各種元素對(duì)鎳基合金的性能影響

一、鎳基合金定義

鎳基合金一般是指Ni含量超過30wt%的合金，由于具有超群的高溫機(jī)械強(qiáng)度與耐蝕性質(zhì)，與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy)。一般是應(yīng)用在540℃以上的高溫環(huán)境，并依其使用場(chǎng)合，選用不同合金設(shè)計(jì)，多用于特殊耐蝕環(huán)境、高溫腐蝕環(huán)境、需具備高溫機(jī)械強(qiáng)度之設(shè)備。常應(yīng)用于航天、能源、石化工業(yè)或特殊電子/光電等領(lǐng)域。

二、起源與發(fā)展

鎳基合金是30年代后期開始研制的，英國(guó)于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高潛變強(qiáng)度又添加Al，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；而美國(guó)于40年代中期，俄羅斯于40年代后期，中國(guó)于50年代中期也先后開發(fā)出鎳基合金。鎳基合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面，即合金成分的改良和生產(chǎn)技術(shù)的革新。

如50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含高Al和Ti 的鎳基合金創(chuàng)造了條件，而帶動(dòng)了合金強(qiáng)度與使用溫度的大幅提高。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(qiáng)度，但是合金的強(qiáng)度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用精密鑄造技術(shù)，發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的方向性結(jié)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(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，60年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高Cr鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時(shí)間內(nèi)，鎳基合金的工作溫度從700 提高1,100℃，平均每年提高10℃左右。時(shí)至今日，鎳基合金之使用溫度已可超過1,100℃，從前述最初成份簡(jiǎn)單之Nimonic75 合金，到近期發(fā)展出之MA6000 合金，在1,100℃時(shí)拉伸強(qiáng)度可達(dá)2,220MPa、屈服強(qiáng)度為192MPa；其1,100℃/137MPa條件下之持久強(qiáng)度約達(dá)1,000小時(shí)，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

三、鎳基合金的特點(diǎn)

鎳基合金是超合金中應(yīng)用最廣、強(qiáng)度最高的材料。超合金之名稱即源自于材料特色。包括：

(1)性能超優(yōu)異：高溫下可維持高強(qiáng)度，且具有優(yōu)異的抗?jié)撟?、抗疲勞等機(jī)械性質(zhì)，以及抗氧化和耐蝕特性與良好的塑性和 焊接性。

(2)合金添加超繁雜：鎳基合金常添加十種以上之合金元素，用以增進(jìn)不同環(huán)境之耐蝕性；以及固溶強(qiáng)化或析出強(qiáng)化等作用。

(3)工作環(huán)境超惡劣：鎳基合金被廣泛用于各種嚴(yán)苛之使用條件，如航天飛行引擎燃?xì)?室的高溫高壓部份、核能、石油、海洋工業(yè)之結(jié)構(gòu)件，耐蝕管線等。

四、各種元素對(duì)鎳基合金的作用

金屬鎳直到達(dá)到熔點(diǎn)之前一直保持著奧氏體，面心立方結(jié)構(gòu)。這就給韌脆轉(zhuǎn)變提供了自由度，同時(shí)也大大減小了因其他金屬一起并存而出現(xiàn)的制造問題。在電化序上，鎳比鐵惰性而比銅活波。因此，在還原性環(huán)境中，鎳比鐵要耐腐蝕，但沒有銅耐腐蝕。在鎳的基礎(chǔ)上，加上鉻之后，使合金具備了抗氧化性能，由此可以產(chǎn)生很多種應(yīng)用范圍非常廣泛的合金，使他們可以對(duì)還原性環(huán)境和氧化性環(huán)境都有最佳的抵抗力。

鎳基合金與不銹鋼和其他鐵基合金相比，在固溶狀態(tài)下能夠容納更多的合金元素，而且還能保持很好的冶金穩(wěn)定性。這些因素允許添加多種多樣的合金元素，使鎳基合金大量的應(yīng)用在千差萬別的腐蝕環(huán)境中。

鎳基合金中常見的元素主要有：

鎳Ni

提供冶金穩(wěn)定性、提高熱穩(wěn)定性和可焊性、提高對(duì)還原性酸和苛性鈉的抗腐蝕性、提高尤其是在氯化物和苛性鈉環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能。

鉻Cr

提高抗氧化和高溫抗氧化、抗硫化性能、提高抗點(diǎn)蝕、間隙腐蝕性能。

鉬Mo

提高對(duì)還原性酸的抗腐蝕性、提高含氯化物水溶液環(huán)境下的抗點(diǎn)蝕、間隙腐蝕的性能、提高高溫強(qiáng)度。

鐵Fe

提高對(duì)高溫滲碳環(huán)境的抵抗性、降低合金成本、控制熱膨脹。

銅Cu

提高對(duì)還原性酸（尤其是那些用于空氣不流通場(chǎng)合的硫酸和氫氟酸）和鹽類的抗腐蝕性、銅添加到鎳-鉻-鉬-鐵合金中有助于提高對(duì)氫氟酸、磷酸和硫酸的抗腐蝕性。

鋁Al

提高高溫抗氧化性、提升時(shí)效硬化。

鈦Ti

與碳結(jié)合，減少了熱處理時(shí)發(fā)生碳化鉻沉淀造成的晶間腐蝕、提升時(shí)效強(qiáng)化。

鈮Nb

與碳結(jié)合，減少了熱處理時(shí)發(fā)生碳化鉻沉淀造成的晶間腐蝕、提高抗點(diǎn)蝕、間隙腐蝕性能、提高高溫強(qiáng)度。

鎢W

提高抗還原性酸和局部腐蝕的性能、提高強(qiáng)度和可焊性。

氮N

提高冶金穩(wěn)定性、提高抗點(diǎn)蝕、間隙腐蝕性能、提高強(qiáng)度。

鈷Co

提供增強(qiáng)的高溫強(qiáng)度、提高抗碳化、抗硫化性能。

這些合金元素中很多都可以與鎳在很寬的成分范圍內(nèi)結(jié)合形成單相固溶體，保證合金在很多腐蝕條件下都具有良好的抗腐蝕性。合金在完全退火的狀態(tài)下，也具有良好的力學(xué)性能，而無需擔(dān)心制造加工或熱加工中帶來的有害的冶金變化。很多高鎳合金可以通過固溶硬化、碳化物沉淀、沉淀（時(shí)效）硬化和彌散強(qiáng)化等方式提高強(qiáng)度。

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