鎳(nie)基(ji)合金(jin)(jin)由于具有優異的(de)(de)(de)(de)高溫性能(neng)(neng)(neng)和卓越的(de)(de)(de)(de)耐蝕性能(neng)(neng)(neng)，已在(zai)航(hang)空航(hang)天、核電、火電、石(shi)油化(hua)(hua)工等(deng)(deng)領域獲得了廣泛的(de)(de)(de)(de)應(ying)用，但(dan)鎳(nie)基(ji)合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)往(wang)往(wang)會帶來不少(shao)的(de)(de)(de)(de)困難，主要表現在(zai)相的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)導致接(jie)(jie)(jie)頭性能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)改變(bian)，以及焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)過程中產生的(de)(de)(de)(de)各種裂紋等(deng)(deng)缺陷造成運(yun)行中的(de)(de)(de)(de)早期失效(xiao)。為此(ci)，眾多科技工作者長期以來對鎳(nie)基(ji)合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)開展了大量的(de)(de)(de)(de)試驗研究，力求在(zai)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鎳(nie)基(ji)合金(jin)(jin)時能(neng)(neng)(neng)獲得高質(zhi)量和性能(neng)(neng)(neng)滿意的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)頭。
鎳基(ji)合(he)(he)(he)金是工(gong)(gong)程(cheng)材(cai)(cai)料最(zui)重要的(de)(de)類別之一，因為(wei)它(ta)們能(neng)(neng)(neng)(neng)夠用(yong)于多種(zhong)環境和(he)場(chang)(chang)合(he)(he)(he)。在含(han)水(shui)和(he)高溫(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)耐蝕場(chang)(chang)合(he)(he)(he)、室溫(wen)和(he)高溫(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)高強(qiang)度(du)場(chang)(chang)合(he)(he)(he)、低(di)溫(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)延(yan)(yan)性(xing)和(he)韌性(xing)場(chang)(chang)合(he)(he)(he)、特殊的(de)(de)電性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)場(chang)(chang)合(he)(he)(he)以及(ji)與其他(ta)物理性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)有關的(de)(de)場(chang)(chang)合(he)(he)(he)都選用(yong)了這(zhe)(zhe)些合(he)(he)(he)金。鎳基(ji)合(he)(he)(he)金焊(han)接(jie)(jie)材(cai)(cai)料能(neng)(neng)(neng)(neng)提供某些焊(han)態下(xia)(xia)的(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)，而這(zhe)(zhe)些性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)是其他(ta)類型(xing)的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)產品所不(bu)能(neng)(neng)(neng)(neng)提供的(de)(de)，例如被許多各種(zhong)不(bu)同的(de)(de)合(he)(he)(he)金元素稀釋后(hou)(hou)，還能(neng)(neng)(neng)(neng)保持從低(di)溫(wen)到接(jie)(jie)近固相線溫(wen)度(du)強(qiang)度(du)和(he)延(yan)(yan)性(xing)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)力。它(ta)們也(ye)是十(shi)分通(tong)用(yong)的(de)(de)，例如，用(yong)于焊(han)接(jie)(jie)9%鎳鋼(gang)的(de)(de)Ni-Cr-Mo系焊(han)接(jie)(jie)產品在液氮(dan)溫(wen)度(du)下(xia)(xia)還具(ju)有非常高的(de)(de)焊(han)態強(qiang)度(du)和(he)沖擊韌性(xing)。用(yong)來焊(han)接(jie)(jie)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)的(de)(de)鎳和(he)鎳－鐵(tie)(tie)合(he)(he)(he)金能(neng)(neng)(neng)(neng)被鐵(tie)(tie)和(he)碳稀釋后(hou)(hou)而保持延(yan)(yan)性(xing)，并提供良(liang)好的(de)(de)機(ji)加(jia)工(gong)(gong)特性(xing)。鎳基(ji)合(he)(he)(he)金焊(han)接(jie)(jie)材(cai)(cai)料亦廣泛用(yong)于電力工(gong)(gong)業，可在碳鋼(gang)和(he)不(bu)銹鋼(gang)之間進行異種(zhong)焊(han)接(jie)(jie)，作為(wei)在高溫(wen)下(xia)(xia)使用(yong)時熱膨(peng)脹系數的(de)(de)過渡材(cai)(cai)料。
