高强度非磁性抗腐蚀材料的热机械加工的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及加工高强度非磁性抗腐蚀合金的方法。本发明方法可在例如而不限于 加工在化学、采矿、油气工业中使用的合金方面得到应用。本发明还涉及通过包括本文讨论 的加工的方法制造的合金。
[0002] 技术背景描述
[0003] 在化学加工设施中使用的金属合金部件可在苛刻条件下与高度腐蚀性和/或侵 蚀性化合物接触。例如，这些条件可使金属合金部件经受高应力并大大促进腐蚀和侵蚀。如 果必需替换化学加工设备的已损坏、磨损或腐蚀的金属部件，则可能需要中止设施操作一 段时间。因此，延长在化学加工设施中使用的金属合金部件的有效使用寿命可降低产品成 本。使用寿命可例如通过改进合金的机械性质和/或抗腐蚀性来延长。
[0004] 类似地，在油气钻井操作中，钻柱组件可能由于机械、化学和/或环境条件而降 解。钻柱组件可能经受撞击、磨蚀、摩擦、热、磨损、侵蚀、腐蚀和/或沉积。常规合金可能遭 受消极地影响它们作为钻柱组件的性能的一种或多种限制。例如，常规材料可能缺乏足够 的机械性质（例如，屈服强度、拉伸强度和/或疲劳强度），具有不足的抗腐蚀性（例如，抗 点蚀性和/或应力腐蚀裂纹），或缺乏在井下环境持续时间操作所必需的非磁性性质。并 且，常规合金的性质可能限制由这些合金制造的钻柱组件的可能大小和形状。这些限制可 缩短组件的使用寿命，使油气钻井复杂化并使其成本增加。
[0005] 已经发现，在中温加工径向锻造一些高强度非磁性材料以产生优选的强度期间， 在工件的横截面中可能有不均匀变形或不均匀量的应变。该不均匀变形可例如表现为在锻 件的表面与中心之间的硬度和/或拉伸性质的差异。例如，在锻件的表面观察到的硬度、屈 服强度和拉伸强度可能比在锻件的中心观察到的硬度、屈服强度和拉伸强度大。认为这些 差异与在径向锻造期间在工件的横截面的不同区域中产生的应变量的差异一致。
[0006] -种促进在锻造棒的横截面中的一致硬度的方法是在直接老化或溶液处理并老 化的条件下使用时效硬化材料，例如镍基超合金Alloy 718 (UNS N07718)。已经包括使用冷 或中温加工以将硬度赋予合金的其它技术。已经使用该特定技术来硬化ATI Datalloy 2?. 合金（UNS 未指定），它是自 Allegheny Technologies Incorporated， Pittsburgh， Pennsylvania USA购得的高强度非磁性奥氏体不锈钢。用以硬化ATI Datalloy 21夂合金 的最终热机械加工步骤包括在1075° F下中温加工该材料到在径向锻件的横截面积减缩 约 30%。利用称为 "P-750 合金"（UNS 未指定）、来源于 Schoeller-Bleckmann Oilfield Technology，Houston，Texas的高级合金钢的另一方法通常公开在美国专利6, 764, 647号 中，其全部公开内容在此通过引用的方式并入本文中。将P-750合金在680-1094° F的温 度下冷加工到横截面积缩减约6-19%，以获得在最终8-英寸坯段的横截面中相对均匀的 硬度。
[0007] 在加工工件的横截面上生成一致硬度的另一方法是增加用以由工件制造棒的冷 或中温加工的量。然而，这在具有等于或大于10英寸的成品直径的棒的情况下变得不切实 际，因为起始尺寸会超过锭料的实际极限，而在这些极限下，可使锭料熔融，而不赋予有问 题的与熔融有关的缺陷。应当注意，如果起始工件的直径足够小，则可消除应变梯度，在成 品棒的横截面上产生一致的机械性质和硬度分布。
[0008] 将期望开发可对于任何起始尺寸的高强度非磁性合金锭料或工件使用的热机械 方法，其在由该方法制造的棒或其它轧制产物的横截面上生成相对一致量的应变。在加工 棒的横截面上生成相对恒定的应变分布还可在棒横截面上产生通常一致的机械性质。
[0009] 概述
