CO₂腐蚀是石油化学工业中经常遇到的严重腐蚀之一,严重威胁油气的安全生产。传统的防腐工艺主要是添加化学缓蚀剂,而通过制备耐CO₂腐蚀的镀层将金属与腐蚀介质隔离开是解决油田集输管道CO₂腐蚀的新方法。本文将Y₂O₃纳米颗粒和ZrO₂纳米颗粒加入镀液中,并利用复合电沉积技术,开展Ni-W体系中含有Y₂O₃、ZrO₂两种纳米颗粒复合镀层的制备机理及耐蚀性能研究,以期获得综合性能优良且耐CO₂腐蚀的二元纳米复合镀层。研究结果可为石油化学工业中的CO₂腐蚀问题提供新的解决方法,减缓腐蚀的发生,确保现场管道设备的安全运行,具有重要的经济效益和社会效益。首先,基于第一性原理,建立镀层表面CO₂吸附模型,研究CO₂分子在不同纳米颗粒表面的水平和垂直吸附特性,优化得到具有较好耐CO₂腐蚀性能的纳米合金镀层的结构。研究发现CO₂难以在Y₂O₃、ZrO₂表面发生化学吸附,说明Y₂O₃、ZrO₂是使合金镀层具有耐CO₂腐蚀潜力的纳米粒子添加剂。向镀层中同时添加Y₂O₃和ZrO₂纳米颗粒后,CO₂在其表面的吸附能均小于Y₂O₃表面和ZrO₂表面,说明同时含有Y₂O₃-ZrO₂纳米颗粒的复合镀层具有更优异的耐蚀性能。因此,具有最优耐蚀性能的纳米合金镀层的结构为:基质金属为Ni-W合金,纳米颗粒为Y₂O₃-ZrO₂两种纳米粒子。其次,利用循环伏安法、线性极化法及交流阻抗谱测试等电化学测试技术,研究含Y₂O₃/ZrO₂纳米颗粒的电沉积机理及结晶动力学过程。研究发现纳米复合镀层在沉积过程中会出现形核过程,且符合扩散控制下的三维连续形核过程。当镀液中Y₂O₃和ZrO₂两种纳米粒子的添加量均为10 g/L时,成核过电位的值最正,在共沉积过程中将更加有利于形核。通过计时电位曲线测试及分析,得到电流密度、温度、纳米粒子浓度等工艺参数对电极表面电极电位的影响规律。研究发现在Y₂O₃和ZrO₂两种纳米粒子的添加量均为10 g/L、电沉积电流密度为1.5 A/dm²、镀液温度为60℃的情况下,形成的镀层将更加稳定,没有开裂的发生。再次,基于理论研究结果,采用SEM微观分析、EDS分析、显微硬度测试、电化学测试等手段,研究了电流密度、温度和纳米粒子浓度对Y₂O₃/ZrO₂纳米复合镀层性能的影响规律,验证了上述理论成果的正确性。接着,采用相同的表征方法,研究了沉积时间、脉冲占空比、搅拌方式和超声功率对镀层性能的影响规律,最终形成一套具有最优微观形貌及耐蚀性能的纳米复合镀层的制备工艺:同时添加Y₂O₃和ZrO₂两种纳米粒子各10 g/L,采用超声搅拌对纳米颗粒进行分散,超声功率为300 W。电沉积电流密度为1.5 A/dm²、沉积时间为2 h,镀液温度恒定为60℃,脉冲占空比为0.4。最后,基于上述得到的最优制备工艺,成功制备得到纳米复合镀层。利用高温高压反应釜及电化学测试,对该纳米复合镀层的耐CO₂腐蚀性能进行了研究。发现在较高CO₂分压、较高温度及一定流速下腐蚀一定时间以后,表面平整,未发现小的蚀坑及镀层的开裂,说明纳米复合镀层具有较好的耐CO₂腐蚀性能。带腐蚀产物膜的镀层电化学研究结果表明,在CO₂环境中腐蚀一定时间以后,镀层仍呈现出较好的耐蚀性能。