CN113365766B - 用于闸阀、球阀、阀杆和阀座的高温低摩擦无钴涂覆系统 - Google Patents

用于闸阀、球阀、阀杆和阀座的高温低摩擦无钴涂覆系统 Download PDF

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Abstract

制造装置的方法包括热喷涂在不包含钴但包含镍、铜或镍‑钴合金的原料中的碳化钨，所述方法改善在海水和微咸水环境中用于高负载应用的底涂层的韧性、抗腐蚀和防污性质。另外，无钴材料降低了材料成本并减少了对钴的全球需求。提供硅掺杂DLC的外涂层显著降低了高应力应用中常见DLC失效(如“蛋壳”)的外涂层脆性。因此，可以在高应力应用中定制高硬度、低摩擦应用。

Description

用于闸阀、球阀、阀杆和阀座的高温低摩擦无钴涂覆系统
相关申请的优先权
本申请要求2018年12月19日提交的美国临时申请号62/781,960的优先权，其公开内容以引用的方式整体结合到本文中。
背景技术
1. 技术领域
本公开的实施方案一般涉及无钴合金，其可以用作用于堆焊方法(如用于承载表面)的有效原料。具体地，本公开的实施方案涉及无钴合金，其可以用作涂覆闸阀、球阀、阀杆和阀座中的承载表面的有效原料。
2. 相关领域
磨蚀性和侵蚀性磨损是在涉及介质磨损表面的应用中操作者的主要关注点。出现严重磨损的应用通常利用高硬度的材料来抵抗由于磨损风险所导致的材料失效。用于保护组件不受由相对表面施加的压力所导致的磨损的材料可以包含作为硬质沉淀物的碳化物和/或硼化物，其抵抗磨损并增加材料的整体硬度。这些材料通常通过各种焊接方法作为涂层施加(称为堆焊)，或直接铸造成部件。例如，可以通过热喷涂施加具有钴基体的碳化钨，随后通过化学气相沉积(CVD)施加类金刚石涂层(DLC)外涂层。
操作者的另一个关注点是腐蚀。出现严重腐蚀的应用通常利用具有高铬含量的软镍基或不锈钢型材料。在这些类型的应用中，在覆层中不可以存在裂纹，因为裂纹可能导致下面的基础材料的腐蚀。
发明内容
本公开的示例性实施方案包括在一些实施方案中在无钴基体(如镍基体、铜基体或镍-铜基体)中的碳化钨或其他碳化物。当用于形成底涂层时，这样的基体改善底涂层的耐腐蚀和防污性质。这样的无钴材料具有比钴低的材料成本，并且减少了至少部分地由于世界钴供给的一大部分来自冲突地区的来源问题。
因此，需要用不存在钴基体的成本和环境问题缺点的另一种基体代替钴基体。在示例性实施方案中，镍、铜或镍-铜合金改善底涂层的耐腐蚀和防污性质。
通常使用耐磨材料或耐腐蚀材料，因为存在很少的合金满足这两个要求。然而，现有材料可能不提供必要的使用寿命，或者可能需要添加碳化物以提供耐磨性的提高，这可能导致开裂。
聚合物涂层通常用于滑动承载表面上，包括球阀上。一些聚合物型涂层也已经用在闸阀上，但是通常尤其是在高温下承受承载能力和延展性不足的问题。热塑性聚合物涂层在高接触应力和高温下趋于蠕变或永久变形。热固型聚合物涂层不像热塑性塑料那样随温度而软化，但通常尤其是在高温下承受延展性差和粘附力更大的倾向。这些性质通常导致涂层中的裂纹和涂层从其配合表面的去除。
使用硅掺杂剂的外涂层的等离子体辅助CVD (PA-CVD)降低了外涂层的内应力，同时保持了典型的硬度和低摩擦性质。
闸阀是在需要流体的直线流动和最小流量限制时使用。当所述阀被完全打开时，闸门被拉入阀腔的相对端。闸门具有用于流过阀的开口，所述开口与其中安装阀的管道的尺寸相同。所述阀提供了无障碍通道，当完全打开时，所述无障碍通道最适合于主流体供给管线和泵管线，并且通常用于油气生产，其中压力可以在5000 psi至30,000 psi的范围内。闸阀可以具有在阀的闸门和阀座的外表面上的涂层，以减少摩擦，以及减少腐蚀和改善耐磨性。一些先前的型式在阀的闸门和阀座的表面上利用了堆焊层，如碳化钨。其他先前的型式利用气相沉积方法或化学气相沉积来涂覆阀的闸门和阀座的外表面。
耐腐蚀和耐磨涂层可以基于原料材料制备，其中所述原料材料被配置成形成在热力学平衡条件下具有特定物理化学性质的基体。
示例性实施方案包括控制井流体的设备，所述设备包括具有主体的闸阀，所述主体具有空腔和与所述空腔相交的流动通道；阀座环，所述阀座环在所述流动通道与所述空腔的相交处安装到所述主体，所述阀座环具有由钢合金形成的接合面；闸门，所述闸门在所述空腔中且具有由钢合金形成的接合面，所述接合面在打开位置与关闭位置之间移动时滑动地接合所述阀座环的所述面；硬化外层，所述硬化外层形成在所述阀座环的接合面上，所述硬化层包含在无钴基体中的碳化钨；以及在所述硬化外层上的类金刚石碳的耐摩擦涂层；其中所述硬化外层由无钴原料材料形成。
示例性实施方案包括制造阀的方法，所述方法包括将钴基体中的碳化钨热喷涂到所述阀的组件的选定的承载表面上以在所述承载表面上产生硬化层；将类金刚石碳层的低摩擦涂层施加到所述硬化层；以及将所述组件装配在所述阀中，其中所述类金刚石碳层与所述阀的接合表面滑动接合；其中所述承载表面包括所述阀的阀座环的接合面，并且所述接合表面包括所述阀的闸门的面，所述闸门在所述阀座环上跨所述接合面线性地移动。
示例性实施方案包括制造阀的方法，所述方法包括将无钴基体中的碳化钨热喷涂到阀组件的表面上以沉积硬化层；使用气相沉积方法将类金刚石碳层施加到在所述阀组件的表面上的硬化层；以及将所述阀组件装配在所述阀中，其中所述类金刚石碳层与所述阀的钢合金表面滑动接合；其中所述阀组件包括阀座环，并且所述钢合金表面包括闸门的接合面，所述闸门在所述阀座环上跨所述类金刚石碳层线性地移动。在示例性实施方案中，热喷涂包括热喷涂在基体中的碳化钨，所述基体包含镍和铜中的至少一种。
本文公开了原料材料的实施方案，所述原料材料包含，以重量%计，Ni和C：0.5-2，Cr：10-30，Mo：5.81-18.2，Nb + Ti：2.38-10，Ni：余量。
在示例性实施方案中，原料材料还可以包含，以重量%计，C：0.8-1.6，Cr：14-26，和Mo：8-16。在示例性实施方案中，原料材料还可以包含，以重量%计，C：0.84-1.56，Cr：14-26，Mo：8.4-15.6，和Nb + Ti：4.2-8.5。在示例性实施方案中，原料材料还可以包含，以重量%计，C：8.4-1.56，Cr：14-26，Mo：8.4-15.6，Nb：4.2-7.8，和Ti：0.35-0.65。在示例性实施方案中，原料材料还可以包含，以重量%计，C：1.08-1.32，Cr：13-22，Mo：10.8-13.2，和Nb：5.4-6.6。在其他示例性实施方案中，原料材料还可以包含，以重量%计，C：1.2，Cr：20，Mo：12，Nb：6，和Ti：0.5，Ni：余量。
在示例性实施方案中，原料材料是粉末。在另外的示例性实施方案中，原料材料是线材。在其他示例性实施方案中，原料材料是线材和粉末的组合。在另外的示例性实施方案中，原料材料可以是或包括适合被热喷涂，例如经由附聚和烧结方法制造的其他形式的材料。本文还公开了由如本文公开的原料材料形成的堆焊层的实施方案。
