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超级合金之--镍基合金 | Nickel base alloy

2023-12-25 17:19:09

镍基合金是指在650~1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能,以镍为基础加入其他元素组成的合金就叫镍基合金。按照主要性能又细分为镍基耐热合金,镍基耐蚀合金,镍基耐磨合金,镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。


镍具有良好的力学、物理和化学性能,添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蚀性、高温强度和改善某些物理性能。镍合金可作为电子管用材料、精密合金、镍基高温合金以及镍基耐蚀合金和形状记忆合金等。在能源、化工、电子、航海、航空和航天等部门中,镍合金都有广泛用途。


01

镍基合金的应用 

一般以Ni含量超过30wt%之合金就称之为镍基合金,常见镍基合金的Ni含量都超过50wt%, 由于具有超群的高温机械强度与耐蚀性质,与铁基和钴基合金合称为超合金(Superalloy),镍合金具有优异的耐腐蚀性,强度,韧性,冶金稳定性,加工性和可焊性,许多镍合金还具有优异的耐热性,是需要高温强度和高温耐化学性应用的理想选择,因此常应用于:航天、能源、石化工业或特殊电子/光电等领域。


02

起源及发展       

镍基合金是本世纪30年代后期开始研制的,英国于1941年首先生产出镍基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti);为了提高潜变强度又添加Al,研制出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al);而美国于40年代中期,俄罗斯于40年代后期,中国于50年代中期也先后开发出镍基合金,60年代中期又发展出性能更好的方向性结晶和单晶高温合金,以及粉末冶金高温合金。

    

在从40年代初到70年代末大约40年的时间内,镍基合金的工作温度从700 提高1,100℃,从前述当初成份简单之Nimonic75 合金,到近期发展出之MA6000合金,在1,100℃时拉伸强度达2,220MPa、屈服强度为192MPa;其1,100℃/137MPa条件下之持久强度约达1,000小时,可用于航空发动机叶片。镍基合金的发展包括两个方面,即合金成分的改良和生产技术的革新。


在商业上得到重要应用的镍合金是Alloy 400,它由International Nickel Corporation(后来称为Inco Alloys)于1905年开发并以商标MONEL销售。下一个重要的里程碑是镍钼合金B和镍 - 铬 - 钼 - 钨合金C,它们是在1930年左右引入的。他们的发明者是Haynes Stellite(现为Haynes International),其中两个是以商标HASTELLOY注册的。镍基合金开发的下一个重要阶段来自Inco,它于1931年开发出镍铬铁合金600,并于1949年开发出镍铁铬合金,命名为INCONEL和INCOLOY。 


03

镍基合金的特色

镍基合金是超合金中应用广、强度高的材料。

镍基耐蚀合金

    

由于镍基中添加了合金元素:铜、铬、钼,可耐各种酸腐蚀和应力腐蚀。较早应用的是镍铜(Ni-Cu)合金,又称蒙乃尔合金(Monel合金Ni 70 Cu30) 。Ni-Cu合金 在还原性介质中耐蚀性优于镍,而在氧化性介质中耐蚀性又优于铜,它在无氧和氧化剂的条件下,是耐高温氟气、氟化氢和氢氟酸的较好的材料 。    

镍基耐热合金(Ni-Cr);主要在氧化性介质条件下使用。抗高温氧化和含硫、钒等气体的腐蚀,其耐蚀性随铬含量的增加而增强。这类合金也具有较好的耐氢氧化物(NaOH、KOH)腐蚀和耐应力腐蚀的能力。

Ni-Mo合金 主要在还原性介质腐蚀的条件下使用。它是耐盐酸腐蚀的较好的一种合金,但在有氧和氧化剂存在时,耐蚀性会显著下降。    

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-还原混合介质条件下使用。这类合金在高温氟化氢气中、在含氧和氧化剂的盐酸、氢氟酸溶液中以及在室温下的湿氯气中耐蚀性良好。

Ni-Cr-Mo-Cu合金 具有既耐硝酸又耐硫酸腐蚀的能力,在一些氧化-还原性混合酸中也有很好的耐蚀性。


04

镍基合金的命名

    

