中外镍合金材料对照表、各种元素对镍基合金的作用

2022-12-26 14:15:05 作者：材子笔记来源：材子笔记分享至：

镍是一种铁磁性金属元素，具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化、延展性好等优良性能，广泛用于冶金、化工、航空航天等领域，是制备不锈钢、高温合金、动力电池等材料的重要原材料，属于关键战略金属资源。世界镍资源主要分布在印度尼西亚、澳大利亚、巴西和俄罗斯，而我国镍资源储量占比不足3%，属于典型“少镍”国家。

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。

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。