Способ получения компонента турбомашины, компонент, полученный этим способом, и турбомашина, содержащая этот компонент Российский патент 2020 года по МПК C22C38/52 C22C19/05 F04D29/02 C22F1/10 C21D6/00 

Область техники

Настоящее изобретение в общем относится к компонентам турбомашин и к турбомашинам для применения в нефтегазовой промышленности.

Некоторые воплощения относятся к (роторным) центробежным компрессорам или насосам, а также к их компонентам, эксплуатируемым в области добычи и переработки нефти и газа, содержащих, помимо углеводородов, например, сероводород, диоксид углерода, с другими примесями или без них. Эти материалы относятся к «высокосернистым газам». Такие устройства содержат по меньшей мере один компонент, выполненный из высоколегированного коррозионностойкого сплава, способного противостоять коррозии лучше, чем мартенситные нержавеющие стали известного уровня техники, и проявляющего свойства, аналогичные суперсплавам повышенной чистоты на основе никеля.

Некоторые воплощения относятся к (роторным) газовым турбинам или паровым турбинам, а также их компонентам. Такие устройства содержат по меньшей мере один компонент, полученный из сплава, стойкого к высоким механическим нагрузкам, способного противостоять усталости и/или ползучести лучше, чем современные материалы известного уровня техники.

Уровень техники

Компрессор представляет собой устройство, способное повышать давление сжимаемой текучей среды (газа) посредством использования механической энергии. В центробежных компрессорах сжатие текучей среды осуществляют посредством одного или более рабочих колес, собранных на валу, с помощью вращательного движения внутри одной или более деталей статора (диафрагмы), собранных с помощью болтов. Описанную сборку обычно называют модулями. Сжимаемую текучую середу подают в модули через один или более впускных каналов, при этом сжатую текучую середу выталкивают из модуля в один или более нагнетательных каналов.

Обычно центробежные компрессоры приводят в действие электрическими двигателями или двигателями внутреннего сгорания, посредством соединения для передачи движения.

Центробежные компрессоры, работающие на месторождениях высокосернистого газа, подвержены различным видам взаимодействия с окружающей средой (коррозии), что может привести к потере производительности и преждевременному выходу из строя компонентов компрессора.

Работа в среде сероводорода характеризуется углеводородами с влажным сероводородом (H₂S), где pH₂S составляет более 3,0 кПа (0,0030 бар). Это значение действует для углеродистых и низколегированных сталей. В NACE MR0175 / ISO 15156-1 и NACE MR0175/ISO 15156-3 не определен минимальный предел pH₂S для коррозионностойких сплавов (КСС), поскольку этот предел зависит также от кислотности раствора (рН), и значения могут быть ниже, чем определенные для углеродистых и низколегированных сталей.

Существует несколько коррозийных явлений, среди которых следующие типы являются наиболее актуальными:

- сплошная коррозия - равномерное разрушение поверхности материала;

- точечная коррозия - неравномерная локальная коррозия;

- разрушение вследствие коррозии под воздействием напряжений (СКРН (сульфидное коррозионное растрескивание под воздействием напряжений) и ХКРН (хлоридное коррозионное растрескивание под воздействием напряжений)).

Отмечено, что указанные выше коррозийные явления могут возникать только при наличии водяного конденсата (влажного газа), который действует как электролит для электрохимического процесса.

Влажный газ, содержащий углеводороды, СО₂, H₂S и хлориды (или другие галогениды), так или иначе, в присутствии элементарной серы, представляет собой среду, в которой могут происходить все указанные выше явления. Таким образом, сопротивление материала одному механизму разрушения или их сочетанию является определяющим фактором для гарантии безотказности изделия.

Среди указанных выше механизмов коррозии наиболее критичным является коррозионное растрескивание под воздействием напряжений либо в среде влажного H₂S, либо в среде хлоридов (или вообще галогенидов), поскольку оно делает невозможным эксплуатацию установки.

В общем, механизм включает диффузию в металле атомов водорода, образующихся при коррозии.

СКРН может возникать только если присутствуют следующие три условия:

- растягивающее напряжение (остаточное и/или приложенное)

- H₂S + водяной конденсат

- материал склонный к СКРН разрушению.

Примеси, такие как галогениды, мышьяк (As), сурьма (Sb) и цианиды (CN-), действуют как катализатор, повышая концентрацию атомов водорода на поверхности и предотвращая их рекомбинацию в молекулы водорода, что делает СКРН более опасным.

В общем, компоненты центробежных компрессоров (рабочие колеса, валы, диафрагмы и болты) подвержены растягивающему напряжению и воздействию влажного газа.

На основе опыта было установлено, что рабочие колеса и болты представляют собой компоненты, наиболее подверженные СКРН и ХКРН. Это связано с тем, что у них уровень напряжения выше, чем других компонентов, и с тем, что напряжение остается приложенным во время остановок компрессора (под давлением), когда влажный газ присутствует при более высоком парциальном давлении. Поэтому для работы в высокосернистой среде обязательно выбирать материалы, которые являются стойкими к жестким условиям окружающей среды.

