納米結(jié)構(gòu)的粉末金屬壓制品的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種粉末金屬壓制品。該粉末金屬壓制品包含胞狀納米基質(zhì)，其包含金屬納米基質(zhì)材料。該粉末金屬壓制品還包含多個(gè)分散的顆粒，其包含分散在胞狀納米基質(zhì)中的金屬顆粒核材料，該顆粒核材料包含納米結(jié)構(gòu)化材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】納米結(jié)構(gòu)的粉末金屬壓制品
[0001]交叉引用的相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求2011年8月30日提交的美國(guó)申請(qǐng)N0.13/220832的權(quán)益，其在此以其全部引入作為參考。
[0003]發(fā)明背景
[0004]石油和天然氣井經(jīng)常利用井筒組件或工具，其由于它們的功能而僅需要具有有限的使用壽命，其明顯小于井的使用壽命。在組件或工具的使用功能完成后，必須將它除去或者處置，目的是恢復(fù)流體路徑的初始尺寸，供包括烴的生產(chǎn)、CO2封存等應(yīng)用。組件或工具的處置通常通過(guò)在井筒外對(duì)組件或工具研磨或者鉆孔來(lái)進(jìn)行，其通常是耗時(shí)的和昂貴的操作。
[0005]為了消除對(duì)于研磨或者鉆孔操作的需要，已經(jīng)提出了使用不同的可溶解或可腐蝕材料，通過(guò)溶解或腐蝕來(lái)從井筒中除去組件或工具。雖然這些材料是有用的，但是還非常令人期望這些材料重量輕和具有高強(qiáng)度，包括與用于形成井筒組件或工具的常規(guī)工程材料(例如不同等級(jí)的鋼)相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。因此，非常期望進(jìn)一步改進(jìn)可溶解或者可腐蝕材料來(lái)提高它們的強(qiáng)度、腐蝕性和可制造性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一種不例性實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種粉末金屬壓制品。該粉末金屬壓制品包含胞狀納米基質(zhì)，該胞狀納米基質(zhì)包含金屬納米基質(zhì)材料。該粉末金屬壓制品還包含多個(gè)分散的顆粒，該多個(gè)分散的顆粒包含分散在該胞狀納米基質(zhì)中的金屬顆粒核材料，該顆粒核材料包含納米結(jié)構(gòu)化材料。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]現(xiàn)在參考附圖，其中在幾個(gè)圖中相同的元件采用相同的附圖標(biāo)記:
[0008]圖1是粉末10和粉末顆粒12的一種示例性實(shí)施方案的示意圖；
[0009]圖2是如這里公開(kāi)的具有分散的顆粒的各向等大構(gòu)造的粉末壓制品的一種示例性實(shí)施方案的示意圖；
[0010]圖3是如這里公開(kāi)的具有分散的顆粒的顯著伸長(zhǎng)構(gòu)造的粉末壓制品的一種示例性實(shí)施方案的示意圖；
[0011]圖4是具有胞狀納米基質(zhì)和分散的顆粒的顯著伸長(zhǎng)構(gòu)造的粉末壓制品的一種示例性實(shí)施方案的示意圖，其中該胞狀納米基質(zhì)和分散的顆粒是基本上連續(xù)的；和
[0012]圖5是具有胞狀納米基質(zhì)和分散的顆粒的顯著伸長(zhǎng)構(gòu)造的粉末壓制品的一種示例性實(shí)施方案的示意圖，其中該胞狀納米基質(zhì)和分散的顆粒是基本上不連續(xù)的。
【具體實(shí)施方式】
[0013]公開(kāi)了一種具有分散的顆粒的輕重量、高強(qiáng)度納米基質(zhì)材料，該分散的顆粒包含納米結(jié)構(gòu)的顆粒核材料。用于形成這些納米基質(zhì)材料的納米結(jié)構(gòu)的顆粒核材料是高強(qiáng)度材料。它們的強(qiáng)度也可以通過(guò)將納米結(jié)構(gòu)摻入該納米基質(zhì)材料中來(lái)增強(qiáng)。這些合金的強(qiáng)度還可以通過(guò)摻入不同的增強(qiáng)子顆粒和第二顆粒來(lái)改進(jìn)。所公開(kāi)的納米基質(zhì)材料也可以混入不同的微結(jié)構(gòu)特征來(lái)控制合金的機(jī)械性能，例如混入基本上伸長(zhǎng)的顆粒微結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)合金強(qiáng)度，或者處于合金微結(jié)構(gòu)中的多峰粒度來(lái)增強(qiáng)斷裂韌度，或者其組合來(lái)控制強(qiáng)度、斷裂韌度二者和其他合金性能。
[0014]這里公開(kāi)的納米基質(zhì)材料可以用于全部的應(yīng)用形式和應(yīng)用環(huán)境，包括用于不同的井筒環(huán)境，來(lái)制造不同的輕重量、高強(qiáng)度制品，包括井下制品，特別是工具或者其他井下組件。除了它們的輕重量、高強(qiáng)度特性之外，這些納米基質(zhì)材料可以描述為受控的電解材料，其可以從井筒中可選擇地和可控地處置、降解、溶解、腐蝕或者以其他方式除去。用于耐久的和可處置或可降解的二者的制品的許多其他應(yīng)用是可能的。在一種實(shí)施方案中，這些輕重量、高強(qiáng)度和可選擇地和可控地降解的材料包括由涂覆的粉末材料形成的全致密的燒結(jié)的粉末壓制品，所述涂覆的粉末材料包含不同的輕重量顆粒核，并且核材料具有不同的單層和多層納米級(jí)涂層。在另一種實(shí)施方案中，這些材料包括可選擇地和可控地降解的材料，可以包括由這些涂覆的粉末材料形成的粉末壓制品，其并非全致密的或并非燒結(jié)的或者其組合。
