马氏体合金组件和形成马氏体合金组件的方法与流程

本发明涉及马氏体合金、包括马氏体合金的物品和形成合金的方法。更具体地，本发明涉及锰-铬马氏体合金和形成锰-铬马氏体合金的方法。

背景技术：

涡轮机暴露于来自热量和旋转力的显著操作应力。随着涡轮机增加其输出，涡轮机转子轴的尺寸和所需性质增加。锻造/硬化钢(例如，nicrmov合金)是转子轴的选择材料，且转子轴通常由钢锻件加工而成。转子轴的材料通常是淬火-回火的高强度低合金钢，其具有临界疲劳性质。目前用于这些转子轴的nicrmov合金采用镍、铬和钼以提供合金的所需淬透性。尽管nicrmov在较小的转子轴中表现良好，但它在较大的转子轴中不提供所需的淬透性和断裂外观转变温度(fatt)。随着更大的燃气涡轮和更大的压缩机转子组件(例如轮和前短轴)的趋势，目前的材料如nicrmov钢不能达到所需的性质，特别是深成冲击韧性性质。这些部件的大横截面使制造商难以满足fatt要求，特别是在淬火和回火热处理过程期间冷却速度最慢的深成位置。

发明简述

在一方面，马氏体合金组件以重量计包括：

0.25%至0.31%c；

2.1%至3.0%mn；

0.22%至0.28%si；

2.0%至2.2%cr；

0.45%至0.55%mo；

0.08%至0.12%v；和

余量的铁和偶带杂质；并且

其中所述组件具有对应于约15英寸至约30英寸或更大的理想直径的淬透性。

在另一方面，涡轮机轴由马氏体合金组成，且所述马氏体合金以重量计包括：

0.25%至0.31%c；

2.1%至3.0%mn；

0.22%至0.28%si；

2.0%至2.2%cr；

0.45%至0.55%mo；

0.08%至0.12%v；和

余量的铁和偶带杂质；并且

其中所述马氏体合金具有对应于约20英寸至约30英寸或更大的理想直径的淬透性。

在又一方面，一种形成锰-铬马氏体合金组件的方法包括锻造合金组件，所述合金组件以重量计包括：

0.25%至0.31%c；

2.1%至3.0%mn；

0.22%至0.28%si；

2.0%至2.2%cr；

0.45%至0.55%mo；

0.08%至0.12%v；

余量的铁和偶带杂质；

使所述锻造的合金奥氏体化；

淬火所述奥氏体化的合金；

回火所述淬火的合金；和

其中所述组件具有对应于20英寸至30英寸或更大的理想直径的淬透性。

在锻造后，所述锰-铬马氏体合金组件被奥氏体化、淬火和回火。回火锻造的合金具有对应于约20英寸至约30英寸或更大的理想直径的淬透性。

结合附图，根据以下对优选实施方案的更详细描述，本发明的其他特点和优点将变得显而易见，附图通过示例的方式说明本发明的原理。

发明详述

提供具有预定性质的示例性锰-铬合金组件和形成具有预定性质的锰-铬合金组件的方法。与不利用本文公开的一个或多个特点的方法和产品相比，本公开的方面减少或消除镍百分比，增加铬百分比，增加锰百分比，降低材料成本，增加马氏体百分比，降低和改善断裂外观转变温度(fatt)，和增加理想直径(di)，或其组合。

在一个方面，本公开包括一种用于由马氏体合金产生涡轮机轴(例如，涡轮转子轴或压缩机转子轴)的方法。该方法也可用于由马氏体合金产生风轮机的主轴，但应当理解，本发明也非常适合于从马氏体合金组合物产生各种组件。其他非限制性实例包括机动组件，例如电动机器轴、轮轴以及在能量、汽车、铁路、建筑、采矿和农业产业中使用的各种其他组件。这些组件在本领域中是公知的且因此不需要进一步描述。

参考图1，轴100表示为具有大致圆柱体的形状，在一端形成可选的凸缘，但是可以理解的是，图1仅仅是示意图且轴100的不同构造也在本发明的范围内。尽管图1中所示的轴100包括多个区段，但轴100也可以由整体件形成。轴100可以是实心的或中空的，或是实心和中空组件的组合。相对于轴100的纵向旋转轴线，轴100具有轴对称几何形状。轴100可以在风轮机或涡轮机中使用，且轴100可以具有完全超过20英寸(约50cm)，且更通常超过24英寸(约60cm)的外径，典型的范围是约25至60英寸(约63至约152cm)，尽管更小和更大的直径也是可预见的。轴100的其他方面，包括其在涡轮机或风轮机中的安装及其操作，在本领域中是另外已知的，且因此这里将不再详细讨论。

