CN104838020A - 用于处理合金的方法 - Google Patents

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Abstract

一种处理工件以抑制金属间化合物的沉淀的方法包括对包括奥氏体合金的工件的热机械加工和冷却中的至少一种。在所述工件的热机械加工和冷却中的至少一种期间，所述奥氏体合金处于跨越正好低于所述奥氏体合金的σ固溶线温度计算值的温度至冷却温度的温度范围内的温度下，持续时间不大于临界冷却时间。

Description

用于处理合金的方法
技术领域
本公开涉及合金方法。本方法可用于例如(但不限于)化学、采矿、石油和天然气行业。
发明背景
用于化学处理设施中的金属合金部件可在严苛条件下与高腐蚀性和/或侵蚀性化合物接触。例如，这些条件可能使金属合金部件经受高应力并且大力促进腐蚀和侵蚀。如果有必要更换化学处理设备的损坏、磨损或腐蚀的金属部件，则可能有必要中止设施操作一段时间。因此，延长化学处理设施中使用的金属合金部件的有效使用寿命可以降低产品成本。可例如通过改进合金的机械特性和/或耐腐蚀性来延长使用寿命。
类似地，在石油和天然气钻井操作中，钻柱组件可能由于机械、化学和/或环境条件而降解。所述钻柱组件可能经受冲击、磨损、摩擦、热、磨耗、侵蚀、腐蚀和/或沉积。常规合金可能遭受一种或多种影响其作为钻柱组件的效用的限制。例如，常规材料可能缺乏足够的机械特性(例如，屈服强度、抗拉强度和/或疲劳强度)，具有不足的耐腐蚀性(例如，抗点蚀性和/或应力腐蚀开裂)，或缺乏必要的非磁性特性。此外，常规合金的特性可能会限制由所述合金制成的钻柱组件的可能的尺寸和形状。这些限制可能降低组件的有效寿命，使石油和天然气钻井复杂化并提高其成本。
高强度非磁性不锈钢通常含有降低合金的耐腐蚀性的金属间沉淀物。在所述金属间沉淀物与基体合金之间产生的电化腐蚀电池可以显著降低在石油和天然气钻井操作中使用的高强度非磁性不锈钢合金的耐腐蚀性。
预期用于石油和天然气行业中的勘探和开发钻井应用的一种高强度非磁性奥氏体不锈钢的宽泛化学组成公开于2011年12月20日提交的共同未决的美国专利申请序列号13/331,135中，所述专利申请以全文引用的方式并入本文中。已发现，在所述′135申请中描述的某些钢的锻造工件的微观结构可包括金属间沉淀物。据认为，金属间沉淀物是由Fe-Cr-Ni金属间化合物构成的σ相沉淀物。所述σ相沉淀物可能损害所述′135申请中公开的不锈钢的耐腐蚀性，这可能不利地影响钢用于特定侵蚀性钻井环境中的适宜性。
发明内容
根据本公开的一个非限制性方面，处理工件以抑制金属间化合物的沉淀的方法包括对包括奥氏体合金的工件的热机械加工和冷却中的至少一种。在所述工件的热机械加工和冷却中的至少一种期间，所述奥氏体合金处于跨越正好低于所述奥氏体合金的σ固溶线温度计算值的温度至冷却温度的温度范围内的温度下，持续时段不大于临界冷却时间。所述σ固溶线温度计算值是以重量百分比计的奥氏体合金的组成的函数并且等于1155.8-(760.4)·(镍/铁)+(1409)·(铬/铁)+(2391.6)·(钼/铁)-(288.9)·(锰/铁)-(634.8)·(钴/铁)+(107.8)·(钨/铁)。所述冷却温度是以重量百分比计的奥氏体合金的组成的函数并且等于1290.7-(604.2)·(镍/铁)+(829.6)·(铬/铁)+(1899.6)·(钼/铁)-(635.5)·(钴/铁)+(1251.3)·(钨/铁)。所述临界冷却时间是以重量百分比计的奥氏体合金的组成的函数并且等于log102.948+(3.631)·(镍/铁)-(4.846)·(铬/铁)-(11.157)·(钼/铁)+(3.457)·(钴/铁)-(6.74)·(钨/铁)。
在所述方法的某些非限制性实施方案中，工件的热机械加工包括工件的锻造。所述锻造可包括例如辊锻、模锻、开坯、开式模锻、压式模锻、压力锻造、自动热锻、径向锻造和顶锻中的至少一种。在所述方法的某些非限制性实施方案中，临界冷却时间是在10分钟至30分钟的范围内，大于10分钟，或大于30分钟。
在所述方法的某些非限制性实施方案中，在所述工件的热机械加工和冷却中的至少一种之后，将所述工件加热至与σ固溶线温度计算值至少同样高的退火温度，并且在所述退火温度下将所述工件保持足以使工件退火的一段时间。随着工件从退火温度冷却，奥氏体合金处于跨越正好低于σ固溶线温度计算值的温度至冷却温度的温度范围内的温度下，持续时间不大于临界冷却时间。
根据本公开的另一个非限制性方面，处理奥氏体合金工件以抑制金属间化合物的沉淀的方法包括锻造所述工件，冷却所述锻造的工件，和任选地将所述冷却的工件退火。在工件的锻造和锻造工件的冷却期间，奥氏体合金冷却通过跨越正好低于所述奥氏体合金的σ固溶线温度计算值的温度至冷却温度的温度范围，持续时间不大于临界冷却时间。所述σ固溶线温度计算值是以重量百分比计的奥氏体合金的组成的函数并且等于1155.8-(760.4)·(镍/铁)+(1409)·(铬/铁)+(2391.6)·(钼/铁)-(288.9)·(锰/铁)-(634.8)·(钴/铁)+(107.8)·(钨/铁)。所述冷却温度是以重量百分比计的奥氏体合金的组成的函数并且等于1290.7-(604.2)·(镍/铁)+(829.6)·(铬/铁)+(1899.6)·(钼/铁)-(635.5)·(钴/铁)+(1251.3)·(钨/铁)。所述临界冷却时间是以重量百分比计的奥氏体合金的组成的函数并且等于log102.948+(3.631)·(镍/铁)-(4.846)·(铬/铁)-(11.157)·(钼/铁)+(3.457)·(钴/铁)-(6.74)·(钨/铁)。在某些非限制性实施方案中，工件的锻造包括辊锻、模锻、开坯、开式模锻、压式模锻、压力锻造、自动热锻、径向锻造和顶锻中的至少一种。
在所述方法的某些非限制性实施方案中，工件的锻造完全发生在大于σ固溶线温度计算值的温度下。在所述方法的某些其它非限制性实施方案中，工件的锻造通过σ固溶线温度计算值发生。在所述方法的某些非限制性实施方案中，临界冷却时间是在10分钟至30分钟的范围内，大于10分钟，大于30分钟。
附图说明
通过参考附图可更好地理解本文所述的装置和方法的特征和优点，在所述附图中：
图1是示出非磁性奥氏体合金的径向锻造工件的中半径处微观结构中的有害金属间沉淀物的显微照片；
图2是预测合金中0.1重量％σ相金属间沉淀的动力学的等温转变曲线或TTT曲线；
图3是示出根据本公开的方法从奥氏体合金的实验工件的径向锻造得到的工件中心温度计算值、中心温度计算值、表面温度计算值和实际温度的曲线图；
图4是根据本公开的实施方案在相关成形和冷却温度和时间下的TTT曲线；
图5是根据本公开用于制造可用于石油和天然气行业中的勘探和开发钻井应用的特定直径形式的高强度非磁性钢的方法的非限制性实施方案的示意图；
图6是具有如根据本公开的实施方案计算的比较短的临界冷却时间的合金的实施方案的TTT线图；
图7是根据本公开使用大于为避免σ相的金属间沉淀所需的临界冷却时间计算值的实际冷却时间所制造的经过锻造的9英寸直径工件的中心区域的显微照片；
图8是具有如根据本公开的实施方案计算的比较长的临界冷却时间的合金的实施方案的TTT线图；
图9是示出根据本公开使用小于为避免σ相的金属间沉淀所需的临界冷却时间计算值的实际冷却时间的经过锻造的9英寸直径工件的中半径的微观结构的显微照片；
图10是温度相对于距本公开的实施例3中使用的热处理的梯度炉的后壁的距离的曲线图；
图11是绘制了在本公开的实施例3中使用的取样温度梯度(水平线)和临界冷却时间(垂直线)的TTT线图；
图12是将在不同温度下保持12分钟的样品的微观结构叠置在本公开的实施例3的TTT线图上的图；
图13是将在1080°F下保持不同时间的样品的微观结构叠置在本公开的实施例3的TTT线图上的图；
图14A是示出在根据本公开的临界冷却时间计算值内退火并冷却并且不含σ相沉淀物的本公开的实施例4的合金的表面区域的微观结构的显微照片；
图14B是示出在根据本公开的临界冷却时间计算值内退火但未在其中冷却并且显示σ相沉淀物的本公开的实施例4的合金的中心区域的微观结构的显微照片；
图15A是示出在根据本公开的临界冷却时间计算值内锻造并冷却并且不含σ相沉淀物的本公开的实施例5的合金的表面区域的微观结构的显微照片；
图15B是示出在根据本公开的临界冷却时间计算值内锻造并冷却并且不含σ相沉淀物的本公开的实施例5的合金的中心区域的微观结构的显微照片；
图16A是示出在超过根据本公开的临界冷却时间计算值的时间内锻造并冷却并且在晶粒边界处显示σ相沉淀物的本公开的实施例6的合金的中半径处的微观结构的显微照片；
