一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料的制作方法

本发明属于泵的性能研究技术领域，具体涉及一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料。

背景技术：

潜油电泵是井下工作的多级离心泵,同油管一起下入井内,地面电源通过变压器、控制屏和动力电缆将电能输送给井下潜油电机,使潜油电机带动多级离心泵旋转,将电能转换成机械能,把油井中的井液举升到地面。在油田采油过程中，地下腐蚀性介质对于潜油电泵的腐蚀是常见的实际问题，给泵设备的使用性能和使用寿命造成巨大的不利影响。尤其是电机头作为潜油电泵的核心部件，锈蚀产生后，严重影响工作性能，并且维修成本高，继续使用会造成报废等重大浪费问题。现有的防护方法是在电机头外表镀一层涂层。然而，现有的涂层材料与电机头金属表面的结合强度较低，喷涂过程中由于热胀收缩进一步增大了涂层内部的残余应力，导致在承受较大外力时，发生脱落或剥离现象，缩短了潜油电泵的使用寿命。因此，研究一种与泵头体表面结合强度高的涂层材料，对于提高潜油电泵的使用寿命以及化工泵装备工业的发展具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料，与电机头表面结合强度高，且耐腐蚀性能好，涂覆厚度薄，降低了残余应力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料，具体的，所述纳米涂层材料的制备包括以下工艺步骤：

（1）取100-115克粉煤灰，加入1.5-2.0倍体积的摩尔浓度为1.6-2.0摩尔/升的盐酸溶液，在70-80℃下搅拌1-2小时，搅拌速度为400-500转/分钟，然后静置老化60-70分钟，进行过滤，使用去离子水洗涤至中性，置于100-110℃烘箱中干燥7-10小时，置于马弗炉中，升温至750-790℃，保温煅烧45-55分钟，自然冷却后，机械研磨至过500-550目筛；

（2）按照质量比为2.0-2.3:1.2-1.4的比例称取碳酸锶和碳酸锰粉体共30-36克，按照质量比为1.3-1.6:1.0-1.2的比例称取钛酸锶和钛酸铅粉体共14-16克，掺入0.75-0.80克稀土氧化物，加入步骤（1）制备得到的煅烧粉煤灰粉料置于球磨罐中，作为待球磨物料，加入锆球和去离子水，待球磨物料、锆球和去离子水体积比为1.1-1.3:1.0-1.2:1.4-1.6，以330-360转/分钟的速度球磨2-4小时，所得球磨浆料置于90-95℃烘箱中干燥10-15小时；

（3）向干燥后的粉料中加入360-390毫升质量浓度为5.0-5.4%的聚乙烯醇水溶液，升温至85-90℃，搅拌混合均匀，在搅拌下向烧杯中滴加4.5-5.0毫升六甲基二硅氮烷，在350-400转/分钟下搅拌混合25-30分钟，自然冷却静置5-6小时，经过过滤、洗涤、干燥后送入管式炉中，在氮气氛围下以8.4-8.8℃/分钟的速度升温至680-700℃，保温烧结1.5-2.5小时，自然降温冷却后研磨成粉，得到粉料即为纳米涂层材料；制备得到的纳米涂层材料粒径大小在17-30纳米之间。

进一步的，所述稀土氧化物按照重量份计由以下成分制成：氧化钇14-18份、氧化镧10-12份、氧化铕4-6份。

喷涂前准备工作：依次使用200、300目砂纸将电机头件表面打磨10-20分钟，使用44-48℃热风吹去表面残留颗粒，再使用丙酮润湿的干净布料擦拭2-3遍，然后使用60-72℃热风吹干，置于烘箱中升温预热至103-107℃，将制备得到的纳米涂层材料在1210-125℃下烘制40-50分钟，得到预热的纳米涂层材料粉体；

纳米涂层材料喷涂方法：采用等离子喷涂技术将纳米涂层材料粉体喷涂于预处理的电机头件表面，等离子喷涂是以氮气作为喷涂主气，压力为0.64-0.66mpa，主气流量为1.8-1.9立方米/小时，氢气作为喷涂辅气，压力为0.60-0.62mpa，辅气流量为1.3-1.4立方米/小时，送粉气压力为0.21-0.23mpa，喷涂距离为95-98毫米，喷涂角度为65-75°，送粉气流量为0.55-0.60立方米/小时，每次喷涂厚度为20-24微米，累计喷涂厚度为60-72微米。

