高温合金之镍基合金
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，并具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能，欧美称之为超合金(Superalloy)。通常用于在高温（600～1200℃）和复杂应力条件长期工作的部件。镍基合金是目前应用最为广泛的一种高温合金，主要应用于高温、强酸或强碱、强氧化等工作环境。它的开发和使用始于20世纪30年代末期，是在喷气式飞机的出现对高温合金的性能提出更高要求的背景下发展起来的。本文将从以下几个方面对镍基合金进行介绍。镍基耐蚀合金：主要合金元素是铜、铬、钼。具有良好的综合性能，可耐各种酸腐蚀和应力腐蚀。主要有镍铜（Ni-Cu）合金（蒙乃尔合金)、镍铬（Ni-Cr）合金（镍基耐热合金，Incoloy、Inconel系列）、镍钼（Ni-Mo）合金（哈氏合金B系列）、镍铬钼（Ni-Cr-Mo）合金（主要是指哈氏合金C系列）等。与此同时，纯镍也是镍基耐蚀合金中的典型代表。镍基耐磨合金：主要合金元素是铬、钼、钨，还含有少量的铌、钽和铟。除具有耐磨性能外，还具有很好的抗氧化、耐腐蚀、焊接性能。镍基精密合金：包括镍基软磁合金、镍基精密电阻合金和镍基电热合金等。最常用的软磁合金是含镍80%左右的玻莫合金，其最大磁导率和起始磁导率高，矫顽力低，是电子工业中重要的铁芯材料。镍基精密电阻合金的主要合金元素是铬、铝、铜，这种合金具有较高的电阻率、较低的电阻率温度系数和良好的耐蚀性，用于制作电阻器。镍基电热合金是含铬20%的镍合金，具有良好的抗氧化、抗腐蚀性能，可在1000～1100℃温度下长期使用。镍基记忆合金：含钛50（at)%的镍合金，其回复温度是70℃，形状记忆效果好。少量改变镍钛成分比例，可使回复温度在30～100℃范围内变化。Inconel 600：具有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能、优良的冷热加工和焊接性能，在700℃以下具有满意的热强性和高的塑性；Inconel 625：在氯化物介质中具有出色的抗点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和侵蚀的性能；耐酸且焊接性能良好；低周期疲劳（英语：Low-cycle fatigue）版本的Inconel 625通常用于波纹管。Inconel 690：钴含量较低，适于核能相关应用，而且电阻率较低，如压水堆核电厂蒸汽发生器传热管均为690材料。Inconel 713C：析出硬化的镍铬基铸造用合金。Inconel 718：带有γ"相强化相，焊接性能较好。Inconel 751：添加较多铝含量，使其在870℃附近的高温范围有较好的破断强度。Inconel 792：添加较多铝含量，使其在高温下有更加耐蚀，适合制造燃气涡轮。Inconel 939：以γ'相强化增加焊接性能。Incoloy 020：在含有硫酸、氯化物、磷酸和硝酸的化学环境中表现出出色的耐腐蚀性。Incoloy 028：既耐酸又耐盐，铜含量使其耐硫酸。Incoloy 330：在高温下表现出良好的强度以及对氧化和还原环境的良好抵抗力。Incoloy 800：在氯化物、低浓度的NaOH水溶液中和高温高压水中，具有优良的耐应力腐蚀破裂性能，即使在长时间暴露于高温后也能保持稳定并保持其奥氏体结构。Incoloy 825：在还原性酸和氧化性酸中具有很好的耐蚀性、抗应力腐蚀开裂、抗点蚀和缝隙腐蚀，对硫酸和磷酸有优异的耐蚀性且具有良好的冷热加工性能，易于冷成型和焊接。Incoloy 908：具有较高的抗拉强度、抗疲劳裂纹扩展性、良好的焊接性、冶金稳定性和延展性、较高的断裂和冲击韧性、低热膨胀系数、抗氧脆性、热加工不开裂的特性。Incoloy 907：在高温下具有高强度和低热膨胀系数。Incoloy 945X：专为富含氯的环境而设计，钼增加了其缝隙腐蚀和点蚀抗性。Incoloy MA956：通过机械合金化而不是整体熔化工艺制成的，很难焊接，需要加热到200C才能成型。