钻井泵缸套内壁等离子熔敷耐磨耐蚀复合材料涂层强化研究

摘要

石油钻井泵缸套长期承受高循环应力及钻井液中所含高硬度石英砂颗粒的冲蚀磨损作用，缸套内壁材料耐磨损抗疲劳性能要求较高。针对现有缸套耐磨性较差，使用寿命较低的状况，本文采用等离子熔敷表面改性技术对缸套内壁进行表面强化，在缸套内壁制备同缸套基材呈良好冶金结合的，具有快速凝固特征的高硬度、强耐磨先进复合材料涂层，以大幅度提高缸套的抗磨损能力，延长缸套的使用寿命。
　　 金属硅化物Ti5Si3具有常温及高温硬度高，抗氧化、抗腐蚀性能好，抗粘着磨损及磨料磨损性能优异等特点，可作为耐磨复合材料涂层的增强相。本文以Ti-Si二元相图和Fe-Si-Ti三元相图为依据，同时考虑基材稀释率及大气环境的影响，优选了20.5Fe28Si51.5Ti(at.％),17Fe34Si49Ti(at.％),16Fe24Si60Ti(at.％),11Fe33Si56Ti(at．％)四种不同比例的Fe-Si-Ti混合粉末为原料，在37CrMnMo基材表面制备了以钛的金属间化合物为主要增强相的复合材料涂层。采用XRD，OM，SEM和EDS等手段分析了涂层显微组织结构及相组成，利用显微硬度计测试了涂层的显微硬度梯度分布，利用SRV球盘式磨损试验机测试了涂层的室温干滑动磨损性能，并分析了磨损机理。
　　 分析结果表明：粉末配比为20.5Fe28Si51.5Ti(at.％)的涂层，其显微组织结构特征为Fe2SiTi初生增强相弥散均匀分布于Ti5Si4/γ-Fe共晶基体相上，由于不含高硬度金属硅化物Ti5Si3，其硬度相对较低，为HV604;粉末配比分别为17Fe34Si49Ti(at．％)、16Fe24Si60Ti(at．％)和11Fe33Si56Ti(at．％)的涂层，都以金属硅化物Ti5Si3为主要增强相，以三元金属间化合物Fe2SiTi/FeSiTi为基体，涂层均具有较高的硬度，分别为HV1224、HV1177、HV912。与基材相比较，上述三种涂层的耐磨性分别提高了8倍、5.71倍和5倍。总体趋势为：含有金属硅化物Ti5Si3的涂层硬度明显高于不含金属硅化物Ti5Si3的涂层，含Ti5Si3的涂层中，Ti5Si3的体积分数越高，分布越均匀，粒径越小，涂层的硬度越高，耐磨性越好。