20世紀(jì)60年代激光問(wèn)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(kāi)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(zhǎng)足進(jìn)步。經(jīng)過(guò)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。激光加工技術(shù)從問(wèn)世以來(lái)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(cè)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(shì)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(shí)，激光被材料吸收變?yōu)闊崮埽�表層材料受熱升溫。由于功率集中在一個(gè)很小的表面上，在很短時(shí)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(kāi)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(shí)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(jiàn)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(shí)間坐標(biāo)系中所處的位置閣。這些過(guò)程在很大程度上取決于功率密度和輻照時(shí)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(shí)工件仍處于冷態(tài)，隨著激光束離開(kāi)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(shì)在提高產(chǎn)品壽命方面占據(jù)越來(lái)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(wèn)題。激光相變硬化加工方法早在70年代就已在美國(guó)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(guó)激光熱處理的研究、開(kāi)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(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位率先開(kāi)展該項(xiàng)工作以來(lái)。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(mén)。隨著各油田相繼進(jìn)入開(kāi)采的中后期，機(jī)械采油在整個(gè)開(kāi)采量中所占的比重越來(lái)越大．抽油泵是機(jī)械采油的關(guān)鍵設(shè)備．由于所開(kāi)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(kāi)采效率。早在1983年，中科院金屬所就與玉門(mén)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?jī)H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(duì)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(qián)暉對(duì)內(nèi)徑44～83 rain、長(zhǎng)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(guò)增加外導(dǎo)光系統(tǒng)，解決了在直徑70 mill、長(zhǎng)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(chǎng)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(duì)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(shí)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(duì)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(wèn)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(guó)外曾有人對(duì)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(dòng)系統(tǒng)中起著傳遞動(dòng)力及改變運(yùn)動(dòng)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。