相對(dui)于(yu)鋼而言(yan)，鎳基(ji)合(he)金(jin)(jin)(jin)能夠在(zai)低溫下使用，又能在(zai)接近1200℃的(de)高溫下使用，因為固(gu)溶合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)基(ji)體從固(gu)態(tai)到絕(jue)對(dui)零度都(dou)保(bao)持奧氏體。這(zhe)(zhe)些加入適(shi)當添加劑的(de)合(he)金(jin)(jin)(jin)提(ti)供了(le)有用的(de)耐蝕性(xing)(xing)，并在(zai)包括電力(li)(li)、石化、化學加工(gong)、航天(tian)和(he)控(kong)制(zhi)(zhi)環(huan)境污染等的(de)廣大(da)工(gong)業領域(yu)中(zhong)得到了(le)應用。對(dui)鎳基(ji)合(he)金(jin)(jin)(jin)來說(shuo)，焊接是一門關鍵性(xing)(xing)的(de)制(zhi)(zhi)造技術(shu)。最近50年來，已經進行了(le)大(da)量的(de)研究和(he)開(kai)(kai)發工(gong)作，為更好地弄懂和(he)控(kong)制(zhi)(zhi)這(zhe)(zhe)些合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)焊接性(xing)(xing)以及開(kai)(kai)發在(zai)焊接接頭耐蝕性(xing)(xing)和(he)力(li)(li)學性(xing)(xing)能方面能滿足更高要求的(de)焊接材料(liao)作出了(le)不懈的(de)努力(li)(li)。
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. 商用(yong)純鎳(nie)合(he)金(jin)
商用純鎳(nie)合(he)金(jin)是基本上含有(you)鎳(nie)＞99%的(de)(de)(de)那些合(he)金(jin)。這是一個商用純鎳(nie)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)完整族系，命名為(wei)(wei)200合(he)金(jin)和201合(he)金(jin)。這些材(cai)料(liao)具(ju)(ju)有(you)低強度和低硬度，原則上由于(yu)它(ta)們具(ju)(ju)有(you)良好的(de)(de)(de)耐蝕性而(er)用于(yu)苛性腐蝕環(huan)境。201合(he)金(jin)具(ju)(ju)有(you)最(zui)高(gao)值(zhi)為(wei)(wei)0.02wt%的(de)(de)(de)碳，所以它(ta)們能(neng)夠在高(gao)于(yu)315℃（600°F)的(de)(de)(de)高(gao)溫下使(shi)用而(er)無被“石墨化”的(de)(de)(de)危險。因為(wei)(wei)碳在高(gao)于(yu)315℃的(de)(de)(de)鎳(nie)基體中是相對易變(bian)(bian)的(de)(de)(de)，添加超(chao)出溶解度極限（～0.02%)的(de)(de)(de)碳會(hui)造(zao)成石墨質點(dian)的(de)(de)(de)沉淀，使(shi)材(cai)料(liao)變(bian)(bian)脆和變(bian)(bian)弱。
還有(you)(you)一些附加(jia)商用純鎳合(he)金(jin)，它們在電(dian)或(huo)磁致伸縮的(de)有(you)(you)限場(chang)合(he)使用。這(zhe)些合(he)金(jin)具(ju)有(you)(you)良(liang)好的(de)焊(han)接性，但在焊(han)接時對氣(qi)孔(kong)敏感。如果在焊(han)前和(he)焊(han)接中(zhong)保(bao)持(chi)清潔(jie)，這(zhe)些合(he)金(jin)會顯示良(liang)好的(de)抗裂性，但保(bao)護(hu)氣(qi)體或(huo)焊(han)劑(ji)必須(xu)充足以避免氣(qi)孔(kong)的(de)形成。商用純鎳焊(han)接材(cai)料(liao)含有(you)(you)最高達1.5%鋁(lv)和(he)2.0%~3.5%鈦的(de)添加(jia)劑(ji)來抵消少(shao)量(liang)的(de)大氣(qi)污染。鈦和(he)鋁(lv)與(yu)氧結合(he)形成氧化物(wu)，與(yu)氮結合(he)形成氮化物(wu)，因而控制了在焊(han)縫熔(rong)敷金(jin)屬(shu)中(zhong)的(de)氣(qi)孔(kong)。
2. 固溶強化合金(jin)