在示例性实施方案中，堆焊层可以包含镍基体，所述镍基体包含具有1,000或更大的维氏硬度、总计5摩尔%或更大的镍的硬质相，组合总量20重量%或更大的铬和钼，总计占总硬质相分数的50摩尔%或更大的孤立过共晶硬质相，0.33至3的WC/Cr3C2比率，小于250mm3的ASTM G65A磨损损失以及650或更大的维氏硬度。在其他示例性实施方案中，堆焊层可以具有750或更大的维氏硬度。在另外的示例性实施方案中，堆焊层可以表现出每平方英寸两个或更少的裂纹，具有9,000 psi或更大的粘附力，并且具有2体积%或更小的孔隙度。在其他示例性实施方案中，堆焊层可以具有0.5体积%或更小的孔隙度。在另外的实施方案中，堆焊层在约28% CaCl2电解质，pH＝9.5环境中可以具有1 mpy或更低的腐蚀速率。在其他示例性实施方案中，堆焊层在约28% CaCl2电解质，pH＝9.5环境中可以具有0.4 mpy或更低的腐蚀速率。在另外的示例性实施方案中，堆焊层根据G-59/G-61在3.5%氯化钠溶液中16小时可以具有低于0.1 mpy的腐蚀速率。在再另外的示例性实施方案中，堆焊层根据G-59/G-61在3.5%氯化钠溶液中16小时可以具有低于0.08 mpy的腐蚀速率。
在示例性实施方案中，与由Ni: BAL, X＞20重量%限定的抗腐蚀合金相比，镍基体可以具有80%或更大的基体接近度，其中X表示Cu、Cr或Mo中的至少一种。在示例性实施方案中，耐腐蚀合金选自Inconel 625、Inconel 622、Hastelloy C276、Hastelloy X和Monel400，其中Monel是具有高拉伸强度和耐腐蚀性的镍-铜合金。
在示例性实施方案中，堆焊层可以施加到液压缸、张力提升器、泥浆马达转子或油田组件应用上。
本文进一步公开了包含镍的原料材料的示例性实施方案，其中所述原料材料被配置成形成耐腐蚀基体，所述耐腐蚀基体的特征在于，在热力学平衡条件下，具有1,000或更大的维氏硬度、总计5摩尔%或更大的硬质相，以及与已知的耐腐蚀镍合金相比时，80%或更大的基体接近度。
在示例性实施方案中，已知的耐腐蚀镍合金可以由式Ni: BAL X＞20重量%表示，其中X表示Cu、Cr或Mo中的至少一种。
在示例性实施方案中，耐腐蚀基体可以是包含组合总量为20重量%或更大的铬和钼的镍基体。在示例性实施方案中，在热力学平衡条件下，耐腐蚀基体的特征可以在于具有总计占总硬质相分数的50摩尔%或更大的孤立过共晶硬质相。
在示例性实施方案中，已知的耐腐蚀镍合金可以选自Inconel 625、Inconel 622、Hastelloy C276、Hastelloy X和Monel 400。
在示例性实施方案中，原料材料可以包含，以重量%计，C：0.84-1.56，Cr：14-26，Mo：8.4-15.6，Nb：4.2-7.8，和Ti：0.35-0.65，Ni：余量。在示例性实施方案中，原料材料还可以包含B：2.5至5.7，和Cu：9.8至23。在示例性实施方案中，原料材料还可以包含Cr：7至14.5。
在示例性实施方案中，在热力学平衡条件下，耐腐蚀基体的特征可以在于具有总计50摩尔%或更大的硬质相，以及1550 K或更低的液相线温度。
在示例性实施方案中，原料材料可以包含Monel与WC或Cr3C2中的至少一种的共混物。
在示例性实施方案中，原料材料选自，以重量计，75-85% WC + 15-25% Monel、65-75% WC + 25-35% Monel、60-75% WC + 25-40% Monel、75-85% Cr3C2 + 15-25% Monel、65-75% Cr3C2 + 25-35% Monel、60-75% Cr3C2 + 25-40% Monel、75-85% WC/Cr3C2 + 15-25%Monel、65-75% WC/Cr3C2 + 25-35% Monel和60-75% WC/Cr3C2 + 25-40% Monel。在示例性实施方案中，耐腐蚀基体的WC/Cr3C2比率以体积计可以为0.2至5。
在示例性实施方案中，当由等离子体转移弧(PTA)或激光熔覆方法形成堆焊层时，堆焊层可以包括小于250 mm3的ASTM G65A磨损损失以及每平方英寸两个或更少的裂纹。在示例性实施方案中，堆焊层可以包括不可渗透的高速氧燃料(HVOF)涂层，其在约28% CaCl2电解质，pH＝9.5环境中表现出1 mpy或更低的腐蚀速率。
在示例性实施方案中，当由HVOF热喷涂方法形成堆焊层时，堆焊层还可以包括650或更大的维氏硬度以及9,000 psi或更大的粘附力。
在示例性实施方案中，当由HVOF热喷涂方法形成堆焊层时，堆焊层可以包括750或更大的维氏硬度，以及2体积%或更小、优选0.5%或更小的孔隙度。
附图说明
在以下详细描述中，参考所提及的多个附图，通过本公开的示例性实施方案进一步描述本公开，其中在附图的若干视图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1是根据示例性实施方案的在闸门和阀座之间的至少一个界面上具有涂层的闸阀的截面图；
图2示出根据示例性实施方案的合金P82-X6的相摩尔分数相对于温度的图，其示出在不同温度下在合金中存在的相的摩尔分数；
图3示出根据示例性实施方案的合金P76-X23的相摩尔分数相对于温度的图，其示出了在不同温度下存在于合金中的相的摩尔分数；
图4显示具有硬质相、过共晶硬质相和基体的合金P82-X6的一个示例实施方案的SEM图像；
图5显示由根据实施例1参数组1的气体雾化粉末激光焊接的P82-X6的光学显微镜图像；
图6显示根据实施例2的P76-X24合金的气体雾化粉末501和所得涂层502的SEM图像；
图7显示根据示例性实施方案，由根据实施例3的WC/Cr3C2 + Ni合金的附聚和烧结粉末，具体地80重量% WC/Cr3C2 (50/50体积%)与20重量% Monel混合的共混物沉积的HVOF涂层的SEM图像。
具体实施方式
通过本公开的各个方面、实施方案和/或具体特征或子组件中的一个或多个，旨在产生如上文具体描述和下文指出的一个或多个优点。
本公开的实施方案包括但不限于堆焊/环形硬化材料、用于制造这样的堆焊/环形硬化材料的合金或粉末组合物、形成堆焊/环形硬化材料的方法、以及结合这些堆焊/环形硬化材料或被这些堆焊/环形硬化材料保护的组件或基材。
图1是根据示例性实施方案的在闸门和阀座之间的至少一个界面上具有涂层的闸阀的截面图。在图1中，闸阀11具有主体13和横向延伸穿过主体13的流动通道15。阀11还具有带有穿过其中的孔19的闸门17。处于打开位置的闸门17示于图1中。图1中示出的闸阀11是暗杆型阀，但可以替代地是明杆型阀。同样在图1中示出了环形阀座21，其具有与阀的流动通道15对准的孔23。闸阀11被显示为具有两个单独的平板的分离闸型，但是闸阀11可以替代地是单平板型。
当闸门17处于打开位置时，闸门17的孔19与阀11的流动通道15对准，从而允许流过阀。当闸门被关闭时，孔19不再与流动通道15对准。闸门17在每侧上具有与阀座21接合的接合面25。当闸门17被关闭时，流动通道15中的压力在抵靠一个阀座21的一个面25上产生相当大的负载。如果一个流动通道15处于高压之下，则闸门17向关闭位置移动或从关闭位置离开导致抵靠一个阀座21的一个面25滑动，同时施加接触力。图1中所示的闸阀11是前向作用闸阀，这意味着闸门17向下移动以关闭闸阀11。替代地，通过重新定位闸门开口的位置，闸阀11可以为反向作用闸阀。
闸阀平板或闸门17可以由耐腐蚀钢合金(如以下物质中的一种：高品质低合金钢；不锈钢；镍-铜合金钢；和Monel合金)制成。阀座21可以由相同类型的材料形成。
将外涂层施加到面25的表面和/或阀座21的表面上的方法的示例性实施方案包括等离子体辅助(PA) CVD方法，其使用硅掺杂剂来减小外涂层的内应力，同时保持典型的硬度和低摩擦性质。这减少了由于机械和热应力而导致在外涂层中裂纹的发生。