Следовательно, выбор материала для таких условий работы основан на трехмерном пространстве, определяемом парциальным давлением H₂S (p(H₂S)), рН (в основном, функция CO₂), и содержанием хлоридов (и/или других галогенидов), как схематически показано на Фиг. 1.

До настоящего времени использовали различные материалы с целью выбора наиболее экономически эффективного решения для конкретной окружающей среды.

Для упрощения сложных правил, лежащих в основе подхода «материал, пригодный для использования по назначению», необходимо учитывать следующие принципы:

- для низкого p(H₂S), любого уровня рН и высокого содержания хлоридов дуплексные и супердуплесные сплавы представляют собой класс выбираемых материалов;

- для p(H₂S) от низкого до среднего, любого уровня рН и низкого содержания хлоридов выбирают различные классы мартенситных нержавеющих сталей;

- для любого p(H₂S), любого уровня рН и высокого содержания хлоридов сплавы на основе никеля представляют собой класс выбираемых материалов;

Представляя указанные выше принципы в трехмерном пространстве, очевидно, что существует огромное пространство между рентабельными сплавами (т.е. дуплексными, супердуплексными и мартенситными нержавеющими сталями) и сплавами на основе никеля повышенной чистоты, которое может быть заполнено новыми сплавами.

Следовательно, существует потребность в компонентах центробежных компрессоров, в частности, но не исключительно, компрессоров, работающих в области добычи и переработки нефти и газа, содержащих сульфид водорода плюс углеводороды с другими примесями или без них, позволяющих повысить надежность, увеличить скорость (учитывая более высокую удельную прочность материала) и обеспечить рентабельный сплав за счет снижения содержания дорогостоящих легирующих элементов, в основном никеля.

Аналогичные проблемы необходимо решать при проектировании и эксплуатации насосов или в некоторых областях применения паровых турбин (т.е. геотермальные области применения).

Газовая турбина представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Он содержит нагнетающий ротационный компрессор, присоединенный к расположенной ниже по потоку турбине, и камеру сгорания между ними.

Потоки атмосферного воздуха, проходящие через компрессор, доводят до более высокого давления в камере сгорания, где его смешивают и сжигают с топливом (т.е. жидкостью или газом), чтобы увеличить его энтальпию. Такой высокотемпературный поток высокого давления подают в расширительную турбину, получая на выходе работу вала в данном процессе. Работу вала турбины используют для приведения в действие компрессора и других устройств, таких как электрический генератор, который может быть соединен с валом.

Такая окружающая среда отличается сочетанием высокой температуры, высоких напряжений в установившихся и циклических условиях. Материалы для такого применения должны быть разработаны с возможностью выдерживать ползучесть, малоцикловую и многоцикловую усталость, окисление и коррозию. Обычно их выполняют из высокопрочных сталей или сплавов на основе никеля.

Подобные проблемы необходимо решать при проектировании и эксплуатации паровых турбин.

Заявители настоящего изобретения пытались достичь одной, или нескольких, или всех из указанных выше целей.

Краткое описание изобретения

В соответствии с первыми воплощениями, предложен способ получения компонента турбомашины, включающий следующие стадии:

- плавление посредством вакуумной индукционной плавки (ВИП) или плавки в электродуговой печи сплава с химическим составом, состоящим из:

С 0,005-0,03 масс. %

Si 0,05-0,5 масс. %

Mn 0,1-1,0 масс. %

Cr 19,5-22,5 масс. %

Ni 34,0-38,0 масс. %

Мо 3,0-5,0 масс. %

Cu 1,0-2,0 масс. %

Со 0,0-1,0 масс. %

Al 0,01-0,5 масс. %

Ti 1,8-2,5 масс. %

Nb 0,2-1,0 масс. %

W 0,0-1,0 масс. %,

исходя из массы сплава, остальное составляет Fe и примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 масс. % S и 0,0-0,025 масс. % Р;

- рафинирование посредством аргонокислородного обезуглероживания (АКО), вакуумной-индукционной дегазации и разливки (ВИДР) или вакуумно-кислородного обезуглероживания (ВКО);

переплавку посредством электрошлакового переплава (ЭШП) или вакуумно-дугового переплава (ВДП);

- термообработку сплава, полученного на стадии (с), чтобы вызвать солюбилизацию по меньшей мере через один тепловой цикл, при температуре 1020-1150°С, и последующее быстрое охлаждение в жидкой или газовой среде, и

- старение посредством нагревания до температуры 600-770°С в течение 2-20 ч и охлаждение при комнатной температуре.

