KR20170030567A - 내부식성 물체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

물체 및 물체를 형성하는 방법이 개시된다. 물체는, 나노구조 페라이트 합금을 포함하는 표면을 구비한다. 표면은, 철 함유 합금 모재 내에 배치되는 이트륨 및 티타늄의 복합 산화물들을 포함하는, 복수의 나노특징부를 포함한다. 표면에서의 철 함유 합금 모재는, 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 크롬, 및 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 몰리브덴을 포함한다. 더불어, 표면에서의 나노구조 페라이트 합금 내의 카이 상 또는 시그마 상의 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만이다. 방법은 일반적으로, 분쇄 단계, 열적-기계적 고화 단계, 어닐링 단계, 및 이후의 표면에서의 나노구조 페라이트 합금 내의 카이 상 및 시그마 상의 형성을 방해하는 속도로 냉각하는 단계를 포함한다.

Description

내부식성 물체 및 그 제조 방법{CORROSION RESISTANT ARTICLE AND METHODS OF MAKING}
본 발명은 개괄적으로, 나노구조 페라이트 합금들 및 그러한 합금들로 이루어지는 물체들에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은, 우수한 내부식성을 갖는 나노구조 페라이트 합금 표면을 구비하는 물체, 및 물체를 형성하는 방법에 관한 것이다.
재료 선택은, 오일 및 가스 추출 설비와 통상적으로 연관되는 사워(sour) 환경 및 산성 환경에서 사용되는 장비 구성요소들에서, 특히 중요하다. 사워 가스정들(Sour gas wells)은, 이산화탄소, 염화물, 황화수소, 및 유리 황(free sulfur)을 함유할 수 있으며, 그리고 최대 400℃에서 작동할 수 있을 것이다. 이러한 유형의 부식성 환경은, 구성요소들이 그들의 수명에 걸쳐 그들의 구조적 무결성을 유지하는 것을 가능하게 하도록, 주의 깊게 설계된 합금들을 요구한다.
통상적인 내부식성 강들은, 페라이트 강, 오스테나이트 강, 및 페라이트/오스테나이트 혼립 강(duplex steel)을 포함한다. 일반적으로, 페라이트 강들은, 염화물 함유 환경에서 개선된 응력 부식 균열 저항성을 갖지만, 강도가 비교적 낮다. 오스테나이트 강 및 혼립 강은, 중저 강도에서, 우수한 내부식성을 갖지만, 열악한 응력 부식 균열 저항성을 갖는다.
니켈계 초합금들은, 높은 강도, 내부식성, 및 응력 부식 균열 저항성을 갖는다. 니켈계 초합금들은 일반적으로, 니켈(Ni) 뿐만 아니라, 철(Fe), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 및 구리(Cu)와 같은 다른 원소들을 포함한다. 니켈은, 철이 일반적으로, 적절한 경우, 니켈의 사용을 감소시키기 위해 부가되는 가운데, 수용성 염화물 응력 부식 균열에 대한 저항성을 제공하며 그리고 알칼리에 대한 저항성을 제공한다. 몰리브덴 및 텅스텐은, 피팅 부식 저항성(pitting corrosion resistance)을 위해 유익하며, 그리고 감소된 산(acid)에서 일반적인 내부식성을 제공한다. 크롬은, 산화 산성 매체에서 일반적인 내부식성을 개선한다. 구리는, 비-산화 부식 환경에서 일반적인 내부식성을 위해 유익한 것으로 확인된다. Ni-Fe-Cr-Mo-Cu의 상대 농도는, 구성요소의 합금 처리 및 서비스 이력과 함께, 부분적으로, 오일 및 가스 적용들에서 전체 내부식성을 결정한다. 더 높은 니켈 함량은 원재료의 비용을 증가시키기 때문에, 전형적인 초합금들보다 더 낮은 니켈 함량을 갖지만, 통상적인 강들보다 탁월한 사워 및 산성 환경에서의 기계적 강도 및 내부식성을 구비하는, 합금들에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일실시예는 물체에 관련된다. 물체는 표면을 구비하며, 그리고 이러한 표면은 나노구조 페라이트 합금을 포함한다. 합금은, 철 함유 합금 모재(iron-bearing alloy matrix) 내에 배치되는 복수의 나노특징부를 포함하며; 이러한 복수의 나노특징부는, 이트륨, 티타늄, 및 선택적으로 다른 원소들을 포함하는, 복합 산화물 입자들을 포함한다. 표면에 배치되는 철 함유 합금 모재는, 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 크롬, 및 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 몰리브덴을 포함한다. 더불어, 표면에 배치되는 나노구조 페라이트 합금 내의 카이 상(chi phase) 또는 시그마 상(sigma phase)의 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만이다.
