挤压比对可溶Al-Mg-Ga-Sn-In合金力学与溶解性能的调控机制研究

针对水力压裂工具对可降解材料的需求，研究人员系统探究了不同挤压比（λ=8.01-15.38）对Al-Mg-Ga-Sn-In合金微观结构（SEM/XRD/TEM表征）及力学-溶解协同性能的影响。发现适度挤压（λ=10.33/12.1）通过细化晶粒、分散Mg2Sn/In3Sn第二相显著提升强度，但过量挤压（λ=15.38）引发再结晶导致性能劣化，为可降解铝合金的工艺优化提供了关键依据。

　　

随着非常规油气资源开发的深入，水力压裂技术对可降解工具材料提出了更高要求。传统镁合金虽可自溶解，但强度不足且成本较高；而铝合金兼具高强度和可控降解潜力，但如何平衡其机械性能与溶解速率成为关键难题。现有研究多聚焦成分设计，对加工工艺尤其是挤压变形这一关键参数的调控机制缺乏系统认知。

中国的研究团队通过铸造结合热挤压工艺，制备了含1.5wt.% Mg、1.0wt.% Ga、1.0wt.% Sn和0.7wt.% In的Al-Mg-Ga-Sn-In合金，并设置λ=8.01-15.38四种挤压比。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)分析微观结构，结合万能试验机、电化学工作站和分析天平等手段，首次揭示了挤压比对合金"强度-溶解"协同效应的调控规律。相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

关键技术方法包括：1) 电阻熔炼炉(ZP-35)制备合金铸锭；2) 添加0.7wt.%细化剂和0.5wt.%除渣剂优化铸造质量；3) 400℃热挤压处理实现不同变形量；4) 综合采用SEM/XRD/TEM多尺度表征；5) 电化学工作站测试腐蚀行为。

【微观形态分析】
挤压显著改变第二相分布：铸态合金中Mg₂Sn和In₃Sn相沿晶界呈网状分布（图4a），而λ=10.33挤压后碎片化分散（图4b）。λ=12.1时晶粒尺寸从铸态的50μm细化至8μm，但λ=15.38出现10-15μm的异常长大晶粒，归因于动态再结晶。

【结论】
适度挤压（λ=10.33/12.1）使抗拉强度提升47%、硬度提高42%，归因于：1) 晶界强化；2) 第二相弥散强化；3) 位错密度增加。但溶解速率降低23%，因致密度提高阻碍腐蚀介质渗透。λ=15.38时再结晶导致强度下降12%，证实存在最优工艺窗口。

该研究建立了"挤压比-微观结构-性能"的定量关系，为可降解铝合金在极端工况（如页岩气开采）中的应用提供了工艺标准。通过调控挤压比而非添加昂贵元素实现性能优化，具有显著成本优势，对推动绿色油气开发技术具有重要意义。