[0015]納米基質(zhì)材料和制造這些材料的方法通常描述在例如2009年12月8日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)12/633，682和2011年7月29日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)13/194，361中，其在此將它們?nèi)恳胱鳛閰⒖肌＿@些輕重量、高強(qiáng)度和可選擇地和可控地降解的材料可以包括從全致密的燒結(jié)的粉末壓制品到前體或生坯狀態(tài)(未達(dá)到全致密)壓制品(其可以是燒結(jié)的或未燒結(jié)的)。它們由涂覆的粉末材料形成，該涂覆的粉末材料并不同的輕重量顆粒核和核材料具有不同的單層和多層納米級(jí)涂層。這些粉末壓制品由涂覆的金屬粉末制成，其包括不同的電化學(xué)活性(例如具有相對(duì)更高的標(biāo)準(zhǔn)氧化電勢(shì))的輕重量、高強(qiáng)度顆粒核和核材料，例如電化學(xué)活性金屬，其分散在胞狀納米基質(zhì)內(nèi)，該胞狀納米基質(zhì)由金屬涂覆材料的不同的納米級(jí)金屬涂層的合并而形成，并且特別適于井筒應(yīng)用。該粉末壓制品可以通過(guò)任何合適的粉末壓實(shí)方法來(lái)制造，包括冷等靜壓(CIP)、熱等靜壓(HIP)、動(dòng)態(tài)鍛造(dynamicforging)和擠出及其組合。這些粉末壓制品提供了機(jī)械強(qiáng)度性能的獨(dú)特和有利的組合，例如壓縮和剪切強(qiáng)度、低密度和可選擇的和可控的腐蝕性能，特別是在不同的井筒流體中快速的和受控的溶解。該流體可以包括任何數(shù)目的離子流體或高極性流體，例如包含不同的氯化物的那些。例子包括含有氯化鉀(KCl)、鹽酸(HCl)、氯化鈣(CaCl2)、溴化鈣(CaBr2)或者溴化鋅(ZnBr2)的流體。通?？梢允褂谩?682和’ 361申請(qǐng)關(guān)于涂覆粉末的性質(zhì)以及制造和壓實(shí)該涂覆粉末的方法的公開(kāi)內(nèi)容，以提供這里公開(kāi)的輕重量、高強(qiáng)度納米基質(zhì)材料，為了簡(jiǎn)要，這里不再重復(fù)。
[0016]如圖1和2所示，粉末10包含粉末顆粒12，粉末顆粒12包括顆粒核14和核材料18和金屬涂層16和涂料20，可以選擇粉末10來(lái)配置用于壓實(shí)和燒結(jié)來(lái)提供粉末金屬壓制品200，其是輕重量(即，具有相對(duì)低的密度)、高強(qiáng)度的，并且根據(jù)井筒性能變化可選擇地和可控地從井筒中除去，包括可選擇地和可控地溶解在適當(dāng)?shù)木擦黧w中，包括這里公開(kāi)的不同的井筒流體。粉末金屬壓制品200包括:包含納米基質(zhì)材料220的胞狀納米基質(zhì)216，和分散在該胞狀納米基質(zhì)216中的包含顆粒核材料218的多個(gè)分散的顆粒214，其中該顆粒核材料218包含納米結(jié)構(gòu)化材料。[0017]分散的顆粒214可以包含這里所述的用于顆粒核14的任何材料，盡管分散的顆粒214的化學(xué)組成可以由于這里所述的擴(kuò)散效應(yīng)而不同。分散的顆粒214可以由任何合適的金屬顆粒核材料220形成，該金屬顆粒核材料包括這里所述的納米結(jié)構(gòu)。在一種示例性實(shí)施方案中，分散的顆粒214是由包含Al、Mg、Zn或Mn或者其組合的顆粒核14形成,如納米結(jié)構(gòu)的顆粒核材料218。更具體地，在一種示例性實(shí)施方案中，分散的顆粒214和顆粒核材料218可以包括不同的Al或者M(jìn)g合金，如納米結(jié)構(gòu)的顆粒核材料218，包括不同的沉淀可硬化合金Al或Mg合金。沉淀可硬化Al或Mg合金是特別有用的，因?yàn)樗鼈兲峁┝藱C(jī)會(huì)，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)化和沉淀硬化(通過(guò)摻入這里所述的子顆粒沉淀物)來(lái)提供強(qiáng)化。分散的顆粒214和顆粒核材料218還可以包括稀土元素或者稀土元素的組合。作為這里使用的，稀土元素包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd或Er或者稀土元素的組合。當(dāng)存在時(shí)，稀土元素或者稀土元素的組合可以以約5重量％或更低的量存在。
