鎳(nie)基合金(jin)由于具有優異的(de)(de)(de)(de)高溫性能(neng)(neng)和卓越的(de)(de)(de)(de)耐蝕性能(neng)(neng)，已在航空航天、核電、火電、石(shi)油(you)化(hua)(hua)工(gong)等領域(yu)獲(huo)得了廣泛的(de)(de)(de)(de)應用，但(dan)鎳(nie)基合金(jin)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)往往會(hui)帶來(lai)不少的(de)(de)(de)(de)困難，主要表(biao)現(xian)在相的(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)導致接(jie)(jie)頭(tou)性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)改(gai)變，以及(ji)焊(han)(han)接(jie)(jie)過程中產生的(de)(de)(de)(de)各種裂紋等缺陷(xian)造成運(yun)行中的(de)(de)(de)(de)早期失效。為此，眾多科技工(gong)作者長期以來(lai)對鎳(nie)基合金(jin)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)開展(zhan)了大量的(de)(de)(de)(de)試驗研究，力求在焊(han)(han)接(jie)(jie)鎳(nie)基合金(jin)時能(neng)(neng)獲(huo)得高質量和性能(neng)(neng)滿意的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭(tou)。
鎳基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)是(shi)工程材(cai)料(liao)最重要(yao)的(de)(de)(de)類別(bie)之(zhi)一，因為(wei)它(ta)們(men)能(neng)(neng)(neng)夠用于(yu)多種(zhong)(zhong)環(huan)境和(he)場(chang)合(he)(he)(he)。在含(han)水和(he)高溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)耐蝕場(chang)合(he)(he)(he)、室溫(wen)和(he)高溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)高強度(du)場(chang)合(he)(he)(he)、低溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)延性和(he)韌性場(chang)合(he)(he)(he)、特殊(shu)的(de)(de)(de)電性能(neng)(neng)(neng)場(chang)合(he)(he)(he)以(yi)及與(yu)其他(ta)物理(li)性能(neng)(neng)(neng)有關的(de)(de)(de)場(chang)合(he)(he)(he)都選用了這些(xie)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。鎳基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)能(neng)(neng)(neng)提(ti)(ti)供某些(xie)焊(han)(han)態(tai)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)(neng)，而(er)(er)這些(xie)性能(neng)(neng)(neng)是(shi)其他(ta)類型(xing)的(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)產(chan)品所不(bu)能(neng)(neng)(neng)提(ti)(ti)供的(de)(de)(de)，例如(ru)被許多各種(zhong)(zhong)不(bu)同的(de)(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元素稀(xi)釋后(hou)，還能(neng)(neng)(neng)保持(chi)從(cong)低溫(wen)到接(jie)近(jin)固相線(xian)溫(wen)度(du)強度(du)和(he)延性的(de)(de)(de)能(neng)(neng)(neng)力。它(ta)們(men)也(ye)是(shi)十分通用的(de)(de)(de)，例如(ru)，用于(yu)焊(han)(han)接(jie)9%鎳鋼的(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系(xi)焊(han)(han)接(jie)產(chan)品在液氮溫(wen)度(du)下(xia)(xia)(xia)(xia)還具有非常高的(de)(de)(de)焊(han)(han)態(tai)強度(du)和(he)沖擊韌性。用來焊(han)(han)接(jie)鑄鐵(tie)的(de)(de)(de)鎳和(he)鎳－鐵(tie)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)能(neng)(neng)(neng)被鐵(tie)和(he)碳(tan)稀(xi)釋后(hou)而(er)(er)保持(chi)延性，并提(ti)(ti)供良好的(de)(de)(de)機(ji)加工特性。鎳基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)接(jie)材(cai)料(liao)亦廣泛用于(yu)電力工業，可在碳(tan)鋼和(he)不(bu)銹(xiu)鋼之(zhi)間進行異種(zhong)(zhong)焊(han)(han)接(jie)，作為(wei)在高溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)使用時熱膨脹系(xi)數的(de)(de)(de)過渡材(cai)料(liao)。