根据本公开的马氏体合金包括表1中所示的组成。

表1

由根据本公开的组合物形成的组件包括对应于20英寸(50.8cm)至30英寸(76.2cm)或更大的理想直径(di)的淬透性。在一个实施方案中，组件具有对应于约30英寸(76.2cm)的理想直径的淬透性。在另一个实施方案中，组件具有对应于达到约40英寸(101.6cm)或更大的理想直径的淬透性。如本文所用的，对应于理想直径的淬透性是材料、组件和热处理(例如，在从奥氏体化温度理想淬火之后)在实心圆柱体的中心处形成至少50%马氏体的能力。虽然对应于理想直径的淬透性的上述定义基于实心组件，但本领域普通技术人员将理解几何形状不限于实心圆柱体且可以包括其他几何形状和/或中空组件。例如，中空组件的淬透性对应于材料内的相应中心深度(例如，壁的中心)，其中在热处理之后形成至少50%的马氏体。

与锰(mn)合金化的一个问题是它对降低马氏体开始(ms)和马氏体完成(mf)温度具有强烈影响，如果温度下降太低，这可能引入残余奥氏体到微观结构中的问题。标称nicrmov组成的ms和mf温度预计分别为552℉和165℉。相比之下，表1中给出的标称组成合金的ms和mf温度分别估计为497℉和110℉。因此，表1中的本发明合金在淬火期间在高于室温下转变，这将防止与残余奥氏体或淬火裂纹相关的问题。

与其他合金(例如nicrmov)相比，马氏体微观结构具有增加的材料韧性。增加材料微观结构中马氏体的百分比将降低材料的fatt。在较厚的横截面中增加材料的理想直径增加了马氏体的量，从而降低材料的fatt。在低于fatt的温度下，材料将具有低断裂韧性和低损伤容限。为了形成损伤容限组件，组件的工作温度应高于fatt。

在一个实施方案中，由根据本公开的组合物形成的组件包括在表面处小于-40℉(-40℃)或小于-50℉(-45.6℃)或小于-60℉(-51.1℃)的fatt。另外，组件包括在组件的最大厚度处小于86℉(30℃)或小于80℉(26.7℃)或小于75℉(23.9℃)的fatt。

除了增加理想直径(di)外，降低fatt的材料的性质包括但不限于增加马氏体百分比，减小晶粒度，降低屈服强度，或其组合。在一个实施方案中，材料的所需屈服强度为650mpa或更大，或约650mpa至约1000mpa，且拉伸强度为约800至约1,000mpa。在另一个实施方案中，材料的平均晶粒度在材料加工期间形成，并保持在约62μm或更小或约50μm或更小。通过在微观结构中的调节来调节具有限定的屈服强度范围和晶粒度范围的材料的fatt。在一个实施方案中，通过增加和/或降低合金元素的浓度来调节微观结构。合金元素包括但不限于碳、硅、锰、镍(0%至痕量)、铬、钼、钒、硫(可选)、磷(可选)、铜(可选)，或其组合。痕量定义为0.02%或更少，且在各种金属或钢中有时存在少量痕量的镍。除了调节微观结构外，合金元素浓度的增加和/或减少还调节材料强度、韧性、延展性、晶粒度或其组合。

在一个实施方案中，锰浓度和铬浓度增加。材料的淬透性受材料中存在的每种元素的量的影响。淬透性是材料在从奥氏体化温度淬火期间形成马氏体结构的容易程度。增加锰和铬浓度提高材料的淬透性。增加材料的淬透性增加理想直径，这增加马氏体结构的形成并减小厚横截面中的fatt，从而提供增加的损伤容限。

用于形成组件的示例性方法包括锻造组件。在锻造之后，通过包括但不限于奥氏体化，淬火，回火或其组合的方法对组件进行热处理。奥氏体化是将马氏体合金锻件保持高于临界温度足够的时间段以确保基体完全转变为奥氏体的方法。为了生产具有均匀碳分布的单相基体微观结构(奥氏体)，奥氏体化包括在大于约870℃(1,598℉)的温度下保持锻件一段足以将最厚断面的基体完全转化为奥氏体的时间。从奥氏体化温度淬火形成马氏体微观结构，且可以用本领域已知的任何合适的淬火方法完成。淬火速率必须足够高以减少或消除铁素体/珠光体或贝氏体的形成。提供回火以增加韧性并降低组件的脆性。合适的回火温度包括但不限于约550℃(1,022℉)至约650℃(1,202℉)，约580℃(1,076℉)至约620℃(1,148℉)，或约600℃(1,112℉)，或其任何组合、子组合、范围或子范围。