图16B是示出在根据本公开的临界冷却时间计算值内的时间锻造并冷却并且在晶粒边界处不显示σ相沉淀物的本公开的实施例6的合金的中半径处的微观结构的显微照片；
图17A是示出在根据本公开的临界冷却时间计算值内的时间锻造并冷却并且然后升温加工而在晶粒边界处不显示σ相沉淀物的本公开的实施例7的合金的表面区域的微观结构的显微照片；和
图17B是示出在根据本公开的临界冷却时间计算值内的时间锻造并冷却并且然后升温加工而在晶粒边界处不显示σ相沉淀物的本公开的实施例7的合金的中心区域的微观结构的显微照片。
在考虑到根据本公开的某些非限制性实施方案的下列详细描述后，读者将理解前述细节以及其它细节。
具体实施方式
应理解，本文所述的实施方案的某些描述已经简化成仅说明与所公开实施方案的清楚理解相关的那些要素、特征和方面，同时为了清楚起见，消除了其它要素、特征和方面。本领域的普通技术人员在考虑到所公开实施方案的本描述后，将认识到在所公开实施方案的特定实施或应用中可能需要其它要素和/或特征。然而，因为本领域的普通技术人员在考虑到所公开实施方案的本描述后，可容易地确定并实施这些其它要素和/或特征，并且因此不必完全理解所公开的实施方案，所以本文未提供这些要素和/或特征的描述。因此，应理解，本文阐述的描述仅示例和说明所公开的实施方案并且不打算限制如仅由权利要求所界定的本发明的范围。
此外，本文所述的任何数值范围旨在包括其中包含的所有子范围。例如，“1至10”的范围旨在包括所述最小值1与所述最大值10之间(并包括两端)、即具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值的所有子范围。本文所述的任何最大数值界限旨在包括其中包含的所有较低数值界限并且本文所述的任何最小数值界限旨在包括其中包含的所有较高数值界限。因此，本申请人保留修改本公开(包括权利要求书)的权利，以明确叙述包含在本文明确叙述的范围内的任何子范围。所有这些范围旨在固有地公开于本文中，以使得明确叙述任何这些子范围的修改将符合35U.S.C.§112第一款和35U.S.C.§132(a)的要求。
除非另外说明，否则如本文所用的语法冠词“一个”和“该”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，所述冠词在本文用于指一个或一个以上(即，至少一个)的语法对象的冠词。举例来说，“组件”意指一个或多个组件，并且因此可能涵盖一个以上组件并且其可利用或使用于所述实施方案的实施。
除非另外说明，否则所有百分比和比率都是以合金组合物的总重量计。
被称为完整或部分地以引用的方式并入本文中的任何专利、出版物或其它公开材料仅在所并入材料不与现有的定义、陈述或本公开中阐述的其它公开材料相冲突的程度上并入本文中。因此，并且在必要的程度上，如本文所阐述的公开内容取代以引用的方式并入本文中的任何冲突材料。被称为以引用的方式并入本文中、但与现有的定义、陈述或本公开中阐述的其它公开材料相冲突的任何材料或其部分仅在所述并入材料与现有的公开材料之间不出现冲突的程度上并入。
本公开包括多个实施方案的描述。应理解，本文所述的所有实施方案是示例性的、说明性的和非限制性的。因此，本发明不受各种示例性、说明性和非限制性实施方案的描述的限制。相反，本发明仅由权利要求界定，所述权利要求可被修改以叙述在本公开中明确或固有描述或者由本公开以其它方式明确或固有支持的任何特征。
如本文所用，术语“成形”、“锻造”和“径向锻造”是指热机械处理(“thermomechanical processing，TMP”)形式，其也可在本文中称为“热机械加工(thermomechanical working)”。热机械加工在本文中定义为通常涵盖多种金属成形方法组合受控的热和变形处理以获得协同效应，例如提高强度，而不损失韧度。热机械加工的这种定义与例如ASM Materials Engineering Dictionary，J.R.Davis编，ASMInternational(1992)，第480页中所述的含义一致。
用于化学处理、采矿和/或石油和天然气应用中的常规合金可能缺乏最佳水平的耐腐蚀性和/或最佳水平的一种或多种机械特性。如本文所讨论而处理的合金的各种实施方案可具有某些优于常规合金的优点，包括(但不限于)改进的耐腐蚀性和/或机械特性。如本文所述而处理的合金的某些实施方案可能例如表现出一种或多种改进的机械特性，而耐腐蚀性无任何降低。某些实施方案可表现出相对于某些常规合金改进的冲击特性、可焊性、抗腐蚀疲劳性、耐磨损性和/或耐氢脆化性。
在各种实施方案中，如本文所述而处理的合金可以表现出适用于严苛应用中的增强的耐腐蚀性和/或有利的机械特性。不希望受任何特定理论约束，据认为，某些如本文所述而处理的合金可例如由于对变形产生的应变硬化的反应提高而表现出较高的抗拉强度，同时也保持高的耐腐蚀性。应变硬化或冷加工可用于硬化一般不会对热处理良好反应的材料。然而，本领域的普通技术人员应理解，冷加工的结构的确切性质可能取决于材料、施加的应变、应变率和/或变形的温度。不希望受任何特定理论约束，据认为，对具有本文所述组成的合金的应变硬化可更有效地产生相比于某些常规合金表现出改进的耐腐蚀性和/或机械特性的合金。
在某些非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含以下，基本上由以下组成或由以下组成：铬、钴、铜、铁、锰、钼、镍、碳、氮、钨和附带杂质。在某些非限制性实施方案中，奥氏体合金可(但无需)包括作为痕量元素或作为附带杂质的铝、硅、钛、硼、磷、硫、铌、钽、钌、钒和锆中的一种或多种。
此外，根据各种非限制性实施方案，由本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含以下，基本上由以下组成或由以下组成：以基于合金总重量的重量百分比计，至多0.2碳、至多20锰、0.1至1.0硅、14.0至28.0铬、15.0至38.0镍、2.0至9.0钼、0.1至3.0铜、0.08至0.9氮、0.1至5.0钨、0.5至5.0钴、至多1.0钛、至多0.05硼、至多0.05磷、至多0.05硫、铁和附带杂质。
另外，根据各种非限制性实施方案，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含以下，基本上由以下组成或由以下组成：以基于合金总重量的重量百分比计，至多0.05碳、1.0至9.0锰、0.1至1.0硅、18.0至26.0铬、19.0至37.0镍、3.0至7.0钼、0.4至2.5铜、0.1至0.55氮、0.2至3.0钨、0.8至3.5钴、至多0.6钛、合并重量百分比不大于0.3的铌和钽、至多0.2钒、至多0.1铝、至多0.05硼、至多0.05磷、至多0.05硫、铁和附带杂质。
此外，根据各种非限制性实施方案，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成可包含以下，基本上由以下组成或由以下组成：以基于合金总重量的重量百分比计，至多0.05碳、2.0至8.0锰、0.1至0.5硅、19.0至25.0铬、20.0至35.0镍、3.0至6.5钼、0.5至2.0铜、0.2至0.5氮、0.3至2.5钨、1.0至3.5钴、至多0.6钛、合并重量百分比不大于0.3的铌和钽、至多0.2钒、至多0.1铝、至多0.05硼、至多0.05磷、至多0.05硫、铁和附带杂质。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的碳：至多2.0；至多0.8；至多0.2；至多0.08；至多0.05；至多0.03；0.005至2.0；0.01至2.0；0.01至1.0；0.01至0.8；0.01至0.08；0.01至0.05；和0.005至0.01。
