KR20230062881A - 터보 기계의 구성요소를 제조하는 프로세스, 그에 의해 획득 가능한 구성요소, 및 그를 포함하는 터보 기계 - Google Patents
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Abstract
예를 들어, 다른 오염물질들과 함께 또는 다른 오염물질들 없이, 탄화수소 + 황화수소, 이산화탄소를 함유하는, 원유 및 가스의 생산 및 처리의 분야에서의, 터보 기계, 뿐만 아니라 그들의 구성요소들이, 개시된다. 상기 구성요소들은, 종래 기술의 마르텐사이트계 스테인리스 강들보다 더 우수하게 높은 온도에서 부식 및/또는 응력에 저항할 수 있고, 고급 니켈계 초내열합금과 유사하게 거동하며, 그리고 동시에 매우 개선된 경도 값을 보이는, 높은 부식 높은 온도 저항성 합금으로 이루어진다.
Description
본 명세서에 개시되는 대상의 실시예들은, 개괄적으로, "원유 및 가스" 응용 분야들을 위한, 터보 기계들을 위한 구성요소들에 그리고 터보 기계들에 관한 것이다.
일부 실시예들은, 예를 들어, 다른 오염물질들과 함께 또는 다른 오염물질들 없이, 탄화수소 + 황화수소, 이산화탄소를 함유하는, 원유 및 가스의 생산 및 처리의 분야에서 작동하는, (회전식) 원심형 압축기들 또는 펌프들에, 뿐만 아니라 그들의 구성요소들에, 관련된다. 이러한 물질들은, "사워 가스(sour gas)"로 지칭된다. 그러한 장치들은, 종래 기술의 마르텐사이트계 스테인리스 강들보다 더 우수하게 부식에 저항할 수 있으며 그리고 고급 니켈계 초내열합금들과 유사하게 거동하는, 고 부식 저항성 합금으로 이루어진 적어도 하나의 구성요소를 구비한다.
일부 실시예들은, (회전식) 가스 터빈들 또는 증기 터빈들에, 뿐만 아니라 그들의 구성요소들에, 관련된다. 그러한 장치들은, 종래 기술의 재료들보다 더 우수하게 피로 및/또는 크리프에 저항할 수 있는, 고 기계적 저항성 합금으로 이루어진 적어도 하나의 구성요소를 구비한다.
압축기는, 기계적 에너지의 사용을 통해 압축성 유체(가스)의 압력을 높일 수 있는 기계이다. 원심형 압축기들에서, 유체의 압축은, 볼트들에 의해 함께 적층되는 하나 이상의 스테이터 부품(다이아프램) 내부에서, 회전 운동을 동반하는 샤프트 상에 조립되는 하나 이상의 임펠러에 의해 수행된다. 설명된 조립체는, 일반적으로 번들(bundle)로 지칭된다. 압축될 유체는, 하나 이상의 흡입 덕트를 통해 번들 내로 흡입되며, 이에 반하여, 압축된 유체는, 번들로부터 하나 이상의 운반 덕트를 향해 배출된다.
통상적으로, 원심형 압축기들은, 운동을 전달하기 위한 커플링을 통해, 전기 모터들에 의해 또는 그렇지 않으면 내연 기관들에 의해, 구동된다.
사워 가스 분야에서 작동하는 원심형 압축기들은, 압축기 구성요소들의 영구적 손상 및 성능의 손실을 야기할 수 있는, 상이한 유형의 주변환경과의 상호작용(부식)에 종속된다.
사워 서비스(sour service)는, 습성 황화수소(H2S)를 동반하는 탄화수소들에 의해 특징지어지고, 여기서 pH2S는, 0.0030 bar보다 높다. 이러한 값은, 탄소 및 저합금 강들에 대해 타당하다. NACE MR0175/ISO 15156-1 및 NACE MR0175/ISO 15156-3은, 마모 저항성 합금들(CRA들)에 대한 최소 pH2S 한계를 정의하지 않으며, 이는, 이러한 한계가 또한 용액의 산도(pH)의 함수이며 그리고 값들이 탄소 및 저합금 강들에 대해 정의되는 것보다 더 낮을 수 있기 때문이다.
여러 부식 현상이 존재하며, 뒤따르는 유형들이 가장 관련되는 것이다:
- 일반적 부식 - 재료의 표면에 대한 균일한 공격
- 공식 (Pitting corrosion) - 불균일한 국부적인 공격
- 응력 부식 균열(SCC 및 CSCC).
이상에 열거되는 부식 현상은 단지, 전기화학적 프로세스를 위한 전해질로서 작용하는, 응축된 물이 존재하는 경우에만(습성 가스), 일어날 수 있다는 것이, 지적된다.
궁극적으로 황 원소가 존재하는, 탄화수소들, CO2, H2S, 및 염화물들(또는 다른 할로겐화물들)을 함유하는, 습성 가스는, 이상에 열거된 모든 현상이 일어날 수 있는 환경을 나타낸다. 그에 따라, 손상 메커니즘들 중의 하나 또는 조합에 대한 재료의 저항성은, 제품들의 신뢰성을 보장하기 위해, 필수적이다.
이상에 열거된 부식 메커니즘 중에서, 가장 중요한 것은, 습성 H2S 또는 염화물들(또는 일반적으로 할로겐화물들)에 의한 응력 부식 균열이며, 이는, 응력 부식 균열이, 서비스를 위한 장치를 이용할 수 없게 만들기 때문이다.
일반적으로, 메커니즘은, 부식에 의해 생성되는 수소 원자들의, 금속 내에서의 확산을 수반한다.
SSC는, 단지 뒤따르는 3개의 조건이 확인되는 경우에만, 일어날 수 있다:
- 인장 응력(잔류 및/또는 가해진)
- H2S + 응축된 물
- SSC 손상을 입기 쉬운 재료
할로겐화물들, 비소 (As), 안티몬(Sb) 및 시안화물(CN-)과 같은, 오염물질들은, 표면 상의 수소 원자들의 농도를 증가시킴에 의해 그리고 SSC를 더욱 심각하게 만들도록 수소 분자들 내에서의 그들의 재조합을 방지함에 의해, 촉매로서 작용한다.
