抽油泵柱塞表面激光合成TiC/NiCrBSi熔覆层研究

论文摘要

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Ni60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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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
• 作者简介