20世紀60年代激光問世。20世紀70年代中期大功率激光器的出現(xiàn)．使激光加工技術(shù)不僅在研究和開發(fā)方面得到迅速發(fā)展。而且在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面也取得了長足進步。經(jīng)過30年的迅猛發(fā)展，激光加工技術(shù)已在汽車、冶金、紡織等行業(yè)得到成功的應(yīng)用。獲得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。激光加工技術(shù)從問世以來就得到石油產(chǎn)業(yè)的關(guān)注并獲得了一定應(yīng)用．如激光切割石油割縫篩管、激光焊接輸油管道、高能激光器鉆油井、激光丈量、激光打標及激光表面強化等。

 

在激光加工技術(shù)中．激光表面強化具有節(jié)省能源、材料的上風(fēng)和明顯的經(jīng)濟效益，已經(jīng)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用遠景。本文總結(jié)并探討激光表面改性在石油產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及遠景。

 

激光表面改性的原理及分類

當(dāng)激光束照射到材料表面時，激光被材料吸收變?yōu)闊崮?，表層材料受熱升溫。由于功率集中在一個很小的表面上，在很短時間內(nèi)即把材料加熱到高溫，使材料發(fā)生固態(tài)相變、熔化甚至蒸發(fā)。當(dāng)激光束被切斷或移開后，材料表面快速冷卻(冷卻速度高10000°C/s)，自然冷卻就能實現(xiàn)表面改性。根據(jù)激光束與材料表面作用的功率密度、作用時間及作用方式的不同，可實現(xiàn)不同類型的激光表面改性。激光表面改性技術(shù)的分類見圖1嘲。圖2表示出激光表面改性方法在激光功率密度和作用時間坐標系中所處的位置閣。這些過程在很大程度上取決于功率密度和輻照時間。

 

當(dāng)激光束照射到材料表面時，激光被材料吸收變?yōu)闊崮?，表層材料受熱升溫。由于功率集中在一個很小的表面上，在很短時間內(nèi)即把材料加熱到高溫，使材料發(fā)生固態(tài)相變、熔化甚至蒸發(fā)。當(dāng)激光束被切斷或移開后，材料表面快速冷卻(冷卻速度高10000°C/s)，自然冷卻就能實現(xiàn)表面改性。根據(jù)激光束與材料表面作用的功率密度、作用時間及作用方式的不同，可實現(xiàn)不同類型的激光表面改性。激光表面改性技術(shù)的分類見圖1嘲。圖2表示出激光表面改性方法在激光功率密度和作用時間坐標系中所處的位置閣。這些過程在很大程度上取決于功率密度和輻照時間。

 

激光相變硬化(激光淬火)的應(yīng)用

激光相變硬化是現(xiàn)有各種激光表面處理技術(shù)中研究和應(yīng)用最多的方法之一。用激光束掃描零件表面．其紅外線能量被零件表面吸收后迅速升溫到極高的溫度，此時工件仍處于冷態(tài)，隨著激光束離開零件表面，由于熱傳導(dǎo)作用。表面熱量迅速向內(nèi)部傳遞，使表層冷卻并獲得極高的冷卻速度，故可進行自冷淬火，實現(xiàn)工件表面相變硬化。激光相變硬化工藝以其熱影響區(qū)小而工件變形少、淬火區(qū)晶粒極細且均勻、工件改性效果好等多種上風(fēng)在進步產(chǎn)品壽命方面占據(jù)越來越重要的地位。它能很好地解決機械產(chǎn)品中要求耐磨性好而零件外形復(fù)雜、壁薄的零件表面改性題目。激光相變硬化加工方法早在70年代就已在美國通用汽車公司Saginaw工廠的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。而我國激光熱處理的研究、開發(fā)、應(yīng)用起始于70年代。由鐵道科學(xué)研究院金屬化學(xué)研究所和中科院長春光學(xué)精密機械研究所等單位率先開展該項工作以來。也已有20多年的歷史。目前，激光相變硬化加工方法，已廣泛應(yīng)用于汽車、冶金、重型機械等很多產(chǎn)業(yè)部分。隨著各油田相繼進進開采的中后期，機械采油在整個開采量中所占的比重越來越大．抽油泵是機械采油的關(guān)鍵設(shè)備．由于所開采液體中含有大量的腐蝕性氣體。加上一些井底雜質(zhì)的磨損，抽油泵的泵筒經(jīng)常損壞．從而嚴重影響了開采效率。早在1983年，中科院金屬所就與玉門石油機械廠合作，研究抽油泵泵筒內(nèi)激光淬火(即相變硬化)工藝，于1987年由原石油部組織了鑒定。油田井下使用結(jié)果表明。泵筒經(jīng)激光淬火后，使用壽命進步一倍．但變形甚微，耗電量僅為鍍鉻工藝的12％。他們還進行了整筒45。鋼柱塞和球鐵鉆井泵缸套的激光淬火試驗，均取得了很好的效果。