[0018]分散的顆粒214和顆粒核材料218還包含納米結(jié)構(gòu)化材料215。在一種示例性實(shí)施方案中，納米結(jié)構(gòu)化材料215是這樣的材料，其晶粒尺寸或者亞晶?；蛭⒕С叽缧∮诩s200nm,和更具體的晶粒尺寸是約IOnm-約200nm,和甚至更具體的平均晶粒尺寸小于約lOOnm。該納米結(jié)構(gòu)可以包括高角度的邊界227(其通常用于定義晶粒尺寸)或低角度的邊界229(其可以作為亞結(jié)構(gòu)存在于個(gè)別的顆粒中，其有時(shí)候用于定義微晶尺寸)或者其組合。該納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)任何合適的方法在用于形成分散的顆粒214的顆粒核14中形成，方法包括變形誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)，例如可以如下來(lái)提供:球磨粉末來(lái)提供顆粒核14，和更具體地通過(guò)低溫研磨(例如，在處于低溫的球磨介質(zhì)中或者在低溫流體例如液氮中球磨)粉末來(lái)提供顆粒核14，用于形成分散的顆粒214。該顆粒核14可以作為納米結(jié)構(gòu)化材料215，通過(guò)任何合適的方法來(lái)形成，例如通過(guò)研磨或者低溫研磨這里所述的材料的預(yù)合金化的粉末顆粒。顆粒核14也可以通過(guò)將所需量的不同合金成分的純金屬粉末機(jī)械合金化來(lái)形成。機(jī)械合金化包括球磨(包括低溫研磨)這些粉末成分來(lái)機(jī)械包進(jìn)和互混該成分并形成顆粒核14。除了產(chǎn)生上述納米結(jié)構(gòu)外，球磨(包括低溫研磨)可以有利于顆粒核14和核材料18的固溶強(qiáng)化，其又有利于分散的顆粒214和顆粒核材料218的固溶強(qiáng)化。該固溶強(qiáng)化可以來(lái)自于與根據(jù)具體的合金成分相平衡的可能濃度相比，更高濃度的隙間的或取代的溶質(zhì)原子在固溶體中的機(jī)械互混的能力，由此能夠阻止或者用于限制該顆粒內(nèi)的位錯(cuò)移動(dòng)，其又提供了顆粒核14和分散的顆粒214中的強(qiáng)化機(jī)理。顆粒核14也可以作為納米結(jié)構(gòu)化材料215，通過(guò)包括以下的方法來(lái)形成: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、無(wú)定形固體的結(jié)晶、電沉積和嚴(yán)重塑性變形。該納米結(jié)構(gòu)還可以包括高的位錯(cuò)密度，例如約1017m_2-1018m_2的位錯(cuò)密度，其可以比通過(guò)傳統(tǒng)方法(例如冷軋)所變形的類(lèi)似合金材料高出兩到三個(gè)量級(jí)。
[0019]分散的顆粒214和顆粒核材料218還可以包含子顆粒222，和可以?xún)?yōu)選包含多個(gè)子顆粒。子顆粒222在分散的顆粒214內(nèi)提供了分散增強(qiáng)機(jī)理和能夠阻止或者用于限制該顆粒內(nèi)的位錯(cuò)移動(dòng)。子顆粒222可以具有任何合適的尺寸，在一種示例性實(shí)施方案中平均粒度可以是約IOnm-約I μ m,和更具體地,平均粒度可以是約50nm_約200nm。子顆粒222可以包括任何合適形式的子顆粒，包括包埋的子顆粒224、沉淀物226或分散膠體228。包埋的顆粒224可以包括任何合適的包埋子顆粒，包括不同的硬子顆粒。包埋的子顆?；蛘叨鄠€(gè)包埋的子顆?？梢园煌慕饘佟⑻?、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粒或者其組合。在一種示例性實(shí)施方案中，硬顆?？梢园琋1、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn或Si或者包含至少一種前述的氧化物、氮化物、碳化物、金屬間化合物或金屬陶瓷或者其組合。包埋的子顆粒224可以通過(guò)任何合適的方法來(lái)包埋，包括例如通過(guò)將硬顆粒和顆粒核材料18 —起進(jìn)行球磨或者低溫研磨。沉淀物子顆粒226可以包括任何這樣的子顆粒，其可以在分散的顆粒214內(nèi)沉淀，包括與所關(guān)注的材料(特別是金屬合金)的成分的相平衡和它們的相對(duì)量(例如沉淀可硬化合金)一致的沉淀物子顆粒226，并且包括可以由于非平衡條件而發(fā)生沉淀的那些，例如可以在合金成分以高于它的相平衡限度的量被迫進(jìn)入合金的固溶體中時(shí)發(fā)生(已知的是在機(jī)械合金化過(guò)程中發(fā)生)，其被加熱到足以激活發(fā)生沉淀的擴(kuò)散機(jī)理。分散膠體子顆粒228可以包括納米級(jí)顆?；蛴芍圃祛w粒核14而形成的成分團(tuán)簇，例如與球磨相關(guān)的那些，包括研磨介質(zhì)(例如球)或研磨流體(例如液氮)的成分或者顆粒核14本身的表面(例如金屬氧化物或氮化物)。分散膠體子顆粒228可以包含例如Fe、N1、Cr、Mn、N、O、C和H。子顆粒222可以連同顆粒核14和分散的顆粒214位于任何地方。在一種示例性實(shí)施方案中，子顆粒222可以位于分散的顆粒214內(nèi)或表面上或者其組合，如圖1所示。在另一示例性實(shí)施方案中，多個(gè)子顆粒222位于顆粒核14和分散的顆粒214的表面上，并且也可以包含納米基質(zhì)材料216，如圖1所示。
[0020]粉末壓制品200包括納米基質(zhì)材料220的胞狀納米基質(zhì)216，該納米基質(zhì)材料220具有分散在整個(gè)胞狀納米基質(zhì)216中的多個(gè)分散的顆粒214。分散的顆粒214可以是在基本上連續(xù)的胞狀納米基質(zhì)216中各向等大的，或者可以是如這里所述和圖3所示的基本上伸長(zhǎng)的。在分散的顆粒214是基本上伸長(zhǎng)的情況中，分散的顆粒214和胞狀納米基質(zhì)216可以是連續(xù)的或不連續(xù)的，分別如圖4和5所示?；旧线B續(xù)的胞狀納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220 (由燒結(jié)的金屬涂層16形成)通過(guò)壓實(shí)和燒結(jié)多個(gè)粉末顆粒12的多個(gè)金屬涂層16，例如通過(guò)CIP、HIP或動(dòng)態(tài)鍛造來(lái)形成。