鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)(he)金(jin)由(you)于具有優(you)異的(de)(de)高(gao)溫(wen)性(xing)能(neng)和(he)卓越的(de)(de)耐蝕性(xing)能(neng)，已在航空航天、核電、火電、石(shi)油化工(gong)等領域獲得(de)了(le)廣泛(fan)的(de)(de)應(ying)用，但鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)焊接(jie)往往會帶來(lai)不少的(de)(de)困難，主要表現在相(xiang)的(de)(de)變(bian)化導致接(jie)頭(tou)性(xing)能(neng)的(de)(de)改(gai)變(bian)，以(yi)及焊接(jie)過程中(zhong)產生的(de)(de)各種(zhong)裂紋(wen)等缺陷造成(cheng)運行(xing)中(zhong)的(de)(de)早期失效。為此，眾多(duo)科技工(gong)作者長期以(yi)來(lai)對鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)焊接(jie)開(kai)展了(le)大量的(de)(de)試驗研究，力(li)求在焊接(jie)鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)(he)金(jin)時能(neng)獲得(de)高(gao)質量和(he)性(xing)能(neng)滿意的(de)(de)焊接(jie)接(jie)頭(tou)。
鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)是工程材料(liao)(liao)最重要的(de)(de)(de)(de)類(lei)別之(zhi)一(yi)，因為它們(men)能(neng)(neng)夠用(yong)于(yu)多種(zhong)(zhong)環境(jing)和(he)(he)場合(he)(he)。在含水和(he)(he)高溫(wen)(wen)下的(de)(de)(de)(de)耐蝕(shi)場合(he)(he)、室溫(wen)(wen)和(he)(he)高溫(wen)(wen)下的(de)(de)(de)(de)高強度(du)場合(he)(he)、低溫(wen)(wen)下的(de)(de)(de)(de)延(yan)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)(he)韌性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)場合(he)(he)、特殊的(de)(de)(de)(de)電(dian)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)場合(he)(he)以(yi)及與其他(ta)(ta)物理性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)有(you)關(guan)的(de)(de)(de)(de)場合(he)(he)都選用(yong)了這些合(he)(he)金(jin)(jin)。鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)材料(liao)(liao)能(neng)(neng)提(ti)供某些焊(han)(han)(han)態下的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，而這些性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)是其他(ta)(ta)類(lei)型的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)產(chan)品所(suo)不能(neng)(neng)提(ti)供的(de)(de)(de)(de)，例(li)如被許多各種(zhong)(zhong)不同的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)元素稀釋后(hou)，還能(neng)(neng)保持從(cong)低溫(wen)(wen)到接(jie)(jie)近固相(xiang)線溫(wen)(wen)度(du)強度(du)和(he)(he)延(yan)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力(li)。它們(men)也是十(shi)分通用(yong)的(de)(de)(de)(de)，例(li)如，用(yong)于(yu)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)9%鎳(nie)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系(xi)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)產(chan)品在液氮溫(wen)(wen)度(du)下還具有(you)非(fei)常高的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)態強度(du)和(he)(he)沖擊韌性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。