В соответствии со вторыми воплощениями, предложен компонент турбомашины, получаемый вышеуказанным способом, причем компонент выполнен из сплава с химически составом, состоящим из:

С 0,005-0,03 масс. %

Si 0,05-0,5 масс. %

Mn 0,1-1,0 масс. %

Cr 19.5-22,5 масс. %

Ni 34,0-38,0 масс. %

Мо 3,0-5,0 масс. %

Cu 1,0-2,0 масс. %

Со 0,0-1,0 масс. %

Al 0,01-0,5 масс. %

Ti 1,8-2,5 масс. %

Nb 0,2-1,0 масс. %

W 0,0-1,0 масс. %,

исходя из массы сплава, остальное составляет Fe и примеси, указанные примеси включают 0,0-0,01 масс. % S и 0,0-0,025 масс. % Р, и

компонент имеет величину твердости по Роквеллу 29-33.

В соответствии с третьими воплощениями, предложена турбомашина, содержащая по меньшей мере один компонент, как в общем определено выше.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение станет более понятным из последующего описания воплощений, рассматриваемых в связи с прилагаемыми чертежами, где:

на Фиг. 1 показано трехмерное пространство, определяемое парциальным давлением H₂S (p(H₂S)), уровнем рН (в основном, функцией CO₂) и содержанием хлоридов (и/или других галогенидов);

на Фиг. 2 показано поперечное сечение типичного центробежного компрессора;

на Фиг. 3 показано поперечное сечение типичного центробежного насоса;

на Фиг. 4 показано поперечное сечение типичной паровой турбины;

на Фиг. 5 показано поперечное сечение типичной газовой турбины;

на Фиг. 6А показано фазовое равновесие в зависимости от температуры сплава примера 1, а на Фиг. 6В показано фазовое равновесие в зависимости от температуры сравнительного сплава UNS N07718;

на Фиг. 7А показаны кривые изотермического превращения для сплава примера 1 и на Фиг. 7В представлены кривые изотермического превращения сравнительного сплава UNS N07718; и

На Фиг. 8 показан показатель воспроизводимости твердости для сплава примера 1, где «ST» означает краткосрочное среднеквадратическое отклонение, «LT» означает долгосрочное стандартное отклонение и «USL» означает верхний установленный предел.

Подробное описание изобретения

Последующее описание воплощений относится к прилагаемым чертежам. Одинаковыми номерами позиций на различных чертежах показаны одинаковые или подобные элементы. Последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Напротив, объем изобретения определен прилагаемой формулой изобретения.

Ссылки в ходе описания изобретения на «одно воплощение» или «воплощение» означают, что конкретный признак, структура или свойство, описанные в связи с воплощением, включены по меньшей мере в одно воплощение раскрытого предмета изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном воплощении» или «в воплощении» в различных местах в ходе описания изобретения не обязательно относится к одному и тому же воплощению. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или свойства могут быть объединены любым походящим способом в одно или более воплощений.

Термин «комнатная температура», как используют в данном документе, имеет обычно значение, известное специалистам в данной области техники и может включать температуры в пределах от приблизительно 16°С (60°F) до приблизительно 32°С (90°F).

Что касается состава сплава, термин «обязательный элемент» относится к элементу, который присутствует в сплаве и который в сочетании с другими обязательными элементами позволяет достичь вышеуказанных целей. Обязательными элементами сплава являются железо (Fe), углерод (С), кремний (Si), марганец (Mn), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Мо), медь (Cu), алюминий (Al), титан (Ti) и ниобий (Nb).

Термин «необязательный элемент» относится к элементу, который возможно присутствует наряду с обязательными элементами, определяющими основной химический состав сплава. Возможными элементами в сплаве являются кобальт (Со) и вольфрам (W).

Вместо этого, термин «примесь» или «примесный элемент» относится к элементу, не предусмотренному при разработке состава сплава, чтобы достичь вышеуказанных целей. Однако указанный элемент может присутствовать, потому что, в зависимости от способа получения, его присутствие может быть неизбежным. Примеси в сплаве включают фосфор (Р), серу (S), бор (В), висмут (Bi), кальций (Са), магний (Mg), серебро (Ag), свинец (Pb), азот (N), олово (Sn) и кислород (О).

В первых воплощениях способ получения компонента турбомашины включает следующие стадии:

- плавление посредством вакуумной индукционной плавки (ВИП) или в электродуговой печи сплава с химическим составом, состоящим из:

С 0,005-0,03 масс. %

Si 0,05-0,5 масс. %

Mn 0,1-1,0 масс. %

Cr 19,5-22,5 масс. %

Ni 34,0-38,0 масс. %

Мо 3,0-5,0 масс. %

Cu 1,0-2,0 масс. %

Со 0,0-1,0 масс. %

Al 0,01-0,5 масс. %

Ti 1,8-2,5 масс. %

Nb 0,2-1,0 масс. %

W 0,0-1,0 масс. %,

исходя из массы сплава, остальное составляет Fe и примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 масс. % S и 0,0-0,025 масс. % Р;

- рафинирование посредством аргонокислородного обезуглероживания (АКО), вакуумной-индукционной дегазации и разливки (ВИДР), вакуумно-кислородного обезуглероживания (ВКО);

- переплавка посредством электрошлакового переплава (ЭШП) или вакуумно-дугового переплава (ВДП);

- термообработка сплава, полученного на стадии (с), чтобы вызвать солюбилизацию по меньшей мере через один тепловой цикл, при температуре 1020-1150°С, и последующее быстрое охлаждение в жидкой или газовой среде, и

- старение посредством нагрева до температуры 600-770°С в течение 2-20 ч и охлаждения при комнатной температуре.

