鎳基(ji)合(he)金(jin)(jin)由于具有優異(yi)的(de)(de)高溫性(xing)能(neng)和(he)卓(zhuo)越的(de)(de)耐(nai)蝕性(xing)能(neng)，已在(zai)航(hang)空航(hang)天、核電、火(huo)電、石油(you)化工等領(ling)域獲(huo)得了(le)廣泛的(de)(de)應(ying)用，但鎳基(ji)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)往往會帶來(lai)不少的(de)(de)困難(nan)，主要表現在(zai)相的(de)(de)變化導致接(jie)(jie)頭性(xing)能(neng)的(de)(de)改變，以及焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)過程中產生的(de)(de)各種(zhong)裂(lie)紋等缺陷造成運行中的(de)(de)早期(qi)失效。為(wei)此，眾(zhong)多(duo)科技(ji)工作者長(chang)期(qi)以來(lai)對鎳基(ji)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)開(kai)展了(le)大量的(de)(de)試驗研究，力求在(zai)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)鎳基(ji)合(he)金(jin)(jin)時(shi)能(neng)獲(huo)得高質量和(he)性(xing)能(neng)滿意的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭。
鎳基合(he)(he)金(jin)是工(gong)程材(cai)料最重要的(de)(de)(de)(de)類(lei)別之一(yi)，因為它(ta)們(men)能(neng)(neng)(neng)夠用于多種(zhong)環境和(he)(he)(he)場(chang)合(he)(he)。在(zai)(zai)含水和(he)(he)(he)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)耐蝕場(chang)合(he)(he)、室(shi)溫(wen)(wen)(wen)和(he)(he)(he)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)高(gao)強度(du)場(chang)合(he)(he)、低溫(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)延性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)(he)(he)韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)場(chang)合(he)(he)、特(te)殊的(de)(de)(de)(de)電性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)場(chang)合(he)(he)以及(ji)與(yu)其他物理(li)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)有(you)關的(de)(de)(de)(de)場(chang)合(he)(he)都選用了這些合(he)(he)金(jin)。鎳基合(he)(he)金(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)材(cai)料能(neng)(neng)(neng)提供某(mou)些焊(han)(han)(han)態下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)，而這些性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)是其他類(lei)型的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)產品所不能(neng)(neng)(neng)提供的(de)(de)(de)(de)，例如被許(xu)多各種(zhong)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)元素稀釋后(hou)，還(huan)能(neng)(neng)(neng)保持從(cong)低溫(wen)(wen)(wen)到接(jie)(jie)(jie)近固相(xiang)線溫(wen)(wen)(wen)度(du)強度(du)和(he)(he)(he)延性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)力。它(ta)們(men)也是十(shi)分通用的(de)(de)(de)(de)，例如，用于焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)9%鎳鋼的(de)(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系(xi)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)產品在(zai)(zai)液氮溫(wen)(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)還(huan)具(ju)有(you)非常高(gao)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)態強度(du)和(he)(he)(he)沖擊韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。用來焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鑄鐵的(de)(de)(de)(de)鎳和(he)(he)(he)鎳－鐵合(he)(he)金(jin)能(neng)(neng)(neng)被鐵和(he)(he)(he)碳稀釋后(hou)而保持延性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，并(bing)提供良好(hao)的(de)(de)(de)(de)機加(jia)工(gong)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。鎳基合(he)(he)金(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)材(cai)料亦(yi)廣泛用于電力工(gong)業，可在(zai)(zai)碳鋼和(he)(he)(he)不銹鋼之間進行異種(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)，作為在(zai)(zai)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)使(shi)用時熱膨脹系(xi)數的(de)(de)(de)(de)過渡材(cai)料。