 

近些年。很多研究者對抽油泵激光相變硬化工藝進行了大量的研究。例如勝利油田錢暉對內(nèi)徑44～83 rain、長300 mm組合抽油泵缸套進行了激光淬火．缸套內(nèi)表面硬度達到HRC60～66，硬化層深度達到0.4-0.6 mm，缸套直徑上變形僅為0.03 mill左右．遠遠小于常規(guī)熱處理的變形量，大幅度進步了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)本錢。

 

隨著激光相變硬化工藝的發(fā)展。很多研究者使用激光相變硬化+其他強化方法的復(fù)合處理工藝。例如，東北輸油治理局張鵬吉等通過增加外導(dǎo)光系統(tǒng)，解決了在直徑70 mill、長7.6 m整筒抽油泵泵筒內(nèi)表面進行激光淬火的技術(shù)困難。并根據(jù)現(xiàn)場試驗情況確定了經(jīng)C-N共滲處理后再進行激光淬火的工藝流程．形成了較完善的整筒泵泵筒激光熱處理工藝路線。對泵筒激光淬火工藝與目前普遍采用的泵筒中頻淬火工藝進行比較，結(jié)果表明，整筒抽油泵泵筒采用C-N共滲后再進行激光淬火，具有生產(chǎn)效率高、耗能少、本錢低等優(yōu)點。并且擴大了泵筒的選材范圍。西南石油學(xué)院湯富榮等人采用45°鋼作為鉆井泵缸套材料在中頻淬火的基礎(chǔ)上再進行激光相變硬化處理。缸套表面獲得了硬度高、硬度梯度平坦、支承力強、耐磨性好的強化層。不僅可使缸套在含砂的鉆井液介質(zhì)中具有很強的抗磨損能力，而且還有利于應(yīng)力的開釋，其使用壽命略高于高鉻鑄鐵雙金屬缸套，且本錢較低。

   

油管螺紋在上卸時常出現(xiàn)粘扣現(xiàn)象．河南石油勘探局谷志峰利用激光淬火工藝對油管螺紋進行淬火，經(jīng)處理后的材料表面呈超細化組織結(jié)構(gòu)，表面硬度HVQl340，淬硬層深，牙頂0.5~1.1 mm、牙底0.2-0.4 mm，可解決油管粘扣題目。

   

激光相變硬化工藝不僅在井下采油機械中有一定應(yīng)用．而且在鉆井機械的下部鉆具中也獲得了較多的應(yīng)用舊。鉆桿作為石油鉆井、地質(zhì)鉆探、采礦鉆孔的必備工具，在鉆進過程中起著極其重要的作用。由于地下環(huán)境惡劣，使得鉆桿的壽命縮短，故難以滿足深井鉆探的需求。目前。鉆桿桿體材料經(jīng)常采用30CrMnSiA或45MnMoB．在機械加工前只進行常規(guī)熱處理。吳東江等采用高功率CO2激光器，利用正交實驗法對鉆桿表面進行淬火處理，使鉆桿接頭表面得到了很高的硬度值(HV 0.1 1150)，比基體組織的硬度值(HV 0.1 380)高兩倍以上，比高頻淬火、鍍硬鉻等方法得到的硬度值(HVn 0.1 800)高40％以上，抗磨能力明顯進步。文獻對鉆桿接頭材料30 CrMnSiA鋼進行了表面相變硬化處理，結(jié)果表明，30 CrMnSiA鋼表面相變硬化層分為完全淬硬層、過渡層和受熱影響的基體組織．硬化層的顯微組織明顯細化，其表面層的耐磨性明顯進步。國外曾有人對井下渦輪鉆具中的128700型軸承進行激光快速加熱和深層熔化的改性處理，使表層硬度達到HRC57-60，進步了耐磨性，其支承節(jié)軸承的均勻工作壽命比普通渦輪鉆具支承節(jié)進步2倍以上。

 

 

   

齒輪在傳動系統(tǒng)中起著傳遞動力及改變運動速度和方向的作用。激光相變硬化工藝在齒輪表面強化方面的研究和應(yīng)用也很多。該工藝可以克服傳統(tǒng)的齒輪表面強化工藝(如滲碳淬火、感應(yīng)淬火等)硬化層分布不均、變形大的缺點，能獲得沿齒廓分布的均勻硬化層。

