JP2022130650A - ターボ機械部品の製造方法、それによって得られる部品およびそれを備えたターボ機械 - Google Patents

ターボ機械部品の製造方法、それによって得られる部品およびそれを備えたターボ機械 Download PDF

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Abstract

【課題】遠心圧縮機用の部品、特に、限定されるものではないが、他の汚染物質の有無にかかわらず炭化水素＋硫化水素を含有する油およびガスの生成および処理の分野で動作し、信頼性を高めることができ、（材料の比強度がより高い場合には）速度を上昇させ、高価な合金元素、主にニッケルを削減することによって費用対効果の高い合金を提供する圧縮機の部品が必要である。【解決手段】例えば、他の汚染物質の有無を問わない炭化水素＋硫化水素、二酸化炭素を含有する、油およびガスの生成および処理の分野におけるターボ機械およびその部品を開示する。これらの部品は、最先端のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも良好に高温での腐食および／または応力に耐えることができ、かつプレミアムニッケル基超合金と同様に挙動することができる高腐食高温耐性合金製であり、同時に、非常に改善された硬度値を示す。【選択図】図８

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、一般に、ターボ機械用の部品ならびに「油およびガス」用途のターボ機械に関する。
いくつかの実施形態は、例えば、他の汚染物質の有無を問わない炭化水素＋硫化水素、二酸化炭素を含有する油およびガスの生成および処理の分野で動作する（回転式）遠心圧縮機またはポンプ、ならびにそれらの部品に関する。これらの物質は、「サワーガス」と呼ばれる。このような装置は、最先端のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも良好に腐食に耐えることができ、かつプレミアムニッケル基超合金と同様に挙動することができる高腐食耐性合金製の少なくとも１つの部品を有する。
いくつかの実施形態は、（回転式）ガスタービンまたは蒸気タービン、ならびにそれらの部品に関する。このような装置は、最先端の材料よりも良好に疲労および／またはクリープに耐えることができる高い機械的耐性を有する合金で作られた少なくとも１つの部品を有する。
圧縮機は、機械的エネルギーを使用して圧縮可能な流体（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、流体の圧縮は、シャフト上に組み立てられた１つ以上の羽根車によって行われ、ボルトでまとめて積み重ねられた１つ以上のステータ部品（ダイヤフラム）の内部の回転運動を伴う。説明したアセンブリは、通常バンドルと呼ばれる。圧縮される流体は、１つ以上の吸気ダクトを通ってバンドルに引き込まれ、圧縮された流体は、バンドルから１つ以上の送出ダクトに向かって排出される。
一般に、遠心圧縮機は、電気モータまたは内燃機関によって、動きを伝達するための継手を介して作動する。
サワーガス田で動作する遠心圧縮機は、性能の低下や圧縮機部品の早期故障の原因となり得る環境との異なるタイプの相互作用（腐食）を受ける。
サワーサービスは、湿潤硫化水素（Ｈ２Ｓ）を有する炭化水素を特徴とし、ｐＨ２Ｓは０．００３０バールよりも高い。この値は、炭素鋼および低合金鋼に有効である。ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５／ＩＳＯ １５１５６－１およびＮＡＣＥ ＭＲ０１７５／ＩＳＯ１５１５６－３には、腐食耐性合金（ＣＲＡ）の最小ｐＨ２Ｓ限度値が定義されておらず、その理由は、この限度値が溶液の酸性度（ｐＨ）の関数でもあり、値は炭素鋼および低合金鋼について定義された値よりも低くなり得るためである。
いくつかの腐食現象があり、最も関連のあるタイプとしては、
－一般的腐食－材料表面の均一な腐食
－孔食－局部的な不均一な腐食
－応力腐食割れ（ＳＣＣおよびＣＳＣＣ）
が挙げられる。
上に列挙した腐食現象は、凝縮水が存在する場合（湿性ガス）にのみ発生することが指摘されており、これは電気化学的プロセスの電解質として作用する。
