作者 / 黃俊媛 1, 沈澤俊 1, 張立新 1, 魏松波 1, 楊盈瑩 2, 朱世佳 1, 錢傑 1, 陳琳 1
1中國石油勘探開發研究院採油採氣裝備研究所
2中國科學院半導體研究所
大家都知道石油是一種重要的能源。
但在石油採集中，我國平均每年發生500多起鑽具失效事故，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鑽具。
單憑優選材料來讓石油機械設備要達到具有高抗性(抵禦惡劣工況的性能)、高強度、高耐磨、優良自潤滑性、耐腐蝕和耐衝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。
雷射表面處理技術以其技術優勢，作用甚大。
圖1 石油採集現場圖
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雷射表面處理技術是什麼？
雷射表面處理技術是一種熱加工方式，利用雷射的高能量對工件進行處理。
雷射束照射工件表面使材料進行無損加熱，高溫使之熔化、蒸發、氣化並濺出，隨後雷射束被切斷或移開，工件表面快速冷凝達到表面改性的目的。雷射具有高能量、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。
雷射表面處理技術具有以下特點：
1) 雷射束易於傳輸和導向，可對工件局部或複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，不造成環境汙染;
5) 通常只能處理一些薄板金屬，不適宜處理較厚的板材;
6) 雷射對人眼的傷害性可能影響工作人員的安全，須致力於發展安全設施。
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，大體分為雷射淬火、雷射熔覆、雷射合金化、雷射衝擊硬化和雷射非晶化等。
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不同雷射表面處理技術及應用
石油機械中主要用於發電機轉子軸承位置再製造，汽輪機葉片、轉子再製造，煙機輪盤再製造，各種腐蝕性泵體表面雷射耐蝕熔覆，石油輸送管道雷射強化，石油開採平臺鑽井螺杆及扶正器、穩定器等零部件表面的雷射防腐、耐磨熔覆等都會用到雷射表面處理技術。
國內許多公司、科研院所、高校等都致力於雷射表面處理的研究，如武漢華工雷射工程有限責任公司、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於雷射清洗、雷射熔覆的研究。清華大學鍾敏霖課題組長年致力於研究雷射合金化、雷射熔覆、雷射微納加工等雷射表面處理技術，且處於國內外領先水平。
01
雷射淬火
與常規表面淬火相比：雷射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，雷射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。
但雷射表面淬火技術的使用局限性也比較大，適用於需表面硬化且淬硬層較淺的零件。因此，雷射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，以及形狀複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。雷射淬火已經應用於組合泵缸套、整體泵泵筒、油管螺紋和鑽杆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。
國內雷射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，但是其相較於傳統淬火方法具有很大的優越性，因此越來越受重視。雷射淬火作為石油機械雷射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雷射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雷射淬火技術等。
02
雷射熔覆
圖2 雷射熔覆
雷射熔覆通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度雷射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 雷射熔覆示意圖
熔覆材料主要分為金屬粉末、陶瓷粉末和複合粉末。雷射熔覆層因具有良好的結合強度和高硬度，同其他塗層技術相比，具有以下特點：
冷卻速度快；熱輸入和畸變較小，塗層稀釋率低(一般小於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，綠色無汙染。
作為一種高效的增材製造工藝，雷射熔覆在石油機械設備中常用於石油管道閥門、注水泵柱塞、抽油光杆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雷射熔覆技術對煉油廠火炬氣螺杆壓縮機殼體及陰陽轉子的修復情況，採用多層熔覆工藝，大面積熔覆取得成功，修復後設備功能恢復良好，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杆常用的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雷射熔覆修復技術進行了研究，選取鎳基粉末作為塗層材料，對比不同雷射參數下的塗層硬度，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淨化廠汽輪機汽缸結合面的變形故障作為研究對象，以雷射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，汽缸回裝後引汽試機，汽缸漏氣現象消除。
中國石油大學(華東)孫建波等在石油鑽杆接頭表面雷射熔覆一層耐磨的鐵基合金塗層，具有成型好、組織緻密、部件均勻、無裂紋等優點，且雷射熔覆耐磨和耐腐蝕鐵基合金塗層的厚度可精確控制在0.3~1.5 mm，解決了油田鑽杆接頭失效過快的問題，且鑽杆接頭的製造和加工過程的自動化很容易實現。