在示例性实施方案中，如本文所述的镍基合金和/或铜基合金可以用作PTA方法、包括高速激光熔覆的激光熔覆堆焊方法、和/或包括HVOF热喷涂的热喷涂方法的有效原料，但本公开不限于此。示例性实施方案包括将镍基合金和/或铜基合金制造成用于堆焊方法的带芯线材，以及使用进丝激光和短波激光焊接镍基线材和/或铜基线材和粉末的方法。
术语合金可以涵盖用于形成金属组件的粉末的化学组合物和所述粉末本身。术语合金还可以涵盖用于形成铸造组件的熔体的化学组合物或所述熔体本身。术语合金可以涵盖通过加热、烧结和/或沉积粉末形成的金属组件的组合物。术语合金还可以涵盖冷却后的金属组件的组合物。在示例性实施方案中，术语合金可以涵盖形成所公开的粉末的化学组合物和所述粉末本身。术语合金可以涵盖用于形成金属组件的原料。术语合金可以涵盖线材，所述线材包括粉末、线材组合的组合组合物、通过加热和/或沉积粉末或其他方法形成的金属组件的组合物以及金属组件。
在示例性实施方案中，可以通过本文的特定化学方法描述制造为实心或带芯线材(容纳粉末的护套)以用于焊接或用作另一方法的原料的合金。例如，所述线材可以用于热喷涂。此外，以下公开的组合物可以来自单根线材或多根线材(例如2、3、4或5根线材)的组合。
在示例性实施方案中，合金可以通过热喷涂方法来施加，以形成热喷涂涂层，例如HVOF合金。在其他示例性实施方案中，合金可以作为堆焊覆层施加。在另外的示例性实施方案中，合金可以作为热喷涂物或作为例如具有双重用途的堆焊覆层来施加。
用镍、铜或镍-铜合金代替碳化钨的钴基体可以通过改进的烧结方法来进行，以产生高质量的热喷涂粉末。另外，可以利用快速合金开发软件来针对特定涂层要求定制基体配方。更进一步，用硅掺杂DLC外涂层显著降低外涂层的内应力。在大多数高应力应用中，DLC的高内应力导致外涂层破裂和性能降低。
示例性实施方案包括用热喷涂的碳化钨产生钢和镍、铜或镍-铜合金阀承载组件(如阀门、阀球、阀座和阀杆)的方法，所述阀承载组件具有厚度范围为0.005英寸至0.025英寸的镍、铜或镍-铜合金基体基底涂层。硅掺杂DLC的随后外涂层材料。DLC的非限制性厚度为至多30微米(10-6米)的厚度，以产生高温整体的、低应力涂层，从而降低滑动摩擦，且改善在海水和/或微咸水环境中的抗腐蚀和防污。
金属合金组合物：
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：B：0-4；C：0-9.1；Cr：0-60.9；Cu：0-31；Fe：0-4.14；Mn：0-1.08；Mo：0-10.5；Nb：0-27；Si：0-1；Ti：0-24；和W：0-12。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：C：0.5-2；Cr：10-30；Mo：5-20；和Nb + Ti：2-10。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：C：0.8-1.6；Cr：14-26；Mo：8-16；和Nb + Ti：2-10。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：C：0.84-1.56；Cr：14-26；Mo：8.4-15.6；和Nb + Ti：4.2-8.5。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：C：0.84-1.56；Cr：14-26；Mo：8.4-15.6；Nb：4.2-7.8；和Ti：0.35-0.65。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：C：1.08-1.32；Cr：18-22；Mo：10.8-13.2；和Nb：5.4-6.6。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：C：0.5-2；Cr：10-30；Mo：5.81-18.2；和Nb + Ti：2.38-10。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含以下中的一种，以重量百分比(重量%)计：C：0.5，Cr：24.8，Mo：9.8，Ni：BAL；C：0.35-0.65，Cr：17.3-32.3，Mo：6.8-12.7，Ni：BAL；C：0.45-0.55，Cr：22.3-27.3，Mo：8.8-10.8，Ni：BAL；C：约0.8，Cr：约25，Mo：约14，Ni：BAL；C：0.56-1.04，Cr：17.5-32.5，Mo：9.8-18.2，Ni：BAL；C：0.7-0.9，Cr：22.5-27.5，Mo：12.6-15.4，Ni：BAL；C：约1.2，Cr：约24，Mo：约14，Ni：BAL；C：0.84-1.56，Cr：16.8-31.2，Mo：9.8-18.2，Ni：BAL；C：1.08-1.32，Cr：21.6-26.4，Mo：12.6-15.4，Ni：BAL；C：约1.2，Cr：约20，Mo：约12，Nb：约6，Ti：约0.5，Ni：BAL；C：0.84-1.56，Cr：14-26，Mo：8.4-15.6，Nb：4.2-7.8，Ti：0.35-0.65，Ni：BAL；C：1.08-1.32，Cr：18-22，Mo：10.8-13.2，Nb：5.4-6.6，Ti：0.45-0.55，Ni：BAL；C：约1.6，Cr：约18，Mo：约14，Nb：约6，Ni：BAL；C：1.12-2.08，Cr：12.6-23.4，Mo：9.8-18.2，Nb：4.2-7.8，Ni：BAL；C：1.44-1.76，Cr：16.2-19.8，Mo：12.6-15.4，Nb：5.4-6.6，Ni：BAL。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含Ni以及以重量百分比(重量%)计：C：约1.4，Cr：约16，Fe：约1.0，Mo：约10，Nb：约5，Ti：约3.8；B：约3.5，Cu：约14；B：2.45-4.55，Cu：9.8-18.2；B：3.15-3.85，Cu：12.6-15.4；B：约4.0，Cr：约10，Cu：约16；B：2.8-5.2，Cr：7-13，Cu：11.2-20.8；B：3.6-4.4，Cr：9-11，Cu：14.4-17.6；或C：约1.2，Cr：约20，Mo：约12，Nb：约6，Ti：约0.5。
在示例性实施方案中，制品(例如，如本文公开的原料的组合物)可以包含以下物质的附聚和烧结共混物，以重量百分比(重量%)计：75-85% WC + 15-25% Monel；65-75% WC+ 25-35% Monel；60-75% WC + 25-40% Monel；75-85% Cr3C2 + 15-25% Monel；65-75%Cr3C2 + 25-35% Monel；60-75% Cr3C2 + 25-40% Monel；60-85% WC + 15-40% Ni30Cu；60-85% Cr3C2 + 15-40% Ni30Cu；75-85% (50/50体积%) WC/Cr3C2 + 15-25% Monel；75-85%(50/50 vol%) WC/Cr3C2 + 25-35% Monel；75-85% WC/Cr3C2 + 15-25% Monel；75-85% WC/Cr3C2 + 25-35% Monel；或60-90%硬质相 + 10-40% Monel合金。