納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成可以不同于涂料20，這歸因于與燒結(jié)有關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)。粉末金屬壓制品200還包括多個(gè)分散的顆粒214，其包含顆粒核材料218。當(dāng)金屬涂層16 —起燒結(jié)來(lái)形成納米基質(zhì)216時(shí)，分散的顆粒核214和核材料218對(duì)應(yīng)于并由多個(gè)粉末顆粒12的多個(gè)顆粒核14和核材料18形成。核材料218的化學(xué)組成也可以不同于核材料18，這歸因于與燒結(jié)有關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)。
[0021]作為這里使用的，使用術(shù)語(yǔ)胞狀納米基質(zhì)216不意味著粉末壓制品的主要成分，而是指的是次要成分，無(wú)論是按重量計(jì)還是按體積計(jì)。這有別于大部分基質(zhì)復(fù)合材料，其中基質(zhì)包含按重量或體積計(jì)的主要成分。使用術(shù)語(yǔ)基本上連續(xù)的胞狀納米基質(zhì)，目的是描述納米基質(zhì)材料220在粉末壓制品200內(nèi)分布的廣泛性、規(guī)則性、連續(xù)性和互連性。作為這里使用的，“基本上連續(xù)的”描述了納米基質(zhì)材料在整個(gè)粉末壓制品200中的延展，由此它在基本上全部的分散的顆粒214之間延伸和將其包封。基本上連續(xù)的被用于表示納米基質(zhì)不需要在每個(gè)分散的顆粒214周?chē)耐耆倪B續(xù)和規(guī)則的次序。例如，一些粉末顆粒12上的顆粒核14上的涂層16中的缺陷會(huì)導(dǎo)致該顆粒核14在粉末壓制品200燒結(jié)過(guò)程中的橋接(bridging)，由此導(dǎo)致在胞狀納米基質(zhì)216內(nèi)產(chǎn)生局部中斷，盡管在該粉末壓制品納米基質(zhì)的其他部分中是基本上連續(xù)的和表現(xiàn)出這里所述的結(jié)構(gòu)。相反，在基本上伸長(zhǎng)的分散的顆粒214(例如通過(guò)擠出形成的那些)的情況中，“基本上不連續(xù)的”被用于表示納米基質(zhì)在每個(gè)分散的顆粒214周?chē)牟煌耆倪B續(xù)和分裂(例如裂開(kāi)或分離)，例如可以在預(yù)定的擠出方向622上發(fā)生，或者在與該方向橫向的方向上發(fā)生。作為這里使用的，“胞狀”被用于表示納米基質(zhì)限定了納米基質(zhì)材料220總體上重復(fù)的、互連的間隔或者單元的網(wǎng)絡(luò)，其包括并且也互連了分散的顆粒214。作為這里使用的，“納米基質(zhì)”被用于描述基質(zhì)的尺寸或規(guī)模，特別是相鄰的分散的顆粒214之間的基質(zhì)的厚度。金屬涂層(其一起燒結(jié)來(lái)形成納米基質(zhì))本身是納米級(jí)厚度的涂層。因?yàn)椴煌诖笥趦蓚€(gè)的分散的顆粒214的互連，大多數(shù)位置上的納米基質(zhì)通常包括來(lái)自具有納米級(jí)厚度的相鄰粉末顆粒12的兩個(gè)涂層16的相互擴(kuò)散和結(jié)合，因此所形成的基質(zhì)也具有納米級(jí)厚度(例如是這里描述的涂層厚度的約兩倍)和由此被描述為納米基質(zhì)。此外，使用術(shù)語(yǔ)分散的顆粒214不表示粉末壓制品200的次要成分，而是指主要成分，無(wú)論是按重量計(jì)還是按體積計(jì)。使用術(shù)語(yǔ)分散的顆粒，目的是表達(dá)顆粒核材料218在粉末壓制品200內(nèi)的不連續(xù)的和離散的分布。
[0022]粉末壓制品200可以具有任何所需的形狀或者尺寸，包括圓柱胚體、棒、片或者其他形式，其可以機(jī)加工、成形或者用其他方式形成有用的加工制品，包括不同的井筒工具和組件。使用壓制來(lái)形成前體粉末壓制品100和使用燒結(jié)和壓制方法來(lái)形成粉末壓制品200和變形該粉末顆粒12，包括顆粒核14和涂層16，以提供全密度和粉末壓制品200的所需宏觀形狀和大小以及它的微觀結(jié)構(gòu)。在分散的顆粒214和顆粒層的胞狀網(wǎng)絡(luò)216經(jīng)壓實(shí)并且相互擴(kuò)散和變形來(lái)填充顆粒間空間15時(shí)(圖1)，它們的形態(tài)(例如各向等大的或者基本上伸長(zhǎng)的)來(lái)源于粉末顆粒12的燒結(jié)和變形。燒結(jié)溫度和壓力可以經(jīng)選擇來(lái)確保粉末壓制品200的密度達(dá)到基本上完全的理論密度。
[0023]在一種示例性實(shí)施方案中，分散的顆粒214由分散在燒結(jié)的金屬涂層16的胞狀納米基質(zhì)216中的顆粒核14形成，并且該納米基質(zhì)216包括固態(tài)冶金結(jié)合或者結(jié)合層，其在整個(gè)胞狀納米基質(zhì)216的分散的顆粒214之間延伸，其在燒結(jié)溫度(Ts)形成，其中Ts小于涂層的熔融溫度(T。)和顆粒的熔融溫度(Tp)。如所示的，固態(tài)冶金結(jié)合通過(guò)相鄰粉末顆粒12的涂層16之間的固態(tài)相互擴(kuò)散來(lái)以固態(tài)形成，在用于形成粉末壓制品200的壓實(shí)和燒結(jié)方法過(guò)程中壓縮該相鄰粉末顆粒12來(lái)進(jìn)行接觸，如這里所述。同樣，胞狀納米基質(zhì)216的燒結(jié)的涂層16包括固態(tài)結(jié)合層，其具有由涂層16的涂料20的相互擴(kuò)散的程度所限定的厚度，其又將通過(guò)涂層16的性質(zhì)(包括它們是單層還是多層涂層，它們是否已經(jīng)經(jīng)選擇以促進(jìn)或限制這種相互擴(kuò)散，和如這里所述的其他因素)以及燒結(jié)和壓實(shí)條件(包括用于形成粉末壓制品200的燒結(jié)時(shí)間、溫度和壓力)來(lái)限定。
