为了改善55号钢在传统淬火过程中的不足，笔者采用连续高功率光纤激光器作为热源进行辐照，以期使55号钢表面获得更好的组织和更高的表面硬度。利用单一变量原则获得了不同功率下的激光重熔与激光淬火工艺参数，研究了两者对55号钢微观组织和硬度的影响。结果表明：激光重熔比激光淬火具有更好的硬化效果。在保证试样表面平整的前提下，淬火试样获得的表面硬度和硬化层深度分别为446~520 HV、621~709 μm，而重熔试样获得的表面硬度和硬化层深度分别为480~613 HV、709~813 μm。通过分析硬化层的微观组织、物相、元素组成，发现这主要归因于重熔试样的硬化层中具有比淬火试样更多的马氏体、更均匀致密的微观组织以及更少的未熔碳化物。本研究结果为55号钢表面激光硬化提供了参考。

针对激光淬火在大型风电轴承生产中的实际需求，研制了一种功率高达15 kW的光纤耦合半导体激光淬火光源。该光源先采用915 nm和976 nm两个波段各8个宏通道冷却技术封装的半导体激光微巴条阵列作为发光单元，进行空间、偏振及波长合束，在光纤芯径为200 μm、数值孔径为0.22的光纤中实现了超过800 W的连续输出，电光转换效率整体达到45%以上。再通过19×1光纤合束器对19个800 W模块进行合束，由输出端口光纤直径为1 mm的光纤耦合输出。光束经过由微透镜阵列与聚焦镜复合的加工头，光斑匀化，最终输出了功率大于15 kW、光斑尺寸为165 mm × 25 mm的激光束，满足了大型风电主轴轴承滚道面淬火需求。

为了提高激光淬火硬化层形貌的均匀性，提出了一种基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统。系统由QBH(quartz block head)、准直聚焦一体镜、单轴振镜和振镜变速扫描控制系统等组成。通过设定振镜扫描系统的变速区域宽度和变速系数，可实现能量中间低、两端高的“鞍形”光场分布。建立了重复变速扫描系统的等效热作用光场模型，并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程中的温度场。重点分析了振镜扫描系统的变速系数和变速区域宽度对淬火后相变硬化层均匀性的影响。仿真结果表明，变速系数或变速区域的增大改善了硬化层的均匀性。采用千瓦级光纤激光器作为光源，进行了等变速区域不同变速系数的激光淬火实验。取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界，变速系数为0.8时获得的硬化层的匀化区域宽度为5.1 mm，比振镜匀速扫描的匀化效果提升了约42%，实验结果与仿真结果吻合较好。

通过电磁感应器加热耦合,提高了42CrMo钢在激光淬火后淬硬层的深度和均匀性。利用MSC.Marc软件对42CrMo钢电磁感应复合激光淬火过程的温度场演变和相变过程进行研究。通过实测温度和淬火后淬硬层的深度,对数值模型进行验证,结果表明模型准确度高。采用数值模型指导工艺实验,在优化工艺下电磁感应复合激光淬硬层深度达5.9 mm。通过电磁感应复合激光淬火,工件表层更深处的组织达到奥氏体化温度,扩大了马氏体相变区域,显著提高了淬硬层的深度和均匀性,突破了单一激光淬火淬硬层深度较浅的局限性。

淬火基体中的微观晶粒不均匀性对于揭示激光淬火机理、提高淬火质量具有重要意义。基于Voronoi法建立了淬火基体的随机微晶组织模型,通过对纳米压痕实验的统计分析引入了淬火基体晶粒的不均匀性,确定了晶粒不均匀分布特性并划分了晶粒类型。由晶粒不均匀系数确定各类晶粒的材料属性。利用Python脚本程序将不同的材料属性按照概率随机赋予Voronoi元胞。建立了考虑晶粒不均匀性的SUS301L-HT不锈钢激光淬火过程热力耦合模型。计算了激光淬火温度场和热应力场,计算结果表明:晶粒不均匀性导致淬火基体应力呈现明显的不均匀性分布,基体内部相邻晶粒边界处的应力发生突变,且晶粒间的力学性能差异越大,突变现象越显著。考虑晶粒不均匀性建立的激光淬火模型为揭示激光淬火过程微观演变机理提供了一种有效方法。