본 발명의 다른 실시예가 방법에 관련된다. 방법은 일반적으로, 분쇄 단계, 열적-기계적 고화 단계, 어닐링 단계, 및 냉각 단계를 포함한다. 분쇄 단계에서, 철 함유 합금 분말이, 이트륨 산화물의 존재 상태에서, 산화물이 실질적으로 합금 내로 용해될 때까지, 분쇄된다. 분쇄된 분말은, 고화된 구성요소를 형성하기 위해, 흔히 불활성 환경 하에서, 고화되며, 고화된 구성요소는 이어서, 물체를 위한 앞서 언급된 특성들을 구비하는 처리된 구성요소를 형성하기 위해, 카이 상 및 시그마 상의 솔버스 온도(solvus temperature) 위에서 어닐링되며 그리고, 카이 상 및 시그마 상의 형성을 방지하는 속도로 냉각된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 물체의 개략적 단면도이고;
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른, 단조된 NFA(as-forged NFA)의, 2개의 기준 강들 및 니켈계 합금 718과의, 실온 인장 특성들의 비교도이며; 그리고
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른, 단조되고 열처리된 NFA의, 2개의 기준 강들 및 니켈계 합금 718과의, NACE TM0177 용액 A(탈기된, 5% NaCl 및 0.5% CH3COOH) 내에서의, 부식 특성들의 비교도이다.
여기에서 설명되는 본 발명의 실시예들은, 당해 기술분야의 알려진 단점들을 해소한다. 본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시예들이 이하에 설명될 것이다. 이러한 실시예들에 대한 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 구현의 모든 특징들이 명세서에서 설명되지 않을 수 있을 것이다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같은, 임의의 그러한 실제 구현의 전개에서, 구현마다 변화할 수 있는, 시스템 관련 및 영업 관련 제약들에 대한 순응과 같은, 수많은 구현 특정 결정들이, 개발자들의 특정 목표들을 달성하기 위해 이루어져야만 한다는 것이 인식되어야 한다. 더불어, 그러한 개발 노력이, 복잡하고 시간을 소모할 수 있지만, 그럼에도 본 개시의 이익을 갖는 당업자들의 설계, 제작 및 제조에 대한 일상적 업무라는 것이, 인식되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 소개할 때, 부정관사 및 정관사는, 하나 이상의 요소가 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다. 용어들 "포함하는", "구비하는", "수반하는", 및 "갖는"(그리고 그들의 연관된 시제 형태들)은, 포괄적이도록 그리고, 열거된 요소들과 상이한 다른 요소들이 존재할 수 있다는 것을 의미하도록, 의도된다. 여기에 개시되는 모든 범위는, 종료점들을 포함하며, 그리고 종료점들은 서로 병합 가능하다.
여기에서 명세서 및 청구항들 전체에 걸쳐 사용되는, 근사 언어는, 그에 관련될 수 있는 기본적인 기능의 변경을 초래함 없이 변화가 허용될 수 있는, 임의의 양적인 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있을 것이다. 따라서, "약"과 같은 용어에 의해 수정되는 값이, 구체화되는 정확한 값으로 국한되지 않는다. 일부의 경우에, 근사 언어는, 값을 측정하기 위한 도구의 정밀도에 대응할 수 있을 것이다.
일반적으로, 본 발명의 실시예들은, 사워 환경 및 산성 환경에서 통상적인 강들보다 탁월한 기계적 강도 및 내부식성을 갖는, Fe-Cr-Mo-계 나노구조 페라이트 합금(nanostructured ferritic alloy: NFA)들에 관련된다. 이러한 재료는, 더 높은 작동 응력 레벨들 및 더 가혹한 환경들에서, 통상적인 강들에 대해 전형적으로 관찰되는 것보다, 더 양호한 수명을 가능하게 하는, 400℃ 아래의 온도의 사워 환경 및 산성 환경에서 사용되는 구조적 구성요소들을 위한 잠재적 용도를 갖는다.
NFA는, 기계적 합금화에 의해 제작되는 산화물 분산 강화 합금들의 새로운 종류이다. 적절한 분쇄 및 후속 처리가, 미세 입자들의 독특한 미세구조물 그리고, 조밀하게 분포된 입자간 및 입자내 나노특징부들을 생성하고; 이러한 미세구조물은, NFA의 높은 강도 및 우수한 연성을 위해 큰 부분을 담당한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예가 물체(100)에 관련된다. 물체(100)는, 내부식성 나노구조 페라이트 합금을 포함하는, 표면(110)을 포함한다. 합금은, 이트륨, 티타늄 및, 철 함유 합금 모재 내에 배치되는, 있을 수 있는 다른 원소들을 포함하는 복합 산화물 입자들을 포함하는, 복수의 나노특징부를 포함한다. 표면(110)에서, 철 함유 합금 모재는, 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 크롬, 및 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 몰리브덴을 포함한다. 더불어, 표면(110)에서의 카이 상 또는 시그마 상의 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만이다.
많은 환경들에서 나노구조 페라이트 합금의 내부식성은 일반적으로, 합금의 모재 내부에 용해된 몰리브덴 및 크롬의 농도에 비례한다. 그러나, 이러한 원소들이 철 함유 합금들 내에서 증가하게 됨에 따라, 합금 화학의 열역학은, 몰리브덴 및/또는 크롬이 풍부한 이상에 언급된 카이 상 및 시그마 상과 같은 금속간 상들(intermetallic phases)의 형성을, 점증적으로 촉진한다. 이러한 상들이 형성됨에 따라, 이러한 상들이 모재로부터 몰리브덴 및 크롬을 제거하여, 이러한 요구되는 원소들을 금속간 화합물들 내로 격리하도록 그리고 원소들이 용액 내에 남아 있는 경우에 존재하는 것보다 실질적으로 덜 내부식성인 열화된 모재를 이후에 남기도록 한다. 따라서, 본 발명의 물체(100)는, 설명된 나노구조 페라이트 합금으로 이루어지는 표면(110)을 제공하도록 처리되며, 그리고 여전히, 적어도 표면(110)에, 흔히 열역학적 평형을 위해 예상되는 용해도 한계를 초과하는 수준의, 모재 내부에 용해되는 높은 수준의 몰리브덴 및 크롬을 유지한다.