本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决现有应用于潜油电泵电机头表面的涂层材料与基体的结合强度不高的问题，本发明提供了一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料，采用等离子喷涂技术将制备得到的纳米涂层材料喷涂至电机头表面，得到厚度在60-72微米之间的涂层，在喷涂过程中形成的小液滴具有很高的活性和润湿性，与电机头基体表面的接触面积大，增强了结合能力，即便在应力作用下，纳米颗粒能够整体发生滑动，具有应力释放性，使得涂层内部应力明显降低，所形成的涂层与电机头表面结合强度高，结合强度达到了68-72mpa，抗热冲击性能强，可耐热震循环次数提高40-50%，耐腐蚀性能和耐磨性能显著提高，对潜油电泵电机头起到长久的表面防护作用，能够适应高浓度腐蚀介质的高温高压工作环境。避免了涂层脱落引起化学腐蚀造成的严重影响潜油电泵使用寿命的问题，延长了电泵的检泵周期，满足了油田采油生产的需求，提高了潜油电泵的适应性和使用性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明所提供的技术方案。

实施例1

一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料，具体的，所述纳米涂层材料的制备包括以下工艺步骤：

（1）取100克粉煤灰，加入1.5倍体积的摩尔浓度为1.6摩尔/升的盐酸溶液，在70℃下搅拌1小时，搅拌速度为400转/分钟，然后静置老化60分钟，进行过滤，使用去离子水洗涤至中性，置于100℃烘箱中干燥7小时，置于马弗炉中，升温至750℃，保温煅烧45分钟，自然冷却后，机械研磨至过500目筛；

（2）按照质量比为2.0:1.2的比例称取碳酸锶和碳酸锰粉体共30克，按照质量比为1.3:1.0的比例称取钛酸锶和钛酸铅粉体共14克，掺入0.75克稀土氧化物，加入步骤（1）制备得到的煅烧粉煤灰粉料置于球磨罐中，作为待球磨物料，加入锆球和去离子水，待球磨物料、锆球和去离子水体积比为1.1:1.0:1.4，以330转/分钟的速度球磨2小时，所得球磨浆料置于90℃烘箱中干燥10小时；

（3）向干燥后的粉料中加入360毫升质量浓度为5.0%的聚乙烯醇水溶液，升温至85℃，搅拌混合均匀，在搅拌下向烧杯中滴加4.5毫升六甲基二硅氮烷，在350转/分钟下搅拌混合25分钟，自然冷却静置5小时，经过过滤、洗涤、干燥后送入管式炉中，在氮气氛围下以8.4℃/分钟的速度升温至680℃，保温烧结1.5小时，自然降温冷却后研磨成粉，得到粉料即为纳米涂层材料。制备得到的纳米涂层材料粒径大小在17-30纳米之间。

进一步的，所述稀土氧化物按照重量份计由以下成分制成：氧化钇14份、氧化镧10份、氧化铕4份。

通过实施例1的方法将制备得到的纳米涂层材料，以尺寸为60mm×35mm×5mm的25cr2ni4mov合金钢板材作为实验对象，采用等离子喷涂方式喷涂至实验对象上，形成厚度为60微米的涂层，作为试样，每组5件。

将涂覆好的涂层进行性能测试：在拉伸试验机上测定涂层与基体分开的应力作为涂层结合强度，达到69mpa；热震性能测试：按照质量检验标准hb7269-96进行测试，将试样置于xg-5-12型电阻炉中，加热至1200℃保温5分钟，取出迅速放入25℃清水中急冷，反复重复该过程，直到涂层出现裂纹、起皮或剥落，脱落面积达到5%时，记录可耐热震循环次数，测得循环次数为12次。

实施例2

一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料，具体的，所述纳米涂层材料的制备包括以下工艺步骤：

（1）取108克粉煤灰，加入1.7倍体积的摩尔浓度为1.8摩尔/升的盐酸溶液，在75℃下搅拌1.5小时，搅拌速度为450转/分钟，然后静置老化65分钟，进行过滤，使用去离子水洗涤至中性，置于105℃烘箱中干燥8小时，置于马弗炉中，升温至770℃，保温煅烧50分钟，自然冷却后，机械研磨至过530目筛；

（2）按照质量比为2.1:1.3的比例称取碳酸锶和碳酸锰粉体共33克，按照质量比为1.4:1.1的比例称取钛酸锶和钛酸铅粉体共15克，掺入0.78克稀土氧化物，加入步骤（1）制备得到的煅烧粉煤灰粉料置于球磨罐中，作为待球磨物料，加入锆球和去离子水，待球磨物料、锆球和去离子水体积比为1.2:1.1:1.5，以345转/分钟的速度球磨3小时，所得球磨浆料置于93℃烘箱中干燥13小时；