在上述中，硬质相是以下中的一种或多种：碳化钨(WC)和/或碳化铬(Cr3C2)。Monel为镍-铜合金，其目标组成为Ni BAL 30重量% Cu，一般化学耐受性为20-40重量% Cu，或更优选为28-34重量% Cu，具有包括但不限于C、Mn、S、Si和Fe的已知杂质。Monel不包含任何碳化物，因此本公开的示例性实施方案添加碳化物，例如碳化钨和/或碳化铬。碳化钨通常由式W: BAL, 4-8重量% C描述。在示例性实施方案中，碳化钨可以由式W: BAL, 1.5重量% C描述。
在具有60-85% WC + Ni30Cu的示例实施方案中，制品可以是，以重量百分比计：Ni：10.5-28；Cu：4.5-12；C：3.66-5.2；W：56.34-79.82。
示例性实施方案包括60-85% Cr3C2 + Ni30Cu，并且制品可以是，以重量百分比计：Ni：10.5-28；Cu：4.5-12；C：7.92-11.2；W：52.1-73.78。
因此，上述原料描述表明，碳化钨(具有简单化学式的已知合金)与Monel (如通过简单Ni30Cu式以规定比率描述)机械共混。在这整个过程中，许多颗粒粘在一起，从而形成新的“附聚”颗粒。在每种情况下，包括所述比率的附聚颗粒。
下表1列出许多实验合金，其组成以重量百分比列出。
在示例性实施方案中，P76合金可以为热喷涂合金，并且P82合金可以为堆焊合金(如PTA或激光)。然而，本公开不限于此。例如，如本文公开的任何组合物可以有效用于堆焊方法，例如等离子体转移弧(PTA)、包括高速激光熔覆的激光熔覆堆焊方法以及热喷涂方法(如高速氧燃料(HVOF)热喷涂)。
在示例性实施方案中，所公开的组合物可以为线材/粉末、涂层或其他金属组件，或两者。
所公开的合金可以结合上述元素成分至总量为100重量%。在示例性实施方案中，合金可以包含上述元素、可以限于上述元素或者可以基本上由上述元素组成。在示例性实施方案中，合金可以包含2重量%或更小、1重量%或更小、0.5重量%或更小、0.1重量%或更小或0.01重量%或更小或在这些值中的任意值之间的任意范围的杂质。杂质可以理解为由于通过在制造过程中引入而包含在原料组分中导致可以包含在合金中的元素或组合物。
此外，在上述段落中描述的所有组成中确定的Ni含量可以为组成的余量，或者，当Ni作为余量提供时，组成的余量可以包含Ni和其他元素。在示例性实施方案中，余量可以基本上由Ni组成，并且可以包含附带的杂质。
表1：以重量%计的实验镍基合金组成的列表
热力学标准：
在示例性实施方案中，合金可以由其平衡热力学标准来表征。在示例性实施方案中，合金可以表征为满足所述热力学标准中的一些。在示例性实施方案中，合金可以表征为满足所有所述热力学标准。
第一热力学标准涉及微结构中硬质颗粒的总浓度。随着硬质颗粒的摩尔分数增加，合金的整体硬度可以增加，因此耐磨性也可以增加，这对于堆焊应用可以是有利的。为了本公开的目的，硬质颗粒可以定义为表现出1000或更大的维氏硬度的相。硬质颗粒的总浓度可以定义为合金中满足或超过约1000的维氏硬度且在约1500 K时热力学稳定的所有相的总摩尔%。
在示例性实施方案中，硬质颗粒分数为3摩尔%或更大、4摩尔%或更大、5摩尔%或更大、8摩尔%或更大、10摩尔%或更大、12摩尔%或更大、15摩尔%或更大、20摩尔%或更大、30摩尔%或更大、40摩尔%或更大、50摩尔%或更大、60摩尔%或更大或这些值中的任意值之间的任意范围
在示例性实施方案中，硬质颗粒分数可以根据合金的预期方法而变化。例如，对于热喷涂合金，硬质颗粒分数可以在40摩尔%和60摩尔%之间。对于旨在通过激光、等离子转移弧或其他线材焊接应用焊接的合金，硬质颗粒相分数可以在15摩尔%和30摩尔%之间。
第二热力学标准涉及在合金中形成的过共晶硬质相的量。过共晶硬质相是在高于合金的共晶点的温度下开始形成的硬质相。这些合金的共晶点是面心立方(FCC)基体开始形成的温度。
在示例性实施方案中，过共晶硬质相总计占合金中存在的总硬质相的40摩尔%或更大、45摩尔%或更大、50摩尔%或更大、60摩尔%或更大、70摩尔%或更大、75摩尔%或更大、或80摩尔%或更大或在这些值中的任意值之间的任意范围内。
第三热力学标准涉及合金的耐腐蚀性。镍基合金的耐腐蚀性可以随着FCC基体中存在的铬和/或钼的更高重量百分比而增加。所述第三热力学标准测量在约1500 K下FCC基体中的铬和钼的总重量%。
在示例性实施方案中，基体中铬和钼的总重量百分比(重量%)为15重量%或更大、18重量%或更大、20重量%或更大、23重量%或更大、25重量%或更大、27重量%或更大、30重量%或更大或这些值中的任意值之间的任意范围。
第四热力学标准涉及合金的基体化学。在示例性实施方案中，可能是有益的是保持与已知合金(如Monel 400)类似的基体化学性质。在示例性实施方案中，为了保持与已知合金类似的基体化学性质，将1300 K下的合金的基体化学性质与已知合金的基体化学性质进行比较。这种比较被称为基体接近度。例如，Monel Cr: 28-34，Ni: BAL。
在示例性实施方案中，所述基体接近度为上述合金的50%或更大、55%或更大、60%或更大、70%或更大、80%或更大、85%或更大、90%或更大。可以以例如能量色散光谱(EDS)的多种方式确定基体接近度。
下面的等式可以用于计算建模的合金基体与已知耐腐蚀性的合金的相似性或接近度。100%的值意味着在所比较的元素之间的精确匹配。
rn是第n种元素在参比合金中的百分比；
xn是第n种元素在所建模的合金的基体中的计算的百分比；
∑rn是所比较的元素的总百分比；
m是用于比较的溶质元素的数目。
第五热力学标准涉及合金的液相线温度，其可以帮助确定合金对于气体雾化制造方法的适合性。液相线温度是合金仍为100%液体的最低温度。较低的液相线温度通常对应于对气体雾化方法的提高的适合性。在示例性实施方案中，合金的液相线温度可以为1850K或更低。在示例性实施方案中，合金的液相线温度可以为1600 K或更低。在示例性实施方案中，合金的液相线温度可以为1450 K或更低。
合金P82-X6的热力学行为显示在图2中。所述图描绘了一种材料，所述材料在镍基体103中沉淀过共晶FCC碳化物101，其在1500 K下大于5%。101描绘了作为温度的函数的FCC碳化物部分，其形成孤立过共晶相。102指明在1300 K下的总硬质相含量，除M6C碳化物之外，其还包含FCC碳化物。因此，过共晶硬质相占合金的总硬质相的50%以上。103指明合金的基体，其为FCC_L12镍基体。当与Inconel 625相比时，合金103的基体接近度大于60%。
M6C型碳化物也在较低温度下沉淀，在1300 K下形成约15摩尔%的总碳化物含量(12.6% FCC碳化物，2.4% M6C碳化物)。FCC碳化物代表合金中的孤立碳化物，并在合金中形成总碳化物的大部分(＞50%)。箭头具体指向这样的点，在所述点处，FCC_L12基体的组成被挖掘以插入到基体接近度方程中。如所述实施例中所描绘，所有硬质相的体积分数都超过5摩尔%，已知作为过共晶相形成的超过50%的碳化物部分形成孤立形态，剩余FCC_L12基体相与Inconel 625具有超过60%接近度。
在所述计算中，尽管在图2中未描绘，但基体组成为18重量% Cr、1重量% Fe、9重量% Mo和1重量% Ti，余量为镍。可以理解的是，P82-X6的基体化学性质与P82-X6的基体化学性质完全不同。P82-X6被设计为具有与Inconel 625相似的腐蚀性能，并且与Inconel625的基体接近度为87%。
