摘要
本文致力于改善传统镍镀层的电化学性能，解决油气田集输管道中常见的CO2腐蚀问题，将石墨烯作为增强相嵌入金属基质，在20号钢表面制备纳米晶镍-石墨烯复合镀层，随后优化镀层的结构及性能，设计并制备镍-石墨烯功能梯度镀层，分析镀层结构并研究其耐CO2腐蚀性能。 本文通过在瓦特镀液中添加氧化石墨烯纳米片层，采用磁力搅拌辅助脉冲电沉积技术制备镍-石墨烯纳米晶复合镀层，利用X射线能谱和拉曼光谱，确定镀液中的氧化石墨烯在电沉积过程中被还原为石墨烯并嵌入金属基质。添加石墨烯后镀层的组织结构发生改变，晶粒的择优取向由纯镍镀层的Ni(111)转变为Ni(200)，镀层表面呈现结节状微观形貌。 系统的研究了镀液组成以及脉冲电沉积工艺参数对镀层形貌及电化学性能的影响，将自腐蚀电流密度、自腐蚀电位和电荷转移电阻作为评价指标，优化得到最优的电沉积工艺参数为：氧化石墨烯浓度为0.2g/L，电沉积峰值电流密度为6A/dm2，频率为50Hz，占空比为0.4。该工艺条件下镀层形貌均匀、结构致密且在3.5wt.%NaCl溶液中的电化学性能最优。 在单镀液体系中通过分阶段改变电沉积工艺参数设计并制备镍-石墨烯功能梯度镀层，实现石墨烯嵌入量和晶粒尺寸均由金属基体表面向镀层表面沿厚度方向逐渐升高。与纯镍镀层和镍-石墨烯复合镀层相比，功能梯度镀层的自腐蚀电流密度最小，低频阻抗模值最大，耐蚀性能最优。功能梯度镀层在CO2饱和的3.5wt.%NaCl溶液中的浸泡实验表明，腐蚀性介质在镀层内的初期扩散过程遵循Fick定律，在72h后进入扩散平衡状态，在120h内腐蚀性介质未渗透到达镀层-基底金属界面，镀层可为基底金属提供有效保护。在模拟集输管线环境测试中(压力2MPa，温度40℃，流速0.5m/s)，持续测试96h过程中带腐蚀产物膜的功能梯度镀层的极化阻抗始终最大，是纯镍镀层的1.6倍以上，是20号钢的12.8倍以上，且镀层表面保持原有形貌，未观察到点蚀坑及镀层缺陷。
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