[0024]在形成納米基質(zhì)216時(shí)，包括冶金結(jié)合和結(jié)合層，金屬涂層16的化學(xué)組成或相分布或者二者是可以變化的。納米基質(zhì)216還具有熔融溫度(TM)。作為這里使用的，Tm包括在納米基質(zhì)216內(nèi)將發(fā)生初熔或液化或其他形式的部分熔融的最低溫度，而不管該納米基質(zhì)材料220是否包含純金屬、具有多個(gè)相(每個(gè)相具有不同的熔融溫度)的合金或者復(fù)合材料(包括包含多個(gè)具有不同熔融溫度的不同的涂料的層的復(fù)合材料)，或者其組合，或者相反情況。當(dāng)分散的顆粒214和顆粒核材料218連同納米基質(zhì)216形成時(shí),金屬涂層16的成分向顆粒核14內(nèi)的擴(kuò)散也是可能的，這會(huì)導(dǎo)致顆粒核14的化學(xué)組成或相分布或者二者的變化。結(jié)果，分散的顆粒214和顆粒核材料218可以具有不同于Tp的熔融溫度(Tdp)。作為這里使用的，Tdp包括在分散的顆粒214內(nèi)將發(fā)生初熔或液化或其他形式的部分熔融的最低溫度，而不管該顆粒核材料218是否包含純金屬、具有多個(gè)相(每個(gè)相具有不同的熔融溫度)的合金或者復(fù)合材料，或者相反情況。在一種實(shí)施方案中，粉末壓制品200在燒結(jié)溫度(Ts)形成，其中Ts小于TC、TP、TM和Tdp，并且該燒結(jié)完全在固態(tài)進(jìn)行，產(chǎn)生固態(tài)結(jié)合層。在另一示例性實(shí)施方案中，粉末壓制品200在燒結(jié)溫度(Ts)形成，其中Ts大于或等于T。、Tp, Tm或Tdp的一個(gè)或多個(gè)，并且該燒結(jié)包括如這里所述的粉末壓制品200內(nèi)有限的或者部分的熔融，和進(jìn)一步可以包括液態(tài)或者液相燒結(jié)，產(chǎn)生至少部分熔融和再凝固的結(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)的組合來(lái)保持期望的微結(jié)構(gòu)，其包括胞狀納米基質(zhì)216和分散的顆粒214。例如，在例如全部或部分納米基質(zhì)216內(nèi)，將允許發(fā)生局部的液化或者熔融，只要該胞狀納米基質(zhì)216/分散的顆粒214形態(tài)得以保持即可，例如通過(guò)選擇顆粒核14、不提供顆粒核完全熔融的Ts和ts。類(lèi)似地，在例如全部或部分的分散的顆粒214內(nèi)，將允許發(fā)生局部的液化，只要該胞狀納米基質(zhì)216/分散的顆粒214形態(tài)得以保持即可，例如通過(guò)選擇金屬涂層16、不提供涂層16完全熔融的Ts和ts。金屬涂層16的熔融例如可以在燒結(jié)過(guò)程中沿著金屬層16/顆粒核14界面發(fā)生，或者沿著多層涂層16的相鄰層之間的界面發(fā)生。將會(huì)理解，如果例如納米基質(zhì)216 (即，金屬涂層16的組合)和分散的顆粒214(即，顆粒核14) 二者熔融，由此允許這些材料快速的相互擴(kuò)散，則超過(guò)預(yù)定值的Ts和ts的組合會(huì)產(chǎn)生其他微結(jié)構(gòu)，例如平衡熔體/再凝固微結(jié)構(gòu)。
[0025]粉末壓制品200的顆粒核14和分散的顆粒214可以具有任何合適的粒度。在一種示例性實(shí)施方案中，顆粒核14可以具有單峰分布，并且平均顆粒直徑或尺寸是約5 μπι-約300 μ m,更具體地約80 μ m_約120 μ m,和甚至更具體地約100 μ m。在另一示例性實(shí)施方案中，其可以包括多峰分布的粒度，顆粒核14的平均顆粒直徑或尺寸可以是約50nm-約500 μ m,更具體地約500nm_約300 μ m,和甚至更具體地約5 μ m_約300 μ m。在一種示例性實(shí)施方案中，顆粒核14或分散的顆粒的平均粒度可以是約50nm-約500 μ m。
[0026]分散的顆粒214可以具有任何合適的形狀，這取決于所選擇的顆粒核14和粉末顆粒12的形狀，以及用于燒結(jié)和壓制品粉末10的方法。在一種示例性實(shí)施方案中，粉末顆粒12可以是球形或基本為球形，并且分散的顆粒214可以包括這里所述的各向等大的顆粒構(gòu)造。在另一示例性實(shí)施方案中，分散的顆粒可以具有非球形形狀。在又一實(shí)施方案中，分散的顆?？梢栽陬A(yù)定的擠出方向622上顯著伸長(zhǎng)，例如可以在使用擠出以形成粉末壓制品200時(shí)發(fā)生。如圖3-5所示，例如基本上伸長(zhǎng)的胞狀納米基質(zhì)616包含納米基質(zhì)材料620的互連的伸長(zhǎng)單元的網(wǎng)絡(luò)，該納米基質(zhì)材料620具有多個(gè)位于單元內(nèi)的核材料618的基本上伸長(zhǎng)的分散的顆粒核614。取決于施加來(lái)形成伸長(zhǎng)顆粒的變形量，該伸長(zhǎng)的涂層和納米基質(zhì)616可以在圖4所示的預(yù)定方向622上是基本上連續(xù)的，或者如圖5所示是基本上不連續(xù)的。
