JP2017525842A - ターボマシンの構成要素、ターボマシン、およびその作製方法 - Google Patents

ターボマシンの構成要素、ターボマシン、およびその作製方法 Download PDF

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Abstract

例えば炭化水素に加えて硫化水素、二酸化炭素を含有し、他の不純物を含むまたは含まないオイルおよびガスを製造し処理する分野におけるターボマシン、ならびにその構成要素を開示する。前記構成要素は、現況技術のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも高温において腐食および／または応力に耐えることができ、かつ高品質ニッケル基超合金と同様に挙動することができる、高耐腐食性高耐熱性合金から作製される。【選択図】図６Ａ

Description

本明細書に開示する主題の諸実施形態は、一般に、ターボマシン用の構成要素ならびに「オイルおよびガス」用途用のターボマシンに関する。
いくつかの実施形態は、例えば炭化水素に加えて硫化水素、二酸化炭素を含有し、他の不純物を含むまたは含まないオイルおよびガスを製造し処理する分野において稼働する（ロータリー）遠心圧縮機またはポンプ、ならびにそれらの構成要素に関する。これらの材料は、「サワーガス」と呼ばれている。このような装置は、現況技術のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも腐食に耐えることができ、かつ高品質ニッケル基超合金と同様に挙動することができる、高耐腐食性合金から作製された少なくとも１つの構成要素を有する。
いくつかの実施形態は、（ロータリー）ガスタービンまたは蒸気タービン、ならびにそれらの構成要素に関する。このような装置は、現況技術の材料よりも疲労および／またはクリープに耐えることができる、高耐機械的合金から作製された少なくとも１つの構成要素を有する。
圧縮機は、機械的エネルギーを使用することにより圧縮性流体（ガス）の圧力を上昇させることができる機械である。遠心圧縮機では、ボルトで積層された１個または複数個のステータ部（ダイアフラム）の内部において回転動作する、シャフト上に組み立てられた１枚または複数枚のインペラによって流体の圧縮が行われる。記載の組立体は、通常バンドルと呼ばれる。圧縮される流体は、１個または複数個の吸気ダクトを介してバンドルに吸引され、一方、圧縮された流体は、１個または複数個の送出ダクトに向かってバンドルから吐出される。
一般に、遠心圧縮機は、動作を伝達するための連結を介して、電動機により、あるいは内燃機関により駆動される。
サワーガス分野において稼働する遠心圧縮機は、圧縮機の構成要素の性能損失および初期故障を引き起こす可能性がある環境（腐食）との様々な種類の相互作用を受ける。
サワーサービスは、ｐＨ2Ｓが０．００３０ｂａｒを超える、湿性硫化水素（Ｈ2Ｓ）を含む炭化水素を特徴とする。この値は、炭素鋼および低合金鋼にあてはまる。ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５／ＩＳＯ１５１５６−１は、耐腐食性合金（ＣＲＡ）の最小ｐＨ2Ｓ限度を定義してはいない。というのは、この限度が溶液の酸度関数（ｐＨ）でもあり、この値が炭素鋼および低合金鋼で定義した値より低くなり得るからである。
いくつかの腐食現象があるが、次の種類が最も関連するものである：
− 全面腐食−材料の表面を一様に侵蝕
− 孔食−一様でない局所的な侵蝕
− 応力腐食割れ（ＳＣＣおよびＣＳＣＣ）
上に列挙した腐食現象は、電気化学的プロセスの電解液として作用する凝縮水が存在する場合（湿性ガス）にのみ起こることを指摘しておく。
硫黄元素が最終的には存在する炭化水素、ＣＯ2、Ｈ2Ｓ、および塩化物（または他のハロゲン化物）を含有する湿性ガスは、上に列挙した現象すべてが起こり得る環境に相当する。
したがって、単独の損傷機構または複数の損傷機構の組合せに対する材料の耐性は、製品の信頼性を保証するための基礎をなすものである。
上に列挙した腐食機構中で最も重要なものは、湿性Ｈ2Ｓまたは塩化物（または一般的なハロゲン化物）のいずれかによる応力腐食割れである。というのは、応力腐食割れはサービス用設備を利用不可能にしてしまうからである。
通常、この機構は、腐食により生じた水素原子が金属中に拡散することを伴う。
ＳＳＣは、次の３つの条件が確認された場合にのみ生じ得る：
・ 引張応力（残存および／または印加）
・ Ｈ2Ｓ＋凝縮水
・ ＳＳＣ損傷を受けやすい材料
