鋁合金粉末金屬壓塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粉末金屬壓塊。該粉末金屬壓塊包括包含納米基質(zhì)材料的網(wǎng)狀納米基質(zhì)。該粉末金屬壓塊還包括分散在該網(wǎng)狀納米基質(zhì)中的多個(gè)包含顆粒芯部材料的分散顆粒，所述顆粒芯部材料包含Al-Cu-Mg、Al-Mn、Al-Si、Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn、Al-Zn-Cu、Al-Zn-Mg、Al-Zn-Cr、Al-Zn-Zr或Al-Sn-Li合金或其組合。
【專利說明】鋁合金粉末金屬壓塊
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)要求2011年8月30日提交的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?3/220822的權(quán)益，其經(jīng)此引用全文并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]石油和天然氣井常常使用井孔部件或工具，由于它們的功能，這些部件或工具僅需要具有有限的使用壽命，該使用壽命顯著低于井的使用壽命。在部件或工具的使用功能完成后，必須將其去除或處置以恢復(fù)用于包括烴生產(chǎn)、CO2封存等等的用途的流體通道的原始尺寸。部件或工具的處置通常通過銑削或鉆削該部件或工具出井孔來實(shí)施，這通常會(huì)耗費(fèi)時(shí)間，并且操作昂貴。
[0004]為了消除對(duì)銑削或鉆削操作的需要，已經(jīng)提出了使用各種可溶或可腐蝕材料通過溶解或腐蝕從井眼中移除部件或工具。雖然這些材料是有用的，但還希望這些材料輕重量并具有高強(qiáng)度，包括可與用于形成井眼部件或工具的常規(guī)工程材料(如各種等級(jí)的鋼材)的強(qiáng)度相比的強(qiáng)度。因此此，非常希望可溶解或可腐蝕材料的進(jìn)一步改進(jìn)以提高強(qiáng)度、可腐蝕性和可制造性。
[0005]發(fā)明概述
[0006]在一個(gè)不例性實(shí)施方案中，公開了粉末金屬壓塊。該粉末金屬壓塊包括包含納米基質(zhì)材料的網(wǎng)狀納米基質(zhì)。該粉末金屬壓塊還包括分散在網(wǎng)狀納米基質(zhì)中的包含顆粒芯部材料的多個(gè)分散顆粒，所述顆粒芯部材料包含Al-Cu-Mg、Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Mg-Si,Al-Zn、A1-Zn-Cu > A 1-Zn-Mg > A1-Zn-Cr > Al-Zn-Zr 或 Al-Sn-Li 合金,或其組合。
[0007]附圖概述
[0008]下面參照附圖，其中在多張圖中以類似數(shù)字標(biāo)記類似元件:
[0009]圖1是粉末10和粉末顆粒12的示例性實(shí)施方案的示意圖；
[0010]圖2是具有本文中所公開的分散顆粒的等軸構(gòu)型的粉末壓塊的示例性實(shí)施方案的不意圖；
[0011]圖3是具有本文中所公開的分散顆粒的顯著伸長(zhǎng)構(gòu)型的粉末壓塊的示例性實(shí)施方案的不意圖；
[0012]圖4是具有網(wǎng)狀納米基質(zhì)與分散顆粒的顯著伸長(zhǎng)構(gòu)型的粉末壓塊的示例性實(shí)施方案的示意圖，其中該網(wǎng)狀納米基質(zhì)與分散顆粒是基本連續(xù)的；和
[0013]圖5是具有網(wǎng)狀納米基質(zhì)與分散顆粒的顯著伸長(zhǎng)構(gòu)型的粉末壓塊的示例性實(shí)施方案的示意圖，其中該網(wǎng)狀納米基質(zhì)與分散顆粒是基本不連續(xù)的。
[0014]發(fā)明詳述
[0015]公開了輕重量、高強(qiáng)度鋁合金納米基質(zhì)材料。用于形成這些納米基質(zhì)材料的鋁合金是高強(qiáng)度鋁合金。其強(qiáng)度可以通過向合金中并入納米結(jié)構(gòu)來提高。這些合金的強(qiáng)度也可以通過并入各種強(qiáng)化亞顆粒與第二顆粒來改進(jìn)。公開的鋁合金納米基質(zhì)材料還可以并入各種顯微結(jié)構(gòu)特征以控制合金機(jī)械性質(zhì)，如并入顯著伸長(zhǎng)的顆粒顯微結(jié)構(gòu)以提高合金強(qiáng)度，或合金顯微結(jié)構(gòu)中的多峰粒度以提高斷裂韌度，或其組合以控制強(qiáng)度、斷裂韌度與其它合金性質(zhì)。
[0016]本文中公開的鋁合金納米基質(zhì)材料可用于所有應(yīng)用方式和應(yīng)用環(huán)境，包括用于各種井眼環(huán)境以制造各種輕重量高強(qiáng)度制品，包括井下制品，特別是工具或其它井下部件。除了它們的輕重量高強(qiáng)度特性之外，這些納米基質(zhì)材料還可以描述為受控的電解材料，其可以可選和可控地可處置、可降解、可溶、可腐蝕的或以其它方式可以從井眼中去除。用于耐久的和可處置或可降解的制品的許多其它應(yīng)用也是可能的。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些輕重量高強(qiáng)度和可選并可控地可降解材料包括由涂覆的粉末材料形成的完全致密的、燒結(jié)的粉末壓塊，所述涂覆的粉末材料包括各種輕重量顆粒芯部和具有各種單層與多層納米級(jí)涂層的芯部材料。在另一個(gè)實(shí)施方案中，這些材料包括可選并可控地可降解材料，所述可降解材料可以包括由這些涂覆的粉末材料形成的非完全致密的或未燒結(jié)的粉末壓塊或其組合。
