[发明专利]镍基铸造合金、铸件以及制造旋转机械的叶轮的方法

说明书

本发明公开了镍基铸造合金、铸件以及制造旋转机械的叶轮的方法。提出了镍基铸造合金，其具有按重量%计的以下组成：19.0‑22.5铬、7.0‑9.5钼、2.75‑4.0铌、1.0‑1.7钛、0.35‑1.0锰、0.2‑1.0硅、0‑0.03碳、0‑0.015磷、0‑0.01硫、0‑ 0.35铝、0‑13.25铁，余量是镍和附带的杂质。此外，提出了由这样的合金制成的铸件，以及通过这样的合金制造旋转机械的叶轮的方法。

技术领域

本发明涉及适于制造铸件的镍基铸造合金，并涉及由这样的合金制成的铸件。此外，本发明涉及通过这样的合金制造旋转机械的叶轮的方法。

背景技术

为了制造旋转机械（如单级或多级离心泵、涡轮机、压缩机、膨胀机等）的叶轮，已知使用铸造或熔模铸造（investment casting）工艺。在这样的工艺中，以熔体形式提供具有所需组成的金属材料，例如合金。将熔体倒入模具（例如砂模、金属模或其组合）中，使模具中的熔体凝固。在模具中的材料凝固后，从模具中取出铸件。在许多情况下，随后对该铸件施以致密化或固结工艺以降低铸件的孔隙率并除去不期望的内腔或内孔。致密化可以通过向铸件施加等静压来实现。通常，致密化发生在几百和有时甚至超过1000℃的升高温度下。金属铸件致密化的已知方法是热等静压（HIP）。在致密化步骤之后，可以施加精整工序，包括例如铣削或切削加工（machining）或研磨或抛光。

适于制造叶轮的金属材料的选择取决于使用该叶轮的应用。例如，在石油和天然气行业，通常要求旋转机械必须能够处理酸性流体。此类环境可包括高浓度的硫化氢、二氧化碳和氯化物，其生成了对叶轮极具侵蚀性的条件。因此，当选择适于制造叶轮的材料时，耐腐蚀性是非常重要的方面。

特别地，叶轮应具有对局部腐蚀（如点蚀或缝隙腐蚀）的高耐受性。材料对局部腐蚀的耐受性经常通过耐点蚀当量数（PREN）来表征。PREN值越高，金属材料越耐腐蚀。具有高耐腐蚀性的公知材料（其常用于铸造叶轮）是双相钢或超级双相钢。这些是具有奥氏体和铁素体的混合微观结构的不锈钢。通常，超级双相钢具有至少40的PREN值，表明其对腐蚀的高耐受性。

当选择叶轮材料时，另一个非常重要的方面是材料的机械性质，如拉伸强度、屈服强度或疲劳强度。通常，通过参数（如0.2%弹性极限应力（proof stress）或极限拉伸强度）来度量这些性质。

双相钢和超级双相钢已经被证明是非常好的用于铸造叶轮（例如泵叶轮）的材料。但是，如今和未来的应用需要甚至更强的泵，即高能量泵，其产生如此巨大的压头（heads）和/或流量以致于所产生的负载超出了由超级双相钢制成的叶轮可以承受的最大应力或强度。例如，期望制造可以生成每级至少800米或甚至更大的压头的泵。双相钢或超级双相钢的机械性质可能不足以在经济合理的使用寿命内处理所产生的巨大负载。

存在具有超过超级双相钢的机械性质的机械性质的本领域中已知的其它材料，例如特超级双相钢（hyper duplex）、钛合金和可以以商品名Rene 41或Inconel 725获得的此类超级合金。但是，这些合金基于钛，含有显著量的钴，或不能通过铸造来加工，或者通过铸造或熔模铸造来加工这些材料是至少极为费力和昂贵的。今天，这些镍或铁基合金通常通过热加工或粉末冶金工艺（例如通过粉末的热等静压）来加工。

发明内容

从这样的现有技术水平出发，本发明的目的因此是提出一种适于通过常规铸造或熔模铸造工艺制造铸件的新的铸造合金。该合金应具有超过超级双相钢的机械性质的机械性质，特别是强度。同时，该合金的耐腐蚀性应当至少与超级双相钢之一大致相同。此外，本发明的目的是提出一种由这样的合金制成的铸件。此外，本发明的目的是提出一种制造旋转机械的叶轮的方法。

满足这些目的的本发明的主题的特征在于各独立权利要求的特征。