雷射熔覆在石油機械錶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，塗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於解決這些問題。
山東建築大學於承雪等對雷射熔覆裂紋的形成機理進行了研究，並闡述了裂紋的影響因素和控制方法。浙江省雷射加工機器人重點實驗室張津超等在Q235A鋼表面製備了CaF2/Ni60複合塗層，探討了雷射掃描速度對裂紋敏感性的影響。鑑於雷射熔覆技術具有許多傳統塗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
雷射合金化
圖4 雷射合金化
雷射合金化是利用高能雷射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製備出耐磨損、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，雷射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、清潔無汙染、易於實現自動化等優點。
相對於雷射熔覆，雷射合金化的合金元素完全溶解於表層內，所獲得的薄層成分很均勻，對開裂和剝落等傾向不敏感，適合製造高硬度、高耐磨性的重載傳動零件，如軸類件、連杆、螺栓、螺杆、套筒、進氣閥和重要齒輪等。在石油機械設備中，雷射合金化主要用於油管、螺杆和汽輪機葉片的表面處理。
儘管雷射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，雷射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，對於雷射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，堅信雷射表合金化技術將會從理論研究很快過渡到實際應用中，並在實際中發揮巨大作用。
04
其他雷射表面處理技術
自雷射器問世以來，形成了20多種雷射表面處理技術，除了以上3種以外，還有雷射衝擊強化、雷射清洗、雷射非晶化、雷射上釉、雷射打標、雷射毛化、雷射形變等，雖然在石油機械設備的表面處理中也有應用，但相對較少。
雷射衝擊強化是一種利用雷射誘導等離子體衝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 雷射衝擊原理圖
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。孔德軍等對X80管線鋼焊接接頭進行雷射衝擊強化處理，使焊接接頭疲勞極限強度提高了11.2%。
雷射清洗是基於雷射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、液體固體強力衝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、清潔無汙染等優點，可應用於石油鑽杆、管道、儲罐、螺杆等的表面除鏽、除氧化皮、除油汙、除油漆和焊前預處理等方面。
雷射打標是將需要加工的工件放在高功率密度的聚焦雷射束下進行局部照射，使被加工表面材料留下永久性刻痕的一種表面處理方法。
戴偉利用光纖雷射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的幹氣密封環。常秋英等利用LM-YLP-20F-Ⅱ型雷射打標機在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幹摩擦的磨損性能。
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總 結
雷射表面處理技術精度高、工件變形小、清潔無汙染，適合高端石油裝備的製造，但該技術在我國石油機械中的應用並未受到足夠重視，尚待從以下方面努力：
01
研製出新的雷射器，提高雷射功率，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、形狀更複雜的工件的需要。
02
加強雷射表面處理技術改性機理的理論研究，並從理論上對產生殘餘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，加強對雷射表面處理工藝參數、材料性能以及表面狀況等處理後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
加強雷射與新材料、新工藝的複合技術，比如雷射熔覆/微弧氧化、雷射淬火/離子注入等複合表面處理技術，雷射表面納米化技術、雷射3D列印、雷射電鍍等新工藝，雷射熔覆非晶塗層、高熵塗層等新材料複合處理技術。複合多種技術可以綜合多種處理技術的優點，處理效果遠遠高於單純的雷射表面處理技術。
相較於其他表面處理技術，雷射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，雷射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並舉，要求降低開採成本，提高開採效率，而雷射表面處理技術的特點決定了該技術是降低採油機械設備成本的最有效途徑之一。
02
各油田油氣開採條件不斷惡化，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，雷射表面處理技術在石油機械中所涉及的應用範圍不斷擴大。
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中國製造2025的核心是智能製造，智能製造的核心之一是光電技術，而光電技術的核心之一正是雷射技術。雷射行業本身的市場規模雖小，但卻是驅動製造業發展的核心力量之一，其重要性不言而喻，雷射表面處理技術勢必會因勢發展，成為石油機械錶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, 錢傑, 陳琳. .雷射表面處理技術在石油機械中的應用 雷射與光電子學進展, 2019, 56(6): 060005
來自：黃俊媛、楊盈瑩等光電匯OESHOW，雷射天地轉載