镍基合金的牌号一般由其所开发厂家来命名,如Ni-Cu合金又称为Monel合金,常见如Monel 400、K-500等。Ni-Cr合金一般称为 Inconel合金,也就是常见之镍基耐热合金,如 Inconel 600、625等。若是Inconel合金中加入较高量的Fe来取代Ni,则为Incoloy合金,其耐高温程度不如镍基析出硬化型合金,但价格便宜,可用于喷射引擎里温度较低部份的组件及石化厂反应器等,如Incoloy  800H、825等。若于Inconel与Incoloy中加入析出强化元素,如Ti、Al、Nb等,则成为析出硬化型(铁)镍基合金,可于高温下仍保有良好的机械强度与抗蚀性,多用于喷射引擎的组件,例如 Inconel  718 、Incoloy  A-286 等。 而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金则称为哈氏耐蚀合金(Hastelloy),Hastelloy的代表牌号如C-276、C-2000等。


镍基合金的代表材料:


1) Incoloy合金,如Incoloy800,主要成分为;32Ni-21Cr-Ti,Al,属于耐热合金。


2) Inconel合金,如Inconel600,主要成分是;73Ni-15Cr-Ti,Al,属于耐热合金。


3) Hastelloy合金,即哈氏合金,如哈氏C-276,主要成分为;56Ni-16Cr-16Mo-4W;属于耐蚀合金;


4) Monel合金,即蒙乃尔合金,比如说蒙乃尔400,主要成分是;65Ni-34Cu;属于耐蚀合金;


05

镍基合金的微组织和元素

    

镍基合金中可以溶解较多合金元素,且能保持较好的组织稳定性;可以形成共格有序的 A3B型金属间化合物γ[Ni3(Al,Ti)]相作为强化相,使合金得到有效的强化,获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度;含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素,其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用,其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为:固溶强化元素,如钨、钼、钴、铬和钒等;沉淀强化元素,如铝、钛、铌和钽;晶界强化元素,如硼、锆、镁和稀土元素等。


镍基合金


镍基合金是高温合金中应用广、强度高的一类合金。其中添加较大量的Ni 为沃斯田铁相稳定元素,使得镍基合金维持 FCC结构而可以溶解较多其它合金元素,还能保持较好的组织稳定性与材料的塑性;而 Cr、Mo和Al则具有抗氧化和抗腐蚀作用,并具有一定的强化作用。镍基合金的强化依元素作用方式可分为:


(1) 固溶强化元素,如W、Mo、Co、Cr和V等,藉由此类原子半径与基材的不同,造成局部晶格应变来强化材料


(2) 析出强化元素 如Al、Ti、Nb和Ta等,可以形成整合性有序的A3B型金属间化合物,如Ni3(Al,Ti)等强化相,使合金得到有效的强化,获得比铁基高温合金和钴基合金更高的高温强度;


(3) 晶界强化元素,如B、Zr、Mg和稀土元素等,可加强合金之高温性质。



06

镍基合金的性能


1)高温瞬时强度

镍基合金室温下就具有较高的拉伸强度 (TS=1,200-1,600;YS= 900-1,300 MPa),且兼具良好的延展性。


2)抗高温潜变强度

潜变为材料在高温(T/Tm>0.5)恒荷载作用下,缓慢地産生塑性变形的现象,为材料合金由于具有很佳的抗高温潜变能力,被广泛的使用在各种高温环境,作为承力件应用。


3)耐蚀性质

对材料发生腐蚀的控制已被视为是工业上实践材料经济节约之较佳方式。工业设备在材料选用上,并非只考虑材料价格,后续更换、保养所需的周期与整体使用效率,以及安全性等,都需要考虑。

    

镍基合金在强还原性腐蚀环境,复杂的混合酸环境,含有卤素离子的溶液中都具有很好的耐蚀性,镍基耐蚀合金可以Hastelloy合金为代表,Ni元素在晶体学上能容纳较多的合金,来增进抵抗腐蚀环境的能力;且Ni本身就具有一定的抗腐性,如对抗Cl离子的应力腐蚀与苛性碱腐蚀具有绝佳抵抗能力。而镍基合金中添加的钝化多种元素可与基材相形成固溶体,提升了材料的腐蚀电位及热力学稳定性。如Ni中加入 Cu,  Cr,Mo等,提高整体合金的耐蚀性。



07

镍基合金的生产技术

    

传统的镍基合金的生产流程为镍原料→ 镍合金铸锭(熔炼)→二次精炼→加工→成品→下游。


镍基合金


针对航天应用等之特殊需求,还发展出如方向性凝固,单晶铸造,粉末冶金等特殊技术在制备镍基合金。近年来,全球镍基合金产量将持续增加,尤其以石化用之EAF等级及能源/航天用之VIM等级镍基合金之需求量的增加较为明显,其中又以亚洲市场的成长较为迅速,在航天、能源方面之应用将大幅增加。


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