激光表面處理技術在石油機械中主要用于發電機轉子軸承位置再制造，汽輪機葉片、轉子再制造，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、穩定器等零部件表面的激光防腐、耐磨熔覆等。國內許多公司、科研院所、高校等都致力于激光表面處理的研究。

激光淬火

已經應用于組合泵缸套、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。史春軒等對美國石油學會（ＡＰＩ）油管螺紋表面進行淬火，硬化層深度控制在牙頂０．４～０．８ｍｍ，牙底０．１～０．４ｍｍ，淬硬層硬度控制在３２０～４００ＨＶ，增強了螺紋的表面硬度和耐磨、耐蝕性能，有效解決了油管黏扣問題。葛鵬飛對石油鉆桿進行激光淬火，接頭表面硬度比氮化表面硬度高１０％左右，硬化層深度是氮化表面厚度的２～３倍，極大地提高了鉆桿接頭螺紋的機械性能和使用壽命。郝廣輝對牙輪鉆頭球面浮動套軸承進行激光淬火，使得球面浮動套軸承內外表面的硬化層硬度達到了８３３．４５４ＨＶ，而軸承芯部硬度值在２００ＨＶ 左右，提高了軸承的耐磨性，也實現了球面浮動套軸承的外剛內韌。華?？〉葘δ酀{泵缸套表面進行激光淬火，硬度顯著提高，可達１１０５．７ＨＶ，表面摩擦系數也從未淬火的０．６５下降到淬火后的０．３，磨損率也顯著減小。計算機數值模擬為激光淬火過程提供了良好的理論基礎，對實驗研究及應用均具有重要的參考價值。青島理工大學惠英龍等模擬了１８ＣｒＮｉ８齒輪鋼在激光淬火時的溫度場，比較真實地模擬了齒面的激光淬火過程，模擬結果和實際情況極為相近。將激光淬火與其他常用的熱處理方法、熱－化學處理等技術相結合也是極具潛力的一個發展方向，如激光淬火－離子滲硫復合技術、激光淬火－滲氮復合技術等，實現優勢互補。王祎雪對３８ＣｒＭｏＡｌ鋼采用離子滲氮與激光淬火復合處理，發現復合工藝改性層的硬度及厚度相比于單一的激光淬火處理顯著提高。

激光熔覆

作為一種高效的增材制造工藝，激光熔覆在石油機械設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。孫全研究了激光熔覆技術對煉油廠火炬氣螺桿壓縮機殼體及陰陽轉子的修復情況，采用多層熔覆工藝，熔覆層數達到了５層，最厚熔覆層總厚度達到４ｍｍ，大面積熔覆取得成功，修復后設備功能恢復良好，壓縮量基本滿足生產工藝要求。張再良等以抽油機光桿常用的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，測得合金涂層硬度Ｃｏ基為５２０ ＨＶ０．２，Ｎｉ基為４０８ＨＶ０．２，Ｆｅ 基為３７０ ＨＶ０．２，而基體硬度為２６５ＨＶ０．２，試件的硬度比基體顯著提高，且其耐磨性均有所提高。程顥等對油田中使用的注水泵柱塞激光熔覆修復技術進行了研究，選取鎳基粉末作為涂層材料，對比不同激光參數下的涂層硬度，可使注水泵柱塞使用壽命延長５％，成本降低３８％以上。肖真以普光分公司天然氣凈化廠汽輪機汽缸結合面的變形故障作為研究對象，以激光熔覆技術對汽缸變形位置進行現場修復，對熔覆層進行滲透檢測和超聲波檢測發現，熔覆層完好無缺陷，汽缸回裝后引汽試機，汽缸漏氣現象消除。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、無裂紋等優點，并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０．３～１．５ｍｍ，解決了油田鉆桿接頭失效過快的問題，且鉆桿接頭的制造和加工過程的自動化很容易實現。

激光熔覆層及２０ＣｒＭｏ基體的磨損失重圖

激光合金化

在石油機械設備中，激光合金化主要用于油管、螺桿和汽輪機葉片的表面處理。孫小磊等在Ｎ８０油管表面預置Ｎｉ－Ｃｒ－Ｔｉ－Ｂ４Ｃ－Ｌａ２Ｏ３合金粉末，通過激光處理后合金化層的硬度最高可達５８０ＨＶ０．２，比基體高３０ＨＶ０．２左右，腐蝕電流密度由０．３０２μＡ／ｃｍ２ 降低到０．１２５μＡ／ｃｍ２，耐蝕性得到改善。劉通等在４５＃鋼表面激光合金化不同比例的ＮｉＣｒ與Ａｌ２Ｏ３混合粉末后，合金化層的平均耐磨性能是基材的６倍以上，且Ａｌ２Ｏ３含量越高，

耐磨性能越好。王玨等對４０Ｃｒ材質的螺桿進行激光納米合金強化后，其硬度相對基體提高３倍，硬化層厚度大于０．２５ｍｍ，平均壽命提高了２～３倍。姚建華等對調質態２Ｃｒ１３低碳馬氏體不銹鋼汽輪機葉片進行激光合金化處理，硬化層表面平均硬度提高了１８０％左右，殘余壓應力轉變為殘余拉應力。

Ｍｏ含量與合金化層硬度的關系曲線

激光沖擊強化

激光沖擊強化是一種利用激光誘導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，具有強化效果顯著、可控性強、適應性好等優點，對提高結構可靠性和部件疲勞強度、延長材料使用壽命具有重要作用，其原理圖如圖６所示。目前在航空航天和軍工領域應用比較普遍，在石油化工領域具有巨大的潛在應用市場?？椎萝姷葘Γ兀福肮芫€鋼焊接接頭進行激光沖擊強化處理，使焊接接頭疲勞極限強度提高了11.２％。

激光沖擊原理圖

相對于傳統的表面處理方式，激光表面處理技術精度高、工件變形小、清潔無污染，適合高端石油裝備的制造。

久恒光電摘編自《激光與光電子學進展》2019年3月

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