高镍耐蚀合金在中国（上）

1、概述

1.1 高镍耐蚀合金的特征

1）含镍量大于30%。

2）含有大量赋予合金耐蚀性的有效元素——铬、钼、钨、铜、氮。

3）加入钛、铌的主要目的是起稳定化作用，用以固定碳，提高合金的耐晶间腐蚀能力。

4）仅在时效强化型合金中加入铝、钛。

5）合金中的碳越低越好。

6）此类合金的基体组织为面心立方结构的奥氏体组织。

7）合金的耐蚀性是其核心性能，合金的热稳定性是合金设计准则，除时效硬化合金外，对合金的力学性能无苛刻要求。

上述特征对高镍耐蚀做出了明确的界定。简而言之，高镍耐蚀合金是以耐蚀性为其核心性能，含镍量大于或等于30%的一系列合金的统称。

1.2 高镍耐蚀合金的类型

按合金基体构成的不同，高镍耐蚀合金可分为镍基和铁镍基耐蚀合金两个基本类型。每个类型按其含有合金元素种类又可分成9个合金系统，详见图1和图2。

可通过热处理提高合金强度的高镍耐蚀合金，通常兼具两种特性，既是耐蚀合金又是高温合金，牌号不多，详见图3。

2、高镍耐蚀合金的近代进展

2.1 20世纪高镍耐蚀合金的主要技术成就

自1905年第一个高镍耐蚀合金Monel 400 问世以来，高镍耐蚀合金得到了极大发展，其主要成就概况如下：

1）25%Cr使多个系统高镍耐蚀合金的耐蚀性急剧提高，成为耐蚀性突变的拐点得到公认并成功应用于不同的合金系列。

1964年，中国研究Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金在含F-、Cl-强氧化性介质中的耐蚀性时，发现并确认当铬含量达到25%时，其腐蚀率急剧下降，出现明显拐点，试验结果见图4和图5。依据此结果推出铁镍基新2号耐蚀合金的成分——00Cr25Ni35Mo3Cu4Ti。此研究成果，1973年公开部分结果，1982年公开了全部研究结果。

20世纪70年代在研究压水型核反应堆蒸发器耐SCC的材料时，在上述成果的启发下研究成功了新13号耐蚀合金——00Cr25Ni35AlTi。一些试验结果也表明，25%Cr的 Ni-Fe-Cr合金的耐应力腐蚀性能急剧提高，见图6和图7。

20世纪70年代，瑞典在研究耐湿法磷酸腐蚀材料时，也发现含27%CrNi-Fe-Cr-Mo-Cu合金在湿法磷酸中较低铬的类似合金具有优异的耐蚀性，见图8～11。

20世纪70年代公布的Inconel 690也说明了含25%Cr的Ni-Cr-Fe合金具有优异的耐SCC性能，见图12和图13。

2）确认了铁在高镍耐蚀合金中的功与过在高镍耐蚀合金中，铁不单纯是起着取代镍基耐蚀合金中的镍而降低合金成本的作用。铁是一种有功能性作用的合金元素，有功有过，取决于合金系列。

在Ni-Cr合金中，铁对提高合金在高温高压水中和高温NaOH溶液中耐SCC性能有明显的改善作用，因此Inconel 690合金必须含有10%左右的铁。铁的益处见图14和图15。

Hastelloy B-2合金是将Hastelloy B合金中的碳、硅和铁降低到较低水平的改进型牌号，B-2合金的耐晶间腐蚀性能得到改善，然而由于将铁降低到≤2%，使合金易于析出有序的Ni4Mo金属间相，造成焊接或在中温热加工出现塑性裂纹的弊病。适当地控制铁和铬，使合金的热稳定性得到明显改善， 有效地改善了合金的中温时效塑性、韧性和耐蚀性（见图16和图17，表1~3）。这些有益结果导致B-3和B-4合金的诞生，解决了Hastelloy B-2合金中温脆性和裂纹问题。

