文中所公開的主題的實施方案一般涉及用于渦輪機的部件，且涉及用于“油氣”應用的渦輪機。

一些實施方案涉及在生產(chǎn)和處理例如含有烴加上硫化氫、二氧化碳且具有或不具有其它污染物的油氣的領域中操作的(旋轉(zhuǎn))離心壓縮機或泵，以及其部件。這些材料稱為“酸氣”。這種裝置具有至少一個由高耐腐蝕性合金制得的部件，相對于現(xiàn)有技術狀態(tài)的馬氏體不銹鋼能夠更好地抵抗腐蝕且表現(xiàn)類似于高級鎳基超合金。

一些實施方案涉及(旋轉(zhuǎn))燃氣渦輪或蒸汽渦輪，以及其部件。這種裝置具有至少一個由高機械抵抗力合金制得的部件，相對于現(xiàn)有技術狀態(tài)材料能夠更好地抵抗疲勞和/或蠕變。

背景技術：

壓縮機為能夠通過使用機械能升高可壓縮的流體(氣體)的壓力的機器。在離心壓縮機中，流體的壓縮通過螺釘堆棧在一起的一個或多個定子部件(隔板(diaphragm))內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)運動軸上組裝的一個或多個葉輪進行。所描述的組件通常稱為線卷(bundle)。待壓縮的流體通過一個或多個吸入管抽取到線卷中，然而該壓縮流體從線卷向一個或多個遞送管排出。

通常，離心壓縮機通過電動機或另外通過內(nèi)燃機通過用于傳輸運動的聯(lián)軸器啟動。

酸氣領域中操作的離心壓縮機經(jīng)受與環(huán)境(腐蝕)的不同類型的相互作用，該環(huán)境(腐蝕)可以導致壓縮機部件的性能損失和過早失效。

酸性工作的特征在于具有濕潤硫化氫(H₂S)的烴，其中pH₂S高于0.0030巴。該值對于碳和低合金鋼是有效的。NACE MR0175/ISO 15156-1并不限定耐腐蝕性合金(CRAs)的最小pH₂S限值，因為該限值還為溶液的酸度(pH)的函數(shù)且該值可以低于碳和低合金鋼所限定的值。

存在多種腐蝕現(xiàn)象，其中以下類型為最相關的：

- 一般腐蝕 – 材料表面的均一侵襲

- 點狀腐蝕 – 不均一局部侵襲

- 應力腐蝕開裂(SCC和CSCC)

應當指出只有存在充當電化學方法的電解質(zhì)的冷凝水(濕潤氣體)，才可以出現(xiàn)以上列出的腐蝕現(xiàn)象。

含有烴、CO₂、H₂S和氯化物(或其它鹵化物)的濕潤氣體最后在元素硫的存在下代表可以出現(xiàn)其中所有以上列出的現(xiàn)象的環(huán)境。材料對單一損壞機制或損壞機制的組合的抵抗力因此是重要的，以便保證產(chǎn)品的可靠性。

在以上列出的腐蝕機制中，最關鍵的腐蝕機制為通過濕潤H₂S或氯化物(或一般鹵化物)的應力腐蝕開裂，因為其使得用于工作的單元不可利用。

一般地，該機制包括通過腐蝕產(chǎn)生的氫原子在金屬中擴散。

只有以下三種條件得到驗證，才可以出現(xiàn)SSC：

? 拉伸應力(殘留和/或施加)

? H₂S+冷凝水

? 趨向于SSC損壞的材料

污染物例如鹵化物、砷(As)、銻(Sb)和氰化物(CN^-)充當催化劑，提高氫原子在表面上的濃度且通過避免它們重新組合成氫分子，使SSC更嚴重。

一般地，離心壓縮機部件(葉輪、軸、隔板和螺釘)暴露到拉伸應力和濕潤氣體條件。

基于經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)葉輪和螺釘構成最易于SSC和CSCC的部件。這是因為應力水平高于其它部件中的應力水平且因為應力保持在壓縮機停止(加壓)期間施加，其中在較高分壓下出現(xiàn)濕潤氣體。因此對于酸性工作環(huán)境，選擇能夠經(jīng)受嚴苛環(huán)境條件的材料是強制性的。