물체(100)의 표면(110)은, 대기 환경(120)에 근접하게 배치되는 또는 대기 환경과 실제로 접촉 상태에 놓이는, 표면이다. 부식이 전형적으로 표면 구동 현상임에 따라, 이러한 표면(110)의 특성이 물체(100)의 내부식성을 결정하는데 종종 매우 중요하다. 본 발명의 실시예에서, 비록 조성이 단지 물체의 바로 그 표면(110)에만 국한될 필요는 없다는 것이 인식되어야 하지만, 적어도 이러한 표면(110)은 상기한 조성을 구비하고; 물체(100)의 실질적으로 전부를 포함하는, 물체(100)의 임의의 체적 분율은, 나노구조 페라이트 합금을 포함할 수 있으며; 그리고 물체(100) 내에 존재하는 합금의 실질적으로 전부를 포함하는, 나노구조 페라이트 합금의 임의의 체적 분율은, 여기에서 설명되는 조성 및 다른 특성들을 포함할 수 있을 것이다. 더불어, 표면(110)은, 물체(100)의 가장 바깥쪽 표면(130)(즉, 대기 환경(120)과 접촉하는 표면)일 필요는 없고; 선택적으로, 예를 들어, 페인트 층, 전환 코팅(conversion coating), 열 장벽 코팅, 또는 다른 층 또는 층들의 조합과 같은, 하나 이상의 외부 층(140)이, 표면(110) 위에 배치될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이, NFA 조성은, 철 함유 합금 모재 내에 배치되는 복수의 나노특징부를 포함한다. 여기에 개시되는 NFA는 전형적으로, "알파 철" 또는 단순히 "알파"로서 당해 기술분야에 공지되는, 페라이트 체심 입방(body-centered cubic: BCC) 상의 형태인, 합금 모재를 포함한다. NFA 조성은 일반적으로, 적어도 약 30 중량 퍼센트의 철을, 특성들의 요구되는 균형을 달성하기 위해 필요하게 되는, 흔히 합금화 정도(degree of alloying)에 의존하는 특정 양(말하자면, 철에 부가되는 다른 원소들의 양)과 함께, 포함하고; 일부 실시예에서, 조성은, 적어도 약 50 중량 퍼센트의 철, 및 특성 실시예에서 적어도 약 70 중량 퍼센트의 철을 포함한다. 철 함유 합금 모재는, 모재 내에 배치되는 나노특징부들에 의해 강화된다. 여기에서 사용되는 바와 같은, 용어 "나노특징부"는, 크기가 대략 50 나노미터 미만인 가장 긴 치수를 갖는, 미립자 상과 같은, 특징부를 의미한다. 나노특징부들은, 예를 들어, 구형, 입방형, 렌즈형 및 다른 형상들을 포함하는, 임의의 형상을 구비할 수 있을 것이다. 나노구조 페라이트 합금의 기계적 특성들은, 예를 들어, 모재 내의 나노특징부들의 밀도(개수 밀도, 말하자면, 단위 체적 당 입자 수를 의미함); 나노특징부들의 크기 및 분포 그리고 처리 조건에 의해 결정되는 입자 크기; 나노특징부들의 조성; 및 물체를 형성하기 위해 사용되는 처리 방법을 제어함에 의해 제어될 수 있을 것이다.
전형적으로, 나노특징부들의 개수 밀도가 증가함에 따라, 강도가 증가하고 연성이 감소하며, 그리고 그에 따라, 요구되는 레벨의 선택은, 부분적으로, 임의의 주어진 적용을 위한 이러한 특성들 사이의 교환(tradeoff)에 의해 결정될 것이다. 일 실시예에서, 나노특징부들은, 나노구조 페라이트 합금의 입방 미터 당 적어도 대략 1018 개의 나노특징부의 개수 밀도를 갖는다. 다른 실시예에서, 나노특징부들은, 나노구조 페라이트 합금의 입방 미터 당 적어도 대략 1020 개의 개수 밀도를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 나노특징부들은, 나노구조 페라이트 합금의 입방 미터 당 대략 1021 내지 1024 개의 범위 이내의 개수 밀도를 갖는다.
나노특징부들의 우수한 분산을 유지하는 것은, 나노특징부들이 전위 운동(dislocation motion)을 방해하도록 작용할 수 있는데 유리하다. 일 실시예에서, 나노특징부들은, 대략 1 나노미터 내지 대략 50 나노미터 범위의 평균 크기를 갖는다. 다른 실시예에서, 나노특징부들은, 대략 1 나노미터 내지 대략 25 나노미터 범위의 평균 크기를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 나노특징부들은, 대략 1 나노미터 내지 대략 10 나노미터 범위의 평균 크기를 갖는다.