[0017]納米基質(zhì)材料和制造這些材料的方法總的描述在例如2009年12月8日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/633，682和2011年7月29日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)13/194，361中，其內(nèi)容經(jīng)此引用全文并入本文。這些輕重量高強(qiáng)度和可選并可控地可降解材料可以從完全致密的燒結(jié)粉末壓塊至可為燒結(jié)或未燒結(jié)的前體或生坯狀態(tài)(不那么完全致密)壓塊。它們由涂覆粉末材料形成，所述涂覆粉末材料包括各種輕重量顆粒芯部和具有各種單層與多層納米級(jí)涂層的芯部材料。這些粉末壓塊由涂覆的金屬粉末制成，所述涂覆的金屬粉末包括各種電化學(xué)活性(例如具有相對(duì)較高的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位)的輕重量高強(qiáng)度顆粒芯部與芯部材料，如分散在由金屬涂覆材料的各種 納米級(jí)金屬涂覆層固結(jié)形成的網(wǎng)狀納米基質(zhì)中的電化學(xué)活性金屬，并特別可用于井眼應(yīng)用。該粉末壓塊可以通過任何合適的粉末壓實(shí)方法制成，包括冷等靜壓(CIP)、熱等靜壓(HIP)、動(dòng)態(tài)鍛制和擠出，以及其組合。這些粉末壓塊提供了機(jī)械強(qiáng)度性質(zhì)(如抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度)、低密度和可選并可控的腐蝕性質(zhì)(特別是在各種井眼流體中的快速和受控的溶解)的獨(dú)特和有利的組合。該流體可以包括任何數(shù)量的離子流體或高極性流體，如含有各種氯化物的那些。實(shí)例包括包含氯化鉀(KCl)、鹽酸(HCl)、氯化鈣(CaCl2)、溴化鈣(CaBr2)或溴化鋅(ZnBr2)的流體。關(guān)于涂覆粉末的性質(zhì)與制造和壓制該涂覆粉末的方法的’ 682與’ 361申請(qǐng)的公開內(nèi)容通常適用于提供本文中公開的輕重量高強(qiáng)度鋁合金納米基質(zhì)材料，并且為簡(jiǎn)要起見在本文中不再重復(fù)。
[0018]如圖1和2中所示，可以選擇包含包括顆粒芯部14與芯部材料18與金屬涂覆層16和涂覆材料20的粉末顆粒12的粉末10，其配置用于壓實(shí)和燒結(jié)以提供粉末金屬壓塊200，該粉末金屬壓塊200是輕重量(即具有相對(duì)低的密度)高強(qiáng)度的，并響應(yīng)于井眼性質(zhì)的變化可選與可控地可以從井眼中移除，包括可選和可控地可溶于適當(dāng)?shù)木哿黧w，包括本文中公開的各種井眼流體。該粉末金屬壓塊200包括包含納米基質(zhì)材料220的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216和分散在該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中的包含顆粒芯部材料218的多個(gè)分散顆粒214，所述顆粒芯部材料 218 包含 Al-Cu-Mg、Al-Mn, Al-S1、Al_Mg、Al-Mg-S1、Al-Zn、Al-Zn-Cu、Al-Zn-Mg、Al-Zn-Cr、Al-Zn-Zr 或 Al-Sn-Li 合金或其組合。
[0019]分散顆粒214可以包含用于顆粒芯部14的本文中所述的任何材料，即使分散顆粒214的化學(xué)組成由于本文中所述的擴(kuò)散效應(yīng)可以不同。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，分散顆粒 214 由包含 Al-Cu-Mg、Al-Mn、Al-S1、Al-Mg、Al-Mg-S1、Al-Zn、Al-Zn-Cu, Al-Zn-Mg、A1-Zn-Cr> Al-Zn-Zr或Al-Sn-Li合金或其組合的顆粒芯部14形成。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，分散顆粒214包括顆粒芯部材料218，所述顆粒芯部材料218包括2000系列鋁合金，更特別可以按合金重量百分比包含約0.05%至約2.0%的Mg ;約0.1%至約0.8%的Si ；約0.7%至約6.0%的Cu ;約0.1%至約1.2%的Mn ;約0.1%至約0.8%的Zn ;約0.05%至約
0.25%的Ti ;和約0.1%至1.2%的Fe ;和余量Al與不可避免的雜質(zhì)。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，分散顆粒214包括顆粒芯部材料218，所述顆粒芯部材料218包括5000系列鋁合金，更特別可以按合金重量百分比包含約0.5%至約6.0%的Mg ;約0.05%至約0.30%的Zn ；約0.10%至約1.0%的Mn ;約0.08%至約0.75%的Si和余量Al與不可避免的雜質(zhì)。分散顆粒214和顆粒芯部材料218還可以包括稀土元素,或稀土元素的組合。如本文中所用，稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd或Er或稀土元素的組合。當(dāng)存在時(shí)，稀土元素或稀土元素的組合可以以按重量計(jì)約5%或更少的量存在。
[0020]分散顆粒214與顆粒芯部材料218還可以包含納米結(jié)構(gòu)化材料215。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，納米結(jié)構(gòu)化材料215是具有小于約200nm的晶粒尺寸、或亞晶或微晶尺寸、更特別為約IOnm至約200nm的晶粒尺寸和甚至更特別小于約IOOnm的平均晶粒尺寸的材料。該納米結(jié)構(gòu)可以包括大角度晶界227，其通常用于限定晶粒尺寸，或可以在特定晶粒中作為亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的小角度晶界229，其有時(shí)用于限定微晶尺寸，或其組合。