[0027]分散的顆粒214的分散體的性質(zhì)會(huì)受到用于制造顆粒壓制品200的粉末10或多個(gè)粉末10的選擇的影響。在一種示例性實(shí)施方案中，可以選擇具有單峰分布的粉末顆粒12尺寸的粉末10來(lái)形成粉末壓制品200，并且將在胞狀納米基質(zhì)216內(nèi)產(chǎn)生分散的顆粒214的粒度基本均勻的單峰分散。在另一示例性實(shí)施方案中，可以選擇多個(gè)粉末10(其具有多個(gè)粉末顆粒，并且顆粒核14具有相同的核材料18和不同的核尺寸和相同的涂料20)，并且如這里所述地均勻混合來(lái)提供具有粉末顆粒12尺寸的均勻的多峰分布的粉末10，和可以使用該多個(gè)粉末10來(lái)形成粉末壓制品200，其在胞狀納米基質(zhì)216內(nèi)具有分散的顆粒214的均勻的多峰分散的粒度。類(lèi)似地，在又一示例性實(shí)施方案中，可以選擇多個(gè)粉末10(其具有多個(gè)顆粒核14，其可以具有相同的核材料18和不同的核尺寸和相同的涂料20)，和以非均勻的方式分布來(lái)提供非均勻的多峰分布的粉末粒度，并且可以使用該多個(gè)粉末10來(lái)形成粉末壓制品200，其在胞狀納米基質(zhì)216內(nèi)具有分散的顆粒214的非均勻的多峰分散的粒度。顆粒核尺寸分布的選擇可以用于確定例如由粉末10制造的粉末壓制品200的胞狀納米基質(zhì)216內(nèi)的分散的顆粒214的粒度和粒間間隙。
[0028]如圖1和2總體上所示，粉末金屬壓制品200還可以使用涂覆的金屬粉末10和另外的或第二粉末30來(lái)形成，如這里所述。使用另外的粉末30提供了粉末壓制品200，其也包括這里所述的多個(gè)分散的第二顆粒234，其分散在納米基質(zhì)216中，并且也相對(duì)于分散的顆粒214分散。分散的第二顆粒234可以由涂覆的或者未涂覆的第二粉末顆粒32形成，如這里所述。在一種示例性實(shí)施方案中，涂覆的第二粉末顆粒32可以用涂層36涂覆，其與粉末顆粒12的涂層16相同，以使得涂層36也有助于納米基質(zhì)216。在另一示例性實(shí)施方案中，第二粉末顆粒232可以是未涂覆的，以使得分散的第二顆粒234包埋到納米基質(zhì)216內(nèi)。如這里公開(kāi)的，粉末10和另外的粉末30可以混合來(lái)形成分散的顆粒214和分散的第二顆粒234均勻的分散體，或者來(lái)形成這些顆粒非均勻的分散體。分散的第二顆粒234可以由任何合適的另外的粉末30 (其不同于粉末10，這歸因于顆粒核34或涂層36或者它們二者的組成差異)形成，并且可以包括這里公開(kāi)的用作第二粉末30的任何材料，該第二粉末30不同于粉末10,其經(jīng)選擇來(lái)形成粉末壓制品200。在一種不例性實(shí)施方案中，分散的第二顆粒234可以包含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者其組合。
[0029]納米基質(zhì)216是金屬涂層16的基本上連續(xù)的胞狀網(wǎng)絡(luò)，其彼此燒結(jié)在一起。納米基質(zhì)216的厚度將取決于用于形成粉末壓制品200的粉末10的性質(zhì)，以及任何第二粉末30的摻入，特別是取決于與這些顆粒有關(guān)的涂層厚度。在一種示例性實(shí)施方案中，納米基質(zhì)216的厚度在整個(gè)粉末壓制品200的微結(jié)構(gòu)中是基本均勻的，并且是粉末顆粒12的涂層16的厚度的約兩倍。在另一示例性實(shí)施方案中，胞狀網(wǎng)絡(luò)216在分散的顆粒214之間具有約50nm-約5000nm的基本均勻的平均厚度。通過(guò)擠出形成的粉末壓制品200可以具有小得多的厚度，和可以變得非均勻和基本上不連續(xù)，如這里所述。
[0030]納米基質(zhì)216通過(guò)相互擴(kuò)散將相鄰顆粒的金屬涂層16彼此燒結(jié)在一起和產(chǎn)生這里所述的結(jié)合層來(lái)形成。金屬涂層16可以是單層或多層結(jié)構(gòu)，并且它們可以經(jīng)選擇以促進(jìn)或抑制或者同時(shí)促進(jìn)和抑制金屬涂層16的層內(nèi)或?qū)娱g，或者金屬涂層16與顆粒核14之間，或者金屬涂層16和相鄰粉末顆粒的金屬涂層16之間的擴(kuò)散，金屬涂層16在燒結(jié)過(guò)程中相互擴(kuò)散的程度可以受限于或者很大程度上取決于涂層厚度、所選擇的涂料、燒結(jié)條件和其他因素?？紤]到成分的相互擴(kuò)散和相互作用的潛在復(fù)雜性，所形成的納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的化學(xué)組成的說(shuō)明可以簡(jiǎn)單理解為是涂層16的成分的組合，其還可以包含分散的顆粒214的一種或多種成分，這取決于相互擴(kuò)散的程度(如果有的話)，其在分散的顆粒214和納米基質(zhì)216之間發(fā)生。類(lèi)似地，分散的顆粒214和顆粒核材料218的化學(xué)組成可以簡(jiǎn)單理解為是顆粒核14的成分的組合，其也可以包含納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的一種或多種成分，這取決于相互擴(kuò)散的程度(如果有的話)，其在分散的顆粒214和納米基質(zhì)216之間發(fā)生。