일반적으로, 원심형 압축기 구성요소들(임펠러들, 샤프트들, 다이아프램들 및 볼트들)은, 인장 응력 및 습성 가스 조건에 노출된다.
경험에 기초하면, 임펠러들 및 볼트들은 SSC 및 CSCC에 가장 취약한 구성요소들을 구성하는 것으로 확인된 바 있다. 이는, 응력 레벨이 다른 구성요소들에서 보다 더 높기 때문에 그리고, 습성 가스가 더 높은 분압으로 발생하는, (가압된) 압축기 정지 도중에 가해진 응력이, 잔류하기 때문이다. 따라서, 사워 서비스 환경을 위해, 엄격한 환경 조건을 견딜 수 있는 재료를 선택하는 것이, 필수적이다.
그에 따라, 그러한 서비스를 위한 재료 선택은, 도 1에 개략적으로 나타난 바와 같이, H2S(p(H2S)), pH(주로 CO2의 함수), 및 염화물들(및/또는 다른 할로겐화물들) 함량의 분압에 의해 지배되는 3차원 공간에 기초하게 된다.
지금까지, 상이한 재료들이, 특정 환경을 위한 가장 비용 효율적인 해법을 선택할 목적으로, 사용되어 왔다.
목적 접근법을 위해 적합한 재료 이면의 복잡한 규칙들을 단순화하기 위해, 뒤따르는 원리들이, 고려될 수 있다:
- 낮은 p(H2S), 임의의 pH, 및 고 염화물 함량에 대해, 듀플렉스 및 슈퍼 듀플렉스 합금이, 선택의 재료의 클래스이고;
- 낮은 내지 온건한 p(H2S), 임의의 pH, 및 저 염화물 함량에 대해, 상이한 클래스의 마르텐사이트계 스테인리스 강들이, 선택의 재료의 클래스이며;
- 임의의 p(H2S), 임의의 pH, 및 고 염화물 함량에 대해, 니켈계 합금이, 선택의 재료의 클래스이다.
3D 공간에서 이상의 이러한 원리들을 나타내면, 새로운 합금들에 의해 커버될 수 있는, 비용 효율적인 합금들(즉, 듀플렉스, 슈퍼듀플렉스 및 마르텐사이트계 스테인리스 강들)과 고급 니켈계 합금들 사이에, 거대한 공간이 존재한다는 것이, 명확하다.
따라서, 신뢰성을 개선할 수 있고, (주어진 재료의 더 높은 비강도에서) 속도를 높이며, 그리고, 고가의 합금 원소들을, 주로 니켈을, 줄임에 의해, 비용 효율적인 합금을 제공하는, 특히, 그러나 비-배제적으로, 다른 오염물질들과 함께 또는 다른 오염물질들 없이, 탄화수소 + 황화수소를 함유하는, 원유 및 가스의 생산 및 처리의 분야에서 작동하는, 압축기들에 관한, 원심형 압축기들을 위한, 구성요소들에 대한 필요성이 존재한다.
유사한 문제점들이, 펌프 설계 및 서비스 조건에서, 또는 일부 증기 터빈 적용 분야(즉, 지열 분야)에서, 해결될 필요가 있다.
가스 터빈은, 내연 기관의 하나의 유형이다. 가스 터빈은, 하류측 터빈에 결합되는 상류측 회전형 압축기, 및 이들 사이의 연소 챔버를 구비한다.
압축기를 통한 대기 유동은, 대기가, 자체의 엔탈피를 증가시키기 위해, 연료와 혼합되며 연료와 함께 연소되는 곳인, 연소 챔버 내에 더 높은 압력을 야기한다. 이러한 고온 고압 유동은, 프로세스에서의 샤프트 일 출력을 생성하도록, 팽창 터빈 내로 진입한다. 터빈 샤프트 일은, 압축기 및, 샤프트에 결합될 수 있는 전기 발전기와 같은, 다른 장치들을 구동하기 위해 사용된다.
이러한 환경은, 안정적인 조건 및 순환 조건에서, 높은 온도, 높은 응력의 조합에 의해 특징지어진다. 그러한 응용 분야를 위한 재료들은, 크리프, 저 주기 및 고 주기 피로, 산화 및 부식을 견디도록 설계되어야 한다. 이는 일반적으로, 고강도 강들 또는 니켈계 합금들에 의해 달성된다.
유사한 문제점들이, 증기 터빈 설계 및 서비스 조건들에서, 해결될 필요가 있다.
본 발명의 발명자들은, 이상의 목적들 중의 하나 또는 일부 또는 전부를 달성하기 위해 노력해 왔다.
제1 예시적 실시예에 따르면, 터보 기계의 구성요소를 제조하기 위한 프로세스로서, 뒤따르는 단계들을 포함하는 것인, 제조 프로세스가 존재한다:
뒤따르는 성분들로 구성되는 합금 화학적 조성물을 용융시키는 단계로서:
C: 0.005-0.03 중량%
Si: 0.05-0.5 중량%
Mn: 0.1-1.0 중량%
Cr: 19.5-22.5 중량%
Ni: 34.0-38.0 중량%
Mo: 3.0-5.0 중량%
Cu: 1.0-2.0 중량%
Co: 0.0-1.0 중량%
Al: 0.01-0.5 중량%
Ti: 1.8-2.5 중량%
Nb: 0.2-1.0 중량%
W: 0.0-1.0 중량%
성분들은, 조성물 중량에 기초하며, 나머지는, Fe 및 불순물들이고, 상기 불순물들은, 0.0-0.01 중량%의 S 및 0.0-0.025 중량%의 P를 포함하고,
진공 유도 용융(VIM), 또는 아크 전기로를 통해, 이루어지는 것인, 용융 단계(단계 a);
아르곤 산소 탈탄(A.O.D.), 진공 유도 가스 제거 및 주입 (V.I.D.P), 또는 진공 산소 탈탄(V.O.D.)에 의한 정련 단계(단계 b);
전기 슬래그 재용융(E.S.R.), or 진공 아크 재용융(VAR)을 통한 재용융 단계(단계 c);
1020-1150℃의 온도에서의, 적어도 하나의 히트 사이클을 통해 가용화를 유도하기 위한, 그리고 액체 또는 가스 매체 내에서의 급속 냉각이 뒤따르게 되는, 단계 c)로부터 생성되는 합금을 열처리하는 단계(단계 d); 및
2-20시간 동안 600-770℃의 온도로 가열함에 의한 그리고 실온에서 냉각시킴에 의한, 시효 단계(단계 e).