여기에 설명되는 나노구조 페라이트 합금 내에 존재하는 나노특징부들은, 산화물들을 포함한다. 산화물들의 조성은, 부분적으로, 합금 모재의 조성, 재료를 처리하는데 사용되는 원재료의 조성, 및 이하에 더욱 상세하게 논의될, NFA를 준비하기 위해 사용되는 처리 방법에 의존할 것이다. 여기에 설명되는 실시예에서, 복수의 나노특징부는, 복수의 복합 산화물 입자를 포함한다. 여기에서 사용되는 바와 같은 "복합 산화물"은, 하나 초과의 비-산소 원소를 포함하는 산화물 상이다. 본 발명의 실시예에서, 복합 산화물 입자들은, 이트륨 및 티타늄을 포함하며, 그리고 특정 실시예에서 하나 이상의 부가적인 원소가 또한 존재할 수 있을 것이다. 그러한 원소들의 예들이, 이에 국한되는 것은 아니지만, 알루미늄, 지르코늄, 및 하프늄, 뿐만 아니라 예를 들어, 철, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 실리콘, 니오븀, 니켈, 탄탈룸과 같은, 모재 내에 존재할 수 있는 다른 원소들을 포함한다.
일 실시예에서, NFA의 합금 모재는, 티타늄 및, 적어도 대략 35 중량 퍼센트의 철을 포함한다. 일부 실시예에서, 티타늄은, 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 2 중량 퍼센트의 범위로 존재한다. 특정 실시예에서, 합금 모재는, 약 0.1 중량 퍼센트의 티타늄 내지 약 1 중량 퍼센트의 티타늄을 포함한다. 모재 내의 티타늄의 존재에 부가하여, 티타늄은, 이상에 설명된 바와 같은, 산화물 나노특징부들의 형성에 역할을 한다. 일 실시예에서, 나노페라이트 합금 내의 티타늄의 농도는, 약 0.15 wt% 내지 약 2 wt%의 범위 이내이다.
NFA의 복수의 나노특징부는, 이상에 설명된 특정 복합 산화물들과 다른, 단순 또는 복합 산화물들을 더 포함할 수 있을 것이다. 여기에서 사용되는 "단순 산화물"은, 예를 들어, 이트륨 또는 티타늄과 같은, 하나의 비-산소 원소를 갖는 산화물 상이다.
일 실시예에서, 물체(100)의 표면(110)은, 페라이트 모재 내의 크롬 및 몰리브덴의 높은 농도의 결과인, 두드러진 내부식성을 갖는다. 예를 들어, 몰리브덴 및/또는 크롬의 퍼센트는, 가장 통상적인 페라이트 강들 내에서 확인되는 수준을 초과할 수 있으며, 그리고 실제로, 합금을 열역학적으로 준안정 상태로 만드는, 모재 내의 평형 용해도를 초과할 수 있을 것이다. 다른 한편, 열역학적 평형을 달성하는 것에 대한 동특성, 특히 카이 상 및 시그마 상과 같은 몰리브덴 및 크롬 풍부 2차적 상들의 석출 동특성(precipitation kinetics)은, 비교적 낮은 온도(400℃ 미만)에서 극도로 느려질 것으로 예상되며, 따라서 상당한 몰리브덴이, 물체의 수명 도중에 개선된 내부식성을 제공하기 위해, 과포화된 모재 내에 잔류할 것이다.
이상의 설명과 일치하여, NFA 모재 내부에 용해된 크롬 및 몰리브덴 양자 모두의 비교적 높은 수준들이, 바람직하다. 예를 들어, 철 함유 합금 모재는, 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 크롬을 포함한다. 일 실시예에서, NFA의 철 함유 합금 모재 내의 크롬의 농도는, 약 10 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위 이내이다. 또 다른 실시예에서, NFA의 철 함유 합금 모재 내의 크롬의 농도는, 약 15 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 범위 이내이다.
유사한 맥락에서, 철 함유 합금 모재는, 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 몰리브덴을 포함한다. 일 실시예에서, NFA의 철 함유 합금 모재 내의 몰리브덴의 농도는, 약 3 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 범위 이내이다. 다른 실시예에서, NFA의 철 함유 합금 모재 내의 몰리브덴의 농도는, 약 5 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 범위 이내이다. 또 다른 실시예에서, NFA의 철 함유 합금 모재 내의 몰리브덴의 농도는, 약 6 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 범위 이내에서 변화한다.
이상의 조성적 제약들 및 NFA에 대해 여기에서 제공되는 실제의 임의의 조성적 대안들은 일반적으로, 표면(110)에 존재하는 NFA의 부분에 대해 유지되며, 그리고 특정 실시예에서, 물체(100) 내에 존재하는 실질적으로 모든 NFA가 특정 조성을 갖는 실시예들을 포함하는, 물체(100) 내에 존재하는 NFA의 임의의 체적 분율에 대해 유지된다.