针对QT700球墨铸铁齿轮激光再制造表面硬度下降、界面白口组织聚集、熔覆层易开裂和易出现气孔缺陷等再制造难点，本文提出了激光熔覆制备与激光淬火相结合的复合新工艺。通过优选材料成分接近、硬度等力学性能优良的FeCrNiCu合金，实现了QT700球墨铸铁齿轮表面熔覆层的制备。通过熔覆层组织演化分析、表面硬度对比、摩擦磨损性能评价等试验，验证了再制造熔覆层良好的力学性能。试验结果表明：熔覆层熔合良好，无气孔裂纹等成形缺陷，呈较为显著的激光熔覆快速冷凝组织特征；熔覆层顶部经淬火后，等轴晶更加细小，晶粒粒度减小；熔覆层中部的树枝晶枝干有所细化，部分枝晶分离；熔覆层底部的胞状晶尺度基本保持熔覆后的形态，但界面白口组织向部分熔解、断续分离态转变；淬火前熔覆层的显微硬度为473~589 HV，淬火后提升至666~735 HV；熔覆层淬火前的摩擦因数为0.15~0.25，淬火后降为0.05~0.15。本研究为球墨铸铁的激光再制造提供了工艺借鉴和方法参考。

为了解决恒功率激光淬火过程中材料基体预热时间长、材料表面温度不稳定、容易发生边界熔化等问题, 设计基于非线性参数整定方法的PI控制器。首先使用了一阶惯性系统来描述激光淬火的温度模型, 接着通过阶跃响应法来辨识温度系统的模型参数, 然后提出了非线性参数整定的PI控制算法。结果表明, 这种控制方法能够在控制过程中实时调节PI参数, 并且能够准确控制激光作用区域的温度。同时, 与传统PI控制相比, 通过这种控制方法可以得到相对更好的快速性以及更小的超调量。此外, 该控制系统还具有一定的鲁棒性, 对于参数不断变化的非线性温度系统也能取得较好的控制效果。

采用光纤激光器对卷取机卷筒主轴常用的40CrNiMoA钢进行了激光淬火实验,采用金相显微镜观察试样表面的显微组织,采用维氏硬度计测试相变硬化层的显微硬度,采用立式万能摩擦磨损试验机评估试样的摩擦磨损性能,采用体视显微镜观察试样截面的宏观组织及磨损形貌,采用电化学工作站测试试样的耐蚀性能。结果表明:40CrNiMoA钢经激光淬火后,表面会出现一层相变硬化层,其显微组织主要为细小的马氏体、少量的残留奥氏体以及部分弥散的碳化物;硬化层深度约为200 μm,硬度值可达638.3~711.2 HV,约为基体的2.6~2.8倍;平均摩擦因数为0.506,与基体相比下降了42.5%,磨损量为1.3 mg,仅为基体的36.1%,其主要磨损机制为磨粒磨损;腐蚀电位为-0.497 V,自腐蚀电流密度为2.16789×10 -9 A/cm 2,与基体相比,腐蚀电位略有提高,而自腐蚀电流密度有所降低,耐腐蚀性能得到了较大提升。

为了研究激光功率对液压支架立柱母材27SiMn钢激光淬火处理的影响, 利用ANSYS有限元软件模拟了激光淬火的过程, 得到了不同功率下温度场分布。在27SiMn钢表面进行了与数值模拟相同条件下的激光淬火实验, 并分析了宏观形貌、显微组织和显微硬度。结果表明, 数值模拟和实验所得到的淬火区深度基本一致。数值模拟中, 工件峰值温度随激光功率增大而增大, 整个温度场截面呈半月牙状; 实验所得到的硬化层形貌与仿真结果类似, 呈半月牙状。淬火后基体表层形成了细小致密的马氏体组织, 且硬化层的硬度比基体增加了2.5倍以上, 并且随着激光功率增加, 硬化层的深度和硬度也逐渐增加。

石油开采的过程中常伴随有腐蚀气体、金属颗粒以及矿物质等的产生,使石油机械设备腐蚀、磨损严重。激光表面处理技术可以改善材料的耐磨、耐蚀、耐疲劳等性能。总结激光表面处理技术在石油机械中的应用,详细介绍了激光淬火、激光熔覆及激光合金化,并概括了其他激光表面处理技术及其应用,分析了激光表面处理技术在石油机械中的应用现状及存在的问题,并展望了发展前景。