這種工作的材料選擇因此基于通過H₂S的分壓(p(H₂S))、pH (主要為CO₂的功能)和氯化物(和/或其它鹵化物)含量控制的三維空間，如在圖1中圖示。

到目前為止，使用不同材料的目的在于選擇針對特定環(huán)境的最成本有效的解決方案。

為了簡化匹配目的方法的材料后面的復雜規(guī)則，可以考慮以下原則：

- 對于低p(H₂S)、任何pH和高氯化物含量，雙相和超級雙相合金為所選擇材料的類型；

- 對低至中p(H₂S)、任何pH和低氯化物，不同類型的馬氏體不銹鋼為所選擇材料的類型；

- 對于任何p(H₂S)、任何pH和高氯化物，鎳基合金為所選擇材料的類型；

代表3D空間中的上述這些原則，顯而易見的是在成本有效的合金(即雙相、超級雙相和馬氏體不銹鋼)和高級鎳基合金之間存在可以涵蓋新的合金的巨大空間。

因此，對用于離心壓縮機的部件存在需要，具體地但不排它地為在生產(chǎn)和處理含有烴加上硫化氫且具有或不具有其它污染物的油氣的領域中操作的壓縮機，能夠改進可靠性，提高速度(考慮材料的較高的特定強度)和通過降低昂貴合金元素主要地鎳提供成本有效的合金。

在泵設計和工作條件中或在一些蒸汽渦輪應用(即地熱領域)中需要解決類似問題。

燃氣渦輪為內(nèi)燃機的類型。其具有聯(lián)接到下游渦輪的上游旋轉(zhuǎn)壓縮機，和在下游渦輪和上游旋轉(zhuǎn)壓縮機之間的燃燒室。

使通過壓縮機的大氣流在燃燒室中得到較高壓力，在燃燒室中該大氣流與燃料(即液體或氣體)混合且燃燒以提高其焓。該高溫高壓流進入膨脹渦輪，在該過程中產(chǎn)生軸功輸出。渦輪軸功用于驅(qū)動壓縮機和其它設備，例如可以聯(lián)接到軸的發(fā)電機。

這種環(huán)境的特征在于在穩(wěn)定和循環(huán)條件中的高溫、高應力的組合。這種應用的材料應當設計成經(jīng)受蠕變、低和高循環(huán)疲勞、氧化和腐蝕。這通常通過高強度鋼或鎳基合金實現(xiàn)。

在蒸汽渦輪設計和工作條件中需要解決類似問題。

本發(fā)明人試圖實現(xiàn)上述目的之一或一些或所有。

概述

根據(jù)第一例示性實施方案，存在渦輪機的部件，所述部件由具有由以下元素組成的化學成分的合金制備：

C 0.005-0.03重量%

Si 0.05-0.5重量%

Mn 0.1-1.0重量%

Cr 19.5-22.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.0-5.0重量%

Cu 1.0-2.0重量%

Co 0.0-1.0重量%

Al 0.01-0.5重量%

Ti 1.8-2.5重量%

Nb 0.2-1.0重量%

W 0.0-1.0重量%

基于合金重量，余量為Fe和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)包含S 0.0-0.01重量%和P 0.0-0.025重量%。

根據(jù)第二例示性實施方案，存在用于制備上述部件的方法，所述方法包括以下步驟中的至少一個：

a) 通過真空感應熔融(VIM)或電弧爐使權利要求1的化學組合物熔融；

b) 通過氬氧脫碳(A.O.D.)、真空感應脫氣和灌注(V.I.D.P)或真空氧脫碳(V.O.D.)精煉；

c) 通過電渣重熔(E.S.R.)或真空電弧重熔(VAR)重熔。

根據(jù)第三例示性實施方案，存在包含至少一個如上文一般限定的部件的渦輪機。

附圖簡述

結合附圖考慮例示性實施方案的以下描述，本發(fā)明將變得更顯而易見，在附圖中:

圖1顯示通過H₂S的分壓(p(H₂S))、pH (主要地CO₂的功能)和氯化物(和/或其它鹵化物)含量控制的三維空間；

圖2顯示離心壓縮機的典型橫截面；

圖3顯示離心泵的典型橫截面；

圖4顯示蒸汽渦輪的典型橫截面；

圖5顯示燃氣渦輪的典型橫截面；

圖6A顯示實施例1的合金的相平衡-溫度且圖6B顯示對比UNS N07718的相平衡-溫度；和

圖7A顯示實施例1的合金的時間溫度轉(zhuǎn)換曲線且圖7B顯示對比UNS N07718的時間溫度轉(zhuǎn)換曲線。

描述

例示性實施方案的以下描述是指附圖。不同附圖中的相同的參考數(shù)字表示相同或類似的要素。以下詳細描述并不限于本發(fā)明。相反，本發(fā)明的范圍通過隨附權利要求限定。

在整個說明書中提及“一個實施方案”或“實施方案”表示結合實施方案描述的具體特點、結構或特征包括在所公開的主題的至少一個實施方案中。因此，在整個說明書中各種地方出現(xiàn)的短語“在一個實施方案中”或“在實施方案中”并不必然指相同的實施方案。而且，具體特點、結構或特征可以在一個或多個實施方案中以任何合適的方式組合。

如文中所用的術語“室溫”具有本領域技術人員已知的其普通含義且可以包括約16℃(60℉)-約32℃(90℉)范圍內(nèi)的溫度。

關于合金成分，術語“強制性元素”指合金中存在的且與其它強制性元素組合允許實現(xiàn)上述目的的元素。合金中的強制性元素為鐵(Fe)、碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈦(Ti)，和鈮(Nb)。

術語“任選的元素”指除了限定合金的必要化學成分的強制性元素以外可能存在的元素。合金中的任選的元素為：鈷(Co)，和鎢(W)。

術語“雜質(zhì)”或“雜質(zhì)元素”，另外，指在設計合金成分以便實現(xiàn)上述目的中不提供的元素。然而，可以存在所述元素，因為，取決于制造方法，其存在會是不可避免的。合金中的雜質(zhì)包括磷(P)、硫(S)、硼(B)、鉍(Bi)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、銀(Ag)、鉛(Pb)、氮(N)、錫(Sn)，和氧(O)。

在一個實施方案中，渦輪機的至少一個部件由高腐蝕高溫抵抗性合金制得，相對于現(xiàn)有技術狀態(tài)馬氏體不銹鋼能夠更好地抵抗高溫腐蝕和/或應力且表現(xiàn)類似于高級鎳基超合金，如遵從UNS N07718 e UNS N00625的要求的那些。所述合金具有由以下元素組成的化學成分：

C 0.005-0.03重量%

Si 0.05-0.5重量%

Mn 0.1-1.0重量%

Cr 19.5-22.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.0-5.0重量%

Cu 1.0-2.0重量%

Co 0.0-1.0重量%

Al 0.01-0.5重量%

Ti 1.8-2.5重量%

Nb 0.2-1.0重量%

W 0.0-1.0重量%

基于合金重量，余量為Fe和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)包含S 0.0-0.01重量%和P 0.0-0.025重量%。

上述合金為有利地成本有效的合金，其同時意料不到地涵蓋減少量的昂貴合金元素，例如主要地鎳，而且還有鉻、鉬和鈦，而不消極影響機械和耐腐蝕性質(zhì)。所述合金還顯示對高溫和高壓的顯著抵抗力，從而導致由該合金制得的部件有利地適用于渦輪機，特別是離心壓縮機。