[0031]在一種示例性實(shí)施方案中，納米基質(zhì)材料220具有一定的化學(xué)組成，并且顆粒核材料218的化學(xué)組成不同于納米基質(zhì)材料220，化學(xué)組成中的差異可以經(jīng)配置來(lái)提供可選擇的和可控的溶解速率，包括從非常低的溶解速率到非?？斓娜芙馑俾实目蛇x擇的轉(zhuǎn)變，其根據(jù)臨近壓制品200的井筒的性能或條件的受控變化，包括與這里所述的粉末壓制品200接觸的井筒流體性能的變化。納米基質(zhì)216可以由具有單層和多層涂層16的粉末顆粒12形成。這種設(shè)計(jì)的靈活性提供了大量數(shù)目的材料組合，特別是在多層涂層16的情況中更是如此，其可以用于通過(guò)控制給定的層內(nèi)以及涂層16和與它相關(guān)的顆粒核14或相鄰的粉末顆粒12的涂層16之間的涂層成分的相互作用，以調(diào)節(jié)胞狀納米基質(zhì)216和納米基質(zhì)材料220的組成。
[0032]在一種示例性實(shí)施方案中，納米基質(zhì)216可以包含納米基質(zhì)材料220，其包含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者其組合。
[0033]這里公開(kāi)的粉末金屬壓制品200可以經(jīng)配置以提供使用預(yù)定的井筒流體(包括這里所述的那些)來(lái)從井筒中可選擇地和可控地處置、降解、溶解、腐蝕或者以其他方式除去。這些材料可以經(jīng)配置以提供腐蝕速率至多約400mg/cm2/h的Al合金，和更具體地腐蝕速率為約0.5-約100mg/Cm2/h。Al合金粉末壓制品200也可以經(jīng)配置以提供高強(qiáng)度，包括至多約150ksi的最終壓縮強(qiáng)度，和更具體地為約60ks1-約150ksi，和甚至更具體地為約60ksi_約120ksi。這些材料也可以經(jīng)配置以提供腐蝕速率至多約500mg/cm2/h的Mg合金，和更具體地腐蝕速率為約0.5-約50mg/cm2/h。Mg合金粉末壓制品200也可以經(jīng)配置以提供高強(qiáng)度，包括至多約85ksi的最終壓縮強(qiáng)度，和更具體地為約40ks1-約70ksi。
[0034]術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”和“一種”在這里不表示對(duì)于量的限制，而是表示存在著至少一種所指代的項(xiàng)目。與量有關(guān)而使用的修飾詞“約”包括所述的值，并且具有上下文所指出的含義(例如包括與具體的量的測(cè)量有關(guān)的誤差程度)。此外，除非另有限制，否則這里公開(kāi)的全部范圍包括端點(diǎn)并且是可組合的(例如，“至多約25重量百分比(wt%)，更具體地約5wt%-約20wt%和甚至更具體地約10wt%-約15wt%”的范圍包括端點(diǎn)和該范圍中全部的中間值，例如“約5wt%-約25wt%,約5wt%-約15wt%”等)。與合金組合物的成分列表相關(guān)所用的“約”適用于于全部所列的成分，并且連同該范圍的兩個(gè)端點(diǎn)的范圍。最后，除非另有指示，這里所用的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員通常所理解的相同的含義。作為這里使用的，后綴“(s) ”目的是包括它所修飾的術(shù)語(yǔ)的單數(shù)和復(fù)數(shù)二者，由此包括一種或多種該術(shù)語(yǔ)(例如金屬(s)包括一種或多種金屬)。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中提及“一種實(shí)施方案”、“另一實(shí)施方案”、“實(shí)施方案”等時(shí)，其表不與該實(shí)施方案有關(guān)所述的具體的兀素(例如特征、結(jié)構(gòu)和/或特性)包括在這里所述的至少一種實(shí)施方案中，并且可以或者可以不存在于其他實(shí)施方案中。
[0035]應(yīng)當(dāng)理解與這里所述的合金組合物相關(guān)來(lái)使用的“包含”明確公開(kāi)和包括了這樣的實(shí)施方案，其中該合金組合物基本上由所指定的組分組成(即，包含所指定的組分和沒(méi)有對(duì)于所公開(kāi)的基本的和新穎的特征產(chǎn)生明顯不利影響的其他組分)，和這樣的實(shí)施方案，其中該合金組合物由所指定的組分組成(即，除了天然地和不可避免地存在于每個(gè)所指定的組分中的污染物之外，僅包含所指定的組分)。
[0036]雖然已經(jīng)顯示和描述了一種或多種實(shí)施方案，但是可以對(duì)其進(jìn)行改變和替代，而不脫離本發(fā)明的主旨和范圍。因此，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)說(shuō)明而非限制來(lái)進(jìn)行了描述。
【權(quán)利要求】
1.一種粉末金屬壓制品,其包含: 包含金屬納米基質(zhì)材料的胞狀納米基質(zhì)； 多個(gè)分散的顆粒，其包含分散在該胞狀納米基質(zhì)中的金屬顆粒核材料，該顆粒核材料包含納米結(jié)構(gòu)化材料。
2.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該顆粒核材料包含Al、Mg、Zn或Mn或其組合。
3.權(quán)利要求2的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)材料包含Al合金或Mg合金。
4.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)材料包含納米結(jié)構(gòu)化材料。