鎳和銅是同一(yi)形態(tai)的(de)(de)元素（完(wan)全(quan)固溶性(xing)），能(neng)在整個成分范圍(wei)內生成單相(xiang)合(he)金(jin)(jin)(jin)。這個族系的(de)(de)材(cai)料通(tong)常對(dui)海水和其(qi)他(ta)一(yi)般(ban)腐(fu)蝕(shi)環境顯示出良好的(de)(de)耐蝕(shi)性(xing)。通(tong)常Ni-Cu合(he)金(jin)(jin)(jin)有(you)(you)很好的(de)(de)焊(han)(han)接性(xing)，但(dan)如果不使用適當的(de)(de)保護或良好的(de)(de)抗氧化焊(han)(han)接材(cai)料，可能(neng)會對(dui)氣孔敏感(gan)。其(qi)他(ta)的(de)(de)固溶強(qiang)化鎳基合(he)金(jin)(jin)(jin)可以(yi)僅(jin)含有(you)(you)鐵，這些合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)大多數由于(yu)(yu)特定(ding)的(de)(de)膨脹(zhang)系數或電性(xing)能(neng)而得(de)到(dao)(dao)使用。Ni-36%Fe合(he)金(jin)(jin)(jin)通(tong)常稱作INVAR合(he)金(jin)(jin)(jin)，在所有(you)(you)的(de)(de)鎳基合(he)金(jin)(jin)(jin)中(zhong)具(ju)有(you)(you)最低(di)的(de)(de)膨脹(zhang)系數，在幾(ji)百度(du)的(de)(de)溫度(du)范圍(wei)內加熱(re)和冷卻一(yi)直到(dao)(dao)約300°F,僅(jin)以(yi)小于(yu)(yu)1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)速率膨脹(zhang)和收縮。Ni-Fe合(he)金(jin)(jin)(jin)有(you)(you)較好的(de)(de)焊(han)(han)接性(xing)，但(dan)開發(fa)又有(you)(you)良好抗凝固裂(lie)紋(wen)性(xing)能(neng)，又有(you)(you)相(xiang)匹配膨脹(zhang)性(xing)能(neng)的(de)(de)焊(han)(han)接材(cai)料對(dui)焊(han)(han)材(cai)制造商來(lai)說是一(yi)個挑戰。Ni-Fe合(he)金(jin)(jin)(jin)及其(qi)焊(han)(han)材(cai)也可能(neng)對(dui)低(di)塑性(xing)開裂(lie)敏感(gan)，這種開裂(lie)的(de)(de)機理將在第3章中(zhong)詳細闡(chan)述。
其他固溶合(he)金(jin)含有(you)不同的置換元(yuan)素，包括鉻(ge)、鉬和(he)鎢。每種(zhong)元(yuan)素都能(neng)賦予特殊的性能(neng)，并(bing)有(you)能(neng)力改變每種(zhong)合(he)金(jin)的焊(han)接(jie)特性。固溶強(qiang)(qiang)化(hua)鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)的最高抗拉強(qiang)(qiang)度值接(jie)近830 MPa(120 ksi),而(er)屈服強(qiang)(qiang)度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間(jian)。這些合(he)金(jin)在要求具有(you)良好(hao)耐蝕性的廣泛場合(he)下使用。如果(guo)要求較高的強(qiang)(qiang)度水平，必(bi)須選擇(ze)沉淀強(qiang)(qiang)化(hua)合(he)金(jin)。
3. 沉淀強(qiang)化合金
沉(chen)淀強(qiang)化(hua)鎳基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)含(han)有鈦、鋁和(he)(he)／或鈮等添加劑，在(zai)適(shi)當(dang)(dang)的(de)(de)(de)(de)熱(re)處(chu)理(li)(li)(li)后(hou)(hou)與鎳形(xing)成(cheng)強(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)沉(chen)淀物。在(zai)大多(duo)數(shu)情(qing)(qing)況下，這(zhe)(zhe)些沉(chen)淀物與奧氏體(ti)基(ji)體(ti)具有凝聚力(li)，并使(shi)基(ji)體(ti)變形(xing)，因而(er)實質(zhi)上增(zeng)加了基(ji)體(ti)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)。這(zhe)(zhe)些沉(chen)淀物的(de)(de)(de)(de)大多(duo)數(shu)稱為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)(he)Nig(Al,Ti)]和(he)(he)γ”（Y"-NisNb)。在(zai)最佳(jia)合(he)(he)(he)金(jin)添加劑和(he)(he)熱(re)處(chu)理(li)(li)(li)情(qing)(qing)況下，這(zhe)(zhe)些合(he)(he)(he)金(jin)能夠強(qiang)化(hua)到最高抗(kang)拉強(qiang)度(du)超過1380 MPa(200 ksi)和(he)(he)0.2%屈服強(qiang)度(du)超過1035 MPa(150 ksi).第一(yi)個沉(chen)淀硬(ying)化(hua)Ni-Cr合(he)(he)(he)金(jin)（X-750)是由γ'強(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)，在(zai)靠近γ'溶解線溫(wen)度(du)下，顯(xian)示出良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)抗(kang)氧化(hua)性和(he)(he)高溫(wen)強(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)組合(he)(he)(he)。