ハロゲン化物、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびシアニド（ＣＮ-）などの不純物は、触媒として作用して、表面上の水素原子の濃度を増加させ、水素分子中でのそれらの再結合を阻止することによってＳＳＣをよりひどくする。
通常、遠心圧縮機の構成要素（インペラ、シャフト、ダイアフラム、およびボルト）は、引張応力および湿性ガスに晒される。
経験に基づいて、インペラおよびボルトがＳＳＣおよびＣＳＣＣを最も受けやすい構成要素であることが分かっている。これは、湿性ガスがより高い分圧で生じる場合、応力レベルが他の構成要素よりも高く、かつ圧縮機の停止中に応力を受け続ける（加圧される）からである。したがって、サワーサービス環境のために、厳しい環境条件に耐えることができる材料を選択することが必須である。
したがって、このようなサービスのための材料選択は、図１に概略的に示すように、Ｈ2Ｓの分圧（ｐ（Ｈ2Ｓ））、ｐＨ（主としてＣＯ2の関数）、ならびに塩化物（および／または他のハロゲン化物）含有量により定められる三次元空間に基づく。
これまで、所定の環境にとって最もコスト効率の良い解決策を選択する目的で異なる材料が使用されてきた。
目的の手法に適している材料の背後にある複雑な規則を単純化するために、次の原則が考えられるであろう：
− ｐ（Ｈ2Ｓ）が低く、ｐＨが任意であり、かつ塩化物含有量が多い場合、二相および超二相（ｓｕｐｅｒｄｕｐｌｅｘ）合金が、最適な材料クラスである；
− ｐ（Ｈ2Ｓ）が低〜中であり、ｐＨが任意であり、かつ塩化物が少ない場合、異なるクラスのマルテンサイト系ステンレス鋼が、最適な材料クラスである；
− ｐ（Ｈ2Ｓ）が任意であり、ｐＨが任意であり、かつ塩化物が多い場合、ニッケル基合金が、最適な材料クラスである。
上記のこれらの原則を３Ｄ空間において表すと、コスト効率の良い合金（すなわち、二相、超二相、およびマルテンサイト系ステンレス鋼）と高品質ニッケル基合金との間に、新規な合金が対象にし得るであろう巨大な空間があることが明白である。
したがって、信頼性を向上し、速度を増大し（より高い比強度の材料を付与）、かつコスト効率の良い合金を高価な合金元素、主としてニッケルを減らすことで提供することができる、遠心圧縮機、詳細には、限定するものではないが、炭化水素に加えて硫化水素を含有し、他の不純物を含むまたは含まないオイルおよびガスを製造し処理する分野において稼働する圧縮機用の構成要素が必要とされる。
ポンプ設計およびサービス条件またはある蒸気タービン用途（すなわち地熱分野）において同様の問題に対処する必要がある。
ガスタービンは、内燃機関の一種である。これは、下流タービンに連結された上流回転圧縮機、およびそれらの中間にある燃焼チャンバを有する。
圧縮機を通った大気流れは、燃焼チャンバ中の圧力をより高くし、その燃焼チャンバでは、大気流れが、燃料（すなわち、液体またはガス）と混合かつ燃焼して、そのエンタルピーを上昇させる。この高温高圧流れは、膨張タービンに入り、プロセスにおけるシャフトの作業出力を生成する。タービンシャフトの出力は、圧縮機、およびシャフトに連結され得る発電機など他のデバイスの駆動に使用される。
この環境は、高温と安定した高応力とサイクル条件との組合せを特徴とする。このような用途の材料は、クリープ、低および高サイクル疲労、酸化、ならびに腐食に耐えられるように設計されるべきである。これは、高張力鋼またはニッケル基合金によって通常なされている。
蒸気タービン設計およびサービス条件において同様の問題に対処する必要がある。
本発明者らは、上記課題の１つまたはいくつかまたはすべてを実現しようと試みた。
ＴＳＡＰＲＡＩＬＩＳ ＡＮＤ Ｌ Ｆ ＧＡＲＦＩＡＳ−ＭＥＳＩＡＳ Ｈ： "Ｒａｐｉｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｎ Ｌａｒｇｅ Ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ Ｅｘｐｏｓｅｄ ｔｏ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ"， ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ， ＮＡＣＥ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ， ＨＯＵＳＴＯＮ， ＴＸ； ＵＳ， ＵＳ， ｖｏｌ．６７， ｎｏ．１２， Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１１（２０１１−１２）， ｐａｇｅｓ １２６００２−１， ＸＰ００１５７０９６１， ＩＳＳＮ：００１０−９３１２， ＤＯＩ：１０．５００６／１．３６６６８６１ ｔａｂｌｅｓ １−２ ｐａｇｅ １， ｃｏｌｕｍｎ ２， ｐａｒａｇｒａｐｈ ３−４
