鎳基合金是指以鎳為基(Ni含量>50%)并含有其他一些元素，且650℃~1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度和一定的抗氧化、抗腐蝕能力等綜合性能的一類合金。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在６００℃～１ ２００℃的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料,其中包含高熔點(diǎn)金屬Ni（1450℃）、Co（1480℃）、Mo（2620℃），并具有較高的高溫強(qiáng)度， 良好的抗氧化和抗腐蝕性能， 良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。那么， 以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650～1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力的高溫合金稱之為鎳基高溫合金 。鎳基高溫合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新。鎳基高溫合金是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基高溫合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti) ；為 了 提 高 蠕 變 強(qiáng) 度 又 添 加 鋁 ， 研 制 出 Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基合金。50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基高溫合金大都是變形合金。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(qiáng)度，但是合金的強(qiáng)度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)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(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，60 年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40 年代初到70年代末大約40年的時(shí)間內(nèi)，鎳基高溫合金的工作溫度從700℃提高到 1100℃，平均每年提高10℃左右。
鎳基高溫合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的A3B型金屬間化合物 g[Ni3(Al，Ti)]相作為強(qiáng)化相，使合金得到有效的強(qiáng)化， 獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。鎳基合金含有十多種元素，其中 Cr 主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強(qiáng)化作用。根據(jù)它們的強(qiáng)化作用方式可分為：固溶強(qiáng)化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強(qiáng)化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強(qiáng)化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。鎳基合金按強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化型合金和沉淀強(qiáng)化型合金。
一. 高溫合金的特點(diǎn)
1、具有高的熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性、高溫蠕變性能；
2、抗氧化、抗腐蝕、抗疲勞性能好；
3、比強(qiáng)度高和彈性模量高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好；
4、具有良好的加工工藝性能。
