镍基合金牌号和性能

一、镍基合金定义

镍基合金一般以Ni含量超过30wt%之合金称之,常见产品之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),一般是应用在540℃以上的高温环境,并依其使用场合,选用不同合金设计,多用于特殊耐蚀环境、高温腐蚀环境、需具备高温机械强度之设备。常应用于航天、能源、石化工业或特殊电子/光电等领域。

应用领域产品要求特性产品用途
航天工业极高温下维持良好机械强度飞机引擎、燃气涡轮机、引擎阀门
能源工业良好之抗高温硫化、高温氧化特性熔炉零件、隔热层、热处理产业、石油与天然气产业
石化工业耐水溶液(酸、碱、氯离子)腐蚀海水淡化厂、石化输送管线
电子/光电一般工业一般耐蚀或耐高温程度较低之环境电池壳件、导线架,计算机监视器网罩

二、起源与发展

镍基合金是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。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。

如50年代初,真空熔炼技术的发展,为炼制含高Al和Ti 的镍基合金创造了条件,而带动了合金强度与使用温度的大幅提高。50年代后期,由于涡轮叶片工作温度的提高,要求合金有更高的高温强度,但是合金的强度高了,就难以变形,甚至不能变形,于是采用精密铸造技术,发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期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。

为了满足舰船和工业燃气轮机的需要,60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高Cr镍基合金。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℃,平均每年提高10℃左右。时至今日,镍基合金之使用温度已可超过1,100℃,从前述最初成份简单之Nimonic75 合金,到近期发展出之MA6000 合金,在1,100℃时拉伸强度可达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。

三、镍基合金之特色

镍基合金是超合金中应用最广、强度最高的材料。超合金之名称即源自于材料特色。

包括:

(1)性能超优异:高温下可维持高强度,且具有优异的抗潜变、抗疲劳等机械性质,以及抗氧化和耐蚀特性与良好的塑性和 焊接性。

(2)合金添加超繁杂:镍基合金常添加十种以上之合金元素,用以增进不同环境之耐蚀性;以及固溶强化或析出强化等作用。

(3)工作环境超恶劣:镍基合金被广泛用于各种严苛之使用条件,如航天飞行引擎燃气 室的高温高压部份、核能、石油、海洋工业之结构件,耐蚀管线等。

四、各种元素对镍基合金的作用

金属镍直到达到熔点之前一直保持着奥氏体,面心立方结构。这就给韧脆转变提供了自由度,同时也大大减小了因其他金属一起并存而出现的制造问题。在电化序上,镍比铁惰性而比铜活波。因此,在还原性环境中,镍比铁要耐腐蚀,但没有铜耐腐蚀。在镍的基础上,加上铬之后,使合金具备了抗氧化性能,由此可以产生很多种应用范围非常广泛的合金,使他们可以对还原性环境和氧化性环境都有最佳的抵抗力。

镍基合金与不锈钢和其他铁基合金相比,在固溶状态下能够容纳更多的合金元素,而且还能保持很好的冶金稳定性。这些因素允许添加多种多样的合金元素,使镍基合金大量的应用在千差万别的腐蚀环境中。

镍基合金中常见的元素主要有:

镍Ni

提供冶金稳定性、提高热稳定性和可焊性、提高对还原性酸和苛性钠的抗腐蚀性、提高尤其是在氯化物和苛性钠环境中的抗应力腐蚀开裂性能。

铬Cr

提高抗氧化和高温抗氧化、抗硫化性能、提高抗点蚀、间隙腐蚀性能。

钼Mo

提高对还原性酸的抗腐蚀性、提高含氯化物水溶液环境下的抗点蚀、间隙腐蚀的性能、提高高温强度。

铁Fe

提高对高温渗碳环境的抵抗性、降低合金成本、控制热膨胀。

铜Cu

提高对还原性酸(尤其是那些用于空气不流通场合的硫酸和氢氟酸)和盐类的抗腐蚀性、铜添加到镍-铬-钼-铁合金中有助于提高对氢氟酸、磷酸和硫酸的抗腐蚀性。

铝Al

提高高温抗氧化性、提升时效硬化。

钛Ti

与碳结合,减少了热处理时发生碳化铬沉淀造成的晶间腐蚀、提升时效强化。

铌Nb

与碳结合,减少了热处理时发生碳化铬沉淀造成的晶间腐蚀、提高抗点蚀、间隙腐蚀性能、提高高温强度。

钨W

提高抗还原性酸和局部腐蚀的性能、提高强度和可焊性。

氮N

提高冶金稳定性、提高抗点蚀、间隙腐蚀性能、提高强度。

钴Co

提供增强的高温强度、提高抗碳化、抗硫化性能。

留下评论