鎳(nie)基(ji)(ji)(ji)合金由于(yu)具有優異(yi)的(de)(de)高溫性(xing)能(neng)(neng)和(he)卓越的(de)(de)耐蝕性(xing)能(neng)(neng)，已在航空航天、核(he)電、火(huo)電、石油化(hua)工等(deng)領(ling)域獲(huo)得了廣泛的(de)(de)應用，但鎳(nie)基(ji)(ji)(ji)合金的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)往往會帶(dai)來不少的(de)(de)困難，主(zhu)要表現在相的(de)(de)變化(hua)導致(zhi)接(jie)(jie)頭性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)改變，以及焊(han)接(jie)(jie)過(guo)程中產生的(de)(de)各種裂(lie)紋等(deng)缺陷造成運行(xing)中的(de)(de)早期(qi)失效(xiao)。為此，眾多科(ke)技工作者長期(qi)以來對鎳(nie)基(ji)(ji)(ji)合金的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)開展(zhan)了大量(liang)的(de)(de)試驗研(yan)究，力求(qiu)在焊(han)接(jie)(jie)鎳(nie)基(ji)(ji)(ji)合金時能(neng)(neng)獲(huo)得高質量(liang)和(he)性(xing)能(neng)(neng)滿意的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭。
鎳基(ji)合(he)金是(shi)(shi)工(gong)程(cheng)材料最重要的(de)(de)(de)類別(bie)之(zhi)一(yi)，因為它們能夠用(yong)(yong)(yong)于多(duo)種環境和(he)場合(he)。在(zai)含(han)水和(he)高溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)耐蝕場合(he)、室溫(wen)(wen)和(he)高溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)高強(qiang)度(du)場合(he)、低溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)延性(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)場合(he)、特(te)殊的(de)(de)(de)電(dian)性(xing)(xing)(xing)(xing)能場合(he)以(yi)及與其他(ta)物理(li)性(xing)(xing)(xing)(xing)能有(you)關的(de)(de)(de)場合(he)都(dou)選用(yong)(yong)(yong)了這些合(he)金。鎳基(ji)合(he)金焊(han)(han)接(jie)材料能提(ti)(ti)供(gong)某些焊(han)(han)態下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)(xing)能，而這些性(xing)(xing)(xing)(xing)能是(shi)(shi)其他(ta)類型的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)產(chan)品所(suo)不能提(ti)(ti)供(gong)的(de)(de)(de)，例如(ru)被許(xu)多(duo)各種不同的(de)(de)(de)合(he)金元素(su)稀(xi)(xi)釋后(hou)，還能保持(chi)從低溫(wen)(wen)到接(jie)近固相線溫(wen)(wen)度(du)強(qiang)度(du)和(he)延性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)能力(li)。它們也是(shi)(shi)十分通用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)，例如(ru)，用(yong)(yong)(yong)于焊(han)(han)接(jie)9%鎳鋼(gang)的(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系焊(han)(han)接(jie)產(chan)品在(zai)液氮(dan)溫(wen)(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)還具有(you)非常高的(de)(de)(de)焊(han)(han)態強(qiang)度(du)和(he)沖擊(ji)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)。用(yong)(yong)(yong)來焊(han)(han)接(jie)鑄鐵的(de)(de)(de)鎳和(he)鎳－鐵合(he)金能被鐵和(he)碳(tan)稀(xi)(xi)釋后(hou)而保持(chi)延性(xing)(xing)(xing)(xing)，并提(ti)(ti)供(gong)良好的(de)(de)(de)機加(jia)工(gong)特(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)。鎳基(ji)合(he)金焊(han)(han)接(jie)材料亦廣泛(fan)用(yong)(yong)(yong)于電(dian)力(li)工(gong)業，可(ke)在(zai)碳(tan)鋼(gang)和(he)不銹鋼(gang)之(zhi)間進(jin)行異種焊(han)(han)接(jie)，作為在(zai)高溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)使用(yong)(yong)(yong)時熱膨脹系數的(de)(de)(de)過渡材料。