用(yong)來焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)鑄(zhu)鐵(tie)的(de)(de)(de)(de)鎳(nie)和(he)(he)鎳(nie)－鐵(tie)合(he)(he)金(jin)(jin)能(neng)(neng)被鐵(tie)和(he)(he)碳稀釋后(hou)而保持延(yan)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，并提(ti)供良好的(de)(de)(de)(de)機加工特性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)材料(liao)(liao)亦廣(guang)泛用(yong)于(yu)電(dian)力(li)工業，可在碳鋼(gang)和(he)(he)不銹鋼(gang)之(zhi)間進行異種(zhong)(zhong)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)，作為在高溫(wen)(wen)下使用(yong)時(shi)熱膨(peng)脹系(xi)數的(de)(de)(de)(de)過渡材料(liao)(liao)。
相(xiang)對于鋼而言，鎳(nie)基(ji)(ji)合金(jin)能(neng)夠在(zai)(zai)低(di)溫(wen)下使(shi)用，又(you)能(neng)在(zai)(zai)接近1200℃的高(gao)溫(wen)下使(shi)用，因為固溶合金(jin)的基(ji)(ji)體從固態到(dao)絕對零(ling)度(du)都保持(chi)奧氏體。這些(xie)加(jia)入適當(dang)添加(jia)劑的合金(jin)提供了(le)(le)(le)有(you)用的耐蝕性(xing)，并在(zai)(zai)包(bao)括電力、石(shi)化(hua)(hua)、化(hua)(hua)學(xue)加(jia)工(gong)、航天和(he)控(kong)制(zhi)環境污(wu)染等的廣大工(gong)業領域中得到(dao)了(le)(le)(le)應用。對鎳(nie)基(ji)(ji)合金(jin)來(lai)說，焊接是一門關鍵性(xing)的制(zhi)造技術。最(zui)近50年來(lai)，已經(jing)進行了(le)(le)(le)大量的研(yan)究(jiu)和(he)開(kai)發工(gong)作，為更(geng)好地弄懂(dong)和(he)控(kong)制(zhi)這些(xie)合金(jin)的焊接性(xing)以及開(kai)發在(zai)(zai)焊接接頭耐蝕性(xing)和(he)力學(xue)性(xing)能(neng)方面能(neng)滿(man)足更(geng)高(gao)要求的焊接材料(liao)作出(chu)了(le)(le)(le)不(bu)懈的努力。
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. 商用純鎳(nie)合金
商用(yong)純鎳(nie)合(he)金(jin)(jin)是(shi)基本上含有(you)鎳(nie)＞99%的(de)(de)(de)那(nei)些合(he)金(jin)(jin)。這是(shi)一個商用(yong)純鎳(nie)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)完整族系(xi)，命(ming)名為200合(he)金(jin)(jin)和(he)201合(he)金(jin)(jin)。這些材(cai)料具有(you)低(di)強度(du)(du)和(he)低(di)硬度(du)(du)，原則上由于(yu)它們具有(you)良(liang)好的(de)(de)(de)耐蝕性(xing)而用(yong)于(yu)苛性(xing)腐(fu)蝕環境。201合(he)金(jin)(jin)具有(you)最高(gao)值為0.02wt%的(de)(de)(de)碳(tan)，所(suo)以它們能夠在(zai)高(gao)于(yu)315℃（600°F)的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)下使(shi)用(yong)而無(wu)被(bei)“石墨(mo)(mo)化”的(de)(de)(de)危險。因為碳(tan)在(zai)高(gao)于(yu)315℃的(de)(de)(de)鎳(nie)基體中是(shi)相對易變(bian)的(de)(de)(de)，添加超(chao)出(chu)溶解(jie)度(du)(du)極限（～0.02%)的(de)(de)(de)碳(tan)會造成石墨(mo)(mo)質點的(de)(de)(de)沉淀，使(shi)材(cai)料變(bian)脆和(he)變(bian)弱。
還有(you)(you)一些(xie)(xie)附加商(shang)用純鎳(nie)(nie)合(he)(he)(he)金(jin)，它們(men)在電或(huo)磁致伸縮的(de)有(you)(you)限(xian)場(chang)合(he)(he)(he)使用。這些(xie)(xie)合(he)(he)(he)金(jin)具有(you)(you)良好的(de)焊(han)(han)接(jie)性，但在焊(han)(han)接(jie)時對氣(qi)孔敏(min)感(gan)。如果在焊(han)(han)前和焊(han)(han)接(jie)中保持清潔，這些(xie)(xie)合(he)(he)(he)金(jin)會顯示良好的(de)抗裂性，但保護氣(qi)體或(huo)焊(han)(han)劑(ji)必須充(chong)足以(yi)避(bi)免氣(qi)孔的(de)形成(cheng)。商(shang)用純鎳(nie)(nie)焊(han)(han)接(jie)材(cai)料含有(you)(you)最高達1.5%鋁和2.0%~3.5%鈦的(de)添加劑(ji)來抵消(xiao)少量(liang)的(de)大氣(qi)污染(ran)。鈦和鋁與氧結合(he)(he)(he)形成(cheng)氧化(hua)物，與氮結合(he)(he)(he)形成(cheng)氮化(hua)物，因而(er)控制了在焊(han)(han)縫(feng)熔(rong)敷金(jin)屬中的(de)氣(qi)孔。