炭化水素、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、および最終的に硫黄元素の存在下での塩化物（または他のハロゲン化物）を含有する湿性ガスは、上に列挙した全ての現象が起こり得る環境を表す。したがって、製品の信頼性を保証するためには、単一または複数の損傷メカニズムの組合せに対する材料の耐性が不可欠である。
上に列挙した腐食メカニズムの中で最も重要なものは、湿式Ｈ２Ｓまたは塩化物（または一般的にはハロゲン化物）のいずれかによる応力腐食割れであり、これはサービスのためのユニットが利用できなくなるためである。
一般に、このメカニズムは、腐食によって生じた水素原子が金属中に拡散することを含む。
ＳＳＣは、
・引張応力（残留応力および／または印加応力）
・Ｈ２Ｓ＋凝縮水
・ＳＳＣの損傷を受けやすい材料
の３つの条件が確認された場合にのみ発生し得る。
ハロゲン化物、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、シアン化物（ＣＮ－）などの汚染物質は触媒として働き、表面の水素原子の濃度を高め、水素分子の再結合を防ぐことによってＳＳＣをより深刻にする。
一般に、遠心圧縮機部品（羽根車、シャフト、ダイヤフラムおよびボルト）は、引張応力および湿性ガス状態に曝される。
経験に基づき、羽根車およびボルトがＳＳＣおよびＣＳＣＣを最も生じやすい部品であることが判明している。これは、他の部品よりも応力レベルが高いため、また、より高い分圧の湿性ガスが発生する圧縮機停止（加圧）中に応力が印加されたままであるためである。したがって、サワーサービス環境では、過酷な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に概略的に表すように、Ｈ２Ｓ（ｐ（Ｈ２Ｓ））、ｐＨ（主にＣＯ２の関数）および塩化物（および／または他のハロゲン化物）含量の分圧によって支配される３次元空間に基づく。
これまで、特定の環境に対して最も費用対効果の高いソリューションを選択するために種々の材料が使用されてきた。
目的のアプローチに適合する材料の背後にある複雑なルールを単純化するために、
－低ｐ（Ｈ２Ｓ）については、選択される材料の種類は、任意のｐＨ、高塩化物含量のデュプレックス合金およびスーパーデュプレックス合金である
－低～中程度のｐ（Ｈ２Ｓ）については、選択される材料の種類は、任意のｐＨおよび低塩化物の異なる種類のマルテンサイト系ステンレス鋼である
－任意のｐ（Ｈ２Ｓ）については、選択される材料の種類は、任意のｐＨおよび高塩化物ニッケル基合金である
という原則が考慮され得る。
上記のこれらの原則を３Ｄ空間で表すと、費用対効果の高い合金（すなわち、デュプレックス、スーパーデュプレックスおよびマルテンサイト系ステンレス鋼）と、新しい合金で被覆される可能性のあるプレミアムニッケル基合金との間に、大きなスペースがあることは明らかである。
したがって、遠心圧縮機用の部品、特に、限定されるものではないが、他の汚染物質の有無にかかわらず炭化水素＋硫化水素を含有する油およびガスの生成および処理の分野で動作し、信頼性を高めることができ、（材料の比強度がより高い場合には）速度を上昇させ、高価な合金元素、主にニッケルを削減することによって費用対効果の高い合金を提供する圧縮機の部品が必要である。
同様の問題は、ポンプの設計および使用条件、または一部の蒸気タービン用途（すなわち、地熱分野）において取り組む必要がある。
ガスタービンは一種の内燃機関である。ガスタービンは、下流のタービンに連結された上流の回転圧縮機と、その中間にある燃焼室とを有する。
圧縮機を通る大気の空気流は燃焼室でより高圧になり、混合され、燃料（すなわち、液体またはガス）で燃焼されてエンタルピーが増加する。この高温高圧流は膨張タービンに流入し、プロセス中に軸作用出力を生じる。タービンの軸作用は、圧縮機およびシャフトに連結され得る発電機などの他のデバイスを駆動するために使用される。
この環境は、定常条件およびサイクル条件における高温、高応力の組合せによって特徴付けられる。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、酸化および腐食に耐えるように設計されなければならない。これは、通常、高強度鋼またはニッケル基合金によって達成される。