 

激光熔覆的應(yīng)用

激光表面熔覆就是將不同成分的合金粉末填加到激光束加熱所形成的熔池中。并由激光將其熔化．由此產(chǎn)生的熔覆層與金屬基體呈現(xiàn)原子冶金結(jié)合．從而使金屬表面獲得高的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫順抗氧化等綜合性能。與傳統(tǒng)的表面涂層(如堆焊、鍍層、噴鍍等)相比，激光熔覆層具有如下技術(shù)特點

(1)熔覆層與基體可以實現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合或界面擴散結(jié)合。

(2)冷卻速度一般大于10000°C／s，屬于快速凝固過程。輕易得到細晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。

(3)通過對激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控。

(4)激光處理的熱變形小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。

(5)熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm，很適合油田常見易損件的磨損修復(fù)。

(6)輕易實現(xiàn)選區(qū)熔覆。

(7)工藝過程可實現(xiàn)自動化。

   

激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用研究正處于發(fā)展階段。1989年以來，我國閆毓禾在粉碎機錘片上。劉文今在發(fā)動機搖臂表面上。張松等在鼓風(fēng)機葉片上利用激光技術(shù)熔覆硬質(zhì)合金粉末，均取得了成功。使熔覆后工件的使用壽命較原工件的壽命明顯進步。展示了激光熔覆技術(shù)的廣闊應(yīng)用遠景。在石油產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用鮮見報道據(jù)了解。1989年以來。國內(nèi)部分鉆頭廠與一些大學(xué)的科研單位合作，利用激光技術(shù)在鋼齒鉆頭表面熔覆碳化鎢(we)，已經(jīng)取得了初步成果。目前，這項技術(shù)正在推廣應(yīng)用到牙輪鉆頭上。牙輪鉆頭在井底工作時，由于牙輪殼體表面磨損劇烈。牙輪表面經(jīng)常比切削齒先期嚴重磨損。從而出現(xiàn)掉齒、松齒等現(xiàn)象，以致無法鉆進。大大降低了鉆頭的使用壽命。近幾十年來鉆頭廠家一直把滲碳作為進步鉆頭牙輪表面硬度的重要手段，但該工藝其局限性。采用激光熔覆技術(shù)在牙輪表面進行改性處理．顯然是一個更有效的辦法。N J Kar在專利U54781770(E．PO，303，419A1)中曾提出對牙輪殼體表面進行激光熔覆處理。采用直接粘結(jié)、等離子噴涂等方法，預(yù)先將WC粉涂覆到牙輪殼體表面(或用同步送粉法)，然后利用連續(xù)CO2激光器在大于1．5kW、束斑直徑10．0mm的激光束照射下熔化覆層。涂層厚度為0.4-0.8mm。通過多次添加粉末和反復(fù)掃描可獲得更厚的涂層。熔覆層的硬度可達HRC 57-60。除采用上述預(yù)置粉末工藝之外，還可采用超聲噴涂法預(yù)置粉末。這種方法的噴粉速度快、溫度低，其涂層質(zhì)量明顯高于等離子噴涂層。在超聲噴涂層上敷一薄層石墨。以進步工件基體對激光能量的吸收。采用間距為0.25 mm的多道搭接形式完成熔覆。1990年前后。N．J．Kar與Smith國際公司合作。開發(fā)了牙輪鉆頭殼體超聲火焰噴涂硬質(zhì)合金涂層與激光熔覆處理技術(shù)。他們先在牙輪殼體上利用超音速火焰噴涂一層硬質(zhì)合金，以獲得一層較致密的均質(zhì)結(jié)構(gòu)的假合金鍍層．然后用一臺輸出功率為5 kW的CO2激光器進行多道熔凝處理。處理后熔覆層的硬度可超過HRC70。金相顯微鏡和掃描電鏡顯示。激光處理后涂層變得更為致密。涂料熔化也相當(dāng)好。與基底結(jié)合牢固，而且未出現(xiàn)明顯的基材滲透現(xiàn)象和交界處分子遷移現(xiàn)象。經(jīng)過上述處理后的鉆頭在美國幾個地區(qū)經(jīng)現(xiàn)場試驗．無一例激光熔覆涂層的損壞．即使硬質(zhì)合金齒已損壞或折斷甚至鉆頭已完全損壞，熔覆層也仍然存在。我國江漢鉆頭廠先后與華中理工大學(xué)等單位合作．對鋼齒鉆頭表面熔覆WC。通過對激光處理工藝參數(shù)的調(diào)整，使WC顆粒的熔化燒損率明顯降低。保證了顆粒在熔覆層中的有效尺寸和高強度．其耐磨性比生產(chǎn)線上用氫原子敷焊的覆層有了明顯進步。熔覆密封滑動軸承牙輪鉆頭問世以后。對滑動軸承表面如何改性是一個困難。G．M．Ecer提出了獲得復(fù)合軸承表面的新技術(shù)；R．P．Badrack和T．H．Mayo一起提出了對鉆頭軸承表面進行激光熔覆處理的技術(shù)(表面層冷卻后對其進行精加工處理，硬度達HRC55)。

