

将富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Cu粉在200℃预热炉保温2小时后，先将富铈混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

3）将合金熔液温度控制在800℃，加入纯Sn粉、纯Cu粉，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；

4）将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，准备金属模具和喷管，喷管为铜合金，模具和喷管均经过500℃保温8h预热，模具外加15mm厚的保温石棉层，模具中心固定4个喷管，每个喷嘴的喷射直线间呈90度，喷嘴均匀等距朝向模具壁喷射镁合金熔液，用转移泵将镁合金熔液转移到每个喷管中，通过喷嘴将镁合金熔液喷出，随着喷射过程的进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持15mm的距离，喷嘴与模具壁保持40mm的距离；通过喷管浇注成直径Φ400mm的铸锭。

说明书

一种油气开采用镁合金材料及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于有色金属技术领域，尤其涉及一种油气开采用镁合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 因为镁的标准电极电位低为‑2.37V，腐蚀电位在其它介质(如0.5％NaCl溶液、海‑
水等)中也很低，约为‑1.45V～‑1.6V，这个本征特性导致镁合金在潮湿环境中以及Cl 存在
的条件中极易发生腐蚀，因此在页岩气/油环境中可以实现降解。用镁合金材料制作的桥
塞、球座、压裂球等压裂工具可以在开采页岩油气等压裂施工时提供可靠的层间封隔，施工
结束后可在地层返排液环境中自行溶解，无需井筒干预作业，实现井筒全通径投产。

[0003] 油井环境比较复杂，包括：温度50～180℃，压力30～90Mpa，Cl‑离子含量(1％～10％)，和不同油水比例(60％～90％)等。在不同地域油井环境不同，相同地域不同地层深
度的油井环境不同，甚至同一油井中压裂工具下井先后顺序不同，都对压裂工具的力学性
能和溶解性性能要求都不同。因此，由于服役环境的变动性大，这就要求压裂工具用材料在
服役环境中的力学性能和降解速率均可精确预测和控制，建立模型，可以在确定服役环境
后直接选择成分并针对性的提供压裂工具，可有效的保证工程质量和生产效率。

[0004] 而现有大多用于压裂工具的镁合金材料成分相关专利均是在传统的Mg‑Al系、Mg‑Zn系、Mg‑RE系镁合金中添加Ni、Cu、Fe等合金元素，提高降解速率。但是存在几个问题：1.非
稀土镁合金在井下温度中强度快速下降甚至软化，且无法精确控制降解速率；2.常规稀土
镁合金强度高，耐高温，但其生产成本高，且添加合金元素生成的第二相在基体中有固溶
度，在制备和变形过程中存在回溶或析出，第二相种类以及数量无法精确预测，导致合金的
降解速率无法精确预测和控制；3.在油气井开采过程容易出现需要压裂工具提供有效层间
封隔时因强度低软化或降解太快无法实现有效的封隔而造成工程事故，或者需要压裂工具
快速降解实现油气开采时，由于强度高，降解太慢又严重影响工程进度。4.用上述压裂工具
用材料受组织成分的影响，无法建立精确的力学性能和降解速率的模型，只能用于某一特
定的油气环境，新的油气田环境应用就需要新的试验验证，通用性不强，延长供货周期，影
响生产效率，增加生产成本。5.井下工具基本是圆筒形或者球形，工具的降解速率提升，有
利于提高生产效率。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提出了.一种油气开采用镁合金材料，所述镁合金材料包括：Sn、Ni、Fe、Ti、Cu中的一种或几种，Mg和富铈混合稀土；

[0006] 含量为：富铈混合稀土：0.5～25wt.％，Sn：0～10wt.％；Fe：0～10wt.％，Ti：0～10wt.％；Ni：0～10wt.％；Cu：0～10wt.％；余量为Mg。

[0007] 所述镁合金材料的含量为：富铈混合稀土：0.5～25wt.％；Sn：0～2wt.％；Fe：0～1wt.％，Ti：0～1wt.％；Ni：0～1wt.％；Cu：0～1wt.％，余量为Mg。

[0008] 所述富铈混合稀土中包含Ce，La，Nd，Pr，其中Ce：40～60wt.％；La：20～40wt.％；Nd：10～15wt.％；Pr：1～10wt.％，余量为杂质。