在各种非限制性实施方案中，根据本公开的合金的组成可包含呈任何下列重量百分比范围的锰：至多20.0；至多10.0；1.0至20.0；1.0至10；1.0至9.0；2.0至8.0；2.0至7.0；2.0至6.0；3.5至6.5；和4.0至6.0。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的硅：至多1.0；0.1至1.0；0.5至1.0；和0.1至0.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的铬：14.0至28.0；16.0至25.0；18.0至26；19.0至25.0；20.0至24.0；20.0至22.0；21.0至23.0；和17.0至21.0。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的镍：15.0至38.0；19.0至37.0；20.0至35.0；和21.0至32.0。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的钼：2.0至9.0；3.0至7.0；3.0至6.5；5.5至6.5；和6.0至6.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的铜：0.1至3.0；0.4至2.5；0.5至2.0；和1.0至1.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的氮：0.08至0.9；0.08至0.3；0.1至0.55；0.2至0.5；和0.2至0.3。在某些实施方案中，奥氏体合金中的氮可限制为0.35重量百分比或0.3重量百分比，以解决其在合金中的有限溶解度问题。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的钨：0.1至5.0；0.1至1.0；0.2至3.0；0.2至0.8；和0.3至2.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的钴：至多5.0；0.5至5.0；0.5至1.0；0.8至3.5；1.0至4.0；1.0至3.5；和1.0至3.0。在某些实施方案中，钴出乎意料地改进合金的机械特性。例如，在合金的某些实施方案中，钴的加入可提供至多20％的韧度提高、至多20％的伸长率提高和/或改进的耐腐蚀性。不希望受任何特定理论约束，据认为，相对于在热加工后在晶粒边界处显示较高水平的σ相的不带钴的变异体，用钴置换铁可增加在热加工后合金中的有害σ相沉淀的抗性。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含2∶1至5∶1、或2∶1至4∶1的钴/钨重量百分比比率。在某些实施方案中，例如，钴/钨重量百分比比率可为约4∶1。钴和钨的使用可向合金赋予改进的固溶强化。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的钛：至多1.0；至多0.6；至多0.1；至多0.01；0.005至1.0；和0.1至0.6。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的锆：至多1.0；至多0.6；至多0.1；至多0.01；0.005至1.0；和0.1至0.6。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的铌和/或钽：至多1.0；至多0.5；至多0.3；0.01至1.0；0.01至0.5；0.01至0.1；和0.1至0.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列范围的合并重量百分比的铌和钽：至多1.0；至多0.5；至多0.3；0.01至1.0；0.01至0.5；0.01至0.1；和0.1至0.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的钒：至多1.0；至多0.5；至多0.2；0.01至1.0；0.01至0.5；0.05至0.2；和0.1至0.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的铝：至多1.0；至多0.5；至多0.1；至多0.01；0.01至1.0；0.1至0.5；和0.05至0.1。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的硼：至多0.05；至多0.01；至多0.008；至多0.001；至多0.0005。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的磷：至多0.05；至多0.025；至多0.01；和至多0.005。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的硫：至多0.05；至多0.025；至多0.01；和至多0.005。
在各种非限制性实施方案中，根据本公开的奥氏体合金的组成的其余部分可包含以下，基本上由以下组成或由以下组成：铁和附带杂质。在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的铁：至多60；至多50；20至60；20至50；20至45；35至45；30至50；40至60；40至50；40至45；和50至60。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含一种或多种痕量元素。如本文所用，“痕量元素”是指由于原材料的组成和/或所用的熔融方法而可存在于合金中并且其存在浓度不会显著不利影响合金的重要特性的元素，所述特性一般描述于本文中。痕量元素可包括例如呈本文所述的任何浓度的钛、锆、铌、钽、钒、铝和硼中的一种或多种。在某些非限制性实施方案中，痕量元素可能不存在于根据本公开的合金中。如本领域中已知，在制造合金时，通常可通过选择特定起始物质和/或使用特定处理技术而在很大程度上或完全地消除痕量元素。在各种非限制性实施方案中，根据本公开的奥氏体合金的组成可包含呈任何下列重量百分比范围的总浓度的痕量元素：至多5.0；至多1.0；至多0.5；至多0.1；0.1至5.0；0.1至1.0；和0.1至0.5。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的总浓度的附带杂质：至多5.0；至多1.0；至多0.5；至多0.1；0.1至5.0；0.1至1.0；和0.1至0.5。如本文通常所用，术语“附带杂质”是指以较小浓度存在于合金中的元素。这类元素可包括铋、钙、铈、镧、铅、氧、磷、钌、银、硒、硫、碲、锡和锆中的一种或多种。在各种非限制性实施方案中，根据本公开处理的奥氏体合金的组成中的单独的附带杂质不超过下列最大重量百分比：0.0005铋；0.1钙；0.1铈；0.1镧；0.001铅；0.01锡；0.01氧；0.5钌；0.0005银；0.0005硒；和0.0005碲。在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成，合金中存在的铈、镧和钙的合并重量百分比(如果存在任何的话)可为至多0.1。在各种非限制性实施方案中，奥氏体合金的组成中存在的铈和/或镧的合并重量百分比可为至多0.1。可作为附带杂质存在于如本文所述处理的奥氏体合金的组成的其它元素将为本领域的普通技术人员显而易见。在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的组成包含呈任何下列重量百分比范围的总浓度的痕量元素和附带杂质：至多10.0；至多5.0；至多1.0；至多0.5；至多0.1；0.1至10.0；0.1至5.0；0.1至1.0；和0.1至0.5。
在各种非限制性实施方案中，根据本公开的方法处理的奥氏体合金可为非磁性的。这种特征可促进合金在其中非磁性特性为重要的应用中的使用。这类应用包括例如某些石油和天然气钻柱组件应用。如本文所述处理的奥氏体合金的某些非限制性实施方案的特征可为在特定范围内的磁导率值(μr)。在各种非限制性实施方案中，根据本公开处理的合金的磁导率值可小于1.01，小于1.005和/或小于1.001。在各种实施方案中，合金可基本上不含铁素体。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的特征可为在特定范围内的抗点蚀当量数(PREN)。如所理解，PREN归于合金在含氯化物环境中的预期抗点蚀性的相对值。通常，具有较高PREN的合金预期相比于具有较低PREN的合金具有更好的耐腐蚀性。一个特定PREN计算使用下式提供PREN16值，其中百分比是以总合金重量计的重量百分比：
PREN16＝％Cr+3.3(％Mo)+16(％N)+1.65(％W)