第１の例示的な実施形態によれば、ターボマシンの構成要素であって、合金重量に対して、
Ｃ ０．００５〜０．０３ｗｔ％
Ｓｉ ０．０５〜０．５ｗｔ％
Ｍｎ ０．１〜１．０ｗｔ％
Ｃｒ １９．５〜２２．５ｗｔ％
Ｎｉ ３５．０〜３７．０ｗｔ％
Ｍｏ ３．０〜５．０ｗｔ％
Ｃｕ １．０〜２．０ｗｔ％
Ｃｏ ０．０〜１．０ｗｔ％
Ａｌ ０．０１〜０．５ｗｔ％
Ｔｉ １．８〜２．５ｗｔ％
Ｎｂ ０．２〜１．０ｗｔ％
Ｗ ０．０〜１．０ｗｔ％
からなり、残りが、Ｆｅおよび不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．０１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０２５ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する合金から作製されている、構成要素がある。
第２の例示的な実施形態によれば、上記の構成要素を作製する方法であって、
ａ）真空誘導溶解法（ＶＩＭ）またはアーク電気炉によって請求項１記載の化学組成物を溶解するステップ；
ｂ）アルゴン酸素脱炭法（Ａ．Ｏ．Ｄ．）、真空誘導脱気および鋳込法（Ｖ．Ｉ．Ｄ．Ｐ）、または真空酸素脱炭法（Ｖ．Ｏ．Ｄ．）によって精錬するステップ；
ｃ）エレクトロスラグ再溶解法（Ｅ．Ｓ．Ｒ．）または真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）によって再溶解するステップ
のうち少なくとも１つを含む、方法がある。
第３の例示的な実施形態によれば、上記の一般に定義されている少なくとも１つの構成要素を含むターボマシンがある。
本発明は、添付図面と併せて考慮すべき以下の例示的な実施形態の説明からより明らかになるであろう。
Ｈ2Ｓの分圧（ｐ（Ｈ2Ｓ））、ｐＨ（主としてＣＯ2の関数）、ならびに塩化物（および／または他のハロゲン化物）含有量により定められる三次元空間を示す図である。 遠心圧縮機の代表的な断面図を示す図である。 遠心ポンプの代表的な断面図を示す図である。 蒸気タービンの代表的な断面図を示す図である。 ガスタービンの代表的な断面図を示す図である。 実施例１の合金の相平衡対温度を示す図である。 比較のＵＮＳ Ｎ０７７１８の相平衡対温度を示す図である。 実施例１の合金に関する時間温度変化曲線を示す図である。 比較のＵＮＳ Ｎ０７７１８に関する時間温度変化曲線を示す図である。
以下の例示的な実施形態の説明は、添付図面を参照されたい。異なる図中の同一参照符号は、同一または同様の要素とする。以下の詳細な説明は、本発明を制限するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
本明細書全体にわたって言及する「一（ｏｎｅまたはａｎ）実施形態」とは、一実施形態と関連して記載する特定の特徴、構造、または特性が、開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって様々な場所に句「一実施形態」が出現しても、必ずしも同一の実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方式で組み合わせることができる。
本明細書で使用する用語「室温」は、当業者に知られている通常の意味を有し、約１６℃（６０°Ｆ）〜約３２℃（９０°Ｆ）の範囲内の温度を含み得る。
合金組成物に関して、用語「必須元素」とは、合金中に存在し、かつ他の必須元素と組み合わせると、上記目的が実現できるようになる元素を指す。合金中の必須元素は、鉄（Ｆｅ）、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、およびニオブ（Ｎｂ）である。
用語「任意選択の元素」とは、合金の基本的化学組成を確定する必須元素に加えて場合により存在する元素を指す。合金中の任意選択の元素は、コバルト（Ｃｏ）およびタングステン（Ｗ）である。
代わりに、用語「不純物」または「不純物元素」とは、前述の目的に達するために合金組成を設計する際に供給されない元素を指す。しかし、前記元素は、製造プロセスによってはその存在が避けられない場合があるので、存在する可能性がある。合金中の不純物は、リン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、ボロン（Ｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、窒素（Ｎ）、スズ（Ｓｎ）、および酸素（Ｏ）を含む。
