激光表面處理技術(shù)如何提升石油機(jī)械設(shè)備的性能

（文章來(lái)源：激光天地）

大家都知道石油是一種重要的能源。但在石油采集中，我國(guó)平均每年發(fā)生500多起鉆具失效事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，耗費(fèi)數(shù)千萬(wàn)美元各種規(guī)格的進(jìn)口井下鉆具。單憑優(yōu)選材料來(lái)讓石油機(jī)械設(shè)備要達(dá)到具有高抗性(抵御惡劣工況的性能)、高強(qiáng)度、高耐磨、優(yōu)良自潤(rùn)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(lái)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(shì)，作用甚大。

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(duì)工件進(jìn)行處理。激光束照射工件表面使材料進(jìn)行無(wú)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(dá)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(dá)108~1010W/cm2，溫度可達(dá)10000 ℃以上，可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸加工，非常適合進(jìn)行材料表面處理。

石油機(jī)械中主要用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承位置再制造，汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子再制造，煙機(jī)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(qiáng)化，石油開采平臺(tái)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(huì)用到激光表面處理技術(shù)。

國(guó)內(nèi)許多公司、科研院所、高校等都致力于激光表面處理的研究，如武漢華工激光工程有限責(zé)任公司、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、清華大學(xué)等。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所全固態(tài)光源實(shí)驗(yàn)室致力于激光清洗、激光熔覆的研究。清華大學(xué)鐘敏霖課題組長(zhǎng)年致力于研究激光合金化、激光熔覆、激光微納加工等激光表面處理技術(shù)，且處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。

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(diǎn)。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(shí)硬化層的耐腐蝕性也極大地提高，工件綜合機(jī)械性能良好，甚至可使普通材料達(dá)到優(yōu)質(zhì)材料所具有的強(qiáng)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(jìn)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(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)了使用壽命和更換周期。

國(guó)內(nèi)激光淬火經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在研發(fā)及應(yīng)用方面取得了極大的進(jìn)步，然而相比國(guó)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(lái)越受重視。激光淬火作為石油機(jī)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(diǎn)，對(duì)各種金屬材料表面激光淬火的研究一直沒(méi)有停止，如20CrMnTi齒輪鋼、35CrMoA、42CrMo、45鋼等石油機(jī)械設(shè)備常用鋼的激光淬火技術(shù)等。

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(qiáng)度和高硬度，同其他涂層技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：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(jìn)行選區(qū)熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格比；光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔覆，綠色無(wú)污染。

作為一種高效的增材制造工藝，激光熔覆在石油機(jī)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(qiáng)化和修復(fù)。從研究上來(lái)說(shuō)，中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司設(shè)備檢修部孫全研究了激光熔覆技術(shù)對(duì)煉油廠火炬氣螺桿壓縮機(jī)殼體及陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的修復(fù)情況，采用多層熔覆工藝，大面積熔覆取得成功，修復(fù)后設(shè)備功能恢復(fù)良好，壓縮量基本滿足生產(chǎn)工藝要求。

中國(guó)石油工程建設(shè)公司張?jiān)倭嫉纫猿橛蜋C(jī)光桿常用的20CrMo鋼為基體材料，選擇Co基、Ni基和Fe基合金粉末為熔覆材料，結(jié)果顯示試件的硬度比基體顯著提高，且其耐磨性均有所提高。程顥等對(duì)油田中使用的注水泵柱塞激光熔覆修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究，選取鎳基粉末作為涂層材料，對(duì)比不同激光參數(shù)下的涂層硬度，可使注水泵柱塞使用壽命延長(zhǎng)50%，成本降低38%以上。

西安石油大學(xué)肖真以普光分公司天然氣凈化廠汽輪機(jī)汽缸結(jié)合面的變形故障作為研究對(duì)象，以激光熔覆技術(shù)對(duì)汽缸變形位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，對(duì)熔覆層進(jìn)行滲透檢測(cè)和超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，熔覆層完好無(wú)缺陷，汽缸回裝后引汽試機(jī)，汽缸漏氣現(xiàn)象消除。

中國(guó)石油大學(xué)(華東)孫建波等在石油鉆桿接頭表面激光熔覆一層耐磨的鐵基合金涂層，具有成型好、組織致密、部件均勻、無(wú)裂紋等優(yōu)點(diǎn)，且激光熔覆耐磨和耐腐蝕鐵基合金涂層的厚度可精確控制在0.3~1.5 mm，解決了油田鉆桿接頭失效過(guò)快的問(wèn)題，且鉆桿接頭的制造和加工過(guò)程的自動(dòng)化很容易實(shí)現(xiàn)。

激光熔覆在石油機(jī)械表面處理中尚未完全實(shí)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(méi)有很好的解決辦法，對(duì)黏結(jié)劑和預(yù)置膜的選用也沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)一步探索，眾多科研人員也致力于解決這些問(wèn)題。

山東建筑大學(xué)于承雪等對(duì)激光熔覆裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，并闡述了裂紋的影響因素和控制方法。浙江省激光加工機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張津超等在Q235A鋼表面制備了CaF2/Ni60復(fù)合涂層，探討了激光掃描速度對(duì)裂紋敏感性的影響。鑒于激光熔覆技術(shù)具有許多傳統(tǒng)涂層技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)一定會(huì)在石油機(jī)械設(shè)備表面處理中發(fā)揮出巨大作用。

激光合金化是利用高能激光束將基體金屬表面熔化，同時(shí)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(jià)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(wú)污染、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

相對(duì)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(duì)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(dòng)零件，如軸類件、連桿、螺栓、螺桿、套筒、進(jìn)氣閥和重要齒輪等。在石油機(jī)械設(shè)備中，激光合金化主要用于油管、螺桿和汽輪機(jī)葉片的表面處理。

盡管激光合金化已在石油機(jī)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(shí)際應(yīng)用中仍有很多問(wèn)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(dá)到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的水平。因?yàn)槠浔砻嫣幚淼膬?yōu)越性，對(duì)于激光合金化的研究工作依然是研究熱點(diǎn)。

隨著人們對(duì)處理工藝和材料強(qiáng)化理論的探索，堅(jiān)信激光表合金化技術(shù)將會(huì)從理論研究很快過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用中，并在實(shí)際中發(fā)揮巨大作用。自激光器問(wèn)世以來(lái)，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(qiáng)化、激光清洗、激光非晶化、激光上釉、激光打標(biāo)、激光毛化、激光形變等，雖然在石油機(jī)械設(shè)備的表面處理中也有應(yīng)用，但相對(duì)較少。

目前在航空航天和軍工領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍，在石油化工領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用市場(chǎng)?？椎萝姷葘?duì)X80管線鋼焊接接頭進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，使焊接接頭疲勞極限強(qiáng)度提高了11.2%。

激光清洗是基于激光與物質(zhì)相互作用發(fā)展而來(lái)的一種新型綠色清洗技術(shù)，與機(jī)械摩擦清洗、化學(xué)腐蝕清洗、液體固體強(qiáng)力沖擊清洗和高頻超聲清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比，具有對(duì)基材損傷小、質(zhì)量好、效率高、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于石油鉆桿、管道、儲(chǔ)罐、螺桿等的表面除銹、除氧化皮、除油污、除油漆和焊前預(yù)處理等方面。

激光打標(biāo)是將需要加工的工件放在高功率密度的聚焦激光束下進(jìn)行局部照射，使被加工表面材料留下永久性刻痕的一種表面處理方法。
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