抽油泵柱塞表面激光合成TiC/NiCrBSi熔覆层研究

摘要

随着国内油田大部分进入高含水开发期，由于高含砂、高含水、高矿化度、高温蒸汽稠油开采、注聚合物开采及强腐蚀介质等因素的影响，抽油泵腐蚀磨损日趋严重，严重影响着油田开发。本文利用激光熔覆原位合成技术在抽油泵柱塞表面成功制备出TiC/NiCrBSi熔覆层，对熔覆层的微观组织、耐磨性、耐蚀性以及TiC与金属基体的界面性能进行了系统分析，研究了影响熔覆层组织和性能的主要因素。 抽油泵柱塞表面失效的原因是多方面的。砂粒在抽油泵内的沉降，导致柱塞的划伤；高压差下含砂液体的水力切割；泵挂的加深，使柱塞与泵筒之间的摩擦力增大；非竖直的井身结构，加重柱塞和泵筒之间的局部腐蚀磨损；井下高温加剧了柱塞和泵筒腐蚀和结垢。柱塞表面的失效形式为磨粒磨损、腐蚀磨损、粘着磨损和腐蚀。其中磨粒磨损主要包括凿削磨损、冲刷磨损、碾磨磨损、划伤磨损和喷射磨损；腐蚀主要包括电偶腐蚀、均匀腐蚀和疲劳腐蚀。柱塞表面的失效以腐蚀磨粒磨损为主。 分别向Ni35或Ni60中加入Ti粉和石墨粉，利用激光熔覆原位合成了TiC颗粒增强的NiCrBSi熔覆层，熔覆层与基体形成良好的冶金结合。从熔覆层的底部到顶部，TiC颗粒的体积分数依次升高；颗粒尺寸从纳米级逐步增大至微米级。熔覆层的硬度沿熔深方向由表及里呈下降趋势。TiC/Ni60熔覆层硬度明显高于TiC/Ni35熔覆层，TiC与（Fe，Ni）固溶体的结合界面洁净，无反应物和附着物，两相间共格性和相容性优良，TiC颗粒中存在大量位错，呈一定的方向分布。 熔覆工艺是影响激光熔覆原位合成TiC/NiCrBSi熔覆层组织和性能的重要因素。研究表明，当预熔覆层厚度为1mm，扫描速度为150mm/min，激光扫描功率为3500W时，可获得表面平整，成型较好，稀释率较低，硬度较高的熔覆层。三层熔覆能有效降低母材金属对熔覆层的稀释率，增加熔覆层中TiC增强相的数量和尺寸，获得花瓣状和颗粒状的TiC，有利于获得硬度高而均匀的熔覆层。 激光合成TiC/NiCrBSi熔覆层裂纹主要是由M23C6引起的熔覆层低塑性及残余内应力导致的脆性冷裂纹。通过减少粉末中的石墨含量进而降低熔覆层的含碳量，可以改善熔覆层组织，提高塑韧性，降低残余内应力，从而降低裂纹敏感性。 对于熔覆层组织中陶瓷相偏聚的问题，通过向熔覆层中添加适量的Mo，使陶瓷相的偏聚现象明显减轻甚至消失。Mo可以改善TiC对NiCrBSi基体的界面润湿性，使TiC颗粒弥散分布于NiCrBSi固溶体中，有助于阻碍原位合成过程中TiC晶粒的聚集长大，从而细化TiC晶粒，改善熔覆层组织的均匀性，提高熔覆层硬度和耐磨性，降低摩擦系数。但添加过量的Mo，熔覆层硬度和耐磨性下降。 向熔覆层中加入适量的稀土，可以改善熔覆层的耐磨耐蚀性。镧与熔池中的微量杂质形成组分复杂的微小化合物，作为非自发形核质点，对TiC和基体金属起到增加形核核心，细化晶粒和净化熔覆层组织的作用，提高了熔覆层的硬度和耐磨性，同时LaF3提高了熔覆层的电极电位，降低了腐蚀电流，改善了熔覆层的耐蚀性能。 磨损试验表明，三层熔覆能够更好的发挥出TiC颗粒的增强作用，具有优良的耐磨损性能。TiC/Ni基熔覆层表层由于耐磨硬质点的存在，阻碍了磨痕的发展，其阻碍和钉扎行为在摩擦过程中发挥了强烈的阻磨作用，使熔覆层的磨损量大大降低。熔覆层基体的磨损机制主要是显微切削与粘着磨损。TiC/Ni基熔覆层耐磨性优于Ni60熔覆层。 TiC/Ni基熔覆层与Ni60熔覆层相比较，前者具有较高的电极电位，后者具有较小的腐蚀电流；TiC/Ni基熔覆层能够提高碳钢基体的耐蚀性，其耐均匀腐蚀性劣于Ni60熔覆层，但耐局部腐蚀性能优于Ni60熔覆层。 在腐蚀磨损试验中，TiC/Ni基熔覆层中的TiC颗粒发挥着增强和阻磨作用；腐蚀优先在晶界或相界处发生，削弱了TiC颗粒与基体的结合力，TiC颗粒在磨损作用下发生少量脱落，因此腐蚀加剧了磨损。腐蚀磨损形貌为切削犁沟和腐蚀坑。腐蚀磨损机制为腐蚀磨粒磨损。TiC/Ni基熔覆层的腐蚀磨损性能优于N160熔覆层，原因在于此工况条件下的腐蚀磨损以磨损为主，腐蚀为辅。