同様の問題は、蒸気タービンの設計および使用条件において取り組む必要がある。
本発明者は、上記の目的の１つまたはいくつかまたは全てを達成しようと試みた。
国際公開第２０１５／１９７７５１号パンフレット
第１の例示的な実施形態によれば、ターボ機械部品の製造方法であって、この方法は、
組成物重量を基準として
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 ３４．０～３８．０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％
で構成され、残りはＦｅおよび不純物であり、この不純物がＳ ０．０～０．０１重量％およびＰ ０．０～０．０２５重量％を構成する合金化学組成物を
真空誘導溶解（ＶＩＭ）またはアーク電気炉を介して溶解させる工程と、
アルゴン酸素脱炭（Ａ．Ｏ．Ｄ）、真空誘導脱ガスおよび注ぎ込み（Ｖ．Ｉ．Ｄ．Ｐ）、または真空酸素脱炭（Ｖ．Ｏ．Ｄ）によって精製する工程と、
エレクトロスラグ再溶解（Ｅ．Ｓ．Ｒ）または真空アーク再溶解（ＶＡＲ）を介して再溶解させる工程と、
工程ｃ）から得られた合金を熱処理して、１０２０～１１５０℃の温度で少なくとも１回の熱サイクルにより可溶化を誘導し、その後液体またはガス媒体中で急冷する工程と、
２～２０時間６００～７７０℃の温度まで加熱し、室温で冷却することによって時効させる工程と
を含む。
第２の例示的な実施形態によれば、上記方法によって得ることができるターボ機械部品であって、この部品は、合金重量を基準として
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 ３４．０～３８．０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％
で構成され、残りはＦｅおよび不純物であり、この不純物がＳ ０．０～０．０１重量％およびＰ ０．０～０．０２５重量％を構成する化学組成を有し、
２９～３３ＨＲＣの硬度値を有する合金製である。
第３の例示的な実施形態によれば、上記で一般的に定義した少なくとも１つの部品を含むターボ機械である。
本発明は、添付図面と併せて考慮される例示的な実施形態に関する以下の説明からより明らかになるであろう。
Ｈ２Ｓ（ｐ（Ｈ２Ｓ））、ｐＨ（主にＣＯ２の関数）、および塩化物（および／または他のハロゲン化物）の分圧によって支配される３次元空間を示す図である。 遠心圧縮機の典型的な断面を示す図である。 遠心ポンプの典型的な断面を示す図である。 蒸気タービンの典型的な断面を示す図である。 ガスタービンの典型的な断面を示す図である。 実施例１の合金の相平衡対温度を示す図である。 比較となるＵＮＳ Ｎ０７７１８の相平衡対温度を示す図である。 実施例１の合金の時間温度変態曲線を示す図である。 比較となるＵＮＳ Ｎ０７７１８の時間温度変態曲線を示す図である。 実施例１の合金の硬度処理能力を示し、「ＳＴ」は短期標準偏差を意味し、「ＬＴ」は長期標準偏差を意味し、「ＵＳＬ」は上側規格限界を意味する図である。
例示的な実施形態についての以下の説明では、添付の図面を参照する。異なる図の同じ参照番号は、同一または同様の要素を示す。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
本明細書の全体を通して、「ある実施形態」または「一実施形態」への言及は、一実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体の様々な箇所における「ある実施形態において」または「一実施形態において」という表現の出現は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性を、１つ以上の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせることが可能である。
本明細書で使用される「室温」という用語は、当業者に知られているその通常の意味を有し、約１６℃（６０°Ｆ）～約３２℃（９０°Ｆ）の範囲内の温度を含み得る。
合金組成に関して、「必須元素」という用語は、合金中に存在し、かつ他の必須元素と組み合わせて上記目的の達成を可能にする元素を指す。合金中の必須元素としては、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）、ニオブ（Ｎｂ）が挙げられる。
