大家都知道石油是一種重要的能源。

　　但在石油采集中，我國平均每年發(fā)生500多起鉆具失效事故，造成了嚴重的經(jīng)濟損失，耗費數(shù)千萬美元各種規(guī)格的進口井下鉆具。

　　單憑優(yōu)選材料來讓石油機械設(shè)備要達到具有高抗性(抵御惡劣工況的性能)、高強度、高耐磨、優(yōu)良自潤滑性、耐腐蝕和耐沖蝕等綜合性能的要求是不夠的，還得配上材料表面處理工藝來提高材料的綜合性能。

　　激光表面處理技術(shù)以其技術(shù)優(yōu)勢，作用甚大。

　　1. 激光表面處理技術(shù)是什么?

　　激光表面處理技術(shù)是一種熱加工方式，利用激光的高能量對工件進行處理。

　　激光束照射工件表面使材料進行無損加熱，高溫使之熔化、蒸發(fā)、氣化并濺出，隨后激光束被切斷或移開，工件表面快速冷凝達到表面改性的目的。激光具有高能量、高密度的特性，功率密度可達108~1010 W/cm2，溫度可達10000 ℃以上，可實現(xiàn)無接觸加工，非常適合進行材料表面處理。

　　激光表面處理技術(shù)具有以下特點：

　　(1)激光束易于傳輸和導(dǎo)向，可對工件局部或復(fù)雜零件表面和內(nèi)部進行處理;

　　(2)能量作用集中，加工時間短，熱影響區(qū)小，工件變形小;

　　(3)極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，實現(xiàn)自動化控制，勞動生產(chǎn)率高;

　　(4)加工成本低，節(jié)省能源，不造成環(huán)境污染;

　　(5)通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材;

　　(6) 激光對人眼的傷害性可能影響工作人員的安全，須致力于發(fā)展安全設(shè)施。

　　它可以改善材料表面的力學性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等性能，大體分為激光淬火、激光熔覆、激光合金化、激光沖擊硬化和激光非晶化等。

　　2. 不同激光表面處理技術(shù)及應(yīng)用

　　石油機械中主要用于發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承位置再制造，汽輪機葉片、轉(zhuǎn)子再制造，煙機輪盤再制造，各種腐蝕性泵體表面激光耐蝕熔覆，石油輸送管道激光強化，石油開采平臺鉆井螺桿及扶正器、穩(wěn)定器等零部件表面的激光防腐、耐磨熔覆等都會用到激光表面處理技術(shù)。

　　(1)激光淬火

　　與常規(guī)表面淬火相比：激光淬火具有加熱速度極快、冷卻速度也很快、不需要冷卻介質(zhì)、表面粗糙度高、表面硬度高、一般不需回火等優(yōu)點。

　　與常規(guī)淬火相比，激光淬火得到的硬度提高15%~20%，耐磨性提高2~4倍，同時硬化層的耐腐蝕性也極大地提高，工件綜合機械性能良好，甚至可使普通材料達到優(yōu)質(zhì)材料所具有的強度和硬度。

　　但激光表面淬火技術(shù)的使用局限性也比較大，適用于需表面硬化且淬硬層較淺的零件。因此，激光表面淬火工藝通常應(yīng)用在不需要整體淬硬、工件精度要求高，或者用其他淬火方式難以處理，以及形狀復(fù)雜需要進一步提高硬度、耐磨性的工件上，比較適合齒輪、曲軸、氣缸、整體泵泵筒等細長管類的表面處理。激光淬火已經(jīng)應(yīng)用于組合泵缸套、整體泵泵筒、油管螺紋和鉆桿接頭螺紋等零件的表面改性，有效提高了零件的耐磨性、延長了使用壽命和更換周期。

