本文選題：熱氧化 + 鈦合金��； 參考：《太原理工大學》2016年博士論文

【摘要】：油套管是油氣井的重要基礎材料,約占整體油井管消費量的四分之三。腐蝕和磨損工況極易導致油套管失效,嚴重威脅油氣井的安全運行。為確保油氣田安全、高效地開發(fā)與生產(chǎn),最有效的措施是采用耐蝕合金管材,但耐蝕合金含有價格昂貴的金屬元素,大批量使用會使生產(chǎn)成本增加。Ti6Al4V合金比強度高、熱穩(wěn)定性好、耐蝕性優(yōu)異、生物相容性好,被譽為王牌鈦合金,廣泛應用于民用和軍事領域。目前,已有機構(gòu)將Ti6Al4V合金-碳鋼復合管作為新型套管材料應用于油氣開采。以碳鋼管材為基體材料,發(fā)揮碳鋼的良好力學性能和低價優(yōu)勢;以Ti6Al4V合金為內(nèi)襯,利用其高比強度和優(yōu)異的耐蝕性,可顯著降低原材料采購成本及管道的長期運營成本,具有廣闊的應用前景。但是,Ti6Al4V合金導熱系數(shù)小、摩擦系數(shù)大、粘著磨損和微動磨損敏感性高,且表面承載能力低,直接將Ti6Al4V合金作復合管內(nèi)襯使用將明顯影響結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,這也是Ti6Al4V合金作為復合管內(nèi)襯材料不能回避、也是必須加以考慮的問題。鈦與氧的化學親和性較高,熱氧化已被認為是一種能夠同時提高鈦及鈦合金耐磨性和耐蝕性的有效方法。針對Ti6Al4V合金作為復合管內(nèi)襯材料的工程背景,借助熱氧化技術(shù)對ti6al4v合金進行表面改性,分別以熱氧化溫度和熱氧化時間為參數(shù),進行了熱氧化工藝優(yōu)化,評價了熱氧化層在模擬油田介質(zhì)中的典型服役行為:沖蝕磨損和腐蝕磨損行為,研究結(jié)果可望為拓展ti6al4v合金在石油管材方面的應用提供參考依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:(1)通過研究熱氧化溫度和熱氧化時間對熱氧化層的厚度、耐磨性和耐蝕性的影響來優(yōu)化熱氧化工藝,綜合評價所獲得的優(yōu)化參數(shù)為:熱氧化溫度973k,熱氧化時間30h。在此工藝下制備的熱氧化層中的主相為金紅石型tio2,熱氧化層的厚度超過12μm,表面硬度達868hv。熱氧化層由α-al2o3和金紅石tio2混晶層+單一金紅石型tio2層+tixoy混雜層+o擴散層構(gòu)成,表現(xiàn)出明顯的多層結(jié)構(gòu)特征。(2)對優(yōu)化參數(shù)下所獲得的熱氧化層分別進行xps分析、截面的硬度和結(jié)合強度測試,在co2飽和模擬油田采出液中的mott-schottky曲線,研究熱氧化層的半導體特性,探索其耐蝕本質(zhì)。結(jié)果表明:熱氧化層的成分呈梯度分布,氧化層至下方基體的硬度分布亦呈梯度,有利于改善材料表面的承載能力和耐磨性能。結(jié)合強度測試結(jié)果表明,劃痕測試中致密貧鋁氧化物層和氧的擴散層所對應的臨界載荷數(shù)值約為6n和10n。ti6al4v合金的mott-schottky曲線可擬合為兩段線性特征,且斜率值均為正,表現(xiàn)出n型半導體特性。熱氧化層的mott-schottky曲線由兩部分組成,段(i)明顯的線性特征,且斜率為正,也表現(xiàn)出n型半導體特性;段(ii)呈近線性特征,斜率為負,表現(xiàn)出p型半導體特性。熱氧化層的p-n雙極性半導體特性既能阻止陽離子從基體中遷移,又能抑制溶液中的陰離子侵蝕基體,使其表現(xiàn)出更好的耐蝕性。(3)在固-液兩相流的沖蝕磨損條件下,研究了Ti6Al4V合金和熱氧化層的沖蝕磨損行為。固體粒子沖蝕和液相介質(zhì)腐蝕的協(xié)同作用引發(fā)了Ti6Al4V合金和熱氧化層表面的破壞。低硬度的Ti6Al4V合金的耐沖蝕磨損性能較差,而熱氧化層表現(xiàn)出很好的耐沖蝕磨損性能,可以對Ti6Al4V合金起到良好的保護作用,熱氧化層在固-液兩相流腐蝕介質(zhì)中優(yōu)異的沖蝕磨損抗力得益于其表面的高硬度以及其在腐蝕介質(zhì)中的化學穩(wěn)定性;(4)Ti6Al4V合金和熱氧化層與兩種摩擦配副在CO2飽和模擬油田采出液中的腐蝕磨損行為存在差異,該差異在摩擦系數(shù)-時間曲線、磨損失重以及磨痕特征中均得到體現(xiàn)。總體上講,表面熱氧化層顯著增強了Ti6Al4V合金的抗腐蝕磨損能力。
[Abstract]:Oil and gas casing is an important basic material for oil and gas wells, accounting for about 3/4 of the total oil well pipe consumption. Corrosion and wear conditions are very easy to cause oil and casing failure, which seriously threatens the safe operation of oil and gas wells. In order to ensure the safety of oil and gas fields, the most effective measure is to use corrosion resistant alloy pipes, but the corrosion resistant alloys contain price. The expensive metal elements, which can increase the production cost, increase the production cost of.Ti6Al4V alloy with high strength, good thermal stability, excellent corrosion resistance and good biocompatibility. It is widely used in civil and military fields. At present, Ti6Al4V alloy carbon steel composite tube is used as a new type of casing material in oil and gas exploitation. Carbon steel tube is used as matrix material to give full play to the good mechanical properties and low price advantages of carbon steel. With Ti6Al4V alloy as the inner lining, using its high specific strength and excellent corrosion resistance, the purchase cost of raw materials and the long operating cost of the pipeline can be significantly reduced. However, the thermal conductivity of Ti6Al4V alloy is small, the coefficient of friction is large and the coefficient of friction is big. With high sensitivity to wear and fretting wear, and low bearing capacity of the surface, the direct use of Ti6Al4V alloy as a composite liner will obviously affect the safety and reliability of the structure. This is also a question that Ti6Al4V alloy can not be avoided as a composite liner material. It is also a question that must be considered. It is considered an effective method to improve the wear resistance and corrosion resistance of titanium and titanium alloy at the same time. For the engineering background of Ti6Al4V alloy as a composite tube lining material, the surface modification of Ti6Al4V alloy is carried out with