劉占鏖,王俊姬,孫慧銘,鞠少棟,王興旺

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

超高壓磨料射流切割技術(shù)是海上油田棄井和海上廢棄結(jié)構(gòu)物安全高效切割回收的有效方式[1-2]。在切割過程中，噴嘴把混合磨料的流速由4 m/s加速到約700 m/s。由于混合磨料的超高壓力和流速對(duì)噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的沖蝕磨損，噴嘴在切割過程中容易損壞[3-6]。更換失效噴嘴的拆卸、安裝過程較為復(fù)雜，且耗費(fèi)時(shí)間。因此，如何提高噴嘴的使用壽命是超高壓磨料射流切割技術(shù)研究的重點(diǎn)。

筆者設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌式噴嘴結(jié)構(gòu)。為了提高材料的表面硬度和耐磨性能，開展噴嘴表面強(qiáng)化處理技術(shù)研究，制備表面類金剛石薄膜(DLC鍍膜)涂層。對(duì)該涂層的性能和表面形貌進(jìn)行研究，與沒有鍍類金剛石薄膜涂層的噴嘴進(jìn)行對(duì)比分析，從而對(duì)材料表面鍍類金剛石薄膜涂層的性能進(jìn)行評(píng)估，以延長(zhǎng)噴嘴的使用壽命。

1 內(nèi)嵌式噴嘴結(jié)構(gòu)

內(nèi)嵌式高壓射流切割耐磨噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括外部殼體和固定于外部殼體內(nèi)部的噴嘴芯。噴嘴芯內(nèi)設(shè)計(jì)有呈流線形狀的流道。流道分為3段，從左至右依次為曲線形收縮段、曲線形加速段和圓柱形穩(wěn)流段。

1—噴嘴芯；2—外部殼體。

噴嘴芯由純碳化鎢燒結(jié)而成，硬度大于95 HRA。外部殼體為碳化鎢硬質(zhì)合金，硬度大于90 HRA。噴嘴芯和外部殼體通過熱等靜壓燒結(jié)工藝，使兩者通過粘結(jié)層固定連接。這種結(jié)構(gòu)使得噴嘴芯得到了外部殼體的保護(hù)，并使噴嘴芯避免受拉應(yīng)力，提高了噴嘴的整體力學(xué)性能。噴嘴芯的表面鍍類金剛石薄膜，其耐高壓和沖蝕磨損性能顯著提高。內(nèi)嵌式噴嘴的性能參數(shù)如表1。

表1 內(nèi)嵌式噴嘴性能指標(biāo)

2 類金剛石鍍膜的制備

類金剛石鍍膜具有高硬度、低摩擦因數(shù)和高耐磨性等一系列優(yōu)良的性能[7-10]。本次制膜方法采用Ar/C2H2混合氣氛的離子輔助中頻非平衡磁控濺射法制備TiAlNC類金剛石鍍膜，設(shè)備如圖2所示。

圖2 類金剛石薄膜涂層沉積設(shè)備

圖3為鍍有類金剛石薄膜(DLC)的噴嘴樣塊和試樣，噴嘴內(nèi)外表面鍍有TiAlNC涂層，涂層厚度為2～4 μm。

圖3 鍍DLC薄膜涂層的噴嘴

類金剛石鍍層的基本性能參數(shù)如表2。

表2 鍍有類金剛石涂層樣塊相關(guān)性能參數(shù)

3 鍍層力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 硬度

硬度是類金剛石薄膜材料的一項(xiàng)非常重要的力學(xué)性能，其表征的是該材料的形變,也就是抵抗破壞的能力。采取不同的測(cè)量方法，測(cè)得的硬度值有所不同。本次采用壓痕法測(cè)量DLC薄膜的維氏硬度，其與無鈷碳化鎢硬度對(duì)比如圖4所示。