일 실시예에서, 철 함유 합금 모재는, 예를 들어, 텅스텐, 실리콘, 망간, 또는 코발트와 같은, 하나 이상의 부가적인 부차적 원소를 더 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, NFA 모재는, 3.5 wt% 미만의 텅스텐, 0.5 wt% 미만의 실리콘, 0.5 wt% 미만의 망간, 0.005 wt% 미만의 인, 0.005 wt% 미만의 황, 0.08 wt% 미만의 구리, 및/또는 0.1 wt% 미만의 코발트를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에서, NFA 내의 석출된 크롬 함유 및/또는 몰리브덴 함유 2차 상들의 농도가, 낮도록 처리된다. 일반적으로, 국부 평형 용해도 레벨들을 초과하면, 크롬 또는 몰리브덴은, 페라이트 모재 내에서 카이 상 또는 시그마 상으로서 석출된다. 카이 상 및 시그마 상은, 크롬, 몰리브덴, 및 철 내에 풍부한 금속간 상들이다. 이들은, 철 야금학의 기술분야에 잘 알려져 있으며, 그리고 일반적으로, 약 500℃로부터, 기술분야에 잘 알려진 바와 같이 몰리브덴 및 크롬 함량의 함수로서 변화하는, 그들의 솔버스 온도까지의 범위의 온도에서의 열처리 또는 열적-기계적 처리의 결과로서, 고 크롬 및 고 몰리브덴 강들에서 확인된다. 카이 상은 일반적으로 체심 입방 결정 구조를 구비하며 그리고 시그마 상은 정방정 구조를 구비한다. 카이 상은 더 낮은 크롬 및 몰리브덴 조성에서 형성되는 가운데, 시그마 상은 더 높은 크롬 및 몰리브덴 조성에서 형성된다.
일 실시예에서, 개시된 물체(100)의 표면(110)에서의 나노구조 페라이트 합금 내의 카이 상 또는 시그마 상의 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만이다. 다른 실시예에서, NFA 내의 카이 상 및 시그마 상의 총 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만이다. 특정 실시예에서, 표면(110)은, 카이 상 및 시그마 상 양자 모두를 실질적으로 구비하지 않는다.
전형적으로, 여기에서 사용되는 나노특징부들은, 전형적으로 복합 산화물의 나노미터 크기의 무리들의 고화 단계 도중에, 석출 및 초기에 부가된 산화물의 용해에 의해, NFA 내의 제자리에 형성된다. 이러한 복합 산화물 입자들은, 입자 구조물을 고정하는 역할을 할 수 있으며, 따라서 향상된 기계적 특성들을 제공하도록 한다. NFA 모재의 바람직한 입자 크기 분포가, 합금의 준비 도중에 처리 파라미터들을 제어함에 의해 달성될 수 있을 것이다.
본 발명의 특정 실시예에서, 물체의 표면의 바람직한 강도, 연성, 및 내부식성이, NFA의 조성 및 처리에 대한 주의 깊은 제어에 의해 달성된다. 우수한 내부식성을 달성하기 위해, 크롬 및 몰리브덴은, 적절한 분쇄 조건들(속도, 시간, 분쇄 운동 에너지) 그리고, 크롬-풍부 또는 몰리브덴-풍부 2차 상들의 석출을 억제하기에 충분할 정도로 빠른 속도로 냉각하는 것이 뒤따르게 되는, (시그마 상 및 카이 상과 같은 크롬-풍부 및 몰리브덴-풍부 상들의 솔버스 온도보다 더 높은) 충분히 높은 온도에서의 단조 후 어닐링을 사용함에 의해, 페라이트 모재 내에 고용체 원소로서 유지된다.
따라서, 일 실시예에서, 이상에 제시된 다양한 실시예들에서 설명된 특정 특징들을 갖는 NFA를 포함하는 표면(110)을 구비하는 물체(100)와 같은, 물체의 준비를 위한 방법이 제공된다. 방법은 일반적으로, 분쇄 단계, 고화 단계, 어닐링 단계 및, 시그마 상 및 카이 상의 석출을 억제하기에 충분할 정도로 빠른 속도의 냉각 단계를 포함한다.
철 함유 합금 분말의 공급 원료가, 전형적으로 입자 형태인, 이트륨 산화물의 존재 상태에서, 산화물이 실질적으로 합금 내로 용해될 때까지, 분쇄된다. 일 실시예에서, 철 함유 합금 분말은, 이트륨 산화물의 존재 상태에서, 실질적으로 모든 이트륨 산화물이 합금 내로 용해될 때까지, 분쇄된다. 철 함유 합금 분말의 공급 원료는 또한, 티타늄, 크롬, 및 몰리브덴 뿐만 아니라, 물체(100)의 합금 내에서 잠재적으로 유용한 것과 같은 이상에 설명된 임의의 다른 부가적 원소들을 함유할 수 있을 것이다. 공급 원료는, 당해 기술분야에 공지된 관례에 따라, 분쇄 도중에 요구되는 수준의 이트륨 용해를 달성하기 위해, 높은 속도 및 에너지를 동반하는 가운데 분쇄되어야만 할 것이다. 분쇄 에너지 및 최종 분쇄된 재료들에 영향을 미칠 수 있는 상이한 인자들이, 강도, 경도, 크기, 속도, 및 공급 원료 물질에 대한 분쇄 매체의 비율, 그리고 분쇄의 전체 시간 및 온도를 포함한다.
분쇄 분위기는 변할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 분쇄는, 예를 들어, 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 기체 환경에서 수행된다. 일 실시예에서, 공급 재료의 분쇄 환경은, 탄화질화물 상들의 포함이, 형성되는 구성요소의 연성을 감소시킬 수 있음에 따라, 의도적으로 부가된 탄소 및 질소를 구비하지 않는다. 일 실시예에서, 공급 재료는, 대략적 진공 하에서 분쇄된다. 여기에서 사용되는 바와 같은 "대략적 진공"은, 용기의 처리 체적 내의, 대기압보다 낮은 주변 압력을 지시한다. 일 실시예에서, 처리 체적 내의 분쇄 용기 내부의 압력은, 약 10-4 기압 미만이다.