相對(dui)于(yu)鋼而言，鎳(nie)基合金能(neng)夠(gou)在(zai)低溫下使(shi)用(yong)，又能(neng)在(zai)接(jie)近1200℃的(de)(de)(de)高(gao)溫下使(shi)用(yong)，因(yin)為固溶合金的(de)(de)(de)基體從固態到絕對(dui)零度都保持(chi)奧氏體。這些(xie)加入適當添(tian)加劑的(de)(de)(de)合金提供了(le)(le)有用(yong)的(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)，并(bing)在(zai)包括電力、石化、化學(xue)加工(gong)、航(hang)天和控制(zhi)環境污染(ran)等(deng)的(de)(de)(de)廣大(da)工(gong)業(ye)領(ling)域中得到了(le)(le)應用(yong)。對(dui)鎳(nie)基合金來說(shuo)，焊接(jie)是(shi)一(yi)門關鍵性(xing)(xing)的(de)(de)(de)制(zhi)造技(ji)術。最近50年(nian)來，已(yi)經進行(xing)了(le)(le)大(da)量的(de)(de)(de)研究和開發工(gong)作，為更(geng)好地弄(nong)懂和控制(zhi)這些(xie)合金的(de)(de)(de)焊接(jie)性(xing)(xing)以及(ji)開發在(zai)焊接(jie)接(jie)頭耐蝕性(xing)(xing)和力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)方面能(neng)滿足(zu)更(geng)高(gao)要(yao)求的(de)(de)(de)焊接(jie)材料作出了(le)(le)不懈的(de)(de)(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(shang)用純鎳(nie)合金
商(shang)用純鎳合(he)金(jin)是(shi)基本(ben)上(shang)含有(you)鎳＞99%的那些(xie)合(he)金(jin)。這(zhe)(zhe)是(shi)一個商(shang)用純鎳合(he)金(jin)的完(wan)整族系，命名為200合(he)金(jin)和201合(he)金(jin)。這(zhe)(zhe)些(xie)材料具(ju)有(you)低強度(du)和低硬(ying)度(du)，原(yuan)則上(shang)由(you)于它們(men)具(ju)有(you)良(liang)好的耐蝕性而(er)用于苛(ke)性腐蝕環境(jing)。201合(he)金(jin)具(ju)有(you)最(zui)高(gao)(gao)值為0.02wt%的碳(tan)(tan)，所以它們(men)能夠(gou)在高(gao)(gao)于315℃（600°F)的高(gao)(gao)溫下使(shi)用而(er)無(wu)被“石墨化”的危險(xian)。因(yin)為碳(tan)(tan)在高(gao)(gao)于315℃的鎳基體中是(shi)相對易變的，添加超出溶解(jie)度(du)極限（～0.02%)的碳(tan)(tan)會造成石墨質點的沉淀，使(shi)材料變脆和變弱。
還有一些附加(jia)商用純(chun)鎳合金(jin)，它們在電或磁致伸縮的(de)(de)有限場(chang)合使用。這些合金(jin)具(ju)有良好(hao)的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)性(xing)，但在焊(han)(han)(han)接(jie)時對氣孔(kong)敏感。如(ru)果在焊(han)(han)(han)前和焊(han)(han)(han)接(jie)中保(bao)持清潔，這些合金(jin)會顯(xian)示良好(hao)的(de)(de)抗裂性(xing)，但保(bao)護氣體(ti)或焊(han)(han)(han)劑必須(xu)充足(zu)以避免氣孔(kong)的(de)(de)形成。商用純(chun)鎳焊(han)(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)含有最高達1.5%鋁(lv)和2.0%~3.5%鈦的(de)(de)添加(jia)劑來抵消少量的(de)(de)大氣污染。鈦和鋁(lv)與(yu)氧結(jie)合形成氧化物，與(yu)氮(dan)結(jie)合形成氮(dan)化物，因而控制了(le)在焊(han)(han)(han)縫熔敷金(jin)屬中的(de)(de)氣孔(kong)。
2. 固溶強化合金(jin)
鎳(nie)和(he)(he)銅是同(tong)一形態的(de)(de)(de)元素（完全(quan)固溶性(xing)），能(neng)(neng)在整個(ge)成分范(fan)圍(wei)(wei)內(nei)生成單相(xiang)合(he)(he)金(jin)(jin)。這個(ge)族系(xi)(xi)的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)通(tong)常(chang)對(dui)海水和(he)(he)其他(ta)一般腐(fu)蝕環境顯示(shi)出良好(hao)(hao)的(de)(de)(de)耐蝕性(xing)。通(tong)常(chang)Ni-Cu合(he)(he)金(jin)(jin)有(you)(you)很好(hao)(hao)的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)性(xing)，但如果(guo)不(bu)使(shi)用適當(dang)的(de)(de)(de)保護或(huo)良好(hao)(hao)的(de)(de)(de)抗氧化(hua)焊(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)，可能(neng)(neng)會對(dui)氣(qi)孔敏(min)感。其他(ta)的(de)(de)(de)固溶強化(hua)鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)可以(yi)僅(jin)含有(you)(you)鐵(tie)，這些合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)大多(duo)數(shu)(shu)由于特(te)定(ding)的(de)(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數(shu)(shu)或(huo)電性(xing)能(neng)(neng)而(er)得到使(shi)用。