5.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米結(jié)構(gòu)化材料的晶粒度小于約200nm。
6.權(quán)利要求5的粉末金屬壓制品，其中該納米結(jié)構(gòu)化材料的晶粒度是約IOnm-約200nm。
7.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米結(jié)構(gòu)化材料的平均晶粒度小于約lOOnm。
8.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該分散的顆粒進(jìn)一步包含子顆粒。
9.權(quán)利要求8的粉末金屬壓制品，其中該子顆粒的平均粒度是約IOnm-約Iμπι。
10.權(quán)利要求8的粉末金屬壓制品，其中該子顆粒包括預(yù)先形成的子顆粒、沉淀物或分散膠體。
11.權(quán)利要求8的粉末金屬壓制品，其中該子顆粒位于該分散的顆粒內(nèi)或表面上或者 其組合。
12.權(quán)利要求11的粉末金屬壓制品，其中該子顆粒位于該分散的顆粒的表面上，并且還包含該納米基質(zhì)材料。
13.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該分散的顆粒的平均粒度是約50nm-約500 μ m0
14.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該分散的顆粒的分散體包括在該胞狀納米基質(zhì)內(nèi)的多峰分布的粒度。
15.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該顆粒核材料進(jìn)一步包含稀土元素。
16.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該分散的顆粒具有各向等大的顆粒形狀，和該納米基質(zhì)是基本上連續(xù)的。
17.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)和該分散的顆粒是在預(yù)定方向上基本上伸長(zhǎng)的。
18.權(quán)利要求17的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)和該分散的顆粒是基本上連續(xù)的。
19.權(quán)利要求17的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)和該分散的顆粒是基本上不連續(xù)的。
20.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其進(jìn)一步包含多個(gè)分散的第二顆粒，其中該分散的第二顆粒也分散在該胞狀納米基質(zhì)內(nèi)，并且相對(duì)于該分散的顆粒分散。
21.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該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者其組合。
22.權(quán)利要求21的粉末金屬壓制品，其中該分散的第二顆粒包含N1、Fe、Cu、Co、W、Al、Mg、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者其組合。
23.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(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者其組合。
24.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)材料包含研磨介質(zhì)或研磨流體的成分。
25.權(quán)利要求23的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)材料包含N1、Fe、Cu、Co、W、Al、Zn、Mn、Mg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者其組合。
26.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)材料包括多層材料。
27.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該納米基質(zhì)材料具有一定的化學(xué)組成，和該顆粒核材料的化學(xué)組成不同于該納米基質(zhì)材料的化學(xué)組成。
28.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其中該胞狀納米基質(zhì)的平均厚度是約50nm-約5000nm。
29.權(quán)利要求1的粉末金屬壓制品，其進(jìn)一步包含在該分散的顆粒之間的整個(gè)胞狀納米基質(zhì)中延伸的結(jié)合層。
30.權(quán)利要求29的`粉末金屬壓制品，其中該結(jié)合層包括基本上固態(tài)的結(jié)合層。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK103781574SQ201280042165
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年8月29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