一种Cu/纳米晶/非晶多层Ni-W镀层及镀制方法

本发明属于油气管材镀层领域，尤其是一种cu/纳米晶/非晶多层ni-w镀层及镀制方法。

背景技术：

1、油气田环境复杂，含有大量腐蚀介质，且容易遭受地质运动。这些因素综合作用下，使管材设备腐蚀受损严重，表面出现不同程度的损伤缺陷，严重损害了管材服役安全。镀层防腐技术是常用提高碳钢耐蚀性的重要方法。非晶ni-w镀层具有结构致密、硬度高、耐磨损、耐蚀性好等优点，在油气田设备防腐等方面的应用越来越多。

2、目前，以碳钢为主的油气管材，由于碳钢金属活性较低，直接电镀时与电解液中的阴离子亲和力较弱，需要在电解液中加入大量还原剂，这样便增加了电阻率，电镀时ni-w镀层沉积速度慢，需要较高的能量密度和较长的时间，才能够形成具有一定厚度的ni-w镀层。

3、此外，常用的ni-w镀层为整个镀层均呈非晶态，虽然具有优异的耐蚀性和耐磨性，但是，镀层内部处于高硬度的脆性状态，且电镀期间形成非晶镀层时，由于w原子浓度过高，导致晶格畸变程度较高，使得镀层处于高的内应力状态。当遭遇外应力时，非晶态的镀层与金属基体由于晶体学不匹配，界面处性能差异大，界面结合力较低，导致膜层易于脱落。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的碳钢基体活性差、镀层沉积速度慢、界面刚度差异大、镀层内部内应力过高的问题，本发明提供一种cu/纳米晶/非晶多层ni-w镀层及镀制方法，提高了镀层结合力，有效提高了镀层的综合性能。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种cu/纳米晶/非晶多层ni-w镀层的镀制方法，包括如下步骤：

4、s1，对油气管材的表面利用等离子喷涂法进行表面活化处理5～10min，油气管材中的碳钢基体得以活化，得到活化后的油气管材，以活化后的油气管材为阴极，ni板为阳极，在第一电解液中以18～22a/dm2的电流密度对活化后的油气管材表面电镀cu层，得到镀制有cu层的油气管材；

5、s2，将镀制有cu层的油气管材置于第二电解液中并作为阴极，阳极为ni板，在60～80℃下以10～15a/dm2的电流密度在cu层上电镀晶态ni-w层，得到镀制有晶态ni-w层的油气管材；

6、s3，将镀制有晶态ni-w层的油气管材置于第三电解液中并作为阴极，阳极为ni板，在60～80℃下以15～25a/dm2的电流密度在晶态ni-w层上电镀过渡态ni-w层，得到镀制有过渡态ni-w层的油气管材，之后在过渡态ni-w层上电镀非晶态ni-w层，在油气管材的表面形成cu/纳米晶/非晶多层ni-w镀层。

7、优选的，s1中采用常压等离子体设备进行表面活化处理，工作气体为ar、he和n2中的一种与h2的混合气，其中h2的体积为所述混合气的体积的40％～50％。

8、优选的，s1所述的第一电解液中，每1l第一电解液中有180～220g cuso4、60～800g h2so4和0.0.02～0.05g nacl。

9、优选的，s1在电镀cu层时，温度为20～30℃，时间为10～15min，形成的cu层厚度为10～15mm。

10、优选的，s2所述的第二电解液中，每1l第二电解液中有40～60gna2wo4·2h2o、10～20g nabr、25～35g nh4cl、140～160gna3c6h5o7·2h2o和1～2g ch3(ch2)11oso3na。

11、优选的，s2在电镀晶态ni-w层时，时间为15～20min，晶态ni-w层厚度为10～15微米，晶粒尺寸为15～30nm，晶态ni-w层中w的原子质量百分比为10％～20％。

12、优选的，s3所述的第三电解液中，每1l第三电解液中有50～70gna2wo4·2h2o、10～20g nabr、25～35g nh4cl、140～160gna3c6h5o7·2h2o和1～2g ch3(ch2)11oso3na。

13、优选的，s3在电镀过渡态ni-w层时，时间为15～20min，过渡态ni-w层厚度为10～15mm，晶粒尺寸为10～20nm，过渡态ni-w层中w的原子质量百分比为25％～35％。

14、优选的，s3采用第四电解液电镀非晶态ni-w层，第四电解液中每1l第四电解液中有60～80g na2wo4·2h2o、10～20g nabr、25～35gnh4cl、140～160g na3c6h5o7·2h2o和1～2g ch3(ch2)11oso3na，镀制有过渡态ni-w层的油气管材作为阴极，阳极为ni板，温度为60～80℃，电流密度25～35a/cm2，时间为20～25min，非晶态ni-w层的厚度为10～15mm，晶粒尺寸为5～15nm，非晶态ni-w层中w原子质量百分比为35％～45％。

15、一种由上述任意一项所述的cu/纳米晶/非晶多层ni-w镀层的镀制方法得到的cu/纳米晶/非晶多层ni-w镀层。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明一种cu/纳米晶/非晶多层ni-w镀层的镀制方法，首先用等离子喷涂法提高了油气管材中碳钢基体的表面活性，增加了与之后电解液中阴离子的亲和力，之后电镀具有一定厚度的cu层，由于cu金属活性高，与电解液中的阴离子亲和力好，有助于ni-w多层结构的快速沉积，紧接着电镀晶态ni-w镀层，由于没有添加还原剂，电解液电阻率低，电镀时能量利用率高，能够较快达到具有一定厚度的晶态ni-w镀层，接下来通过调控温度和电流密度在晶态ni-w镀层上继续电镀包含晶态和非晶态混合的过渡态ni-w层(晶态ni-w和过渡态ni-w为纳米晶)，有助于晶态ni-w镀层和非晶态ni-w镀层的连接过渡，缓解界面内用力，最后在过渡态ni-w镀层上电镀非晶态ni-w层，使得非晶态ni-w镀层表面处于高硬度和高耐蚀性的状态，能够提高碳钢基体活性、高效快捷、且能够减缓镀层内应力、与基体具有良好的晶体学匹配性、且不损害表面耐蚀性能的ni-w镀层。本发明既保障了表层非晶态ni-w层的优异性能，同时解决了镀层内部因w原子浓度过高引起的晶格畸变过高导致的高残余应力缺陷，还通过与金属基体晶体学匹配性好，提高了镀层结合力，有效提高了镀层的综合性能。

18、本发明在油气管材表面高效制备的镀层结构为cu/ni-w晶态/过渡态/非晶态多层结构，cu层具有优异的柔性，能够缓解油气管材中碳钢基体与ni-w镀层直接接触时的刚度差，且遭遇外界应力时，cu层也能够起到传递及卸载内应力的作用，增加了镀层的结合力；在cu层上制备的晶态ni-w镀层，w含量浓度低，镀层晶格畸变程度低，与cu层晶体学匹配性好，界面结合力高；在晶态ni-w镀层上制备的包含晶态和非晶态混合的过渡态ni-w镀层，有助于晶态ni-w镀层和非晶态ni-w镀层的连接过渡，缓解界面内用力；之后在过渡态ni-w镀层上制备的非晶态ni-w镀层，使得镀层表面处于高硬度和高耐蚀性的状态，能够提高碳钢基体活性、高效快捷、且能够减缓镀层内应力、与基体具有良好的晶体学匹配性、且不损害表面耐蚀性能的ni-w镀层，对油气管材ni-w非晶镀层的快速节能制备、管材服役期间的安全防护具有重要的意义。