該納米結(jié)構(gòu)可以通過任何合適的方法在用于形成分散顆粒214的顆粒芯部14中形成，包括形變誘發(fā)納米結(jié)構(gòu)，如可以通過球磨粉末以提供顆粒芯部14、更特別通過低溫球磨(例如在低溫下的球磨介質(zhì)中或在低溫流體如液氮中球磨)粉末以提供用于形成分散顆粒214的顆粒芯部14來提供。該顆粒芯部14可以通過任何合適的方法形成為納米結(jié)構(gòu)化材料215，例如通過銑削或低溫 球磨本文中所述的鋁合金的預(yù)合金化粉末顆粒。該顆粒芯部14還可以通過各合金成分的所需量的純金屬粉末的機(jī)械合金化來形成。機(jī)械合金化涉及球磨(包括低溫球磨)這些粉末成分以機(jī)械地包覆和混合該成分并形成顆粒芯部14。除了生成如上所述的納米結(jié)構(gòu)外，球磨(包括低溫球磨)可以有助于顆粒芯部14和芯部材料18的固溶強(qiáng)化，這又有助于分散顆粒214與顆粒芯部材料218的固溶強(qiáng)化。該固溶強(qiáng)化可能是由于能夠在固溶體中機(jī)械混合比根據(jù)特定合金成分相平衡的可能濃度更高濃度的填隙或代位溶質(zhì)原子，由此阻礙或用于限制顆粒中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，這進(jìn)而在顆粒芯部14和分散顆粒214中提供了強(qiáng)化機(jī)制。顆粒芯部14還可以通過包括例如惰性氣體冷凝、化學(xué)氣相冷凝、脈沖電子沉積、等離子體合成、非晶固體結(jié)晶、電沉積和大塑性變形的方法形成為納米結(jié)構(gòu)化材料215。該納米結(jié)構(gòu)還可以包括高位錯(cuò)密度，例如約1017m_2至1018m_2的位錯(cuò)密度，這可能比通過傳統(tǒng)技術(shù)如冷軋法變形的同類合金材料高兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0021]分散顆粒214和顆粒芯部材料218還可以包含亞顆粒222，并可以優(yōu)選包含多個(gè)亞顆粒。亞顆粒222在分散顆粒214中提供分散強(qiáng)化機(jī)制，并阻礙或用于限制顆粒中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。亞顆粒222可以具有任何合適的尺寸，在一個(gè)示例性實(shí)施方案中可以具有約IOnm至約I微米的平均粒度，更特別可以具有約50nm至約200nm的平均粒度。亞顆粒222可以包含任何合適形式的亞顆粒，包括嵌入的亞顆粒224、析出物226或分散體228。嵌入顆粒224可以包括任何合適的嵌入亞顆粒，包括各種硬質(zhì)亞顆粒。嵌入亞顆?；蚨鄠€(gè)嵌入亞顆粒可以包括各種金屬、碳、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷顆?；蚱浣M合。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，硬質(zhì)顆粒可以包括N1、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn或Si，或包含前述的至少一種的氧化物、氮化物、碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷，或其組合。嵌入的亞顆粒224可以通過任何合適的方法嵌入，包括例如通過使硬質(zhì)顆粒與顆粒芯部材料18 —起球磨或低溫球磨。析出亞顆粒226可以包括在分散顆粒214中析出的任何亞顆粒，包括與所感興趣的鋁合金成分的相平衡與其相對(duì)量一致(例如可析出硬化合金)的析出物亞顆粒226，并包括可以因非平衡條件析出的那些，例如當(dāng)已經(jīng)以高于其相平衡極限的量被迫進(jìn)入合金固溶體(如已知會(huì)在機(jī)械合金化過程中發(fā)生的那樣)的合金成分被充分加熱至激活允許析出的擴(kuò)散機(jī)制時(shí)出現(xiàn)的那些。分散體亞顆粒228可以包括來自于顆粒芯部14的制造的元素的納米級(jí)顆?；驁F(tuán)簇,例如與球磨相關(guān)的那些,包括球磨介質(zhì)(例如球)或球磨流體(例如液氮)或顆粒芯部14自身表面(例如金屬氧化物或氮化物)的成分。分散體亞顆粒228可以包括例如Fe、N1、Cr、Mn、N、O、C和H。該亞顆粒222可以與顆粒芯部14和分散顆粒214—起位于任何位置。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，如圖1中所示,亞顆粒222可以布置在分散顆粒214中或布置在分散顆粒214的表面上，或其組合。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，如圖1中所示，多個(gè)亞顆粒222布置在顆粒芯部14和分散顆粒214的表面上，并還可以包含納米基質(zhì)材料216。
[0022]粉末壓塊200包括具有遍及該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216分散的多個(gè)分散顆粒214的納米基質(zhì)材料220的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216。該分散顆粒214在基本連續(xù)的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中可以是等軸的，或者如本文中所述和如圖3中所示是顯著伸長(zhǎng)的。在其中該分散顆粒214為顯著伸長(zhǎng)的情況下，分別如圖4和5中所示，該分散顆粒214與該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216可以是連續(xù)或不連續(xù)的。由燒結(jié)的金屬涂覆層16形成的基本連續(xù)的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216與納米基質(zhì)材料220通過壓實(shí)和燒結(jié)多個(gè)粉末顆粒12的多個(gè)金屬涂覆層16來形成，例如通過CIP、HIP或動(dòng)態(tài)鍛制。