제2 예시적 실시예에 따르면, 이상의 프로세스에 의해 획득 가능한 터보 기계의 구성요소로서, 뒤따르는 성분들로 구성되는 화학적 조성물을 구비하는 합금으로 이루어지는 것인, 구성요소가 존재한다:
C: 0.005-0.03 중량%
Si: 0.05-0.5 중량%
Mn: 0.1-1.0 중량%
Cr: 19.5-22.5 중량%
Ni: 34.0-38.0 중량%
Mo: 3.0-5.0 중량%
Cu: 1.0-2.0 중량%
Co: 0.0-1.0 중량%
Al: 0.01-0.5 중량%
Ti: 1.8-2.5 중량%
Nb: 0.2-1.0 중량%
W: 0.0-1.0 중량%
성분들은, 합금 중량에 기초하며, 나머지는, Fe 및 불순물들이고, 상기 불순물들은, 0.0-0.01 중량%의 S 및 0.0-0.025 중량%의 P를 포함하며, 그리고
합금은, 29-33HRC의 경도 값을 갖는다.
제3 예시적 실시예에 따르면, 개략적으로 이상에 한정되는 바와 같은 적어도 하나의 구성요소를 포함하는 터보 기계가 존재한다.
본 발명은, 첨부 도면과 함께 고려될 예시적 실시예들에 대한 뒤따르는 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다:
도 1은, H2S(p(H2S)), pH(주로 CO2의 함수), 및 염화물들(및/또는 다른 할로겐화물들) 함량의 분압에 의해 지배되는 3차원 공간을 도시하고;
도 2는 원심형 압축기의 전형적인 단면도를 도시하며;
도 3은 원심형 펌프의 전형적인 단면도를 도시하고;
도 4는 증기 터빈의 전형적인 단면도를 도시하며;
도 5는 가스 터빈의 전형적인 단면도를 도시하고;
도 6a는 예 1의 합금의 상 평형 대 온도를 도시하며, 그리고 도 6b는 비교예 UNS N07718의 상 평형 대 온도를 도시하며;
도 7a는 예 1의 합금에 대한 시간 온도 변환 곡선들을 도시하며, 그리고 도 7b는 비교예 UNS N07718에 대한 시간 온도 변환 곡선을 도시하며; 그리고
도 8은 예 1의 합금에 대한 경도 처리 능력을 도시하고, 여기서 'ST'는 단기 표준 편차를 의미하고, 'LT'는 장기 표준 편차를 의미하며, 그리고 'USL'은 사양 상한을 의미한다.
도 1은, H2S(p(H2S)), pH(주로 CO2의 함수), 및 염화물들(및/또는 다른 할로겐화물들) 함량의 분압에 의해 지배되는 3차원 공간을 도시하고;
도 2는 원심형 압축기의 전형적인 단면도를 도시하며;
도 3은 원심형 펌프의 전형적인 단면도를 도시하고;
도 4는 증기 터빈의 전형적인 단면도를 도시하며;
도 5는 가스 터빈의 전형적인 단면도를 도시하고;
도 6a는 예 1의 합금의 상 평형 대 온도를 도시하며, 그리고 도 6b는 비교예 UNS N07718의 상 평형 대 온도를 도시하며;
도 7a는 예 1의 합금에 대한 시간 온도 변환 곡선들을 도시하며, 그리고 도 7b는 비교예 UNS N07718에 대한 시간 온도 변환 곡선을 도시하며; 그리고
도 8은 예 1의 합금에 대한 경도 처리 능력을 도시하고, 여기서 'ST'는 단기 표준 편차를 의미하고, 'LT'는 장기 표준 편차를 의미하며, 그리고 'USL'은 사양 상한을 의미한다.
대표적인 실시예들에 대한 뒤따르는 설명은, 첨부 도면들을 참조한다. 상이한 도면들에서, 동일한 참조 부호들이 동일한 또는 유사한 요소들을 식별한다. 뒤따르는 상세한 설명은, 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부 특허청구범위에 의해 한정된다.
"일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 개소들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구들의 출현은, 반드시 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특정적 구성들, 구조들 또는 특성들이, 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "실온"은, 당업자에게 공지되는 바와 같은, 자체의 통상적인 의미를 가지며, 그리고 약 16℃(60℉) 내지 약 32℃(90℉)의 범위 이내의 온도들을 포함할 수 있을 것이다.
합금 조성에 관하여, 용어 "필수적 원소"는, 합금 내에 존재하는 그리고, 다른 필수적 원소와 조합으로, 이상의 목적을 달성하도록 허용하는, 원소를 지칭한다. 합금 내의 필수적 원소들은, 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 및 니오븀(Nb)이다.
용어 "선택적 원소"는, 합금의 본질적인 화학적 조성을 한정하는 필수적 원소들에 부가하여 존재할 수 있는, 원소를 지칭한다. 합금 내의 선택적 원소들은, 코발트(Co), 및 텅스텐(W)이다.
용어 "불순물" 또는 "불순물 원소"는 대신에, 상기한 목적에 도달하기 위한 합금 조성의 설계에서 제공되지 않는 원소를 지칭한다. 그러나, 상기 원소는, 제조 프로세스에 의존하여, 그의 존재가 회피 가능하지 않을 수 있기 때문에, 존재할 수 있을 것이다. 합금 내의 불순물들은, 인(P), 황(S), 붕소(B), 비스무트(Bi), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 납(Pb), 질소(N), 주석(Sn), 및 산소(O)를 포함한다.
