（化工过程机械专业论文）抽油泵柱塞表面激光合成ticnicrbsi熔覆层研究.pdf

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t i c n i c r b s i 熔覆层，对熔覆层的微观组织、耐磨性、耐蚀性以及 t i c 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n i 3 5 或n i 6 0 中加入t i 粉和石墨粉，利用激光熔覆原位合成了t i c 颗 粒增强的n i c r b s i 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，t i c 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。t i c n i 6 0 熔覆层硬度明显高于 t i c n i 3 5 熔覆层，t i c 与( f e ，n i ) 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，t i c 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t i c n i c r b s i 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l m m ，扫描速度为15 0 m m m i n ，激光扫描功率 为3 5 0 0 w 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t i c 增强相的数量 和尺寸，获得花瓣状和颗粒状的t i c ，有利于获得硬度高而均匀的熔覆层。 激光合成t i c n i c r b s i 熔覆层裂纹主要是由m 2 3 c 6 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。 i 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m o ，使陶 瓷相的偏聚现象明显减轻甚至消失。m o 可以改善t i c 对n i c r b s i 基体的界面润湿 性，使t i c 颗粒弥散分布于n i c r b s i 固溶体中，有助于阻碍原位合成过程中t i c 晶粒的聚集长大，从而细化t i c 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m o ，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t i c 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l a f 3 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t i c 颗粒的增强作用，具有优良 的耐磨损性能。t i c n i 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。t i c n i 基熔覆层耐磨 性优于n i 6 0 熔覆层。 t i c n i 基熔覆层与n i 6 0 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；t i c n i 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n i 6 0 熔覆层，但耐局部腐蚀性能优于n i 6 0 熔覆层。 在腐蚀磨损试验中，t i c n i 基熔覆层中的t i c 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t i c 颗粒与基体的结合力，t i c 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。t i c n i 基熔覆层的腐蚀磨损性能优于n i 6 0 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。 关键词：柱塞失效；激光熔覆：原位合成；t i c ；腐蚀磨损 s t u d yo nt i c n i c r b s ic l a d d i n gl a y e r sb yl a s e rc l a d d i n gi n 。s i t u f a b r i c a t e do nt h es u r f a c eo fo i lw e l lp u m pp l u n g e r h eq i n g k u n ( c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce e n i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy o n g a b s t r a c t w i t hm o s to ft h ed o m e s t i co i lf i e l de n t e r i n gt h eh i 曲w a t e r yd e v e l o p m e n tp e r i o d ， c o r r o s i v ew e a ro fo i lw e l lp u m pi si n c r e a s i n g l ys e r i o u sd u et ot h ee f f e c to fh i g hc o n t e n t o fs a n d ，w a t e ra n ds a l i n i t y ，h i 曲t e m p e r a t u r es t e a mh e a v yo i lm i n i n g ，p o l y m e r 蜥e c t i o n a n ds 仃o n gc o r r o s i o nm e d i u m ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h ee x p l o i t a t i o no fo i lf i e l d s i n t h i sr e s e a r c h ，t h en i - b a s e dc l a d d i n gl a y e rr e i n f o r c e db yi n s i t uf a b r i c a t e dt i cb yl a s e r c l a d d i n go nt h es u r f a c eo fo i lw e l lp u m pp l u n g e r t h e m i c r o s t r u c t u r e 