093--激光熔覆技术的应用

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1、激光熔覆技术在油田的应用石油现场的工况条件比较恶劣，许多金属零部件长期工作在承受重载荷并伴有腐蚀摩擦和磨损的场合，致使它们过早地发生失效破坏而缩短其使用寿命。停产检查和更换新部件，既增加材料成本又影响油田生产，带来多方面的损失。各种常规表面处理技术，如涂料涂层、电镀、化学镀、电刷镀、热喷涂等，它们所生产的处理层与金属基体大多为机械式结合，结合力较差，不能胜任摩擦、磨损条件较为苛刻的场合。不仅如此，油田现场许多金属零部件摩擦副的磨损间隙处在近毫米的量级上，而常规表面技术的处理层较薄，很难对易损件进行表面修复，使这些技术的应

2、用范围受限制。激光熔覆层与基体为冶金结合，结合强度不低于原基体材料的95%。基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，微熔层为0.05~0.1mm，基体热影响区极小，一般为0.05~0.1mm。熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶粒细小，无空洞，无夹杂裂纹等缺陷。激光加工过程中基体温升不超过80℃，激光加工后无热变形。激光熔覆层组织由三个各具特点的梯度层：底层、中间层及

3、面层组成。底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点；中间层具有一定强度和硬度、抗裂性好等优点；面层具有抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀等性能。油田钻采作业关键零件的激光强化问题：①组合抽油泵缸套的激光淬火；②整筒泵泵筒(长7m，内径56～83mm)的激光淬火；③钻井、修井用的27／8″钻杆接头的激光强化。LWD无线随钻电阻率短节无磁耐磨带激光修复前后对比图石油钻井螺杆耐磨带激光熔覆油田钻铤母扣激光热处理WGQ-275型套管气动卡瓦内壁激光淬火卡瓦体表面激光淬火（上图所示红色区域）石油勘探杆修复层激光熔覆技术的评述与展望激光熔覆是一

4、种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：

5、包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。图1、激光熔覆制备新材料激光熔覆的优势激光束

6、的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和

7、企业的高度重视和多方面的研究。目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，金属材料的失效（诸如腐蚀、磨损、疲劳等）大多发生零部件的工作表面，需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原

8、位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造，不仅浪费材料，而且成本极高。另一方面，从仿生学的角度考察天然生物材料，其组成为外密内疏，性能为外硬内韧，且密—疏、硬—韧从外到内是梯度变化的，天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。