제1 실시예에서, 터보 기계의 구성요소를 제조하기 위한 프로세스가, 뒤따르는 단계들을 포함한다:
뒤따르는 성분들로 구성되는 합금 화학적 조성물을 용융시키는 단계로서:
C: 0.005-0.03 중량%
Si: 0.05-0.5 중량%
Mn: 0.1-1.0 중량%
Cr: 19.5-22.5 중량%
Ni: 34.0-38.0 중량%
Mo: 3.0-5.0 중량%
Cu: 1.0-2.0 중량%
Co: 0.0-1.0 중량%
Al: 0.01-0.5 중량%
Ti: 1.8-2.5 중량%
Nb: 0.2-1.0 중량%
W: 0.0-1.0 중량%
성분들은, 조성물 중량에 기초하며, 나머지는, Fe 및 불순물들이고, 상기 불순물들은, 0.0-0.01 중량%의 S 및 0.0-0.025 중량%의 P를 포함하고,
진공 유도 용융(VIM), 또는 아크 전기로를 통해, 이루어지는 것인, 용융 단계(단계 a);
아르곤 산소 탈탄(A.O.D.), 진공 유도 가스 제거 및 주입 (V.I.D.P), 또는 진공 산소 탈탄(V.O.D.)에 의한 정련 단계(단계 b);
전기 슬래그 재용융(E.S.R.), or 진공 아크 재용융(VAR)을 통한 재용융 단계(단계 c);
1020-1150℃의 온도에서의, 적어도 하나의 히트 사이클을 통해 가용화를 유도하기 위한, 그리고 액체 또는 가스 매체 내에서의 급속 냉각이 뒤따르게 되는, 단계 c)로부터 생성되는 합금을 열처리하는 단계(단계 d); 및
2-20시간 동안 600-770℃의 온도로 가열함에 의한 그리고 실온에서 냉각시킴에 의한, 시효 단계(단계 e).
이러한 방식으로, 불순물들의 존재, 그들의 편석(segregation) 및 불균일성이, 상당히 감소되며 그리고 동시에, 합금의 개선된 기계적 특성 및 부식 저항성이 달성된다.
특히, 단계 e)에서 설정되는 바와 같은 선택된 시효 조건들은, 유리하게 부식 저항성 및 응력 부식 균열 저항성과 같은 다른 특성들을 매우 우수하게 유지하는 가운데, 경도의 관점에서 매우 상당한 개선을 달성하도록 허용한다. 실제로, 아래에 나타나는 바와 같이, 터보 기계의 결과적으로 생성되는 구성요소는, 29-33HRC의 경도 값을 달성했다.
이러한 경도 값들은, 특히 황화물 응력 부식 균열 저항성의 관점에서 개선된 성능을 갖는, 매우 강인한 재료로 이어진다. 실제로, CRA들의 SSC 저항성은 증가하여, 합금의 경도를 낮추도록 한다. 설명된 시효 처리는, NACE MR0175/ISO15156-3에 상세히 설명되는 경도 요건을 목표로 하는, 심지어 고 차원 단조 제품들을 처리함에 있어서도, 높은 프로세스 능력을 보장한다.
바람직한 실시예에서, 단계 e)는, 5-10 시간 동안 720-760℃의 온도로 가열함에 의해 그리고 실온에서 냉각시킴에 의해, 실행된다.
일부 실시예에서, 프로세스는, 상기 단계 d) 이전에, 적어도 6 시간 동안 1100℃ 초과의 온도에서의 상기 단계 c)로부터 생성되는 합금의 균질화 단계(단계 d')를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 프로세스는, 상기 단계 d) 이전 및 상기 단계 d') 이후에, 2:1의 최소 총 감소비를 달성하기 위한, 적어도 하나의 소성 변형 사이클을 통한 열간 또는 냉간 소성 변형 단계(단계 d")를 더 포함한다. 그러한 소성 변형 사이클들은, 원심형 압축기, 펌프, 가스 및 증기 터빈, 뿐만 아니라 이들의 구성요소들을 제조하기 위한, 추가로 기계 가공될 원시 구성요소 형상 또는 더욱 일반적으로 원시 형상(raw shape)을 생성하기 위한, 단조(개방 또는 폐쇄 다이), 압연, 압출, 냉간 확장을 포함한다.
다른 실시예에서, 1020-1150℃의 온도에서의, 적어도 하나의 히트 사이클을 통해 가용화를 유도하기 위한 상기 열처리 단계(단계 d)는, 노 내부에서, 공기, 제어된 분위기 또는 진공 하에서, 수행될 수 있으며 그리고, 후속 열처리 단계를 위한 합금 원소들(즉, 구리, 티타늄, 알루미늄, 니오븀, 등)을 고용체 내에 두고 유지하기 위해, 액체 또는 가스 매체 내에서의 급속 냉각이 뒤따르게 된다.
다른 실시예에서, 합금은, 분말을 생성하기 위해 분쇄되며, 그리고 이어서 분말 야금에 의해 처리된다. 바람직하게, 용어 "분말 야금"과 더불어, 상기 분말은, 냉간 등압 압착(CIP), 금속 사출 성형(MIM), 소결, 열간 등압 압착(HIP)에 의해 통합되거나, 또는 MIM에 의해 제조되고 HIP 프로세스에 노출된다는 것을 의미하게 된다. 기본적으로 분말들은, 요구되는 형상으로 압축되는, 다이 내로 공급된다. 압축된 분말은 이어서, 분말 입자들 사이의 야금학적 접합을 생성하기 위해, 실내 압력 또는 고압의 제어된 분위기의 노 내에서 소결되거나 또는 열간 등압 압착된다. 등온 단조, 침투, 마감 가공 또는 표면 처리와 같은, 선택적 후-소결 작업들이, 이어서, 구성요소를 완성하기 위해 적용될 수 있을 것이다.