、w e a ra n d c o r r o s i o np r o p e r t i e so ft h ec l a d d i n gl a y e rw e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l ya sw e l la st h e i n t e r f a c i a lp r o p e r t i e sb e t w e e nt i ca n dm e t a ls u b s t r a t ea n dt h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n g m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s t h er e a s o n so ff a i l u r eo nt h es u r f a c eo fo i lp u m pp l u n g e ra r ev a r i o u s s a n d d e p o s i t i o ni nt h ep u m pw i l ll e a dt ot h es c r a t c ho ft h es u r f a c eo fp l u n g e r ；t h el i q u i dw i t h s a n du n d e rh i g hp r e s s u r ed i f f e r e n c ew i l lc a u s et h ei n c i s i n g ；t h ei n c r e a s e dp u m ps e t t i n g d e p t hw i l lr e s u l ti nt h ei n c r e a s eo ff r i c t i o nf o r c eb e t w e e nt h ep u m pb a r r e la n dt h e p l u n g e r ；t h el o c a lc o r r o s i o na n dw e a rb e t w e e nt h ep u m pb a r r e la n d t h ep l u n g e ri sm o r e s e r i o u sd u et ot h en o n v e r t i c a ls t r u c t u r eo ft h ew e l l ；h i g ht e m p e r a t u r eu n d e r g r o u n d a g g r a v a t e st h ec o r r o s i o na n ds c a l i n go ft h ep u m pb a r r e la n dt h ep l u n g e r t h ef a i l u r e m e c h a n i s mo ft h ep l u n g e rs u r f a c ei sa b r a s i v ew e a r ，c o r r o s i o nw e a r ，s t i c k i n ga n d c o r r o s i o n a b r a s i v ew e a rm a i n l yi n c l u d e sg o u g i n ga b r a s i v ew e a r ，e r o s i o nw e a r ，g r i n d i n g w e a ra n dt e a r ，s c r a t c h e sw e a ra n dj e t c o r r o s i o n ，u n i f o r mc o r r o s i o na n df a t i g u e s u r f a c ei sc o r r o s i o na n da b r a s i v ew e a l w e a r c o r r o s i o nm a i n l yi n c l u d e sg a l v a n i c c o r r o s i o n t h em a i nf a i l u r eo ft h ep l u n g e r t h r o u g ha d d i n gt ia n dg r a p h i t ep o w d e rt on i 3 5o rn i 6 0 ，t h en i b a s e dc l a d d i n g l a y e rr e i n f o r c e db yi n s i t ut i cw a sp r e p a r e db yl a s e rc l a d d i n g t h ec l a d d i n gl a y e r sh a v e a l le x c e l l e n tm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gw i t ht h es u b s t r a t e t h ev o l u m ef r a c t i o no ft i c p a r t i c l e si n c r e a s e ss u c c e s s i v e l yf r o mt h eb o t t o mt o 也et o po f t h ec l a d d i n gl a y e r s ，a n d t h ep a r t i c l es i z ec h a n g e sg r a d u a l l yf r o mt h en a n o m e t e rt om i c r o nl e v e l t h eh a r d n e s so f t l l ec l a d d i n gl a y e rd e c r e a s e sf r o ms u r f a c et os u b s t r a t eo f t h ec l a d d i n gl a y e r s ，a n dt h e h a r d n e s so ft h et i c n i 6 0 b a s e dc l a d d i n gl a y e r i sm u c hh i g h e r t h a nt h a to f t i c n i 35 t h eb o n d i n gi n t e r f a c eb e t w e e nt i cp h a s ea n dt h es o l i ds o l u t i o n ( f e ，n i ) i s c l e a nw i t l l o u tr e a c 锄t sa i l da t t a c h m e n t s ，a n dt h ec o h e r e n c ya