二. 高溫合金的分類
高溫合金材料按制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金和發(fā)散冷卻高溫合金。
按合金基體元素，可分為鐵基、鎳基和鈷基高溫合金，使用最廣的是鎳基高溫合金，其高溫持久強(qiáng)度最高，鈷基高溫合金次之，鐵基高溫合金最低。
按強(qiáng)化方式，可分為固溶強(qiáng)化高溫合金、時(shí)效強(qiáng)化高溫合金和氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。
按主要用途又可分為板材合金、棒材合金和盤材合金。
三. 高溫合金的熔煉
鎳基高溫合金是基于 Cr20Ni80合金發(fā)展起來，能在高溫環(huán)境中長期穩(wěn)定使用的金屬材料。隨著制備工藝不斷改進(jìn)，成分設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，高溫合金零部件的服役溫度及使用壽命也不斷提高。鎳基高溫合金熔煉主要有以下方式。VIM 是鎳基高溫合金熔煉的**步，其主要目的是為了得到化學(xué)成分符合要求的母合金錠，為鑄錠的二次重熔做好成分和潔凈度的準(zhǔn)備。VIM能有效控制 O、N、H 等氣體元素以及 S、P、Si等有害元素的含量，實(shí)現(xiàn)對母合金錠成分的精確控制。按照熔煉流程，真空感應(yīng)熔煉可大致分為裝料、熔化、精煉以及澆注四個(gè)主要階段。VIM 熔化階段的主要目的，是為了將加入坩堝中的金屬爐料快速熔化，去除熔融金屬液中的 O、N、H 等氣體元素，以及非金屬夾雜物和有害雜質(zhì)等。熔化期需要合理控制熔化速率以及真空度這兩個(gè)關(guān)鍵因素，避免“架橋”現(xiàn)象的發(fā)生，并保證原料熔化速率和有害氣體排除的匹配。ESR 是高溫合金潔凈化冶煉的主要環(huán)節(jié)之一。ESR是上世紀(jì)五十年代由電渣焊技術(shù)發(fā)展演變的一種熔煉方法，并在七八十年代被世界各國廣泛應(yīng)用于熔煉冶金等領(lǐng)域。電渣重熔基本原理是電流在通過渣料時(shí)，由于渣料電阻較大會(huì)產(chǎn)生大量熱量，利用渣阻熱將需要重熔的電極逐步熔化。金屬液以熔滴的形式通過渣料實(shí)現(xiàn)凈化，最終在水冷結(jié)晶器中完成自下而上的凝固。VAR 是一種將一次熔煉得到的母合金錠作為重熔電極，利用真空自耗爐在真空氛圍及低壓直流電弧作用下，將電極棒逐漸熔化，并在水冷銅結(jié)晶器中快速冷卻凝固的一種工藝技術(shù)。1.真空感應(yīng)熔煉+保護(hù)氣氛電渣重熔（VIM+ PESR）雙聯(lián)工藝VIM+ESR 是常用的鎳基高溫合金雙聯(lián)熔煉工藝。但 ESR過程與大氣直接接觸，不可避免地會(huì)出現(xiàn)吸 O 吸 H 和易氧化元素?zé)龘p的情況。而 VIM+PESR 則可以有效隔絕大氣環(huán)境，防止氧含量的增加。VIM+PESR 能夠起到降低合金中 O 含量，提高易氧化元素收得率及均勻分布的效果。根據(jù)合金特點(diǎn)匹配合適的渣系，并選擇開發(fā)新型電渣重熔技術(shù)，已經(jīng)成為鎳基高溫合金潔凈化熔煉的重要基礎(chǔ)。2. 真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR）雙聯(lián)工藝相較于 ESR，VAR 是一種無需利用渣料的技術(shù)，因此，在重熔過程不會(huì)因?yàn)殍T錠表面渣皮影響而阻礙傳熱。同時(shí)，在凝固鑄錠及結(jié)晶器之間可充入冷卻介質(zhì)（例如He氣）加強(qiáng)冷卻效果，從而得到的熔池更淺，冷卻更快，有利于獲得組織更加細(xì)密、偏析更小的自耗錠。為了進(jìn)一步提升 VIM+VAR 雙真空熔煉工藝的穩(wěn)定性，國外已相繼開發(fā)出熔滴凝固控制成形、同軸供電以及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)稱重控制等先進(jìn)技術(shù)，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。3.真空感應(yīng)熔煉+保護(hù)氣氛電渣重熔+真空自耗重熔（VIM+PESR+VAR）三聯(lián)工藝由于 VIM+PESR 以及 VIM+VAR 雙聯(lián)工藝各自存在一些不足，無法滿足組織性能要求更高的合金熔煉需求，而 VIM+PESR+VAR 三聯(lián)工藝，可以將PESR去S去O，減少雜質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)以及VAR減小偏析的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)熔煉鑄錠的性能優(yōu)化，滿足要求更加嚴(yán)苛的熔煉需求。