由于與燒結(jié)相關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)，納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成可以不同于涂覆材料20的化學(xué)組成。粉末金屬壓塊200還包括多個(gè)分散顆粒214，所述分散顆粒214包含顆粒芯部材料218。當(dāng) 金屬涂覆層16燒結(jié)在一起形成納米基質(zhì)216時(shí)，分散的顆粒芯部214和芯部材料218對(duì)應(yīng)于多個(gè)粉末顆粒12的顆粒芯部14和芯部材料18并由多個(gè)粉末顆粒12的顆粒芯部14和芯部材料18形成。由于與燒結(jié)相關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)，芯部材料218的化學(xué)組成還可以不同于芯部材料18的化學(xué)組成。
[0023]如本文中所用，使用術(shù)語(yǔ)網(wǎng)狀納米基質(zhì)216不意味著粉末壓塊的主要成分，而是指次要成分，無(wú)論按重量計(jì)還是按體積計(jì)。這有別于其中基質(zhì)包括按重量或體積計(jì)的主要成分的大多數(shù)基質(zhì)復(fù)合材料。使用術(shù)語(yǔ)基本連續(xù)的網(wǎng)狀納米基質(zhì)意在描述納米基質(zhì)材料220在粉末壓塊200中分布的廣泛的、規(guī)則的、連續(xù)的和互連的性質(zhì)。本文中所用的“基本連續(xù)的”描述了納米基質(zhì)材料遍及粉末壓塊200的擴(kuò)展，以使得其在基本所有分散顆粒214之間擴(kuò)展并包封基本所有分散顆粒214?；具B續(xù)用于表示不需要納米基質(zhì)在每個(gè)分散顆粒214周圍的完全連續(xù)性和規(guī)則的秩序。例如，在某些粉末顆粒12上在顆粒芯部14上方的涂覆層16中的缺陷可導(dǎo)致燒結(jié)粉末壓塊200的過程中顆粒芯部14的橋連，由此導(dǎo)致在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中獲得局部不連續(xù)性，即使在該粉末壓塊的其它部分中該納米基質(zhì)是基本連續(xù)的，并表現(xiàn)出本文中所述的結(jié)構(gòu)。相比之下，在顯著伸長(zhǎng)的分散顆粒214 (如通過擠出形成的那些)的情況下，“基本不連續(xù)”用于描述在各分散顆粒214周圍的納米基質(zhì)的不完全的連續(xù)性與中斷(例如開裂或分離)，如可能發(fā)生在預(yù)定的擠出方向622上或橫切該方向的方向上。如本文中所用，“網(wǎng)狀”用于表示納米基質(zhì)限定了通常重復(fù)的、互連的納米基質(zhì)材料220的隔室或胞室的網(wǎng)絡(luò)，該納米基質(zhì)材料220包圍分散顆粒214并與分散顆粒214相互連接。如本文中所用，“納米基質(zhì)”用于描述基質(zhì)的尺寸或尺度，特別是相鄰的分散顆粒214之間該基質(zhì)的厚度。燒結(jié)在一起以形成該納米基質(zhì)的金屬涂覆層本身是納米級(jí)厚度的涂覆層。由于除了超過兩個(gè)分散顆粒214相交處之外的大多數(shù)位置處的納米基質(zhì)通常包含來自具有納米級(jí)厚度的相鄰粉末顆粒12的兩個(gè)涂覆層16的相互擴(kuò)散與結(jié)合，形成的基質(zhì)還具有納米級(jí)厚度(例如本文中所述的涂覆層厚度的約兩倍)并由此描述為納米基質(zhì)。此外，使用術(shù)語(yǔ)分散顆粒214并不指粉末壓塊200的次要成分，而是指主要成分，無(wú)論按重量計(jì)還是按體積計(jì)。使用術(shù)語(yǔ)分散顆粒意在表達(dá)粉末壓塊200中顆粒芯部材料218的不連續(xù)和尚散的分布。
[0024]粉末壓塊200可以具有任何所需的形狀或尺寸，包括圓柱形坯、棒、片或可以機(jī)加工、成形或以其它方式用于形成可用的制造制品(包括各種井眼工具和部件)的其它形式的形狀或尺寸。用于形成前體粉末壓塊100的壓制以及用于形成粉末壓塊200和使包括顆粒芯部14與涂覆層16的粉末顆粒12變形的燒結(jié)與壓制過程提供粉末壓塊200的完全密度和所需宏觀形狀與尺寸以及其顯微結(jié)構(gòu)。分散顆粒214的形貌(例如等軸或顯著伸長(zhǎng)的形貌)和顆粒層的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)216來自于粉末顆粒12的燒結(jié)與變形，因?yàn)樗鼈儽粔簩?shí)并相互擴(kuò)散和變形以填充顆粒間空隙15 (圖1)?？梢赃x擇燒結(jié)溫度與壓力以確保粉末壓塊200的密度達(dá)到基本完全理論密度。
[0025]在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，分散顆粒214由分散在燒結(jié)的金屬涂覆層16的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中的顆粒芯部14形成，并且該納米基質(zhì)216包括遍及網(wǎng)狀納米基質(zhì)216在分散顆粒214之間延伸的固態(tài)金相結(jié)合或結(jié)合層，所述網(wǎng)狀納米基質(zhì)216在燒結(jié)溫度(Ts)下形成，其中Ts小于該涂層的熔融溫度(T。)和該顆粒的熔融溫度(TP)。如所示那樣，固態(tài)金相結(jié)合通過本文中所述的相鄰粉末顆粒12的涂覆層16之間的固態(tài)相互擴(kuò)散以固態(tài)形成，所述相鄰粉末顆粒在用于形成粉末壓塊200的壓實(shí)與燒結(jié)過程中被壓制至接觸。因此，網(wǎng)狀納米基質(zhì)216的燒結(jié)的涂覆層16包括具有由涂覆層16的涂覆材料20的相互擴(kuò)散程度限定的厚度的固態(tài)結(jié)合層，所述相互擴(kuò)散的程度進(jìn)而由涂覆層16的性質(zhì)限定，包括它們是單層還是多層涂覆層，選擇它們以促進(jìn)還是限制此類相互擴(kuò)散、和如本文中所述的其它因素，以及燒結(jié)和壓實(shí)條件，包括用于形成粉末壓塊200的燒結(jié)時(shí)間、溫度和壓力。
