镍基合金的力学、物理和化学性能

镍基合金的力学、物理和化学性能

以镍为基加入其他元素组成的合金就叫镍合金。镍具有良好的力学、物理和化学性能，添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蚀性、高温强度和改善某些物理性能。镍合金可作为电子管用材料、精密合金（磁性合金、精密电阻合金、电热合金等）、镍基高温合金以及镍基耐蚀合金和形状记忆合金等。在能源开发、化工、电子、航海、航空和航天等部门中，镍合金都有广泛用途。
镍能与铜、铁、锰、铬、硅、镁组成多种合金。其中镍铜合金是有名的蒙乃尔合金,它强度高,塑性好,在750度以下的大气中,化学性能稳定,广泛用于电气工业,真空管,化学工业,医疗器材和航海船舶工业等方面。

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。

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*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。

镍基合金是超合金中应用*广、强度*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。

三、镍基合金之微组织

镍基合金的晶体结构主要为高温稳定之 面心立方体(FCC)沃斯田铁结构，为了提高其耐热性质，添加了大量的合金元素，这些元素会形成各种二次相，提升了镍基合金之高温强度。二次相的种类包含各种形式之 MC、M23C6、M6C、M7C3碳化物，主要分布在晶界，以及如 γ’ 或 γ’’ 等结 构上为整合性(Coherent)之有序(Ordering)介金属化合物。γ’与 γ’’ 相之其化学组成大致是Ni3(Al, Ti) 或 Ni3Nb，此类有序相在高温下非常稳定，经由它们的强化可得到优良的潜变破坏强度。 典型镍基合金之微组织如下图：

随着合金化程度的提高，其显微组织的变化有如下趋势： γ’相数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，并由球状变成立方体，同一合金中出现尺寸和形态不相同的γ’相。此外，在铸造合金中还出现在凝固过程中形成的γ+γ’共晶，晶界析出不连续的颗粒状碳化物并被γ’相薄膜所包围，这些微组织的变化改善了合金的性能。此外，现代镍基合金的化学成份十分复杂，合金的饱和度很高，因此要求对每个合金元素 (尤其是主要强化元素)的含量严加控制，否则会在使用过程中容易析出其他有害的介金属相，如σ、Laves相等，将损害合金的强度和韧性。

四、合金元素之作用与牌号

镍基合金是高温合金中应用*广、强度*高的一类合金。其中添加较大量的Ni 为沃斯田铁相稳定元素，使得镍基合金维持 FCC结构而可以溶解较多其它合金元素，还能保持较好的组织稳定性与材料的塑性；而 Cr、Mo和Al则具有抗氧化和抗腐蚀作用，并具有一定的强化作用。镍基合金的强化依元素作用方式可分为：

(1)固溶强化元素，如W、Mo、Co、Cr和V等，藉由此类原子半径与基材的不同，在Ni-Fe之基地造成局部晶格应变来强化材料；

(2)析出强化元素则如Al、Ti、Nb和Ta等，可以形成整合性有序的A3B型金属间化合物，如Ni3(Al,Ti)等强化相(γ’)，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基合金更高的高温强度；

(3)晶界强化元素，如B、Zr、Mg和稀土元素等，可加强合金之高温性质。一般镍基合金的牌号由其所开发厂家来命名，如Ni-Cu合金又称为Monel合金，常见如Monel 400、K-500等。Ni-Cr合金一般称为 Inconel合金，也就是常见之镍基耐热合金，主要在氧化性介质条件下使用 ，常见如 Inconel 600、625等。若是Inconel合金中加入较高量的Fe来取代Ni，则为Incoloy合金，其耐高温程度不如镍基析出硬化型合金，但价格便宜，可用于喷射引擎里温度较低部份的组件及石化厂反应器等，如Incoloy 800H、825等。若于Inconel与Incoloy中加入析出强化元素，如Ti、Al、Nb等，则成为析出硬化型(铁)镍基合金，可于高温下仍保有良好的机械强度与抗蚀性，多用于喷射引擎的组件，如 Inconel 718 、Incoloy A-286 等。而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金则称为哈氏耐蚀合（Hastelloy)，其中Ni-Cr-Mo主要在还原性介质腐蚀的条件下使用。Hastelloy的代表牌号如C-276、C-2000等。