不幸的(de)(de)(de)(de)是，當(dang)(dang)焊(han)后(hou)(hou)并直(zhi)接時(shi)效而(er)不在(zai)中(zhong)間插入退(tui)火處(chu)理(li)(li)(li)時(shi)，會(hui)產生焊(han)后(hou)(hou)應(ying)變時(shi)效裂(lie)(lie)紋（SAC).這(zhe)(zhe)種開裂(lie)(lie)的(de)(de)(de)(de)機理(li)(li)(li)將在(zai)第4章中(zhong)詳細闡述(shu)。在(zai)為改善焊(han)接性和(he)(he)避免SAC的(de)(de)(de)(de)努力(li)下，開發了γ”強(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)第二代沉(chen)淀硬(ying)化(hua)Ni-Cr-Mo合(he)(he)(he)金(jin)。這(zhe)(zhe)些合(he)(he)(he)金(jin)中(zhong)最普遍的(de)(de)(de)(de)是718合(he)(he)(he)金(jin)。因為γ”沉(chen)淀物比γ'的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)要慢得多(duo)，718合(he)(he)(he)金(jin)在(zai)焊(han)后(hou)(hou)熱(re)處(chu)理(li)(li)(li)時(shi)通常不受SAC影(ying)響。718合(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)主要應(ying)用之一(yi)是航空(kong)航天燃氣透平傳動軸和(he)(he)耐(nai)壓殼。如果(guo)適(shi)當(dang)(dang)地(di)熔煉(lian)，獲(huo)得低含(han)量的(de)(de)(de)(de)雜質(zhi)，該(gai)合(he)(he)(he)金(jin)可提供極大的(de)(de)(de)(de)使(shi)用機會(hui)。當(dang)(dang)設計合(he)(he)(he)理(li)(li)(li)時(shi)，在(zai)一(yi)直(zhi)到760℃（1400°F)的(de)(de)(de)(de)使(shi)用溫(wen)度(du)下，具有極佳(jia)的(de)(de)(de)(de)疲勞壽命。
基(ji)于沉淀強化合(he)金(jin)具有在高溫下不同尋常的(de)高強度和耐(nai)蝕性，所以通常把它們(men)歸類為“超(chao)合(he)金(jin)”。該(gai)術語(yu)曾松散地應用于許多(duo)其(qi)他高強度多(duo)元合(he)金(jin)，但一般(ban)術語(yu)“超(chao)合(he)金(jin)”是(shi)用來描述由(you)γ'和γ”相所提(ti)供的(de)具有超(chao)強度性能的(de)鎳基(ji)合(he)金(jin)。
在(zai)(zai)燃氣(qi)輪機(ji)動葉(xie)片(pian)上采(cai)用超(chao)合(he)金(jin)(jin)始于(yu)IN713C合(he)金(jin)(jin)。這種合(he)金(jin)(jin)與X-750合(he)金(jin)(jin)相似(si)，但僅僅作為(wei)鑄件(jian)生(sheng)產，因(yin)為(wei)含(han)有較多的(de)(de)鋁、鈦添加(jia)劑(ji)，因(yin)此從鑄造溫度(du)下(xia)冷卻時(shi)(shi)，會(hui)發生(sheng)時(shi)(shi)效硬化。由于(yu)該合(he)金(jin)(jin)對SAC有極(ji)高的(de)(de)敏感性，所以產品(pin)修復(fu)受到限(xian)制，但在(zai)(zai)葉(xie)片(pian)頂(ding)端堆(dui)焊(han)(han)則(ze)不會(hui)開裂。經過數十年的(de)(de)技術進展(zhan)，增加(jia)了“超(chao)合(he)金(jin)(jin)”族(zu)系的(de)(de)其他成員，包括超(chao)高強(qiang)度(du)和(he)耐腐蝕(shi)的(de)(de)單晶透平葉(xie)片(pian)合(he)金(jin)(jin)。為(wei)了減(jian)少在(zai)(zai)運(yun)行時(shi)(shi)受到侵(qin)蝕(shi)，在(zai)(zai)葉(xie)片(pian)頂(ding)端堆(dui)焊(han)(han)是可行的(de)(de)，只(zhi)要焊(han)(han)接(jie)過程(cheng)能很(hen)好(hao)得(de)到控制，并使殘余應力保(bao)持在(zai)(zai)較低水(shui)平。最(zui)初(chu)這些材料在(zai)(zai)焊(han)(han)接(jie)修復(fu)時(shi)(shi)曾(ceng)遇到挑戰，包括避免在(zai)(zai)熔池中的(de)(de)晶粒分(fen)散和(he)阻止開裂。
4. 其他(ta)特殊(shu)合(he)金(jin)
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-鋁化(hua)合物是(shi)圍繞或是(shi)NiAl或是(shi)Ni3Al組成而設計的(de)合金(jin)。它們顯(xian)示出非常高的(de)強度(du)(du)和(he)耐蝕性(xing)能，但由(you)于(yu)它們在很大溫度(du)(du)范圍內延性(xing)低(di)，所以焊接(jie)非常困(kun)難(nan)。Ni-Cr-B和(he)Ni-Mo-Si合金(jin)曾被開發用于(yu)在不同環(huan)境下的(de)耐磨材料，但這些合金(jin)由(you)于(yu)硬度(du)(du)高、延性(xing)低(di)，并在其成分范圍內會形成低(di)熔融區間的(de)相，所以同樣(yang)難(nan)以焊接(jie)。