VIM+ESR+VAR 三聯(lián)工藝能夠結(jié)合各熔煉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高潔凈度的超大規(guī)格鑄錠的熔煉，是高質(zhì)量鎳基高溫合金熔煉工藝的發(fā)展趨勢。但國內(nèi)應(yīng)用三聯(lián)工藝制備出的鎳基高溫合金鑄錠質(zhì)量及性能與國外還存在一定差距。為此，還需進(jìn)一步加大對三聯(lián)工藝的應(yīng)用研究，選擇優(yōu)質(zhì)原料，優(yōu)化各熔煉階段工藝參數(shù)的精確控制，提升熔煉過程的技術(shù)及管理要求，保證各熔煉階段之間的連續(xù)性及協(xié)調(diào)性，達(dá)到提升鎳基高溫合金熔煉鑄錠質(zhì)量及性能的目的。
鎳合金按用途可分為五類：鎳基高溫合金、鎳基耐蝕合金、鎳基耐磨合金、鎳基精密合金以及鎳基形狀記憶合金。
鎳基高溫合金：主要合金元素有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。在650～1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度和抗氧化、抗燃?xì)飧g能力，是高溫合金中應(yīng)用最廣、高溫強(qiáng)度最高的一類合金。用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上的高溫零部件。
因科鎳（INCONEL）Ni-Cr，Ni-Cr-Fe合金，Inconel后接以不同的三位數(shù)字，表示不同化學(xué)成分的合金，如Inconel600、Inconel625、Incone1718等。**位數(shù)為偶數(shù)，表示固溶強(qiáng)化的合金，奇數(shù)則表示沉淀強(qiáng)化的合金。
Inconel600 優(yōu)異的強(qiáng)度和易加工特性，主要用于腐蝕環(huán)境，在高達(dá)1177度的環(huán)境下有耐氧化性能，耐熱耐蝕合金，具有良好的抗晶間腐蝕性能、應(yīng)力腐蝕開裂及高溫鹵素腐蝕能力；抗氧化性能、冷熱加工性能、低溫機(jī)械性能、冷熱疲勞性能。650℃下具有較高的強(qiáng)度，成型性好，易于焊接。主要用于蒸汽機(jī)、供水加熱器、核電站冷卻器；苛性鈉和VCM生產(chǎn)；紙漿及造紙工業(yè)。Incoloy是一種鎳鉻鐵合金，是為溫度升高時(shí)抗氧化和碳化而設(shè)計(jì)的。Incoloy合金有很多種類：常見的如Incoloy800、Incoloy800H、Incoloy800HT、Incoloy825、Incoloy840、Incoloy901、Incoloy925、Incoloy330、Incoloy 25-6Mo等。
高溫合金800系列，是一種不能沉淀強(qiáng)化的耐蝕Ni-Fe-Cr合金，是一種在高溫條件下具有良好強(qiáng)度、耐腐蝕、抗氧化性和抗?jié)B碳性的優(yōu)質(zhì)材料。由于受高溫、高壓聯(lián)合作用，任何焊接缺陷帶來的后果都是極度其嚴(yán)重的。尤其是焊接裂紋，不僅直接降低了焊接接頭的有效承載面積，而且在裂紋的尖端還形成了強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，使裂紋尖端的局部應(yīng)力大大高于焊接接頭的平均應(yīng)力。一旦失效，就會(huì)給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的后果。在焊接過程中，必須采取適當(dāng)措施，否則會(huì)導(dǎo)致焊接接頭過熱,使其力學(xué)性能和耐熱性能急劇下降。因此，在制定工藝參數(shù)以及焊接操作過程中，應(yīng)充分考慮這一特點(diǎn)，增加冷卻速度。
鎳基高溫合金在焊接過程中焊縫金屬具有較大的結(jié)晶裂紋傾向。此外焊縫氣孔、焊接接頭的晶間腐蝕及等強(qiáng)問題在制定工藝時(shí)也需考慮。