相對于鋼而言(yan)，鎳基(ji)合金(jin)能(neng)夠在(zai)低溫下(xia)使(shi)用，又能(neng)在(zai)接(jie)近(jin)1200℃的高溫下(xia)使(shi)用，因(yin)為(wei)固溶合金(jin)的基(ji)體(ti)從固態到(dao)絕對零度都保持奧氏體(ti)。這些(xie)加入適當添加劑的合金(jin)提供了(le)有用的耐(nai)蝕性(xing)(xing)，并在(zai)包括電力(li)、石化、化學加工(gong)、航天和控制環境污染等的廣大(da)(da)工(gong)業(ye)領域中得(de)到(dao)了(le)應用。對鎳基(ji)合金(jin)來說(shuo)，焊接(jie)是一(yi)門關鍵性(xing)(xing)的制造(zao)技術。最近(jin)50年來，已(yi)經(jing)進行了(le)大(da)(da)量的研究和開(kai)發(fa)(fa)工(gong)作(zuo)，為(wei)更好地弄懂和控制這些(xie)合金(jin)的焊接(jie)性(xing)(xing)以及開(kai)發(fa)(fa)在(zai)焊接(jie)接(jie)頭(tou)耐(nai)蝕性(xing)(xing)和力(li)學性(xing)(xing)能(neng)方面(mian)能(neng)滿足更高要求的焊接(jie)材料作(zuo)出了(le)不懈的努(nu)力(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. 商用純(chun)鎳合金(jin)
商用(yong)純(chun)鎳(nie)合(he)金是基本上含(han)有(you)鎳(nie)＞99%的(de)(de)(de)那些合(he)金。這是一個商用(yong)純(chun)鎳(nie)合(he)金的(de)(de)(de)完整族系，命(ming)名為200合(he)金和201合(he)金。這些材料(liao)具(ju)有(you)低強度和低硬度，原則上由于(yu)它們具(ju)有(you)良好的(de)(de)(de)耐蝕性而(er)用(yong)于(yu)苛性腐蝕環境。201合(he)金具(ju)有(you)最高(gao)(gao)值為0.02wt%的(de)(de)(de)碳(tan)，所以它們能(neng)夠在高(gao)(gao)于(yu)315℃（600°F)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫下使用(yong)而(er)無被“石(shi)墨化(hua)”的(de)(de)(de)危險。因(yin)為碳(tan)在高(gao)(gao)于(yu)315℃的(de)(de)(de)鎳(nie)基體(ti)中是相對(dui)易變的(de)(de)(de)，添(tian)加超出溶解度極限（～0.02%)的(de)(de)(de)碳(tan)會造成石(shi)墨質點的(de)(de)(de)沉淀，使材料(liao)變脆和變弱。
還有一些附加(jia)商(shang)用純鎳合(he)金(jin)(jin)(jin)，它們在電(dian)或磁致(zhi)伸縮的(de)有限場合(he)使用。這(zhe)些合(he)金(jin)(jin)(jin)具有良好(hao)的(de)焊(han)(han)接(jie)性(xing)，但在焊(han)(han)接(jie)時對(dui)氣(qi)孔敏(min)感(gan)。如果在焊(han)(han)前和(he)焊(han)(han)接(jie)中保持清潔，這(zhe)些合(he)金(jin)(jin)(jin)會顯示(shi)良好(hao)的(de)抗裂性(xing)，但保護氣(qi)體或焊(han)(han)劑必須充足(zu)以(yi)避免(mian)氣(qi)孔的(de)形(xing)(xing)成(cheng)。商(shang)用純鎳焊(han)(han)接(jie)材料(liao)含有最高達(da)1.5%鋁和(he)2.0%~3.5%鈦的(de)添(tian)加(jia)劑來抵(di)消少量的(de)大氣(qi)污(wu)染。鈦和(he)鋁與(yu)氧結合(he)形(xing)(xing)成(cheng)氧化物，與(yu)氮(dan)結合(he)形(xing)(xing)成(cheng)氮(dan)化物，因而控制了(le)在焊(han)(han)縫(feng)熔敷(fu)金(jin)(jin)(jin)屬中的(de)氣(qi)孔。
2. 固溶強化合金(jin)
鎳和(he)銅是(shi)同一(yi)形(xing)態(tai)的(de)(de)元(yuan)素（完全固溶性(xing)），能(neng)(neng)在(zai)整個(ge)(ge)成(cheng)分范圍內(nei)(nei)生成(cheng)單相合(he)(he)金(jin)。這(zhe)個(ge)(ge)族系的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)通常(chang)對海水和(he)其(qi)(qi)他(ta)一(yi)般腐蝕(shi)環境顯示出良好(hao)的(de)(de)耐蝕(shi)性(xing)。通常(chang)Ni-Cu合(he)(he)金(jin)有(you)很好(hao)的(de)(de)焊接性(xing)，但(dan)如(ru)果(guo)不使用(yong)適當的(de)(de)保護或良好(hao)的(de)(de)抗(kang)氧化焊接材(cai)料(liao)(liao)(liao)，可能(neng)(neng)會(hui)對氣孔敏感。其(qi)(qi)他(ta)的(de)(de)固溶強化鎳基合(he)(he)金(jin)可以(yi)(yi)僅(jin)含(han)有(you)鐵，這(zhe)些合(he)(he)金(jin)的(de)(de)大(da)多數由(you)于(yu)特定(ding)的(de)(de)膨脹系數或電(dian)性(xing)能(neng)(neng)而得(de)到(dao)使用(yong)。