一実施形態では、ターボマシンの少なくとも１つの構成要素は、現況技術のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも高温において腐食および／または応力に耐えることができ、かつＵＮＳ Ｎ０７７１８およびＵＮＳ Ｎ００６２５の要求基準に従うような高品質ニッケル基超合金と同様に挙動することができる、高耐腐食性高耐熱性合金から作製される。前記合金は、合金重量に対して、
Ｃ ０．００５〜０．０３ｗｔ％
Ｓｉ ０．０５〜０．５ｗｔ％
Ｍｎ ０．１〜１．０ｗｔ％
Ｃｒ １９．５〜２２．５ｗｔ％
Ｎｉ ３５．０〜３７．０ｗｔ％
Ｍｏ ３．０〜５．０ｗｔ％
Ｃｕ １．０〜２．０ｗｔ％
Ｃｏ ０．０〜１．０ｗｔ％
Ａｌ ０．０１〜０．５ｗｔ％
Ｔｉ １．８〜２．５ｗｔ％
Ｎｂ ０．２〜１．０ｗｔ％
Ｗ ０．０〜１．０ｗｔ％
からなり、残りが、Ｆｅおよび不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．０１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０２５ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する。
上記の合金は、有利なことにコスト効率の良い合金であり、同時に、驚くべきことに、機械的性質および耐腐食性性質に悪影響を及ぼさずに、高価な合金元素、主にニッケル、それ以外にもクロム、モリブデン、およびチタンなどの量を減少させる。前記合金はまた、高温および高圧に対して大きな耐性を示し、その結果、この合金から作製された構成要素は、ターボマシン、特に遠心圧縮機に有利に適している。
前記不純物は、Ｐ、Ｓ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｎ、Ｓｎ、Ｏ、およびそれらの組合せである。
好ましくは、前記不純物は、０．５ｗｔ％未満、より好ましくは０．２ｗｔ％未満である。
好ましい諸実施形態では、前記不純物は、０．０２５ｗｔ％までのＰ、０．０１ｗｔ％までのＳ；Ｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｎ、Ｓｎ、およびＯである。
いくつかの実施形態では、合金は、高温、特に２００〜２５０℃の範囲において腐食に対して高い耐性を有する。
他の諸実施形態では、合金は、高温、特に４００〜７００℃の範囲において疲労および／またはクリープに対して高い耐性を有する。
好ましい諸実施形態では、合金は、合金重量に対して、
Ｃ ０．００５〜０．０３ｗｔ％
Ｓｉ ０．０５〜０．２ｗｔ％
Ｍｎ ０．１〜０．６ｗｔ％
Ｃｒ ２０．０〜２１．５ｗｔ％
Ｎｉ ３５．０〜３７．０ｗｔ％
Ｍｏ ３．５〜４．０ｗｔ％
Ｃｕ １．２〜２．０ｗｔ％
Ｃｏ ０．０〜０．２ｗｔ％
Ａｌ ０．０５〜０．４ｗｔ％
Ｔｉ １．９〜２．３ｗｔ％
Ｎｂ ０．２〜０．５ｗｔ％
Ｗ ０．０〜０．６ｗｔ％
からなり、残りが、Ｆｅ、但し、少なくとも３０ｗｔ％のＦｅ、および不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．００１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０２ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する。
より好ましい諸実施形態では、合金は、合金重量に対して、
Ｃ ０．００５〜０．０２ｗｔ％
Ｓｉ ０．０５〜０．２ｗｔ％
Ｍｎ ０．１〜０．６ｗｔ％
Ｃｒ ２０．０〜２１．５ｗｔ％
Ｎｉ ３５．０〜３７．０ｗｔ％
Ｍｏ ３．５〜４．０ｗｔ％
Ｃｕ １．２〜２．０ｗｔ％
Ｃｏ ０．０〜０．２ｗｔ％
Ａｌ ０．０５〜０．４ｗｔ％
Ｔｉ １．９〜２．３ｗｔ％
Ｎｂ ０．２〜０．５ｗｔ％
Ｗ ０．０〜０．６ｗｔ％
からなり、残りが、Ｆｅ、但し、少なくとも３０ｗｔ％のＦｅ、および不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．００１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０２ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する。
さらにより好ましい諸実施形態では、合金は、合金重量に対して、
Ｃ ０．００５〜０．０２ｗｔ％
Ｓｉ ０．０６〜０．１５ｗｔ％
Ｍｎ ０．２〜０．４ｗｔ％
Ｃｒ ２０．２〜２１．０ｗｔ％
Ｎｉ ３６．０〜３６．５ｗｔ％
Ｍｏ ３．６〜３．８ｗｔ％
Ｃｕ １．３〜１．７ｗｔ％
Ｃｏ ０．０〜０．１ｗｔ％
Ａｌ ０．１〜０．３ｗｔ％
Ｔｉ ２．０〜２．２ｗｔ％
Ｎｂ ０．２５〜０．４ｗｔ％
Ｗ ０．０〜０．４ｗｔ％