제2 실시예에서, 터보 기계의 구성요소가, 이상에 설명된 바와 같은 프로세스에 의해 획득 가능하고, 상기 구성요소는, 뒤따르는 성분들로 구성되는 화학적 조성물을 구비하는 합금으로 이루어진다:
C: 0.005-0.03 중량%
Si: 0.05-0.5 중량%
Mn: 0.1-1.0 중량%
Cr: 19.5-22.5 중량%
Ni: 34.0-38.0 중량%
Mo: 3.0-5.0 중량%
Cu: 1.0-2.0 중량%
Co: 0.0-1.0 중량%
Al: 0.01-0.5 중량%
Ti: 1.8-2.5 중량%
Nb: 0.2-1.0 중량%
W: 0.0-1.0 중량%
성분들은, 합금 중량에 기초하며, 나머지는, Fe 및 불순물들이고, 상기 불순물들은, 0.0-0.01 중량%의 S 및 0.0-0.025 중량%의 P를 포함하며, 그리고 합금은, 29-33HRC의 경도 값을 갖는다.
(심지어 높은 온도에서도) 부식에 대한 자체의 높은 저항성에 및/또는, 피로 및/또는 크리프에 대한 자체의 높은 저항성에 기인하여, 동시에 매우 유리한 경도 값을 보이는 가운데, 구성요소는, 매우 유용하고, 특히 구성요소는, 터보 기계의 작동 유체와 접촉하는 구성요소들을 위해 매우 유용하다.
실제로, 상기 합금은, 높은 부식 및 높은 온도 저항성이며, 그에 따라 종래 기술의 마르텐사이트계 스테인리스 강들보다 더 우수하게 고온에서 부식 및/또는 응력에 저항할 수 있으며 그리고, UNS N07718 및 UNS N00625의 요건들에 동의하는 것과 같은, 고급 니켈계 초내열합금들과 유사하게 거동하지만, 동시에 이상에 설명된 바와 같은 구성요소를 제조하는 프로세스는, 합금이 29-33HRC의 요구되는 경도 값을 달성하는 것을 허용한다.
바람직한 실시예에서, 합금은, 고온에서, 특히 200-250℃의 범위 내에서, 부식에 대한 높은 저항성을 갖는다.
다른 바람직한 실시예에서, 합금은, 고온에서, 특히 400-700℃의 범위 내에서, 피로 및/또는 크리프에 대한 높은 저항성을 갖는다.
바람직하게, 합금은, 뒤따르는 성분으로 구성되는 화학적 조성을 갖는다:
C: 0.005-0.02 중량%
Si: 0.05-0.2 중량%
Mn: 0.1-0.6 중량%
Cr: 20.0-21.5 중량%
Ni: 35.0-37.0 중량%
Mo: 3.5-4.0 중량%
Cu: 1.2-2.0 중량%
Co: 0.0-0.2 중량%
Al: 0.05-0.4 중량%
Ti: 1.9-2.3 중량%
Nb: 0.2-0.5 중량%
W: 0.0-0.6 중량%
Fe: 적어도 30 중량%
성분들은, 합금 중량에 기초하며, 나머지는 불순물들이고, 상기 불순물들은, 0.0-0.001 중량%의 S 및 0.0-0.02 중량%의 P를 포함한다.
더욱 바람직하게, 합금은, 뒤따르는 성분으로 구성되는 화학적 조성을 갖는다:
C: 0.005-0.02 중량%
Si: 0.06-0.15 중량%
Mn: 0.2-0.4 중량%
Cr: 20.2-21.0 중량%
Ni: 36.0-36.5 중량%
Mo: 3.6-3.8 중량%
Cu: 1.3-1.7 중량%
Co: 0.0-0.1 중량%
Al: 0.1-0.3 중량%
Ti: 2.0-2.2 중량%
Nb: 0.25-0.4 중량%
W: 0.01-0.4 중량%
Fe: 적어도 30 중량%
성분들은, 합금 중량에 기초하며, 나머지는 불순물들이고, 상기 불순물들은, 0.0-0.001 중량%의 S 및 0.0-0.015 중량%의 P를 포함한다.
이상의 합금은 유리하게, 동시에 놀랍게도, 기계적 특성 및 부식방지 특성에 부정적으로 영향을 미치지 않는 가운데, 주로 니켈, 그러나 크롬, 몰리브덴 및 티타늄과 같은, 고가의 합금 원소들의 감소된 양을 포함하는, 비용 효율적인 합금이다. 상기 합금은 또한, 높은 온도 및 압력에 대한 큰 저항성을 나타내며, 따라서 그러한 합금으로 이루어지는 구성요소들이, 터보 기계들, 특히 원심형 압축기들에 유리하게 적합하게 되도록 야기한다.
상기 불순물들은, P, S, B, Bi, Ca, Mg, Ag, Pb, N, Sn, O, 또는 이들의 조합이다.
바람직하게, 상기 불순물들은, 0.5 중량% 미만; 더욱 바람직하게, 0.2 중량% 미만이다.
바람직한 실시예에서, 상기 불순물들은, 최대 0.025 중량%의 P, 최대 0.01 중량%의 S, B, Bi, Ca, Mg, Ag, Pb, N, Sn, 및 O이다.
특히 바람직한 실시예에서, 합금은, 뒤따르는 성분으로 구성되는 화학적 조성을 갖는다:
C: 0.015 중량%
Si: 0.09 중량%
Mn: 0.3 중량%
Cr: 20.4 중량%
Ni: 36.2 중량%
Mo: 3.7 중량%
Cu: 1.41 중량%
Co: 0.03 중량%
Al: 0.25 중량%
Ti: 2.04 중량%
Nb: 0.27 중량%
W: 0.1 중량%
Fe: 나머지
뒤따르는 불순물들:
P: 최대 0.013 중량%
S: 최대 0.0002 중량%
B: 최대 0.003 중량%
Bi: 최대 0.3 ppm
Ca: 최대 50 ppm
Mg: 최대 30 ppm
Ag: 최대 5 ppm
Pb: 최대 5 ppm
N: 최대 100 ppm
Sn: 최대 50 ppm
O: 최대 50 ppm
일부 실시예에서, 합금은, ASTM E112에 따른 플레이트 3보다 더 미세한 입자 크기를 갖는다.