[0009] 通过改变所述镁合金材料的成分和组织，实现精确预测和控制镁合金材料的力学性能和溶解速率。

[0010] 一种油气开采用镁合金材料的制备方法，步骤如下：

[0011] 1)按含量比例将Ce，La，Nd，Pr混合均匀得到富铈混合稀土；

[0012] 以镁锭、富铈混合稀土、Sn粉、Fe粉、Ti粉、Ni粉、Cu粉为原料，按镁合金材料的含量进行备料，并将富铈混合稀土和金属粉末分别预热；

[0013] 2)将镁锭在无氧条件下熔融，然后加入预热的富铈混合稀土得到合金熔液；

[0014] 3)向合金熔液中加入预热的Sn粉、Fe粉、Ti粉、Ni粉、Cu粉，搅拌熔融得到镁合金熔液；

[0015] 4)将镁合金熔液降温，采用喷管向模具壁喷射镁合金溶液进行铸锭，得到镁合金材料。

[0016] 所述步骤1)原料纯度均≥99.99％，预热温度为200℃，预热时间为2小时，步骤2)熔融温度为680～800℃；步骤3)熔融温度为700～800℃，熔融时间为30～80分钟；所述步骤
4)温度为640℃～660℃，保温时间10分钟。

[0017] 所述模具和喷管使用前进行预热，并且模具外加保温层；所述预热温度为500℃，预热时间为5～10h；保温层为石棉层，厚度为5～25mm。

[0018] 所述喷管为L型，喷管末段焊接喷嘴，模具中心均匀放置多个喷管，喷管为升降结构，喷管底部与模具底平行，喷嘴指向模具壁；喷管个数为4‑10个，喷嘴间隔20～200mm，喷
嘴与模具壁距离为40～100mm；喷管底部与镁合金熔液的液面保持1～25mm。

[0019] 所述镁合金材料铸锭完成后，还包括对锭坯进行均匀化热处理，加工成相应锻件，并进行时效处理；所述热处理温度为400℃～530℃，热处理时间为6h～36h。

[0020] 一种油气开采用镁合金材料的应用，所述镁合金材料应用于油气开采压裂施工工具或降解材料的制作；进一步的，包括可溶桥塞、可溶球座、压裂球、封堵球、靶镖、憋压球。

[0021] 本发明的有益效果在于：

[0022] 1.本发明的镁合金材料组织均匀，第二相数量可控，力学性能优良，降解均匀精确可控。可以实现针对不同油气井的环境提供对应的成分和变形方法，避免针对每个油气井
再研发新的材料，大幅度缩短工具的供货周期，提升油气开采的效率和安全，降低生产成
本。

[0023] 2.利用本发明的镁合金材料制造的工具能用于石油井、页岩气、油气井中油气开采井下作业，工具包括可溶桥塞、可溶球座、压裂球、封堵球、靶镖等。本发明的镁合金独特
的成分和组织使合金在油气井环境中的力学性能和降解性能演变可以精确控制，建立准确
的预测模型可以直接针对不同页岩油气井环境选择最合适的成分，大幅缩短供货周期，确
保油气开采的安全和效率，并降低生产事故的风险和成本。

[0024] 3.本发明镁合金材料可服役的各类井下环境，其温度、压力和Cl‑含量范围为：温‑
度50～200℃，压力30～120Mpa，Cl离子含量0.5％～10％。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例1合金金相组织；

[0026] 图2为Mg‑Sn相在面中的析出形貌图；

[0027] 图3为本发明转注过程示意图；

[0028] 其中，1‑熔液进口，2‑模具，3‑喷管，4‑喷嘴。

具体实施方式

[0029] 1)准备按含量比例Ce：40～60wt.％；La：20～40wt.％；Nd：10～15wt.％；Pr：1～10wt.％将Ce，La，Nd，Pr混合均匀得到富铈混合稀土；富铈混合稀土还可能包括Gd、Y或Nd等
稀土元素提纯后的伴生矿；

[0030] 2)以镁锭、富铈混合稀土、Sn粉、Fe粉、Ti粉、Ni粉、Cu粉为原料，按镁合金材料的含量进行备料，富铈混合稀土：0.5～25wt.％，Sn：0～10wt.％；Fe：0～10wt.％，Ti：0～
10wt.％；Ni：0～10wt.％；Cu：0～10wt.％；余量为Mg；具体的为：富铈混合稀土：0.5～
25wt.％；Sn：0～2wt.％；Fe：0～1wt.％，Ti：0～1wt.％；Ni：0～1wt.％；Cu：0～1wt.％，余量
为Mg。

