【鋁博士網(wǎng)】位于布魯內(nèi)爾倫敦大學(xué)的肯聯(lián)鋁業(yè)大學(xué)技術(shù)中心（UTC）將為肯聯(lián)鋁業(yè)提供學(xué)術(shù)和研究支持，以更好地設(shè)計、開發(fā)鋁合金與汽車結(jié)構(gòu)組件并制作原型。與此同時，該大學(xué)開設(shè)了“先進金屬鑄造中心”（AMCC），專注于為汽車和軌道行業(yè)開發(fā)輕質(zhì)、高性能鋁合金。
水力壓裂技術(shù)是一項應(yīng)用于低豐度、低滲透油氣田的增效開采技術(shù)。該技術(shù)通過向井內(nèi)注入較高壓力（～70MPa）的壓裂液將地層壓裂，利用壓裂液中的支撐劑充填裂縫來改變油氣的滲流方式以實現(xiàn)增產(chǎn)。在施工過程中，需采用壓裂球和橋塞等工具對不同作業(yè)層的施工管柱進行封堵。由普通合金制成的壓裂球等工具如果滯留井中，會降低油井產(chǎn)能。而壓裂球一旦卡在封隔器上，則需用特殊工具切削，既延長了施工周期又提高了施工成本。針對上述問題，國外石油公司研發(fā)出了可溶解的壓裂球（樹脂、鎂或鋁復(fù)合材料），但可溶解橋塞和球座等工具尚未開發(fā)成功。
壓裂技術(shù)在北美已廣泛應(yīng)用，雖然在我國也已有近40年的應(yīng)用歷史，但相關(guān)工具仍依靠進口，嚴(yán)重限制了我國石油的增效開采。因此,研發(fā)具備可溶功能的壓裂工具對于保障我國油田的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)有著十分重要的意義。
金屬所專用材料與器件研究部儲氫合金及應(yīng)用課題組利用已有的鋁水反應(yīng)研究基礎(chǔ)研發(fā)出在純水中即可溶解的可溶鋁合金材料，并且可調(diào)控該合金與水反應(yīng)的起始溫度和在水中的溶解速率。
通常，人們很難觀察到鋁在水中溶解，因為鋁表面連續(xù)而致密的氧化膜阻礙了鋁水反應(yīng)。如果將鋁與一些低熔點金屬（Ga、In、Sn）合金化，則由這些低熔點金屬在鋁晶粒表面上形成的界面低熔點相將破壞鋁表面氧化膜的連續(xù)性。課題組圍繞鋁水反應(yīng)的一些基本問題開展了系列工作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)合金與水接觸時界面低熔點相中的鋁與水即發(fā)生放熱反應(yīng)，同時鋁晶粒中的鋁原子能夠向液態(tài)的界面低熔點相中不斷擴散。借助低熔點相對鋁氧化膜的破壞和對鋁原子的傳輸作用，鋁可持續(xù)與水反應(yīng)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，鋁水反應(yīng)的起始溫度與界面低熔點相的熔點密切相關(guān)，并且界面低熔點相的熔點可通過合金的成分進行調(diào)控，而反應(yīng)速率與覆蓋于鋁晶粒表面上的低熔點相面積成正比。此外，課題組還研究了Cu、Mg、Zn和Ti等其他合金元素對合金溶解性能的影響，發(fā)現(xiàn)這些金屬對鋁水反應(yīng)的起始溫度及反應(yīng)速率亦有不同程度的影響。
可溶鋁合金作為結(jié)構(gòu)件使用除了要求具備良好的溶解性能外，還須兼?zhèn)渥銐蚋叩膹姸群鸵欢ǖ乃苄浴榱藵M足可溶鋁合金的溶解性能和力學(xué)性能，合金中需同時添加低熔點金屬（Ga、In、Sn）和多種強化合金元素。但是分布于鋁合金晶界上的低熔點相通常對合金的強度和塑性不利，尤其是對塑性損害極大。另一方面，強化合金元素在強化合金的同時也改變合金的溶解性能。因為這兩類合金元素所發(fā)揮的作用相互制約，所以選擇合適的合金元素種類、含量和比例以平衡溶解性能和力學(xué)性能，對合金制備至關(guān)重要。研究人員在大量實驗基礎(chǔ)上對合金成分進行優(yōu)化，利用細化合金晶粒和提高鋁液質(zhì)量等途徑來改善合金的塑性，采用淬火和時效工藝對合金的綜合性能進行調(diào)控，最終制備出滿足實際工況需求的鋁合金材料。