「任意選択的な元素」という用語は、合金の必須の化学組成を規定する必須元素に加えて、場合によって存在する元素を指す。合金中の任意選択的な元素としては、コバルト（Ｃｏ）およびタングステン（Ｗ）が挙げられる。
それに対して、「不純物」または「不純物元素」という用語は、前述の目的を達成するために合金組成の設計に含まれていない元素を指す。しかしながら、この要素は、生産プロセスに依存してその存在が避けられない場合があるために、存在する場合がある。合金中の不純物には、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、ホウ素（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）、錫（Ｓｎ）、および酸素（Ｏ）が含まれる。
第１の実施形態では、ターボ機械部品の製造方法は、
組成物重量を基準として
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 ３４．０～３８．０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％
で構成され、残りはＦｅおよび不純物であり、この不純物がＳ ０．０～０．０１重量％およびＰ ０．０～０．０２５重量％を構成する合金化学組成物を
真空誘導溶解（ＶＩＭ）またはアーク電気炉を介して溶解させる工程と、
アルゴン酸素脱炭（Ａ．Ｏ．Ｄ）、真空誘導脱ガスおよび注ぎ込み（Ｖ．Ｉ．Ｄ．Ｐ）、または真空酸素脱炭（Ｖ．Ｏ．Ｄ）によって精製する工程と、
エレクトロスラグ再溶解（Ｅ．Ｓ．Ｒ）または真空アーク再溶解（ＶＡＲ）を介して再溶解させる工程と、
工程ｃ）から得られた合金を熱処理して、１０２０～１１５０℃の温度で少なくとも１回の熱サイクルにより可溶化を誘導し、その後液体またはガス媒体中で急冷する工程と、
２～２０時間６００～７７０℃の温度まで加熱し、室温で冷却することによって時効させる工程と
を含む。
このようにして、不純物の存在、その偏析および均質性が著しく低減され、同時に、合金の改善された機械的特性および腐食耐性が達成される。
特に、工程ｅ）に設定した選択された時効条件は、硬度に関して非常に有意な改善を達成する一方で、腐食耐性および応力腐食割れ耐性などの他の特性を非常に良好に保つ点で有利である。実際、以下に示すように、結果として得られるターボ機械部品は、２９－３３ＨＲＣの硬度値を達成した。
これらの硬度値は、特に硫化物の応力腐食割れ耐性に関して改善された性能を有する非常に丈夫な材料をもたらす。実際、ＣＲＡのＳＳＣ耐性は合金の硬度低下を上昇させる。記載した時効処理は、ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５／ＩＳＯ１５１５６－３に詳述されている硬度要件を狙って、高寸法の鍛造製品においても高いプロセス能力を保証する。
好ましい実施形態において、時効の工程ｅ）は、５～１０時間７２０～７６０℃の温度まで加熱し、室温で冷却することによって実施される。
いくつかの実施形態では、本方法は、工程ｄ）の前に、工程ｃ）から得られた合金を少なくとも６時間１１００℃を超える温度で均質化する工程ｄ’）をさらに含む。
他の実施形態では、本方法は、工程ｄ）の前および工程ｄ’）の後に、最小総圧延比２：１を得るために少なくとも１回の塑性変形サイクルによる熱間または冷間塑性変形の工程ｄ’’）をさらに含む。このような塑性変形サイクルには、鍛造（開または閉型）、圧延、押し出し、冷間膨張が含まれ、生の部品形状を製作するか、またはより一般的には生の部品形状をさらに機械加工して、遠心圧縮機、ポンプ、ガスタービンおよび蒸気タービン、ならびにそれらの部品を製作する。
他の実施形態では、１０２０～１１５０℃の温度で少なくとも１回の熱サイクルを通して可溶化を誘導するために熱処理する工程ｄ）は、炉内、空気下、制御された雰囲気または真空中で実施され、続いて、後続の熱処理工程のための合金元素（すなわち、銅、チタン、アルミニウム、ニオブなど）を溶液中に入れて保持するために、液体またはガス媒体中で急速冷却することができる。
