抽油泵柱塞表面激光合成TiC-NiCrBSi熔覆層研究.pdf

1、隨著國(guó)內(nèi)油田大部分進(jìn)入高含水開發(fā)期，由于高含砂、高含水、高礦化度、高溫蒸汽稠油開采、注聚合物開采及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等因素的影響，抽油泵腐蝕磨損日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響著油田開發(fā)。本文利用激光熔覆原位合成技術(shù)在抽油泵柱塞表面成功制備出TiC/NiCrBSi熔覆層，對(duì)熔覆層的微觀組織、耐磨性、耐蝕性以及TiC與金屬基體的界面性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了影響熔覆層組織和性能的主要因素。 抽油泵柱塞表面失效的原因是多方面的。砂粒在抽油泵內(nèi)的沉降，導(dǎo)致

2、柱塞的劃傷；高壓差下含砂液體的水力切割；泵掛的加深，使柱塞與泵筒之間的摩擦力增大；非豎直的井身結(jié)構(gòu)，加重柱塞和泵筒之間的局部腐蝕磨損；井下高溫加劇了柱塞和泵筒腐蝕和結(jié)垢。柱塞表面的失效形式為磨粒磨損、腐蝕磨損、粘著磨損和腐蝕。其中磨粒磨損主要包括鑿削磨損、沖刷磨損、碾磨磨損、劃傷磨損和噴射磨損；腐蝕主要包括電偶腐蝕、均勻腐蝕和疲勞腐蝕。柱塞表面的失效以腐蝕磨粒磨損為主。 分別向Ni35或Ni60中加入Ti粉和石墨粉，利用激光熔覆

3、原位合成了TiC顆粒增強(qiáng)的NiCrBSi熔覆層，熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合。從熔覆層的底部到頂部，TiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)依次升高；顆粒尺寸從納米級(jí)逐步增大至微米級(jí)。熔覆層的硬度沿熔深方向由表及里呈下降趨勢(shì)。TiC/Ni60熔覆層硬度明顯高于TiC/Ni35熔覆層，TiC與（Fe，Ni）固溶體的結(jié)合界面潔凈，無反應(yīng)物和附著物，兩相間共格性和相容性優(yōu)良，TiC顆粒中存在大量位錯(cuò)，呈一定的方向分布。 熔覆工藝是影響激光熔覆原位合成T

4、iC/NiCrBSi熔覆層組織和性能的重要因素。研究表明，當(dāng)預(yù)熔覆層厚度為1mm，掃描速度為150mm/min，激光掃描功率為3500W時(shí)，可獲得表面平整，成型較好，稀釋率較低，硬度較高的熔覆層。三層熔覆能有效降低母材金屬對(duì)熔覆層的稀釋率，增加熔覆層中TiC增強(qiáng)相的數(shù)量和尺寸，獲得花瓣?duì)詈皖w粒狀的TiC，有利于獲得硬度高而均勻的熔覆層。 激光合成TiC/NiCrBSi熔覆層裂紋主要是由M23C6引起的熔覆層低塑性及殘余內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致

5、的脆性冷裂紋。通過減少粉末中的石墨含量進(jìn)而降低熔覆層的含碳量，可以改善熔覆層組織，提高塑韌性，降低殘余內(nèi)應(yīng)力，從而降低裂紋敏感性。 對(duì)于熔覆層組織中陶瓷相偏聚的問題，通過向熔覆層中添加適量的Mo，使陶瓷相的偏聚現(xiàn)象明顯減輕甚至消失。Mo可以改善TiC對(duì)NiCrBSi基體的界面潤(rùn)濕性，使TiC顆粒彌散分布于NiCrBSi固溶體中，有助于阻礙原位合成過程中TiC晶粒的聚集長(zhǎng)大，從而細(xì)化TiC晶粒，改善熔覆層組織的均勻性，提高熔覆層硬

6、度和耐磨性，降低摩擦系數(shù)。但添加過量的Mo，熔覆層硬度和耐磨性下降。 向熔覆層中加入適量的稀土，可以改善熔覆層的耐磨耐蝕性。鑭與熔池中的微量雜質(zhì)形成組分復(fù)雜的微小化合物，作為非自發(fā)形核質(zhì)點(diǎn)，對(duì)TiC和基體金屬起到增加形核核心，細(xì)化晶粒和凈化熔覆層組織的作用，提高了熔覆層的硬度和耐磨性，同時(shí)LaF3提高了熔覆層的電極電位，降低了腐蝕電流，改善了熔覆層的耐蝕性能。 磨損試驗(yàn)表明，三層熔覆能夠更好的發(fā)揮出TiC顆粒的增強(qiáng)作用，

7、具有優(yōu)良的耐磨損性能。TiC/Ni基熔覆層表層由于耐磨硬質(zhì)點(diǎn)的存在，阻礙了磨痕的發(fā)展，其阻礙和釘扎行為在摩擦過程中發(fā)揮了強(qiáng)烈的阻磨作用，使熔覆層的磨損量大大降低。熔覆層基體的磨損機(jī)制主要是顯微切削與粘著磨損。TiC/Ni基熔覆層耐磨性優(yōu)于Ni60熔覆層。 TiC/Ni基熔覆層與Ni60熔覆層相比較，前者具有較高的電極電位，后者具有較小的腐蝕電流；TiC/Ni基熔覆層能夠提高碳鋼基體的耐蝕性，其耐均勻腐蝕性劣于Ni60熔覆層，但