在各种非限制性实施方案中，使用根据本公开的方法处理的合金可具有在任何下列范围中的PREN16值：至多60；至多58；大于30；大于40；大于45；大于48；30至60；30至58；30至50；40至60；40至58；40至50；和48至51。不希望受任何特定理论约束，据认为，较高的PREN16值可指示合金在石油和天然气钻井应用中钻柱所经受的例如化学处理设备和井下环境中可存在的环境中、例如高腐蚀性环境中将表现出足够的耐腐蚀性的可能性较高。侵蚀性腐蚀环境可能使合金经受例如碱性化合物、酸化氯化物溶液、酸化硫化物溶液、过氧化物和/或CO2，以及极端温度。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的特征可为在特定范围内的避免沉淀的敏感性系数值(CP)。CP值的概念描述于例如标题为“Austenitic Stainless Steel Having HighProperties”的美国专利No.5,494,636中。一般来说，CP值是合金中的金属间相沉淀的动力学的相对指示。CP值可使用下式计算，其中百分比是以总合金重量计的重量百分比：
CP＝20(％Cr)+0.3(％Ni)+30(％Mo)+5(％W)+10(％Mn)+50(％C)-200(％N)
不希望受任何特定理论约束，据认为，具有小于710的CP值的合金将表现出有利的奥氏体稳定性，其有助于最小化在焊接期间金属间相的HAZ(热影响区)敏感化。在各种非限制性实施方案中，如本文所述处理的合金可具有在任何下列范围内的CP：至多800；至多750；小于750；至多710；小于710；至多680；和660-750。
在各种非限制性实施方案中，根据本公开的奥氏体合金的特征可为在特定范围内的临界点蚀温度(CPT)和/或临界缝隙腐蚀温度(CCCT)。在某些应用中，CPT和CCCT值可比合金的PREN值更精确地指示合金的耐腐蚀性。CPT和CCCT可根据标题为“Standard TestMethods for Pitting and Crevice Corrosion Resistance of Stainless Steelsand Related Alloys by Use of Ferric Chloride Solution”的ASTM G48-11测量。在各种非限制性实施方案中，根据本公开处理的合金的CPT可为至少45℃，或更优选为至少50℃，并且CCCT可为至少25℃，或更优选为至少30℃。
在各种非限制性实施方案中，由根据本公开的方法处理的奥氏体合金的特征可为在特定范围内的抗氯化物应力腐蚀开裂性(SCC)值。SCC值的概念描述于例如A.J.Sedricks，Corrosion of Stainless Steels(J.Wiley and Sons 1979)。在各种非限制性实施方案中，可根据下列中的一个或多个针对特定应用测定根据本公开的合金的SCC值：ASTMG30-97(2009)，标题为“Standard Practice for Making and Using U-BendStress-Corrosion Test Specimens”；ASTM G36-94(2006)，标题为“Standard Practice for Evaluating Stress-Corrosion-Cracking Resistanceof Metals and Alloys in a Boiling Magnesium Chloride Solution”；ASTMG39-99(2011)，“Standard Practice for Preparation and Use of Bent-BeamStress-Corrosion Test Specimens”；ASTM G49-85(2011)，“StandardPractice for Preparation and Use of Direct Tension Stress-Corrosion TestSpecimens”；和ASTM G123-00(2011)，“Standard Test Method forEvaluating Stress-Corrosion Cracking of Stainless Alloys with DifferentNickel Content in Boiling Acidified Sodium Chloride Solution”。在各种非限制性实施方案中，依据ASTM G123-00(2011)评估，根据本公开处理的合金的SCC值足够高以指示合金可适宜地承受沸腾的酸化氯化钠溶液1000小时而不经历不可接受的应力腐蚀开裂。
已发现，上述合金组合物的锻造工件的微观结构可含有有害的金属间沉淀物。据认为，金属间沉淀物可能是σ相沉淀物，即(Fe，Ni)3(Cr，Mo)2化合物。金属间沉淀物可能损害合金的耐腐蚀性并且不利地影响其用于石油和天然气钻井和其它侵袭性环境中的适宜性。图1示出径向锻造工件的中半径处的微观结构10中的有害金属间沉淀物12的实例。图1中所示合金的化学组成处于本文所列的合金组成内并且由以下组成(以基于总合金重量的重量百分比计)：26.0397铁；33.94镍；22.88铬；6.35钼；4.5锰；3.35钴；1.06钨；1.15铜；0.01铌；0.26硅；0.04钒；0.019碳；0.0386氮；0.015磷；0.0004硫；和附带杂质。
如果金属间沉淀物局限于合金表面，则可使用表面研磨来去除含有金属间沉淀物的有害层，并伴随着产品产率的降低和产品成本的增加。然而，在一些合金组成中，有害的金属间沉淀物可显著延伸至径向锻造工件的横截面中或径向锻造工件的整个横截面内，在这种情况下工件可能完全不适于使合金经受例如高腐蚀性条件的应用的径向锻造条件。用于从微观结构去除有害的金属间沉淀物的选项是在冷却温度径向锻造操作之前溶液处理径向锻造的工件。然而，这增加了额外的处理步骤并增加了成本和周期时间。另外，使工件从退火温度冷却所花费的时间取决于工件的直径，并且它应该足够快以防止形成有害的金属间沉淀物。
不欲受任何特定理论约束，据认为，因为沉淀动力学足够快以允许在用于锻造工件的时间期间发生沉淀，所以主要形成金属间沉淀物。图2是等温转变曲线20，也称为“TTT线图”或“TTT曲线”，其预测0.1重量百分比σ相(sigma相)金属间沉淀在具有上文关于图1所述的组成的合金中的动力学。从图2可见，在包含等温转变曲线20的“C”曲线的顶点22或“鼻部”，最迅速地、即在最短时间内发生金属间沉淀。
图3是示出具有表1中列出的化学组成的奥氏体合金的实验工件的径向锻造的工件中心温度计算值32、中半径温度计算值34、表面温度计算值36和实际温度的组合30的图。这些组成处在本详细描述中的上述合金组成的范围内。所述工件具有约10英寸的直径，并且使用光学高温计测量实际温度。TTT线图的鼻部的温度以线38表示。表1也示出所列的合金组合物的PREN16值。
从图3可观察到，工件在径向锻造期间的实际表面温度接近于金属间沉淀的动力学最快速的温度，从而强烈促进有害的金属间化合物的沉淀。
使用获自Sente Software Ltd.，Surrey，United Kingdom的热力学建模软件JMatPro，测定本文所述的某些合金中的特定元素的含量与(1)到达等温转变曲线顶点的时间和(2)在等温转变曲线的顶点区域中的温度之间的关系。已确定，调节合金中的各种元素的水平可以改变到达等温转变曲线的顶点的时间并且从而允许在不形成有害的金属间沉淀物的情况下进行热机械处理。可应用的热机械处理的实例包括(但不限于)径向锻造和压力锻造。
因此，本公开的非限制性方面是针对在高强度、非磁性奥氏体钢的化学组成与用于随着合金在特定温度范围之间冷却来处理所述合金以避免所述合金内形成有害的金属间沉淀物的最大可允许时间之间发现的定量关系。图4是示出σ固溶线温度计算值42、冷却温度44和临界冷却时间50的TTT曲线48，并且还说明了根据本公开定义可允许随着合金在特定温度范围内冷却来处理所述合金以避免有害的金属间沉淀物的沉淀的最大时间或临界冷却时间50的关系40。
可使用三个方程式描述图4中说明的关系40。方程式1定义了σ固溶线温度计算值，在图4中由线42表示。
方程式1σ固溶线温度计算值(°F)＝1155.8-[(760.4)·(％镍/％铁)]+[(1409)·(％铬/％铁)]+[(2391.6)·(％钼/％铁)]-[(288.9)·(％锰/％铁)-[(634.8)·(％钴/％铁)]+[(107.8)·(％钨/％铁)]。
当根据本公开的奥氏体钢处于或高于根据方程式1的σ固溶线温度计算值时，在合金中未形成有害的金属间沉淀物。
在一个非限制性实施方案中，工件是在热机械处理温度范围中的温度下热机械处理。所述温度范围是从正好低于奥氏体合金的σ固溶线温度计算值42的温度到奥氏体合金的冷却温度44。使用方程式2来计算作为奥氏体钢合金的化学组成的函数的冷却温度44(以F计)。参看图4，根据方程式2计算的冷却温度44旨在预测合金的等温转变曲线48的顶点46的温度。
方程式2
冷却温度(°F)＝1290.7-[(604.2)·(％镍/％铁)]+[(829.6)·(％铬/％铁)]+[(1899.6)·(％钼/％铁)]-[(635.5)·(％钴/％铁)]+[(1251.3)·(％钨/％铁)]。