他の実施形態では、合金をさらに噴霧して粉末を生成し、次いで粉末冶金によって処理する。好ましくは、「粉末冶金」という用語は、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）、金属射出成形（ＭＩＭ）、焼結、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）、またはＭＩＭで作りＨＩＰプロセスに曝露させることによって、粉末を固めることを意味する。基本的に、粉末は、ダイに供給され、所望の形状に成形される。圧縮された粉末は、その後、制御された雰囲気の炉内で、室内または高圧で焼結されるかまたは熱間静水圧処理され、粉末粒子間の冶金的結合が生じる。その後、恒温鍛造、浸透、仕上げ加工または表面処理などの任意選択的な後焼結処理を適用して、部品を完成させることができる。
第２の実施形態では、ターボ機械部品は、上述のような方法によって得ることができ、部品は、合金重量を基準として
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 ３４．０～３８．０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％
で構成され、残りはＦｅおよび不純物であり、この不純物がＳ ０．０～０．０１重量％およびＰ ０．０～０．０２５重量％を構成する化学組成を有し、２９～３３ＨＲＣの硬度値を有する合金製である。
高い腐食耐性（高温でさえも）ならびに／または疲労および／もしくはクリープに対する高い耐性により、この部品は非常に有用であり、特にターボ機械の作動流体と接触する部品において非常に有用であると同時に、非常に有利な硬度値を示す。
事実、この合金は高腐食耐性かつ高温耐性であり、したがって、最先端のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも良好に高温での腐食および／または応力に耐えることができ、ＵＮＳ Ｎ０７７１８ ｅ ＵＮＳ Ｎ００６２５の要件を満たすようなプレミアムニッケル基超合金と同様に挙動することができるが、同時に、上記のような部品製造方法によって、合金が２９～３３ＨＲＣという望ましい硬度値を達成することが可能になった。
好ましい実施形態では、合金は、高温、特に２００～２５０℃の範囲で高い腐食耐性を有する。
他の好ましい実施形態では、合金は、高温、特に４００～７００℃の範囲で、疲労および／またはクリープに対して高い耐性を有する。
好ましくは、合金は、合金重量を基準として
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％
Ｆｅ ３０重量％以上
で構成され、残りは不純物であり、この不純物がＳ ０．０～０．００１重量％およびＰ ０．０～０．０２重量％を構成する化学組成を有する。
より好ましくは、合金は、合金重量を基準として
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 ０．０１～０．４重量％
Ｆｅ ３０重量％以上
で構成され、残りは不純物であり、この不純物がＳ ０．０～０．００１重量％およびＰ ０．０～０．０１５重量％を構成する化学組成を有する。
上記合金は、有利には費用対効果の高い合金であると同時に、驚くべきことに、主としてニッケルであるがクロム、モリブデンおよびチタンなどの高価な合金化元素を少ない量で含み、機械的特性および防食特性に悪影響を及ぼすことがない。この合金はまた、高温および高圧に対する高度な耐性を示し、同じ結果で製造された部品はターボ機械、特に遠心圧縮機に有利に適している。
不純物は、Ｐ、Ｓ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｎ、Ｓｎ、Ｏまたはこれらの組合せである。
好ましくは、不純物は０．５重量％未満であり、より好ましくは０．２重量％未満である。
好ましい実施形態において、不純物は、Ｐが０．０２５重量％以下、Ｓが０．０１重量％以下、ならびにＢ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｎ、ＳｎおよびＯである。
特に好ましい実施形態では、合金は、
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 残り