the help of thermal oxidation technology. The thermal oxidation process is optimized and the thermal oxidation process is optimized. The typical service behavior of oxidation layer in simulated oilfield medium: erosion wear and corrosion wear behavior. The results are expected to provide a reference for expanding the application of Ti6Al4V alloy to oil pipes. The main results are as follows: (1) the thickness, wear resistance and corrosion resistance of the thermal oxidation layer are studied by the study of the thermal oxidation temperature and the time of thermal oxidation. The optimum parameters of the thermal oxidation process are optimized: the thermal oxidation temperature 973k, the thermal oxidation time 30h., the main phase of the thermal oxidation layer prepared under this process is rutile TiO2, the thickness of the thermal oxidation layer is more than 12 mu m, the surface hardness of the 868hv. layer is from alpha -al2o3 and rutile TiO2 mixed crystal layer + single rutile. TiO2 layer +tixoy hybrid layer +o diffusion layer, showing obvious multi-layer structure characteristics. (2) XPS analysis of the thermal oxidation layer obtained under the optimized parameters, the hardness and bonding strength of the cross section, the Mott-Schottky curve in the extracted fluid of the CO2 saturated simulated oilfield, the study of the semiconductor properties of the thermal oxidation layer, and the exploration of its corrosion resistance. The results show that the composition of the thermal oxidation layer is gradient distribution and the hardness distribution of the oxide layer below the substrate is also gradient, which is beneficial to improve the bearing capacity and wear resistance of the material surface. The test results show that the critical load corresponding to the dense poor aluminum oxide layer and the diffused layer of oxygen in the scratch test is about 6N and 10n.ti. The Mott-Schottky curve of 6al4v alloy can be fitted with two linear features, and the slope values are all positive, showing the characteristics of N type semiconductors. The Mott-Schottky curve of the thermal oxidation layer is composed of two parts, the segment (I) is obviously linear, and the slope is positive, and the N type semiconductor specificity is also shown. The segment (II) is near linear, and the slope is negative, showing P half. The characteristics of the conductors. The p-n bipolar semiconductor properties of the thermal oxidation layer can not only prevent the migration of the cations from the matrix, but also inhibit the anionic erosion of the matrix in the solution. (3) the erosion wear behavior of the Ti6Al4V alloy and the thermal oxidation layer was studied under the erosion and abrasion conditions of the solid liquid two phase flow. The synergistic effect of the corrosion of liquid phase medium leads to the destruction of Ti6Al4V alloy and the surface of the thermal oxidation layer. The corrosion resistance of low hardness Ti6Al4V alloy is poor, and the thermal oxidation layer exhibits good erosion resistance and wear resistance, which can protect the Ti6Al4V alloy well. The thermal oxidation layer is superior to the solid liquid two-phase flow corrosion medium. The different erosion wear resistance is due to its high surface hardness and its chemical stability in the corrosive medium. (4) the corrosion wear behavior of Ti6Al4V alloy and thermal oxidation layer and two kinds of friction pairs in the production fluid of CO2 saturated simulated oil field is different, and the difference is obtained in the friction coefficient time curve, wear weight loss and wear mark characteristics. Generally speaking, the surface thermal oxidation layer significantly enhanced the corrosion and wear resistance of Ti6Al4V alloy.
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TE931.2;TG174.451

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本文編號：1916284