方程式3是预测特定合金发生等温转变曲线48的顶点46处的时间(log10分钟)的方程式。
方程式3
临界冷却时间(log10分钟)＝2.948+[(3.631)·(％镍/％铁)]-[(4.846)·(％铬/％铁)]-[(11.157)·(％钼/％铁)]+[(3.457)·(％钴/％铁)]-[(6.74)·(％钨/％铁)]。
参看图4，等温转变曲线48出现顶点46的时间由箭头50表示。由方程式3计算并通过图4中的箭头50表示的时间在本文中被称为“临界冷却时间”。如果合金在跨越正好低于σ固溶线温度计算值42的温度至冷却温度44的温度范围中冷却期间的时间长于临界冷却时间50，则可形成有害的金属间沉淀物。由于在金属间沉淀物与基体合金之间形成电化腐蚀电池，所述金属间沉淀物可使得合金或产品不适于其预期用途。更通常地，为了防止形成有害的金属间沉淀物，在跨越正好低于σ固溶线温度计算值42的温度至冷却温度44的温度范围中热机械处理合金的时间应不大于临界冷却时间50。
在一个非限制性实施方案中，使工件在不长于临界冷却时间50的时间内从正好低于σ固溶线温度计算值42的温度冷却至冷却温度44。应认识到，可在工件的热机械处理期间使工件冷却。例如，并且不加限制地，可将工件加热至在热机械处理温度范围内的温度，并且随后使用锻造工艺进行热机械处理。随着工件被热机械处理，工件可冷却至一定程度。在一个非限制性实施方案中，使工件冷却包括可在热机械处理期间发生的自然冷却。根据本公开的一个方面，仅需要工件在跨越正好低于σ固溶线温度计算值42的温度至冷却温度44的冷却温度范围中所花费的时间不大于临界冷却时间50。
根据某些非限制性实施方案，对于根据本公开的奥氏体合金工件的锻造、径向锻造或其它热机械处理实用的临界冷却时间在10分钟至30分钟的范围内。某些其它非限制性实施方案包括大于10分钟或大于30分钟的临界冷却时间。应认识到，根据本公开的方法，基于合金的化学组成根据方程式3计算的临界冷却时间是在跨越正好低于σ固溶线温度计算值(通过上文方程式1计算)的温度至冷却温度(通过上文方程式2计算)的温度范围内进行热机械处理和/或冷却的最大可允许时间。
通过方程式1计算的σ固溶线温度计算值和通过方程式2计算的冷却温度界定了温度范围的端点，在所述温度范围上冷却时间要求或如本文所提及的临界冷却时间是重要的。在处于或高于根据方程式1计算的σ固溶线温度计算值下热处理合金的时间对于本方法不重要，因为当所述合金处于或高于所述σ固溶线温度计算值时，形成本文解决的有害金属间沉淀物的元素留在溶液中。相反，仅工件在跨越正好低于σ固溶线温度计算值(使用方程式1计算)的温度至冷却温度(使用方程式2计算)的温度范围内的持续时间，其在本文被称为冷却温度范围，对于防止有害的金属间σ相沉淀是显著的。为了防止有害的σ相金属间粒子形成，工件在所计算的冷却温度范围中所花费的实际时间必须不大于如方程式3中所计算的临界冷却时间。
此外，工件在低于根据方程式2计算的冷却温度的温度下的持续时间对于本方法不重要，因为低于冷却温度，包含有害的金属间沉淀物的元素的扩散速率足够低以抑制沉淀物的大量形成。在小于根据方程式1的σ固溶线温度计算值的温度下加工合金并且然后将合金冷却至根据方程式2的冷却温度所花费的总时间，即合金处于由(i)正好低于σ固溶线温度计算值的温度和(ii)冷却温度所界定的温度范围中的时间，必须不大于根据方程式3的临界冷却时间。
表2示出具有表1中的组成的三种合金的使用方程式1计算的σ固溶线温度计算值、由方程式2计算的冷却温度和由方程式3计算的临界冷却时间。
根据本公开的非限制性方面，根据本公开的方法对工件进行热机械加工包括工件的锻造。对于锻造的热机械方法，根据本公开的热机械加工温度和热机械加工温度范围可分别被称为锻造温度和锻造温度范围。
根据本公开的另一个特定方面，根据本公开的方法对工件进行热机械加工可包括工件的径向锻造。对于径向锻造的热机械方法，根据本公开的热机械处理温度范围可被称为径向锻造温度范围。
在根据本公开的方法的一个非限制性实施方案中，工件的热机械加工或处理步骤包括合金的锻造或由合金的锻造组成。锻造可包括(但不限于)下列锻造类型中的任一种：辊锻、模锻、开坯、开式模锻、闭式模锻、等温锻造、压式模锻、压力锻造、自动热锻、径向锻造和顶锻。在一个特定实施方案中，成形包含径向锻造或由径向锻造组成。
根据本公开的一个非限制性方面，可在根据本公开的热机械加工和冷却步骤后将工件退火。退火包括将工件加热至等于或大于根据方程式1的σ固溶线温度计算值的温度，并且将工件在所述温度下保持一段时间。然后将退火的工件冷却。在跨越正好低于σ固溶线温度计算值(根据方程式1计算)的温度与根据方程式2计算的冷却温度的温度范围中将退火的工件冷却必须在根据方程式3计算的临界冷却时间内完成，以防止有害的金属间相沉淀。在一个非限制性实施方案中，在1900°F至2300°F范围内的温度下将合金退火，并且在所述退火温度下将合金保持10分钟至1500分钟。
应认识到，根据本公开处理奥氏体合金工件以抑制金属间化合物沉淀的方法适用于任何和所有的具有本公开中所述的化学组成的合金。
图5是作为根据本公开的方法的一个非限制性实施方案的工艺60的示意图。工艺60可用于制造高强度非磁性钢产品形式，其具有可用于石油和天然气行业中的勘探和开发钻井应用的直径。使用氩氧脱碳和电渣重熔的组合(AOD/ESR)将材料熔融成20英寸直径钢锭(62)。AOD和ESR是本领域的普通技术人员已知的技术，并且因此未在本文中进一步描述。将20英寸直径钢锭径向锻造成14英寸直径(64)，再加热，并且径向锻造成约9英寸直径(66)。然后使所述9英寸直径钢锭冷却(未示于图5中)。工艺60中的最后步骤是将直径缩减至约7.25英寸直径(68)的低温径向锻造操作。7.25英寸直径棒可经多次切割(70)以抛光、测试和/或后续处理。
在图5中所示的流程中，关于本公开方法的步骤是将工件从约14英寸直径(64)径向锻造至约9英寸直径(66)的步骤，和将径向锻造工件冷却的后续或并行步骤(未示于图5中)。参看图4，径向锻造的约9英寸直径工件的所有区域(即，整个工件横截面)应在不大于临界冷却时间计算值50的时间内从正好低于σ固溶线温度计算值42的温度冷却至冷却温度44。应认识到，在根据本公开的某些非限制性实施方案中，在工件同时被热机械加工或锻造的同时可能全部或一定量地冷却至冷却温度44，并且工件的冷却无需完全发生作为不同于热机械加工或锻造步骤的步骤。
在直接的径向锻造操作期间，在工件表面发生最迅速的冷却，并且表面区域可结束于在处于或低于如先前所述的冷却温度44下处理。为了防止有害的金属间沉淀物的沉淀，表面区域的冷却时间应符合根据使用方程式3的合金组成计算的临界冷却时间50的制约。
在一个非限制性实施方案中，有可能通过增添旨在从所锻造的工件消除金属间沉淀物的另一工艺步骤来缩短可用的冷却窗。所述另一工艺步骤可为适于在大于σ固溶线温度计算值42的温度下将金属间沉淀物溶解在所锻造工件中的热处理。然而，在热处理后将工件的表面、中半径和中心冷却所花费的任何时间必须在根据方程式3计算的临界冷却时间内。在另一热处理工艺步骤后的冷却速率部分地取决于工件的直径，其中工件的中心在最慢速率下冷却。工件的直径越大，则工件中心的冷却速率越慢。在任何情况下，在正好低于σ固溶线温度计算值的温度与冷却温度计算值之间冷却应该不长于方程式3的临界冷却时间。
在开发本发明期间出乎意料的观察结果是，氮对于可用处理时间具有显著影响，原因在于氮抑制有害的金属间沉淀并且从而允许较长的临界冷却时间而不形成有害的金属间沉淀。然而，氮不包括于本公开的方程式1-3中，因为在一个非限制性实施方案中，将氮在元素的溶解度限度下加入根据本方法处理的奥氏体合金中，其将在本文所述奥氏体合金的化学组成范围内相对恒定。
在将奥氏体合金热机械加工并根据本文的方法和方程式1-3的制约冷却后，可将处理的合金制造成或包括于多种制造物品中。所述制造物品可包括(但不限于)用于化学、石油化学、采矿、石油、天然气、纸制品、食品加工、医药和/或水服务行业中的部件和组件。可包括通过根据本公开的方法处理的合金的特定制造物品的非限制性实例包括：管材；片材；板材；棒材；杆材；锻件；槽；管线组件；旨在用于化学品、天然气、原油、海水、工业用水和/或腐蚀性流体(例如，碱性化合物、酸化氯化物溶液、酸化硫化物溶液和/或过氧化物)的管道、冷凝器和热交换器；纸浆漂白厂中的过滤器垫圈、大桶和压辊；用于核电厂和电厂烟气洗涤环境的工业用水管道系统；用于海上石油和天然气平台的工艺系统的组件；气井组件，包括管、阀门、吊架、落地接管、工具接头和包装机；涡流发动机组件；脱盐组件和泵；妥尔油蒸馏塔和包装；用于海洋环境的物品，例如变压器外壳；阀门；轴系；法兰；反应器；收集器；分离器；交换器；泵；压缩机；紧固件；柔性连接器；波纹管；烟囱衬；烟道衬；和某些钻柱组件，例如，稳定器、旋转可控钻井组件、钻铤、整体式叶片稳定器、稳定器芯棒、钻井和测量管件、随钻测量外壳、随钻测井外壳、非磁性钻铤、非磁性钻杆、整体式叶片非磁性稳定器、非磁性柔性轴环和压缩性服务钻杆。