Ni-36%Fe合(he)(he)金(jin)(jin)通(tong)常(chang)稱(cheng)作INVAR合(he)(he)金(jin)(jin)，在所有(you)(you)的(de)(de)(de)鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)中具有(you)(you)最低(di)的(de)(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數(shu)(shu)，在幾百(bai)度的(de)(de)(de)溫度范(fan)圍(wei)(wei)內(nei)加熱和(he)(he)冷卻一直到約300°F,僅(jin)以(yi)小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)(de)速率膨脹(zhang)和(he)(he)收(shou)縮。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)(jin)有(you)(you)較(jiao)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)性(xing)，但開(kai)發又有(you)(you)良好(hao)(hao)抗凝固裂(lie)紋性(xing)能(neng)(neng)，又有(you)(you)相(xiang)匹配膨脹(zhang)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)對(dui)焊(han)(han)材(cai)制造商來說是一個(ge)挑(tiao)戰。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)(jin)及其焊(han)(han)材(cai)也可能(neng)(neng)對(dui)低(di)塑性(xing)開(kai)裂(lie)敏(min)感，這種開(kai)裂(lie)的(de)(de)(de)機理將在第3章中詳細闡述。
其(qi)他固(gu)溶(rong)合(he)金(jin)(jin)含有不同的置換元素(su)，包括鉻(ge)、鉬(mu)和鎢。每種元素(su)都能賦予特殊的性能，并有能力(li)改變每種合(he)金(jin)(jin)的焊(han)接特性。固(gu)溶(rong)強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)鎳基(ji)合(he)金(jin)(jin)的最高(gao)抗拉(la)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)值接近830 MPa(120 ksi),而屈服強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這(zhe)些(xie)合(he)金(jin)(jin)在要求(qiu)具有良好耐蝕性的廣(guang)泛場合(he)下(xia)使用。如果要求(qiu)較(jiao)高(gao)的強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)水(shui)平(ping)，必須(xu)選擇沉淀強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)合(he)金(jin)(jin)。
3. 沉淀(dian)強化(hua)合金
沉(chen)淀(dian)強(qiang)(qiang)化鎳基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)含有(you)鈦、鋁和(he)(he)(he)／或鈮等添加劑，在(zai)(zai)適當(dang)(dang)的(de)熱(re)處(chu)(chu)理(li)后與鎳形(xing)(xing)成強(qiang)(qiang)化的(de)沉(chen)淀(dian)物。在(zai)(zai)大多數情(qing)況下(xia)，這些沉(chen)淀(dian)物與奧氏(shi)體基體具有(you)凝(ning)聚力，并(bing)使基體變形(xing)(xing)，因而(er)實(shi)質上增(zeng)加了(le)(le)基體的(de)強(qiang)(qiang)度。這些沉(chen)淀(dian)物的(de)大多數稱(cheng)為(wei)Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)(he)(he)Nig(Al,Ti)]和(he)(he)(he)γ”（Y"-NisNb)。在(zai)(zai)最(zui)佳(jia)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)添加劑和(he)(he)(he)熱(re)處(chu)(chu)理(li)情(qing)況下(xia)，這些合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)能(neng)夠強(qiang)(qiang)化到最(zui)高抗拉強(qiang)(qiang)度超(chao)(chao)過(guo)(guo)1380 MPa(200 ksi)和(he)(he)(he)0.2%屈服強(qiang)(qiang)度超(chao)(chao)過(guo)(guo)1035 MPa(150 ksi).第一個沉(chen)淀(dian)硬(ying)化Ni-Cr合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)（X-750)是由(you)γ'強(qiang)(qiang)化的(de)，在(zai)(zai)靠近(jin)γ'溶解(jie)線溫(wen)度下(xia)，顯示出良好的(de)抗氧化性和(he)(he)(he)高溫(wen)強(qiang)(qiang)度的(de)組合(he)(he)。