1. 焊接熱裂紋
鎳基高溫合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性，鎳基合金焊接時(shí)，焊縫可能產(chǎn)生宏觀裂紋、微裂紋或二者同時(shí)存在。從化學(xué)成分和組織上分析，合金元素含量多，系單相奧氏體組織，對合金元素的溶解度有限。這些合金元素與基體中的Ni、Fe作用，生成低熔點(diǎn)的共晶物，偏析于晶界，在焊接應(yīng)力的作用下產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，加之焊縫金屬在凝固時(shí)形成方向性很強(qiáng)的單相奧氏體柱狀結(jié)晶，低熔點(diǎn)共晶物偏析于柱狀結(jié)晶之間，在應(yīng)力作用下極易開裂。鎳基高溫合金導(dǎo)熱率低，工件處于高溫狀態(tài)時(shí)間長，晶粒嚴(yán)重長大，促使了低熔點(diǎn)共晶物的形成。
2. 對氣孔的敏感性
造成氣孔的因素很多，工件表面的潮氣、油垢、氧化膜等，在焊接加熱過程中這些雜質(zhì)若清理不干凈，則被吸附和分解成氫、水氣，焊接熔池在高溫液態(tài)下， 能溶解較多的氫、氧、氮等氣體。鎳基高溫合金密度大，熔池流動(dòng)性較差，影響氣體的逸出，因此易形成氣孔。
3. 焊接區(qū)的腐蝕傾向
由于該系合金具有兩個(gè)敏化溫度區(qū)，敏化狀態(tài)發(fā)生鉻等碳化物的沉淀，引起晶界貧鉻現(xiàn)象，導(dǎo)致在某種介質(zhì)中的晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向。在焊接該類鋼時(shí)，應(yīng)快速冷卻，避免焊接區(qū)在高溫時(shí)停留過長，防止產(chǎn)生晶間腐蝕。
4. 焊接接頭等強(qiáng)度問題
不論是固溶強(qiáng)化型鎳基合金還是沉淀強(qiáng)化型鎳基合金，焊接接頭在一般狀態(tài)下均達(dá)不到與母材等強(qiáng)度的要求。焊態(tài)的Ni-Fe-Cr基固溶強(qiáng)化合金，焊接接頭在常溫和高溫下的瞬時(shí)強(qiáng)度并無明顯降低，但在高溫下的持久強(qiáng)度卻大幅降低，熱處理后也得不到改善。過熱區(qū)越寬，這種影響越大。生產(chǎn)實(shí)踐表明，這和接頭熱影響區(qū)普遍存在過熱、晶粒長大嚴(yán)重有直接關(guān)系。
5. 焊接工藝要點(diǎn)
（1）正確選擇焊材；
（2）接頭型式：采用大坡口角度和小鈍邊的接頭型式；
（3）坡口附近及焊絲的清理：特點(diǎn)重要，以防止熱裂紋和氣孔；
（4）焊前預(yù)熱：一般不需要焊前預(yù)熱，層間溫度應(yīng)控制在100 ℃ 以下。但當(dāng)母材溫度低于15℃時(shí)，應(yīng)加熱至15-20 ℃，以免濕氣冷凝；
（5）焊接工藝：限制熱輸入，采用小線能量和保持電弧電壓的穩(wěn)定，并采用短弧不 擺動(dòng)或小擺動(dòng)的操作方法。對于小直徑管道焊接過程中宜采取強(qiáng)制冷卻措施減少焊縫的高溫停留時(shí)間，增加焊縫的冷卻速度。焊后焊縫表面熔渣和飛濺物的及時(shí)清理，以防止熔渣中的S等雜 質(zhì)對焊縫造成脆化或腐蝕性能下降；
（6）焊后熱處理：一般不推薦焊后熱處理。但有時(shí)為保證使用中不發(fā)生晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕需要熱處理。
6. 鎳基合金的焊材選用原則
（1）同種鎳材焊接時(shí)的焊材選用：應(yīng)選用和母材合金系列相同的焊接材料; 若無耐腐蝕性能要求，也可選用與母材合金系統(tǒng)不同的焊接材料，但應(yīng)保證接頭具備設(shè)計(jì)要求的性能。
（2）異種鎳材及鎳材與奧氏體不銹鋼之間的焊接，應(yīng)考慮下列因 素：焊縫的強(qiáng)度（包括高溫持久強(qiáng)度），耐腐蝕性滿足設(shè)計(jì)；選用線膨脹系數(shù)與母材相近的焊接材料?？紤]焊材對焊接裂紋、氣孔的敏感性。
例如：
奧氏體不銹鋼與Monel 400焊接：焊條ENiCu-7 ；焊絲ERNiCu7。
Monel 400與Inconel600焊接：焊條ENiCrFe-3；焊絲 ERNiCr-3。
Incoloy 800H與Hastelloy C-276焊接：焊條ENiMo-3；焊絲 ERNiMo-3 。
