激光表面處理技術如何提升石油機械設備性能？

大家都知道石油是一種重要的能源。

但在石油采集中，我國平均每年發生500多起鉆具失效事故，造成了嚴重的經濟損失，耗費數千萬美元各種規格的進口井下鉆具。

單憑優選材料來讓石油機械設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。

激光表面處理技術以其技術優勢，作用甚大。

圖1 石油采集現場圖

1

激光表面處理技術是什么？

激光表面處理技術是一種熱加工方式，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、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108~1010W/cm2，溫度可達10000 ℃以上，可實現無接觸加工，非常適合進行材料表面處理。

激光表面處理技術具有以下特點：

1) 激光束易于傳輸和導向，可對工件局部或復雜零件表面和內部進行處理;

2) 能量作用集中，加工時間短，熱影響區小，工件變形小;

3) 極易與數控系統配合，實現自動化控制，勞動生產率高;

4) 加工成本低，節省能源，不造成環境污染;

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，須致力于發展安全設施。

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及應用

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、耐磨熔覆等都會用到激光表面處理技術。

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，如武漢華工激光工程有限責任公司、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院半導體研究所、清華大學等。中國科學院半導體研究所全固態光源實驗室致力于激光清洗、激光熔覆的研究。清華大學鐘敏霖課題組長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，且處于國內外領先水平。

01

激光淬火

與常規表面淬火相比：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、表面粗糙度高、表面硬度高、一般不需回火等優點。

與常規淬火相比，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質材料所具有的強度和硬度。

但激光表面淬火技術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。

國內激光淬火經過幾十年的發展，在研發及應用方面取得了極大的進步，然而相比國際領先水平仍存在較大的差距，但是其相較于傳統淬火方法具有很大的優越性，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鋼等石油機械設備常用鋼的激光淬火技術等。

02

激光熔覆

圖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，具體工藝示意圖如下圖所示。

圖3 激光熔覆示意圖

熔覆材料主要分為金屬粉末、陶瓷粉末和復合粉末。激光熔覆層因具有良好的結合強度和高硬度，同其他涂層技術相比，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%)，與基體呈冶金結合；

能進行選區熔覆，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。

從研究上來說，中國石油遼陽石化分公司設備檢修部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，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。

中國石油工程建設公司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，結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50%，成本降低38%以上。

西安石油大學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。

中國石油大學(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、無裂紋等優點，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。

激光熔覆在石油機械表面處理中尚未完全實現產業化，主要原因是熔覆層質量不穩定，涂層易產生裂紋這一難題還沒有很好的解決辦法，對黏結劑和預置膜的選用也沒有形成統一的標準，大面積熔覆難以控制材料表面的顯微硬度。許多關鍵技術還有待進一步探索，眾多科研人員也致力于解決這些問題。

山東建筑大學于承雪等對激光熔覆裂紋的形成機理進行了研究，并闡述了裂紋的影響因素和控制方法。浙江省激光加工機器人重點實驗室張津超等在Q235A鋼表面制備了CaF2/Ni60復合涂層，探討了激光掃描速度對裂紋敏感性的影響。鑒于激光熔覆技術具有許多傳統涂層技術不可比擬的優勢，未來一定會在石油機械設備表面處理中發揮出巨大作用。

03

激光合金化

圖4 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，合金化元素為溶質的基礎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，節約貴重金屬材料和戰略材料，使生產成本大幅下降。

與常規熱處理相比，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、易于實現自動化等優點。

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，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備表面處理中得到了廣泛關注與研究，但其工藝及理論的研究都尚未成熟，在實際應用中仍有很多問題，比如合金化層存在裂紋、表面不平以及孔洞等缺陷，激光處理配套設備未達到大規模工業應用的水平。因為其表面處理的優越性，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將會從理論研究很快過渡到實際應用中，并在實際中發揮巨大作用。

04

其他激光表面處理技術

自激光器問世以來，形成了20多種激光表面處理技術，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，雖然在石油機械設備的表面處理中也有應用，但相對較少。

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。其原理圖如下圖所示。

圖5 激光沖擊原理圖

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80管線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%。

激光清洗是基于激光與物質相互作用發展而來的一種新型綠色清洗技術，與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗和高頻超聲清洗等傳統清洗方法相比，具有對基材損傷小、質量好、效率高、清潔無污染等優點，可應用于石油鉆桿、管道、儲罐、螺桿等的表面除銹、除氧化皮、除油污、除油漆和焊前預處理等方面。

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

戴偉利用光纖激光打標機加工出了任意槽數、任意槽形、外徑40~300 mm、槽深0.002~0.01 mm、精度在±0.002 mm的干氣密封環。常秋英等利用LM-YLP-20F-Ⅱ型激光打標機在45#鋼試件表面加工出具有規則排列的圓形微坑陣列，一定條件下可以改善干摩擦的磨損性能。

3

總 結

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，但該技術在我國石油機械中的應用并未受到足夠重視，尚待從以下方面努力：

01

研制出新的激光器，提高激光功率，同時發展輔助設備，如光束成形和制導系統，以滿足處理面積更大、形狀更復雜的工件的需要。

02

加強激光表面處理技術改性機理的理論研究，并從理論上對產生殘余拉應力和裂紋等缺陷的機理進行深入研究，提出具體解決方案。

03

與計算機模擬仿真技術相結合，加強對激光表面處理工藝參數、材料性能以及表面狀況等處理后表面層性能影響的研究，探索最優工藝參數組合，發展成形工藝。

04

加強激光與新材料、新工藝的復合技術，比如激光熔覆/微弧氧化、激光淬火/離子注入等復合表面處理技術，激光表面納米化技術、激光3D打印、激光電鍍等新工藝，激光熔覆非晶涂層、高熵涂層等新材料復合處理技術。復合多種技術可以綜合多種處理技術的優點，處理效果遠遠高于單純的激光表面處理技術。

相較于其他表面處理技術，激光表面處理技術具有的巨大優越性決定其依然有很大發展潛力，在石油機械設備的表面處理上，激光表面處理技術依然具有廣闊的應用和發展前景。

01

隨著經營管理體制改革的進一步深化，各油田追求油氣產量和總體經濟效益并舉，要求降低開采成本，提高開采效率，而激光表面處理技術的特點決定了該技術是降低采油機械設備成本的最有效途徑之一。

02

各油田油氣開采條件不斷惡化，高溫高壓、深井、超深井的數量也逐漸增多，對石油機械設備的材料性能提出了更高要求，激光表面處理技術在石油機械中所涉及的應用范圍不斷擴大。

03

中國制造2025的核心是智能制造，智能制造的核心之一是光電技術，而光電技術的核心之一正是激光技術。激光行業本身的市場規模雖小，但卻是驅動制造業發展的核心力量之一，其重要性不言而喻，激光表面處理技術勢必會因勢發展，成為石油機械表面處理技術中不可或缺的中堅力量。

參考文獻：

黃俊媛, 沈澤俊, 張立新, 魏松波, 楊盈瑩, 朱世佳, 錢杰, 陳琳. .激光表面處理技術在石油機械中的應用 激光與光電子學進展, 2019, 56(6): 060005