[0026]在形成納米基質(zhì)216時(shí)——包括金相結(jié)合和結(jié)合層，金屬涂覆層16的化學(xué)組成和/或相分布可以改變。納米基質(zhì)216還具有熔融溫度(ΤΜ)。本文中所用的Tm包括在納米基質(zhì)216中發(fā)生初期熔融或液化或其它形式的部分熔融時(shí)的最低溫度，而不管納米基質(zhì)材料220是否包含純金屬、具有各自具有不同熔融溫度的多個(gè)相的合金或復(fù)合材料，包括包含具有不同熔融溫度的各種涂覆材料的多個(gè)層的復(fù)合材料，或其組合，或其它。當(dāng)分散顆粒214與顆粒芯部材料218與納米基質(zhì)216 —起形成時(shí)，金屬涂覆層16的成分也可能擴(kuò)散到顆粒芯部14中，這可導(dǎo)致顆粒芯部14的化學(xué)組成和/或相分布的改變。結(jié)果，分散顆粒214和顆粒芯部材料218可以具有不同于Tp的熔融溫度(TDP)。本文中所用的Tdp包括在分散顆粒214中發(fā)生初期熔融或液化或其它形式的部分熔融時(shí)的最低溫度，而不管顆粒芯部材料218是否包含純金屬、具有各自具有不同熔融溫度的多個(gè)相的合金或復(fù)合材料，或其它。在一個(gè)實(shí)施方案中，粉末壓塊200在燒結(jié)溫度(Ts)下形成，其中Ts小于Te、TP、TM和TDP，并且該燒結(jié)完全在固態(tài)下進(jìn)行，獲得固態(tài)結(jié)合層。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，粉末壓塊200在燒結(jié)溫度(Ts)下形成，其中Ts大于或等于t、TP、TM或Tdp中的一個(gè)或多個(gè)，燒結(jié)包括如本文所述的粉末壓塊200中的有限或部分熔融，并進(jìn)一步可以包括液態(tài)或液相燒結(jié)，獲得至少部分熔融并再凝固的結(jié)合層。在這種實(shí)施方案中，將選擇預(yù)定的Ts和預(yù)定的燒結(jié)時(shí)間(ts)的組合以保持包括該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216和分散顆粒214的所需顯微結(jié)構(gòu)。例如，在所有或一部分納米基質(zhì)216中例如可以允許發(fā)生局部的液化或熔融，只要保持該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216/分散顆粒214形貌，如通過選擇不會(huì)提供顆粒芯部完全熔融的顆粒芯部14、Ts和ts。類似地，例如，在所有或一部分分散顆粒214中可以允許發(fā)生局部的液化，只要保持該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216/分散顆粒214形貌，如通過選擇不會(huì)提供涂覆層16完全熔融的金屬涂覆層16、Ts和ts。例如在燒結(jié)過程中沿著金屬層16/顆粒芯部14界面，或沿著多層涂覆層16的相鄰層之間的界面，可以發(fā)生金屬涂覆層16的熔融。要認(rèn)識(shí)到，超出預(yù)定值的Ts和ts的組合可產(chǎn)生其它顯微結(jié)構(gòu)，例如，如果納米基質(zhì)216 (即金屬涂覆層16的組合)和分散顆粒214(即顆粒芯部14)熔融，由此允許這些材料的快速相互擴(kuò)散的話，可產(chǎn)生平衡熔融/再凝固顯微結(jié)構(gòu)。
[0027]粉末壓塊200的顆粒芯部14和分散顆粒214可以具有任何合適的粒度。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，該顆粒芯部14可以具有單峰分布，以及約5微米至約300微米、更特別約80微米至約120微米且甚至更特別約100微米的平均粒徑或粒度。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，其可以包括多峰粒度分布，該顆粒芯部14可以具有約50納米至約500微米、更特別約500納米至約300微米和甚至更特別約5微米至約300微米的平均粒徑或粒度。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，該顆粒芯部14或該分散顆?？梢跃哂屑s50納米至約500微米的平均粒度。
[0028]根據(jù)對(duì)顆粒芯部14和粉末顆粒12所選擇的形狀，以及用于燒結(jié)和壓實(shí)粉末10的方法，分散顆粒214可以具有任何合適的形狀。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，粉末顆粒12可以是球形或基本球形的，并且分散顆粒214可以包括如本文中所述的等軸顆粒構(gòu)型。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，分散顆?？梢跃哂蟹乔蛐涡螤?。在再一個(gè)實(shí)施方案中，該分散顆?？梢栽陬A(yù)定擠壓方向622上是顯著伸長(zhǎng)的，如使用擠壓法以形成粉末壓塊200時(shí)發(fā)生的那樣。例如,如圖3-5中所`示，顯著伸長(zhǎng)的網(wǎng)狀納米基質(zhì)616包含納米基質(zhì)材料620的相互連接的伸長(zhǎng)晶胞的網(wǎng)絡(luò)，所述納米基質(zhì)材料620具有布置在該晶胞內(nèi)的多個(gè)顯著伸長(zhǎng)的芯部材料618的分散顆粒芯部614。根據(jù)施加以形成伸長(zhǎng)顆粒的變形量，伸長(zhǎng)的涂覆層與納米基質(zhì)616可以如圖4中所示在預(yù)定方向622上是基本連續(xù)的,或如圖5中所示是基本不連續(xù)的。