프로세스 조건들로부터 야기되는 입자 크기, 불순물들의 레벨, 이상에 설명된 화학적 조성에 기인하여, 합금은 유리하게, 스테인리스 강들(마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계 및 오스테나이트-페라이트계)과 비교하여, 뒤따르는 특성들을 나타낸다:
우수한 경도 특성들;
일반적이고 국부적인 부식, NACE MR0175에 따른 솔루션 A 방법 A에서의 임계 응력, 더 높은 응력 부식 균열(SCC) 저항성, 더 높은 염화물 응력 부식 균열(CSCC), 황화물 응력 균열(SSC), 갈바니식-유도 수소 응력 균열(GHSC)의 관점에서의, 우수한 부식방지 특성들;
실온 및 고온에서의 더 높은 인장 특성들;
적당한 인성 특성들;
더 높은 고 주기 및 저 주기 피로 특성들;
더 높은 크리프 강도;
더 높은 산화 및 고온 부식 저항성;
이상의 특성들은, 고급 니켈계 초내열합금들과 비교 가능한 것이다.
제3 실시예에서, 터보 기계가, 개략적으로 이상에 한정되는 바와 같은 적어도 하나의 구성요소를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 터보 기계는, 원심형 압축기 또는 원심형 펌프이다.
다른 바람직한 실시예에서, 터보 기계는, 가스 터빈 또는 증기 터빈이다.
도 2, 도 3, 도 4, 및 도 5는, 이상에 기술된 바와 같은 하나 이상의 구성요소가 사용될 수 있는, 상이한 터보 기계들을 도시한다. 도 2는 원심형 압축기의 전형적인 단면도를 도시하고, 도 3은 원심형 펌프의 전형적인 단면도를 도시하며, 도 4는 증기 터빈의 전형적인 단면도를 도시하며, 그리고 도 5 가스 터빈의 전형적인 단면도를 도시한다.
합금 구성요소를 위해 바람직하고 유리한 것으로 확인되는 모든 양태들이 또한, 합금 구성요소의 제조 프로세스를 위해, 뿐만 아니라 합금 구성요소를 포함하는 터보 기계를 위해, 유사하게 바람직하고 유리한 것으로 간주된다는 것을, 이해해야 한다.
이상에 보고되는 바와 같은, 합금 구성요소, 및 합금 구성요소의 제조 프로세스, 뿐만 아니라 가스 터빈 적용들에서의 그들의 용도들에 대한 바람직한 양태들의 모든 조합들이, 본 명세서에 개시되는 것으로 간주되어야 한다는 것을, 또한 이해해야 한다.
예들
예 1.
합금이, 뒤따르는 조성을 갖도록 준비되었다:
C: 0.015 중량%
Si: 0.09 중량%
Mn: 0.3 중량%
Cr: 20.4 중량%
Ni: 36.2 중량%
Mo: 3.7 중량%
Cu: 1.41 중량%
Co: 0.03 중량%
Al: 0.25 중량%
Ti: 2.04 중량%
Nb: 0.27 중량%
W: 0.1 중량%
Fe: 나머지
뒤따르는 불순물들:
P: 최대 0.013 중량%
S: 최대 0.0002 중량%
B: 최대 0.003 중량%
Bi: 최대 0.3 ppm
Ca: 최대 50 ppm
Mg: 최대 30 ppm
Ag: 최대 5 ppm
Pb: 최대 5 ppm
N: 최대 100 ppm
Sn: 최대 50 ppm
O: 최대 50 ppm
상기 화학적 조성물은, 진공 유도 용융(VIM)을 통해 용융되었고, 아르곤 산소 탈탄(A.O.D.)에 의해 정련되었으며, 그리고 전기 슬래그 재용융(E.S.R.)에 의해 재용융되었다.
생성되는 합금은, 적어도 6 시간 동안 1100℃ 초과의 온도에서 균질화되었다.
합금은 이어서, 2 사이클의 열간 소성 변형에 종속되었다.
후속적으로, 합금은, 1020-1150℃의 온도에서 가용화를 유도하기 위해 열처리에 종속되었으며, 액체 또는 가스 매체 내에서의 급속 냉각이 뒤따랐다.
마지막으로, 합금은, 6 시간 동안 약 750℃의 온도까지 가열함에 의한, 그리고 실온에서 냉각함에 의한, 시효 처리에 종속되었다.
생성되는 합금은, 기계적 특성 및 부식방지 특성을 평가하기 위해 테스트되었다. 결과들은, 뒤따르는 표 1에서, 공지의 마르텐사이트계 스테인리스 강(짧게, '마르텐사이트계 SS')과 비교되었다. 마르텐사이트계 스테인리스 강들은, 12-18 중량% 사이의 크롬 함량, 낮은 니켈 및 마르텐사이트로 정의되는 결정 구조에 의해 특징지어지는, 스테인리스 강들의 클래스이다. 이러한 클래스의 합금들은, 중간-높은 기계적 특성들 및 괜찮은 부식 저항성을 갖는다.
| 부식 특성 | 전형적인 마르텐사이트계 SS | 예 1의 합금 |
| 임계 공식 온도(CPT) AST G48 방법 C [℃] |
0÷5℃ | 30÷40℃ |
| 황화물 응력 부식(SSC) NACE TM0177 솔루션 A 방법 A에서의 임계 [MPa] |
250÷300 MPa (<50%AYS) |
750÷800 MPa (>95%AYS) |
| 염화물 응력 부식 균열 ASTM G123 | 실패 < 300시간 | 통과 ≥ 1000h |
부가적인 확인된 SSC 특성들이, 표 2 및 표 3에 보고된다.