结合根据本公开的方法，具有本公开中所述的组成的奥氏体合金可通过本领域中已知用于制造合金的任何合适常规技术提供。这类技术包括例如熔融实践和粉末冶金实践。常规熔融实践的非限制性实例包括(但不限于)利用可消耗熔融技术(例如，真空电弧重熔(VAR)和ESR)、非消耗熔融技术(例如，等离子体冷炉床熔融和电子束冷炉床熔融)的实践，和两种或更多种这些技术的组合。如本领域中已知，用于制备合金的某些粉末冶金实践一般包括通过下列步骤制造合金粉末：AOD，真空氧脱碳(VOD)，或真空感应熔融(VIM)成分以提供具有所需组成的熔体；使用常规雾化技术将所述熔体雾化以提供合金粉末；和压制并烧结所有或一部分的合金粉末。在一种常规雾化技术中，使熔体流与雾化器的旋转叶片接触，其将所述熔体流打破成小液滴。所述液滴可在真空或惰性气体气氛中迅速固化，从而提供小的固体合金粒子。
在根据本公开的方程式1-3的制约将工件热机械加工和冷却后，本文所述的奥氏体合金可相对于常规合金具有改进的耐腐蚀性和/或机械特性。在根据本公开的方程式1-3的制约将工件热机械加工和冷却后，本文所述的合金的非限制性实施方案可相比于获自AlleghenyTechnologies Incorporated，Pittsburgh，Pennsylvania USA的DATALLOY 合金(UNS未指定)和/或合金(UNS N08367)具有更大、相当或更好的极限抗拉强度、屈服强度、伸长率百分比和/或硬度。此外，在根据本公开的方程式1-3的制约将工件热机械处理和使其冷却后，本文所述的合金可相比于DATALLOY 合金和/或合金具有相当或更好的PREN、CP、CPT、CCCT和/或SCC值。另外，在根据本公开的方程式1-3的制约将工件热机械处理和使其冷却后，本文所述的合金可相对于DATALLOY 合金和/或合金具有改进的疲劳强度、微观结构稳定性、韧度、耐热开裂性、耐点蚀性、电化腐蚀、SCC、机械加工性和/或耐磨损性。DATALLOY 合金是具有下列以重量百分比计的标称组成的Cr-Mn-N不锈钢：0.03碳；0.30硅；15.1锰；15.3铬；2.1钼；2.3镍；0.4氮；其余为铁和杂质。合金是具有下列以重量百分比计的典型组成的超奥氏体不锈钢：0.02碳；0.40锰；0.020磷；0.001硫；20.5铬；24.0镍；6.2钼；0.22氮；0.2铜；其余为铁和杂质。
在某些非限制性实施方案中，在根据本公开的方程式1-3的制约将工件热机械加工和冷却后，本文所述的合金可在室温下表现出至少110ksi的极限抗拉强度、至少50ksi的屈服强度和/或至少15％的伸长率百分比。在各种其它非限制性实施方案中，在根据本公开成形、锻造或径向锻造和冷却后，本文所述的合金可在退火状态中和在室温下表现出在90ksi至150ksi范围内的极限抗拉强度、在50ksi至120ksi范围内的屈服强度，和/或在20％至65％范围内的伸长率百分比。
下列实施例旨在进一步描述某些非限制性实施方案，而不限制本公开的范围。本领域的普通技术人员应理解，下列实施例的变化在本发明范围内是可能的，所述范围仅由权利要求书界定。
实施例1
图6示出具有如使用本公开的方程式3计算的比较短的可允许临界冷却时间的合金的TTT线图80的实施例。作为图6的主题的合金的化学组成包括(以重量百分比计)：26.04铁；33.94镍；22.88铬；6.35钼；4.5锰；3.35钴；1.06钨；1.15铜；0.01铌；0.26硅；0.04钒；0.019碳；0.386氮；0.015磷；和0.0004硫。对于这种合金组成，根据本公开的方程式1计算的σ固溶线温度计算值82是约1859°F；根据本公开的方程式2计算的冷却温度84是约1665°F；并且根据本公开的方程式3计算的临界冷却时间86是约7.5分钟。根据本公开，为了防止有害的金属间相的沉淀，工件必须在正好低于1859°F(即，由方程式1计算的σ固溶线温度计算值)降至1665°F(即，根据方程式2计算的冷却温度)的温度范围内热机械处理并使其冷却，持续时间不超过7.5分钟(即，根据方程式3计算的临界冷却时间)。
图7示出具有如表1中所公开的Heat 48FJ的组成的所锻造9英寸直径工件的中心的微观结构。所述9英寸工件制造如下。将20英寸直径电渣重熔(ESR)钢锭在2225°F下均质化，再加热至2150°F，在径向锻造机上热加工至约14英寸工件，并且空气冷却。将14英寸工件再加热至2200°F并且在径向锻造机上热加工至约9英寸直径工件，接着水淬火。相关的实际冷却时间，即在正好低于通过方程式1计算的1859°F的σ固溶线温度计算值降至通过方程式2计算的1665°F冷却温度的温度范围内锻造并且然后冷却的时间，大于通过方程式3计算的可允许避免σ相金属间沉淀的7.5分钟临界冷却时间。如根据方程式1-3所预测，图7的显微照片示出所锻造的9英寸直径工件的微观结构在晶粒边界处含有有害的金属间沉淀物，最有可能是σ。
实施例2
图8示出相比于图6的合金具有使用方程式3计算的较长临界冷却时间的合金的TTT线图90的实施例。图8的合金的化学组成包含(以重量百分比计)：39.78铁；25.43镍；20.91铬；4.78钼；4.47锰；2.06钴；0.64钨；1.27铜；0.01铌；0.24硅；0.04钒；0.0070碳；0.37氮；0.015磷；和0.0004硫。根据方程式1计算的合金的σ固溶线温度计算值92是约1634°F；根据方程式2计算的冷却温度94是约1556°F；并且根据本公开的方程式3计算的临界冷却时间96是约28.3分钟。根据本公开的方法，为了防止有害的金属间相在合金内的沉淀，合金必须在跨越正好低于σ固溶线温度计算值(1634°F)的温度至冷却温度计算值(1556°F)的温度范围内成形和冷却，持续时间不大于临界冷却时间计算值(28.3分钟)。
图9示出合金的所锻造9英寸直径工件的中半径的微观结构。所述工件制造如下。将合金的约20英寸直径ESR钢锭在2225°F下均质化，在径向锻造机上热加工成约14英寸直径工件，并且空气冷却。将冷却的工件再加热至2200°F并且在径向锻造机上热加工成约10英寸直径工件，接着水淬火。相关的实际冷却时间，即在跨越正好低于根据方程式1计算的σ固溶线温度计算值(1634°F)的温度至根据方程式2计算的冷却温度(1556°F)的温度范围内锻造和冷却的时间，小于根据方程式3计算的可允许避免σ相金属间沉淀的临界冷却时间(28.3分钟)。如根据方程式1-3所预测，图9的显微照片示出所锻造的9英寸直径工件的微观结构在晶粒边界处不含有害的金属间σ相沉淀物。在晶粒边界处的暗化区域是归因于金相蚀刻制造物并且不代表晶粒边界沉淀物。
实施例3
提供heat编号49FJ的非磁性奥氏体合金的样品(参见表1)。所述合金具有根据方程式1计算的σ固溶线温度计算值1694°F。根据方程式2计算的合金冷却温度是1600°F。到达根据方程式3计算的TTT线图的C曲线的鼻部的时间(即，临界冷却时间)是15.6分钟。将合金样品在1950°F下退火0.5小时。将退火样品放置在梯度炉中，其中所述炉的后壁为约1600°F，所述炉的前壁为约1000°F，和在炉内前壁与后壁之间的中间温度的梯度。炉中的温度梯度反映在图10中所描绘的曲线图中。将样品放置在炉内位置以经受1080°F、1200°F、1300°F、1400°F、1500°F或1550°F的温度，并且加热12分钟、50分钟、10小时或20小时。在施加于样品的特定加热温度下评估每个样品的微观结构。
图11是具有用于这些实验中的加热温度梯度(水平线)和实际冷却时间(垂直线)的TTT线图。图12将在不同温度下保持12分钟的样品的微观结构叠置在TTT线图上。图13将在1080°F下保持不同时间的样品的微观结构叠置在TTT线图上。一般来说，结果证实，TTT线图的精确度在于本文解决的金属间相沉淀发生在大约由TTT线图限定的温度和时间下。
实施例4
提供具有Heat 48FJ的化学性质的20英寸直径ESR钢锭。所述合金具有使用方程式1计算的σ固溶线温度计算值1851°F。根据方程式2计算的冷却温度是1659°F。到达根据方程式3计算的TTT线图的C曲线的鼻部的时间(即，临界冷却时间)是8.0分钟。将ESR钢锭在2225°F下均质化，再加热至2225°F并在径向锻造机上热加工成约14英寸直径工件，然后空气冷却。将冷却的14英寸直径工件再加热至2225°F并在径向锻造机上热加工成约10英寸直径工件，接着水淬火。在径向锻造操作期间的光学温度测量结果指示表面温度是约1778°F，并且随着径向锻造的工件进入水淬火槽，表面温度是约1778°F。将径向锻造和水淬火的工件在2150°F下退火并且然后用水淬火。
