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抽油泵柱塞表面激光合成TiC/NiCrBSi熔覆层研究

赫庆坤  
【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。


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