Таким образом значительно снижают количество примесей, их выделение и неоднородность и, в то же время, достигают улучшенных механических свойств и коррозионной стойкости.

В частности, выбранные условия старения, установленные на стадии (е), позволяют достичь весьма значительных улучшений с точки зрения твердости, при этом сохраняя другие свойства на высоком уровне, такие как коррозионная стойкость и стойкость к коррозионному растрескиванию под воздействием напряжений. Фактически, как показано далее, готовый компонент турбомашины достигает значения твердости по Роквеллу 29-33.

Такие значения твердости приводят к получению чрезвычайно крепкого материала с улучшенными свойствами, в частности, в показателях стойкости к сульфидному коррозионному растрескиванию под воздействием напряжений. В действительности, стойкость к СКРН коррозионностойких сплавов (КСС) возрастает, снижая твердость сплава. Описанная обработка старением позволяет обеспечить широкие возможности технологического процесса при обработке даже крупных кованых продуктов, ориентируясь на требования к твердости, изложенные в NACE MR0175/ISO15156-3.

В предпочтительных воплощениях на стадии (е) старение осуществляют посредством нагрева до температуры 720-760°С в течение 5-10 ч и охлаждения при комнатной температуре.

В некоторых воплощениях способ дополнительно включает, перед стадией (d), стадию (d') гомогенизации сплава, полученного на стадии (с), при температуре выше 1100°С по меньшей мере в течение 6 ч.

В других воплощениях способ дополнительно включает, перед стадией (d) и после стадии (d'), стадию (d'') горячей или холодной пластической деформации посредством по меньшей мере одного цикла пластической деформации, чтобы достичь минимального суммарного коэффициента обжатия 2:1. Такие циклы пластической деформации включают ковку (с открытой или закрытой матрицей), прокатку, прессование, холодную обработку против усталости с получением исходной формы компонента или в общем случае исходной формы для дальнейшей механической обработки для получения центробежных компрессоров, насосов, газовых и паровых турбин, а также их компонентов.

В других воплощениях, стадия d) термообработки, чтобы вызвать солюбилизацию через по меньшей мере один тепловой цикл, при температуре 1020-1150°С, может быть выполнена внутри печей, в атмосфере воздуха, в регулируемой атмосфере или в вакууме, и за ней можно провести быстрое охлаждение в жидкой или газовой среде, чтобы включить в раствор и сохранять в нем легирующие элементы (например, медь, титан, алюминий, ниобий и т.д.) для последующей стадии термообработки.

В других воплощениях сплав дополнительно распыляют с получением порошка и затем обрабатывают посредством порошковой металлургии. Предпочтительно термин «порошковая металлургия» означает, что указанный порошок уплотняют с помощью холодного изостатического прессования (ХИП), инжекционного формования металла (ИФМ), спекания, горячего изостатического прессования (ГИП) или изготавливают с помощью ИФМ и подвергают процессу ГИП. В основном порошки подают в матрицу и уплотняют до заданной формы. Затем прессованный порошок спекают или обрабатывают с помощью ГИП в печи с регулируемой атмосферой при нормальном или повышенном давлении с получением металлургических связей между частицами порошка. После спекания можно применять возможные операции, такие как изотермическая ковка, пропитка погружением, финишная механическая обработка или обработка поверхности для получения готового компонента.

Во вторых воплощениях получают компонент турбомашины вышеуказанным способом, причем компонент получают из сплава с химическим составом, состоящим из:

С 0,005-0,03 масс. %

Si 0,05-0,5 масс. %

Mn 0,1-1,0 масс. %

Cr 19,5-22,5 масс. %

Ni 34,0-38,0 масс. %

Мо 3,0-5,0 масс. %

Cu 1,0-2,0 масс. %

Со 0,0-1,0 масс. %

Al 0,01-0,5 масс. %

Ti 1,8-2,5 масс. %

Nb 0,2-1,0 масс. %

W 0,0-1,0 масс. %,

исходя из массы сплава, остальное составляет Fe и примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 масс. % S и 0,0-0,025 масс. % Р, и компонент имеет величину твердости по Роквеллу 29-33.

Благодаря высокой стойкости к коррозии (даже при высоких температурах) и/или высокой стойкости к усталости и/или ползучести, компонент имеет широкое применение, в частности, он очень пригоден в качестве компонента, который находится в контакте с рабочей жидкостью турбомашины, при этом он имеет очень предпочтительную величину твердости.

