鎳基合金是工程材料最重要的類(lèi)別之一,因為它們能夠用于多種環(huán)境和場(chǎng)合。在含水和高溫下的耐蝕場(chǎng)合、室溫和高溫下的高強度場(chǎng)合、低溫下的延性和韌性場(chǎng)合、特殊的電性能場(chǎng)合以及與其他物理性能有關(guān)的場(chǎng)合都選用了這些合金。鎳基合金焊接材料能提供某些焊態(tài)下的性能,而這些性能是其他類(lèi)型的焊接產(chǎn)品所不能提供的,例如被許多各種不同的合金元素稀釋后,還能保持從低溫到接近固相線(xiàn)溫度強度和延性的能力。它們也是十分通用的,例如,用于焊接9%鎳鋼的Ni-Cr-Mo系焊接產(chǎn)品在液氮溫度下還具有非常高的焊態(tài)強度和沖擊韌性。用來(lái)焊接鑄鐵的鎳和鎳-鐵合金能被鐵和碳稀釋后而保持延性,并提供良好的機加工特性。鎳基合金焊接材料亦廣泛用于電力工業(yè),可在碳鋼和不銹鋼之間進(jìn)行異種焊接,作為在高溫下使用時(shí)熱膨脹系數的過(guò)渡材料。



 對鎳基合金來(lái)說(shuō),沒(méi)有像鐵合金和鋁合金那樣的系統分類(lèi)體系。因此,大多數鎳基合金是通過(guò)它們的商業(yè)名稱(chēng)或最初由合金制造商給予的合金號而被知曉的。例如,INCONEL 600 合金和 HASTELLOY C-22 合金亦歸類(lèi)于600合金和C-22合金。鎳基合金通常以成分分類(lèi),如圖1.1所示。以下列出這些類(lèi)別的簡(jiǎn)要匯總。


圖 1-1.jpg


 1. 商用純鎳合金


   商用純鎳合金是基本上含有鎳>99%的那些合金。這是一個(gè)商用純鎳合金的完整族系,命名為200合金和201合金。這些材料具有低強度和低硬度,原則上由于它們具有良好的耐蝕性而用于苛性腐蝕環(huán)境。201合金具有最高值為0.02wt%的碳,所以它們能夠在高于315℃(600°F)的高溫下使用而無(wú)被“石墨化”的危險。因為碳在高于315℃的鎳基體中是相對易變的,添加超出溶解度極限(~0.02%)的碳會(huì )造成石墨質(zhì)點(diǎn)的沉淀,使材料變脆和變弱。


  還有一些附加商用純鎳合金,它們在電或磁致伸縮的有限場(chǎng)合使用。這些合金具有良好的焊接性,但在焊接時(shí)對氣孔敏感。如果在焊前和焊接中保持清潔,這些合金會(huì )顯示良好的抗裂性,但保護氣體或焊劑必須充足以避免氣孔的形成。商用純鎳焊接材料含有最高達1.5%鋁和2.0%~3.5%鈦的添加劑來(lái)抵消少量的大氣污染。鈦和鋁與氧結合形成氧化物,與氮結合形成氮化物,因而控制了在焊縫熔敷金屬中的氣孔。


  2. 固溶強化合金


  鎳和銅是同一形態(tài)的元素(完全固溶性),能在整個(gè)成分范圍內生成單相合金。這個(gè)族系的材料通常對海水和其他一般腐蝕環(huán)境顯示出良好的耐蝕性。通常Ni-Cu合金有很好的焊接性,但如果不使用適當的保護或良好的抗氧化焊接材料,可能會(huì )對氣孔敏感。其他的固溶強化鎳基合金可以?xún)H含有鐵,這些合金的大多數由于特定的膨脹系數或電性能而得到使用。Ni-36%Fe合金通常稱(chēng)作INVAR合金,在所有的鎳基合金中具有最低的膨脹系數,在幾百度的溫度范圍內加熱和冷卻一直到約300°F,僅以小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的速率膨脹和收縮。Ni-Fe合金有較好的焊接性,但開(kāi)發(fā)又有良好抗凝固裂紋性能,又有相匹配膨脹性能的焊接材料對焊材制造商來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰。Ni-Fe合金及其焊材也可能對低塑性開(kāi)裂敏感,這種開(kāi)裂的機理將在第3章中詳細闡述。


  其他固溶合金含有不同的置換元素,包括鉻、鉬和鎢。每種元素都能賦予特殊的性能,并有能力改變每種合金的焊接特性。固溶強化鎳基合金的最高抗拉強度值接近830 MPa(120 ksi),而屈服強度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合金在要求具有良好耐蝕性的廣泛場(chǎng)合下使用。如果要求較高的強度水平,必須選擇沉淀強化合金。