で構成される化学組成を有し、
不純物は、
Ｐ ０．０１３重量％以下
Ｓ ０．０００２重量％以下
Ｂ ０．００３重量％以下
Ｂｉ ０．３ｐｐｍ以下
Ｃａ ５０ｐｐｍ以下
Ｍｇ ３０ｐｐｍ以下
Ａｇ ５ｐｐｍ以下
Ｐｂ ５ｐｐｍ以下
Ｎ １００ｐｐｍ以下
Ｓｎ ５０ｐｐｍ以下
Ｏ ５０ｐｐｍ以下
である。
いくつかの実施形態では、合金は、ＡＳＴＭ Ｅ１１２によるプレート３よりも微細な粒度を有する。
合金は、上述の化学組成、不純物のレベル、プロセス条件に起因する粒度のために、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系フェライト系）に関して、
優れた硬度特性、
一般的および局所的腐食の点で優れた防食特性、ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５による溶液Ａ方法Ａにおける優れた限界応力、より高い応力腐食割れ（ＳＣＣ）耐性、より高い塩化物応力腐食割れ（ＣＳＣＣ）耐性、硫化物応力割れ（ＳＳＣ）耐性、ガルバニック誘起水素応力割れ（ＧＨＳＣ）耐性、
室温および高温におけるより高い引張特性、
適切な靭性特性、
より高い高および低サイクル疲労特性、
より高いクリープ強度、ならびに
より高い耐酸化性および高温腐食耐性、
の特性を示し、プレミアムニッケル基超合金に匹敵することが有利である。
第３の実施形態では、ターボ機械は、上記で一般的に定義した少なくとも１つの部品を含む。
好ましい実施形態では、ターボ機械は、遠心圧縮機または遠心ポンプである。
他の好ましい実施形態では、ターボ機械は、ガスタービンまたは蒸気タービンである。
図２、図３、図４および図５は、上述した１つ以上の部品を使用することができる異なるターボ機械を示している。図２は、遠心圧縮機の典型的な断面を示し、図３は、遠心ポンプの典型的な断面を示し、図４は、蒸気タービンの典型的な断面を示し、図５は、ガスタービンの典型的な断面を示す。
合金部品について好ましいおよび有利であると特定された全ての態様は、その製造方法ならびにそれを含むターボ機械についても同様に好ましいおよび有利であるとみなされるべきであることを理解されたい。
また、上に述べたような合金部品の好ましい態様の全ての組合せ、およびその製造方法、ならびにガスタービン用途におけるそれらの使用は、本明細書に開示されているとみなされるべきであることを理解されたい。
実施例
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 残り
で構成される化学組成を有し、
不純物は、
Ｐ ０．０１３重量％以下
Ｓ ０．０００２重量％以下
Ｂ ０．００３重量％以下
Ｂｉ ０．３ｐｐｍ以下
Ｃａ ５０ｐｐｍ以下
Ｍｇ ３０ｐｐｍ以下
Ａｇ ５ｐｐｍ以下
Ｐｂ ５ｐｐｍ以下
Ｎ １００ｐｐｍ以下
Ｓｎ ５０ｐｐｍ以下
Ｏ ５０ｐｐｍ以下
である。
上記の化学組成物を真空誘導溶解（ＶＩＭ）によって溶解させ、アルゴン酸素脱炭（Ａ．Ｏ．Ｄ．）によって精製し、エレクトロスラグ再溶解（Ｅ．Ｓ．Ｒ．）による再溶解で再溶解させた。
得られた合金を少なくとも６時間１１００℃を超える温度で均質化した。
次いで、合金を２回の高温塑性変形サイクルに供した。
その後、合金を熱処理して１０２０～１１５０℃の温度で可溶化させた後、液体またはガス媒体中で急冷した。
最後に、合金を６時間約７５０℃の温度まで加熱し、室温で冷却することによって時効処理を施した。
得られた合金を試験して機械的特性および防食特性を評価した。以下の表１において、結果を公知のマルテンサイト系ステンレス鋼（略して「マルテンサイトＳＳ」）と比較した。マルテンサイト系ステンレス鋼は、１２～１８重量％のクロム含量、低ニッケルおよびマルテンサイトとして定義される結晶構造を特徴とするステンレス鋼の一種である。この種類の合金は、中～高程度の機械的特性と並みの腐食耐性を有する。
Figure 2022130650000002
表２および表３に追加で確認したＳＳＣ特性を報告する。
Figure 2022130650000003
Figure 2022130650000004