[0031] 将富铈混合稀土和金属粉末原材料分别进行预热，预热温度为200℃，预热时间为2小时，；

[0032] 3)将镁锭在无氧条件下进行熔融，熔融温度为680～800℃，然后加入预热的富铈混合稀土得到合金熔液；

[0033] 4)向合金熔液中加入预热的Sn粉、Fe粉、Ti粉、Ni粉、Cu粉，搅拌，在700～800℃条件下熔融得到镁合金熔液，保温30～80分钟后，期间进行3‑8次充分的机械/电磁搅拌，使所
有合金元素均匀分布在镁溶液中，得到镁合金熔液。

[0034] 添加富铈混合稀土与Mg基体形成的Mg‑MM第二相在制备凝固过程中形成，均匀分布，在后续的热处理和变形过程中，不会溶于镁基体，数量尺寸可控，可实现第二相强化机
理，且在变形过程中可诱导动态再结晶，提高合金力学性能；

[0035] 并且Mg‑MM第二相与基体电位差大，与基体形成原电池腐蚀，腐蚀速度更快。并可通过对Mg‑MM第二相数量的控制实现对桥塞腐蚀速度的精确控制，建立准确的预测模型，模
型的误差不会因合金成分的变化而变化。Sn、Fe、Ti、Ni、Cu等元素以粉末的形式添加，以单
质状态均匀分布于基体中，在降解过程中与Mg‑MM、Mg‑Sn第二相的腐蚀效应互补，进一步促
使合金实现均匀降解，加快降解速率。

[0036] Mg‑MM第二相属于高温稳定相，使富铈混合稀土镁合金可以在高温环境中服役，可‑
适合于温度50～200℃，压力30～120Mpa，Cl 离子含量0.5％～10％条件下的油气等井下环
境，同时富铈混合稀土属于富余稀土，准备以及实际应用过程中可以极大程度的降低制备
压裂工具的原材料成本。

[0037] 5)为精确测定镁合金材料的性质，将镁合金熔液浇注光谱试样，进行炉前分析，根据试样的成分和含量决定是否加料调整，直至镁合金熔液达到所需要的镁合金成分和含
量。

[0038] 6)准备金属或石墨、砂型模具和喷管等相应工具，喷管为铜合金，模具、工具均经过500℃保温5～10h预热，模具外加保温5～25mm厚的石棉层，模具中心固定多个喷管，喷管
可上下移动，模具中的喷管呈L型，喷管末端与模具底平行，与模具底保持1～25mm的距离，
喷管终端焊接喷嘴，喷嘴指向模具壁，喷嘴以喷管为中心向四周均匀展开，喷嘴之间间隔20
～200mm，喷嘴与模具壁保持40～100mm的距离；

[0039] 7)将步骤4)镁合金熔液温度降至近液相线温度640℃～660℃，保温10分钟，熔体呈熔融状态，施加压力，如图3所示，用转移泵将熔液从熔液进口1转移到每个喷管3中，通过
喷嘴4将熔炼喷出，喷射管随着模具2内液面上涨而升高，始终与液面保持1～25mm的距离；
熔液转移结束后，顶部进行保温覆盖隔离，得到镁合金材料。模具经过500℃预热，并且进行
长时间保温，外侧采用石棉层保温，源源不断的熔液碰倒模具壁，保持熔融态，并且喷射浇
注是一个降温过程，熔液流动到心部后温度内外的温差小，且凝固速度快。熔液到模具后快
速凝固成固相，整个铸锭心部和表层的温差小，心部和表层温度同步下降，可同时形成的
Mg‑MM第二相；温度梯度小，形成的第二相数量均匀，尺寸相当。

[0040] 8)将步骤7)制备镁合金材料的锭坯进行均匀化热处理，均匀化温度400℃～530℃，保温6h～36h，然后采用挤压、锻造、轧制等加工成棒材、管材、型材或各种锻件，使加工
材中形成强烈的基面织构并进行时效处理，并进行时效处理，得到镁合金材料铸件，时效时
间100～255℃，保温2～40h，Mg‑Sn相只在基面析出；

[0041] 9)将步骤8)的铸件和各类变形加工材，经过车、铣、锯切、专控、数控加工等机械加工方法，加工成零件组装成或直接加工成可溶桥塞、可溶球座、压裂球、封堵球、靶镖、憋压
球等压裂工具成品或降解材料工具。

