抽油泵泵筒在服役过程中，受磨损和油气水的腐蚀作用，使其整体寿命大大降低。针对抽油泵泵筒的服役环境，本课题采用激光相变硬化-渗氮复合处理技术，在泵筒内壁制备具有更高耐磨性和耐蚀性的表面改性层。利用SYSWELD软件模拟泵筒内壁激光相变硬化过程，获得其温度场、组织分布以及应力场，对比平板试样与泵筒内壁经激光处理后残余应力分布的异同，分析扫描速度和搭接率对激光相变硬化过程的影响，获得最优工艺参数。利用优化的工艺参数在泵筒内壁制备复合改性层，并对复合改性层的组织和性能进行分析。通过实验研究和数值模拟相结合的方法分析激光预处理对后续离子渗氮的催渗作用。建立抽油泵泵筒三维模型，利用SYSWELD软件内部热源校核工具，对三维高斯热源模型进行校正，考虑材料的热物性参数随温度的变化，对泵筒内壁激光相变硬化过程进行模拟。结果表明，泵筒内壁激光相变硬化是一个快速加热和冷却的过程，其最大加热和冷却速度的数量级分别可达104℃/s和103℃/s，冷至室温后相变区主要以马氏体为主，相变区存在残余压应力，热影响区存在残余拉应力；经激光处理后，内壁模型相变区压应力数值低于平板模型；随着扫描速度的不断增大，峰值温度不断降低，最大加热和冷却速度不断增加，相变区马氏体含量减少，残余压应力数值降低。多道搭接过程中，由于第二道的热作用，会使第一道产生的马氏体发生回火软化，随着搭接率的增大，第一道马氏体回火程度逐渐增加。多道搭接处理后，第一道激光处理区域的残余应力由单道时的残余压应力变为搭接时的残余拉应力。第二道处理区域为残余压应力，第一道热影响区、第二道热影响区以及搭接区域具有较大的拉应力，且改变搭接率不能消除该应力。激光相变硬化复合改性处理后，改性层物相主要由’-Fe4N和-Fe3N组成，电子探针结果表明复合改性层的氮原子扩散深度大于普通离子渗氮，复合改性层表层显微硬度最大可达755.9HV0.2，硬化层深度可达700μm，而离子渗氮表层最大硬度为643.9HV0.2，硬化层深度为400μm左右。改变激光预处理扫描速度对改性层表层最大硬度影响不大，但其硬化层深度随扫描速度的增加而降低。基体、激光相变硬化层、离子渗氮层以及激光相变硬化-离子渗氮层四种工艺耐磨试验表明，复合改性层具有较小的摩擦系数和磨损失重，耐蚀电测试验表明，复合改性层具有较高的自腐蚀电位和最小的自腐蚀电流，表明复合改性层性能不仅优于基体，也优于两种单独的工艺。激光相变硬化预处理后晶粒细化，晶界增多，相变区产生大量位错和孪晶等亚结构，为氮原子的扩散提供了新的通道，加速了氮原子的扩散。