고 에너지 분쇄 이후의 공급 재료는, 고화된 구성요소를 형성하기 위해, 고온 등압 압착, 압출, 단조, 또는 이러한 공정들의 조합과 같은, 열적-기계적 고화 단계에 종속된다. 예를 들어, 분말 공급 재료는, 우선 분말을 고온 등압 압착에, 뒤이어 단조 또는 압출에 종속시킴에 의해 열적-기계적으로 고화될 수 있을 것이다. 다른 예에서, 분말 공급 재료는, 기계적으로 압축될 수 있으며, 그리고 이어서 압축된 공급 재료는 압출될 수 있을 것이다. 이러한 열적-기계적 고화 단계는, 이상에 설명된 바와 같이, 합금 모재 내부에서 요구되는 복합 산화물 나노특징부들의 석출을 허용하기 위해, 충분한 시간 동안, 그리고 충분히 높은 온도에서, 실행된다. 이러한 단계를 위해 선택되는 시간 및 온도는, 나노특징부들의 요구되는 크기 및 밀도에 기초하여 쉽게 설계될 수 있으며, 그리고 일반적으로 순수하게 기계적 합금 공정들에 의해 달성되는 것보다 훨씬 더 우수한 분산을 제공하도록 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 고화 단계는, 약 800℃ 초과의 온도에서 실행된다. 이러한 고화는, 합금 내로의 과도한 양의 산소의 편입을 방지하기 위해, 불활성 환경 또는 대략적 진공 상태에서 일어날 수 있을 것이다.
고화된 구성요소는, 합금 내에 존재하는 카이 상 및 시그마 상의 솔버스 온도보다 높은 온도에서 어닐링되며, 그리고 이러한 상들을 분해하기에 충분한 시간 동안 어닐링 온도에서 유지된다. 이러한 상들의 솔버스 온도들은, 부분적으로, 존재하는 원소들의 상대적인 양들에 의존하며, 그리고 임의의 특정 경우에 당업자에게 잘 알려진 기술을 사용하여 쉽게 결정될 수 있다. 예를 들어, 크롬-철-몰리브덴 계의 공개된 상 다이어그램은, 시그마 상 및/또는 카이 상에 대한 솔버스 온도가, 적은 양의 크롬 및 몰리브덴을 갖는 합금에 대한, 약 600℃ 내지, 더욱 높게 합금된 재료에 대한, 약 1100 ℃의 범위일 수 있다는 것을 보여준다. 어닐링된 구성요소는 이어서, 물체(100)에 대한 앞서 언급된 특성들을 갖는 처리된 구성요소를 형성하기 위해 냉각된다. 구체적으로, 냉각은, 처리된 구성요소의, 표면(110)과 같은, 적어도 표면에서 카이 상 및 시그마 상의 형성을 제한하기에 또는 방지하기에 충분할 정도로 빠른 속도로 실행되고; 낮은 냉각 속도는 합금이 열역학적 평형에 도달하는데 더 많은 시간을 제공하며, 그에 따라 냉각 도중에 카이 상 또는 시그마 상의 석출을 야기할 수 있고, 그로 인해 재료의 내부식성을 감소시킨다. 여기서, 냉각 속도는, 액 5 체적 퍼센트 미만의 표면(110)에서의 카이 상 또는 시그마 상의 농도를 야기하는 경우, 충분히 빠른 것으로 간주된다. 카이 상 및 시그마 상의 형성을 충분히 억제하는 구성요소의 냉각 속도가, 임의의 특정한 경우에 당업자에게 잘 알려진 기술을 사용하여 쉽게 결정될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 어닐링된 구성요소는 어닐링 온도로부터 물 담금질된다. 앞서 언급된 바와 같이, 어닐링 및 담금질 단계로부터 야기되는 평형 상태에 비해 감소된 카이 상 및 시그마 상 석출의 구역은, 단지 표면(110)보다 합금 내로 더 연장될 수 있으며 그리고, 부분적으로 담금질을 달성하기 위해 사용되는 방법, 담금질되는 합금 섹션의 크기, 및 다른 인자들에 의존하여, 전체 합금까지 그리고 실질적으로 전체 합금을 포함하는, 합금의 임의의 체적 분율을 포함할 수 있을 것이다.
처리된 구성요소는 그 자체로, 표면(110)이 적어도 부분적으로 빠른 냉각 단계로 인한 감소된 농도의 시그마 상 및/또는 카이 상을 갖는 이상에 언급된 표면이도록 지향되는, 물체(100)로서 사용될 수 있으며, 또는 처리된 구성요소는, 물체(100)를 형성하기 위한 추가적인 제작 및/또는 조립 기법들에서 사용될 수 있을 것이다.
여기에서의 물체 표면의 형성을 위한 공급 재료로서 사용되는 철 함유 합금 분말은, 상이한 경로들을 사용하여 준비될 수 있을 것이다. 예를 들어, 철 함유 합금이, 형성되고, 진공 유도 용융에 의해서와 같이 용융되며, 그리고 이어서, 불활성 가스 내에서의 미립자화에 의해서와 같이 분말로 제작된다.