Ni-36%Fe合(he)(he)金(jin)通常(chang)稱作INVAR合(he)(he)金(jin)，在(zai)所有(you)的(de)(de)鎳基合(he)(he)金(jin)中(zhong)具有(you)最低的(de)(de)膨脹系數，在(zai)幾(ji)百度的(de)(de)溫度范圍內(nei)(nei)加(jia)熱和(he)冷卻一(yi)直(zhi)到(dao)約(yue)300°F,僅(jin)以(yi)(yi)小于(yu)1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)速率膨脹和(he)收縮。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)有(you)較好(hao)的(de)(de)焊接性(xing)，但(dan)開發又(you)有(you)良好(hao)抗(kang)凝(ning)固裂(lie)紋性(xing)能(neng)(neng)，又(you)有(you)相匹(pi)配(pei)膨脹性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)焊接材(cai)料(liao)(liao)(liao)對焊材(cai)制造商來(lai)說是(shi)一(yi)個(ge)(ge)挑戰。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)及其(qi)(qi)焊材(cai)也可能(neng)(neng)對低塑性(xing)開裂(lie)敏感，這(zhe)種開裂(lie)的(de)(de)機理將在(zai)第3章中(zhong)詳(xiang)細闡述(shu)。
其他(ta)固溶合(he)金含有(you)不同的(de)(de)置(zhi)換元(yuan)素(su)，包括鉻、鉬和鎢(wu)。每種元(yuan)素(su)都(dou)能(neng)(neng)賦予特殊的(de)(de)性能(neng)(neng)，并(bing)有(you)能(neng)(neng)力改(gai)變每種合(he)金的(de)(de)焊接(jie)特性。固溶強化鎳(nie)基(ji)合(he)金的(de)(de)最高(gao)抗拉強度值接(jie)近830 MPa(120 ksi),而屈(qu)服強度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合(he)金在要求(qiu)具(ju)有(you)良(liang)好耐蝕性的(de)(de)廣泛場合(he)下(xia)使(shi)用(yong)。如(ru)果要求(qiu)較高(gao)的(de)(de)強度水平，必須選(xuan)擇沉淀(dian)強化合(he)金。
3. 沉淀強化合(he)金
沉(chen)(chen)淀強(qiang)(qiang)(qiang)化鎳基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)含(han)有(you)鈦、鋁(lv)和(he)／或鈮等(deng)添(tian)加劑(ji)，在(zai)(zai)適當(dang)的(de)(de)(de)熱處(chu)理后(hou)與(yu)鎳形(xing)成強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)沉(chen)(chen)淀物。在(zai)(zai)大多(duo)數情況(kuang)下(xia)，這些(xie)(xie)沉(chen)(chen)淀物與(yu)奧氏體基體具有(you)凝聚力，并使(shi)(shi)基體變(bian)形(xing)，因而實(shi)質上增加了基體的(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)。這些(xie)(xie)沉(chen)(chen)淀物的(de)(de)(de)大多(duo)數稱(cheng)為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)Nig(Al,Ti)]和(he)γ”（Y"-NisNb)。在(zai)(zai)最佳合(he)(he)(he)金(jin)(jin)添(tian)加劑(ji)和(he)熱處(chu)理情況(kuang)下(xia)，這些(xie)(xie)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)能(neng)夠強(qiang)(qiang)(qiang)化到最高抗拉(la)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超過1380 MPa(200 ksi)和(he)0.2%屈服強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超過1035 MPa(150 ksi).第一個沉(chen)(chen)淀硬(ying)化Ni-Cr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)（X-750)是由γ'強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)，在(zai)(zai)靠近γ'溶(rong)解線溫度(du)下(xia)，顯示出良好的(de)(de)(de)抗氧化性和(he)高溫強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)組合(he)(he)(he)。不(bu)(bu)幸的(de)(de)(de)是，當(dang)焊(han)后(hou)并直接(jie)時(shi)(shi)效而不(bu)(bu)在(zai)(zai)中間插入退(tui)火處(chu)理時(shi)(shi)，會產生(sheng)焊(han)后(hou)應變(bian)時(shi)(shi)效裂紋（SAC).