相對于(yu)鋼而言，鎳(nie)基合金(jin)能夠在(zai)(zai)低溫下(xia)使用(yong)，又能在(zai)(zai)接(jie)(jie)近(jin)1200℃的(de)高溫下(xia)使用(yong)，因為固(gu)溶合金(jin)的(de)基體(ti)從固(gu)態(tai)到絕對零度都保持奧氏體(ti)。這些(xie)加入適(shi)當添(tian)加劑的(de)合金(jin)提供了(le)有(you)用(yong)的(de)耐(nai)蝕性(xing)，并在(zai)(zai)包括電力、石化(hua)(hua)、化(hua)(hua)學加工(gong)、航天(tian)和(he)控制(zhi)環(huan)境污(wu)染等的(de)廣大(da)工(gong)業領域中得到了(le)應用(yong)。對鎳(nie)基合金(jin)來說，焊(han)接(jie)(jie)是一門(men)關鍵性(xing)的(de)制(zhi)造技術。最近(jin)50年來，已經進行了(le)大(da)量的(de)研究和(he)開發工(gong)作，為更好地弄懂和(he)控制(zhi)這些(xie)合金(jin)的(de)焊(han)接(jie)(jie)性(xing)以及開發在(zai)(zai)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭耐(nai)蝕性(xing)和(he)力學性(xing)能方面能滿足更高要求的(de)焊(han)接(jie)(jie)材料作出了(le)不懈的(de)努力。
對鎳基合金來說，沒有像鐵合金和鋁合金那樣的系統分類體系。因此，大多數鎳基合金是通過它們的商業名稱或最初由合金制造商給予的合金號而被知曉的。例如，INCONEL 600合金 和 HASTELLOY C-22 合金亦歸類于600合金和C-22合金。鎳基合金通常以成分分類，如圖1.1所示。以下列出這些類別的簡要匯總。
1. 商用純鎳合(he)金(jin)
商(shang)用純(chun)鎳合(he)(he)(he)金是(shi)基(ji)本上含(han)有(you)(you)鎳＞99%的(de)(de)(de)那(nei)些合(he)(he)(he)金。這(zhe)是(shi)一個商(shang)用純(chun)鎳合(he)(he)(he)金的(de)(de)(de)完整族(zu)系，命名為200合(he)(he)(he)金和201合(he)(he)(he)金。這(zhe)些材料具(ju)有(you)(you)低強度(du)(du)和低硬度(du)(du)，原則上由于(yu)它(ta)(ta)們具(ju)有(you)(you)良(liang)好的(de)(de)(de)耐蝕(shi)性而用于(yu)苛性腐蝕(shi)環境(jing)。201合(he)(he)(he)金具(ju)有(you)(you)最高(gao)值為0.02wt%的(de)(de)(de)碳，所以(yi)它(ta)(ta)們能夠在高(gao)于(yu)315℃（600°F)的(de)(de)(de)高(gao)溫下使用而無被“石墨(mo)化”的(de)(de)(de)危(wei)險(xian)。因為碳在高(gao)于(yu)315℃的(de)(de)(de)鎳基(ji)體中是(shi)相對易變的(de)(de)(de)，添加超出溶(rong)解(jie)度(du)(du)極(ji)限（～0.02%)的(de)(de)(de)碳會造成石墨(mo)質(zhi)點(dian)的(de)(de)(de)沉(chen)淀，使材料變脆(cui)和變弱。
還有一些附加商用純鎳合(he)金，它們在(zai)電或磁致伸縮的有限場合(he)使用。這(zhe)些合(he)金具有良好的焊(han)(han)接性(xing)，但在(zai)焊(han)(han)接時對(dui)氣(qi)(qi)孔(kong)敏感。如(ru)果在(zai)焊(han)(han)前和(he)(he)焊(han)(han)接中保持(chi)清(qing)潔，這(zhe)些合(he)金會顯示良好的抗(kang)裂性(xing)，但保護氣(qi)(qi)體或焊(han)(han)劑必(bi)須充足以(yi)避免氣(qi)(qi)孔(kong)的形(xing)(xing)成。商用純鎳焊(han)(han)接材(cai)料含有最高達1.5%鋁(lv)(lv)和(he)(he)2.0%~3.5%鈦的添加劑來抵消少量(liang)的大氣(qi)(qi)污染。鈦和(he)(he)鋁(lv)(lv)與氧(yang)結(jie)合(he)形(xing)(xing)成氧(yang)化物(wu)，與氮結(jie)合(he)形(xing)(xing)成氮化物(wu)，因而控制了在(zai)焊(han)(han)縫熔敷金屬中的氣(qi)(qi)孔(kong)。
2. 固溶強化合金
鎳和銅是同一形態的(de)(de)元素(su)（完全固溶(rong)性(xing)(xing)(xing)），能(neng)(neng)(neng)在(zai)整(zheng)個成分范圍(wei)內生(sheng)成單相合(he)(he)(he)金(jin)。這個族系的(de)(de)材(cai)料(liao)通(tong)常對(dui)海(hai)水(shui)和其他(ta)一般(ban)腐蝕環境顯示出良好(hao)(hao)的(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)(xing)。通(tong)常Ni-Cu合(he)(he)(he)金(jin)有(you)(you)(you)(you)很(hen)好(hao)(hao)的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)性(xing)(xing)(xing)，但如果(guo)不使用適當的(de)(de)保護(hu)或良好(hao)(hao)的(de)(de)抗(kang)氧化焊(han)接(jie)(jie)材(cai)料(liao)，可能(neng)(neng)(neng)會對(dui)氣孔敏(min)感。其他(ta)的(de)(de)固溶(rong)強(qiang)化鎳基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)可以僅(jin)含有(you)(you)(you)(you)鐵，這些合(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)大多數由于特定(ding)的(de)(de)膨脹(zhang)系數或電性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)而得(de)到使用。