Фактически, указанный сплав обладает высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью, таким образом обеспечивая улучшенную стойкость к коррозии и/или воздействию напряжений при высокой температуре по сравнению с мартенситными нержавеющими сталями известного уровня техники, и он проявляет характеристики, аналогичные суперсплавам повышенной чистоты на основе никеля, таким как соответствующие требованиям UNS N07718 и UNS N00625, но в то же время способ получения компонента, как указано выше, позволяет достичь для сплава требуемой величины 29-33 твердости по Роквеллу.

В предпочтительных воплощениях сплав обладает высокой коррозионной стойкостью при высоких температурах, в частности, в пределах 200-250°С.

В других предпочтительных воплощениях сплав обладает высокой стойкостью к усталости и/или ползучести при высоких температурах, в частности, в пределах 400-700°С.

Предпочтительно сплав имеет химический состав, состоящий из:

С 0,005-0,02 масс. %

Si 0,05-0,2 масс. %

Mn 0,1-0,6 масс. %

Cr 20,0-21,5 масс. %

Ni 35,0-37,0 масс. %

Мо 3,5-4,0 масс. %

Cu 1,2-2,0 масс. %

Со 0,0-0,2 масс. %

Al 0,05-0,4 масс. %

Ti 1,9-2,3 масс. %

Nb 0,2-0,5 масс. %

W 0,0-0,6 масс. %

Fe по меньшей мере 30 масс. %,

исходя из массы сплава, остальное составляют примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 масс. % S и 0,0-0,02 масс. % Р.

Более предпочтительно, сплав имеет химический состав, состоящий из:

С 0,005-0,02 масс. %

Si 0,06-0,15 масс. %

Mn 0,2-0,4 масс. %

Cr 20,2-21,0 масс. %

Ni 36,0-36.5 масс. %

Мо 3,6-3,8 масс. %

Cu 1,3-1,7 масс. %

Со 0,0-0,1 масс. %

Al 0,1-0,3 масс. %

Ti 2,0-2,2 масс. %

Nb 0,25-0,4 масс. %

W 0,01-0,4 масс. %

Fe по меньшей мере 30 масс. %,

исходя из массы сплава, остальное составляют примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 масс. % S и 0,0-0,015 масс. % Р.

Вышеуказанный сплав имеет преимущество в том, что он является рентабельным сплавом, который, в то же время, неожиданно включает меньшее количество дорогостоящих легирующих элементов, таких как главным образом никель, но также и хром, молибден и титан, без отрицательного влияния на механические и антикоррозионные свойства. Указанный сплав также показывает высокую стойкость к высоким температурам и давлениям, так что выполненные из него компоненты оказываются особенно предпочтительными для турбомашин, в частности, центробежных компрессоров.

Указанными примесями являются Р, S, В, Bi, Са, Mg, Ag, Pb, N, Sn, О или их сочетание.

Предпочтительно указанные примеси составляют менее 0,5 масс. %, более предпочтительно менее 0,2 масс. %.

В предпочтительных воплощениях указанными примесями являются Р в количестве вплоть до 0,025 масс. %, S в количестве вплоть до 0,01 масс. %, В, Bi, Са, Mg, Ag, Pb, N, Sn и О.

В конкретных предпочтительных воплощениях, сплав имеет химический состав, состоящий из:

С 0,015 масс. %

Si 0,09 масс. %

Mn 0,3 масс. %

Cr 20,4 масс. %

Ni 36,2 масс. %

Мо 3,7 масс. %

Cu 1,41 масс. %

Со 0,03 масс. %

Al 0,25 масс. %

Ti 2,04 масс. %

Nb 0,27 масс. %

W 0,1 масс. %

Fe остальное,

причем сплав содержит следующие примеси:

Р вплоть до 0,013 масс. %

S вплоть до 0,0002 масс. %

В вплоть до 0,003 масс. %

Bi вплоть до 0,3 ppm (частей на млн.)

Са вплоть до 50 ppm

Mg вплоть до 30 ppm

Ag вплоть до 5 ppm

Pb вплоть до 5 ppm

N вплоть до 100 ppm

Sn вплоть до 50 ppm

О вплоть до 50 ppm

В некоторых воплощениях сплав имеет размер зерна более мелкий, чем пластина 3 согласно стандарту ASTM Е112.