[0010] 根据本公开的一个非限制性方面，加工非磁性合金工件的方法包括：将所述工件 加热到在中温加工温度范围内的温度；开式模具压机锻造所述工件以将期望的应变赋予所 述工件的中心区域；和径向锻造所述工件以将期望的应变赋予所述工件的表面区域。在某 些非限制性实施方案中，所述中温加工温度范围为跨越作为所述非磁性合金的初熔温度的 三分之一的温度到作为所述非磁性合金的初熔温度的三分之二的温度的范围。在一个非限 制性实施方案中，该中温加工温度为最多在其下在所述非磁性合金中不发生重结晶（动态 或静态）的最高温度的任何温度。
[0011] 在根据本公开的加工非磁性合金工件的方法的某些非限制性实施方案中，所述方 法的开式模具压机锻造步骤在所述径向锻造步骤之前。在根据本公开的加工非磁性合金工 件的方法的其它非限制性实施方案中，所述径向锻造步骤在所述开式模具压机锻造步骤之 刖。
[0012] 可通过根据本公开的方法的实施方案加工的非磁性合金的非限制性实例包括非 磁性不锈钢、镍合金、钴合金和铁合金。在某些非限制性实施方案中，非磁性奥氏体不锈钢 合金使用根据本公开的方法的实施方案加工。
[0013] 在根据本公开的方法的某些非限制性实施方案中，在开式模具压机锻造和径向锻 造的步骤之后，所述中心区域应变和所述表面区域应变各自在0. 3英寸/英寸至I. 0英寸/ 英寸的最终范围内，其中所述中心区域的应变与所述表面区域的应变的差值不超过0.5英 寸/英寸。在根据本公开的方法的某些非限制性实施方案中，在开式模具压机锻造和径向 锻造的步骤之后，所述中心区域应变和所述表面区域应变各自在0. 3英寸/英寸至0. 8英 寸/英寸的最终范围内。在其它非限制性实施方案中，在开式模具压机锻造和径向锻造的 步骤之后，所述表面区域应变基本上等于所述中心区域应变，并且所述工件在所述工件横 截面上表现出至少一种基本一致的机械性质。
[0014] 根据本公开的另一方面，加工非磁性奥氏体不锈钢合金工件的方法的某些非限制 性实施方案包括：将所述工件加热到在950° F-1150° F范围内的温度；开式模具压机锻 造所述工件以将在〇. 3英寸/英寸至I. 0英寸/英寸范围内的最终应变赋予所述工件的中 心区域；和径向锻造所述工件以将在〇. 3英寸/英寸至I. 0英寸/英寸范围内的最终应变 赋予所述工件的表面区域，其中所述中心区域的应变与所述表面区域的应变的差值不超过 〇. 5英寸/英寸。在某一非限制性实施方案中，所述方法包括：开式模具压机锻造所述工件 以赋予在0. 3英寸/英寸至0. 8英寸/英寸范围内的最终应变。
[0015] 在一个非限制性实施方案中，所述开式模具压机锻造步骤在所述径向锻造步骤之 前。在另一非限制性实施方案中，所述径向锻造步骤在所述开式模具压机锻造步骤之前。
[0016] 根据本公开的另一方面涉及非磁性合金锻件。在根据本公开的某些非限制性实施 方案中，非磁性合金锻件包括具有大于5. 25英寸的直径的圆形横截面，且其中所述非磁性 合金锻件的至少一种机械性质在所述锻件的横截面上基本一致。在某些非限制性实施方案 中，在所述锻件的横截面上基本一致的所述机械性质为硬度、极限拉伸强度、屈服强度、伸 长率和面积缩减率中的至少一种。
[0017] 在某些非限制性实施方案中，根据本公开的非磁性合金锻件包含非磁性不锈钢、 镍合金、钴合金和铁合金中的一种。在某些非限制性实施方案中，根据本公开的非磁性合金 锻件包括非磁性奥氏体不锈钢合金锻件。
[0018] 附图简述
[0019] 参考附图可更好地理解本文所述的设备和方法的特征和优势，其中：
[0020] 图1显示在径向锻造期间非磁性合金工件的工件横截面的应变分布的模拟；
[0021] 图2显示在开式模具压机锻造操作期间非磁性合金的工件的横截面的应变分布 的模拟；
[0022] 图3显示在通过包括中温加工开式模具压机锻造步骤和中温加工径向锻造步骤 的根据本公开的方法的一个非限制性实施方案加工的工件中的应变分布的模拟；
[0023] 图4为说明根据本公开的一个非限制性实施方案加工非磁性合金的方法的方面 的流