合金P76-X23的热力学行为显示在图3中。所述图描绘在镍基体201中沉淀共晶Ni3B 203的材料。201指出合金的液相线温度，根据一个优选的实施方案，其低于1850 K。202描绘合金中硬质相的摩尔分数，在这种情况下为硼化镍(Ni3B)，其在1200 K下超过5摩尔%。203描绘基体相分数，在这种情况下，基体化学在1200 K下挖掘，并且与Monel的基体接近度超过60%。合金的液相线温度是1400 K，这使得材料非常适合于气体雾化。Ni3B在本实施例中是硬质相，并且在1300 K下以66%的摩尔分数存在。基体化学成分是33重量%的Cu，余量为镍。可以理解的是，P76-X23的基体化学与P76-X23的基体化学完全不同。P76-X23被设计为具有与Monel 400相似的腐蚀性能，并且P76-X23与Monel 400的基体接近度为100%。
显微结构标准
在示例性实施方案中，合金可以由其微观结构标准来描述。在示例性实施方案中，合金可以表征为满足所述显微结构标准中的一些。在示例性实施方案中，合金可以表征为满足所有所述的微观结构标准。
第一显微结构标准涉及硬质颗粒的总测量体积分数。为了本公开的目的，硬质颗粒可以定义为表现出1000或更大的维氏硬度的相。硬质颗粒的总浓度可以定义为合金中满足或超过1000的维氏硬度且在1500 K下热力学稳定的所有相的总摩尔%。在示例性实施方案中，合金具有至少3体积%、至少4体积%、至少5体积%、至少8体积%、至少10体积%、至少12体积%、至少15体积%的硬质颗粒、至少20体积%的硬质颗粒、至少30体积%的硬质颗粒、至少40体积%的硬质颗粒、至少50体积%或这些值中的任意值之间的任意范围的硬质颗粒。
在示例性实施方案中，硬质颗粒分数可以根据合金的预期方法而变化。例如，对于热喷涂合金，硬质颗粒分数可以在40体积%和60体积%之间。对于旨在通过激光、等离子转移弧或其他线材焊接应用焊接的合金，硬质颗粒相分数可以在15体积%和30体积%之间。
第二显微结构标准涉及合金中过共晶孤立硬质相的分数。如本文所用，孤立包括其中具体的孤立相(例如球形或部分球形的颗粒)保持不与其他硬质相连接的实施方案。例如，孤立相可以以100%被基体相包围。这可能与棒状相形成对比，所述棒状相可以形成充当低韧性“桥”的长针，允许裂纹贯穿微结构。
为了降低合金的裂纹敏感性，可能是有益的是形成孤立的过共晶相而不是连续的晶界相。在示例性实施方案中，孤立的过共晶硬质相总共占合金中存在的总硬质相分数的40体积%或更大，45体积%或更大，50体积%或更大，60体积%或更大，70体积%或更大，75体积%或更大，或80体积%或更大或在这些值的任意值之间的任意范围内。
第三显微结构标准涉及合金中提高的耐腐蚀性。为了提高镍基合金的耐腐蚀性，可能是有益的是在基体中具有高总重量%的铬和钼。在示例性实施方案中，经由EDS测量的在基体中铬和钼的总含量可以为15重量%或更高、18重量%或更高、20重量%或更高、23重量%或更高、25重量%或更高、27重量%或更高、30重量%或更高或这些值中的任意值之间的任意范围。
第四显微结构标准涉及与已知合金(如Monel)相比的合金的基体接近度。使用能量色散光谱仪(EDS)测量合金的基体化学性质。在示例性实施方案中，与已知合金的基体接近度为50%或更大、55%或更大、60%或更大、70%或更大、80%或更大、85%或更大、90%或更大或这些值中的任意值之间的任意范围。
图4显示如经由PTA焊接产生的P82-X6的显微结构的SEM图像。在这种情况下，为了实验目的，合金被制成粉末共混物。301突出了孤立的碳化铌沉淀物，其在1500 K下的体积分数大于5%，302突出了过共晶硬质相，其占合金中总硬质相的50%以上，并且303突出了基体，当与Inconel 625相比时，其基体接近度大于60%。碳化物沉淀物形成孤立形态(较大尺寸)和共晶形态(较小尺寸)的组合，两者都有助于总的硬质相含量。在所述实施例中，孤立形态的硬质相占总碳化物分数的50体积%以上。
性能标准
在示例性实施方案中，堆焊层经由堆焊过程产生，所述堆焊过程包括但不限于PTA熔覆或激光熔覆。
在示例性实施方案中，合金可以具有许多有利的性能特性。在示例性实施方案中，合金具有以下一种或多种可能是有利的：1)高耐磨性，2)当经由激光熔覆方法或其他焊接方法焊接时裂纹最小至无裂纹，以及3)高耐腐蚀性。堆焊合金的耐磨性可以使用ASTM G65A干砂磨损测试来量化。材料的抗裂性可以使用对合金的染色渗透测试来量化。合金的耐腐蚀性可以使用ASTM G48、G59和G61测试来量化。所有列出的ASTM测试以引用的方式整体结合到本文中。
在示例性实施方案中，堆焊层可以具有小于250 mm3、小于100 mm3、小于30 mm3或小于20 mm3的ASTM G65A磨损损失。在示例性实施方案中，堆焊层可以表现出每平方英寸5个裂纹、每平方英寸4个裂纹、每平方英寸3个裂纹、每平方英寸2个裂纹、每平方英寸1个裂纹、每平方英寸0个裂纹或在这些值中的任意值之间的任意范围内。在示例性实施方案中，裂纹是在表面上的线，裂纹沿着所述线分裂而不断裂成单独的部分。
在示例性实施方案中，堆焊层可以具有比已知合金大50%或更大、55%或更大、60%或更大、70%或更大、80%或更大、85%或更大、90%或更大、95%或更大、98%或更大、99%或更大、99.5%或更大或在这些值中的任意值之间的任意范围内的耐腐蚀性。在示例性实施方案中，所述合金在约28% CaCl2电解质pH＝9.5环境中可以具有1 mpy或更低的腐蚀速率。在示例性实施方案中，所述合金在约28% CaCl2电解质、pH＝9.5环境中可以具有0.6 mpy或更低的腐蚀速率。在示例性实施方案中，所述合金在约28% CaCl2电解质、pH＝9.5环境中可以具有0.4 mpy或更低的腐蚀速率。在示例性实施方案中，合金根据G-59/G-61在3.5%氯化钠溶液中16小时可以具有低于0.1 mpy的腐蚀速率。在示例性实施方案中，合金根据G-59/G-61在3.5%氯化钠溶液中16小时可以具有低于0.08 mpy的腐蚀速率。
在示例性实施方案中，堆焊层经由包括但不限于高速氧燃料(HVOF)热喷涂的热喷涂方法产生。
在示例性实施方案中，涂层的维氏硬度可以为650或更高。在示例性实施方案中，热喷涂方法的维氏硬度可以为700或更高。在示例性实施方案中，热喷涂方法的维氏硬度可以为900或更高。在示例性实施方案中，热喷涂层的粘附力可以为7,500 psi或更大。在示例性实施方案中，热喷涂涂层的粘附力可以为8,500 psi或更大。在示例性实施方案中，热喷涂涂层的粘附力可以为9,500 psi或更大。
实施例
实施例1：P82-X6的PTA焊接
将合金P82-X6气体雾化成适合PTA和/或激光熔覆的粒度分布为53-150 μm的粉末。使用两个参数组来激光熔覆合金：1) 1.8 kW激光功率和20 L/min的流速，和2) 2.2 kW激光功率和14 L/min的流速。在两种情况下，涂层如预期在镍基体402中显示出孤立的精细铌/钛碳化物沉淀401，如图5中所示。对于参数组1和2，激光熔覆的300克力维氏硬度分别为435和348。对于参数组1和2，ASTM G65测试分别损失1.58 g (209 mm3)和1.65 g (200mm3)。
实施例2：P76-X23和P76-X24的HVOF喷涂