（3）向干燥后的粉料中加入370毫升质量浓度为5.2%的聚乙烯醇水溶液，升温至88℃，搅拌混合均匀，在搅拌下向烧杯中滴加4.8毫升六甲基二硅氮烷，在380转/分钟下搅拌混合28分钟，自然冷却静置5.5小时，经过过滤、洗涤、干燥后送入管式炉中，在氮气氛围下以8.6℃/分钟的速度升温至690℃，保温烧结2.0小时，自然降温冷却后研磨成粉，得到粉料即为纳米涂层材料。制备得到的纳米涂层材料粒径大小在17-30纳米之间。

进一步的，所述稀土氧化物按照重量份计由以下成分制成：氧化钇16份、氧化镧11份、氧化铕5份。

通过实施例2的方法将制备得到的纳米涂层材料，以尺寸为60mm×35mm×5mm的25cr2ni4mov合金钢板材作为实验对象，采用等离子喷涂方式喷涂至实验对象上，形成厚度为66微米的涂层，作为试样，每组5件。

将涂覆好的涂层进行性能测试：在拉伸试验机上测定涂层与基体分开的应力作为涂层结合强度，达到72mpa；热震性能测试：按照质量检验标准hb7269-96进行测试，将试样置于xg-5-12型电阻炉中，加热至1200℃保温5分钟，取出迅速放入25℃清水中急冷，反复重复该过程，直到涂层出现裂纹、起皮或剥落，脱落面积达到5%时，记录可耐热震循环次数，测得循环次数为14次。

实施例3

一种适用于潜油电泵电机头表面的纳米涂层材料，具体的，所述纳米涂层材料的制备包括以下工艺步骤：

（1）取115克粉煤灰，加入2.0倍体积的摩尔浓度为2.0摩尔/升的盐酸溶液，在80℃下搅拌2小时，搅拌速度为500转/分钟，然后静置老化70分钟，进行过滤，使用去离子水洗涤至中性，置于110℃烘箱中干燥10小时，置于马弗炉中，升温至790℃，保温煅烧55分钟，自然冷却后，机械研磨至过550目筛；

（2）按照质量比为2.3:1.4的比例称取碳酸锶和碳酸锰粉体共36克，按照质量比为1.6:1.2的比例称取钛酸锶和钛酸铅粉体共16克，掺入0.80克稀土氧化物，加入步骤（1）制备得到的煅烧粉煤灰粉料置于球磨罐中，作为待球磨物料，加入锆球和去离子水，待球磨物料、锆球和去离子水体积比为1.3:1.2:1.6，以360转/分钟的速度球磨4小时，所得球磨浆料置于95℃烘箱中干燥15小时；

（3）向干燥后的粉料中加入390毫升质量浓度为5.4%的聚乙烯醇水溶液，升温至90℃，搅拌混合均匀，在搅拌下向烧杯中滴加5.0毫升六甲基二硅氮烷，在400转/分钟下搅拌混合30分钟，自然冷却静置6小时，经过过滤、洗涤、干燥后送入管式炉中，在氮气氛围下以8.8℃/分钟的速度升温至700℃，保温烧结2.5小时，自然降温冷却后研磨成粉，得到粉料即为纳米涂层材料。制备得到的纳米涂层材料粒径大小在17-30纳米之间。

进一步的，所述稀土氧化物按照重量份计由以下成分制成：氧化钇18份、氧化镧12份、氧化铕6份。

通过实施例3的方法将制备得到的纳米涂层材料，以尺寸为60mm×35mm×5mm的25cr2ni4mov合金钢板材作为实验对象，采用等离子喷涂方式喷涂至实验对象上，形成厚度为72微米的涂层，作为试样，每组5件。

将涂覆好的涂层进行性能测试：在拉伸试验机上测定涂层与基体分开的应力作为涂层结合强度，达到70mpa；热震性能测试：按照质量检验标准hb7269-96进行测试，将试样置于xg-5-12型电阻炉中，加热至1200℃保温5分钟，取出迅速放入25℃清水中急冷，反复重复该过程，直到涂层出现裂纹、起皮或剥落，脱落面积达到5%时，记录可耐热震循环次数，测得循环次数为13次。

对照组

以尺寸为60mm×35mm×5mm的25cr2ni4mov合金钢板材作为实验对象，采用氧化锆与氧化钇按照质量比为9：1的比例配制得到粒径为0.1微米的陶瓷涂层材料，喷涂至实验对象上，形成厚度在500微米的涂层，作为试样，每组5件。将涂覆好的涂层进行性能测定：在拉伸试验机上测定涂层与基体分开的应力作为涂层结合强度，为45mpa，热震性能测试：按照质量检验标准hb7269-96进行测试，将试样置于xg-5-12型电阻炉中，加热至1200℃保温5分钟，取出迅速放入25℃清水中急冷，反复重复该过程，直到涂层出现裂纹、起皮或剥落，脱落面积达到5%时，记录可耐热震循环次数，测得循环次数为7次。

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