[发明专利]具有高韧性的铜‑镍‑锡合金

说明书

本申请要求于2013年4月23日提交的美国临时申请No.61/815,158的优先权，其全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及具有包括高冲击韧性、高强度和良好延展性在内的综合性能的铜-镍-锡亚稳(spinodal)合金。本文中还披露了该合金的制备和使用方法。

背景技术

由于钻井环境(腐蚀、温度)和作业条件(振动、冲击载荷、扭曲载荷)方面的原因，井下油气勘探存在一系列严苛的要求。高强度(>75ksi YS)铜合金(如铜铍合金、铝青铜合金和类似的析出硬化型合金)所具有的冲击特性远低于具有类似强度等级的钢、镍或其他合金。因此，需要其他的材料。

发明内容

本公开涉及铜-镍-锡亚稳合金、以及该合金的制备和使用方法。这些合金具有令人惊讶的高冲击韧性和强度，并具有良好的延展性等其他性能。这些特性对于制造用于油气钻探/勘探以及其他工业中的管道、管线、杆、以及其他具有对称形状的产品而言是至关重要的。

下文中更具体地披露了本发明的这些以及其他的非限制性特性。

附图说明

下面为附图简要说明，这些说明是为了示出本文所披露的示例性实施方案，而并非是为了对其加以限制。

图1为本公开中所用的处理工序的图示。

具体实施方式

通过参照本公开中所包括的优选实施方案和实例的如下详细描述，可更容易理解本公开内容。在如下说明书和随附权利要求书中，将会提及若干用语，这些用语应定义为具有如下含义。

除非上下文中另有明确说明，否则单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。

本说明书和权利要求书中所用的用语“包括”可包括“由…构成”和“基本上由…构成”的实施方案。

数值应理解为包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。

本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中间值。

本文所用的表示近似的用语可用于修饰任何数量，其中这些数量可发生改变而不会造成与之相关的基本功能的变化。因此在一些情况中，被诸如“大约”和“基本上”等用语修饰的数值可以并不局限于所指定的精确值。修饰用词“大约”应理解为披露了两个端值的绝对值所限定的范围。例如，表述“约2至约4”也披露了范围“2至4”。

术语“室温”指20℃至25℃的范围。

本公开的铜-镍-锡亚稳合金具有与钢、镍合金、钛合金及其他铜合金相当或更高的高冲击韧性，并且还具有良好的强度和延展性。本文所用的高冲击强度部分地与高抗缺口断裂性(notch failure resistance)相关。因此，本发明的合金具有高缺口强度比。

本文所披露的铜-镍-锡(CuNiSn)亚稳合金包含约5重量％至约20重量％的镍、约5重量％至约10重量％的锡，余量为铜。更优选的是，铜-镍-锡合金包含约14重量％至约16重量％的镍，包括约15重量％的镍；和约7重量％至约9重量％的锡，包括约8重量％的锡；除了杂质和微量的添加物外，余量为铜。在本文所述的加工步骤之后，所述合金的0.2％补偿屈服强度为至少75,000psi(即，75ksi)。当在室温下用V型缺口并根据ASTM E23对所述合金进行测量时，所述合金还具有至少30英尺磅的冲击韧性。

本发明合金所具有的高强度和冲击韧性以及良好延展性的不同寻常的组合是通过这样的处理工序获得的，该处理工序至少包括固溶退火、冷加工和亚稳硬化(spinodal hardening)步骤。例如，在一个非限制性实施方案中，所述工序包括以下所有步骤：立式连铸(vertical continuous casting)、均质化、热加工、固溶退火、冷加工和亚稳硬化处理。据认为，通过这些工序制造的所得合金能够用于制造直径达至少10英寸的液体输送管道和/或管线(例如，用于石油和天然气工业中的液体输送管道和/或管线)、以及包括杆、棒和板在内的其他对称形状制品。这些合金利用了晶界与大穿晶断裂(bulk grain fracture)之间的平衡。