所研發(fā)合金的強度達350MPa以上，維氏硬度接近150，抗壓強度滿足水力壓裂要求?？扇芎辖鸬匿X水起始反應(yīng)溫度從室溫至85℃范圍內(nèi)可調(diào)，合金的溶解速率亦可根據(jù)不同工況調(diào)整。
與該課題組研制的可溶鋁合金相比，現(xiàn)行的樹脂和鋁復(fù)合材料類可溶材料雖然在強度上相當(dāng)，但前者需用特制的腐蝕液溶解，后者與水的起始反應(yīng)溫度和在水中的溶解速率均不易調(diào)控，而該合金顯示了優(yōu)異的綜合性能。此外，該合金可采用傳統(tǒng)工藝冶煉和鑄造成型，成本低，易達高產(chǎn)能，適合大規(guī)模應(yīng)用和推廣。
課題組與有關(guān)企業(yè)合作研發(fā)了壓裂球、球座和橋塞等多個產(chǎn)品。壓裂球已在大慶和長慶等油田獲得應(yīng)用，可溶鋁合金橋塞和球座也已通過大慶的井上實驗測試。目前全球采用水力壓裂技術(shù)開采的油井粗略估計達幾十萬口，僅大慶就有近萬口，對可溶鋁合金有巨大的市場需求。
AMCC由布魯內(nèi)爾倫敦大學(xué)、捷豹路虎和肯聯(lián)鋁業(yè)管理，明年將會增加“先進金屬加工中心”（AMPC），增加制造和測試鋁合金汽車結(jié)構(gòu)組件的能力。肯聯(lián)鋁業(yè)UTC提供“全集成的快速原型能力，從鋁合金開發(fā)到全組件制造”。它擁有工業(yè)規(guī)模的鋁鑄造和拉擠設(shè)備，這將幫助其減少輕質(zhì)汽車結(jié)構(gòu)零件用先進鋁合金的開發(fā)時間。這里開發(fā)的技術(shù)將轉(zhuǎn)移到肯聯(lián)鋁業(yè)的計劃，以加速從研究到系列生產(chǎn)的周期。
圖 肯聯(lián)鋁業(yè)UTC擁有先進鑄造與拉擠設(shè)備
肯聯(lián)鋁業(yè)的汽車結(jié)構(gòu)與工業(yè)業(yè)務(wù)部總裁表示：“作為全球汽車市場中領(lǐng)先的鋁結(jié)構(gòu)組件一級供應(yīng)商，以及行業(yè)中的創(chuàng)新領(lǐng)袖，我們對肯聯(lián)鋁業(yè)UTC將向汽車制造商提供的成果感到激動?！蓖ㄟ^與布魯內(nèi)爾倫敦大學(xué)建立伙伴關(guān)系，肯聯(lián)鋁業(yè)正建立一個面向博士和博士后的助學(xué)金項目。15名公司研究人員、工程人員和技術(shù)人員組成的團隊將應(yīng)用材料科學(xué)研究中的新發(fā)展來為未來車輛項目實踐解決方案。
肯聯(lián)鋁業(yè)旨在擴展其6000系列合金業(yè)務(wù)，開發(fā)輕質(zhì)、高強鋁合金汽車結(jié)構(gòu)與碰撞管理系統(tǒng)，以提升燃油經(jīng)濟性并減少二氧化碳排放?？偛课挥诎⒛匪固氐さ目下?lián)鋁業(yè)是歐美中之間的第二大鋁合金生產(chǎn)商。它為航空航天、汽車和包裝市場供應(yīng)鑄鋁、擠制鋁以及鋁軋制品。其航空鋁合金產(chǎn)品廣泛用于波音787、空客A350、洛馬F-35以及龐巴迪C系列飛機。
圖 肯聯(lián)鋁業(yè)的AIRWARE型鋁合金在空客A350和龐巴迪C系列上應(yīng)用
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