n dc o m p a t i b i l i t yo f t h e s e t w op h 2 u s e si se x c e l l e n t t h e r ei sag r e a td e a lo fd i s l o c a t i o ni nt i cp a r t i c l e s ，w h i c h d i s t r i b u t e si ns o m ed i r e c t i o n t h el a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g y i sa l s ot h ei m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n gt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h en i b a s e dt i cc o m p o s i t ec l a d d i n gl a y e r t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec l a d d i n gl a y e rw i t hg o o da p p e a r a n c e ，l o w d i l u t i o nr a t ea n dh i g hh a r d n e s s c o u l db eo b t a i n e dw h e nt h et h i c k n e s so f t h ep r e c o a t e dp o w d e rl slm m ，s c a n n i n gs p e e d i s15 0 m r n m i na n dc l a d d i n gp o w e ri s3 5 0 0 w t h el a s e rc l a d d i n gw i t ht h r e el a y e r sc a l l e f f e c t i v e l yr e d u c et h ed i l u t i o nr a t eo fb a s em e t a lt o t h ec l a d d i n gl a y e r s ，i n c r e a s et h e q u a n t i t ya n ds i z eo f t h et i cr e i n f o r c e m e n ti nc l a d d i n gl a y e r ，a n dg e tp e t a l - s h a p e da n d g r a n u l a rt i cp a r t i c l e s ，w h i c ha r eb e n e f i c i a lt og e t t h eu n i f o r mc l a d d i n gl a y e rw i t hh i g h h a r d n e s s c r a c k si nt i c n i c r b s ic l a d d i n gl a y e r sa r em a i n l yc o l db r i t t l ec r a c k sr e s u l t e df r o m 1 0 wd u c t i l i t yo ft h ec l a d d i n gl a y e rd u et ot h ee x i s t e n c eo fm 2 3 c 6p h a s ea n dr e s i d u a l i n t e m a ls t r e s s t h r o u g hd e c r e a s i n gt h ec a r b o nc o n t e n to f t h ec l a d d i n gl a y e r sb ym e a n so f r e d u c i n gt h eg r a p h i t ec o n t e n to f t h ep o w d e r ，t h em i c r o s t r u c t u r e so ft h ec l a d d i n gl a y e r s c a i lb ei m p r o v e d ，p l a s t i c i t ya n dt o u g h n e s sc a nb ee n h a n c e d ， a n dr e s i d u a ls t r e s s c a nb e d e c r e a s e d ，t h e r e f o r e ，t h ec r a c k i n gs u s c e p t i b i l i t yc a nb er e d u c e d a sf o rt h ec e r a m i cp h a s es e g r e g a t i o ni nt h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ec l a d d i n gl a y e r ， t h i sp h e n o m e n o nc a l lb eo b v i o u s l yl i g h t e n e da n de v e nd i s a p p e a rb ya d d i n gm o t ot h e c l a d d i n gl a y e r m oc a ni m p r o v et h e i n t e r f a c i a lw e t t a b i l i t yo ft i cp h a s et o n i b a s e p h a s e ，w h j c hm a k e st i cp a r t i c l e sd i s p e r s e d l yd i s t r i b u t ei nt h e n i _ b a s e ds o l i ds o l u t i o n p h a s e t 1 1 i sc o n t r i b u t e st oi m p e d i n gt h ea c c u m u l a t i o na n dg r o w t ho ft i cd u r i n gt h e p r o c e s so f i n s i t uf a b r i c a t i o n ，i m p r o v i n gu n i f o r m i t y ，r i g i d i t y ，w e a rr e s i s t a n c e ，r e f i n i n g t i cg r a i n s r e d u c i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n