2. 固溶(rong)強(qiang)化合金(jin)
鎳(nie)和(he)銅是同一(yi)形態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)元素(su)（完全固溶性(xing)(xing)），能(neng)在整個成分范圍內(nei)生成單相合(he)金。這(zhe)個族系(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料通常(chang)對海水和(he)其(qi)他一(yi)般腐(fu)蝕環境顯示出良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)。通常(chang)Ni-Cu合(he)金有(you)(you)很好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接性(xing)(xing)，但如果不(bu)使用適當的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)保護或良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)抗氧化焊(han)(han)接材(cai)料，可能(neng)會對氣孔敏感。其(qi)他的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固溶強化鎳(nie)基合(he)金可以僅(jin)(jin)含有(you)(you)鐵，這(zhe)些合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)多數(shu)由于(yu)特定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨(peng)脹系(xi)數(shu)或電(dian)性(xing)(xing)能(neng)而得到使用。Ni-36%Fe合(he)金通常(chang)稱作INVAR合(he)金，在所有(you)(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鎳(nie)基合(he)金中(zhong)具有(you)(you)最低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨(peng)脹系(xi)數(shu)，在幾百(bai)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)范圍內(nei)加熱和(he)冷(leng)卻一(yi)直到約300°F,僅(jin)(jin)以小于(yu)1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)速率(lv)膨(peng)脹和(he)收縮。Ni-Fe合(he)金有(you)(you)較好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接性(xing)(xing)，但開(kai)(kai)發(fa)又(you)有(you)(you)良好抗凝固裂(lie)紋(wen)性(xing)(xing)能(neng)，又(you)有(you)(you)相匹配膨(peng)脹性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接材(cai)料對焊(han)(han)材(cai)制造商來說是一(yi)個挑戰。Ni-Fe合(he)金及(ji)其(qi)焊(han)(han)材(cai)也可能(neng)對低塑性(xing)(xing)開(kai)(kai)裂(lie)敏感，這(zhe)種開(kai)(kai)裂(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機理將(jiang)在第3章中(zhong)詳細闡述。
其他固(gu)溶合(he)(he)金(jin)(jin)含有不(bu)同的(de)(de)置換元素，包括(kuo)鉻(ge)、鉬和(he)鎢。每種元素都能(neng)賦予特殊的(de)(de)性能(neng)，并有能(neng)力(li)改變每種合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)焊接特性。固(gu)溶強(qiang)化鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)最高抗拉強(qiang)度值接近830 MPa(120 ksi),而屈服強(qiang)度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合(he)(he)金(jin)(jin)在要(yao)求(qiu)具有良(liang)好耐蝕性的(de)(de)廣泛場合(he)(he)下使用。如果要(yao)求(qiu)較高的(de)(de)強(qiang)度水平(ping)，必須選擇沉(chen)淀強(qiang)化合(he)(he)金(jin)(jin)。
3. 沉淀強化合金