| 방법 | pH2S | pH | 염화물들 | 응력 | 온도 | 결과 | |
| 예 1의 합금 | NACE TM0177 방법 A 솔루션 C | 10 bar | 3 | 25%NaCl | 750MPa | 25℃ | 통과(>720h) |
| 10 bar | 3 | 25%NaCl | 750MPa | 150℃ | 통과(>720h) |
| 특성들 | 고온 마르텐사이트계 SS | 예 1의 합금 |
| 응력 파단 | 600℃, 240MPa, 140hrs | 600℃, 690MPa, 140hrs |
| 인장 @600℃ | 430MPa |
550MPa |
| 충격 샤르피 - V 노치 |
27J @-15℃ | 27J @-101℃ |
합금 원소들의 중량 퍼센트는, 형태학적으로 폐쇄되고 패킹된(TCP) 상들을 방지하거나 최소화하기 위해, 맞춤 조정된다. Cr, Mo, W의 과도한 양은, 이러한 원소들 내에 풍부한, 금속간 상들의 석출을 촉진할 것이다. 일반적으로 말하면, TCP 상들은, 화학식 AxBy를 갖는다. 예를 들어, μ 상은, 이상적인 화학량론 A6B7에 기초하며 그리고, W6Co7 및 Mo6Co7과 같은, 13개의 원자를 함유하는 능면체형 셀(rhombohedral cell)을 갖는다.
σ 상은, 화학량론 A2B에 기초하게 되며, 그리고 Cr2Ru, Cr61Co39 및 Re67Mo33과 같은, 30개의 원자를 함유하는 정방형 셀을 갖는다.
P 상, 예를 들어, Cr18Mo42Ni40은, 셀 당 56개의 원자를 함유하는, 기본적 사방정계이다.
도 6a(열역학적 평형) 및 도 7a(운동학적 산정)에 도시된 바와 같이, 단지 σ 상은, 열역학적으로만 가능하며, 그리고 운동학적으로 석출은, 용체화 어닐링 도중에도 또는 시효 도중에도 발생할 수 없도록, 매우 느리다.
이러한 합금의 화학적 조성은, 열간 가공성 윈도우를 확대하도록 최적화된다. 이는, 낮은 니켈 함량에 의해, 그리고 경화 2차적 상들(감마 프라임)의 석출의 온도를 낮춤에 의해, 달성된다. 도 6에서 확인될 수 있는 바와 같이, 평형에서의 이론적 가공성 범위는, 매우 넓으며, 그리고 1020℃ 내지 1280℃ 사이다. 이러한 간격은, UNS N07718(도 6b 및 도 7b)에 의해 제공되는 것보다 더 넓다.
평형 간격들은, 운동학적 및 점성-소성 현상을 고려하지 않지만, 이러한 합금이, 다른 잘 알려진 상업적 고급 니켈계 합금들과 비교하여, 얼마나 더 우수하게 거동하는지에 대한 아이디어를 줄 수 있다.
실제로, 이러한 합금은, 900℃-1200℃ 사이의 열간 성형 범위를 가지며, 그에 따라 제조 및 사이클 시간 도중에, 파손의 위험을 감소시키도록 한다.
합금은, 29-33HRC의 경도 값과 함께 750 MPa의 최소 항복 강도를 제공하도록 경화시켜, 그에 따라 응력 부식 특성을 향상시키도록 하는, 2차적 상들을 제공하기 위한 화학적 원소들의 조합을 갖는다.
실제로, 도 8을 참조하면, 6 시간 동안 750℃에서 이상의 합금의 30개의 샘플을 테스트함에 따른, 예 1의 합금에 대한 경도 프로세스 능력(hardness process capability)이, 도시된다. 도 8의 도표는, 경도 값의 평균이 30.86HRC로 획득된다는 것을 나타낸다.
감소된 경로 레벨은, UNS N07718과 같은 고급 니켈계 합금들과 비교될 경우, 더 우수한 가공을 야기한다. 이러한 레벨의 경도는, 터보 기계 구성요소들이, UNS N07718과 같은 고급 니켈계 합금들과 비교될 경우, 제조 사이클의 최적화를 야기하도록 시효된 조건들에서 가공되는 것을 허용한다. 도 7a는, 예 1의 합금에 대한 시간 온도 변환 곡선들을 도시하며, 그리고 도 7b는 비교예 UNS N07718에 대한 시간 온도 변환 곡선을 도시한다. 어떻게 유해한 상들(즉, 델타 상 및 시그마 상)의 석출이 UNS N07718에 비하여 본 발명의 합금에서 더 느려지는지, 분명하게 확인된다. 이는, 취성 및 낮은 인성 특성에 덜 민감한 가운데, 넓은 영역의 열처리 및 더 매끈한 미세구조를 구비하는 것을 허용한다.
이러한 합금은, UNS N06625, UNS N07725, 또는 UNS N09925와 같은, 동종의 또는 상이한 니켈계 충진 재료들과, 통상적 아크 용접 프로세스들(SMAW 및 GTAW)에 의해, 쉽게 용접되도록 설계된다.