t h o w e v e r ，t h eh a r d n e s sa n dw e a r r e s l s t a n c eo t c l a d d i n gl a y e rd e c r e a s ew i t ht h e a d d i t i o no fe x c e s s i v em o t h ec o r r o s i o na n dw e a rr e s i s t a n c eo fc l a d d i n gl a y e rc a nb ei m p r o v e dt h r o u g h a d d i n ga p p r o p r i a t ec o n t e n tr a r ee a r t h t ot h ec l a d d i n gl a y e r l aa n dt r a c eo fi m p u r i t i e sm t h em o l t e np o o lf o r mt h et i n yc o m p o u n d sw i t hc o m p l i c a t e dc o m p o n e n t s ，w h i c h c a nb e c o n s i d e r e da sn o n s p o n t a n e o u s n u c l e a t i o n p a r t i c l e s t h e s ep a r t i c l e s c o n t r i b u t et o i n c r e a s i n gn u c l e a t i o nc o r e s ，r e f i n i n gg r a i n sa n dc l e a n i n gt h es t r u c t u r eo f t h ec l a d d i n g i v l a y e r s ，a n di n c r e a s et h eh a r d n e s sa n dw e a l r e s i s t a n c ec a l lb ei m p r o v e d 。m e a n w h i l e e l e c t r o d ep o t e n t i a lc a nb ei m p r o v e dw h i l ec o r r o s i o nc u r r e n tc a r lb er e d u c e db yl a f 3 ， t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f c l a d d i n gl a y e rc a n b ei m p r o v e d w e a rt e s ti n d i c a t e st h a tt h r e e - l a y e rc l a d d i n g sm a k er e i n f o r c e m e n tp e r f o r m a n c eo f t i cp a r t i c l e sm o r ee f f e c t i v ea n dh a v ee x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t y w e a r - r e s i s t a n t h a r dp a n i c l e so nt h es u r f a c eo f t i c n i c r b s ic l a d d i n gl a y e r sh i n d e rt h ee x t e n s i o no ft h e w e a rs c a r ，a n dt h eh i n d e r i n ga n dp i n n i n ga c t i o np r e v e n tt h ew e a rs e r i o u s l y ，s ot h a tt h e w e a rl o s so ft i c n i c r b s i c l a d d i n gl a y e r sd e c r e a s e sr e m a r k a b l y t h e m a i nw e a r m e c h a n i s mo fc l a d d i n gl a y e r sm a t r i xi sm i c r o d i s s e c t i o na n da d h e s i v ew e a r w e a r r e s i s t a n c eo ft i c n i c r b s ic l a d d i n gl a y e r si sb e t t e rt h a nt h a to fn i 6 0c l a d d i n gl a y e r s w i t ht h er e a s o no ft h ef o r m e r sl o w e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n t c o m p a r e dw i t hn i 6 0c l a d d i n gl a y e r s ，t i c n i c r b s ic l a d d i n gl a y e r sh a v eh i g h e r e l e c t r o d ep o t e n t i a l ，b u th i g h e rc o r r o s i o nc u r r e n t t i c n i c r b s ic l a d d i n gl a y e r sc a n i m p r o v et h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec a r b o ns t e e lm a t r i x ，a n dh a v el o w e ru n i f o r m c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dh i g h e rl o c a lc o r r o s i o nr e s i s t a n c et h a nn i 6 0c l a d d i n gl a y e r s d u r i n gt h ee x p e r i m e n to fc o r r o s i o nw e a r ，t i cp a r t i c l e si nt i c n i c r b s ic l a d d i n g l a y e r sp l a y t h er o l e so fe n h a n c e m e n ta n df r i c