图14A示出在退火的径向锻造的工件表面处的微观结构。图14B示出在退火的径向锻造工件的中心处的微观结构。2150°F退火步骤使在径向锻造操作期间形成的σ相溶解。然而，随着钢锭从正好低于1851°F的σ固溶线温度计算值的温度冷却至在水淬火操作期间计算的冷却温度1659°F，临界冷却时间计算值8.0分钟不足以防止在钢锭的中心处形成σ相。图14A的光学显微照片示出表面冷却不够迅速以避免σ相沉淀，但图14B的显微照片示出在钢锭中心处的冷却发生得足够慢以允许σ相沉淀。钢锭的中心在大于通过方程式3计算的临界冷却时间的时段内从通过方程式1计算的σ固溶线温度计算值冷却至通过方程式2计算的冷却温度。
实施例5
提供具有Heat 45FJ的化学性质的20英寸直径ESR钢锭。所述合金具有使用方程式1计算的σ固溶线温度计算值1624°F。根据方程式2计算的冷却温度是1561°F。到达TTT线图的C曲线的鼻部的时间(即，临界冷却时间)是30.4分钟。将ESR钢锭在2225°F下均质化，再加热至2225°F并在径向锻造机上热加工成约14英寸直径工件，然后空气冷却。将所述工件再加热至2225°F并在径向锻造机上热加工成约10英寸直径工件，接着水淬火。在径向锻造操作期间的光学温度测量结果指示工件表面温度是约1886°F，并且随着径向锻造的工件进入水淬火槽，表面温度是约1790°F。
图15A示出在径向锻造和水淬火的工件表面处的微观结构。图15B示出径向锻造和水淬火的工件中心处的微观结构。图15A和图15B中所示的微观结构不含σ沉淀。这证实从正好低于σ固溶线温度计算值1624°F的温度冷却至冷却温度计算值1561°F的实际时间足够快(即，小于30.4分钟)以避免在径向锻造和水淬火工件的表面和中心处的σ相沉淀。
实施例6
提供具有Heat 48FJ的化学性质的20英寸直径ESR钢锭。所述Heat 48FJ合金具有使用方程式1计算的σ固溶线温度计算值1851°F。根据方程式2计算的冷却温度是1659°F。到达根据方程式3计算的TTT线图的C曲线的鼻部的时间(即，临界冷却时间)是8.0分钟。提供具有Heat 49FJ的化学性质的20英寸直径ESR钢锭。所述Heat 49FJ合金具有使用方程式1计算的σ固溶线温度计算值1694°F。根据方程式2计算的冷却温度是1600°F。到达根据方程式3计算的TTT线图的C曲线的鼻部的时间(即，临界冷却时间)是15.6分钟。
两种钢锭都在2225°F下均质化。将均质化的钢锭再加热至2225°F并在径向锻造机上热加工成约14英寸直径工件，接着空气冷却。将两种冷却的工件再加热至2225°F并在径向锻造机上热加工成约10英寸直径工件，接着水淬火。
在Heat 48FJ钢锭的径向锻造操作期间的光学温度测量结果指示表面温度是约1877°F，并且进入水淬火槽，表面温度是约1778°F。图16A示出合金的中心微观结构，其在晶粒边界处包括σ相沉淀物。
在Heat 49FJ钢锭的径向锻造操作期间的光学温度测量结果指示表面温度是约1848°F，并且进入水淬火槽，表面温度是约1757°F。图16B示出合金的中心微观结构，其不含σ相沉淀物。图16B的显微照片中的晶粒边界处的黑暗区域归因于金相蚀刻制造物。
这些结果证实，即使当在基本上相同的条件下处理时，具有较短的如通过方程式3计算的临界冷却时间的工件(Heat 48FJ)在其中心处产生σ相，而具有较长的如通过方程式3计算的临界冷却时间的工件(Heat 49FJ)在其中心处不产生σ相沉淀物。
实施例7
提供具有Heat 49FJ的化学性质的20英寸直径ESR钢锭。所述Heat 49FJ合金具有使用方程式1计算的σ固溶线温度计算值1694°F。根据方程式2计算的冷却温度是1600°F。到达根据方程式3计算的TTT线图的C曲线的鼻部的时间(即，临界冷却时间)是15.6分钟。将所述钢锭在2225°F下均质化，再加热至2225°F并在径向锻造机上热加工成约14英寸直径工件，然后空气冷却。将所述空气冷却的工件再加热至2150°F并在径向锻造机上热加工成约9英寸直径工件，接着水淬火。在径向锻造操作期间的光学温度测量结果指示表面温度是约1800°F，并且随着径向锻造的工件进入水淬火槽，表面温度是约1700°F。然后将锻造和水淬火的工件再加热至1025°F并在径向锻造机上热加工成约7.25英寸直径工件，接着空气冷却。
所述7.25英寸直径工件的表面的微观结构示于图17A中，并且所述7.25英寸直径工件的中心的微观结构示于图17B中。显微照片显示，在所述工件的表面或中心处不存在σ相。在这个实施例中，具有Heat 49FJ的化学性质的工件处理通过相关温度范围，即由正好低于σ固溶线温度计算值的温度并降至冷却温度计算值所界定的温度范围，小于临界冷却时间计算值，从而避免σ相沉淀。
应理解，本说明书说明了与本发明的清楚理解相关的本发明的那些方面。为了简化本说明书，尚未呈现将为本领域的普通技术人员所显而易见并且因此不会促进对本发明的更好理解的某些方面。虽然仅有限数目的本发明的实施方案是本文有必要描述的，但本领域的普通技术人员在考虑到前述描述后，将认识到可利用对本发明的许多修改和变更。所有的对本发明的这些变更和修改旨在由前述描述和以下权利要求书所涵盖。

Claims (46)

1.一种处理工件以抑制金属间化合物的沉淀的方法，所述方法包括：
对包括奥氏体合金的工件的热机械加工和冷却中的至少一种，其中在所述工件的热机械加工和冷却中的至少一种期间，所述奥氏体合金处于跨越正好低于所述奥氏体合金的σ固溶线温度计算值的温度至冷却温度的温度范围内的温度下，持续时间不大于临界冷却时间；
其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述奥氏体合金包含至多0.2碳、至多20锰、0.1至1.0硅、14.0至28.0铬、15.0至38.0镍、2.0至9.0钼、0.1至3.0铜、0.08至0.9氮、0.1至5.0钨、0.5至5.0钴、至多1.0钛、至多0.05硼；至多0.05磷；至多0.05硫；铁；和附带杂质；
其中所述σ固溶线温度计算值是以重量百分比计的所述奥氏体合金的组成的函数并且等于1155.8-(760.4)·(镍/铁)+(1409)·(铬/铁)+(2391.6)·(钼/铁)-(288.9)·(锰/铁)-(634.8)·(钴/铁)+(107.8)·(钨/铁)；
其中所述冷却温度是以重量百分比计的所述奥氏体合金的组成的函数并且等于1290.7-(604.2)·(镍/铁)+(829.6)·(铬/铁)+(1899.6)·(钼/铁)-(635.5)·(钴/铁)+(1251.3)·(钨/铁)；并且
其中所述临界冷却时间是以重量百分比计的所述奥氏体合金的组成的函数并且等于log10 2.948+(3.631)·(镍/铁)-(4.846)·(铬/铁)-(11.157)·(钼/铁)+(3.457)·(钴/铁)-(6.74)·(钨/铁)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的热机械加工包括所述工件的锻造。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述工件的锻造包括辊锻、模锻、开坯、开式模锻、压式模锻、压力锻造、自动热锻、径向锻造和顶锻中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的热机械加工包括所述工件的径向锻造。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述临界冷却时间是在10分钟至30分钟的范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述临界冷却时间大于10分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述临界冷却时间大于30分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述工件的热机械加工和冷却中的至少一种后：
将所述工件加热至与所述σ固溶线温度计算值至少同样高的退火温度，并且将所述工件在所述退火温度下保持足以使所述工件退火的一段时间；