所述雜質(zhì)為P、S、B、Bi、Ca、Mg、Ag、Pb、N、Sn、O或其組合。

優(yōu)選地，所述雜質(zhì)為小于0.5重量%；更優(yōu)選地，小于0.2重量%。

在優(yōu)選的實施方案中，所述雜質(zhì)為P至多0.025重量%、S至多0.01重量%、B、Bi、Ca、Mg、Ag、Pb、N、Sn和O。

在一些實施方案中，所述合金具有在高溫(特別是200-250℃范圍)下的高耐腐蝕性。

在其它實施方案中，所述合金具有在高溫(特別是400-700℃范圍)下的高耐疲勞性和/或耐蠕變性。

在優(yōu)選的實施方案中，所述合金具有由以下元素組成的化學成分：

C 0.005-0.03重量%

Si 0.05-0.2重量%

Mn 0.1-0.6重量%

Cr 20.0-21.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.5-4.0重量%

Cu 1.2-2.0重量%

Co 0.0-0.2重量%

Al 0.05-0.4重量%

Ti 1.9-2.3重量%

Nb 0.2-0.5重量%

W 0.0-0.6重量%

基于合金重量，余量為Fe，其中Fe為至少30重量%，和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)包含S 0.0-0.001重量%和P 0.0-0.02重量%。

在更優(yōu)選的實施方案中，所述合金具有由以下元素組成的化學成分：

C 0.005-0.02重量%

Si 0.05-0.2重量%

Mn 0.1-0.6重量%

Cr 20.0-21.5重量%

Ni 35.0-37.0重量%

Mo 3.5-4.0重量%

Cu 1.2-2.0重量%

Co 0.0-0.2重量%

Al 0.05-0.4重量%

Ti 1.9-2.3重量%

Nb 0.2-0.5重量%

W 0.0-0.6重量%

基于合金重量，余量為Fe，其中Fe為至少30重量%，和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)包含S 0.0-0.001重量%和P 0.0-0.02重量%。

在甚至更優(yōu)選的實施方案中，所述合金具有由以下元素組成的化學成分：

C 0.005-0.02重量%

Si 0.06-0.15重量%

Mn 0.2-0.4重量%

Cr 20.2-21.0重量%

Ni 36.0-36.5重量%

Mo 3.6-3.8重量%

Cu 1.3-1.7重量%

Co 0.0-0.1重量%

Al 0.1-0.3重量%

Ti 2.0-2.2重量%

Nb 0.25-0.4重量%

W 0.0-0.4重量%

基于合金重量，余量為Fe，其中Fe為至少30重量%，和雜質(zhì)，所述雜質(zhì)包含S 0.0-0.001重量%和P 0.0-0.015重量%。

在最優(yōu)選的實施方案中，所述合金具有由以下元素組成的化學成分：

C 0.015重量%

Si 0.09重量%

Mn 0.3重量%

Cr 20.4重量%

Ni 36.2重量%

Mo 3.7重量%

Cu 1.41重量%

Co 0.03重量%

Al 0.25重量%

Ti 2.04重量%

Nb 0.27重量%

W 0.1重量%

Fe 余量

具有以下雜質(zhì)：

P 至多0.013重量%

S 至多0.0002重量%

B 至多0.003重量%

Bi 至多0.3 ppm

Ca 至多50 ppm

Mg 至多30 ppm

Ag 至多5 ppm

Pb 至多5 ppm

N 至多100 ppm

Sn 至多50 ppm

O 至多50 ppm

在一些實施方案中，所述合金具有小于根據(jù)ASTM E112的板(plate) 3的晶粒尺寸。

上述合金可以通過任何鑄造方法獲得。然而，優(yōu)選通過包括以下步驟中的至少一個的方法獲得所述合金：

a) 通過真空感應熔融(VIM)或電弧爐使上述化學成分熔融；

b)通過氬氧脫碳(A.O.D.)、真空感應脫氣和灌注(V.I.D.P)或真空氧脫碳(V.O.D.)精煉；

c) 通過電渣重熔(E.S.R.)或真空電弧重熔(VAR)重熔。

在這種方式中，顯著降低雜質(zhì)的存在、其偏析和不均質(zhì)性，且同時獲得合金的改進的機械特征和耐腐蝕性。

在一些實施方案中，由上述鑄造方法產(chǎn)生的合金經(jīng)受在高溫優(yōu)選高于1100℃下均質(zhì)化至少6小時的步驟d)。

在一些實施方案中，由上述鑄造方法和隨后的均質(zhì)化熱處理步驟d)產(chǎn)生的合金通過至少一個塑性變形周期進一步經(jīng)受熱或冷塑性變形的步驟e)，以便獲得2:1的最小總降低比率。這種塑性變形周期包括鍛造(開?；蜷]模)、輥軋、擠出、冷膨脹，以產(chǎn)生未加工的部件形狀或進一步機器加工以產(chǎn)生離心壓縮機、泵、燃氣和蒸汽渦輪以及其部件的更通常未加工的形狀。