예
뒤따르는 예는, 특정 실시예들에 따른, 방법, 재료들 및 결과들을 예시하며, 그리고 그에 따라, 청구항들에 제한들을 부과하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 모든 구성요소들은, 통상적인 화학적 공급자들로부터 상업적으로 입수 가능하다.
하나의 예시적 준비 방법에서, 요구되는 NFA들의 공칭 조성들에 맞추기 위한 필요에 따라, 원소적 금속 분말들(Cr, Mo, W, Ti)이 첨가된 사전 합금된 강(Fe-Cr) 분말들이, 출발 재료들로서 취해졌으며 그리고 Y2O3 분말과 혼합되었다. 본 예에서 사용되는 3개의 요구되는 NFA(NFA1, NFA2, 및 NFA3)의 공칭 조성들이, 표 1에 열거된다.
합금 공칭 조성 (wt.%)
NFA1 Fe-14Cr-3W-5Mo-0.4Ti-0.25Y2O3
NFA2 Fe-14Cr-3W-5Mo-0.2N-0.4Ti-0.25Y2O3
NFA3 Fe-18Cr-10Mo-0.4Ti-0.25Y2O3
예시적 NFA들의 공칭 조성들
대안적으로, Fe-Cr-Mo 또는 Fe-Cr-Mo-Ti 의 사전 합금된 분말들이 또한, 출발 분말들로서 사용될 수 있을 것이다. 모든 분말이, 10:1 의 비율로 420 개의 스테인리스 강 볼(~4.5 mm 의 직경)과 혼합되었으며 그리고 아르곤 환경에서 약 20 시간 동안 고 에너지 마멸 분쇄기(high energy attrition mill) 내에서 분쇄되었다. 분쇄 도중에, Y2O3 입자들이 분해되었으며 그리고 금속 모재 내에 균질적으로 재분산되었다. 분쇄된 분말들이, 약 50㎛ 내지 약 150㎛의 크기를 갖는 박편 형상이 되었다.
분쇄 이후에, 분말들은, 스테인리스 강 캔 내에 채워졌고, 배기되었으며, 그리고 이어서, 약 920℃ 의 온도 및 약 200MPa 의 압력에서 약 4시간 동안, 고온 등압 압착(HIP)되었다. HIP 공정은, 분말들을 부피를 갖는 재료들(bulk materials)로 고화시키며, 그리고 저-스트레인 등축 입자들(low-strain equiaxial grains)을 산출하기 위해 미세 구조를 재결정화한다. 복합 산화물 나노특징부들, 여기에서, (약 10nm 미만의) Y, Ti, 및 O를 포함하는 초미세 산화물들이, HIP 공정의 가열 스테이지 도중에 입자 경계들 상에 그리고 입자들 내부에 균질하게 형성된다.
HIP 이후에, 내용물들은 약 920℃ 에서 약 2시간 동안 어닐링되었으며 그리고 약 50% 내지 70% 의 스트레인으로 단조되었다. 그들의 솔버스 온도들이 920℃ 보다 더 높았음에 따라, 몰리브덴-풍부 카이 상 또는 시그마 상이 단조된 NFA 내에 존재한 것이 확인되었다. 예상된 바에 따라, 카이 상 또는 시그마 상의 양은, 상이한 NFA 조성들 내의 몰리브덴 및 크롬 레벨에 따라 변화하는 것으로 확인되었다.
단조 이후에, 내용물들은, 카이 상 또는 시그마 상의 솔버스 온도 위에서 약 30분 내지 약 1시간 동안 등온 어닐링에 종속되었으며, 물 담금질이 뒤따랐다. 솔버스 온도는, NFA1에 대해 약 1000℃, NFA2에 대해 약 1030℃, 그리고 NFA3에 대해 약 1130℃인 것으로 결정되었다. 등온 어닐링 단계 도중에, 많은 양의 카이 상 및/또는 시그마 상이 모재 내로 용해되어 들어간다. 요구되는 수준의 용해를 달성하기 위해 요구되는 어닐링 시간은, 조성 및 처리 이력에 따라 또한 변화할 수 있을 것이다.
도 2는, 2가지 기준 강(F6NM 및 super duplex 2507) 및 니켈계 합금 718과 비교하여, (후속 열처리 없는) 2가지 단조된 NFA(단조된 NFA1 및 단조된 NFA2)의, 실온 인장 특성들을 요약한다. 2가지 단조된 NFA는, 기준 강들보다 대략 2배 더 높은 항복 강도 및 최대 인장 강도를 보였다. 단조된 상태의 NFA의 연성은, 카이 상의 존재 때문에, 강들보다 더 낮았다. 열처리된 NFA들의 인장 강도는, 미미하게 감소할 것으로 예상되며, 그리고 연성은, 열처리된 NFA들에서 증가할 것으로 예상된다.
