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    Super alloy for key applications in oil and gas industry--MP35N

    简介

         
    MP35N优异的性能使其作为关键设备进入多个行业,包括航空,医疗,采矿,海油,油气。典型应用包括紧固件,弹簧,线缆,医疗假体,泵轴,阀杆,压力壳体和冷作管道。在严苛的油气环境中,包括海水,氯卤水,低硫气体和酸性气体,即使屈服强度超过200ksi(1380MPa),MP35N依然保持优秀的耐腐蚀性能。它是NACE MR0175批准的合金中强度最高的材料,在无限制的酸性环境中提供高强度和耐腐蚀性的无敌组合。MP35N独特的性能来自该合金的化学配方,高端的熔炼技术,冷作强化和热处理工艺。
     
           MP35N是VIM+VAR熔炼的超级合金,主要合金元素为钴,镍,铬和钼。典型配方为35%钴+35%镍+20%铬+10%钼。VIM+VAR熔炼的材料纯净度超高并减少了非uedbet提款杂质和损害机械性能和耐腐蚀性能的残留元素,例如碳元素。MP35N的独特性在于它同时具备高强度,高韧性和高耐腐蚀性。MP35N强化后性能高于不锈钢和镍基合金,例如718,同时具备相同的,甚至更高的耐腐蚀性能。
     
          MP35N是通过冷作硬化和时效硬化来提高强度的。冷作+时效强化状态的MP35N, 屈服强度可超过 260ksi (1793MPa),同时具备很好的韧性, 断面收缩率高达40%。大部分强化作用来自冷作。 退火状态的MP35N性能和很多不锈钢相似----典型机械性能参数为抗拉150ksi, 屈服60ksi, 延伸率68%,断面收缩率75%。
     
           石油和航空设备所用的MP35N有不同的生产过程。和镍基合金718相似的是, MP35N也需要在航空用途所需的更高强度和石油用途所需的更高耐腐蚀耐氢脆之间做权衡取舍。
     
    微观结构
     
           MP35N在退火态是面心体(FCC),这点和其他镍钴合金相似。主要的强化机制是部分FCC结构转变为HCP结构(六角密集结构)。HCP相沿着FCC矩阵层形成了厚度为20-3000埃的薄片。HCP薄片间隔的大小和强度直接相关----间隔越小,强度越高。金相检测难以发现这些薄片,通常需要用透射电子显微镜放大20000倍才能看到。
     
           FCC相在1200°F以上能稳定存在,而HCP结构只能在800°F以下稳定存在。然而,FCC到HCP的转变仅靠温度是不行的,还需要机械变形,而最终的性能取决于800°F以下机械变形的量。最常用的形变方式是冷作加工,例如冷拉和成形加工。
     
           机械强化后,再提高40ksi的强度则需要用时效硬化。峰值强度出现在800°F-1200°F的时效温度范围内,因为钴钼相的沉淀能提高强度。只做时效硬化,不做机械变形的材料形成的HCP结构是没有用的,因为钴钼相是在HCP薄片和FCC矩阵的交界处形成的。
     
           MP35N结合了不锈钢的耐腐蚀性能和镍基合金的高强度。它是NACE MR0175批准的用于酸性环境的材料中强度最高的一款。在各种强度状态下,它都具有优秀的耐海水腐蚀能力,并且它能耐受大部分矿物酸和硫化氢的腐蚀。铬和钼的高含量让MP35N在含氯的环境中,对点腐蚀和裂隙腐蚀的耐受能力超过了不锈钢316,甚至能和镍合金625相媲美。NACE MR0175允许在温度,硫化氢分压,氯浓度和pH的各种组合条件下使用按规范处理过的MP35N,这些组合条件和井下作业环境相似。

           VIM+VAR熔炼限制了碳,锰,硅,铝等元素的含量,这些元素可以形成uedbet提款间相,例如碳铬化合物。在晶界上形成的间相可以局部降低耐腐蚀能力。这些不被需要的uedbet提款相沉淀还会耗尽周围矩阵中的铬原子,这个过程又叫做敏化作用。不锈钢316就有这个问题,特别是在高温加工工艺中,例如制造中常用的焊接。而MP35N的化学成分和高端的熔炼方式减少了这种问题的危害。
     
           通常合金被认为是可以耐受普通腐蚀,裂隙腐蚀和应力腐蚀,不论其强度水平或加工条件。MP35N的FCC晶粒结构提供了优良的氢脆耐受力,因为原子间隙紧密。当它和面心体结构的高强度合金钢(马氏体)及沉淀硬化的镍合金,例如718,做对比时,这一点尤为突出。和这些合金相比,MP35N在高强度水平下仍能耐受氢脆,而且只在有阴极保护系统或与更活泼的材料例如合金钢形成电流耦合的情况下,MP35N才会出现氢脆。
     
           冷作之后的热处理工艺会影响MP35N的氢脆耐受能力。Kane 等人证明了多种冷作+热处理的组合处理出来的MP35N在酸性环境下能耐受氢脆。但是他们也发现冷作+1100°F时效的MP35N,一种接近时效温度峰值的状态,在有硫化氢和无硫化氢的溶液中与合金钢进行电流耦合时,容易出现氢脆。该影响仅在受垂直于冷作方向应力的样件上观察到。Kane和Berkowitz进一步的研究表明,更高的时效温度能大幅提高氢脆耐受能力。这项研究正是NACE MR0175批准的热处理工艺的基础。
     
           总结一下,1000-1200°F的时效可以最大化强度,但是在横向上增加了氢脆的敏感度,尤其是在屈服强度超过250ksi时。反之,接近1400°F的时效温度能大幅降低氢脆风险,但是屈服强度通常低于200ksi。正如沉淀硬化的镍合金一样,硬度并不能很好的表示开裂耐受力,因为微观结构才是主因。Kolts等人的一项研究发现,重度冷作但未经时效的测试件在充氢环境中出现失效,而同等冷作,并做了1500°F时效的测试件却没有出现失效。这两种状态的材料硬度值大致相同,但是性能却不同。
     
           Krishnan 等人研究了各种腐蚀性介质对油气行业井下安全阀的扭力弹簧的影响。该弹簧由冷作+1200°F*4H时效,硬度为51.6HRC的MP35N制成,满足NACE MR0175关于MP35N弹簧的要求。作者发现仿真的酸性气体作业环境对弹簧没有影响。在模拟的酸性返排环境中仅能通过扫描电子显微镜在表面光洁度相对比较粗糙的部位观测到局部腐蚀,并未观测到裂纹扩展或二次开裂。在腐蚀性介质中做了测试之后,这些弹簧又做了200次载荷循环,没有失效。然后在酸性环境中,将MP35N与合金钢进行电流耦合测试,同样未出现可观测到的腐蚀损伤。
     
           这些弹簧仅在浸泡pH值0.5,浓度38%,温度180°F的盐酸后出现失效。作者的结论是MP35N适合用来制造酸性和酸化生产环境中用的井下安全阀,但是强调了光滑表面的重要性。MP35N仅在暴露于极端环境后又和钢材进行电流耦合的条件下出现了氢脆,这点和之前的研究发现一致。