沉淀硬化不銹鋼合金的制作方法
【專利說明】沉淀硬化不銹鋼合金發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本文公開的主題總體上涉及高強(qiáng)度不銹鋼。更具體地講，本文公開的主題總體上涉及馬氏體不銹鋼合金和相關(guān)制造方法及用途(例如，用于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動組件)。
[0002]發(fā)明背景
用于燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)動組件(特別是壓縮機(jī)翼片，包括轉(zhuǎn)動葉片和靜葉片)的金屬合金必須具有高強(qiáng)度、韌度、耐疲勞性和其它物理和機(jī)械性能的組合，以提供這些機(jī)械所需的工作性能。另外，所用合金必須還具有對在其中操作渦輪機(jī)的極端環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕損傷的足夠耐性，包括暴露于各種離子反應(yīng)物物類(例如，包括氯化物、硫酸鹽、氮化物和其它腐蝕物類的各種物類)。腐蝕也可通過引發(fā)在與渦輪機(jī)操作相關(guān)的循環(huán)熱和操作應(yīng)力下蔓延的表面裂縫而削弱其它必需的物理和機(jī)械性能，如高循環(huán)疲勞強(qiáng)度。
[0003]已提出用各種高強(qiáng)度不銹鋼合金滿足這些和其它要求，特別是以允許其普遍使用的成本。具體地講，已提出并使用沉淀可硬化的馬氏體不銹鋼。雖然這些沉淀可硬化的馬氏體不銹鋼已提供所述耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度性能，并且適用于轉(zhuǎn)動蒸汽渦輪機(jī)組件，但這些合金仍已知易受晶間侵蝕(IGA)和腐蝕點(diǎn)現(xiàn)象兩者影響。例如，不銹鋼翼片，如工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)壓縮機(jī)中使用的翼片，已顯示對IGA、應(yīng)力腐蝕破裂(SCC)和表面(特別是翼片的前緣表面)上的腐蝕點(diǎn)的易受影響性。相信這些與由氣載沉積物(尤其是在沉積物中存在的腐蝕物類和在翼片表面上來自吸入空氣的水分)導(dǎo)致的各種電化學(xué)反應(yīng)過程有關(guān)。在翼片表面發(fā)生的電化學(xué)誘導(dǎo)晶間侵蝕(IGA)和腐蝕點(diǎn)現(xiàn)象可進(jìn)而導(dǎo)致這些組件經(jīng)歷的循環(huán)熱和操作應(yīng)力引起的翼片破裂。高水平水分可歸因于使用在線水洗、成霧和蒸發(fā)冷卻或其不同組合，以提高壓縮機(jī)效率。腐蝕污染物通常產(chǎn)生于其中操作渦輪機(jī)的環(huán)境，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常置于高腐蝕環(huán)境，如在吸入空氣中可發(fā)現(xiàn)不同化學(xué)物類的化工廠或石油化工廠附近的環(huán)境，或者處于或接近吸入空氣中可存在各種海鹽的海岸線或其它鹽水環(huán)境，或以上的組合或在進(jìn)入空氣包含腐蝕化學(xué)物類的其它應(yīng)用中。
[0004]由于與工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)停機(jī)時間相關(guān)的顯著操作成本，包括購買電力代替渦輪機(jī)輸出的成本以及拆卸渦輪機(jī)以修理或更換翼片的成本和翼片本身的修理或更換成本，因此提高IGA耐性或點(diǎn)腐蝕耐性或兩者具有顯著商業(yè)價(jià)值。
[0005]鑒于上文，在所述操作環(huán)境中適用于渦輪機(jī)翼片(特別是工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)翼片)并且具有對IGA或腐蝕點(diǎn)或優(yōu)選兩者的改進(jìn)耐性的不銹鋼合金合乎需要，且具有商業(yè)價(jià)值，并提供有競爭力的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]發(fā)明概述