Monel 400：在酸性和碱性环境具有高强度和优异的耐腐蚀性，特别适用于还原条件，它还具有良好的延展性和导热性。通常应用于海洋工程、化学和碳氢化合物加工、热交换器、阀门和泵。Monel 401：具有易于钨极惰性气体保护焊、电阻焊、钎焊的特性。用于专门的电气和电子应用。Monel 404：可用于常见的焊接技术进行焊接和锻造，但不能进行热加工，具有低温、低渗透性和良好的钎焊特性。一般用于晶体管、金属密封件。Monel 405：易切削，主要用于自动螺丝机的原料，一般不推荐其他应用。Monel 450：具有良好的疲劳强度和较高的热导率。一般用于冷凝器、蒸馏器、蒸发器和热交换器管以及盐水管道。Monel K-500：与Monel 400的性能基本相同，常用于泵轴、叶轮、刮刀、油井钻铤、仪器和电子元件。Monel 502：具有良好的抗蠕变性和抗氧化性，还可以像奥氏体不锈钢一样加工。Hastelloy B-2：在还原性环境中有优异的耐腐蚀性。Hastelloy B-3：B2的升级版，对任何温度和浓度的盐酸都有极好的耐腐蚀性；Hastelloy C-4：较好的热稳定性，650~1040℃有较好的韧性耐腐蚀性能；Hastelloy C-22：在氧化介质中耐均匀腐蚀能力比C-4和C-276好，耐局部腐蚀能力优异；Hastelloy C-276：对氧化性和中等还原腐蚀有较好的抵抗能力，优异的抗应力腐蚀能力；Hastelloy C-2000：性能最全面的耐蚀合金，在氧化和还原环境中均具有优秀的耐均匀腐蚀能力；Hastelloy G-30：高铬含量镍基合金，在磷酸及其他强氧化性混合酸介质中表现优异；Hastelloy X：综合高强度，抗氧化和易加工。1、N5化学成分和N02201相近，N6、N7化学成分和N02200相近，N02200由于含碳量≤0.15%，在315℃石墨化而使材料变脆，所以使用最高温度315℃。2、800、800H、800HT在ASME标准中三个材料化学元素成分相同。800含碳量最低，退火温度982-1038℃，使用温度600℃以下；800H限量的Al+Ti含量，经过特殊的固溶处理后（1121-1177℃），晶体晶粒粗大，晶粒ASTM-5.0,在600℃以上的抗蠕变断裂强度有显著的提高；800HT提高了Al+Ti含量，经过特殊的固溶处理后（1121-1177℃），晶体晶粒粗大，晶粒ASTM-5.0,在700℃以上的具有最高的抗蠕变断裂强度有显著的提高。热处理温度过大，材料晶粒涨大，有较高的蠕变极限和持久强度极限，韧性降低。较高的热处理温度其形核速度快，晶体数量增加，此时晶粒相对较细，当保温时间加长时，晶粒会长大，冷却速度缓慢时，晶粒也会变大。一般来说，温度高（梯度小）晶粒大些。晶粒越小，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。但是在高温工作环境下，晶粒变粗，晶界总长度减少，对于沿晶界滑动产生变形或破坏形式的或蠕变性能提高。3、N06600主要化学成分：72Ni-15Cr-8Fe，N08800主要化学成分：33Ni-42Fe-21Cr，相当于将N06600中72Ni含量分成33Ni+45Fe，通过置换部分镍降低成本。4、N10675主要化学成分65Ni-29.5Mo-2Fe-2Cr,N10276化学成分54Ni-16Mo-15Cr，可以近似看做将N10675中29.5Mo分成16Mo+15Cr，由于Cr含量的增加，使材料具有耐氧化性介质腐蚀的能力。石墨化：低碳钢在450℃长期作用下发生石墨化转变，渗碳体组织分解出现分解的现象Fe3C=3Fe+C(石墨)。固溶处理：让析出相Cr23C6化合物、σ相（FeCr脆性相）重新溶解到奥氏体组织中去形成饱和的奥氏体组织。敏化处理：在400-800℃范围内长时间停留，奥氏体组织由于Cr23C6的形成使碳化物晶界出现贫铬。晶间腐蚀：奥氏体组织形成的Cr23C6化合物，使碳化物晶界出现贫铬，材料Cr含量低于12%，材料晶粒分裂。泊松比：弹性变形阶段，横向尺寸/纵向尺寸的相对变化比值。线性膨胀系数：晶体线性长度和体积随温度升高而加大。
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