工業用鎳基合金技術指南
新聞來源：www.tjhbrc.com 發布時間：2021-03-24 09:52 瀏覽量：
鎳基合金是指在650～1000℃高溫下有較高的強度與一定的抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類合金。
按照主要性能，分為鎳基耐熱合金、鎳基耐蝕合金、鎳基耐磨合金、鎳基精密合金與鎳基形狀記憶合金等。高溫合金按照基體的不同，分為：鐵基高溫合金，鎳基高溫合金與鈷基高溫合金。
鎳基合金幾大元素的作用
說到鎳基合金，就不得不先講下鎳元素。
同鐵和銅一樣，自從進入文明社會，鎳就被用于合金。但是與鋼、黃銅和青銅相比，鎳合金是化學工業的后來者。隨著冶金技術與制造技術的不斷進步推動了鎳合金的發展，促進了它們在化學工業的廣泛應用。鎳合金集優異的耐蝕性、強度、韌性、冶金穩定性、宜加工性及焊接性于一身。許多鎳合金還具有卓越的耐熱性能，是要求高溫強度和高溫下耐化學腐蝕用途的理想選擇。
鎳在鎳基合金中的主要作用在于它改變了材料的晶體結構。在鎳基合金中鎳的一個重要價值就是形成奧氏體晶體結構，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等。
除鎳以外，各種元素在鎳基合金中的作用分別如下：
● 硼、硅元素的作用：顯著降低合金熔點，擴大固液相線溫度區，形成低熔共晶體；脫氧還原作用和造渣功能；對涂層的硬 化、強化作用；改善操作工藝性能。
● 銅元素的作用：提高對非氧化性酸的耐蝕性。
● 鉻元素的作用：固溶強化作用、鈍化作用；提高耐蝕性能和抗高溫氧化性能；富余的鉻容易與碳、硼形成碳化鉻、硼化鉻硬質相從而提高合金硬度和耐磨性。
● 鉬元素的作用：原子半徑大，固溶后使晶格發生大的畸變，顯著強化合金基體，提高基體的高溫強度和紅硬性；可以切斷、降低涂層中的網狀組織；提高抗氣蝕、沖蝕能力鎳基精密合金。
鎳合金代表作品
第一個具有商業重要性的鎳合金是合金400，它是由國際鎳公司(后來叫Inco合金公司)于1905年開發出來并推向市場，商標為蒙乃爾(MONEL)。
下一個重要的里程碑是1930年左右問世的鎳-鉬合金B和鎳-鉻-鉬-鎢合金C。它們的發明者是Haynes Stellite公司(現在叫Haynes國際公司)，其中的兩個注冊商標為HASTELLOY。
鎳基合金發展的下一個重要階段來自于Inco公司，1931年開發出鎳-鉻-鐵合金600及1949年開發出鎳-鐵-鉻合金，分別命名為INCONEL和INCOLOY。Inco和Haynes公司利用最初這些商標的知名度和美譽度，共計推出了MONEL、INCONEL、INCOLOY和HASTELLOY系列的大約50種耐腐蝕和耐熱合金。VDM公司是一個后來比較出名的鎳基合金開發者和生產者，其商標是Nicrofer, Nimofer和Nicorros。
鎳基合金發展歷史
鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是上世紀30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強度又添加鋁，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基合金。
鎳基合金的發展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術的發展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出性能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要，60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。
鎳基高溫合金成分和性能
鎳基高溫合金中應用最為廣泛。主要原因在于，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。
鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。根據它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。
鎳基高溫合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。
鎳基高溫合金生產工藝
冶煉方面：為了獲得更純凈化的鋼水，減低氣體含量與有害元素含量；同時由于部分合金中有易氧化元素如Al，Ti等存在，非真空方式冶煉難以控制；更是為了獲得更好的熱塑性，鎳基耐熱合金，通常采用真空感應爐熔煉，甚至用真空感應冶煉加真空自耗爐或電渣爐重熔方式進行生產。
變形方面：采用鍛造、軋制工藝，對于熱塑性差的合金甚至采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。變形的目的是為了破碎鑄造組織，優化微觀組織結構。