合金元素の重量パーセントは、トポロジー的に閉じた充填相（ＴＣＰ）を回避または最小化するように調整される。Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの量が多すぎると、これらの元素が豊富な金属間相の析出が促進される。一般に、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１３個の原子を含む菱面体セルを有する。
σ相は、化学量論Ａ２Ｂに基づいており、Ｃｒ２Ｒｕ、Ｃｒ６１Ｃｏ３９およびＲｅ６７Ｍｏ３３など３０個の原子を含む正方晶セルを有する。
Ｐ相、例えばＣｒ１８Ｍｏ４２Ｎｉ４０は、１セル当たり５６個の原子を含む原始的な斜方晶系である。
図６Ａ（熱力学的平衡）および７Ａ（動力学推定）に示されているように、σ相のみが熱力学的に可能であり、沈殿動力学は非常に緩慢であるため溶体化焼鈍中も時効中も起こり得ない。
この合金の化学組成は、熱間加工性ウインドウを拡大するように最適化される。これは、ニッケル含量が低く、硬化二次相（ガンマプライム）の析出温度を低下させることによって達成される。図６からわかるように、平衡時の理論的な加工可能範囲は非常に大きく、１０２０℃～１２８０℃である。この間隔は、ＵＮＳ Ｎ０７７１８（図６Ｂおよび図７Ｂ）によって提供される間隔よりも大きい。
平衡間隔は、動力学および粘弾性現象を考慮しないが、他のよく知られている市販のプレミアムニッケル基合金と比較して、この合金の挙動がどれほど優れているかを示すことができる。
実際には、この合金は９００～１２００℃の熱間成形範囲を有し、したがって、製作およびサイクル時間中の破損のリスクを低減する。
この合金は、２９～３３ＨＲＣの硬度値を有する７５０Ｍｐａの最小降伏強度を提供するような二次相硬化を提供する化学元素の組合せを有し、したがって、応力腐食特性が強化される。
事実、図８を参照すると、７５０℃で６時間３０個の合金サンプルを試験したときの、実施例１の合金の硬度処理能力が示されている。図８の図は、硬度値の平均が３０．８６ＨＲＣで得られたことを示す。
ＵＮＳ Ｎ０７７１８のようなプレミアムニッケル基合金と比較すると、硬度レベルが低下するため、機械加工性が向上する。このレベルの硬度は、ＵＮＳ Ｎ０７７１８のようなプレミアムニッケル基合金と比較すると、ターボ機械部品を時効状態で機械加工することを可能にし、生産サイクルの最適化をもたらす。図７Ａは、実施例１の合金の時間温度変態曲線を示し、図７Ｂは、比較となるＵＮＳ Ｎ０７７１８の時間温度変態曲線を示す。ＵＮＳ Ｎ０７７１８に関して提示された合金において、有害な相の析出（すなわち、デルタ相およびシグマ相）がどのように遅いかが明らかにわかる。これにより、熱処理の広い領域、不純物が少ない微細構造、脆化への低い感受性、および低靭性特性を有することができる。
この合金は、ＵＮＳ Ｎ０６６２５、ＵＮＳ Ｎ０７７２５またはＵＮＳ Ｎ０９９２５のような同種または異種のニッケル基溶加材を用いた一般的なアーク溶接方法（ＳＭＡＷおよびＧＴＡＷ）によって容易に溶接されるように設計されている。

Claims (14)

  1. ターボ機械部品の製造方法であって、前記方法が、
    ａ）組成物重量を基準として
    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 ３４．０～３８．０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％
    で構成され、残りはＦｅおよび不純物であり、前記不純物がＳ ０．０～０．０１重量％およびＰ ０．０～０．０２５重量％を構成する合金化学組成物を、
    真空誘導溶解（ＶＩＭ）またはアーク電気炉を介して溶解させるステップと、
    ｂ）アルゴン酸素脱炭（Ａ．Ｏ．Ｄ．）、真空誘導脱ガスおよび注ぎ込み（Ｖ．Ｉ．Ｄ．Ｐ．）、または真空酸素脱炭（Ｖ．Ｏ．Ｄ．）によって精製するステップと、
    ｃ）エレクトロスラグ再溶解（Ｅ．Ｓ．Ｒ．）または真空アーク再溶解（ＶＡＲ）を介して再溶解させるステップと、
    ｄ）前記ステップｃ）から得られた合金を熱処理して、１０２０～１１５０℃の温度で少なくとも１回の熱サイクルにより可溶化を誘導し、その後液体またはガス媒体中で急冷するステップと、
    ｅ）２～２０時間６００～７７０℃の温度まで加熱し、室温で冷却することによって時効させるステップと
    を含む、方法。
