多场耦合沉积Ni-TiN纳米镀层的钻井泥浆泵易损件再制造机理及性能研究

In order to reveal these problems such as wear, loss and corrosion on the surface of quick-wear parts in drilling mud pumps (eg. crankshaft, cylinder liner, piston, suction valve and discharge valve etc.), Ni-TiN nanocoatings were prepared by multi-field coupling depostion methods on the surface of quick-wear parts in drilling mud pumps. The remanufacturing mechanism and technics parameters of the multi-field coupling depostion was investigated.The surface morphology, microhardness, mechanical property, corrosion and wear resistance were discussed by using scanning electron microscope (SEM), atomic force microscope (AFM), X-ray diffraction (XRD), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), nanoindentor (NI), friction wear testing machine and electrochemical workstation. This research is focused on hot issues about nanometerials and surface modification of quick-wear parts in drilling mud pumps all over the world, and promoting the application of nickel based nanocoatings in petroleum machinery parts. And this research has a certain research significance and application value for prolonging the life of the part.

针对钻井泥浆泵曲轴、缸套、活塞、吸入阀和排出阀等易损件经常发生磨损、漏失、腐蚀等问题，采用磁场、超声场及电场多场耦合沉积Ni-TiN纳米镀层方法，对钻井泥浆泵易损件进行再制造研究。探讨多场耦合沉积Ni-TiN纳米镀层过程中，钻井泥浆泵易损件的再制造机理及其规律。研究钻井泥浆泵易损件的Ni-TiN纳米镀层再制造工艺。利用扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线能谱仪（XPS）、X射线衍射仪（XRD）、高分辨率透射电镜（HRTEM）、纳米压痕仪（NI）、摩擦磨损试验机、电化学工作站等仪器对Ni-TiN纳米镀层的表面形貌、显微组织、力学性能、耐腐蚀性能及耐磨损性能等进行研究。该研究定位于国内外重点关注的纳米材料和钻井泥浆泵易损件急需解决的表面改性等热点问题，期望促进镍基纳米镀层在石油机械零部件上的应用研究，对延长石油机械零部件的使用寿命具有一定的研究意义和应用价值。

通过开展以下主要内容的研究：1）完善多场耦合沉积Ni-TiN纳米镀层的钻井泥浆泵易损件的再制造机理。2）研制了一种适宜的多场耦合沉积Ni-TiN纳米镀层的钻井泥浆泵易损件再制造复合镀液体系，该镀液体系具有高效、安全、环保、无毒等特点。3）研究了不同磁场参数（强度、多向、连续、脉冲）作用下：① 磁场参数对金属镍晶粒的形核、生长及细化，对晶格取向、晶间结构的作用及其规律；② 磁场参数对纳米镀层中TiN粒子的复合量、分布、粒径大小的作用及其规律；③ 磁场参数对金属镍与TiN纳米粒子共沉积作用及其规律。4）研究了不同超声场参数（多向、多频、连续、脉冲、功率）作用下：① 超声波的空化效应对复合镀液体系中TiN纳米粒子的分散搅拌作用及其规律；② 超声波的空化效应对金属镍晶形核、生长、晶间结构和晶格取向的影响规律；③ 超声场参数对金属镍与TiN纳米粒子共沉积作用及其规律。5）研究了不同电场参数（脉宽、正向脉冲、负向脉冲、峰值电流）作用下：① 电参数对金属镍晶粒的形核、生长及细化，对改善纳米镀层与基体金属之间结合力的作用及其规律；② 电参数对镀层中TiN纳米粒子复合量、分布及粒径的影响规律；③ 电参数对金属镍与TiN纳米粒子共沉积作用及其规律。6）研究并确定了纳米镀层再制造工艺参数及其优化。7）利用扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射仪（XRD）、高分辨率透射电镜（HRTEM）、纳米压痕仪（NI）、摩擦磨损试验机、电化学工作站等仪器对Ni-TiN纳米镀层的微观组织结构、组分、力学性能、耐腐蚀性能及耐磨性能等进行了测试和分析。8）建立了多场耦合沉积Ni-TiN纳米镀层的钻井泥浆泵易损件再制造的“机理研究—再制造技术—性能检测—成本、效率评价—应用研究”体系，取得了项目计划书中预期成果。所制备的Ni-TiN纳米镀层中，镍晶粒平均粒径不超过65.5 nm，纳米TiN粒子平均粒径不超过38.6 nm，镀层表面光滑致密（表面粗糙度RMS为14.6~27.2 nm，孔隙率为0.73~1.45%），具有较好的界面结合力（其值不小于58.9 N），较高的显微硬度（至少在824.7 HV以上），优良的耐磨性（载荷20 N，转速200 rpm，时间30min，磨损量不超过52.7 mg），优异的耐蚀性（30℃、3.5 wt.% NaCl腐蚀介质，自腐蚀电位一般不少于-0.321 V，