t i o n a lr e s i s t a n c e c o r r o s i o nh a p p e n s p r e f e r e n t i a l l yo ng r a i no rp h a s eb o u n d a r i e s ，a n dw e a k e n st h ea d h e s i v ef o r c eb e t w e e n t i cp a r t i c l e sa n dt h em a t r i x a sar e s u l t ，c o r r o s i o na g g r a v a t e st h ew e a ra n dt i cp a r t i c l e s f a l lo f fm o r ee a s i l yd u et ot h ew e a r i n ga c t i o n c o r r o s i o nw e a rm o r p h o l o g yi sc u t t i n g p l o u g hd i t c ha n de t c hp i t s t h em e c h a n i s mo fc o r r o s i o nw e a ri s c o r r o s i o na b r a s i v e p a r t i c l ew e a n l t i sb e c a u s ew e a rp r e d o m i n a t e so v e rc o r r o s i o nu n d e rt h i sw o r k i n g c o n d i t i o nt h a tc o r r o s i o nw e a rp r o p e r t yo ft i c n i c r b s ic l a d d i n gl a y e r si sb e t t e rt h a n t h a to fn i 6 0c l a d d i n gl a y e r s k e yw o r d s ：f a i l u r eo nt h es u r f a c eo fp l u n g e r ；l a s e rc l a d d i n g ；i n - s i t uf a b r i c a t e d ；t i c ； c o r r o s i v ew e a r v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：董耋：盔塑 日期：多一7 年年月o 日 关于论文使用授权的说明 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：力两罗年 日期：z ，7 年 历月0i t 侈月2d 日 创新点摘要 1 激光合成t i c n i c r b s i 熔覆层裂纹主要是由m 2 3 c 6 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。 2 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m o ，使 陶瓷相的偏聚现象明显减轻甚至消失。m o 可以改善t i c 对n i c r b s i 基体的界面润 湿性，使t i c 颗粒弥散分布于n i c r b s i 固溶体中，有助于阻碍原位合成过程中t i c 晶粒的聚集长大，从而细化t i c 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m o ，熔覆层硬度和耐磨性下降。 3 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t i c 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l a f 3 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。 4 在腐蚀磨损试验中，t i c n i 基熔覆层中的t i c 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t i c 颗粒与基体的结合力，t i c 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。t i c n i 基熔覆层的腐蚀磨损性能优于n i 6 0 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。 关键词：裂纹；偏聚；t i c ；l a f 3 ；腐蚀磨损 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，许多石油石化行业中使用的金属结构存在极为严重的磨损和腐蚀问题。 如柱塞泵，抽油杆，抽油泵，接箍等。其中柱塞泵广泛应用于油田钻井、采油以 及油品输送中，目前，我国基本都采用金属柱塞，随着国内大部分油田进入高含 水开采期，柱塞泵的腐蚀磨损日趋严重，使用寿命仅4 0 天左右，导致平均检泵周 期越来越短，而且每次更换柱塞时油井都要停工1 2 天，施工费用和间接成本高 达1 0 万元以上，以全国7 5 万口在产油井每年更换9 次计算，仅此一项每年综合 成本达6 7 0 多亿元。因此，提高抽油泵柱塞表面的耐磨、耐蚀性，延长抽油泵的 使用寿命，具有重要的经济价值。 利用表面工程的工艺方法，在磨损部件表面熔覆具有特殊性能的金属基复合 功能层是该领域修复部件、延长零件使用寿命的重要途径之一卜2 1 。这些熔覆层与 低强度母材金属冶金结合，其厚度一般仅为零部件结构尺寸的几百分之- n 几十 分之一，其力学性能较母材有很大提高，具有耐高温、防腐蚀、耐磨损等优异性 能【3 】。同时，表面熔覆还可以充分利用现有资源，使报废或濒临报废的设备零部件 修复后再循环利用，从而极大地缓解能源、资源日趋紧张的矛盾，满足环境保护 要求，符合可持续发展和循环经济发展的方向，在表面工程领域中占有举足轻重 的地位。 1 2 抽油泵柱塞表面的强化现状 抽油泵柱塞的材质一般为4 5 # 钢，依据s y t 5 0 5 9 9 抽油泵规范对喷涂柱塞 表面硬度达到h r c 5 3 的要求，柱塞喷涂宜采用镍基粉末，一般选用n i 5 5 或n i 6 0 粉末。目前，抽油泵柱塞表面的强化技术主要有：等离子熔覆、堆焊、热喷涂技 术、钨极氩弧熔覆、激光熔覆等。这些表面熔覆技术的优点是，与基体结合良好； 熔覆层厚度适中。因此，被广泛应用于工业生产中。 第一章绪论 1 2 1 等离子熔覆技术 等离子堆焊或熔覆技术是以联合型或转移型等离子弧为热源，熔化焊丝或者 合金粉末作为填充金属来制备熔覆层。