由圖4可知，有DLC薄膜鍍層材料的維氏硬度達(dá)到3 500 HV，大于無鈷碳化鎢的硬度。

圖4 無鈷碳化鎢(HV10)和DLC薄膜涂層(HV0.05)硬度

采用JSM7500型掃描電子顯微鏡對(duì)具有DLC薄膜鍍層的噴嘴表面進(jìn)行微觀分析，同時(shí)與之前的燒結(jié)碳化鎢噴嘴(WC-0.2Co)進(jìn)行對(duì)比，加速電壓為15 kV。進(jìn)行微觀形貌掃描之前，先將樣品研磨拋光。圖5為放大倍率為10 000倍的掃描微觀形貌，在各自的溫度和壓力下，兩種試樣均表現(xiàn)出具有良好的晶狀結(jié)構(gòu)，晶界清晰，晶粒尺寸細(xì)小而均勻。DLC薄膜涂層在掃描電鏡下觀察到的微觀結(jié)構(gòu)致密性更高。

a WC-0.2Co

b DLC薄膜涂層

3.2 DLC鍍膜的摩擦磨損性能

采用摩擦磨損綜合試驗(yàn)機(jī)對(duì)DLC鍍膜噴嘴試樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，該試驗(yàn)在室溫、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)如表3。將測(cè)得的摩擦因數(shù)繪制成曲線，進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)

圖6為載荷50 N和200 N時(shí)DLC鍍層噴嘴的摩擦因數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線，加大載荷后，試樣的摩擦因數(shù)較為穩(wěn)定，且整體存在上升趨勢(shì)。表4是載荷為50 N和200 N時(shí)各組樣品的摩擦因數(shù)分析結(jié)果，DLC鍍層的摩擦因數(shù)較熱等靜壓燒結(jié)硬質(zhì)合金噴嘴的摩擦因數(shù)小，由此判斷具有類金剛石鍍層噴嘴的耐磨性較好。

圖6 DLC薄膜涂層樣塊的摩擦因數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

表4 各組樣品的摩擦因數(shù)分析值

載荷為200 N時(shí)摩擦磨損試驗(yàn)后的噴嘴表面磨損輪廓如圖7所示。由二維輪廓圖可看出磨損體積的深度和寬度變化，DLC鍍膜的體積磨損率遠(yuǎn)小于碳化鎢噴嘴，不同試樣在載荷200 N下磨損120 min，計(jì)算得出的體積磨損率如表5。

不同試樣磨損后表面微觀形貌如圖8所示，放大倍率為5 000。圖8中各組樣品經(jīng)摩擦磨損后的表面均有少量晶粒剝落現(xiàn)象，但DLC鍍膜試樣的剝落坑比較少。WC-0.2Co試樣能較為明顯的觀察到剝落坑。

a WC-0.2Co

b DLC薄膜涂層

圖7 兩種試樣磨損后輪廓形貌

表5 載荷為200 N時(shí)噴嘴試樣的體積磨損率

a WC-0.2Co

b DLC薄膜涂層

4 結(jié)論

1) 內(nèi)嵌式高壓射流切割耐磨噴嘴由外部殼體和噴嘴芯組成。噴嘴芯由純碳化鎢燒結(jié)而成。外部殼體為碳化鎢硬質(zhì)合金。噴嘴芯是在外部殼體內(nèi)，通過熱等靜壓燒結(jié)工藝使兩者牢固連接。這種結(jié)構(gòu)避免了噴嘴芯受拉應(yīng)力，提高了噴嘴的整體力學(xué)性能。

2) 噴嘴表面具有類金剛石薄膜鍍層，硬度由2 400 HV提升到3 500 HV。類金剛石薄膜鍍層在掃描電鏡下觀察到的微觀結(jié)構(gòu)致密性更高，材料性能更好。

3) 類金剛石薄膜鍍層的摩擦因數(shù)較熱等靜壓燒結(jié)硬質(zhì)合金噴嘴的摩擦因數(shù)小，耐磨性更好。

4) 鍍類金剛石薄膜可以提高噴嘴的表面硬度和耐沖蝕性能，延長(zhǎng)噴嘴使用壽命。