在其它實施方案中，由步驟e)產(chǎn)生的合金隨后經(jīng)受步驟f):通過至少一個加熱周期優(yōu)選地在1020-1150℃的溫度下熱處理以誘導溶解(可以在爐內(nèi)部、在空氣下、在受控氣氛或真空下進行),且接著在液體或氣體介質(zhì)中快速冷卻,以便將合金元素(即銅、鈦、鋁、鈮等)放在和保持在溶體中以便進行任選的隨后的熱處理步驟。

在其它實施方案中，所述熱處理的步驟f)之后為時效處理的步驟g)。

優(yōu)選地，所述時效處理的步驟g)包括以下子步驟：

g-1) 經(jīng)4-8 h將所述合金加熱到710-780℃的溫度；

g-2) 在40-60℃/h的冷卻速率下冷卻到610-670℃的溫度；

g-3) 保持所述合金到610-670℃的溫度至少6 h，和

g-4) 讓所述合金在室溫下在空氣中冷卻。

或者，所述時效處理的步驟g)包括以下子步驟：

g-1’) 經(jīng)2-8 h加熱所述合金到780-820℃的溫度；和

g-2’) 讓所述合金在室溫下在空氣中冷卻。

由于上述化學成分、雜質(zhì)的水平、由受控的塑性變形方法和熱處理條件產(chǎn)生的晶粒尺寸，所述合金相對于不銹鋼(馬氏體、鐵素體、奧氏體和奧氏體-鐵素體)有利地顯示以下性能且與高級鎳基超合金相媲美：

- 在根據(jù)NACE MR0175的溶液A方法A中的一般和局部腐蝕、閥值應力方面的優(yōu)異耐腐蝕特征、較高的應力腐蝕開裂(SCC)抵抗力、較高的氯化物應力腐蝕開裂(CSCC)、硫化物應力開裂(SSC)、電偶誘導的氫應力開裂(GHSC)；

- 在室溫和高溫下較高的拉伸性能；

- 合適的韌性性質(zhì)；

- 較高的高和低循環(huán)疲勞性能；

- 較高的蠕變強度；

- 較高的耐氧化性和耐熱腐蝕性。

在一些實施方案中，所述合金進一步霧化以產(chǎn)生粉末且隨后通過粉末冶金處理。優(yōu)選地，術語“粉末冶金”表示所述粉末通過冷等靜壓(CIP)，通過金屬注射成型(MIM)、燒結、熱等靜壓(HIP)加固，或通過MIM和暴露到HIP方法制造。基本上，將粉末進料到模中，壓縮成期望的形狀。所壓制的粉末隨后在受控氣氛的爐中在常壓或高壓下燒結或熱等靜壓（hipped）以在粉末顆粒之間產(chǎn)生冶金連接。任選的燒結后操作，例如等溫鍛造、滲透、精加工或表面處理可以隨后應用以完成部件。

圖2、3、4和5顯示不同的渦輪機，其中可以使用如上文所述的一個或多個部件。圖2顯示離心壓縮機的典型橫截面，圖3顯示離心泵的典型橫截面，圖4顯示蒸汽渦輪的典型橫截面，且圖5顯示燃氣渦輪的典型橫截面。