将合金P76-X23和P76-X24气体雾化成粒度分布为15-45 μm的粉末，以适于HVOF热喷涂加工。两种粉末都形成了极细的形态，其中镍基体相和硼化镍相似乎都存在，正如通过计算模型所预测的，但是很难定量地区分和测量。如图6中所示，501是气体雾化粉末，并且502是粉末的所得涂层，除了基体和硼化镍相504 (例如，气体雾化粉末的共晶镍/硼化镍结构)之外，P76-X24合金还形成硼化铬沉淀503，如模型所预测的，为孤立的精细颗粒。505突出HVOF喷涂涂层中主要为镍/硼化镍共晶结构的区域，并且506突出涂层中含有许多硼化铬沉淀的区域。两种合金都被HVOF喷涂到200-300 μm的涂层厚度并形成致密涂层。P76-X23和P76-X24涂层的300克力维氏硬度分别为693和726。P76-X23粘附力测试导致高达9,999 psi的胶水破坏，并且P76-X24在两个测试显示75%粘附力、25%胶水破坏，达到9,576 psi和9,999 psi。ASTM G65A (从ASTM G65B测试转化而来)测试显示P76-X24损失87 mm3。ASTMG65A测试使用6,000转，程序B使用2,000转，并且通常用于薄涂层，例如热喷涂涂层。
P76-X24在约28% CaCl2电解质，pH＝9.5中测试，导致测量的腐蚀速率为0.4 mpy。相比之下，在类似环境中，开裂的硬铬表现出1.06 mpy的速率。硬铬用作需要耐腐蚀性和耐磨性两者的各种应用的相关涂层。在示例性实施方案中，HVOF涂层形式的合金在约28%CaCl2电解质，pH＝9.5环境中产生1 mpy或更低的腐蚀速率。在示例性实施方案中，HVOF涂层形式的合金在约28% CaCl2电解质，pH＝9.5环境中产生0.6 mpy或更小的腐蚀速率。在示例性实施方案中，HVOF涂层形式的合金在约28% CaCl2电解质，pH＝9.5环境中产生0.4 mpy或更小的腐蚀速率。在示例性实施方案中，HVOF涂层形式的合金在每次ECP (电化学电势)测试中产生非渗透性涂层。
实施例3：WC/Cr3C2、Ni合金基体共混物的HVOF喷涂。
将80重量% WC/Cr3C2 (50/50体积%)与20重量% Monel混合的共混物附聚并烧结成15-45 μm，以适于热喷涂加工。HVOF涂层，如图7中所示，具有946的300克力维氏硬度，形成测量孔隙度为0.43%的致密涂层。HVOF涂层产生约12 mm3的ASTM G65A质量损失。图7示出根据实施例3的WC/Cr3C2 + Ni合金的附聚和烧结粉末的SEM图像，所述粉末具体地为80重量%WC/Cr3C2 (50/50体积%)与20重量% Monel混合的共混物。
实施例4：P82-X13、P82-X14、P82-X15、P82-X18、P82-X19与Inconel 625相比的焊接研究
进行焊接研究，与Inconel 625相比，评估具有不同碳化物含量和形态的几种合金。研究中的所有合金都旨在形成类似于Inconel 625的基体，其通过基体接近度来量化，100%等同于完全类似于Inconel 625本体组合物的基体。所有合金都被激光焊接为三个重叠层以测试抗裂性。类似地，通过等离子转移电弧焊产生每种合金的两层焊缝，以测试裂纹和其他性质。
表1：所有微观结构的比较
合金名称 GB硬质相 Iso硬质相 基体接近度
Inconel 625 0% 0% 100%
P82-X13 10.50% 0% 100%
P82-X14 20.10% 0% 99%
P82-X15 30.40% 0% 84%
P82-X18 9.90% 8.10% 98%
P82-X19 20.00% 8.00% 98%
P82-X18代表本公开的示例实施方案，在本研究结束时产生有利的结果。P82-X18在PTA和激光两种方法中都比Inconel 625硬得多。尽管硬度增加，但在激光或PTA熔覆试样中没有明显的裂纹。在两种方法中P82-X18与Inconel 625相比都表现出改善的耐磨性。对于所有测试合金，硬度增加的一般趋势是真实的，如在
表2中证明。然而，增加的硬度并非在所有情况下都产生增加的耐磨性。P82-X13、P82-X14和P82-X15都表现出比Inconel 625高的磨损率，尽管其更硬且含有碳化物。这个结果证明与总碳化物分数和合金硬度相比发现的有利碳化物形态。
合金P82-X18满足本公开的示例性实施方案的热力学、显微结构和性能标准。预计P82-X18在研究的和工业相关的焊接方法中形成8.1摩尔%的孤立碳化物并形成8-12摩尔%的孤立碳化物。预计所述合金也形成9.9摩尔%的晶界硬质相，并且实际上形成10体积%或更小的晶界硬质相。孤立碳化物含量超过合金中总碳化物含量的40%。这种提高的孤立碳化物分数比率提供超过单独的总碳化物分数可预期的耐磨性的增强。
表2：测试合金显微硬度值的比较
硬度HV1 Inco 625 X13 X14 X15 X18 X19
Ingot 217 252 303 311 333 360
PTAW 236 309 342 376 375 394
LASER 282 338 370 424 389 438
表3：测试合金的磨损性能，ASTM G65 A mm3损失的比较
PTAW 激光
Inco 625 232
X13 259 256
X14 256 267
X15 279 266
X18 184 201
X19 203 224
经由EDS测量P82-X18的基体，其产生Cr：19-20重量%，Mo：10-12重量%，Ni：余量。因此，基体组成与典型的Inconel 625制造范围非常相似并且有些重叠，所述范围为：Cr：20-23，Mo：8-10，Nb+Ta：3.15-4.15，Ni：BAL。P82-X18在G-48氯化铁浸渍测试中测试24小时，并且与Inconel 625类似，没有显示出腐蚀。根据G-59/G-61 ASTM标准，P82-X18在3.5%氯化钠溶液中进行腐蚀测试16小时，且测量出腐蚀速率为0.075-0.078 mpy (密耳/年)。
在示例性实施方案中，根据G-59/G-61，在3.5%氯化钠溶液中测量材料达16小时得到的腐蚀速率低于0.1 mpy。在示例性实施方案中，根据G-59/G-61，在3.5%氯化钠溶液中测量材料达16小时得到的腐蚀速率低于0.08 mpy。
在示例性实施方案中，本文公开的合金(如P82-X18)可以用于替换镍或其他常用材料作为碳化物金属基体复合材料(MMC)中的金属组分。MMC类型的常见实例包括以重量计，WC 60重量%，Ni 40重量%。在所述实施例中利用P82-X18将产生如下类型的MMC：WC 60重量%，P82-X18 40重量%。可以使用各种碳化物比率和碳化物类型。
实施例5：P82-X18的HVOF喷雾研究
使用氢燃料HVOF方法热喷涂P82-X18。所得涂层具有10,000 psi的粘附强度、700HV300维氏硬度和0.856的ASTM G65B质量损失(10.4.6 g/mm3体积损失)。
实施例6：30% Ni-Cu附聚和烧结材料的HVOF喷涂研究
根据以下配方经由附聚和烧结方法制造两种粉末：1) 65-75% WC/Cr3C2 + 25-35%Ni-Cu合金和2) 65-75% Cr3C2+ 25-35% Ni-Cu合金。为了澄清第一共混物，附聚和烧结颗粒的总体积分数的65-75%是碳化物，其余是Ni-Cu金属合金。颗粒的碳化物含量本身由WC和Cr3C2碳化物两种类型的组合构成。在示例性实施方案中，WC/Cr3C2比率以体积计为0至100。在示例性实施方案中，WC/Cr3C2比率以体积计为0.33至3。在示例性实施方案中，WC/Cr3C2比率以体积计为0.25至5。在示例性实施方案中，WC/Cr3C2比为0.67至1.5。Ni-Cu合金的组成为Cu：20-40重量%，优选Cu：25-35重量%，再优选：Cu：28-34重量%，余量为镍和其他常见杂质，每种杂质的含量低于3重量%。