　　國內(nèi)激光淬火經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在研發(fā)及應(yīng)用方面取得了極大的進步，然而相比國際領(lǐng)先水平仍存在較大的差距，但是其相較于傳統(tǒng)淬火方法具有很大的優(yōu)越性，因此越來越受重視。激光淬火作為石油機械激光表面處理技術(shù)最常用的加工方式，目前依然是研究的熱點，對各種金屬材料表面激光淬火的研究一直沒有停止，如20CrMnTi齒輪鋼、35CrMoA、42CrMo、45鋼等石油機械設(shè)備常用鋼的激光淬火技術(shù)等。

　　(2)激光熔覆

　　激光熔覆通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束將不同成分和性能的合金與基材表層快速熔化，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層。

　　熔覆材料主要分為金屬粉末、陶瓷粉末和復(fù)合粉末。激光熔覆層因具有良好的結(jié)合強度和高硬度，同其他涂層技術(shù)相比，具有以下特點：

　　· 冷卻速度快;

　　· 熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低(一般小于5%)，與基體呈冶金結(jié)合;

　　· 能進行選區(qū)熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能價格比;

　　· 光束瞄準可以使難以接近的區(qū)域熔覆，綠色無污染。

　　作為一種高效的增材制造工藝，激光熔覆在石油機械設(shè)備中常用于石油管道閥門、注水泵柱塞、抽油光桿和壓裂泵閥座等高附加值零件的表面強化和修復(fù)。

　　激光熔覆在石油機械表面處理中尚未完全實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主要原因是熔覆層質(zhì)量不穩(wěn)定，涂層易產(chǎn)生裂紋這一難題還沒有很好的解決辦法，對黏結(jié)劑和預(yù)置膜的選用也沒有形成統(tǒng)一的標準，大面積熔覆難以控制材料表面的顯微硬度。許多關(guān)鍵技術(shù)還有待進一步探索，眾多科研人員也致力于解決這些問題。

　　(3)激光合金化

　　激光合金化是利用高能激光束將基體金屬表面熔化，同時加入合金化元素，在以基體為溶劑，合金化元素為溶質(zhì)的基礎(chǔ)上形成一層濃度高且均勻的合金層。能夠在一些價格便宜、表面性能不夠優(yōu)越的基體材料表面上制備出耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化的表面合金層，用以取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略材料，使生產(chǎn)成本大幅下降。

　　與常規(guī)熱處理相比，激光合金化具有敷層稀釋率低，合金化層不易剝落，粉末和基體材料使用面廣，基體熔化量少，工件變形小、清潔無污染、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。

　　相對于激光熔覆，激光合金化的合金元素完全溶解于表層內(nèi)，所獲得的薄層成分很均勻，對開裂和剝落等傾向不敏感，適合制造高硬度、高耐磨性的重載傳動零件，如軸類件、連桿、螺栓、螺桿、套筒、進氣閥和重要齒輪等。在石油機械設(shè)備中，激光合金化主要用于油管、螺桿和汽輪機葉片的表面處理。

　　盡管激光合金化已在石油機械設(shè)備表面處理中得到了廣泛關(guān)注與研究，但其工藝及理論的研究都尚未成熟，在實際應(yīng)用中仍有很多問題，比如合金化層存在裂紋、表面不平以及孔洞等缺陷，激光處理配套設(shè)備未達到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的水平。因為其表面處理的優(yōu)越性，對于激光合金化的研究工作依然是研究熱點。

　　隨著人們對處理工藝和材料強化理論的探索，堅信激光表合金化技術(shù)將會從理論研究很快過渡到實際應(yīng)用中，并在實際中發(fā)揮巨大作用。

　　(4)其他激光表面處理技術(shù)

　　自激光器問世以來，形成了20多種激光表面處理技術(shù)，除了以上3種以外，還有激光沖擊強化、激光清洗、激光非晶化、激光上釉、激光打標、激光毛化、激光形變等，雖然在石油機械設(shè)備的表面處理中也有應(yīng)用，但相對較少。

　　激光沖擊強化是一種利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波來提高材料疲勞壽命的新型表面改性技術(shù)，具有強化效果顯著、可控性強、適應(yīng)性好等優(yōu)點，對提高結(jié)構(gòu)可靠性和部件疲勞強度、延長材料使用壽命具有重要作用。