실온 부식 테스트들이, 염화물 환경 내에서의 통상적인 강들 및 니켈계 초합금 718과의 준비된 NFA들의 일반적 부식 속도를 비교하기 위해, NACE TM0177 용액 A(탈기된, 5% NaCl 및 0.5% CH3COOH) 내에서 실행되었다. 도 3 내의 차트는 결과들을 요약한다. 단조된 NFA1, 단조된 NFA2, 단조된 NFA3이, 어떠한 단조 후 열처리도 받지 않은 3개의 NFA 샘플들이다. HT-NFA1, HT-NFA2, HT-NFA3은, 개별적으로 단조된 NFA1, 단조된 NFA2, 및 단조된 NFA3에 대응하는, 그리고 (단조 이후에) 그들의 카이 상 및 시그마 상의 솔버스 온도 위에서 등온 열처리되고 물 담금질된, 3개의 NFA 샘플들이다. 이러한 NFA 샘플들은, F6NM, super duplex 2507, 및 니켈계 합금 718과 비교되었다. 3개의 단조된 NFA가, F6NM 보다 더 낮은 부식 속도를, 그러나 super duplex 2507 보다 더 높은 부식 속도를 갖는 것이 확인될 수 있다. 단조 후 열처리는, super duplex 2507 보다 더 낮게 그리고 합금 718과 비교 가능할 정도로, 부식 속도를 성공적으로 감소시켰다. 이러한 결과는, 적절한 담금질을 동반하는 열처리가 부식 특성들을 개선하기 위한 핵심 단계이었다는 것을 입증했다.
본 발명의 단지 특정 특징들이 여기에서 예시되고 설명되었지만, 많은 수정들 및 변경들이 당업자에게 일어날 것이다. 따라서, 첨부 청구항들이, 본 발명의 진정한 사상 이내에 속하는 것으로서 모든 그러한 수정들 및 변경들을 커버하는 것으로 의도된다는 것이, 이해되어야 한다.

Claims (14)

  1. 물체로서:
    나노구조 페라이트 합금을 포함하는 표면을 포함하고, 합금은 철 함유 합금 모재 내에 배치되는 복수의 나노특징부를 포함하며, 복수의 나노특징부는 복합 산화물 입자들을 포함하고, 복합 산화물 입자들은 이트륨 및 티타늄을 포함하는 것인, 물체에 있어서;
    모재는, 표면에서, 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 크롬, 및 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 몰리브덴을 포함하며; 그리고
    표면에서의 나노구조 페라이트 합금 내의 카이 상 또는 시그마 상의 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만인 것인, 물체.
  2. 제 1항에 있어서,
    카이 상 및 시그마 상의 총 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만인 것인, 물체.
  3. 제 1항에 있어서,
    나노페라이트 합금 표면 내의 티타늄의 농도가, 약 0.15 wt% 내지 약 2 wt%의 범위 이내인 것인, 물체.
  4. 제 1항에 있어서,
    모재 상은, 약 10 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 양의 크롬을 포함하는 것인, 물체.
  5. 제 1항에 있어서,
    모재 상은, 약 3 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 양의 몰리브덴을 포함하는 것인, 물체.
  6. 제 1항에 있어서,
    표면은, 카이 상을 실질적으로 갖지 않는 것인, 물체.
  7. 제 1항에 있어서,
    표면은, 시그마 상을 실질적으로 갖지 않는 것인, 물체.
  8. 제 1항에 있어서,
    나노특징부들은, 대략 1 나노미터 내지 대략 50 나노미터 범위 이내의 평균 크기를 갖는 것인, 물체.
  9. 제 1항에 있어서,
    나노특징부들은, 나노구조 페라이트 합금의 입방 미터 당 대략 1021 내지 1024 개의 범위 이내의 개수 밀도를 갖는 것인, 물체.
  10. 제 1항에 있어서,
    모재의 입자 크기가, 대략 0.2 미크론 내지 대략 1 미크론 범위 이내인 것인, 물체.
  11. 방법으로서:
    철 함유 합금 분말을, 이트륨 산화물의 존재 상태에서, 산화물이 실질적으로 합금 내로 용해될 때까지, 분쇄하는 단계;
    고화된 구성요소를 형성하기 위해 분말을 열적 기계적으로 고화시키는 단계;
    어닐링된 구성요소를 형성하기 위해 고화된 구성요소를 어닐링하는 단계; 및
    처리된 구성요소를 형성하기 위해 어닐링된 구성요소를 냉각하는 단계
    를 포함하는 것인, 방법에 있어서,
    처리된 구성요소는, 나노구조 페라이트 합금을 포함하는 표면을 포함하고, 나노구조 페라이트 합금은 철 함유 합금 모재 내에 배치되는 복수의 나노특징부를 포함하며, 복수의 나노특징부는 복합 산화물 입자들을 포함하고, 복합 산화물 입자들은 이트륨 및 티타늄을 포함하며;
    모재는, 표면에서, 약 5 중량 퍼센트 내지 약 30 중량 퍼센트의 크롬, 및 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 10 중량 퍼센트의 몰리브덴을 포함하고;
    표면에서의 나노구조 페라이트 합금 내의 카이 상 또는 시그마 상의 농도가, 약 5 체적 퍼센트 미만이며; 그리고
    어닐링 단계는, 카이 상 및 시그마 상의 솔버스 온도 위의 온도에서 실행되는 것인, 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    열적 기계적으로 고화시키는 단계는, 고온 등압 압착, 압출, 단조, 압축, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    표면은, 카이 상을 실질적으로 갖지 않는 것인, 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    표면은, 시그마 상을 실질적으로 갖지 않는 것인, 방법.
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