[0029]可以通過選擇用于制造顆粒壓塊200的粉末10來影響分散顆粒214的分散性質(zhì)。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以選擇具有粉末顆粒12尺寸的單峰分布的粉末10來形成粉末壓塊200并將在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中產(chǎn)生分散顆粒214的粒度的基本均勻的單峰分散。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以選擇具有多個(gè)粉末顆粒(所述粉末顆粒具有顆粒芯部14，所述顆粒芯部14具有相同的芯部材料18和不同的芯部尺寸和相同的涂覆材料20)的多個(gè)粉末10并如本文中所述均勻混合以提供具有粉末顆粒12尺寸的均勻的多峰分布的粉末10，并可用于形成在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中具有分散顆粒214的粒度的均勻的多峰分布的粉末壓塊200。類似地，在再一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以選擇具有多個(gè)顆粒芯部14 (其可具有相同的芯部材料18和不同的芯部尺寸與相同的涂覆材料20)的多個(gè)粉末10，并以不均勻的方式分布以提供粉末顆粒尺寸的不均勻的多峰分布，并可用于形成在網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中具有分散顆粒214的粒度的不均勻的多峰分布的粉末壓塊200。顆粒芯部尺寸的分布的選擇可用于確定例如在由粉末10制成的粉末壓塊200的網(wǎng)狀納米基質(zhì)216中分散顆粒214的粒度和粒間間距。
[0030]如圖1和2中大體所示，如本文中所述，還可以使用涂覆的金屬粉末10和附加的或第二粉末30形成粉末金屬壓塊200。使用附加的粉末30提供了還包括如本文中所述的分散的多個(gè)第二顆粒234的粉末壓塊200，所述第二顆粒234分散在納米基質(zhì)216中并還相對(duì)于該分散顆粒214分散。如本文中所述，分散的第二顆粒234可以由涂覆或未涂覆的第二粉末顆粒32形成。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，涂覆的第二粉末顆粒32可以涂有與粉末顆粒12的涂覆層16相同的涂覆層36，使得涂覆層36也有助于該納米基質(zhì)216。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，該第二粉末顆粒232可以是未涂覆的，使得分散的第二顆粒234嵌在納米基質(zhì)216中。如本文中公開的那樣，粉末10和附加粉末30可以混合以形成分散顆粒214與分散的第二顆粒234的均勻分散，或形成這些顆粒的不均勻分散。分散的第二顆粒234可以由不同于粉末10 (這是由于顆粒芯部34和/或涂覆層36中的組成差異)的任何合適的附加粉末30形成，并可以包括本文中公開的用作第二粉末30的任何材料，所述第二粉末30不同于為了形成粉末壓塊200而選擇的粉末10。在一個(gè)不例性實(shí)施方案中，分散的第二顆粒234可以包括N1、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn或Si，或包含前述至少一種的氧化物、氮化物、碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷，或其組合。
[0031]納米基質(zhì)216是彼此燒結(jié)的金屬涂覆層16的基本連續(xù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。納米基質(zhì)216的厚度將取決于用于形成粉末壓塊200的粉末10的性質(zhì)，以及任何第二粉末30的并入，特別是與這些顆粒相關(guān)的涂覆層厚度。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，納米基質(zhì)216的厚度遍及粉末壓塊200的顯微結(jié)構(gòu)是基本均勻的，并包括粉末顆粒12的涂覆層16的厚度的約兩倍。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，該網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)216具有約50納米至約5000納米的在分散顆粒214之間的基本均勻的平均厚度。如本文中所述，通過擠出形成的粉末壓塊200可具有小得多的厚度，并且可以變成不均勻的和基本不連續(xù)的。
[0032]如本文中所述，通過相互擴(kuò)散和產(chǎn)生結(jié)合層，通過將相鄰顆粒的金屬涂覆層16燒結(jié)在一起來形成納米基質(zhì)216。金屬涂覆層16可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，并可以選擇它們以便促進(jìn)和/或抑制在該層內(nèi)、或在金屬涂覆層16的層之間、或在金屬涂覆層16與顆粒芯部14之間、或在金屬涂覆層16與相鄰粉末顆粒的金屬涂覆層16之間的擴(kuò)散，取決于涂層厚度、所選擇的涂覆材料、燒結(jié)條件和其它因素，燒結(jié)過程中金屬涂覆層16的相互擴(kuò)散的程度可以是有限的或廣泛的。考慮到成分的相互擴(kuò)散與相互作用的潛在復(fù)雜性，納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的所得化學(xué)組成的描述可以簡(jiǎn)單理解為涂覆層16的成分的組合，取決于發(fā)生在分散顆粒214與納米基質(zhì)216之間的相互擴(kuò)散(如果發(fā)生的話)的程度，該組合還可以包括分散顆粒214的一種或多種成分。