上游泵送机械密封纳米增材制造方法及应用基础研究

Upstream pumping mechanical seal has been widely used in modern industry. However, it is not suitable for the common used subtractive manufacturing technology to machine the upstream pumping mechanical seal, and the major disadvantage is that it is difficult for the common used subtractive manufacturing technology to satisfy the precision machining requirement of the key part, such as the fluid dynamic seal groove, on the upstream pumping mechanical seal. A new method which combines the composite electroplating and the gradient composite brush electroplating for additive manufacturing the upstream pumping mechanical seal is presented, and the scientific problem such as additive manufacturing mechanism will be investigated in this research. The synergy between the nano ceramic particle and the metal ion will be investigated, and the codeposition kinetic equation will be established. The microstructure of the growth layer surface on the sealing ring will be examined, and the material growth during the additive manufacturing will be revealed. The bonding mechanism between the growth layer and the matrix will be discussed and revealed. The effect of the components and preparation of the plating solution on the stability of the plating solution will be studied, and the special plating solutions suitable for the additive manufacturing will be developed. The method rule of the additive manufacturing will be discussed and modeled. The efficient and precise method of the additive manufacturing of upstream pumping mechanical seal will be developed, and the basic theory system of the new technology will be established in this research. Moreover, this research will promote the upstream pumping mechanical seal and its manufacturing technology and theory quickly, and widen the application field of the upstream pumping mechanical seal.

上游泵送机械密封在现代工业中的应用范围日益广泛，然而其国内外常用的减材制造技术不能与之相适应，主要表现为难以满足上游泵送机械密封的流体动压密封槽等关键部位的精密加工要求。本项目突破上游泵送机械密封减材制造技术及理论，率先提出采用复合电镀与梯度复合电刷镀纳米陶瓷粉相结合增材制造上游泵送机械密封的方法，并探究其增材制造机理等方面的科学问题。研究纳米陶瓷颗粒与金属离子的协同效应，建立其共沉积的动力学方程；研究密封环增长层表面的微观结构，揭示其材料增长机理；研究增长层与基体的结合机制，揭示其结合机理；研究镀液成分及配制工艺对镀液稳定性的影响作用和稳定机理，研制出适于本增材制造要求的专用镀液；探寻本增材制造方法的工艺规律，建立其数学模型。本项目可研究开发出一种高效精密的上游泵送机械密封增材制造新方法，建立其应用基础理论体系，促进上游泵送机械密封及其制造技术和理论水平的快速提升、拓宽其应用领域。

针对传统的去除材料方式在加工上游泵送机械密封时存在的成本高、效率低、加工表面质量差等问题，提出增材制造上游泵送机械密封的方法。研究了镍离子的配合物和纳米SiC颗粒表面吸附结构及其性质，确定了复合镀液中镍离子和SiC颗粒的存在形式，建立了Ni-SiC复合沉积的动力学方程，为上游泵送机械密封纳米增材制造技术奠定了理论基础。开发出了上游泵送机械密封纳米增材制造的材料增长实验台，研究了不同工艺参数下制备的复合镀层形貌，计算出了不同晶面取向，揭示了Ni-SiC复合镀层沉积原理和晶粒取向演变过程。研究了温度、电流密度等参数对镀层与基体结合机制的影响，发现随着电流密度的增大，镀层晶粒取向逐渐向(220)取向演变的现象，同时由于(220)取向结构与基体间的结合强度高于其他取向结构，因此（220）高择优取向复合镀层与基体的结合力相比常规电沉积方法制备的Ni-SiC复合镀层可提升200%。提出了旋转磁场辅助电沉积法，利用磁流体动力学(MHD)效应使惰性颗粒在镀层中分布均匀并且引起晶粒细化，可以降低镀层内应力，提高镀层与基体之间的结合力，揭示了磁场对镀层与基体结合的影响机制。实验研究了糖精、1,4丁炔二醇、十六烷基三甲基溴化铵及OP-10、SiC颗粒尺寸及含量等对增长层与基体的结合力、增长层硬度、增长层表面粗糙度等性能的影响，得到了纳米增长层性能最优的镀液成分。实验研究了电流密度、温度等参数对增长层的表面微观结构、显微硬度、摩擦磨损性能、延伸率、耐腐蚀性等的影响规律，发现增加电流密度可提高镀层中的SiC颗粒含量，同时可使镀层平均晶粒尺寸变大，镀层的表面粗糙度增加，耐腐蚀性以及延展性得到提高。增加温度也可提高镀层中的SiC颗粒含量，同时可有效减少镀层表面缺陷，可促进形核，使镀层平均晶粒尺寸减小，镀层的硬度、强度、耐磨性得到提高。建立了上游泵送机械密封增材制造应用基础理论体系，可指导上游泵送机械密封的高效精密制造，同时为其他新型机械密封的研究开发提供可靠的工艺和理论支持。