Ni-36%Fe合(he)(he)(he)金(jin)通(tong)常稱作INVAR合(he)(he)(he)金(jin)，在(zai)所(suo)有(you)(you)(you)(you)的(de)(de)鎳基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)中具有(you)(you)(you)(you)最低(di)的(de)(de)膨脹(zhang)系數，在(zai)幾(ji)百(bai)度(du)的(de)(de)溫度(du)范圍(wei)內加熱和冷卻一直到約300°F,僅(jin)以小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)速(su)率膨脹(zhang)和收縮。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)有(you)(you)(you)(you)較(jiao)好(hao)(hao)的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)性(xing)(xing)(xing)，但開發又有(you)(you)(you)(you)良好(hao)(hao)抗(kang)凝固裂(lie)(lie)紋性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)，又有(you)(you)(you)(you)相匹配(pei)膨脹(zhang)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)材(cai)料(liao)對(dui)焊(han)材(cai)制造商來說是一個挑(tiao)戰。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)及其焊(han)材(cai)也可能(neng)(neng)(neng)對(dui)低(di)塑性(xing)(xing)(xing)開裂(lie)(lie)敏(min)感，這種開裂(lie)(lie)的(de)(de)機理將在(zai)第3章中詳細(xi)闡述。
其他固溶(rong)合(he)金(jin)(jin)(jin)含有(you)不同的(de)置換(huan)元素，包括鉻、鉬和鎢(wu)。每種元素都(dou)能賦予(yu)特殊的(de)性能，并(bing)有(you)能力改變每種合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)焊接特性。固溶(rong)強化鎳基合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)最(zui)高(gao)(gao)抗拉強度(du)值(zhi)接近830 MPa(120 ksi),而屈服強度(du)在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合(he)金(jin)(jin)(jin)在要求具有(you)良好耐蝕性的(de)廣(guang)泛場合(he)下使(shi)用。如果要求較高(gao)(gao)的(de)強度(du)水平，必須選擇沉淀(dian)強化合(he)金(jin)(jin)(jin)。
3. 沉淀(dian)強化合(he)金
沉(chen)淀強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)含(han)(han)有(you)鈦、鋁(lv)和／或(huo)鈮等添(tian)(tian)加(jia)劑(ji)，在(zai)(zai)(zai)適當(dang)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)處理后(hou)與鎳形成強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)沉(chen)淀物(wu)。在(zai)(zai)(zai)大(da)多數情(qing)(qing)況下(xia)(xia)(xia)，這(zhe)些(xie)沉(chen)淀物(wu)與奧(ao)氏體基(ji)體具(ju)有(you)凝聚力，并(bing)使基(ji)體變形，因而(er)實質(zhi)上增加(jia)了(le)基(ji)體的(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)。這(zhe)些(xie)沉(chen)淀物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)多數稱為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和Nig(Al,Ti)]和γ”（Y"-NisNb)。在(zai)(zai)(zai)最佳合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)添(tian)(tian)加(jia)劑(ji)和熱(re)(re)處理情(qing)(qing)況下(xia)(xia)(xia)，這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)能夠強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)到最高(gao)抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)超過(guo)1380 MPa(200 ksi)和0.2%屈(qu)服強(qiang)(qiang)度(du)超過(guo)1035 MPa(150 ksi).第(di)一個(ge)沉(chen)淀硬(ying)化(hua)(hua)Ni-Cr合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)（X-750)是由γ'強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)，在(zai)(zai)(zai)靠近γ'溶解線溫(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)，顯示出良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)氧化(hua)(hua)性(xing)和高(gao)溫(wen)(wen)強(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)組合(he)(he)。不(bu)(bu)幸的(de)(de)(de)(de)(de)是，當(dang)焊后(hou)并(bing)直接時效而(er)不(bu)(bu)在(zai)(zai)(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)插入退(tui)火處理時，會產生焊后(hou)應(ying)變時效裂紋（SAC).這(zhe)種(zhong)開裂的(de)(de)(de)(de)(de)機理將在(zai)(zai)(zai)第(di)4章(zhang)中(zhong)(zhong)(zhong)詳細闡述。