Благодаря указанному выше химическому составу, уровню примесей, размеру зерна, полученным в результате технологических условий, сплав имеет преимущества в том, что показывает следующие свойства:

превосходные свойства твердости,

превосходные антикоррозионные свойства с точки зрения сплошной и локальной коррозии, пороговое напряжение в растворе А метода А в соответствии с NACE MR0175, более высокую стойкость к коррозионному растрескиванию под воздействием напряжений (КРН), более высокую стойкость к хлоридному коррозионному растрескиванию под воздействием напряжений (ХКРН), сульфидному коррозионному растрескиванию под воздействием напряжений (СКРН), гальванически индуцированному водородом растрескиванию под воздействием напряжений (ГИВРН);

улучшенные свойства при растяжении при комнатной температуре и высокой температуре;

подходящие свойства ударной вязкости;

улучшенные многоцикловые и малоцикловые усталостные свойства;

более высокую прочность при ползучести;

более высокую стойкость к окислению и высокотемпературной коррозии

по сравнению с нержавеющими сталями (мартенситными, ферритными, аустенитными и аустенитно-ферритными), и указанный сплав сопоставим с суперсплавом на основе никеля повышенной чистоты.

В третьих воплощениях турбомашина включает по меньшей мере один компонент, как в общем определено выше.

В предпочтительных воплощениях турбомашина является центробежным компрессором или центробежным насосом.

В других предпочтительных воплощениях турбомашина представляет собой газовую турбину или паровую турбину.

На Фиг. 2, 3, 4 и 5 представлены различные турбомашины, в которых могут быть использованы один или более компонентов, указанных выше. На Фиг. 2 показано поперечное сечение типичного центробежного компрессора, на Фиг. 3 показано поперечное сечение типичного центробежного насоса, на Фиг. 4 показано поперечное сечение типичной паровой турбины и на Фиг. 5 показано поперечное сечение типичной газовой турбины.

Следует понимать, что все аспекты, определяемые как предпочтительные и преимущественные для компонента сплава, также являются предпочтительными и преимущественными для способа его получения, а также для турбомашины, содержащей этот компонент сплава.

Следует также иметь в виду, что все сочетания предпочтительных аспектов компонента сплава и способа его получения, а также их применения в области газовых турбин, как указано выше, раскрыты в данном документе.

Примеры

Пример 1

Полученный сплав имел следующий состав:

С 0,015 масс. %

Si 0,09 масс. %

Mn 0,3 масс. %

Cr 20,4 масс. %

Ni 36,2 масс. %

Мо 3,7 масс. %

Cu 1,41 масс. %

Со 0,03 масс. %

Al 0,25 масс. %

Ti 2,04 масс. %

Nb 0,27 масс. %

W 0,1 масс. %

Fe остальное,

при этом сплав содержал следующие примеси:

Р вплоть до 0,013 масс. %

S вплоть до 0,0002 масс. %

В вплоть до 0,003 масс. %

Bi вплоть до 0,3 ppm

Са вплоть до 50 ppm

Mg вплоть до 30 ppm

Ag вплоть до 5 ppm

Pb вплоть до 5 ppm

N вплоть до 100 ppm

Sn вплоть до 50 ppm

О вплоть до 50 ppm.

Сплав указанного химического состав расплавляли посредством вакуумной индукционной плавки (ВИП), рафинировали посредством аргонокислородного обезуглероживания (АКО) и переплавляли посредством электрошлакового переплава (ЭШП).

Полученный сплав гомогенизировали при температуре выше 1100°С по меньшей мере в течение 6 ч.

Затем сплав подвергали двум циклам горячей пластической деформации.

Впоследствии сплав подвергали термообработке, чтобы вызвать солюбилизацию, при температуре 1020-1150°С, с последующим быстрым охлаждением в жидкой или газовой среде.

Наконец, сплав подвергали обработке старением посредством нагрева до температуры приблизительно 750°С в течение 6 ч и охлаждения при комнатной температуре.

Полученный сплав исследовали для оценки механических и антикоррозионных свойств. Результаты сравнивали с известной мартенситной нержавеющей сталью (сокращенно «мартенситная НС») в нижеследующей таблице 1. Мартенситные нержавеющие стали представляют собой класс нержавеющих сталей, характеризующихся содержанием хрома 12-18 масс. %, низким содержанием никеля и кристаллической структурой мартенсита. Данный класс сплавов обладает умеренно высокими механическими свойствами и удовлетворительной коррозионной стойкостью.

Дополнительно проверенные свойства СКРН представлены в таблице 2 и таблице 3.

Массовое процентное содержание легирующих элементов учитывают, чтобы избежать присутствия топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз или минимизировать его. Избыточное количество Cr, Мо, W способствует осаждению интерметаллических фаз, обогащенных этими элементами. В общем, ТПУ фазы имеют химическую формулу А_хВ_у. Например, μ-фаза основана на идеальной стехиометрии А_{6 В7} и имеет ромбоэдрическую ячейку, содержащую 13 атомов, например, W₆Co₇ and Mo₆Co₇.

σ-фаза основана на стехиометрии А_{2 В} и имеет тетрагональную ячейку, содержащую 30 атомов, например, Cr₂Ru, Cr₆₁Co₃₉ и Re₆₇Mo₃₃.

Р-фаза, например, Cr₁₈Mo₄₂Ni₄₀ является примитивной орторомбической, содержащей 56 атомов на ячейку.