Claims (13)
- 터보 기계의 구성요소를 제조하기 위한 프로세스로서, 상기 프로세스는:
a) 진공 유도 용융(VIM) 또는 아크 전기로를 통해 뒤따르는 성분들로 구성되는 합금 화학적 조성물을 용융시키는 단계로서:
C: 0.005-0.03 중량%
Si: 0.05-0.5 중량%
Mn: 0.1-1.0 중량%
Cr: 19.5-22.5 중량%
Ni: 34.0-38.0 중량%
Mo: 3.0-5.0 중량%
Cu: 1.0-2.0 중량%
Co: 0.0-1.0 중량%
Al: 0.01-0.5 중량%
Ti: 1.8-2.5 중량%
Nb: 0.2-1.0 중량%
W: 0.0-1.0 중량%
성분들은, 조성물 중량에 기초하며, 나머지는 Fe 및 불순물들이고, 상기 불순물들은 0.0-0.01 중량%의 S 및 0.0-0.025 중량%의 P를 포함하는 것인, 용융 단계;
b) 아르곤 산소 탈탄(A.O.D.), 진공 유도 가스 제거 및 주입 (V.I.D.P), 또는 진공 산소 탈탄(V.O.D.)에 의한 정련 단계;
c) 전기 슬래그 재용융(E.S.R.) 또는 진공 아크 재용융(VAR)을 통한 재용융 단계;
d) 1020-1150℃의 온도에서, 적어도 하나의 히트 사이클을 통해 가용화를 유도하기 위하여 단계 c)로부터 생성되는 합금을 열처리하고, 그 후 액체 또는 가스 매체 내에서 급속 냉각하는, 열처리 단계; 및
e) 5-10시간 동안 720-760℃의 온도로 가열하여 시효 처리하고, 이후 실온에서 냉각시키는, 시효 단계
를 포함하는 것인, 제조 프로세스. - 제 1항에 있어서, 상기 단계 d) 이전에,
d') 적어도 6 시간 동안 1100℃ 초과의 온도에서의 상기 단계 c)로부터 생성되는 합금의 균질화 단계를 더 포함하는 것인, 제조 프로세스. - 제 2항에 있어서, 상기 단계 d) 이전 및 상기 단계 d') 이후에,
d") 적어도 하나의 소성 변형 사이클을 통한 열간 또는 냉간 소성 변형 단계를 더 포함하는 것인, 제조 프로세스. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
생성되는 합금은, 분말을 생성하기 위해 추가로 분쇄되며 그리고 이어서, 냉간 등압 압착(CIP), 금속 사출 성형(MIM), 소결, 열간 등압 압착(HIP), 또는 MIM 및 HIP 프로세스로부터 선택되는, 분말 야금에 의해 처리되는 것인, 제조 프로세스. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 프로세스에 의해 획득 가능한 터보 기계의 구성요소로서,
상기 구성요소는, 합금 중량에 기초하여,
C: 0.005-0.03 중량%
Si: 0.05-0.5 중량%
Mn: 0.1-1.0 중량%
Cr: 19.5-22.5 중량%
Ni: 34.0-38.0 중량%
Mo: 3.0-5.0 중량%
Cu: 1.0-2.0 중량%
Co: 0.0-1.0 중량%
Al: 0.01-0.5 중량%
Ti: 1.8-2.5 중량%
Nb: 0.2-1.0 중량%
W: 0.0-1.0 중량%
나머지는 Fe 및 불순물들인 화학적 조성을 갖는 합금으로 이루어지고,
상기 불순물들은 0.0-0.01 중량%의 S 및 0.0-0.025 중량%의 P를 포함하며,
29-33HRC의 경도 값을 갖는 것인, 터보 기계의 구성요소. - 제 5항에 있어서,
합금은, 200-250℃의 범위 내에서, 마르텐사이트계 스테인리스 강 보다 부식에 대한 높은 저항성을 갖는 것인, 터보 기계의 구성요소. - 제 5항에 있어서,
합금은, 400-700℃의 범위 내에서, 마르텐사이트계 스테인리스 강 보다 피로 및/또는 크리프에 대한 높은 저항성을 갖는 것인, 터보 기계의 구성요소. - 제 5항에 있어서,
합금은, 합금 중량에 기초하여,
C: 0.005-0.02 중량%
Si: 0.05-0.2 중량%
Mn: 0.1-0.6 중량%
Cr: 20.0-21.5 중량%
Ni: 35.0-37.0 중량%
Mo: 3.5-4.0 중량%
Cu: 1.2-2.0 중량%
Co: 0.0-0.2 중량%
Al: 0.05-0.4 중량%
Ti: 1.9-2.3 중량%
Nb: 0.2-0.5 중량%
W: 0.0-0.6 중량%
Fe: 적어도 30 중량%
나머지는 불순물들이고, 상기 불순물들은 0.0-0.001 중량%의 S 및 0.0-0.02 중량%의 P를 포함하는 화학적 조성으로 이루어지는 것인, 터보 기계의 구성요소. - 제 5항에 있어서,
합금은, 합금 중량에 기초하여,
C: 0.005-0.02 중량%
Si: 0.06-0.15 중량%
Mn: 0.2-0.4 중량%
Cr: 20.2-21.0 중량%
Ni: 36.0-36.5 중량%
Mo: 3.6-3.8 중량%
Cu: 1.3-1.7 중량%
Co: 0.0-0.1 중량%
Al: 0.1-0.3 중량%
Ti: 2.0-2.2 중량%
Nb: 0.25-0.4 중량%
W: 0.01-0.4 중량%
Fe: 적어도 30 중량%
나머지는 불순물들이고, 상기 불순물들은 0.0-0.001 중량%의 S 및 0.0-0.015 중량%의 P를 포함하는 화학적 조성으로 이루어지는 것인, 터보 기계의 구성요소. - 제 9항에 있어서,
합금은,
C: 0.015 중량%
Si: 0.09 중량%
Mn: 0.3 중량%
Cr: 20.4 중량%
Ni: 36.2 중량%
Mo: 3.7 중량%
Cu: 1.41 중량%
Co: 0.03 중량%
Al: 0.25 중량%
Ti: 2.04 중량%
Nb: 0.27 중량%
W: 0.1 중량%
Fe: 나머지
뒤따르는 불순물들:
P: 최대 0.013 중량%
S: 최대 0.0002 중량%
B: 최대 0.003 중량%
Bi: 최대 0.3 ppm
Ca: 최대 50 ppm
Mg: 최대 30 ppm
Ag: 최대 5 ppm
Pb: 최대 5 ppm
N: 최대 100 ppm
Sn: 최대 50 ppm
O: 최대 50 ppm
으로 구성되는 화학적 조성으로 이루어지는 것인, 터보 기계의 구성요소. - 터보 기계로서,
제 5항에 따른 적어도 하나의 구성요소를 포함하는 것인, 터보 기계. - 제 11항에 있어서,
원심형 압축기 또는 원심형 펌프인 것인, 터보 기계. - 제 11항에 있어서,
가스 터빈 또는 증기 터빈인 것인, 터보 기계.
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