在(zai)(zai)(zai)為改(gai)善焊接性(xing)和避(bi)免(mian)SAC的(de)(de)(de)(de)(de)努力下(xia)(xia)(xia)，開發了(le)γ”強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)第(di)二(er)代沉(chen)淀硬(ying)化(hua)(hua)Ni-Cr-Mo合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)(zhong)最普遍的(de)(de)(de)(de)(de)是718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。因為γ”沉(chen)淀物(wu)比γ'的(de)(de)(de)(de)(de)形成要慢得多，718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)(zai)(zai)焊后(hou)熱(re)(re)處理時通常不(bu)(bu)受(shou)SAC影響。718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)主要應(ying)用(yong)之一是航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)燃氣透平傳(chuan)動軸和耐(nai)壓殼。如(ru)果適當(dang)地(di)熔(rong)煉，獲得低含(han)(han)量的(de)(de)(de)(de)(de)雜質(zhi)，該合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)可提(ti)供極大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)機會。當(dang)設計合(he)(he)理時，在(zai)(zai)(zai)一直到760℃（1400°F)的(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)溫(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)，具(ju)有(you)極佳的(de)(de)(de)(de)(de)疲勞壽命。
基于(yu)沉淀強(qiang)化(hua)合金具有(you)在(zai)高(gao)溫下不同尋常的高(gao)強(qiang)度和耐蝕性(xing)(xing)，所以通常把它們歸類(lei)為“超合金”。該術(shu)語(yu)曾(ceng)松(song)散地應用于(yu)許多其他高(gao)強(qiang)度多元合金，但一般術(shu)語(yu)“超合金”是用來(lai)描述(shu)由γ'和γ”相所提供的具有(you)超強(qiang)度性(xing)(xing)能的鎳基合金。
在(zai)(zai)(zai)燃氣輪機動葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)上采用超(chao)(chao)合金(jin)(jin)始(shi)于IN713C合金(jin)(jin)。這種合金(jin)(jin)與X-750合金(jin)(jin)相似(si)，但(dan)(dan)僅僅作(zuo)為鑄件生(sheng)產，因為含有較多的(de)(de)鋁(lv)、鈦添加(jia)劑，因此從鑄造溫度下冷(leng)卻時(shi)，會發生(sheng)時(shi)效硬化(hua)。由于該合金(jin)(jin)對SAC有極高(gao)的(de)(de)敏感性(xing)，所以產品(pin)修(xiu)復受到(dao)限制(zhi)，但(dan)(dan)在(zai)(zai)(zai)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)頂端(duan)堆焊(han)則不會開裂。經過數十年的(de)(de)技術進展，增加(jia)了(le)(le)“超(chao)(chao)合金(jin)(jin)”族系的(de)(de)其他(ta)成員，包(bao)括超(chao)(chao)高(gao)強度和耐腐蝕的(de)(de)單晶透(tou)平(ping)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)合金(jin)(jin)。為了(le)(le)減少(shao)在(zai)(zai)(zai)運行(xing)時(shi)受到(dao)侵蝕，在(zai)(zai)(zai)葉(xie)(xie)(xie)片(pian)(pian)頂端(duan)堆焊(han)是(shi)可行(xing)的(de)(de)，只要焊(han)接(jie)過程能很好得到(dao)控(kong)制(zhi)，并使殘(can)余應力保(bao)持在(zai)(zai)(zai)較低水平(ping)。最初(chu)這些材(cai)料在(zai)(zai)(zai)焊(han)接(jie)修(xiu)復時(shi)曾遇到(dao)挑戰，包(bao)括避免在(zai)(zai)(zai)熔池中的(de)(de)晶粒分散和阻(zu)止開裂。
4. 其他特殊合金(jin)
有一些合金，由于它們具有令人印象深刻的高溫蠕變特性，也能納入“超合金”范疇，例如氧化物彌散強化合金MA6000和MA754。這些合金使用沉淀硬化和彌散硬化兩種機理，顯示出優越的蠕變強度，其中彌散硬化是由在高溫下穩定的精細彌散顆粒所建立的。氧化釓（Y2O3)是用來作為強化的彌散體的一個例子。這些材料亦具有優越的高溫抗氧化性能，但是當它們用普通的熔焊技術來連接時，則無能力維持其貫穿焊接接頭的高強度。當用焊接熔化時，彌散體趨向于聚結，因而由彌散體帶來的局部加強在熔合區和熱影響區均會喪失。
鎳-鋁化合物是圍繞或(huo)是NiAl或(huo)是Ni3Al組(zu)成(cheng)而設計的(de)合金(jin)。它(ta)(ta)們顯(xian)示(shi)出非(fei)(fei)常高的(de)強度(du)(du)和耐蝕性(xing)能(neng)，但由(you)于它(ta)(ta)們在很(hen)大溫度(du)(du)范(fan)(fan)圍內(nei)延(yan)性(xing)低(di)，所以焊(han)接(jie)非(fei)(fei)常困(kun)難(nan)。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合金(jin)曾(ceng)被開發(fa)用于在不同環境(jing)下的(de)耐磨材料，但這些合金(jin)由(you)于硬度(du)(du)高、延(yan)性(xing)低(di)，并在其成(cheng)分范(fan)(fan)圍內(nei)會形成(cheng)低(di)熔融區(qu)間的(de)相(xiang)，所以同樣(yang)難(nan)以焊(han)接(jie)。