からなり、残りが、Ｆｅ、但し、少なくとも３０ｗｔ％のＦｅ、および不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．００１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０１５ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する。
最も好ましい実施形態では、合金は、以下：
Ｃ ０．０１５ｗｔ％
Ｓｉ ０．０９ｗｔ％
Ｍｎ ０．３ｗｔ％
Ｃｒ ２０．４ｗｔ％
Ｎｉ ３６．２ｗｔ％
Ｍｏ ３．７ｗｔ％
Ｃｕ １．４１ｗｔ％
Ｃｏ ０．０３ｗｔ％
Ａｌ ０．２５ｗｔ％
Ｔｉ ２．０４ｗｔ％
Ｎｂ ０．２７ｗｔ％
Ｗ ０．１ｗｔ％
Ｆｅ 残部
からなり、以下の不純物：
Ｐ ０．０１３ｗｔ％まで
Ｓ ０．０００２ｗｔ％まで
Ｂ ０．００３ｗｔ％まで
Ｂｉ ０．３ｐｐｍまで
Ｃａ ５０ｐｐｍまで
Ｍｇ ３０ｐｐｍまで
Ａｇ ５ｐｐｍまで
Ｐｂ ５ｐｐｍまで
Ｎ １００ｐｐｍまで
Ｓｎ ５０ｐｐｍまで
Ｏ ５０ｐｐｍまで
を有する、化学組成を有する。
いくつかの実施形態では、合金は、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠するプレート３より細かい粒度を有する。
上記の合金は、どのような鋳造プロセスでも得ることができる。しかし、
ａ）真空誘導溶解法（ＶＩＭ）またはアーク電気炉によって上記の化学組成物を溶解するステップ；
ｂ）アルゴン酸素脱炭法（Ａ．Ｏ．Ｄ．）、真空誘導脱気および鋳込法（Ｖ．Ｉ．Ｄ．Ｐ）、または真空酸素脱炭法（Ｖ．Ｏ．Ｄ．）によって精錬するステップ；
ｃ）エレクトロスラグ再溶解法（Ｅ．Ｓ．Ｒ．）または真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）によって再溶解するステップ
のうち少なくとも１つを含む方法によって前記合金を得ることが好ましい。
この方法では、不純物の存在、その偏析、および異質物が著しく低減され、同時に、合金の機械的特性および耐腐食性が向上する。
いくつかの実施形態では、上記記載の鋳造プロセスから得られた合金に、ステップｄ）の均質化を、高温、好ましくは１１００℃超で少なくとも６時間施す。
いくつかの実施形態では、最小総圧延比を２：１にするために、上記記載の鋳造プロセスおよび後続ステップｄ）の均質化熱処理から得られた合金に、ステップｅ）の、少なくとも１つの塑性変形サイクルによる温間または冷間塑性変形をさらに施す。このような塑性変形サイクルには、未加工の構成要素形状、またはより一般には、遠心圧縮機、ポンプ、ガスおよび蒸気タービン、ならびにその構成要素を製造するためにさらに機械加工される未加工の形状を製造する鍛造（開放または密閉ダイ）、圧延、押出し、冷間膨張が含まれる。
他の諸実施形態では、次いで、ステップｅ）から得られた合金に、ステップｆ）の、少なくとも１つの熱サイクルにより可溶化を誘起する熱処理を、好ましくは１０２０〜１１５０℃の温度で施し、これは、任意選択の後続熱処理ステップで合金元素（すなわち、銅、チタン、アルミニウム、ニオブなど）を溶液中に入れかつ維持するために、空気、制御雰囲気、または真空下で炉内で行われ、続いて、液体または気体媒体中で急速冷却され得る。
別の諸実施形態では、熱処理する前記ステップｆ）の後に時効処理するステップｇ）が続く。
好ましくは、時効処理する前記ステップｇ）は、
ｇ−１）合金を７１０〜７８０℃の温度に４〜８時間加熱するサブステップ；
ｇ−２）４０〜６０℃／時間の冷却速度で６１０〜６７０℃の温度まで冷却するサブステップ；
ｇ−３）合金を６１０〜６７０℃の温度で少なくとも６時間維持するサブステップ；および
ｇ−４）合金を空気中で室温に冷却するサブステップ
を含む。
あるいは、時効処理する前記ステップｇ）は、
ｇ−１’）合金を７８０〜８２０℃の温度に２〜８時間加熱するサブステップ；および
ｇ−２’）合金を空気中で室温に冷却するサブステップ
を含む。
上記記載の化学組成物、不純物レベル、制御塑性変形プロセスから得られた粒度、および熱処理条件のために、合金は有利なことに以下の性質を示す：
− 全体および局部腐食の点で優れている耐腐食特性、ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５に準拠する方法Ａの溶液Ａにおける限界応力、より高い応力腐食割れ（ＳＣＣ）耐性、より高い塩化物による応力腐食割れ（ＣＳＣＣ）、硫化物による応力亀裂（ＳＳＣ）、直流電気的に誘導された水素による応力亀裂（ＧＨＳＣ）；
− 室温および高温におけるより高い引張特性；
− 適切な靭性性質；
− より高い高および低サイクル疲労性質；
− より高いクリープ強度；