本發(fā)明的方面和優(yōu)勢將部分在以下說明中闡述，或者可從說明明顯看到，或可通過實(shí)施本發(fā)明認(rèn)識。
[0007]本發(fā)明總體上提供鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金。在一個實(shí)施方案中，該鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金包括(例如，包含、基本由...組成或由...組成)約14.0%重量至約16.0%重量鉻、約6.0%重量至約8.0%重量鎳、約1.25%重量至約1.75%重量銅、約1.0%重量至約2.0%重量鉬(例如，約1.5%重量至約2.0%重量鉬)、約0.001%重量至約0.05%重量碳、約0.3%重量至約0.8%重量且比碳量的約8倍更大的量的碳化物生成元素、余量鐵及伴隨雜質(zhì)。在此實(shí)施方案中，碳化物生成元素選自鈦、鋯、鉭及其混合物(例如，選自鈦、鋯和鉭)。
[0008]例如，在一個具體實(shí)施方案中，碳化物生成元素為鈦。在此實(shí)施方案中，鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金可包含約0.3%至約0.7%鈦，且鈦以比碳量的約25倍更大的量存在。
[0009]在另一個實(shí)施方案中，碳化物生成元素為鋯。在此實(shí)施方案中，鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金可包含約0.3%至約0.7%錯，且鋯以比碳量的約8倍更大的量存在。
[0010]在另一個實(shí)施方案中，碳化物生成元素為鉭。在此實(shí)施方案中，鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金可包含約0.4%至約0.8%鉭，且鉭以比碳量的約12倍更大的量存在。
[00?1 ]在具體實(shí)施方案中，鍛造的沉淀硬化不鎊鋼合金可進(jìn)一步包含最尚1.0%猛、最尚1.0%硅、最高0.1%釩、最高0.1%錫、最高0.030%氮、最高0.025%磷、最高0.005%硫、最高0.05%鋁、最高0.005%銀和最高0.005%鉛作為伴隨雜質(zhì)。
[0012]此類沉淀硬化不銹鋼合金特別適合用于渦輪機(jī)翼片或其它轉(zhuǎn)動渦輪機(jī)組件。
[0013]通過參考以下說明和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解。附圖結(jié)合到本說明書并構(gòu)成本說明的一部分，圖示本發(fā)明的實(shí)施方案，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0014]附圖簡述
本發(fā)明的完全和授權(quán)公開，包括針對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的最佳方式，參考附圖闡述于本說明，其中:
圖1為可結(jié)合本發(fā)明的不同實(shí)施方案的示例燃?xì)鉁u輪機(jī)的示意橫截面?zhèn)纫晥D。
[0015]發(fā)明詳述
現(xiàn)在詳細(xì)論及本發(fā)明的實(shí)施方案，其中一個或多個實(shí)例在附圖中說明。各實(shí)例作為本發(fā)明的說明提供，不是本發(fā)明的限制。實(shí)際上，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見，可在不脫離本發(fā)明的范圍或精神下在本發(fā)明中作出各種修改和變化。例如，作為一個實(shí)施方案的部分來說明或描述的特征可與另一個實(shí)施方案一起使用，以得到更進(jìn)一步的實(shí)施方案。因此，本發(fā)明旨在覆蓋所附權(quán)利要求及其等同范圍內(nèi)的這些修改和變化。
[0016]應(yīng)了解，本文提到的范圍和限度包括在規(guī)定限度內(nèi)的所有范圍(S卩，子范圍)。例如，范圍約100至約200也包括范圍110至150、170至190、153至162和145.3至149.6。另外，最高約7的限度也包括最高約5、最高3、最高約4.5的限度和在此限度內(nèi)的范圍，例如約1至約5和約3.2至約6.5。
