激光表面改性技术在石油产业的应用

    石油矿场的工况比较恶劣，很多金属零部件长期承受重荷，并在有腐蚀、摩擦和磨损的工况下使用．导致其过早发生失效破坏。利用激光表面改性技术能进步材料的硬度和耐磨性。在激光加工技术中，激光表面强化具有节省能源和材料的上风，文章介绍了激光表面改性的原理、分类和金属表面各种激光改性工艺的特点。重点阐述了激光相变硬化、激光熔覆、激光熔凝、激光合金化、激光冲击硬化在石油产业中的应用情况，展看了该技术在石油产业中的应用远景。

    激光相变硬化（激光淬火）在石油产业的主要应用

    随着各油田相继进进开采的中后期，机械采油在整个开采量中所占的比重越来越大，抽油泵是机械采油的关键设备，由于所开采液体中含有大量的腐蚀性气体。加上一些井底杂质的磨损，抽油泵的泵筒经常损坏．从而严重影响了开采效率。，油田井下使用结果表明。泵筒经激光淬火后，使用寿命进步一倍，但变形甚微，耗电量仅为镀铬工艺的12％。他们还进行了整筒45。钢柱塞和球铁钻井泵缸套的激光淬火试验，均取得了很好的效果。

    激光相变硬化工艺不仅在井下采油机械中有一定应用，而且在钻井机械的下部钻具中也获得了较多的应用。钻杆作为石油钻井、地质钻探、采矿钻孔的必备工具，在钻进过程中起着极其重要的作用。由于地下环境恶劣，使得钻杆的寿命缩短，故难以满足深井钻探的需求。目前。钻杆杆体材料经常采用30CrMnSiA或45MnMoB．在机械加工前只进行常规热处理。对钻杆表面进行淬火处理，使钻杆接头表面得到了很高的硬度值(HV 0.1 1150)，比基体组织的硬度值(HV 0.1 380)高两倍以上，比高频淬火、镀硬铬等方法得到的硬度值(HVn 0.1 800)高40％以上，抗磨能力明显进步。对钻杆接头材料30 CrMnSiA钢进行了表面相变硬化处理，结果表明，30 CrMnSiA钢表面相变硬化层分为完全淬硬层、过渡层和受热影响的基体组织，硬化层的显微组织明显细化，其表面层的耐磨性明显进步。国外曾有人对井下涡轮钻具中的128700型轴承进行激光快速加热和深层熔化的改性处理，使表层硬度达到HRC57-60，进步了耐磨性，其支承节轴承的均匀工作寿命比普通涡轮钻具支承节进步2倍以上。 

    齿轮在传动系统中起着传递动力及改变运动速度和方向的作用。激光相变硬化工艺在齿轮表面强化方面的研究和应用也很多。该工艺可以克服传统的齿轮表面强化工艺(如渗碳淬火、感应淬火等)硬化层分布不均、变形大的缺点，能获得沿齿廓分布的均匀硬化层。

    激光表面熔覆在石油产业的主要应用

    激光表面熔覆就是将不同成分的合金粉末填加到激光束加热所形成的熔池中。并由激光将其熔化，由此产生的熔覆层与金属基体呈现原子冶金结合，从而使金属表面获得高的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温顺抗氧化等综合性能。与传统的表面涂层(如堆焊、镀层、喷镀等)相比，激光熔覆层具有如下技术特点：

    (1)熔覆层与基体可以实现牢固的冶金结合或界面扩散结合。

    (2)冷却速度一般大于10000°C／s，属于快速凝固过程。轻易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。

    (3)通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控。

    (4)激光处理的热变形小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。

    (5)熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm，很适合油田常见易损件的磨损修复。

    (6)轻易实现选区熔覆。

    (7)工艺过程可实现自动化。

    目前，这项技术正在推广应用到牙轮钻头上。牙轮钻头在井底工作时，由于牙轮壳体表面磨损剧烈。牙轮表面经常比切削齿先期严重磨损。从而出现掉齿、松齿等现象，以致无法钻进。大大降低了钻头的使用寿命。近几十年来钻头厂家一直把渗碳作为进步钻头牙轮表面硬度的重要手段，但该工艺其局限性。采用激光熔覆技术在牙轮表面进行改性处理．显然是一个更有效的办法。抽油泵泵筒内壁不仅能用激光相变硬化进行强化．还能通过激光熔覆进行强化和修复。采用激光熔覆处理，在泵筒内壁熔覆上一层耐磨硬质合金粉末．使其硬度和耐磨性大大进步。钻井泵和泥浆泵缸套也可以进行类似处理。

    阀门是流体输送系统中的控制部件。其关键部位是密封面。石油化工生产系统中的阀门不仅用量大．而且在很多情况下还要在较高温度和压力下承受擦伤磨损、冲击磨损和不同介质的腐蚀。国内对一些高参数阀门的关键密封面一般采用等离子喷焊、电弧火焰堆焊等传统工艺进行强化。与传统等离子喷焊层对比，经激光熔覆的石化阀门密封面能获得厚度达3.0 mm、表面较平整光滑的合金层。在组织和性能上均明显优于等离子喷焊工艺。

    近年来．激光表面强化处理已经从相变硬化阶段、表面合金化阶段发展到反应表面强化阶段--即在一定条件下。通过化学反应而在基材表面天生一些强化相，以达到强化的目的，它可分为激光物理气相沉积(LPW)和激光化学气相沉积(LCVD)。在机械领域，尤以金属材料的激光陶瓷涂层和涂膜技术引人注目。可以通过控制激光功率密度与处理时间来获得不同性质、不同厚度的陶瓷涂层和涂膜陶。这一技术主要应用于电子产业中。但在石油石化行业的应用还有待于开展研究工作。

    石油矿场的工况比较恶劣。很多金属零部件长期承受重载荷并在有腐蚀、磨损的工况下使用，致使其过早发生失效破坏，进而缩短使用寿命。停产检验和更换新部件，既增加材料本钱，又影响油田生产，带来多方面的损失。利用激光表面改性技术能使低等级材料实现高性能表层改性。达到零件低本钱与工作表面高性能的最佳结合。为解决整体改性和表面改性的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的影响。

    目前，激光相变硬化和激光熔覆在石油石化行业已获得了一定应用，但主要局限于井下采油机械和井下钻井机械方面。激光加工技术在石油机械行业中还未得到广泛应用，还有很多设备的加工值得采用激光强化技术。例如石油矿场、石化工厂有很多关键性的易损部件，对损坏零件弃旧换新本钱高，若能使用激光熔覆修复重新利用，则能明显降低本钱。另外，输油管、钻柱在石油产业中用量大、质量要求高，如能研究出一种高效、实用、经济的高功率激光加工系统，使管材内外表面淬火硬化、合金化、非晶化、上釉等，便可解决其腐蚀疲惫断裂题目，具有明显的经济效益。另外，若能用激光表面强化技术对石油产业中用量很大的抽油杆柱进行强化和修复，其经济效益也是非常可观的。

文章来源于：激光制造网