093--激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用

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1、激光熔覆技術(shù)在油田的應(yīng)用石油現(xiàn)場的工況條件比較惡劣，許多金屬零部件長期工作在承受重載荷并伴有腐蝕摩擦和磨損的場合，致使它們過早地發(fā)生失效破壞而縮短其使用壽命。停產(chǎn)檢查和更換新部件，既增加材料成本又影響油田生產(chǎn)，帶來多方面的損失。各種常規(guī)表面處理技術(shù)，如涂料涂層、電鍍、化學(xué)鍍、電刷鍍、熱噴涂等，它們所生產(chǎn)的處理層與金屬基體大多為機(jī)械式結(jié)合，結(jié)合力較差，不能勝任摩擦、磨損條件較為苛刻的場合。不僅如此，油田現(xiàn)場許多金屬零部件摩擦副的磨損間隙處在近毫米的量級上，而常規(guī)表面技術(shù)的處理層較薄，很難對易損件進(jìn)行表面修復(fù)，使這些技術(shù)的應(yīng)

2、用范圍受限制。激光熔覆層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度不低于原基體材料的95%。基體材料在激光加工過程中僅表面微熔，微熔層為0.05~0.1mm，基體熱影響區(qū)極小，一般為0.05~0.1mm。熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，熔覆層及其界面組織致密，晶粒細(xì)小，無空洞，無夾雜裂紋等缺陷。激光加工過程中基體溫升不超過80℃，激光加工后無熱變形。激光熔覆層組織由三個(gè)各具特點(diǎn)的梯度層：底層、中間層及

3、面層組成。底層具有與基體浸潤性好、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)；中間層具有一定強(qiáng)度和硬度、抗裂性好等優(yōu)點(diǎn)；面層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕等性能。油田鉆采作業(yè)關(guān)鍵零件的激光強(qiáng)化問題：①組合抽油泵缸套的激光淬火；②整筒泵泵筒(長7m，內(nèi)徑56～83mm)的激光淬火；③鉆井、修井用的27／8″鉆桿接頭的激光強(qiáng)化。LWD無線隨鉆電阻率短節(jié)無磁耐磨帶激光修復(fù)前后對比圖石油鉆井螺桿耐磨帶激光熔覆油田鉆鋌母扣激光熱處理WGQ-275型套管氣動(dòng)卡瓦內(nèi)壁激光淬火卡瓦體表面激光淬火（上圖所示紅色區(qū)域）石油勘探桿修復(fù)層激光熔覆技術(shù)的評述與展望激光熔覆是一

4、種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測與控制等多學(xué)科的高新技術(shù)，是激光先進(jìn)制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的一項(xiàng)高新技術(shù)。目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。為推動(dòng)激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，世界各國的研究人員針對激光熔覆涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已取得了重大的進(jìn)展。國內(nèi)外有大量的研究和會(huì)議論文、專利介紹激光熔覆技術(shù)及其最新的應(yīng)用：

5、包括激光熔覆設(shè)備、材料、工藝、監(jiān)測與控制、質(zhì)量檢測、過程的模擬與仿真等研究內(nèi)容。但到目前為止，激光熔覆技術(shù)還不能大面積工業(yè)化應(yīng)用。分析其原因，這里有政府導(dǎo)向的因素、激光熔覆技術(shù)本身成熟程度的限制、社會(huì)各界對激光熔覆技術(shù)的認(rèn)可程度等因素。因此，激光熔覆技術(shù)欲實(shí)現(xiàn)全面的工業(yè)化應(yīng)用，必須加大宣傳力度，以市場需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)突破制約發(fā)展的關(guān)鍵因素，解決工程應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，相信在不遠(yuǎn)的將來，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其強(qiáng)度將不斷的擴(kuò)大。下面介紹激光熔覆技術(shù)幾個(gè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)，以饗讀者。圖1、激光熔覆制備新材料激光熔覆的優(yōu)勢激光束

6、的聚焦功率密度可達(dá)1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達(dá)1012K/s的冷卻速度，這種綜合特性不僅為材料科學(xué)新學(xué)科的生長提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，同時(shí)也為新型材料或新型功能表面的實(shí)現(xiàn)提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創(chuàng)造的熔體在高溫度梯度下遠(yuǎn)離平衡態(tài)的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過飽和固溶體、介穩(wěn)相甚至新相，已經(jīng)被大量研究所證實(shí)。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合層全新的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。同時(shí)激光熔覆技術(shù)制備新材料是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎(chǔ)，受到世界各國科學(xué)界和

7、企業(yè)的高度重視和多方面的研究。目前，利用激光熔覆技術(shù)可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時(shí)兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計(jì)以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。最新的研究表明，在我國工程應(yīng)用中鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。同時(shí)，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大多發(fā)生零部件的工作表面，需要對表面進(jìn)行強(qiáng)化。為滿足工件的服役條件而采用大塊的原

8、位自生顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本極高。另一方面，從仿生學(xué)的角度考察天然生物材料，其組成為外密內(nèi)疏，性能為外硬內(nèi)韌，且密—疏、硬—韌從外到內(nèi)是梯度變化的，天然生物材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的使用性能。