− より高い酸化および熱腐食耐性；
これらの性質は、ステンレス鋼（マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、およびオーステナイト−フェライト系）に対してであり、高品質ニッケル基超合金に匹敵するものである。
いくつかの実施形態では、合金をさらにアトマイズ化して粉末を生成し、次いで、粉末冶金によって処理する。好ましくは、用語「粉末冶金」とは、前記粉末が、冷間静水圧圧縮成形（ＣＩＰ）、金属射出成形（ＭＩＭ）、焼結、熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）によって強固にされるか、またはＭＩＭによって製造され、ＨＩＰプロセスを受けることを意味する。基本的に、粉末をダイに供給し、所望形状に圧縮する。次いで、加圧成形した粉末を、制御雰囲気炉において室温または高温で焼結またはＨＩＰ処理して、粉末粒子中に冶金学的結合を生成する。次いで、恒温鍛造、溶浸、仕上げ加工、または表面処理などの任意選択の焼結後操作を施して、構成要素を完成させることができる。
図２、３、４、および５は、上述のような１つまたは複数の構成要素が使用され得る様々なターボマシンを示している。図２は、遠心圧縮機の代表的な断面図を示し、図３は、遠心ポンプの代表的な断面図を示し、図４は、蒸気タービンの代表的な断面図を示し、図５は、ガスタービンの代表的な断面図を示している。
構成要素は、腐食に対するその高い耐性（高温でも）ならびに／または疲労および／もしくはクリープに対するその高い耐性のおかげで、非常に有用であり、特に、ターボマシンの作動流体と接触する構成要素に非常に有用である。
実施例
以下の組成：
Ｃ ０．０１５ｗｔ％
Ｓｉ ０．０９ｗｔ％
Ｍｎ ０．３ｗｔ％
Ｃｒ ２０．４ｗｔ％
Ｎｉ ３６．２ｗｔ％
Ｍｏ ３．７ｗｔ％
Ｃｕ １．４１ｗｔ％
Ｃｏ ０．０３ｗｔ％
Ａｌ ０．２５ｗｔ％
Ｔｉ ２．０４ｗｔ％
Ｎｂ ０．２７ｗｔ％
Ｗ ０．１ｗｔ％
Ｆｅ 残部
を有し、以下の不純物：
Ｐ ０．０１３ｗｔ％まで
Ｓ ０．０００２ｗｔ％まで
Ｂ ０．００３ｗｔ％まで
Ｂｉ ０．３ｐｐｍまで
Ｃａ ５０ｐｐｍまで
Ｍｇ ３０ｐｐｍまで
Ａｇ ５ｐｐｍまで
Ｐｂ ５ｐｐｍまで
Ｎ １００ｐｐｍまで
Ｓｎ ５０ｐｐｍまで
Ｏ ５０ｐｐｍまで
を有する、合金を調製する。
上記の化学組成物を、真空誘導溶解法（ＶＩＭ）により溶解し、アルゴン酸素脱炭法（Ａ．Ｏ．Ｄ．）により精錬し、エレクトロスラグ再溶解法（Ｅ．Ｓ．Ｒ．）により再溶解した。
得られた合金を１１００℃超の温度で少なくとも６時間均質化した。
次いで、合金に温間塑性変形を２サイクル施した。
その後、合金に熱処理を施して、１０２０〜１１５０℃の温度で可溶化を誘起し、続いて、液体または気体媒体中で急速冷却した。
機械的性質および耐腐食性性質を評価するために、得られた合金を試験した。以下の表１において、その結果を、公知のマルテンサイト系ステンレス鋼（簡潔には「マルテンサイト系ＳＳ」）と比較した。
マルテンサイト系ステンレス鋼は、主に焼戻マルテンサイトにより構成される微構造を有するステンレス鋼に分類される。マルテンサイトは、オーステナイト相を急速冷却することで形成され、急冷熱処理により達成される。従来のマルテンサイト系鋼は、０．０８〜１％の範囲の高炭素含有量、１２〜１７％の範囲のクロムを有する。他のステンレス鋼クラスと比較したこれらの主な特性は、高強度および適性な耐腐食性である。
さらに確認したＳＳＣの性質を表２および表３に報告する。
位相幾何学的最密充填相（ＴＣＰ）を回避または最小限にするために、合金元素の重量パーセントを調整する。過度な量のＣｒ、Ｍｏ、Ｗは、これらの元素に富んだ金属間相の析出を促進するであろう。概して言えば、ＴＣＰ相は、化学式ＡxＢyを有する。例えば、μ相は、理想的な化学量論Ａ6Ｂ7に基づいており、Ｗ6Ｃｏ7およびＭｏ6Ｃｏ7などの、１３個の原子を含有する菱面体晶セルを有する。
σ相は、化学量論Ａ2Ｂに基づいており、Ｃｒ2Ｒｕ、Ｃｒ61Ｃｏ39、およびＲｅ67Ｍｏ33などの、３０個の原子を含有する正方晶セルを有する。
Ｐ相、例えば、Ｃｒ18Ｍｏ42Ｎｉ40は、単純直方晶であり、１セル当たり５６個の原子を含有する。
図６Ａ（熱力学的平衡）および図７Ａ（速度論評価）に示すように、σ相だけが熱力学的に起こり得るものであり、析出速度が非常に遅いので、溶体化焼鈍中と時効中のどちらでも起こり得ない。
温間加工性期間を拡大するために、この合金の化学組成を最適化する。これは、ニッケル含有量を低くし、硬化二次相（γ’）の析出温度を下げることで実施される。図６に見られるように、平衡状態の理論上の加工性範囲はかなり広く、１０２０℃〜１２８０℃の間にある。この間隔は、ＵＮＳ Ｎ０７７１８により提供されるものより広い（図６Ｂおよび７Ｂ）。