  2. 前記時効のステップｅ）が、５～１０時間７２０～７６０℃の温度まで加熱し、室温で冷却することによって実施される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ステップｄ）の前に、前記ステップｃ）から得られた合金を少なくとも６時間１１００℃を超える温度で均質化するステップｄ’）をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記ステップｄ）の前および前記ステップｄ’）の後に、少なくとも１回の塑性変形サイクルによる熱間または冷間塑性変形のステップｄ’’）をさらに含む、請求項３に記載の方法。
  5. 得られた合金をさらに噴霧して粉末を生成し、次いで冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）、金属射出成形（ＭＩＭ）、焼結、熱間静水圧プレス（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１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法によって得られるターボ機械部品であって、前記部品が、合金重量を基準として
    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 ３４．０～３８．０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％
    で構成され、残りはＦｅおよび不純物であり、前記不純物がＳ ０．０～０．０１重量％およびＰ ０．０～０．０２５重量％を構成する化学組成を有し、
    ２９～３３ＨＲＣの硬度値を有する合金製である、部品。
  7. 前記合金が、高温、特に２００～２５０℃の範囲で高い腐食耐性を有する、請求項６に記載の部品。
  8. 前記合金が、高温、特に４００～７００℃の範囲で、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６または７に記載の部品。
  9. 前記合金が、合金重量を基準として
    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％
    Ｆｅ ３０重量％以上
    で構成され、残りが不純物であり、前記不純物がＳ ０．０～０．００１重量％およびＰ ０．０～０．０２重量％を構成する化学組成を有する、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の部品。
  10. 前記合金が、合金重量を基準として
    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 ０．０１～０．４重量％
    Ｆｅ ３０重量％以上
    で構成され、残りが不純物であり、前記不純物がＳ ０．０～０．００１重量％およびＰ ０．０～０．０１５重量％を構成する化学組成を有する、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の部品。
  11. 前記合金が、
    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 残り
    で構成される化学組成を有し、
    不純物が、
    Ｐ ０．０１３重量％以下
    Ｓ ０．０００２重量％以下
    Ｂ ０．００３重量％以下
    Ｂｉ ０．３ ｐｐｍ以下
    Ｃａ ５０ ｐｐｍ以下
    Ｍｇ ３０ ｐｐｍ以下
    Ａｇ ５ ｐｐｍ以下
    Ｐｂ ５ ｐｐｍ以下
    Ｎ １００ ｐｐｍ以下
    Ｓｎ ５０ ｐｐｍ以下
    Ｏ ５０ ｐｐｍ以下
    である、請求項１０に記載の部品。
  12. 請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の少なくとも１つの部品を含むターボ機械。
  13. 遠心圧縮機または遠心ポンプである、請求項１２に記載のターボ機械。
  14. ガスタービンまたは蒸気タービンである、請求項１３に記載のターボ機械。
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