Как показано на Фиг. 6А (термодинамическое равновесие) и 7А (оценка кинетики) термодинамически возможна только σ-фаза, и кинетика осаждения настолько медленная, что ни в ходе отпуска на твердый раствор, ни в ходе старения она не может возникнуть.

Химический состав данного сплава оптимизируют для увеличения интервала обрабатываемости в горячем состоянии. Этого достигают с помощью низкого содержания никеля и снижения температуры осаждения упрочняющих вторичных фаз (гамма-фаза). Как можно увидеть на Фиг. 6, теоретический диапазон обрабатываемости при равновесии довольно велик и находится в пределах от 1020°С до 1280°С.Этот интервал больше, чем интервалы, предусмотренные UNS N07718 (Фиг. 6 В и 7 В).

Равновесные интервалы не учитывают кинетику и явление вязкоупругости, но могут дать представление о том, насколько лучше этот сплав ведет себя по сравнению с другими хорошо известными промышленными сплавами на основе никеля высокой чистоты.

Практически, это сплав имеет диапазон формовки в горячем состоянии от 900° до 1200°С, таким образом, риск разрушения в ходе получения и циклирования снижается.

Сплав содержит сочетание химических элементов, чтобы обеспечить упрочнение вторичными фазами для достижения минимального предела текучести 750 МПа при величине твердости по Роквеллу 29-33, таким образом, стойкость к коррозии под воздействием напряжений повышается.

Фактически, на Фиг. 8 показана воспроизводимость величины твердости сплава по примеру 1 при испытании 30 образцов сплава при температуре выше 750°С в течение 6 ч. Диаграмма на Фиг. 8 показывает, что среднее значение твердости по Роквеллу составляет 30,86.

Более низкий уровень твердости приводит к лучшей механической обработке по сравнению со сплавами никеля высокой чистоты, такими как UNS N07718. Такой уровень твердости позволяет обеспечить механическую обработку компонентов турбомашины в условиях старения, что приводит к оптимизации производственного цикла, если сравнивать со сплавами никеля высокой чистоты, такими как UNS N07718. На Фиг. 7А показаны кривые изотермического превращения для сплава по примеру 1, а на Фиг. 7В показаны кривые изотермического превращения для сравнительного сплава UNS N07718.

Очевидно, что осаждение вредных фаз (т.е. дельта фазы и сигма фазы) в представленном сплаве происходит медленнее по сравнению с UNS N07718. Это позволяет иметь широкую область термообработки и более чистую микроструктуру, менее чувствительную к охрупчиванию и низким свойствам ударной вязкости.

Данный сплав разработан для облегчения сварки с помощью обычных способов электродуговой сварки (ДСПЭ (дуговая сварка покрытым электродом) и ГВДС (газовольфрамовая дуговая сварка)) с гомологичными или разнородными уплотняющими материалами на основе никеля, такими как UNS N06625, UNS N07725 или UNS N09925.

Изобретение относится к области металлургии, а именно способу получения сплава, который может быть использован при изготовлении компонентов турбины, используемых в области добычи и переработки нефти и газа. Способ получения сплава для изготовления компонента турбомашины включает следующие стадии: а) плавление посредством вакуумной индукционной плавки (ВИП) или в электродуговой печи, сплава с химическим составом, состоящим из, мас.%: C 0,005-0,03, Si 0,05-0,5, Mn 0,1-1,0, Cr 19,5-22,5, Ni 34,0-38,0, Mo 3,0-5,0, Cu 1,0-2,0, Co 0,0-1,0, Al 0,01-0,5, Ti 1,8-2,5, Nb 0,2-1,0, W 0,0-1,0, остальное составляет Fe и примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 мас.% S и 0,0-0,025 мас.% P; b) рафинирование посредством аргонокислородного обезуглероживания (АКО), вакуумной-индукционной дегазации и разливки (ВИДЗ) или вакуумно-кислородного обезуглероживания (ВКО); с) переплавка посредством электрошлакового переплава (ЭШП) или вакуумно-дугового переплава (ВДП); d) термообработка сплава, полученного на стадии (с), чтобы вызвать солюбилизацию по меньшей мере через один тепловой цикл при температуре 1020-1150ºC, и последующее быстрое охлаждение в жидкой или газовой среде, и e) старение при нагреве до температуры 600-770ºC в течение 2-20 ч и охлаждении при комнатной температуре. Сплав характеризуется высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил., 3 табл., 1 пр.