平衡状態間隔は、速度論および粘塑性現象を考慮に入れないが、この合金が他のよく知られている市販の高品質ニッケル基合金と比較してどれくらい良好に挙動するかを提示することができる。
実際、この合金は、９００℃〜１２００℃の間の温間成形範囲を有し、したがって、製造中およびサイクル時間中の破損リスクが低減される。
合金は、硬化二次相をもたらすように、例えば、最小降伏強度が７５０Ｍｐａ、最大硬度が３４ＨＲＣになるように化学元素が組み合わされ、したがって、応力腐食性が増強される。
硬度レベルが低下すると、ＵＮＳ Ｎ０７７１８のような高品質ニッケルベース合金と比較してマシニング加工性がより良くなる。この硬度レベルのおかげで、ターボマシンの構成要素を時効状態で機械加工することが可能になり、その結果、ＵＮＳ Ｎ０７７１８のような高品質ニッケルベース合金と比較して製造サイクルが最適化される。
この合金は、ＵＮＳ Ｎ０６６２５、ＵＮＳ Ｎ０７７２５、またはＵＮＳ Ｎ０９９２５のような同族または異なるニッケル基溶加材を用いた普通のアーク溶接プロセス（ＳＭＡＷおよびＧＴＡＷ）によって容易に溶接できるように設計されている。

Claims (17)

  1. ターボマシンの構成要素であって、合金重量に対して、
    Ｃ ０．００５〜０．０３ｗｔ％
    Ｓｉ ０．０５〜０．５ｗｔ％
    Ｍｎ ０．１〜１．０ｗｔ％
    Ｃｒ １９．５〜２２．５ｗｔ％
    Ｎｉ ３５．０〜３７．０ｗｔ％
    Ｍｏ ３．０〜５．０ｗｔ％
    Ｃｕ １．０〜２．０ｗｔ％
    Ｃｏ ０．０〜１．０ｗｔ％
    Ａｌ ０．０１〜０．５ｗｔ％
    Ｔｉ １．８〜２．５ｗｔ％
    Ｎｂ ０．２〜１．０ｗｔ％
    Ｗ ０．０〜１．０ｗｔ％
    からなり、残りが、Ｆｅおよび不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．０１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０２５ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する合金から作製されている、構成要素。
  2. 前記合金が、高温、特に２００〜２５０℃の範囲において腐食に対して高い耐性を有する、請求項１記載の構成要素。
  3. 前記合金が、高温、特に４００〜７００℃の範囲において疲労および／またはクリープに対して高い耐性を有する、請求項１乃至２記載の構成要素。
  4. 前記合金が、合金重量に対して、
    Ｃ ０．００５〜０．０３ｗｔ％
    Ｓｉ ０．０５〜０．２ｗｔ％
    Ｍｎ ０．１〜０．６ｗｔ％
    Ｃｒ ２０．０〜２１．５ｗｔ％
    Ｎｉ ３５．０〜３７．０ｗｔ％
    Ｍｏ ３．５〜４．０ｗｔ％
    Ｃｕ １．２〜２．０ｗｔ％
    Ｃｏ ０．０〜０．２ｗｔ％
    Ａｌ ０．０５〜０．４ｗｔ％
    Ｔｉ １．９〜２．３ｗｔ％
    Ｎｂ ０．２〜０．５ｗｔ％
    Ｗ ０．０〜０．６ｗｔ％
    からなり、残りが、Ｆｅ、但し、少なくとも３０ｗｔ％のＦｅ、および不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．００１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０２ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する、請求項１乃至３のいずれか１項記載の構成要素。
  5. 前記合金が、合金重量に対して、
    Ｃ ０．００５〜０．０２ｗｔ％
    Ｓｉ ０．０５〜０．２ｗｔ％
    Ｍｎ ０．１〜０．６ｗｔ％
    Ｃｒ ２０．０〜２１．５ｗｔ％
    Ｎｉ ３５．０〜３７．０ｗｔ％
    Ｍｏ ３．５〜４．０ｗｔ％
    Ｃｕ １．２〜２．０ｗｔ％
    Ｃｏ ０．０〜０．２ｗｔ％
    Ａｌ ０．０５〜０．４ｗｔ％
    Ｔｉ １．９〜２．３ｗｔ％
    Ｎｂ ０．２〜０．５ｗｔ％
    Ｗ ０．０〜０．６ｗｔ％
    からなり、残りが、Ｆｅ、但し、少なくとも３０ｗｔ％のＦｅ、および不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．００１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０２ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する、請求項４記載の構成要素。