   

抽油泵泵筒內(nèi)壁不僅能用激光相變硬化進行強化．還能通過激光熔覆進行強化和修復(fù)。采用激光熔覆處理，在泵筒內(nèi)壁熔覆上一層耐磨硬質(zhì)合金粉末．使其硬度和耐磨性大大進步。鉆井泵和泥漿泵缸套也可以進行類似處理。

   

閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件。其關(guān)鍵部位是密封面。石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)中的閥門不僅用量大．而且在很多情況下還要在較高溫度和壓力下承受擦傷磨損、沖擊磨損和不同介質(zhì)的腐蝕。國內(nèi)對一些高參數(shù)閥門的關(guān)鍵密封面一般采用等離子噴焊、電弧火焰堆焊等傳統(tǒng)工藝進行強化。中南工學(xué)院石世宏等使用5 kW橫流CO2激光器在石化閥門密封面奧氏體基體上熔覆Ni基自熔合金．與傳統(tǒng)等離子噴焊層對比。經(jīng)激光熔覆的石化閥門密封面能獲得厚度達3.0 mm、表面較平整光滑的合金層。在組織和性能上均明顯優(yōu)于等離子噴焊工藝。王新林等采用5 kW橫流CO2激光器，對不同基體材料的石化高參數(shù)閥門密封面進行激光熔覆。所用合金粉為CoCrWB與NiCrFeBSi。在研究解決了厚層單道熔覆裂紋題目的基礎(chǔ)上，得到了厚2-3.5min、表面平整、無質(zhì)量缺陷的激光熔覆層。

   

由于激光光束面積較小，對一些破損區(qū)域小的零部件進行激光熔覆修補特別方便。效果也很好。如一家維修站用激光修補汽車傳動軸與萬向軸接頭等．英國的Rolls-Royce公司將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于RB211型燃氣輪機葉片連鎖肩的修復(fù)。在石油井下工具中也有很多零部件可采用激光修補技術(shù)，如鉆柱穩(wěn)定器在工作時常與井壁相磨，很輕易磨壞，可在其表面熔覆一層硬質(zhì)合金粉末，以進步其耐磨性。而且一旦該耐磨層被磨掉，還可以在其表面再覆上一層硬質(zhì)合金，修復(fù)工藝簡單快捷。顯而易見。這不僅進步了穩(wěn)定器的使用壽命，而且還可大大節(jié)省原材料，降低本錢。

 

其他激光表面改性技術(shù)的應(yīng)用

激光相變硬化和激光熔覆是在石油石化行業(yè)應(yīng)用最多的激光表面改性工藝，其他的激光表面改性技術(shù)研究和應(yīng)用相對少些。

   

激光熔凝是以很高的激光功率密度、在極短的時間內(nèi)與金屬交互作用，使金屬表面局部區(qū)域在瞬間被加熱到相當(dāng)高的溫度使之熔化，隨后借助于冷態(tài)的金屬基體吸收和傳導(dǎo)熱的作用，使已熔化的極薄表層金屬快速凝固。激光熔凝得到的是鑄態(tài)組織．其硬度較高。耐磨性亦較好。其工藝過程與激光相變硬化類似，只不過功率密度和輻照時間存在差異。鋁合金表面熔凝可以改善表層組織。使其細化．清除表面缺陷，進步鋁的使用性。銅合金表面重熔、熔凝層組織更加細密均勻，導(dǎo)電性和耐磨性進步。對接觸電極導(dǎo)電性起重要作用。該工藝在冶金行業(yè)比較典型的是軋輥激光毛化技術(shù)?？梢栽诿耐瑫r，使激光作用區(qū)的材料獲得超常硬度．給軋面帶來超常的強韌化效果，延長軋輥使用壽命。激光熔凝在石油行業(yè)中的應(yīng)用較少。前蘇聯(lián)鉆井技術(shù)研究所等單位用1 kW的CO2氣體激光器對128700型軸承表面進行短周期的激光快速加熱和深層熔化．然后控制冷卻速度，使鋼球的表面硬度為HRC57-58；軸圈和座圈的表面光潔度高。不必精加工，而且滾道的耐磨性好，強化深度可達1.2 cm。

