超高压磨料射流切割喷嘴表面强化技术研究

2020-05-29刘占鏖王俊姬孙慧铭鞠少栋王兴旺

石油矿场机械 2020年3期

刘占鏖,王俊姬,孙慧铭,鞠少栋,王兴旺

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

超高压磨料射流切割技术是海上油田弃井和海上废弃结构物安全高效切割回收的有效方式[1-2]。在切割过程中，喷嘴把混合磨料的流速由4 m/s加速到约700 m/s。由于混合磨料的超高压力和流速对喷嘴的内部结构产生极大的冲蚀磨损，喷嘴在切割过程中容易损坏[3-6]。更换失效喷嘴的拆卸、安装过程较为复杂，且耗费时间。因此，如何提高喷嘴的使用寿命是超高压磨料射流切割技术研究的重点。

笔者设计了内嵌式喷嘴结构。为了提高材料的表面硬度和耐磨性能，开展喷嘴表面强化处理技术研究，制备表面类金刚石薄膜(DLC镀膜)涂层。对该涂层的性能和表面形貌进行研究，与没有镀类金刚石薄膜涂层的喷嘴进行对比分析，从而对材料表面镀类金刚石薄膜涂层的性能进行评估，以延长喷嘴的使用寿命。

1 内嵌式喷嘴结构

内嵌式高压射流切割耐磨喷嘴结构如图1所示，包括外部壳体和固定于外部壳体内部的喷嘴芯。喷嘴芯内设计有呈流线形状的流道。流道分为3段，从左至右依次为曲线形收缩段、曲线形加速段和圆柱形稳流段。

1—喷嘴芯；2—外部壳体。

喷嘴芯由纯碳化钨烧结而成，硬度大于95 HRA。外部壳体为碳化钨硬质合金，硬度大于90 HRA。喷嘴芯和外部壳体通过热等静压烧结工艺，使两者通过粘结层固定连接。这种结构使得喷嘴芯得到了外部壳体的保护，并使喷嘴芯避免受拉应力，提高了喷嘴的整体力学性能。喷嘴芯的表面镀类金刚石薄膜，其耐高压和冲蚀磨损性能显著提高。内嵌式喷嘴的性能参数如表1。

表1 内嵌式喷嘴性能指标

2 类金刚石镀膜的制备

类金刚石镀膜具有高硬度、低摩擦因数和高耐磨性等一系列优良的性能[7-10]。本次制膜方法采用Ar/C2H2混合气氛的离子辅助中频非平衡磁控溅射法制备TiAlNC类金刚石镀膜，设备如图2所示。

图2 类金刚石薄膜涂层沉积设备

图3为镀有类金刚石薄膜(DLC)的喷嘴样块和试样，喷嘴内外表面镀有TiAlNC涂层，涂层厚度为2～4 μm。

图3 镀DLC薄膜涂层的喷嘴

类金刚石镀层的基本性能参数如表2。

表2 镀有类金刚石涂层样块相关性能参数

3 镀层力学性能试验

3.1 硬度

硬度是类金刚石薄膜材料的一项非常重要的力学性能，其表征的是该材料的形变,也就是抵抗破坏的能力。采取不同的测量方法，测得的硬度值有所不同。本次采用压痕法测量DLC薄膜的维氏硬度，其与无钴碳化钨硬度对比如图4所示。

由图4可知，有DLC薄膜镀层材料的维氏硬度达到3 500 HV，大于无钴碳化钨的硬度。

图4 无钴碳化钨(HV10)和DLC薄膜涂层(HV0.05)硬度

采用JSM7500型扫描电子显微镜对具有DLC薄膜镀层的喷嘴表面进行微观分析，同时与之前的烧结碳化钨喷嘴(WC-0.2Co)进行对比，加速电压为15 kV。进行微观形貌扫描之前，先将样品研磨抛光。图5为放大倍率为10 000倍的扫描微观形貌，在各自的温度和压力下，两种试样均表现出具有良好的晶状结构，晶界清晰，晶粒尺寸细小而均匀。DLC薄膜涂层在扫描电镜下观察到的微观结构致密性更高。