The microstructure, mechanical behaviour, and dissolvability of novel Al-Cu-Zn-Mg-based alloys

ABSTRACT

The use of dissolvable alloys (DAs) in hydraulic fracturing is increasing, particularly in low-permeability reservoirs. However, existing DAs based on Al or Mg alloys have limited mechanical properties despite their desirable dissolvability. This studyaims to explore new Al-based DAs with good dissolvability and mechanical strength. Four Al-Zn-Cu-Mg based alloys with various additional elements (Ag, Ga, In, Sn, Zr, Ti, V, and Cr) were prepared using the melting and casting technique. The microstructures of DAs were analysed using X-ray diffraction and scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy. Immersion corrosion tests were conducted to evaluate the dissolvability of DAs at 90°C in KCl solutions. Hardness and tensile testing were performed to assess the mechanical properties of the alloys. The resulting phases in the as-cast microstructure included η-MgZn₂, Mg₂Sn, θ-Al₂Cu, Al₃Zr, and Al₄₅Cr₇, as predicted using the Calphad method. There was a trade-off observed between dissolvability and mechanical properties, with the alloys containing low melting point intermetallic phases exhibiting greater dissolvability but reduced mechanical strength. DA18 withthe highest Ga, In, and Sn (GIS) content, showed intense corrosion but had the lowest mechanical properties. The presence of In-containing phases was identified as the primary cause of Al degradation, while coarse phases reduced the alloy's strength. Overall, all DAs were reported to be brittle with limited elongation.

L’application d’alliages solubles (DA) dans la fracturation hydraulique a gagné en popularité, en particulier dans les réservoirs à faible perméabilité. Cependant, les DA existants basés sur les alliages d’Al (AA) ou de Mg ont des propriétés mécaniques limitées en dépit de leur dissolvabilité souhaitable. Ce travail vise à explorer une série de nouveaux DA à base d’Al avec un potentiel de bonne dissolvabilité et de résistance mécanique. Dans cette étude, on a préparé quatre alliages à base d’Al-Zn-Cu-Mg avec des ajouts d’Ag, Ga, In, Sn, Zr, Ti, V et Cr en utilisant la technique de fusion et de coulage. On a analysé les microstructures des DA en utilisant la diffraction des rayons X (XRD) et la microscopie électronique à balayage avec spectroscopie à dispersion d’énergie (MEB/EDS). On a effectué des essais de corrosion par immersion pour évaluer la dissolvabilité des DA à 90°C dans des solutions de 4.5% en poids de KCl (0.6M). Pour les propriétés mécaniques, on a effectué des essais de dureté et de traction sur les alliages bruts de coulée. Les phases résultantes étaient telles que prédites par la méthode Calphad et étaient distribuées dans la microstructure brute de coulée, à savoir MgZn₂-η, Mg₂Sn, Al₂Cu-θ, Al₃Zr et Al₄₅Cr₇. Les résultats suggéraient également qu’il existait un compromis entre la dissolvabilité et les propriétés mécaniques. La présence de phases intermétalliques à bas point de fusion était essentielle pour la dissolvabilité des alliages. DA18 (avec la teneur la plus élevée en Ga, In et Sn (GIS) de 3% en poids) s’est corrodé intensément (177.76 mg/cm² h) par rapport aux alliages à moindre teneur en GIS, mais ses propriétés mécaniques étaient les plus faibles (46.27 MPa pour la résistance à la traction (UTS) et 113 HV pour la microdureté). On a signalé tous les DA comme étant fragiles avec allongement limité (l’allongement maximal était de 0.053% pour DA27). On a conclu que les phases contenant de l’In sont la principale source de dégradation de l’Al. Outre la fragilisation liquide causée par les phases GIS, la présence de phases grossières tendait à réduire la résistance de l’alliage.

KEYWORDS:

• Downhole tools
• dissolvable alloys (DAs)
• Al Alloy (AAs)
• microstructure
• mechanical properties
• corrosion

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Additional information

Funding

The authors would like to acknowledge the financial support of the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC ), and the Hadhramout Foundation for Mr. Ezz Ahmed’s MSc study.