不幸的(de)是，當(dang)(dang)焊(han)后并(bing)直(zhi)接時(shi)(shi)(shi)(shi)效而(er)不在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)間插入退火(huo)處(chu)(chu)理(li)時(shi)(shi)(shi)(shi)，會產生焊(han)后應變時(shi)(shi)(shi)(shi)效裂紋（SAC).這種開(kai)裂的(de)機(ji)理(li)將在(zai)(zai)第4章中(zhong)(zhong)詳細闡述。在(zai)(zai)為(wei)改(gai)善焊(han)接性和(he)(he)(he)避免SAC的(de)努力下(xia)，開(kai)發了(le)(le)γ”強(qiang)(qiang)化的(de)第二(er)代(dai)沉(chen)淀(dian)硬(ying)化Ni-Cr-Mo合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)。這些合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)中(zhong)(zhong)最(zui)普(pu)遍的(de)是718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)。因為(wei)γ”沉(chen)淀(dian)物比(bi)γ'的(de)形(xing)(xing)成要(yao)(yao)慢得多，718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)(zai)焊(han)后熱(re)處(chu)(chu)理(li)時(shi)(shi)(shi)(shi)通常不受SAC影響(xiang)。718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)主(zhu)要(yao)(yao)應用(yong)之一是航(hang)空航(hang)天(tian)燃氣透平傳動軸(zhou)和(he)(he)(he)耐壓殼(ke)。如果適當(dang)(dang)地熔煉，獲得低含量的(de)雜質，該(gai)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)可提供極大的(de)使用(yong)機(ji)會。當(dang)(dang)設(she)計合(he)(he)理(li)時(shi)(shi)(shi)(shi)，在(zai)(zai)一直(zhi)到760℃（1400°F)的(de)使用(yong)溫(wen)度下(xia)，具有(you)極佳(jia)的(de)疲勞壽命。
基于沉淀強化合(he)(he)金(jin)具有在高(gao)溫下不(bu)同(tong)尋常的高(gao)強度和(he)耐蝕(shi)性(xing)，所以通常把它們(men)歸類(lei)為“超合(he)(he)金(jin)”。該術語曾(ceng)松散地應用于許多其他高(gao)強度多元(yuan)合(he)(he)金(jin)，但(dan)一般術語“超合(he)(he)金(jin)”是用來描(miao)述(shu)由γ'和(he)γ”相(xiang)所提供的具有超強度性(xing)能的鎳基合(he)(he)金(jin)。
在(zai)燃氣輪機動葉(xie)片上采用超合(he)金(jin)(jin)(jin)始于IN713C合(he)金(jin)(jin)(jin)。這(zhe)種合(he)金(jin)(jin)(jin)與X-750合(he)金(jin)(jin)(jin)相似，但(dan)僅僅作為鑄件(jian)生(sheng)產，因為含有(you)較多的(de)(de)(de)鋁、鈦添加(jia)劑，因此從鑄造溫度下冷卻時(shi)，會(hui)發生(sheng)時(shi)效硬化。由(you)于該合(he)金(jin)(jin)(jin)對SAC有(you)極(ji)高(gao)的(de)(de)(de)敏(min)感(gan)性，所以產品修復(fu)受(shou)到限制(zhi)，但(dan)在(zai)葉(xie)片頂(ding)端(duan)堆(dui)焊(han)則(ze)不會(hui)開裂。經過(guo)數十年的(de)(de)(de)技術進展，增加(jia)了“超合(he)金(jin)(jin)(jin)”族(zu)系的(de)(de)(de)其(qi)他成員，包括超高(gao)強度和(he)耐腐蝕(shi)的(de)(de)(de)單晶透(tou)平(ping)葉(xie)片合(he)金(jin)(jin)(jin)。為了減少在(zai)運行時(shi)受(shou)到侵蝕(shi)，在(zai)葉(xie)片頂(ding)端(duan)堆(dui)焊(han)是可(ke)行的(de)(de)(de)，只(zhi)要焊(han)接過(guo)程能(neng)很好得到控制(zhi)，并使(shi)殘(can)余應力保持在(zai)較低水平(ping)。最初這(zhe)些材料在(zai)焊(han)接修復(fu)時(shi)曾遇到挑戰(zhan)，包括避免在(zai)熔池(chi)中(zhong)的(de)(de)(de)晶粒分(fen)散(san)和(he)阻止開裂。
4. 其他(ta)特殊合金
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(lv)化合(he)物是(shi)圍(wei)(wei)繞或(huo)是(shi)NiAl或(huo)是(shi)Ni3Al組成(cheng)而設計的(de)合(he)金(jin)。它們顯示出非常高的(de)強(qiang)度和(he)耐蝕性能(neng)，但由(you)于(yu)(yu)它們在很大溫度范圍(wei)(wei)內延性低，所以焊接非常困難(nan)。Ni-Cr-B和(he)Ni-Mo-Si合(he)金(jin)曾被開發用于(yu)(yu)在不同環境下的(de)耐磨材料，但這些合(he)金(jin)由(you)于(yu)(yu)硬度高、延性低，并在其(qi)成(cheng)分范圍(wei)(wei)內會形(xing)成(cheng)低熔融(rong)區間的(de)相，所以同樣難(nan)以焊接。