[0042] 本发明研究发现富铈混合稀土作为主合金元素，在合金熔炼冷却过程中，通过控制铸锭的凝固速度和凝固方向，使富铈稀土与Mg基体形成尺寸(1～20um)、形状相近的Mg‑
MM第二相，并均匀分布在铸锭中；该第二相在基体中的固溶度极小，几乎为零，热处理工序
对第二相尺寸数量无影响，一直以初生状态存在于基体中。该第二相在变形过程中可诱导
动态再结晶，细化合金晶粒，提高合金力学性能；Mg‑MM第二相属于高温稳定相，使富铈混合
稀土镁合金可以在高温环境中服役，适合油气等井下环境；Mg‑MM第二相与基体电位差大，
与基体形成原电池腐蚀，腐蚀速度更快，并可通过对第二相数量的控制实现对桥塞腐蚀速
度的精确控制，建立准确的预测模型，模型的误差不会因合金成分的变化而变化。

[0043] 添加富铈混合稀土与Mg基体形成的Mg‑MM第二相在制备凝固过程中形成，在铸件、铸锭中均匀分布，且Mg‑MM第二相在基体中的固溶度极小，几乎为零。因此，在后续的均匀化
和时效热处理过程中，该第二相不会回溶于基体，有利于精确控制合金的降解性能和力学
性能。本发明工艺中的均匀化和时效工序，是分别为了便于变形和产品的机械加工，对组织
和性能的影响很小。

[0044] 井下作业的工具基本为圆筒、球形形状，加快工具径向的腐蚀速率可加速工具的整体降解速率，提高生产效率。本发明通过挤压、锻造、轧制等变形使镁合金形成强基面织
构，通过机械加工获得使工具确保在井下服役时镁合金基体基面与油气井长度方向平行，
与径向垂直；添加Sn元素，通过温度控制固定在基面形成Mg‑Sn第二相(属于高温稳定相，耐
温535℃以上)，且在基面随机分布。该第二相增加合金基面腐蚀速率也就是工具径向的腐
蚀速率，大幅提高了工具的整体降解速率。

[0045] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

[0046] 实施例1

[0047] 制备了多种铸态Mg‑MM‑1％Sn系合金，制备成分件见表1。制备方法为：以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉为原料，纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯
Ni粉、纯Fe粉纯度大于99.99％，粒度小于10um，按表1的镁合金的成分的重量百分比分别进
行备料；

[0048] 将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；将富铈混合稀土、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉在200℃预热炉保温2小时后，先将富铈
混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

[0049] 将合金熔液温度控制在800℃，加入富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；

[0050] 浇注光谱试样，进行炉前分析调整，直至镁合金熔液达到本发明的镁合金成分和含量；

[0051] 将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，

[0052] 准备金属模具和喷管等相应工具，喷管为铜合金，模具、工具均经过500℃保温8h预热，模具外加保温15mm厚的石棉层，模具中心固定4个喷管，每个喷嘴的喷射直线间呈90
度，喷嘴均匀等距朝向模具壁喷射熔液，用转移泵将熔液转移到每个喷管中，通过喷嘴将熔
炼喷出，随着喷射过程的进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持15mm的距离，喷嘴与
模具壁保持40mm的距离；

[0053] 通过喷管浇注成直径Φ400mm的铸锭，供后续测试室温抗拉强度和降解性能，室温抗拉强度和降解性能见表1。

[0054] 本发明中制备得到的铸锭中添加富铈混合稀土与Mg基体形成的Mg‑MM第二相在制备凝固过程中形成，在铸锭中均匀分布，形状尺寸相差不大，合金典型的金相组织如图1所
示。且Mg‑MM第二相在基体中的固溶度极小，几乎为零。从表1数据可知，随着混合稀土添加
量的增加，合金的强度升高，降解速率增强，增幅逐渐减小。在本发明专利内成分中，富铈混
合稀土中稀土元素含量的变化不会引起合金的强度和降解性能大幅度变化，且在后续的均
匀化和时效热处理过程中，Mg‑MM稀土第二相不会回溶于基体，有利于精确控制合金的降解
性能和力学性能。

[0055] 添加的Sn元素和Ti、Fe、Ni、Cu合金元素，在铸锭中以单质的形式均匀分布在基体中，与Mg‑MM稀土相降解效应相互综合，促进整体均匀降解，有利于精确控制降解性能。

[0056] 表1Mg‑MM‑1％Sn系合金成分与其力学性能和降解性能

[0057]