[0017]在本公開用常見化學(xué)縮寫討論化學(xué)元素，例如在元素周期表中常見的那些元素。例如，氫由其常見化學(xué)縮寫Η表示，氦由其常見化學(xué)縮寫He表示，諸如此類。
[0018]本發(fā)明總體上提供改良的沉淀硬化馬氏體不銹鋼合金與其制備方法及用途。通過控制合金組成及其相對量和老化熱處理，沉淀硬化馬氏體不銹鋼合金顯示改量的IGA和點(diǎn)腐蝕耐性，同時保持高機(jī)械強(qiáng)度及斷裂韌度。這些合金具有對已知含水腐蝕環(huán)境中的IGA和對腐蝕點(diǎn)及其它一般腐蝕機(jī)制的高度耐性。
[0019]這些合金的一般特征是具有分散硬化沉淀相(包括富銅細(xì)沉淀)的均勻馬氏體微結(jié)構(gòu)和約10%重量或更少的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，與某些化學(xué)和處理需要組合得到合金所需的耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度性能。在某些實(shí)施方案中，合金在溶液和老化條件顯示至少約140ksi (約965MPa)的極限拉伸強(qiáng)度和至少約50ft-lb(約69J)的卻貝沖擊韌度，且在一個實(shí)施方案中超過約lOOft-lb(約138J)。
[0020]概括地講，已發(fā)現(xiàn)，在合金內(nèi)以相對于存在碳量相對高含量包含選自鈦、鋯、鉭及其混合物的碳化物生成元素使合金愈加耐IGA。即，合金內(nèi)碳化物生成元素的量一般與合金中碳的量成比例(例如，比碳量的約8倍更大)。另外，已確定可通過以相對于所示C的量加入碳化物生成元素改進(jìn)IGA耐性，同時保持期望的機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度，包括在溶解作用(solut1n)和老化熱處理后分別大于約965MPa和約69 J的最低極限拉伸強(qiáng)度和最低卻貝V型切口韌度。
[0021]在一個實(shí)施方案中，鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金包含約14.0%重量至約16.0%重量鉻、約6.0%重量至約8.0%重量鎳、約1.25%重量至約1.75%重量銅、約1.0%重量至約2.0%重量鉬、約0.001%重量至約0.05%重量碳、約0.3%重量至約0.8%重量且比碳量的約8倍更大的量的碳化物生成元素、余量鐵及伴隨雜質(zhì)。如上所述，碳化物生成元素選自鈦、鋯、鉭及其混合物。例如，在一個實(shí)施方案中，碳化物生成元素選自鈦、鋯和鉭。例如，在一個具體實(shí)施方案中，鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金基本由以下組成(例如，由以下組成):約14.0%重量至約16.0%重量鉻、約6.0%重量至約8.0%重量鎳、約1.25%重量至約1.75%重量銅、約1.0%重量至約2.0%重量鉬、約0.001%重量至約0.05%重量碳、約0.3%重量至約0.8%重量且比碳量的約8倍更大的量的碳化物生成元素、余量鐵及伴隨雜質(zhì)。
[0022]不希望受任何具體理論限制，相信碳化物生成元素(例如，鈦、鋯和/或鉭)通過自身消耗碳保護(hù)合金晶間區(qū)域中的鉻。因此，晶間區(qū)域具有高鉻含量(即，富鉻晶間區(qū)域)，以提供對晶間侵蝕和腐蝕點(diǎn)的高耐腐蝕性。
[0023]在一個實(shí)施方案中，碳化物生成元素為鈦。在一個具體實(shí)施方案中，鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金包含約0.3%至約0.7%且比碳量的約25倍更大的量的鈦。因此，鍛造的沉淀硬化不銹鋼合金可包含約14.0%重量至約16.0%重量鉻、約6.0%重量至約8.0%重量鎳、約1.25%重量至約1.75%重量銅、約1.0%重量至約2.0%重量鉬、約0.001%重量至約0.05%重量碳、約
0.3%重量至約0.7%重量鈦、余量鐵及伴隨雜質(zhì)，且鈦以比碳量的約25倍更大的量存在。鈦是強(qiáng)于鈮的強(qiáng)碳化物生成元素。因此，鈦通過自身消耗碳(即，生成碳化鈦)保