经由HVOF方法喷涂两种粉末以形成涂层，然后测试涂层。由粉末1和粉末2产生的涂层在约28% CaCl2电解质，pH＝9.5溶液中的腐蚀速率分别为0.15 mpy和0.694 mpy。由粉末1和粉末2产生的涂层如经由ECP测试所测量为非渗透性的。由粉末1和粉末2产生的涂层证明在ASTM G65A中的磨损体积损失分别为11.3 mm3和16.2 mm3。由粉末1和粉末2产生的涂层证明显微硬度值分别为816 HV300和677 HV300。由两种粉末产生的涂层具有超过12,500psi的粘合强度。
应用
本公开中描述的合金可以用于各种应用和工业。除了上述闸阀之外，一些非限制性的应用实例还包括：露天采矿、海洋、电力工业、油气和玻璃制造应用。
露天开采应用包括以下组件和用于以下组件的涂层：用于泥浆管道的耐磨套筒和/或耐磨堆焊层，包括泵壳或叶轮的泥浆泵组件或用于泥浆泵组件的堆焊层，包括趾墩的矿石进料斜槽组件或趾墩的堆焊层，包括但不限于旋转式破碎机筛、香蕉筛和振动筛的分离筛，用于自磨机和半自磨机的衬里，地面接合工具和用于地面接合工具的堆焊层，用于铲斗和翻斗卡车衬里的耐磨板，采矿铲上的垫块和用于垫块的堆焊层，平地机刮板和用于平地机刮板的堆焊层，堆取料机，分级破碎机，用于采矿组件和其他粉碎组件的通用耐磨套件。
从前面的描述中，可以理解公开了本发明的镍基、铜基或镍铜基堆焊合金和使用方法。虽然已经以某种程度的特殊性描述了若干组件、技术和方面，但是很显然，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在上文描述的特定设计、构造和方法方面做出许多改变。
以下出版物以引用的方式整体结合到本文中。
美国专利8,146,889；PCT申请PCT/EP2018/071248；WO2013/129939；和US 2004/0118455。
在本公开中在单独实施方案的上下文中描述的某些特点也可以在单个实施方案中组合地实施。相反，在单个实施方案的上下文中描述的各种特点也可以在多个实施方案中单独地或以任何合适的子组合实施。此外，尽管特点可以在上文描述为以某些组合起作用，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特点在一些情况下可以从这个组合中删去，并且这个组合可以作为任何子组合或任何子组合的变型而要求保护。
此外，虽然方法可以在附图中描绘或者在说明书中以特定顺序描述，但是这类方法不需要以所示出的特定顺序或按顺序执行，并且不需要执行所有方法来实现期望的结果。未描绘或描述的其他方法可以结合在示例性方法和过程中。例如，可以在任何所描述的方法之前、之后、同时或之间执行一种或多种另外方法。另外，这些方法可以在其他实施方案中重新布置或重新排序。而且，上述实施方案中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施方案中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的组件和系统通常可以一起集成在单一产品中或者封装成多个产品。另外，其他实施方案在本公开的范围内。
除非另外特别说明，或者在所使用的上下文内以其他方式理解，否则例如“可以(can)”、“可以(could)”、“可能(might)”或“可(may)”的条件语言通常旨在表达某些实施方案包括或不包括某些特点、元件和/或步骤。因此，这类条件语言通常并非旨在暗示一个或多个实施方案以任何方式而需要特点、元件和/或步骤。
除非另外特别说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一个(种)”的连接语言在如通常表达项目、术语等所用的上下文中以其他方式理解为可以为X、Y或Z。因此，这样的连接语言通常并非旨在暗示某些实施方案需要存在X中的至少一个(种)、Y中的至少一个(种)和Z中的至少一个(种)。
本文使用的程度的语言，诸如本文所使用的术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”表示接近所述值、量或特性的值、量或特性，这些值、量或特性仍然执行所需功能或实现所需结果。例如，术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”可以指在所述量的小于或等于10%内、小于或等于5%内、小于或小于1%内、小于或等于0.1%内以及小于或等于0.01%内的量。如果所述量是0 (例如，没有、不具有)，则上述范围可以为特定范围，并且不在所述值的具体百分比内。例如，在小于或等于所述量的10重量/体积%内，在小于或等于5重量/体积%内，在小于或等于1重量/体积%内，在小于或等于0.1重量/体积%以及在小于或等于0.01重量/体积%内。
本文中与各种实施方案结合的任何具体特点、方面、方法、性质、特性、质量、属性、元件等的公开内容可以用于本文阐述的所有其他实施方案中。另外，将认识到，可以使用适合执行所述步骤的任何装置来实践本文中所描述的任何方法。
尽管已经详细描述了许多实施方案及其变型，但是使用它们的其他修改和方法对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，应当理解，在不背离本文的独特和创造性公开或权利要求的范围的情况下，可以对等同物进行各种应用、修改、材料和替换。
在一个实施方案中，堆焊层由原料材料形成。
在一个实施方案中，原料材料是无钴原料材料。
在一个实施方案中，无钴原料材料包含，以重量%计：Ni：余量；C：约0.8-约1.6；Cr：约14-约26；和Mo：约8-约16。
在一个实施方案中，无钴原料材料包含，以重量%计：Ni：余量；C：约0.84-约1.56；Cr：约14-约26；Mo：约8.4-约15.6；和Nb + Ti：约4.2-约8.5。
在一个实施方案中，无钴原料材料包含，以重量%计：Ni：余量；C：约1.2；Cr：约20；Mo：约12；Nb：约6；和Ti：约0.5。
在一个实施方案中，无钴原料材料是粉末。
在一个实施方案中，无钴原料材料是线材。
在一个实施方案中，无钴原料材料是线材和粉末的组合。
在一个实施方案中，原料材料包含镍；其中所述原料材料被配置以形成耐腐蚀基体，所述耐腐蚀基体的特征在于，在热力学平衡条件下，具有1,000或更大维氏硬度、总计5摩尔%或更大的硬质相，以及与已知的耐腐蚀镍合金相比时，80%或更大的基体接近度。
在一个实施方案中，已知的耐腐蚀镍合金由式Ni:BAL X＞20重量%表示，其中X表示Cu、Cr或Mo中的至少一种。
在一个实施方案中，无钴原料材料是粉末。
在一个实施方案中，粉末经由雾化方法制造。
在一个实施方案中，粉末经由附聚和烧结方法制造。
在一个实施方案中，耐腐蚀基体是镍基体，所述镍基体包含组合总量为20重量%或更大的铬和钼。
在一个实施方案中，在热力学平衡条件下，耐腐蚀基体的特征在于具有总计占总硬质相部分的50摩尔%或更大的孤立过共晶硬质相。
在一个实施方案中，已知的耐腐蚀镍包含Monel 400。
在一个实施方案中，无钴原料材料包含：Ni：余量；C：0.84-1.56；Cr：14-26；Mo：8.4-15.6；Nb：4.2-7.8；和Ti：0.35-0.65。
在一个实施方案中，无钴原料材料还包含：Ni：余量；B：约2.5至约5.7；和Cu：约9.8至约23。
在一个实施方案中，无钴原料材料还包含：Cr：约7至约14.5。
在一个实施方案中，热喷涂原料材料包含线材。