[0058] 实施例2

[0059] 依据通过本发明的成分和方法的制备了3种锭坯，分别为：富铈混合稀土(Ce：45wt.％；La：35wt.％；Nd：10wt.％；Pr：10wt.％)：5wt.％，Sn：2wt.％，0.5wt.％Ti，余量Mg；
富铈混合稀土(Ce：45wt.％；La：35wt.％；Nd：10wt.％；Pr：10wt.％)：5wt.％，Sn：1wt.％，
0.5wt.％Ti，余量Mg；富铈混合稀土(Ce：45wt.％；La：35wt.％；Nd：10wt.％；Pr：10wt.％)：
5wt.％，0.5wt.％Ti，余量Mg；

[0060] 以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉为原料，纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉纯度大于99.99％，粒度小于10um，按上述的镁合金的成
分的重量百分比分别进行备料；

[0061] 将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；

[0062] 将纯Sn粉、纯Ni粉在200℃预热炉保温2小时后，将富铈混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

[0063] 将合金熔液温度控制在800℃，纯Sn粉、纯Ti粉加入熔液中，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；浇注光谱试样，进行炉前分析，调整量，直至镁合
金熔液达到本发明的镁合金成分和含量；将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温
10分钟，准备金属模具和喷管等相应工具，喷管为铜合金，模具、工具均经过500℃保温10h
预热，模具外加保温20mm厚的石棉层，模具中心固定6个喷管，每个喷嘴的喷射直线间呈60
度，喷嘴均匀等距朝向模具壁喷射熔液，用转移泵将熔液转移到每个喷管中，通过喷嘴将熔
炼喷出，随着喷射过程的进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持20mm的距离，喷嘴与
模具壁保持60mm的距离。

[0064] 通过喷管浇注成Φ410mm的镁合金材料的铸锭，供后续变形加工用；

[0065] 将制备的锭坯进行均匀化热处理，均匀化温度480℃，保温24h，然后挤压成Φ60mm棒材，形成的基面织构，并进行时效处理，时效时间115℃，保温24h；时效过程中，合金形成
Mg‑Sn相，Mg‑Sn相沿基面析出，在基面内随机分布，如图2所示。经机械加工成全尺寸的桥
‑
塞，将桥塞置于温度70℃，压力90Mpa，Cl离子含量2％，油水比例70％的模拟井下环境中进
行对比试验，整体降解速率分别为：5340mm/a，4635mm/a，4230mm/a。含Sn的合金整体降解速
率高于其他未添加Sn元素的合金，且Sn含量越高，整体降解速率越快。在基面形成Mg‑Sn相，
提高基面的腐蚀速率，尤其是在合金形成了基面织构，基面均朝向腐蚀液，合金降解速率进
一步增强。

[0066] 实施例3

[0067] 某油田需要可溶桥塞，其油气井环境为：温度120℃，压力70Mpa，Cl‑离子含量3％，油水比例80％，桥塞下井前后时间差约36h，要求提供桥塞强度大于250MPa，在该环境下先
下井和后下井的桥塞在最后一根桥塞下井12h后同步降解。

[0068] 针对油田情况和实际适用要求的制备了三种成分的合金成分的锭坯，分别：

[0069] 1)按比例Ce：50wt.％；La：30wt.％；Nd：15wt.％；Pr：5wt.％；将金属粉末混合均匀，得到富铈混合稀土；

[0070] 以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ni粉为原料，按比例富铈混合稀土：4.5wt.％，Sn：0.5wt.％，Ni：0.5wt.％，余量镁；分别进行备料；原料纯度均为99.99％以上，
粒度小于10um，

[0071] 将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；

[0072] 将富铈混合稀土、纯金属粉末在200℃预热炉保温2小时后，先将富铈混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

[0073] 将合金熔液温度控制在800℃，加入纯金属粉末，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；浇注光谱试样，进行炉前分析，调整量，直至镁合金熔液达到
本发明的镁合金成分和含量；

[0074] 将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，模具、工具均经过500℃保温7h预热，模具外加保温20mm厚的石棉层，模具中心固定6个喷管，每个喷嘴的喷射直线
间呈60度，喷嘴均匀等距朝向模具壁喷射熔液，用转移泵将熔液转移到每个喷管中，通过喷
嘴将熔炼喷出，随着喷射过程的进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持20mm的距离，
喷嘴与模具壁保持80mm的距离。