由于其高耐腐蝕性(甚至在高溫下)和/或其高耐疲勞性和/或耐蠕變性，所述部件非常有用，特別是其對于與渦輪機的工作流體接觸的部件非常有用。

實施例

實施例1

制備具有以下成分的合金：

C 0.015重量%

Si 0.09重量%

Mn 0.3重量%

Cr 20.4重量%

Ni 36.2重量%

Mo 3.7重量%

Cu 1.41重量%

Co 0.03重量%

Al 0.25重量%

Ti 2.04重量%

Nb 0.27重量%

W 0.1重量%

Fe 余量

具有以下雜質(zhì)：

P 至多0.013重量%

S 至多0.0002重量%

B 至多0.003重量%

Bi 至多0.3 ppm

Ca 至多50 ppm

Mg 至多30 ppm

Ag 至多5 ppm

Pb 至多5 ppm

N 至多100 ppm

Sn 至多50 ppm

O 至多50 ppm

上述化學組合物通過真空感應熔融(VIM)熔融，通過氬氧脫碳(A.O.D.)精制，且通過電渣重熔(E.S.R.)重熔。

所得合金在高于1100℃的溫度下均質(zhì)化至少6小時。

所述合金隨后經(jīng)受熱塑性變形的兩個循環(huán)。

隨后，所述合金在1020-1150℃的溫度下經(jīng)受熱處理以誘導溶解，接著在液體或氣體介質(zhì)中快速冷卻。

所得合金業(yè)已試驗以評估機械和耐腐蝕性質(zhì)。結果在下表1中與已知的馬氏體不銹鋼(簡稱為‘馬氏體SS’)對比。

馬氏體不銹鋼為具有主要由回火馬氏體構成的微觀結構的一類不銹鋼。馬氏體(Matertensite)通過奧氏體相的快速冷卻形成，所述奧氏體相通過淬火熱處理獲得。常規(guī)的馬氏體鋼具有0.08-1.%范圍的高碳含量、12-17%范圍的鉻。與其它不銹鋼類型相比，它們的主要特征為高強度和公平的耐腐蝕性。

表1.

其它驗證的SSC性質(zhì)在表2和表3中報道。

表2.

表3.

調(diào)節(jié)合金元素的重量%以避免拓撲密堆積相(TCP)或使其最小。過量的Cr、Mo、W將促進富含這些元素的中間相沉淀。一般而言，TCP相具有化學式A_xB_y。例如，μ相基于理想的化學計量A₆B₇且具有含有13個原子的斜方六面體晶胞，例如W₆Co₇和Mo₆Co₇。

σ相基于化學計量A₂B且具有含有30個原子的四方晶胞，例如Cr₂Ru，Cr₆₁Co₃₉和Re₆₇Mo₃₃。

P相，例如，Cr₁₈Mo₄₂Ni₄₀為原始正交晶系，每晶胞含有56個原子。

如圖6A(熱力學平衡)和7A(動力學評估)中所示，只有σ相為熱力學可能且沉淀動力學如此緩慢使得在溶體退火期間和在時效期間可以不發(fā)生。

優(yōu)化這種合金的化學成分以增大可熱加工性窗口。這通過低鎳含量和降低硬化第二相(γ')的沉淀溫度實現(xiàn)。如圖6中可見，理論可加工性范圍在平衡下相當大且為1020℃-1280℃。該區(qū)間大于通過UNS N07718提供的那些(圖6B和7B)。

平衡區(qū)間并不考慮動力學和粘塑性現(xiàn)象，但可以給出這種合金比其它公知的商業(yè)高級鎳基合金好多少的觀點。

實際上，這種合金具有900-1200℃的熱成形范圍，因此降低在生產(chǎn)和循環(huán)時間期間的失效風險。

所述合金具有化學元素的組合從而提供第二相硬化例如以提供750 Mpa的最小產(chǎn)生強度與34 HRC的最大硬度，因此增強應力腐蝕性質(zhì)。

如果與高級鎳基合金如UNS N07718相比，降低的硬度水平導致更好的機器加工。這種硬度水平允許渦輪機部件在時效條件中機器加工，產(chǎn)生優(yōu)化的制造周期，如果與高級鎳基合金如UNS N07718相比。

這種合金設計成易于通過用同系列或不同的鎳基填料材料如UNS N06625、UNS N07725或UNS N09925的常見電弧焊接方法(SMAW和GTAW)焊接。