  6. 前記合金が、合金重量に対して、
    Ｃ ０．００５〜０．０２ｗｔ％
    Ｓｉ ０．０６〜０．１５ｗｔ％
    Ｍｎ ０．２〜０．４ｗｔ％
    Ｃｒ ２０．２〜２１．０ｗｔ％
    Ｎｉ ３６．０〜３６．５ｗｔ％
    Ｍｏ ３．６〜３．８ｗｔ％
    Ｃｕ １．３〜１．７ｗｔ％
    Ｃｏ ０．０〜０．１ｗｔ％
    Ａｌ ０．１〜０．３ｗｔ％
    Ｔｉ ２．０〜２．２ｗｔ％
    Ｎｂ ０．２５〜０．４ｗｔ％
    Ｗ ０．０〜０．４ｗｔ％
    からなり、残りが、Ｆｅ、但し、少なくとも３０ｗｔ％のＦｅ、および不純物であり、前記不純物が、０．０〜０．００１ｗｔ％のＳおよび０．０〜０．０１５ｗｔ％のＰを含む、化学組成を有する、請求項５記載の構成要素。
  7. 前記合金が、以下：
    Ｃ ０．０１５ｗｔ％
    Ｓｉ ０．０９ｗｔ％
    Ｍｎ ０．３ｗｔ％
    Ｃｒ ２０．４ｗｔ％
    Ｎｉ ３６．２ｗｔ％
    Ｍｏ ３．７ｗｔ％
    Ｃｕ １．４１ｗｔ％
    Ｃｏ ０．０３ｗｔ％
    Ａｌ ０．２５ｗｔ％
    Ｔｉ ２．０４ｗｔ％
    Ｎｂ ０．２７ｗｔ％
    Ｗ ０．１ｗｔ％
    Ｆｅ 残部
    からなり、以下の不純物：
    Ｐ ０．０１３ｗｔ％まで
    Ｓ ０．０００２ｗｔ％まで
    Ｂ ０．００３ｗｔ％まで
    Ｂｉ ０．３ｐｐｍまで
    Ｃａ ５０ｐｐｍまで
    Ｍｇ ３０ｐｐｍまで
    Ａｇ ５ｐｐｍまで
    Ｐｂ ５ｐｐｍまで
    Ｎ １００ｐｐｍまで
    Ｓｎ ５０ｐｐｍまで
    Ｏ ５０ｐｐｍまで
    を有する、化学組成を有する、請求項６記載の構成要素。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の合金から作製されている構成要素を作製する方法であって、
    ａ）真空誘導溶解法（ＶＩＭ）またはアーク電気炉によって請求項１乃至７のいずれか１項記載の化学組成物を溶解するステップ、
    ｂ）アルゴン酸素脱炭法（Ａ．Ｏ．Ｄ．）、真空誘導脱気および鋳込法（Ｖ．Ｉ．Ｄ．Ｐ）、または真空酸素脱炭法（Ｖ．Ｏ．Ｄ．）によって精錬するステップ、
    ｃ）エレクトロスラグ再溶解法（Ｅ．Ｓ．Ｒ．）または真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）によって再溶解するステップ
    のうち少なくとも１つを含む、方法。
  9. 前記少なくとも１つのステップから得られた合金を、１１００℃超の温度で少なくとも６時間均質化するステップｄ）をさらに含む、請求項８記載の方法。
  10. 少なくとも１つの塑性変形サイクルにより温間または冷間塑性変形するステップｅ）をさらに含む、請求項９記載の方法。
  11. 少なくとも１つの熱サイクルにより可溶化を誘起する熱処理を１０２０〜１１５０℃の温度で施し、続いて、液体またはガス媒体中で急速冷却するステップｆ）をさらに含む、請求項１０記載の方法。
  12. 時効処理するステップｇ）をさらに含む、請求項１１記載の方法。
  13. 時効処理する前記ステップｇ）が、
    ｇ−１）前記合金を７１０〜７８０℃の温度に４〜８時間加熱するサブステップ、
    ｇ−２）４０〜６０℃／時間の冷却速度で６１０〜６７０℃の温度まで冷却するサブステップ、
    ｇ−３）前記合金を６１０〜６７０℃の温度で少なくとも６時間維持するサブステップ、および
    ｇ−４）前記合金を空気中で室温に冷却するサブステップ
    を含むか、または
    ｇ−１’）前記合金を７８０〜８２０℃の温度に２〜８時間加熱するサブステップ、および
    ｇ−２’）前記合金を空気中で室温に冷却するサブステップ
    を含む、請求項１２記載の方法。
  14. 得られた合金をさらにアトマイズ化して粉末を生成し、次いで、冷間静水圧圧縮成形（ＣＩＰ）、金属射出成形（ＭＩＭ）、焼結、熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）、またはＭＩＭおよびＨＩＰプロセスから選択される粉末冶金によって処理する、請求項８乃至１３のいずれか１項記載の方法。
  15. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の少なくとも１つの構成要素を含むターボマシン。
  16. 遠心圧縮機または遠心ポンプである、請求項１５記載のターボマシン。
  17. ガスタービンまたは蒸気タービンである、請求項１５記載のターボマシン。
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