在一个实施方案中，热喷涂原料材料包含线材和粉末的组合。
在一个实施方案中，本发明包括通过涂覆硅掺杂的类金刚石涂层来降低外涂层脆性的方法，其中所述外涂层是硬的并且表现出低摩擦。
在一个实施方案中，所述装置是阀，并且所述装置的部分是闸门。
在一个实施方案中，本发明包括制造阀的方法，所述方法包括：将无钴原料中的碳化钨热喷涂到阀组件的表面上以沉积硬化层；使用气相沉积方法将类金刚石碳层施加到所述阀组件的表面上的硬化层；以及将所述阀组件装配在所述阀中，其中所述类金刚石碳层与所述阀的钢合金表面滑动接合；其中所述阀组件包括阀座环，并且所述钢合金表面包括闸门的接合面，所述闸门在所述阀座环上跨所述类金刚石碳层线性地移动。
在一个实施方案中，热喷涂包括热喷涂在原料中的碳化钨，所述原料包含镍和铜中的至少一种。

Claims (26)

1.控制井流体的设备，所述设备包括：
具有主体的闸阀，所述主体具有空腔和与所述空腔相交的流动通道；
阀座环，所述阀座环在所述流动通道与所述空腔的相交处安装到所述主体，所述阀座环具有由钢合金形成的接合面；
闸门，所述闸门在所述空腔中且具有由钢合金形成的接合面，所述闸门的接合面在打开位置与关闭位置之间移动时滑动地接合所述阀座环的接合面；
硬化层，所述硬化层形成在所述阀座环的接合面上，硬化层由无钴原料材料形成且所述硬化层包含在无钴基体中的碳化钨；以及
在所述硬化层上的类金刚石碳的耐摩擦涂层，
其中硬化层表现出每平方英寸两个或更少的裂纹，具有9,000psi或更大的粘附力，并且具有2体积％或更小的孔隙度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述无钴原料材料包含，以重量％计：
Ni：余量
C：0.5-2；
Cr：10-30；
Mo：5.81-18.2；
Nb+Ti：2.38-10。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述无钴原料材料包含，以重量％计：
Ni：余量
C：0.84-1.56；
Cr：14-26；
Mo：8.4-15.6；
Nb：4.2-7.8；和
Ti：0.35-0.65。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述无钴原料材料包含，以重量％计：
Ni：余量
C：1.08-1.32；
Cr：13-22；
Mo：10.8-13.2；和
Nb：5.4-6.6。
5.根据权利要求1所述的设备，其中硬化层的无钴基体包含镍基体，所述镍基体包含：
具有1,000或更大维氏硬度、总计5摩尔％或更大的硬质相，
组合总量为20重量％或更大的铬和钼；
总计占总硬质相的50摩尔％或更大的孤立过共晶硬质相；
0.33至3的WC/Cr3C2比率；
小于250mm3的ASTM G65A磨损损失；以及
650或更大的维氏硬度。
6.根据权利要求1所述的设备，其中硬化层具有750或更大的维氏硬度。
7.根据权利要求1所述的设备，其中硬化层具有0.5体积％或更小的孔隙度。
8.根据权利要求1所述的设备，其中硬化层在28％CaCl2电解质，pH＝9.5环境中具有1mpy或更低的腐蚀速率。
9.根据权利要求1所述的设备，其中硬化层在28％CaCl2电解质，pH＝9.5环境中具有0.4mpy或更低的腐蚀速率。
10.根据权利要求5所述的设备，其中硬化层根据ASTM G59/ASTM G61在3.5％氯化钠溶液中16小时具有低于0.1mpy的腐蚀速率。
11.根据权利要求5所述的设备，其中硬化层根据ASTM G59/ASTM G61在3.5％氯化钠溶液中16小时具有低于0.08mpy的腐蚀速率。
12.根据权利要求5所述的设备，其中与由Ni:BAL,X＞20重量％限定的耐腐蚀合金相比，所述镍基体具有80％或更大的基体接近度，其中X表示Cu、Cr或Mo中的至少一种，其中为了保持与已知合金类似的基体化学性质，将1300K下的合金的基体化学性质与已知合金的基体化学性质进行比较，这种比较被称为基体接近度。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述耐腐蚀合金包含Monel 400。
14.根据权利要求1所述的设备，其中将硬化层施加到液压缸、张力提升器、泥浆马达转子或油田组件应用上。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述无钴基体形成耐腐蚀基体，且在热力学平衡条件下，所述耐腐蚀基体具有：
总计50摩尔％或更大的硬质相；和
1550K或更低的液相线温度。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述无钴原料材料包含Monel与WC或Cr3C2中的至少一种的共混物。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述无钴原料材料选自，以重量计：
75-85％WC+15-25％Monel；
65-75％WC+25-35％Monel；
60-75％WC+25-40％Monel；
75-85％Cr3C2+15-25％Monel；
65-75％Cr3C2+25-35％Monel；
60-75％Cr3C2+25-40％Monel；
75-85％WC和Cr3C2+15-25％Monel；
65-75％WC和Cr3C2+25-35％Monel；或
60-75％WC和Cr3C2+25-40％Monel。
18.根据权利要求15所述的设备，其中所述耐腐蚀基体的WC/Cr3C2比率以体积计为0.02至5。
19.根据权利要求1所述的设备，其中当由等离子体转移弧或激光熔覆方法形成硬化层时，所述硬化层包含：
小于250mm3的ASTM G65A磨损损失；以及
每平方英寸两个或更少的裂纹。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述硬化层包括不可渗透的HVOF涂层，其在28％CaCl2电解质，pH＝9.5环境中表现出1mpy或更低的腐蚀速率。
21.根据权利要求20所述的设备，其中当由HVOF热喷涂方法形成所述硬化层时，所述硬化层还包含：
650或更大的维氏硬度；以及
9,000psi或更大的粘附力。
22.根据权利要求20所述的设备，其中当由HVOF热喷涂方法形成所述硬化层时，所述硬化层包含：
750或更大的维氏硬度；以及
2体积％或更小的孔隙度。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述孔隙度为0.5体积％或更小。
24.制造权利要求1所述的设备的方法，所述方法包括：
将无钴原料中的碳化钨热喷涂到所述闸阀的组件的选定的承载表面上以在所述承载表面上产生硬化层；
将类金刚石碳层的耐摩擦涂层施加到所述硬化层；以及
将所述组件装配在闸阀中，其中所述类金刚石碳层与所述闸阀的接合表面滑动接合；
其中所述承载表面包括所述闸阀的阀座环的接合面，并且所述接合表面包括所述闸门的面，所述闸门在所述阀座环上跨所述阀座环的接合面线性地移动。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括将润滑剂施加到类金刚石碳层。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述无钴原料为镍原料、铜原料和镍-铜原料中的至少一种。
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