這種開裂的(de)(de)(de)機理將在(zai)(zai)第4章中詳(xiang)細闡述。在(zai)(zai)為改(gai)善焊(han)接(jie)性和(he)避免SAC的(de)(de)(de)努力下(xia)，開發了γ”強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)第二代沉(chen)(chen)淀硬(ying)化Ni-Cr-Mo合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。這些(xie)(xie)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中最普遍的(de)(de)(de)是718合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。因為γ”沉(chen)(chen)淀物比γ'的(de)(de)(de)形(xing)成要(yao)慢得(de)(de)多(duo)，718合(he)(he)(he)金(jin)(jin)在(zai)(zai)焊(han)后(hou)熱處(chu)理時(shi)(shi)通(tong)常不(bu)(bu)受SAC影響。718合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)主要(yao)應用(yong)之一是航空航天(tian)燃氣透平傳動軸和(he)耐壓殼。如(ru)果適當(dang)地熔煉，獲得(de)(de)低含(han)量的(de)(de)(de)雜質，該合(he)(he)(he)金(jin)(jin)可(ke)提供極大的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)機會。當(dang)設計合(he)(he)(he)理時(shi)(shi)，在(zai)(zai)一直到760℃（1400°F)的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)溫度(du)下(xia)，具有(you)極佳的(de)(de)(de)疲勞壽命。
基(ji)于沉淀強(qiang)化合(he)(he)金(jin)(jin)具(ju)有在高(gao)溫下不同(tong)尋常(chang)(chang)的高(gao)強(qiang)度(du)和耐(nai)蝕(shi)性，所(suo)(suo)以通(tong)常(chang)(chang)把它(ta)們歸類為“超合(he)(he)金(jin)(jin)”。該術語曾松散地(di)應(ying)用于許多其他高(gao)強(qiang)度(du)多元合(he)(he)金(jin)(jin)，但一般(ban)術語“超合(he)(he)金(jin)(jin)”是(shi)用來描(miao)述由γ'和γ”相所(suo)(suo)提供的具(ju)有超強(qiang)度(du)性能(neng)的鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)。
在(zai)(zai)(zai)燃氣輪機動葉片(pian)(pian)上采用超(chao)合(he)金(jin)(jin)始于(yu)IN713C合(he)金(jin)(jin)。這種(zhong)合(he)金(jin)(jin)與X-750合(he)金(jin)(jin)相似，但僅僅作為(wei)(wei)鑄件生產，因為(wei)(wei)含有(you)較(jiao)多的鋁(lv)、鈦添加劑，因此從(cong)鑄造溫度下冷卻時(shi)，會(hui)發(fa)生時(shi)效(xiao)硬(ying)化(hua)。由于(yu)該合(he)金(jin)(jin)對(dui)SAC有(you)極高(gao)的敏(min)感性，所以產品修復受到限制，但在(zai)(zai)(zai)葉片(pian)(pian)頂端堆焊(han)則不(bu)會(hui)開(kai)裂。經過數(shu)十年的技術(shu)進展(zhan)，增加了(le)“超(chao)合(he)金(jin)(jin)”族(zu)系的其他成員，包(bao)括超(chao)高(gao)強度和(he)耐(nai)腐蝕(shi)的單晶(jing)透平(ping)葉片(pian)(pian)合(he)金(jin)(jin)。為(wei)(wei)了(le)減(jian)少在(zai)(zai)(zai)運行時(shi)受到侵蝕(shi)，在(zai)(zai)(zai)葉片(pian)(pian)頂端堆焊(han)是可(ke)行的，只要(yao)焊(han)接(jie)過程能(neng)很好(hao)得到控(kong)制，并使(shi)殘余應力(li)保持在(zai)(zai)(zai)較(jiao)低水(shui)平(ping)。最初這些材料(liao)在(zai)(zai)(zai)焊(han)接(jie)修復時(shi)曾遇(yu)到挑戰(zhan)，包(bao)括避免(mian)在(zai)(zai)(zai)熔池中的晶(jing)粒分(fen)散和(he)阻止(zhi)開(kai)裂。
4. 其他特殊(shu)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(nie)-鋁化合(he)物是圍(wei)繞或是NiAl或是Ni3Al組成(cheng)而設計的(de)合(he)金(jin)。它們(men)顯示出非常高(gao)的(de)強度和(he)耐蝕性(xing)(xing)能，但由于(yu)它們(men)在很大溫(wen)度范圍(wei)內延性(xing)(xing)低，所以焊接(jie)非常困難。Ni-Cr-B和(he)Ni-Mo-Si合(he)金(jin)曾被開發用(yong)于(yu)在不同(tong)環境下的(de)耐磨(mo)材料，但這些合(he)金(jin)由于(yu)硬(ying)度高(gao)、延性(xing)(xing)低，并(bing)在其成(cheng)分范圍(wei)內會形成(cheng)低熔(rong)融區(qu)間(jian)的(de)相，所以同(tong)樣難以焊接(jie)。