鑄造方面：通常用真空感應爐熔煉母合金保證成分與控制氣體與雜質含量，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。
熱處理方面：變形合金和部分鑄造合金需進行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時，空冷；中間處理，1080℃，4小時，空冷；一次時效處理，843℃，24小時，空冷；二次時效處理，760℃，16小時，空冷。以獲得所要求的組織狀態和良好的綜合性能。
鎳基耐蝕合金
主要合金元素是銅、鉻、鉬。具有良好的綜合性能，可耐各種酸腐蝕和應力腐蝕。最早應用（1905年美國生產）的是鎳銅（Ni-Cu）合金，又稱蒙乃爾合金(Monel合金Ni 70 Cu30)；此外還有鎳鉻（Ni-Cr）合金（就是鎳基耐熱合金，耐蝕合金中的耐熱腐蝕合金）、鎳鉬（Ni-Mo）合金（主要是指哈氏合金B系列）、鎳鉻鉬（Ni-Cr-Mo）合金（主要是指哈氏合金C系列）等。與此同時，純鎳也是鎳基耐蝕合金中的典型代表。這些鎳基耐蝕合金主要用于制造石油，化工，電力等各種耐腐蝕環境用零部件。
鎳基耐蝕合金類別
鎳基耐蝕合金多具有奧氏體組織。在固溶和時效處理狀態下，合金的奧氏體基體和晶界上還有金屬間相和金屬的碳氮化物存在，各種耐蝕合金按成分分類及其特性如下：
Ni-Cu合金 在還原性介質中耐蝕性優于鎳,而在氧化性介質中耐蝕性又優于銅，它在無氧和氧化劑的條件下，是耐高溫氟氣、氟化氫和氫氟酸的最好的材料（見金屬腐蝕）。
Ni-Cr合金 也就是鎳基耐熱合金；主要在氧化性介質條件下使用。抗高溫氧化和含硫、釩等氣體的腐蝕，其耐蝕性隨鉻含量的增加而增強。這類合金也具有較好的耐氫氧化物（如NaOH、KOH）腐蝕和耐應力腐蝕的能力。
Ni-Mo合金 主要在還原性介質腐蝕的條件下使用。它是耐鹽酸腐蝕的最好的一種合金，但在有氧和氧化劑存在時，耐蝕性會顯著下降。
Ni-Cr-Mo(W)合金 兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。主要在氧化－還原混合介質條件下使用。這類合金在高溫氟化氫氣中、在含氧和氧化劑的鹽酸、氫氟酸溶液中以及在室溫下的濕氯氣中耐蝕性良好。
Ni-Cr-Mo-Cu合金 具有既耐硝酸又耐硫酸腐蝕的能力，在一些氧化-還原性混合酸中也有很好的耐蝕性。
鎳基耐磨合金
主要合金元素是鉻、鉬、鎢，還含有少量的鈮、鉭和銦。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蝕、焊接性能也好。可制造耐磨零部件，也可作為包覆材料，通過堆焊和噴涂工藝將其包覆在其他基體材料表面。
鎳基合粉末有自熔性合金粉末與非自熔性合金粉末。
非自熔性鎳基粉末是指不含B、Si或B、Si含量較低的鎳基合金粉末。這類粉末，廣泛的應用于等離子弧噴涂涂層、火焰噴涂涂層和等離子表面強化。主要包括：Ni-Cr合金粉末、Ni-Cr-Mo合金粉末、Ni-Cr-Fe合金粉末、Ni-Cu合金粉末、Ni-P和Ni-Cr-P合金粉末、Ni-Cr-Mo-Fe合金粉末、Ni-Cr-Mo-Si高耐磨合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al-B-Si合金粉末、Ni-Cr-Si合金粉末、Ni-Cr-W基耐磨耐蝕合金粉末等。
在鎳合金粉末中加入適量B、Si便形成了鎳基自熔性合金粉末。所謂自熔性合金粉末亦稱低共熔合金，硬面合金，是在鎳、鈷、鐵基合金中加入能形低熔點共晶體的合金元素（主要是硼和硅）而形成的一系列粉末材料。常用的鎳基自熔性合金粉末有Ni-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si-Mo、Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu、高鉬鎳基自熔性合金粉末、高鉻鉬鎳基自熔性合金粉末、Ni-Cr-W-C基自熔性合金粉末、高銅自熔性合金粉末、碳化鎢彌散型鎳基自熔性合金粉末等。
鎳基精密合金
包括鎳基軟磁合金、鎳基精密電阻合金和鎳基電熱合金等。最常用的軟磁合金是含鎳80%左右的玻莫合金，其最大磁導率和起始磁導率高，矯頑力低，是電子工業中重要的鐵芯材料。鎳基精密電阻合金的主要合金元素是鉻、鋁、銅，這種合金具有較高的電阻率、較低的電阻率溫度系數和良好的耐蝕性，用于制作電阻器。鎳基電熱合金是含鉻20%的鎳合金，具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能，可在1000～1100℃溫度下長期使用。
鎳基形狀記憶合金
含鈦50（at)%的鎳合金。其回復溫度是70℃，形狀記憶效果好。少量改變鎳鈦成分比例，可使回復溫度在30～100℃范圍內變化。多用于制造航天器上使用的自動張開結構件、宇航工業用的自激勵緊固件、生物醫學上使用的人造心臟馬達等。
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