  3. 沉淀強化合金


  沉淀強化鎳基合金含有鈦、鋁和/或鈮等添加劑,在適當的熱處理后與鎳形成強化的沉淀物。在大多數情況下,這些沉淀物與奧氏體基體具有凝聚力,并使基體變形,因而實(shí)質(zhì)上增加了基體的強度。這些沉淀物的大多數稱(chēng)為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和Nig(Al,Ti)]和γ”(Y"-NisNb)。在最佳合金添加劑和熱處理情況下,這些合金能夠強化到最高抗拉強度超過(guò)1380 MPa(200 ksi)和0.2%屈服強度超過(guò)1035 MPa(150 ksi).第一個(gè)沉淀硬化Ni-Cr合金(X-750)是由γ'強化的,在靠近γ'溶解線(xiàn)溫度下,顯示出良好的抗氧化性和高溫強度的組合。不幸的是,當焊后并直接時(shí)效而不在中間插入退火處理時(shí),會(huì )產(chǎn)生焊后應變時(shí)效裂紋(SAC).這種開(kāi)裂的機理將在第4章中詳細闡述。在為改善焊接性和避免SAC的努力下,開(kāi)發(fā)了γ”強化的第二代沉淀硬化Ni-Cr-Mo合金。這些合金中最普遍的是718合金。因為γ”沉淀物比γ'的形成要慢得多,718合金在焊后熱處理時(shí)通常不受SAC影響。718合金的主要應用之一是航空航天燃氣透平傳動(dòng)軸和耐壓殼。如果適當地熔煉,獲得低含量的雜質(zhì),該合金可提供極大的使用機會(huì )。當設計合理時(shí),在一直到760℃(1400°F)的使用溫度下,具有極佳的疲勞壽命。


  基于沉淀強化合金具有在高溫下不同尋常的高強度和耐蝕性,所以通常把它們歸類(lèi)為“超合金”。該術(shù)語(yǔ)曾松散地應用于許多其他高強度多元合金,但一般術(shù)語(yǔ)“超合金”是用來(lái)描述由γ'和γ”相所提供的具有超強度性能的鎳基合金。


  在燃氣輪機動(dòng)葉片上采用超合金始于IN713C合金。這種合金與X-750合金相似,但僅僅作為鑄件生產(chǎn),因為含有較多的鋁、鈦添加劑,因此從鑄造溫度下冷卻時(shí),會(huì )發(fā)生時(shí)效硬化。由于該合金對SAC有極高的敏感性,所以產(chǎn)品修復受到限制,但在葉片頂端堆焊則不會(huì )開(kāi)裂。經(jīng)過(guò)數十年的技術(shù)進(jìn)展,增加了“超合金”族系的其他成員,包括超高強度和耐腐蝕的單晶透平葉片合金。為了減少在運行時(shí)受到侵蝕,在葉片頂端堆焊是可行的,只要焊接過(guò)程能很好得到控制,并使殘余應力保持在較低水平。最初這些材料在焊接修復時(shí)曾遇到挑戰,包括避免在熔池中的晶粒分散和阻止開(kāi)裂。


  4. 其他特殊合金


  有一些合金,由于它們具有令人印象深刻的高溫蠕變特性,也能納入“超合金”范疇,例如氧化物彌散強化合金MA6000和MA754。這些合金使用沉淀硬化和彌散硬化兩種機理,顯示出優(yōu)越的蠕變強度,其中彌散硬化是由在高溫下穩定的精細彌散顆粒所建立的。氧化釓(Y2O3)是用來(lái)作為強化的彌散體的一個(gè)例子。這些材料亦具有優(yōu)越的高溫抗氧化性能,但是當它們用普通的熔焊技術(shù)來(lái)連接時(shí),則無(wú)能力維持其貫穿焊接接頭的高強度。當用焊接熔化時(shí),彌散體趨向于聚結,因而由彌散體帶來(lái)的局部加強在熔合區和熱影響區均會(huì )喪失。


  鎳-鋁化合物是圍繞或是NiAl或是Ni3Al組成而設計的合金。它們顯示出非常高的強度和耐蝕性能,但由于它們在很大溫度范圍內延性低,所以焊接非常困難。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合金曾被開(kāi)發(fā)用于在不同環(huán)境下的耐磨材料,但這些合金由于硬度高、延性低,并在其成分范圍內會(huì )形成低熔融區間的相,所以同樣難以焊接。