類似地，分散顆粒214與顆粒芯部材料218的化學(xué)組成可以簡(jiǎn)單地理解為顆粒芯部14的成分的組合，取決于發(fā)生在分散顆粒214與納米基質(zhì)216之間的相互擴(kuò)散(如果發(fā)生的話)的程度，該組合還可以包括納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的一種或多種成分。[0033]在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，納米基質(zhì)材料220具有一種化學(xué)組成，顆粒芯部材料218具有與納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成不同的化學(xué)組成，并且可以配置化學(xué)組成方面的差異，以便如本文中所述響應(yīng)于壓塊200附近的井眼性質(zhì)或條件的受控變化，包括與粉末壓塊200接觸的井眼流體的性質(zhì)變化，提供可選和可控的溶解速率，包括可選的從非常低溶解速率向非?？斓娜芙馑俾实霓D(zhuǎn)變。納米基質(zhì)216可以由具有單層和多層涂覆層16的粉末顆粒12形成。這種設(shè)計(jì)靈活性提供了大量材料組合，特別是在多層涂覆層16的情況下，這種設(shè)計(jì)靈活性可用于通過控制在給定層中、以及在涂覆層16和與之相關(guān)的顆粒芯部14或相鄰粉末顆粒12的涂覆層16之間的涂覆層成分的相互作用來調(diào)節(jié)該網(wǎng)狀納米基質(zhì)216以及納米基質(zhì)材料220的組成。
[0034]在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，納米基質(zhì)216可以包含納米基質(zhì)材料220，所述納米基質(zhì)材料220包含N1、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Mg或Si，或其合金，或包含前述至少一種的氧化物、氮化物、碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷，或其組合。
[0035]可以配置本文中公開的粉末金屬壓塊200從而提供使用預(yù)定井眼流體(包括本文中所述那些)的可選和可控地可處置、可降解、可溶、可腐蝕的或以其它方式可以從井眼中去除。這些材料可以配置為提供至多約400mg/Cm2/hr的腐蝕速率、更特別為約0.2至約50mg/Cm2/hr的腐蝕速率。這些粉末壓塊200還可以配置為提供高強(qiáng)度，包括至多約150ks1、更特別為約60ksi至約150ksi且甚至更特別為大于約60ksi至約120ksi的極限抗壓強(qiáng)度。
[0036]本文中術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”和“一種”不意味著量的限制，而是意味著存在至少一種所述項(xiàng)目。修飾詞“約”與量結(jié)合使用時(shí)包括所述值，并具有上下文所指定的含義(例如包括與特定量的測(cè)量方法相關(guān)的誤差程度)。此外，本文中公開的所有范圍是包容性的并可組合(例如，“至多約25重量％(wt.%)、更特別為約5wt.%至約20wt.%和甚至更特別為約IOwt.%至約15wt.%”的范圍包括端點(diǎn)和該范圍的所有中間值，例如“約5wt.%至約25wt.%、約5wt.%至約15wt.%”等等)，除非另行限定。與合金組合物的成分列表一起使用“約”應(yīng)用于所有列舉的成分，并與 一范圍結(jié)合至該范圍的兩個(gè)端點(diǎn)。最后，本文中所用的技術(shù)與科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有本發(fā)明所述領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的相同含義，除非另行定義。本文中所用后綴“(s)”意在包括其修飾的術(shù)語(yǔ)的單數(shù)和復(fù)數(shù)形式，由此包括該術(shù)語(yǔ)的一個(gè)或多個(gè)(例如，金屬(S)包括一種或多種金屬)。在整篇說明書中提到“一個(gè)實(shí)施方案”、“另一個(gè)實(shí)施方案”、“一實(shí)施方案”等等意味著與該實(shí)施方案一起描述的特定元素(例如特征、結(jié)構(gòu)和/或特性)包括在本文中所述的至少一個(gè)實(shí)施方案中，并可以存在或不存在于其它實(shí)施方案中。
[0037]要理解的是，與本文中描述的合金組合物一起使用“包含”具體公開并包括了其中該合金組合物“基本上由指定組分組成(即含有指定組分，并且不含明顯不利地影響所公開的基本和新穎特征的其它組分)”的實(shí)施方案和其中該合金組合物“由指定成分組成(即除了天然和不可避免地存在于各指定組分中的污染物之外僅含有指定組分)”的實(shí)施方案。雖然已經(jīng)顯示并描述了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，但可以對(duì)其進(jìn)行修改和替換而不偏離本發(fā)明的精神與范圍。因此，要理解的是，為了闡述而非限制而描述本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.粉末金屬壓塊，包含: 包含納米基質(zhì)材料的網(wǎng)狀納米基質(zhì)； 分散在所述網(wǎng)狀納米基質(zhì)中的多個(gè)包含顆粒芯部材料的分散顆粒，所述顆粒芯部材料包含 Al-Cu-Mg、Al-Mn、Al-S1、Al-Mg、Al-Mg-S1、Al-Zn、Al-Zn-Cu, Al-Zn-Mg、Al-Zn-Cr,Al-Zn-Zr或Al-Sn-Li合金或其組合。
2.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述顆粒芯部材料按合金重量百分比包含約0.05%至約2.0%的Mg ;約0.1%至約0.8%的Si ;約0.7%至約6.0%的Cu ;約0.1%至約1.2%的Mn ;約0.1%至約0.8%的Zn ;約0.05%至約0.25%的Ti ;和約0.1%至1.2%的Fe ；以及余量Al與不可避免的雜質(zhì)。
