石油礦場(chǎng)的工況比較惡劣，很多金屬零部件長期承受重荷，并在有腐蝕、摩擦和磨損的工況下使用．導(dǎo)致其過早發(fā)生失效破壞。利用激光表面改性技術(shù)能進(jìn)步材料的硬度和耐磨性。在激光加工技術(shù)中，激光表面強(qiáng)化具有節(jié)省能源和材料的上風(fēng)，文章介紹了激光表面改性的原理、分類和金屬表面各種激光改性工藝的特點(diǎn)。重點(diǎn)闡述了激光相變硬化、激光熔覆、激光熔凝、激光合金化、激光沖擊硬化在石油產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用情況，展看了該技術(shù)在石油產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用遠(yuǎn)景。
20世紀(jì)60年代激光問世。20世紀(jì)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(jìn)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(biāo)及激光表面強(qiáng)化等。
在激光加工技術(shù)中．激光表面強(qiáng)化具有節(jié)省能源、材料的上風(fēng)和明顯的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)，激光被材料吸收變?yōu)闊崮埽韺硬牧鲜軣嵘郎亍Ｓ捎诠β始性谝粋€(gè)很小的表面上，在很短時(shí)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(shí)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(shí)間及作用方式的不同，可實(shí)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(shí)間坐標(biāo)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(shí)間。
當(dāng)激光束照射到材料表面時(shí)，激光被材料吸收變?yōu)闊崮埽韺硬牧鲜軣嵘郎亍Ｓ捎诠β始性谝粋€(gè)很小的表面上，在很短時(shí)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(shí)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(shí)間及作用方式的不同，可實(shí)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(shí)間坐標(biāo)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(shí)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(shí)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(jìn)行自冷淬火，實(shí)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(xì)且均勻、工件改性效果好等多種上風(fēng)在進(jìn)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(jī)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(jī)械研究所等單位率先開展該項(xiàng)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(jī)械等很多產(chǎn)業(yè)部分。隨著各油田相繼進(jìn)進(jìn)開采的中后期，機(jī)械采油在整個(gè)開采量中所占的比重越來越大．抽油泵是機(jī)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(yán)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(jī)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(jìn)步一倍．但變形甚微，耗電量僅為鍍鉻工藝的12％。他們還進(jìn)行了整筒45。鋼柱塞和球鐵鉆井泵缸套的激光淬火試驗(yàn)，均取得了很好的效果。
近些年。很多研究者對(duì)抽油泵激光相變硬化工藝進(jìn)行了大量的研究。例如勝利油田錢暉對(duì)內(nèi)徑44～83 rain、長300 mm組合抽油泵缸套進(jìn)行了激光淬火．缸套內(nèi)表面硬度達(dá)到HRC60～66，硬化層深度達(dá)到0.4-0.6 mm，缸套直徑上變形僅為0.03 mill左右．遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)熱處理的變形量，大幅度進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行激光淬火的技術(shù)困難。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況確定了經(jīng)C-N共滲處理后再進(jìn)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(duì)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(jìn)行比較，結(jié)果表明，整筒抽油泵泵筒采用C-N共滲后再進(jìn)行激光淬火，具有生產(chǎn)效率高、耗能少、本錢低等優(yōu)點(diǎn)。并且擴(kuò)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(jìn)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(qiáng)、耐磨性好的強(qiáng)化層。不僅可使缸套在含砂的鉆井液介質(zhì)中具有很強(qiáng)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(shí)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(duì)油管螺紋進(jìn)行淬火，經(jīng)處理后的材料表面呈超細(xì)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(jī)械中有一定應(yīng)用．而且在鉆井機(jī)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(jìn)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(jī)械加工前只進(jìn)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(shí)驗(yàn)法對(duì)鉆桿表面進(jìn)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(jìn)步。文獻(xiàn)對(duì)鉆桿接頭材料30 CrMnSiA鋼進(jìn)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(xì)化，其表面層的耐磨性明顯進(jìn)步。國外曾有人對(duì)井下渦輪鉆具中的128700型軸承進(jìn)行激光快速加熱和深層熔化的改性處理，使表層硬度達(dá)到HRC57-60，進(jìn)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(jìn)步2倍以上。