其中随着所述工件从所述退火温度冷却，所述奥氏体合金处于跨越正好低于所述σ固溶线温度计算值的温度至所述冷却温度的温度范围内的温度下，持续时间不大于所述临界冷却时间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中奥氏体合金包含合并重量百分比不大于0.3的铌和钽。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金包含至多0.2重量百分比的钒。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金包含至多0.1重量百分比的铝。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金包含合并重量百分比不大于0.1的铈和镧。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金包含至多0.5重量百分比的钌。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金包含至多0.6重量百分比的锆。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金包含至多60重量百分比的铁。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金包含2∶1至4∶1的钴/钨重量百分比比率。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金具有大于40的PREN16值。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金具有在40至60范围内的PREN16值。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金是非磁性的。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金具有小于1.01的磁导率值。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金具有至少110ksi的极限抗拉强度、至少50ksi的屈服强度，和至少15％的伸长率百分比。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金具有在90ksi至150ksi范围内的极限抗拉强度、在50ksi至120ksi范围内的屈服强度，和在20％至65％范围内的伸长率百分比。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金具有在100ksi至240ksi范围内的极限抗拉强度、在110ksi至220ksi范围内的屈服强度，和在15％至30％范围内的伸长率百分比。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述奥氏体合金具有至少45℃的临界点蚀温度。
25.根据权利要求1所述的方法，其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述奥氏体合金包含：至多0.05碳；1.0至9.0锰；0.1至1.0硅；18.0至26.0铬；19.0至37.0镍；3.0至7.0钼；0.4至2.5铜；0.1至0.55氮；0.2至3.0钨；0.8至3.5钴；至多0.6钛；合并重量百分比不大于0.3的铌和钽；至多0.2钒；至多0.1铝；至多0.05硼；至多0.05磷；至多0.05硫；铁；和附带杂质。
26.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含2.0至8.0重量百分比的锰。
27.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含19.0至25.0重量百分比的铬。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含20.0至35.0重量百分比的镍。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含3.0至6.5重量百分比的钼。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含0.5至2.0重量百分比的铜。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含0.3至2.5重量百分比的钨。
32.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含1.0至3.5重量百分比的钴。
33.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含0.2至0.5重量百分比的氮。
34.根据权利要求27所述的方法，其中所述奥氏体合金包含20至50重量百分比的铁。
35.根据权利要求1所述的方法，其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述奥氏体合金包含：至多0.05碳；2.0至8.0锰；0.1至0.5硅；19.0至25.0铬；20.0至35.0镍；3.0至6.5钼；0.5至2.0铜；0.2至0.5氮；0.3至2.5钨；1.0至3.5钴；至多0.6钛；合并重量百分比不大于0.3的铌和钽；至多0.2钒；至多0.1铝；至多0.05硼；至多0.05磷；至多0.05硫；铁；痕量元素；和附带杂质。
36.根据权利要求37所述的方法，其中所述奥氏体合金包含2.0至6.0重量百分比的锰。
37.根据权利要求37所述的方法，其中所述奥氏体合金包含20.0至22.0重量百分比的铬。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述奥氏体合金包含6.0至6.5重量百分比的钼。
39.根据权利要求37所述的方法，其中所述奥氏体合金包含40至45重量百分比的铁。
40.一种处理奥氏体合金工件以抑制金属间化合物的沉淀的方法，所述方法包括：
锻造所述工件；
冷却所述锻造的工件；和
任选地，将所述冷却的工件退火；
其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述奥氏体合金包含：至多0.2碳、至多20锰、0.1至1.0硅、14.0至28.0铬、15.0至38.0镍、2.0至9.0钼、0.1至3.0铜、0.08至0.9氮、0.1至5.0钨、0.5至5.0钴、至多1.0钛、至多0.05硼；至多0.05磷；至多0.05硫；铁和附带杂质；
其中在锻造所述工件和冷却所述锻造的工件期间，所述奥氏体合金冷却通过跨越正好低于所述奥氏体合金的σ固溶线温度计算值的温度至冷却温度的温度范围，持续时间不大于临界冷却时间；
其中所述σ固溶线温度计算值是以重量百分比计的所述奥氏体合金的组成的函数并且等于1155.8-(760.4)·(镍/铁)+(1409)·(铬/铁)+(2391.6)·(钼/铁)-(288.9)·(锰/铁)-(634.8)·(钴/铁)+(107.8)·(钨/铁)；
其中所述冷却温度是以重量百分比计的所述奥氏体合金的组成的函数并且等于1290.7-(604.2)·(镍/铁)+(829.6)·(铬/铁)+(1899.6)·(钼/铁)-(635.5)·(钴/铁)+(1251.3)·(钨/铁)；并且
其中所述临界冷却时间是以重量百分比计的所述奥氏体合金的组成的函数并且等于log102.948+(3.631)·(镍/铁)-(4.846)·(铬/铁)-(11.157)·(钼/铁)+(3.457)·(钴/铁)-(6.74)·(钨/铁)。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述工件的锻造完全发生在大于所述σ固溶线温度计算值的温度下。
42.根据权利要求40所述的方法，其中所述工件的锻造通过所述σ固溶线温度计算值发生。
43.根据权利要求40所述的方法，其中所述工件的锻造包括辊锻、模锻、开坯、开式模锻、压式模锻、压力锻造、自动热锻、径向锻造和顶锻中的至少一种。
44.根据权利要求1所述的方法，其中所述临界冷却时间是在10分钟至30分钟的范围内。
45.根据权利要求1所述的方法，其中所述临界冷却时间大于10分钟。
46.根据权利要求1所述的方法，其中所述临界冷却时间大于30分钟。
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