在Ni-Cr-Mo（Hastelloy C）合金中铁是有害的，其根源在于铁促进了以μ相为主的有害金属间相的析出，导致敏化态合金的晶间腐蚀。降低合金中的铁量并与降低碳、硅和去除钨等措施相结合，导致了热稳定性更好的耐晶间腐蚀的新合金不断问世，如Inconel 686，HastelloyC-4，Alloy 59相继出现。

3）将氮引入高镍耐蚀合金

在20世纪末期，含氮的铁镍基耐蚀合金相继问世。氮在奥氏体不锈钢和双相不锈钢中应用多年，取得了成功。在高镍合金中迟迟未进行实践。在20世纪末期，氮才在铁镍基耐蚀合金中实际应用，典型代表牌号是Alloy31和Alloy33。氮提高强度，提高合金耐蚀性和组织热稳定性得到充分显现。Alloy31是含高钼铁镍基耐蚀合金，含镍量最低，由于加入氮，此合金在Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金中成为耐蚀性最好的合金；Alloy33是含铬高达33%，而含镍仅31%的热稳定性良好的合金，氮的效果明显。

4）基本完成两大合金系统9个系列高镍耐蚀合金的开发

自从1905年第一个工业应用的Monel 400合金问世以来，历经110年完成高镍耐蚀合金的研发，共形成了两个合金系统9个合金系列的50多个商业牌号的高镍耐蚀合金，广泛应用于化学加工、核燃料生产、核能开发、环境治理、湿法冶金、石油化工、石油天然气开采、海洋开发等各工业环节，解决了不锈钢难以解决的腐蚀问题。

2.2 几个典型高镍耐蚀合金的研究和发展

1）Ni-16Cr-16Mo-4W合金

Hastelloy C合金是1930年代的合金，它具有既耐氧化性又耐还原性强介质的腐蚀，然而不幸的是它对晶间腐蚀敏感。为此在20世纪60年代至70年代经过深入研究认为是由于碳化物和金属间相的析出，造成了一些铬、钼、钨的贫化所致，据此开发了一些新牌号，其发展概貌列入图18。

降碳、降硅仅解决了7 6 0℃敏化的晶间腐蚀，为此降铁并提高铬，既解决了870℃敏化的晶间腐蚀又进一步改善了合金的耐蚀性，Inconel686是目前耐蚀性最好的高钼镍铬钼耐蚀合金；降碳、除硅，降铁并除钨的Hastelloy C-4合金的热稳定性明显优于C-276合金，既克服了760℃敏化的晶间腐蚀又解决了870℃敏化的晶间腐蚀，然而此合金耐点蚀和缝隙腐蚀性能不如C-276合金，为此提高了合金的铬以弥补这种不足，于是诞生了Alloy 59。此合金是高钼镍铬钼合金中热稳定性最好的合金，这类合金的耐晶间腐蚀和热稳定性分别见图19～21。

2）Ni-Mo耐蚀合金Hastelloy B合金是1923年诞生的Ni-Mo耐蚀合金，同Hastelloy C 合金一样对晶间腐蚀敏感，为此采用降低合金中的碳、硅、铁而形成的B-2合金，耐晶间腐蚀性能得以改善，但出现中温脆性和裂纹。原因是Ni4Mo析出所致，为此适当加入铁、铬，使这一中温脆性得以解决，于是产生了B-3和B-4合金。

3）Ni-Cr耐蚀合金最重要的进展是1972年引入的Inconel 690耐应力腐蚀断裂的新合金，成为PWR蒸发器传热管的首选材料。

4）Ni-Fe-Cr耐蚀合金最主要的进展是中国20世纪70年代推出的新牌号耐蚀合金（00Cr25Ni35AlTi，NS1103），在压水堆蒸发器的环境中具有优异的耐SCC性能，已有30多年的运行经验，是一个可与Inconel 690相媲美的价格低廉的新合金。

5）Ni-Fe-Cr-Mo-Cu系列耐蚀合金在这一合金系列中有两项突出进展：·腐蚀性急剧升高的拐点25%Cr含量的确认，并依此发展了一些耐蚀合金牌号。将氮引入这一合金系列，发展了一些高强度铁镍基耐蚀合金。