   

激光合金化類似于激光熔覆．但二者又有不同。激光合金化和激光熔覆都是利用高功率密度的激光束照射被覆在工件表面的金屬或合金涂層。使之熔融。從而強化表面的工藝。二者的主要區(qū)別在于基材表面的熔融程度。激光合金化是用激光束照射被覆純金屬或合金涂層的工件表面。在基材上形成熔池。使合金元素因表面張力和溫度梯度引起機械攪拌，以及在熔池中的擴散，可在極短的時間內(nèi)熔于一層厚度為10-1 0熔化層內(nèi)，以到表面合金化的目的。激光合金化中加進的元素和基材一起熔化。并混進融化的基材中形成一種新的合金．其成分既不同于外加合金。也不同于基材。我國已開始把激光合金化技術(shù)應(yīng)用到實際產(chǎn)品上，以此來強化新型高溫結(jié)構(gòu)材料．以進步其耐磨性圈。當(dāng)激光脈沖功率足夠高時(109 W/cm2)，短時間內(nèi)金屬表面產(chǎn)生汽化、膨脹、爆炸，產(chǎn)生的沖擊波對金屬表面形成很大壓力．使材料表面塑變、位錯等．從而能明顯進步材料的硬度、屈服強度和抗疲憊性能。由激光沖擊波作用，使材料表面硬化和強度進步的方法稱為激光沖擊硬化。這一方法在航空產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用。航空鋁的激光沖擊硬化層可使疲憊強度進步4.5-9.8倍。奧氏體鋼經(jīng)5次沖擊硬化后，硬度進步20％-40％，Ti及其合金經(jīng)激光沖擊硬化也有較好效果。

   

近年來．激光表面強化處理已經(jīng)從相變硬化階段、表面合金化階段發(fā)展到反應(yīng)表面強化階段--即在一定條件下。通過化學(xué)反應(yīng)而在基材表面天生一些強化相，以達到強化的目的，它可分為激光物理氣相沉積(LPW)和激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)。在機械領(lǐng)域．尤以金屬材料的激光陶瓷涂層和涂膜技術(shù)引人注目?？梢酝ㄟ^控制激光功率密度與處理時間來獲得不同性質(zhì)、不同厚度的陶瓷涂層和涂膜陶。這一技術(shù)主要應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)中。但在石油石化行業(yè)的應(yīng)用還有待于開展研究工作。

   

總結(jié)：

石油礦場的工況比較惡劣。很多金屬零部件長期承受重載荷并在有腐蝕、磨損的工況下使用，致使其過早發(fā)生失效破壞，進而縮短使用壽命。停產(chǎn)檢驗和更換新部件．既增加材料本錢．又影響油田生產(chǎn)，帶來多方面的損失。利用激光表面改性技術(shù)能使低等級材料實現(xiàn)高性能表層改性。達到零件低本錢與工作表面高性能的最佳結(jié)合。為解決整體改性和表面改性的矛盾帶來了可能性，對重要構(gòu)件材質(zhì)與性能的選擇匹配、設(shè)計、制造產(chǎn)生重要的影響。目前。激光相變硬化和激光熔覆在石油石化行業(yè)已獲得了一定應(yīng)用，但主要局限于井下采油機械和井下鉆井機械方面。激光加工技術(shù)在石油機械行業(yè)中還未得到廣泛應(yīng)用，還有很多設(shè)備的加工值得采用激光強化技術(shù)。例如石油礦場、石化工廠有很多關(guān)鍵性的易損部件，對損壞零件棄舊換新本錢高，若能使用激光熔覆修復(fù)重新利用，則能明顯降低本錢。另外．輸油管、鉆柱在石油產(chǎn)業(yè)中用量大、質(zhì)量要求高，如能研究出一種高效、實用、經(jīng)濟的高功率激光加工系統(tǒng)，使管材內(nèi)外表面淬火硬化、合金化、非晶化、上釉等，便可解決其腐蝕疲憊斷裂題目，具有明顯的經(jīng)濟效益。另外，若能用激光表面強化技術(shù)對石油產(chǎn)業(yè)中用量很大的抽油桿柱進行強化和修復(fù)，其經(jīng)濟效益也是非?？捎^的。