1. Способ получения сплава для изготовления компонента турбомашины, включающий следующие стадии:

а) плавление посредством вакуумной индукционной плавки (ВИП) или в электродуговой печи, сплава с химическим составом, состоящим из, мас.%:

C 0,005-0,03

Si 0,05-0,5

Mn 0,1-1,0

Cr 19,5-22,5

Ni 34,0-38,0

Mo 3,0-5,0

Cu 1,0-2,0

Co 0,0-1,0

Al 0,01-0,5

Ti 1,8-2,5

Nb 0,2-1,0

W 0,0-1,0,

остальное составляет Fe и примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 мас.% S и 0,0-0,025 мас.% P;

b) рафинирование посредством аргонокислородного обезуглероживания (АКО), вакуумной-индукционной дегазации и разливки (ВИДЗ) или вакуумно-кислородного обезуглероживания (ВКО);

с) переплавка посредством электрошлакового переплава (ЭШП) или вакуумно-дугового переплава (ВДП);

d) термообработка сплава, полученного на стадии (с), чтобы вызвать солюбилизацию по меньшей мере через один тепловой цикл при температуре 1020-1150°C, и последующее быстрое охлаждение в жидкой или газовой среде, и

e) старение при нагреве до температуры 600-770°C в течение 2-20 ч и охлаждении при комнатной температуре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадию (е) старения осуществляют посредством нагрева до температуры 720-760°C в течение 5-10 ч, а охлаждение осуществляют при комнатной температуре.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно включает перед стадией (d) стадию (d’) гомогенизации сплава, полученного на стадии (с), при температуре выше 1100°C по меньшей мере в течение 6 ч.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что он дополнительно включает перед стадией (d) и после стадии (d’) стадию (d”) горячей или холодной пластической деформации посредством по меньшей мере одного цикла пластической деформации.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что полученный сплав дополнительно распыляют с получением порошка и затем обрабатывают посредством процесса порошковой металлургии, выбираемого из холодного изостатического прессования (ХИП), инжекционного формования металла (ИФМ), спекания, горячего изостатического прессования (ГИП) или процесса ИФМ и ГИП.

6. Компонент турбомашины, полученный способом по любому из пп.1-5, причем компонент получен из сплава с химическим составом, состоящим из, мас.%:

C 0,005-0,03

Si 0,05-0,5

Mn 0,1-1,0

Cr 19,5-22,5

Ni 34,0-38,0

Mo 3,0-5,0

Cu 1,0-2,0

Co 0,0-1,0

Al 0,01-0,5

Ti 1,8-2,5

Nb 0,2-1,0

W 0,0-1,0,

остальное составляет Fe и примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,01 мас.% S и 0,0-0,025 мас.% P, и

указанный компонент имеет величину твердости по Роквеллу 29-33.

7. Компонент по п.6, отличающийся тем, что сплав имеет высокую коррозионную стойкость при высоких температурах, в частности, в пределах 200-250°C.

8. Компонент по п.6 или 7, отличающийся тем, что сплав имеет высокую стойкость к усталости и/или ползучести при высоких температурах, в частности, в пределах 400-700°C.

9. Компонент по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что сплав имеет химический состав, состоящий из, мас.%:

C 0,005-0,02

Si 0,05-0,2

Mn 0,1-0,6

Cr 20,0-21,5

Ni 35,0-37,0

Mo 3,5-4,0

Cu 1,2-2,0

Co 0,0-0,2

Al 0,05-0,4

Ti 1,9-2,3

Nb 0,2-0,5

W 0,0-0,6

Fe по меньшей мере 30,

остальное составляют примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,001 мас.% S и 0,0-0,02 мас.% P.

10. Компонент по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что сплав имеет химический состав, состоящий из, мас.%:

C 0,005-0,02

Si 0,06-0,15

Mn 0,2-0,4

Cr 20,2-21,0

Ni 36,0-36,5

Mo 3,6-3,8

Cu 1,3-1,7

Co 0,0-0,1

Al 0,1-0,3

Ti 2,0-2,2

Nb 0,25-0,4

W 0,01-0,4

Fe по меньшей мере 30,

остальное составляют примеси, причем указанные примеси включают 0,0-0,001 мас.% S и 0,0-0,015 мас.% P.

11. Компонент по п.10, отличающийся тем, что сплав имеет химический состав, состоящий из, мас.%:

C 0,015

Si 0,09

Mn 0,3

Cr 20,4

Ni 36,2

Mo 3,7

Cu 1,41

Co 0,03

Al 0,25

Ti 2,04

Nb 0,27

W 0,1

Fe остальное,

причем сплав содержит следующие примеси, мас.%:

P вплоть до 0,013

S вплоть до 0,0002

B вплоть до 0,003

Bi вплоть до 0,3 ppm

Ca вплоть до 50 ppm

Mg вплоть до 30 ppm

Ag вплоть до 5 ppm

Pb вплоть до 5 ppm

N вплоть до 100 ppm

Sn вплоть до 50 ppm

O вплоть до 50 ppm.

12. Турбомашина, содержащая по меньшей мере один компонент по любому из пп.6-11.

13. Турбомашина по п.12, представляющая собой центробежный компрессор или центробежный насос.

14. Турбомашина по п.12, представляющая собой газовую турбину или паровую турбину.