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。而且在工業(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工業(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、激光測量、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、材料的優(yōu)勢和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。本文總結(jié)并探討激光表面改性在石油工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。
    l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，激光被材料吸收變?yōu)闊崮�，表層材料受熱升溫。由于功率集中在一個很小的表面上，在很短時間內(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間。
    2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優(yōu)勢在提高產(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形狀復(fù)雜、壁薄的零件表面改性問題。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)械等許多工業(yè)部門。隨著各油田相繼進(jìn)入開采的中后期，機(jī)械采油在整個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，使用壽命提高一倍．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。許多研究者對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，大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
    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，東北輸油管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)難題。并根據(jù)現(xiàn)場試驗(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、成本低等優(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)力的釋放，其使用壽命略高于高鉻鑄鐵雙金屬缸套，且成本較低。
    油管螺紋在上卸時常出現(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，可解決油管粘扣問題。
    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C02激光器，利用正交實(shí)驗(yàn)法對鉆桿表面進(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，抗磨能力明顯提高。文獻(xiàn)對鉆桿接頭材料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提高。國外曾有人對井下渦輪鉆具中的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，提高了耐磨性，其支承節(jié)軸承的平均工作壽命比普通渦輪鉆具支承節(jié)提高2倍以上。
    齒輪在傳動系統(tǒng)中起著傳遞動力及改變運(yùn)動速度和方向的作用。激光相變硬化工藝在齒輪表面強(qiáng)化方面的研究和應(yīng)用也很多。該工藝可以克服傳統(tǒng)的齒輪表面強(qiáng)化工藝(如滲碳淬火、感應(yīng)淬火等)硬化層分布不均、變形大的缺點(diǎn)，能獲得沿齒廓分布的均勻硬化層。