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鎳基合金的力學、物理和化學性能

日期:2021-11-28 22:25
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摘要:以鎳為基加入其他元素組成的合金就叫鎳合金。鎳具有良好的力學、物理和化學性能,添加適宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蝕性、高溫強度和改善某些物理性能。鎳合金可作為電子管用材料、精密合金(磁性合金、精密電阻合金、電熱合金等)、鎳基高溫合金以及鎳基耐蝕合金和形狀記憶合金等。在能源開發、化工、電子、航海、航空和航天等部門中,鎳合金都有廣泛用途。

鎳基合金的力學、物理和化學性能

以鎳為基加入其他元素組成的合金就叫鎳合金。鎳具有良好的力學、物理和化學性能,添加適宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蝕性、高溫強度和改善某些物理性能。鎳合金可作為電子管用材料、精密合金(磁性合金、精密電阻合金、電熱合金等)、鎳基高溫合金以及鎳基耐蝕合金和形狀記憶合金等。在能源開發、化工、電子、航海、航空和航天等部門中,鎳合金都有廣泛用途。
鎳能與銅、鐵、錳、鉻、矽、鎂組成多種合金。其中鎳銅合金是傑出的蒙乃爾合金,它強度高,塑性好,750度以下的大氣中,化學性能穩定,廣泛用於電氣工業,真空管,化學工業,醫療器材和航海船舶工業等方麵。

一、鎳基合金定義

鎳基合金一般以Ni含量超過30wt%之合金稱之,常見產品之Ni含量都超過50wt%, 由於具有超群的高溫機械強度與耐蝕性質,與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy),一般是應用在540℃以上的高溫環境,並依其使用場合,選用不同合金設計,多用於特殊耐蝕環境、高溫腐蝕環境、需具備高溫機械強度之設備。常應用於航天、能源、石化工業或特殊電子/光電等領域。

二、起源與發展

鎳基合金是30年代後期開始研製的,英國於1941年首先生產出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti);為了提高潛變強度又添加Al,研製出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al);而美國於40年代中期,俄羅斯於40年代後期,中國於50年代中期也先後開發出鎳基合金。鎳基合金的發展包括兩個方麵,即合金成分的改良和生產技術的革新。

50年代初,真空熔煉技術的發展,為煉製含高AlTi 的鎳基合金創造了條件,而帶動了合金強度與使用溫度的大幅提高。50年代後期,由於渦輪葉片工作溫度的提高,要求合金有更高的高溫強度,但是合金的強度高了,就難以變形,甚至不能變形,於是采用精密鑄造技術,發展出一係列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出性能更好的方向性結晶和單晶高溫合金,以及粉末冶金高溫合金。

為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要,60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高Cr鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內,鎳基合金的工作溫度從700 提高1,100℃,平均每年提高10℃左右。時至今日,鎳基合金之使用溫度已可超過1,100℃,從前述*初成份簡單之Nimonic75 合金,到近期發展出之MA6000 合金,在1,100℃時拉伸強度可達2,220MPa、屈服強度為192MPa;其1,100/137MPa條件下之持久強度約達1,000小時,可用於航空發動機葉片。

鎳基合金是超合金中應用*廣、強度*高的材料。超合金之名稱即源自於材料特色;包括:

(1)性能超優異:高溫下可維持高強度,且具有優異的抗潛變、抗疲勞等機械性質,以及抗氧化和耐蝕特性與良好的塑性和 焊接性。

(2)合金添加超繁雜:鎳基合金常添加十種以上之合金元素,用以增進不同環境之耐蝕性;以及固溶強化或析出強化等作用。

(3)工作環境超惡劣:鎳基合金被廣泛用於各種嚴苛之使用條件,如航天飛行引擎燃氣 室的高溫高壓部份、核能、石油、海洋工業之結構件,耐蝕管線等。

三、鎳基合金之微組織

鎳基合金的晶體結構主要為高溫穩定之 麵心立方體(FCC)沃斯田鐵結構,為了提高其耐熱性質,添加了大量的合金元素,這些元素會形成各種二次相,提升了鎳基合金之高溫強度。二次相的種類包含各種形式之 MCM23C6M6CM7C3碳化物,主要分布在晶界,以及如 γ’ γ’’ 等結 構上為整合性(Coherent)之有序(Ordering)介金屬化合物。γ’ γ’’ 相之其化學組成大致是Ni3(Al, Ti) Ni3Nb,此類有序相在高溫下非常穩定,經由它們的強化可得到優良的潛變破壞強度。 典型鎳基合金之微組織如下圖:

 

隨著合金化程度的提高,其顯微組織的變化有如下趨勢: γ’相數量逐漸增多,尺寸逐漸增大,並由球狀變成立方體,同一合金中出現尺寸和形態不相同的γ’相。此外,在鑄造合金中還出現在凝固過程中形成的γ+γ’共晶,晶界析出不連續的顆粒狀碳化物並被γ’相薄膜所包圍,這些微組織的變化改善了合金的性能。此外,現代鎳基合金的化學成份十分複雜,合金的飽和度很高,因此要求對每個合金元素 (尤其是主要強化元素)的含量嚴加控製,否則會在使用過程中容易析出其他有害的介金屬相,如σLaves相等,將損害合金的強度和韌性。

四、合金元素之作用與牌號

鎳基合金是高溫合金中應用*廣、強度*高的一類合金。其中添加較大量的Ni 為沃斯田鐵相穩定元素,使得鎳基合金維持 FCC結構而可以溶解較多其它合金元素,還能保持較好的組織穩定性與材料的塑性;而 CrMoAl則具有抗氧化和抗腐蝕作用,並具有一定的強化作用。鎳基合金的強化依元素作用方式可分為:

(1)固溶強化元素,如WMoCoCrV等,藉由此類原子半徑與基材的不同,在Ni-Fe之基地造成局部晶格應變來強化材料;

(2)析出強化元素則如AlTiNbTa等,可以形成整合性有序的A3B型金屬間化合物,如Ni3(Al,Ti)等強化相(γ’),使合金得到有效的強化,獲得比鐵基高溫合金和鈷基合金更高的高溫強度;

(3)晶界強化元素,如BZrMg和稀土元素等,可加強合金之高溫性質。一般鎳基合金的牌號由其所開發廠家來命名,如Ni-Cu合金又稱為Monel合金,常見如Monel 400K-500等。Ni-Cr合金一般稱為 Inconel合金,也就是常見之鎳基耐熱合金,主要在氧化性介質條件下使用 ,常見如 Inconel 600625等。若是Inconel合金中加入較高量的Fe來取代Ni,則為Incoloy合金,其耐高溫程度不如鎳基析出硬化型合金,但價格便宜,可用於噴射引擎裏溫度較低部份的組件及石化廠反應器等,如Incoloy 800H825等。若於InconelIncoloy中加入析出強化元素,如TiAlNb等,則成為析出硬化型()鎳基合金,可於高溫下仍保有良好的機械強度與抗蝕性,多用於噴射引擎的組件,如 Inconel 718 Incoloy A-286 等。而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金則稱為哈氏耐蝕合(Hastelloy),其中Ni-Cr-Mo主要在還原性介質腐蝕的條件下使用。Hastelloy的代表牌號如C-276C-2000等。

 

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