目录

文摘

英文文摘

声明

创新点摘要

第一章绪论

1.1引言

1.2抽油泵柱塞表面的强化现状

1.2.1等离子熔覆技术

1.2.2堆焊技术

1.2.3热喷涂技术

1.2.4钨极氩弧熔覆技术

1.2.5激光熔覆的发展现状

1.3熔覆层强化材料的研究

1.4熔覆层增强相的研究

1.4.1增强相的选择

1.4.2 TiC的晶体结构

1.4.3增强相的加入方法

1.5激光熔覆原位合成TiC／Ni基复合熔覆层的研究现状

1.6原位合成TiC的形核与长大研究

1.7表面熔覆层的磨损研究

1.7.1增强相的颗粒尺寸及含量对熔覆层磨损性能的影响

1.7.2熔覆层基体组织与合金元素对磨损性能的影响

1.7.3熔覆层的磨损机理研究

1.8柱塞表面原位合成技术存在的问题及展望

1.9课题研究的主要内容及意义

1.9.1本文研究的意义

1.9.2主要研究内容

第二章试验材料及试验方法

2.1试验材料

2.1.1母材金属

2.1.2合金粉末

2.2试验方法

2.2.1熔覆层制备方法及设备

2.2.2组织及硬度测试设备及方法

2.2.3磨损性能测试及试验方法

2.2.4腐蚀磨损性能测试及试验方法

2.2.5腐蚀性能测试及试验方法

第三章抽油泵柱塞表面失效分析

3.1抽油泵柱塞的磨损失效

3.1.1柱塞的磨粒磨损

3.1.2腐蚀磨损

3.2抽油泵柱塞的腐蚀失效

3.2.1抽油泵柱塞的电偶腐蚀

3.2.2抽油泵零件的均匀腐蚀

3.3本章小结

第四章激光熔覆原位合成TiC强化镍基合金层及熔覆工艺的影响研究

4.1镍基合金中TiC的原位合成

4.1.1 Ni35基复合熔覆层

4.1.2 Ni60基复合熔覆层

4.2激光熔覆工艺对熔覆层组织与硬度的影响

4.2.1激光熔覆工艺对熔覆层成型的影响

4.2.2激光熔覆工艺对稀释率的影响

4.2.3多层熔覆对熔覆层硬度的影响

4.3本章小结

第五章熔覆层组织和性能的影响因素

5.1熔覆层的裂纹问题

5.1.1试验材料及方法

5.1.2熔覆层中的裂纹性质分析

5.1.3熔覆层中的裂纹形成原因

5.1.4石墨与Ti的比例对熔覆层裂纹敏感性的影响

5.2钼含量对增强相偏聚的影响

5.2.1熔覆层的微观组织形貌

5.2.2熔覆层的相界面

5.2.3钼对熔覆层性能的影响

5.3稀土LaF3的影响

5.3.1稀土LaF3对原位合成TiC的影响

5.3.2稀土LaF3含量对熔覆层性能的影响

5.4本章小结

第六章 原位合成TiC-Ni基熔覆层的腐蚀磨损性能与机制研究

6.1熔覆层的摩擦磨损性能

6.1.1熔覆层数对TiC／Ni基熔覆层耐磨性能的影响

6.1.2 TiC对熔覆层磨损性能的影响

6.2熔覆层的腐蚀性能

6.2.1试验工艺过程

6.2.2试验结果与分析

6.3熔覆层的腐蚀磨损性能

6.3.1材料及方法

6.3.2腐蚀磨损试样的摩擦系数

6.3.3熔覆层的腐蚀磨损失重

6.3.4熔覆层的腐蚀磨损形貌

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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