通过非接触式退火优化晶粒生长，以提高CuAlMn复合金属橡胶的压缩恢复性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Optimizing Grain Growth via Contact-Free Annealing to Enhance Compressive Recovery in CuAlMn Composite Metallic Rubber

高温沙控材料需兼具高可恢复应变与热稳定性，本研究开发非接触退火策略优化铜基形状记忆合金（CuAlMn）纳米结构，分子动力学模拟揭示临界晶界迁移温度931.5℃，退火温度900℃实现竹状晶（d/D=1.85）及7.33%超弹性恢复应变，集成金属橡胶后抗压恢复应变提升5倍以上。

　　本文探讨了一种新的接触式退火策略用于提高铜基形状记忆合金（Cu-SMa）复合金属橡胶的性能，特别是在高温环境下用于油井防砂的应用。油井完成是石油开采过程中的关键环节之一，在达到目标深度后建立井筒与油藏之间的连通性。这一过程对井的生产效率、经济寿命以及整体油田开发效果具有决定性作用。传统的完成方法通常依赖于裸孔技术来最大化油藏接触面积。然而这种技术在不稳定地层中容易发生坍塌，在水平井配置中存在不兼容性，并且在产出流体中造成大量砂污染。为了解决这些问题，“可渗透材料完成”技术被开发出来，通过在生产管外部安装筛网（如开槽筛或缠绕筛）并使用砾石填充筛网与井筒壁之间的环形空间。虽然这种方法能够有效稳定地层并过滤颗粒，但其操作复杂，且砾石填充密度不一致。为了简化结构，“自膨胀筛技术”作为智能井下设备应运而生。这种井下完成系统在地热激活下能够自主膨胀以填充不规则井筒，从而防止砂迁移和侵蚀。其中最具代表性的技术是Baker Hughes公司开发的GeoFORM系统——一种基于形状记忆聚氨酯（SMPU）的智能过滤器。该系统具有良好的渗透性，且几乎不产生流动阻力。然而，重油资源占全球石油储量的约7成，其开采主要依赖于热处理方法如循环蒸汽刺激（CSS）、蒸汽驱（Steam Flooring）和蒸汽辅助重力排水（SAG）等。这些方法需要高温蒸汽注入（超过摄氏百）以降低重油的粘度。而GeoFORM系统由于其材料的限制，无法适应高温条件。因此，在重油开采环境中，开发具有高回弹应变和热稳定性的新型智能复合材料成为迫切需求。

形状记忆合金金属橡胶（SMAM）由于其优异的超弹性（在奥氏体完成温度以上）和连续合金丝的细长特性，被广泛用于防砂和自膨胀应变。然而，目前大多数自膨胀金属橡胶使用的是NiTi合金丝，这种材料成本较高且热导率较低，影响其在重油热回收方法中的适应性。相比之下，铜基形状记忆合金（Cu-SMA）具有更低的成本和更高的热导率，成为一种更有潜力的替代材料。但其应用仍受限于粗晶结构，这些结构在合金丝加工过程中容易在三重晶界处发生断裂。此外，显著的形状恢复各向异性导致应变不兼容，掩盖了其固有性能。热处理可以促进铜基形状记忆合金的晶粒生长，从而形成竹节状微观结构（d/D ≥ 1），这种结构能够显著提高超弹性，并为克服这些机械限制提供有效方案。目前，已有大量研究报道了通过热处理促进铜基形状记忆合金晶粒生长的方法。例如，一些研究表明，低温到高温的循环热处理可以诱导铜基形状记忆合金发生异常晶粒生长，甚至可能形成单晶。然而，这一过程需要较长的热处理时间，通常持续约三天。另一种方法是通过引入四元或额外的合金元素，如Mo、Cr、W、Fe等，使铜基形状记忆合金在简单退火条件下形成大晶粒或单晶。然而，这些合金元素的引入对熔炼工艺提出了更高要求。因此，如何通过现有方法实现晶粒生长的简单和高效仍是研究中的一个挑战。

本文提出了一种基于接触式退火的简化热处理方案，以促进铜基形状记忆合金的晶粒生长，从而提高相对晶粒尺寸（以晶粒直径与整体尺寸的比例表示）和超弹性性能，并验证其定量相关性。实验结果表明，在高温退火过程中，接触式退火会产生显著的异常非阿伦尼乌斯晶界迁移行为，这是一种在无应力条件下的晶界迁移现象，通常在低晶界能（CSL）特性下发生。通过分子动态模拟，可以验证该现象的起源。研究发现，当退火温度设定在非阿伦尼乌斯晶界迁移开始之前，晶粒生长速率可以接近最优水平，从而显著提高Cu-SMA合金丝的超弹性性能。此外，含有经晶粒生长处理的Cu-Al-MnP合金丝的金属橡胶样品，其压缩回弹应变相比纯铜基样品提高了五倍以上，展现出卓越的性能提升。这些成果为开发适用于智能井下防砂工具的新型材料提供了理论支持和技术路径。

在材料和制备方法方面，本文使用真空感应熔炼法制备了设计成分Cu?试验材料，具体为Cu??为进一步优化材料性能，这些合金丝通过连续铸造设备制备，直径为?可以看出，这种材料的制备方法对于获得稳定的微观结构至关重要。而接触式与非接触式退火过程对晶粒尺寸的影响差异则成为研究的重点。实验数据显示，在相同的退火温度下，接触式退火过程产生的晶粒尺寸明显大于非接触式退火。具体来说，接触式退火后的合金丝表面形成了大量新晶粒，这些晶粒会随着时间推移逐渐向合金丝中心生长，表现出较强的晶粒形成行为。

此外，本文还对材料的性能进行了深入分析。通过分子动力学模拟，研究团队发现非阿伦尼乌斯晶界迁移行为在无应力条件下的晶界中出现，这种行为与传统晶界迁移不同，能够显著影响材料的性能。实验结果显示，当退火温度设定在非阿伦尼乌斯晶界迁移开始之前，可以实现晶粒生长的最优速率，从而提高材料的回弹性能和机械强度。

综上所述，本文通过提出一种基于接触式退火的简化热处理方案，成功提高了铜基形状记忆合金的晶粒尺寸和超弹性性能，为开发适用于智能井下防砂工具的新型材料提供了重要的理论和技术支持。这种材料不仅在高温环境下表现出优异的性能，还具有良好的机械强度和回弹能力，能够有效解决传统防砂方法中的诸多问题。未来的研究方向可以进一步探索该材料在其他领域的应用潜力，如废水处理和生物医学工程等，以拓展其应用范围并提高其性能表现。