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各種元素對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械強度與耐蝕性質,與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy)。一般是應用在540℃以上的高溫環境,并依其使用場合,選用不同合金設計,多用于特殊耐蝕環境、高溫腐蝕環境、需具備高溫機械強度之設備。常應用于航天、能源、石化工業或特殊電子/光電等領域。


二、起源與發展


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


如50年代初,真空熔煉技術的發展,為煉制含高Al和Ti 的鎳基合金創造了條件,而帶動了合金強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度,但是合金的強度高了,就難以變形,甚至不能變形,于是采用精密鑄造技術,發展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出性能更好的方向性結晶和單晶高溫合金,以及粉末冶金高溫合金。





為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要,60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高Cr鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內,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℃,從前述最初成份簡單之Nimonic75 合金,到近期發展出之MA6000 合金,在1,100℃時拉伸強度可達2,220MPa、屈服強度為192MPa;其1,100℃/137MPa條件下之持久強度約達1,000小時,可用于航空發動機葉片。



三、鎳基合金的特點


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


(1)性能超優異:高溫下可維持高強度,且具有優異的抗潛變、抗疲勞等機械性質,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,用以增進不同環境之耐蝕性;以及固溶強化或析出強化等作用。


(3)工作環境超惡劣:鎳基合金被廣泛用于各種嚴苛之使用條件,如航天飛行引擎燃氣 室的高溫高壓部份、核能、石油、海洋工業之結構件,耐蝕管線等。




四、各種元素對鎳基合金的作用

金屬鎳直到達到熔點之前一直保持著奧氏體,面心立方結構。這就給韌脆轉變提供了自由度,同時也大大減小了因其他金屬一起并存而出現的制造問題。在電化序上,鎳比鐵惰性而比銅活波。因此,在還原性環境中,鎳比鐵要耐腐蝕,但沒有銅耐腐蝕。在鎳的基礎上,加上鉻之后,使合金具備了抗氧化性能,由此可以產生很多種應用范圍非常廣泛的合金,使他們可以對還原性環境和氧化性環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,在固溶狀態下能夠容納更多的合金元素,而且還能保持很好的冶金穩定性。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用在千差萬別的腐蝕環境中。



鎳基合金中常見的元素主要有:


鎳Ni

提供冶金穩定性、提高熱穩定性和可焊性、提高對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境中的抗應力腐蝕開裂性能。




鉻Cr

提高抗氧化和高溫抗氧化、抗硫化性能、提高抗點蝕、間隙腐蝕性能。




鉬Mo

提高對還原性酸的抗腐蝕性、提高含氯化物水溶液環境下的抗點蝕、間隙腐蝕的性能、提高高溫強度。




鐵Fe

提高對高溫滲碳環境的抵抗性、降低合金成本、控制熱膨脹。




銅Cu

提高對還原性酸(尤其是那些用于空氣不流通場合的硫酸和氫氟酸)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、提升時效硬化。




鈦Ti

與碳結合,減少了熱處理時發生碳化鉻沉淀造成的晶間腐蝕、提升時效強化。




鈮Nb

與碳結合,減少了熱處理時發生碳化鉻沉淀造成的晶間腐蝕、提高抗點蝕、間隙腐蝕性能、提高高溫強度。




鎢W

提高抗還原性酸和局部腐蝕的性能、提高強度和可焊性。




氮N

提高冶金穩定性、提高抗點蝕、間隙腐蝕性能、提高強度。



鈷Co

提供增強的高溫強度、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結合形成單相固溶體,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下,也具有良好的力學性能,而無需擔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(時效)硬化和彌散強化等方式提高強度。



產品推介

多種增材制造特種鎳基合金粉末供應

K418 /In600 /In625 /In718 /In738 /In939

Hastelloy X(GH3536)/ GH4099 /GH3230

Ni15 /Ni25 /Ni40 /Ni60

哈氏合金C4 /C22 /C276

蒙乃爾合金


粒徑范圍:0-25μm,15-45μm,15-53μm,50-150μm



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