与其他方法相比，等离子弧弧柱稳定，温 度高，热量集中，熔覆效率高，可通过参数调节获得熔深较浅的熔覆层，符合表 面工程技术的基本要求，其缺点是设备成本高，噪音大，紫外线强，产生臭氧污 染，不符合可持续发展的先进加工技术要求。 国内外对等离子熔覆方法制备耐磨熔覆层的研究较多，吴玉萍用等离子弧扫 描含t i c 颗粒的铁基粉末，形成了与基体结合良好并含有陶瓷相的熔覆层。分析 测试表明，有部分t i c 颗粒溶解与基体发生界面反应生成了f e t i 金属间化合物； 部分钛扩散至基体内再次与碳合成析出了纳米级的t i c 颗粒【4 1 。王惜宝等运用传热 学理论对等离子弧粉末堆焊过程中粉末颗粒与转移型等离子弧之间的传热过程进 行了分析计算，发现等离子弧粉末堆焊时，粉末颗粒受等离子弧加热的速度主要 取决于等离子弧的温度、热传导势及粉末颗粒的密度、尺寸和热物理性能等，粉 末颗粒被加热到熔化温度所需要的时间都在毫秒级水平【5 1 。 1 2 2 堆焊技术 堆焊技术就是采用焊接方法如手工电弧焊、宽带极堆焊等在金属表面熔覆一 层具有特殊性能的堆焊层。堆焊强化的主要机理就是堆焊层的合金化，通过具有 特殊组分的焊接材料如焊芯、药皮、宽带极等在电弧熔化过程中过渡到堆焊熔覆 金属中，使堆焊层的性能得到明显改善。堆焊技术的工艺简单，采用普通电弧焊 设备，使用灵活，适应多种现场操作的场合，在零件修复、轧辊焊补、耐磨部件 堆焊强化等方面得到广泛应用【争7 1 。 目前国内外关于堆焊技术的研究较多，如杨尚磊等研制了一种施焊前不需预 热、焊后不开裂且具有高硬度、高耐磨性的堆焊焊条，由于其经济性在耐磨粒磨 损和冲击条件下具有良好的应用前景 8 1 。t a k a y u k i 等利用t i a 1 双带极堆焊制备含 金属化合物的合金熔覆层，并对其电弧、熔滴过渡和熔覆层组织性能进行了研列9 】。 a r v i n da g a r w a l 等利用脉冲电弧焊方法在a s t m 钢表面堆焊了一层含t i b 2 的超硬 熔覆层，具有高硬度、韧性好、无裂纹、抗腐蚀的优异力学性能，并对t i b 2 与熔 覆层基体的结合界面对熔覆层组织性能的关系进行了研究【1 0 】。堆焊层与母材金属 2 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 达到良好的冶金结合，结合强度高。 由于堆焊技术采用焊接材料过渡合金元素，过渡系数低，熔覆层中的合金元 素含量少，不能形成较高分数的增强相，增强效果不突出，这个工艺特点使堆焊 技术适合在零部件快速修复中使用，从而限制了其在制造领域的应用。 1 2 3 热喷涂技术 热喷涂技术是将加热到熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射到 材料表面，形成表面熔覆层4 1 。目前常用的喷涂方法有气体火焰喷涂喷焊技术、 电弧喷涂等。利用热喷涂技术进行表面改性及修复等，能获得耐磨、抗氧化、耐 腐蚀等特殊力学性能的熔覆层，延长了零部件的使用寿命，既可应用于快速修复， 又可用于产品制造，改善了产品的外观形貌和内在质量。 国内外对热喷涂技术的研究开展较早，已经有了比较完善的理论研究和工业 应用实践。如h a r s h a 等利用氧乙炔火焰喷涂方法在低碳钢表面喷涂 c o c r - w - n i - c ( e w a c l 0 0 6 ) 合金，获得了w c 增强的合金熔覆层，对熔覆层的微观 组织、显微硬度及耐磨性的研究发现，w c 的加入使熔覆层具有了较高的显微硬度 和良好的耐磨性能，耐磨性能比母材提高了4 9 倍，磨损面出现了较多的显微犁 沟和剥落凹坑【1 5 】；m p p l a n c h e 等分别采用不同的等离子、氧乙炔火焰、h v o f 热 喷涂方法获得熔覆层，并对n i c r - b s i 颗粒特征与熔覆层组织性能间的关系进行 了对比研究，分别给出了各种喷涂方法的最佳参数配置【1 6 】。 由于热喷涂工艺条件和设备的限制，利用热喷涂获得的表面熔覆层致密性差， 与基体金属的结合强度低，难以适应较恶劣的工作环境。近年来出现了自蔓延高 温合成( 简称s h s ) 也称燃烧合成，其原理同热喷涂技术相结合，利用传统技术加热， 同时利用s h s 反应和自发热，形成的熔滴经雾化喷射到基材表面而形成熔覆层， 发展成为反应热喷涂新技术【17 1 。如h u i y u a nl i u 等利用反应火焰喷涂方法喷涂 t i f e c 合金粉末，在母材表面得到了t i c 增强的铁基熔覆层，具有较高的表面硬 度，达到了h r c 6 5 左右，与n i 6 0 熔覆层相比，磨损性能有较大提蒯1 8 】。 1 2 4 钨极氩弧熔覆技术 钨极氩弧焊是气体保护焊的一种，通常又叫“t i g ”焊。它的电极是难熔金属钨 或钨的合金棒。在电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维持恒定的电弧长度， 3 第一章绪论 焊接过程稳定。焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处于氩气保护中，隔离了空 气对熔化金属的有害作用，减少了熔池中合金元素的烧损和氧化损失。但是，由 于钨极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低，这 一工艺特点也适用于表面改性处理，制备耐磨耐腐蚀或者耐高温的功能材料熔覆 # j 力譬。 国外研究中多用于在钛合金或不锈钢表面制备增强、耐腐蚀熔覆层【1 9 。2 2 1 。如 s o n e rb u y t o z 等在a i s l 4 3 4 0 不锈钢表面利用钨极氩弧熔覆技术获得了w c 增强的 熔覆层，对熔覆层的硬度及干摩擦磨损行为的研究表明，熔覆层的微观组织与熔 覆参数有关，硬度在9 5 0 h v o 2 1 2 0 0 h v o 2 之间，磨损失重最小【2 0 1 。s m r i d h a 等 在钛合金表面用氩弧熔覆方法制备了t i - a l 金属间化合物t i 3 a 1 、t i a l 增强的表面 熔覆层，并对其微观组织、力学性能及磨损性能进行了研究，熔覆层与基体金属 为冶金结合，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷，熔覆层硬度超过了5 0 0 h v o 2 t 2 。f t c h e n g 等为增强抗腐蚀性能在a i s l 3 1 6 不锈钢表面用t i g 焊方法熔覆了n i t i 合金熔覆层。 熔覆层显微硬度约7 5 0 h v o | 2 ，其腐蚀率比母材低9 倍，比激光熔覆n i c r - s i b 熔 覆层还要低【2 2 1 。 国内关于钨极氩弧熔覆的研究多局限在铸铁表面重熔强化和低碳钢表面熔覆 自熔性合金粉末方面2 3 。2 8 1 ，也有的研究用钨极氩弧重熔焊接件的缺陷区域以获得 熔修效果。 1 2 5 激光熔覆的发展现状 有关激光熔覆技术的研究开始于二十世纪七十年代。激光熔覆技术是利用激 光作为热源