3.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述顆粒芯部材料按合金重量百分比包含約0.5%至約6.0%的Mg ;約0.05%至約0.30%的Zn ;約0.10%至約1.0%的Mn ;約0.08%至約0.75%的Si和余量Al與不可避免的雜質(zhì)。
4.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述顆粒芯部材料和/或所述納米基質(zhì)材料包含納米結(jié)構(gòu)化材料。
5.權(quán)利要求4的粉末金屬壓塊，其中所述納米結(jié)構(gòu)化材料具有小于約200nm的晶粒尺寸。
6.權(quán)利要求5的粉末金屬壓塊,其中所述納米結(jié)構(gòu)化材料具有約IOnm至約200nm的晶粒尺寸。
7.權(quán)利要求4的粉末金屬壓塊，其中`所述納米結(jié)構(gòu)化材料具有小于約IOOnm的平均晶粒尺寸。
8.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述分散顆粒進(jìn)一步包含亞顆粒。
9.權(quán)利要求8的粉末金屬壓塊，其中所述亞顆粒具有約IOnm至約I微米的平均粒度。
10.權(quán)利要求8的粉末金屬壓塊，其中所述亞顆粒包含預(yù)成型的亞顆粒、析出物或分散體。
11.權(quán)利要求8的粉末金屬壓塊，其中所述亞顆粒布置在分散顆粒中或布置在分散顆粒表面上，或其組合。
12.權(quán)利要求11的粉末金屬壓塊，其中所述亞顆粒布置在分散顆粒表面上并還包含所述納米基質(zhì)材料。
13.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述分散顆粒具有約50納米至約500微米的平均粒度。
14.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述分散顆粒的分散包括在網(wǎng)狀納米基質(zhì)中粒度的多峰分布。
15.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述顆粒芯部材料進(jìn)一步包含稀土元素。
16.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述分散顆粒具有等軸顆粒形狀，并且所述納米基質(zhì)是基本連續(xù)的。
17.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述納米基質(zhì)和所述分散顆粒是在預(yù)定方向上顯著伸長(zhǎng)的。
18.權(quán)利要求17的粉末金屬壓塊，其中所述納米基質(zhì)與所述分散顆粒是基本連續(xù)的。
19.權(quán)利要求17的粉末金屬壓塊，其中所述納米基質(zhì)與所述分散顆粒是基本不連續(xù)的。
20.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，進(jìn)一步包含多個(gè)分散的第二顆粒，其中所述分散的第二顆粒也分散在所述網(wǎng)狀納米基質(zhì)中并相對(duì)于所述分散顆粒分散。
21.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述分散的第二顆粒包含金屬、碳、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷，或其組合。
22.權(quán)利要求21的粉末金屬壓塊，其中所述分散的第二顆粒包含N1、Fe、Cu、Co、Mg、W、Al、Zn、Mn或Si，或包含前述至少一種的氧化物、氮化物、碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷，或其組合。
23.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述納米基質(zhì)材料包含金屬、碳、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷，或其組合。
24.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊,其中所述納米基質(zhì)材料包含球磨介質(zhì)或球磨流體的成分。
25.權(quán)利要求23的粉末金屬壓塊，其中所述納米基質(zhì)材料包含N1、Fe、Cu、Co、Mg、W、Al、Zn、Mn或Si，或包含前述至少一種的氧化物、氮化物、碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷，或其組合。
26.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述納米基質(zhì)材料包含多層材料。
27.權(quán)利要求1的粉末 金屬壓塊，其中所述納米基質(zhì)材料具有一種化學(xué)組成，所述顆粒芯部材料具有不同于所述納米基質(zhì)材料的化學(xué)組成的化學(xué)組成。
28.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，其中所述網(wǎng)狀納米基質(zhì)具有約50nm至約5000nm的平均厚度。
29.權(quán)利要求1的粉末金屬壓塊，進(jìn)一步包含在分散顆粒之間遍及所述網(wǎng)狀納米基質(zhì)延伸的結(jié)合層。
30.權(quán)利要求29的粉末金屬壓塊，其中所述結(jié)合層包括基本固態(tài)的結(jié)合層。
【文檔編號(hào)】B22F1/00GK103764858SQ201280041531
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月30日
【發(fā)明者】徐志躍 申請(qǐng)人:貝克休斯公司