[0075] 通过喷管浇注成直径Φ410mm的铸锭，供后续变形加工用；

[0076] 将制备的锭坯进行均匀化热处理，均匀化温度480℃，保温24h，然后挤压成Φ100mm棒材，使加工材中形成强烈的基面织构进行时效处理，时效时间150℃，保温13h；

[0077] 将时效后的棒材，经过数控加工等机械加工方法，加工成桥塞零件组装成桥塞。

[0078] 2)以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ni粉为原料，按比例富铈混合稀土：6wt.％，Sn：1wt.％，Ni：0.8wt.％，余量镁；分别进行备料；原料纯度均为99.99％以上，粒度
小于10um，其他原料成分以及加工过程均不变；制备桥塞。

[0079] 3)以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ni粉、纯Fe粉为原料，按比例富铈混合稀土：8wt.％，Sn：2wt.％，Ni：0.8wt.％，Fe：0.3wt.％，余量镁；分别进行备料；原料纯度均为
99.99％以上，粒度小于10um，其他原料成分以及加工过程均不变；制备桥塞。

[0080] 测试在油井环境的力学性能三种桥塞的抗拉强度依次为260Mpa，280Mpa，300Mpa；降解速率分别为4400mm/a，5175mm/a，5650mm/a。在油气井内在需要封隔时候封隔效果好，
实现同步降解，完全达到预期效果；

[0081] 实施例4

[0082] 某油田需要球座，其油气井环境为：温度70℃，压力90Mpa，Cl‑离子含量2％，油水比例70％，球座下井前后时间差约24，要求提供球座强度大于300MPa，在该环境下先下井和
后下井的球座在最后一个球座下井12h后同步降解。

[0083] 针对油田情况和实际适用要求的制备了两种成分的合金成分的锭坯，分别为：

[0084] 1)按比例Ce：50wt.％；La：30wt.％；Nd：15wt.％；Pr：5wt.％；将金属粉末混合均匀，得到富铈混合稀土；

[0085] 以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉为原料，按比例富铈混合稀土：9wt.％，Sn：2wt.％，Ti：1wt.％，Cu：0.5wt.％，余量镁；分别进行备料；纯度
大于等于99.99％，粒度小于10um；

[0086] 将镁锭在保护气体的保护下完全熔化，温度控制在760℃；

[0087] 将纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉在200℃预热炉保温2小时后，将富铈混合稀土加入镁熔液中进行合金化；

[0088] 将合金熔液温度控制在800℃，纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉加入熔液中，保温60分钟，充分搅拌，使所有合金元素均匀分布在镁熔液中；浇注光谱试样，进行炉前
分析，调整量，直至镁合金熔液达到本发明的镁合金成分和含量；

[0089] 将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，将镁合金熔液温度降至近液相线温度645℃，保温10分钟，模具、工具均经过500℃保温7h预热，模具外加保温15mm
厚的石棉层，模具中心固定6个喷管，每个喷嘴的喷射直线间呈60度，喷嘴均匀等距朝向模
具壁喷射熔液，用转移泵将熔液转移到每个喷管中，通过喷嘴将熔炼喷出，随着喷射过程的
进行，模具下端与镁合金熔液的液面始终保持15mm的距离，喷嘴与模具壁保持100mm的距
离。

[0090] 通过喷管浇注成Φ560mm的铸锭，供后续变形加工用；

[0091] 将制备的锭坯进行均匀化热处理，均匀化温度480℃，保温24h，然后挤压成Φ200mm棒材，形成的基面织构，将挤压棒材重新加热进行模锻，并进行时效处理，时效时间
120℃，保温24h；

[0092] 将时效后的锻件，经过数控加工等机械加工方法，加工成球座。

[0093] 2)以纯镁锭、富铈混合稀土、纯Sn粉、纯Ti粉、纯Cu粉、纯Ni粉、纯Fe粉为原料，按比例富铈混合稀土：6wt.％，Sn：1wt.％，Ti：0.5wt.％，Ni：0.8wt.％，Fe：0.3wt.％，余量镁；分
别进行备料；原料纯度均为99.99％以上，粒度小于10um，其他原料成分以及加工过程均不
变；制备球座。

[0094] 测试两种合金在油井环境中的力学性能强度分别为332Mpa，315Mpa；降解速率分别为6500mm/a，4945mm/a。在油气井内在需要封隔时候封隔效果好，实现同步降解，完全达
到预期效果。