本公开还包括以下实施方案：

1.一种马氏体合金组件，以重量计包含：

0.25%至0.31%c；

2.1%至3.0%mn；

0.22%至0.28%si；

2.0%至2.2%cr；

0.45%至0.55%mo；

0.08%至0.12%v；和

余量的铁和偶带杂质；并且

其中所述组件具有对应于约15英寸至约30英寸或更大的理想直径的淬透性。

2.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件包含2.2%至3.0%mn。

3.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件包含2.3%至3.0%mn。

4.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件包含2.4%至3.0%mn。

5.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件包含2.5%至3.0%mn。

6.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件包含2.6%至3.0%mn。

7.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件包含2.1%至2.2%cr。

8.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件具有对应于20英寸至30英寸的理想直径的淬透性。

9.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件具有对应于约30英寸的理想直径的淬透性。

10.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件是涡轮机转子轴。

11.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件是涡轮机部件。

12.实施方案1的马氏体合金组件，其中所述组件是风轮机部件。

13.一种包含马氏体合金的涡轮机轴，所述马氏体合金以重量计包括：

0.25%至0.31%c；

2.1%至3.0%mn；

0.22%至0.28%si；

2.0%至2.2%cr；

0.45%至0.55%mo；

0.08%至0.12%v；

余量的铁和偶带杂质；并且

其中所述马氏体合金具有对应于约20英寸至约30英寸或更大的理想直径的淬透性。

14.实施方案13的涡轮机轴，其中所述马氏体合金包括2.2%至3.0%mn。

15.实施方案13的涡轮机轴，其中所述马氏体合金包括2.3%至3.0%mn。

16.实施方案13的涡轮机轴，其中所述马氏体合金包括2.5%至3.0%mn。

17.实施方案13的涡轮机轴，其中所述马氏体合金包括2.6%至3.0%mn。

18.一种形成马氏体合金组件的方法，所述方法包括：

锻造合金，所述合金以重量计包含：

0.25%至0.31%c；

2.1%至3.0%mn；

0.22%至0.28%si；

2.0%至2.2%cr；

0.45%至0.55%mo；

0.08%至0.12%v；

余量的铁和偶带杂质；

使所述锻造的合金奥氏体化；

淬火所述奥氏体化的合金；

回火所述淬火的合金；和

其中所述组件具有对应于20英寸至30英寸或更大的理想直径的淬透性。

19.实施方案18的方法，其中所述组件具有大于20英寸的厚度。

20.实施方案18的方法，其中所述组件是涡轮机轴或风轮机轴。

实施例

比较实施例1

比较实施例1：nicrmov钢(一种已知用于涡轮机轴制造的材料)的已知组成在下面显示：

比较实施例1的标称组成对应于对应于14英寸的理想直径的淬透性，552℉的估计的马氏体开始(ms)温度和165℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例1

实施例1：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例1所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例1的标称组成具有对应于30英寸的理想直径的估计的淬透性，497℉的估计的马氏体开始(ms)温度和110℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例2

实施例2：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例2所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例2的标称组成具有对应于24.7英寸的理想直径的估计的淬透性，521℉的估计的马氏体开始(ms)温度和134℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例3

实施例3：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例3所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例3的标称组成具有对应于25.8英寸的理想直径的估计的淬透性，515℉的估计的马氏体开始(ms)温度和128℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例4

实施例4：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例4所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例4的标称组成具有对应于26.9英寸的理想直径的估计的淬透性，509℉的估计的马氏体开始(ms)温度和122℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例5

实施例5：具有以下组成的马氏体合金组合物：

实施例5所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例5的标称组成具有对应于28英寸的理想直径的估计的淬透性，503℉的估计的马氏体开始(ms)温度和116℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例6

实施例6：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例6所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例6的标称组成具有对应于30.2英寸的理想直径的估计的淬透性，491℉的估计的马氏体开始(ms)温度和104℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例7

实施例7：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例7所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例7的标称组成具有对应于31.3英寸的理想直径的估计的淬透性，485℉的估计的马氏体开始(ms)温度和98℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例8

实施例8：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例8所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例8的标称组成具有对应于32.3英寸的理想直径的估计的淬透性，479℉的估计的马氏体开始(ms)温度和92℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例9

实施例9：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例9所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例9的标称组成具有对应于33.4英寸的理想直径的估计的淬透性，473℉的估计的马氏体开始(ms)温度和86℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

实施例10

实施例10：具有以下组成的马氏体合金组合物：

如实施例10所示的组件由根据本公开的示例性组合物形成。实施例10的标称组成具有对应于34.5英寸的理想直径的估计的淬透性，467℉的估计的马氏体开始(ms)温度和80℉的估计的马氏体完成(mf)温度。

本文所述的锰-铬马氏体合金的技术优点在于，通过利用锰和铬的强效淬透性作用，新材料将能够比nicrmov(或类似合金)在深成的位置中更容易地形成所需的马氏体微观结构。当与mn和cr二者相比时，镍具有对淬透性几乎可忽略不计的影响。这种差异可以通过比较三种元素的1.0%添加的理想直径倍加系数来说明。对于ni的1.0%添加，倍加系数是1.363，对于mn，它是4.333，且对于cr，它是3.160。这些数字清楚地表明mn和cr二者对淬透性的影响比ni大得多，其中mn具有最强的影响。本文所述的锰-铬马氏体合金的另一技术优点是淬透性大大增加，而不会引起与残余奥氏体和淬火破裂(如通过马氏体开始(ms)和马氏体完成(mf)温度指示的)有关的问题。锰-铬马氏体合金的ms和mf温度估计为497°f和110°f。因此，新合金将在高于室温的热处理期间转变，这将防止和/或减少与残余奥氏体或淬火破裂相关的问题。锰-铬马氏体合金的商业优势在于它比nicrmov便宜，因为它将利用低成本的mn和cr作为主要合金元素而不是更昂贵的ni，且这将推动能量设备和因此能量产生的净成本下降。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这些其他实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构要素，则这些其他实例意图在权利要求的范围内。