沉(chen)(chen)淀(dian)(dian)強(qiang)化(hua)鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)含有(you)鈦、鋁和／或鈮等添加(jia)劑(ji)，在(zai)(zai)(zai)適當(dang)的熱(re)(re)處(chu)理(li)后(hou)(hou)與鎳(nie)形成強(qiang)化(hua)的沉(chen)(chen)淀(dian)(dian)物(wu)。在(zai)(zai)(zai)大(da)多(duo)數情況下(xia)，這些(xie)沉(chen)(chen)淀(dian)(dian)物(wu)與奧(ao)氏體(ti)基體(ti)具(ju)有(you)凝聚力，并(bing)使基體(ti)變形，因(yin)而(er)實質上增加(jia)了基體(ti)的強(qiang)度(du)(du)。這些(xie)沉(chen)(chen)淀(dian)(dian)物(wu)的大(da)多(duo)數稱為(wei)(wei)Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和Nig(Al,Ti)]和γ”（Y"-NisNb)。在(zai)(zai)(zai)最佳合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)添加(jia)劑(ji)和熱(re)(re)處(chu)理(li)情況下(xia)，這些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)能(neng)夠強(qiang)化(hua)到(dao)(dao)最高抗(kang)拉強(qiang)度(du)(du)超(chao)過1380 MPa(200 ksi)和0.2%屈服強(qiang)度(du)(du)超(chao)過1035 MPa(150 ksi).第(di)(di)一(yi)個沉(chen)(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)Ni-Cr合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)（X-750)是由(you)γ'強(qiang)化(hua)的，在(zai)(zai)(zai)靠近γ'溶解線(xian)溫(wen)度(du)(du)下(xia)，顯示出良好的抗(kang)氧化(hua)性和高溫(wen)強(qiang)度(du)(du)的組合(he)(he)。不幸的是，當(dang)焊(han)后(hou)(hou)并(bing)直接時(shi)效而(er)不在(zai)(zai)(zai)中(zhong)間插入退火處(chu)理(li)時(shi)，會產生焊(han)后(hou)(hou)應(ying)變時(shi)效裂紋（SAC).這種(zhong)開(kai)裂的機理(li)將在(zai)(zai)(zai)第(di)(di)4章中(zhong)詳細闡述(shu)。在(zai)(zai)(zai)為(wei)(wei)改善焊(han)接性和避(bi)免SAC的努力下(xia)，開(kai)發(fa)了γ”強(qiang)化(hua)的第(di)(di)二(er)代(dai)沉(chen)(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)Ni-Cr-Mo合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。這些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)中(zhong)最普遍(bian)的是718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。因(yin)為(wei)(wei)γ”沉(chen)(chen)淀(dian)(dian)物(wu)比γ'的形成要(yao)(yao)慢得(de)多(duo)，718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)在(zai)(zai)(zai)焊(han)后(hou)(hou)熱(re)(re)處(chu)理(li)時(shi)通常不受(shou)SAC影響。718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的主要(yao)(yao)應(ying)用之一(yi)是航(hang)空航(hang)天燃氣(qi)透平傳動(dong)軸和耐壓殼。如果適當(dang)地熔煉，獲(huo)得(de)低含量的雜質，該合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)可提供極(ji)大(da)的使用機會。當(dang)設計合(he)(he)理(li)時(shi)，在(zai)(zai)(zai)一(yi)直到(dao)(dao)760℃（1400°F)的使用溫(wen)度(du)(du)下(xia)，具(ju)有(you)極(ji)佳的疲勞壽命。
基(ji)于沉淀(dian)強(qiang)化合(he)金(jin)(jin)具(ju)有(you)在高溫下不同(tong)尋常(chang)的(de)高強(qiang)度和耐蝕性，所(suo)以(yi)通常(chang)把(ba)它們歸類(lei)為“超合(he)金(jin)(jin)”。該(gai)術(shu)語曾松散地應用(yong)于許多其他高強(qiang)度多元合(he)金(jin)(jin)，但(dan)一般術(shu)語“超合(he)金(jin)(jin)”是用(yong)來描述(shu)由γ'和γ”相所(suo)提供的(de)具(ju)有(you)超強(qiang)度性能的(de)鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)。
在(zai)燃氣(qi)輪機動葉(xie)(xie)片上采(cai)用(yong)超(chao)合(he)(he)金(jin)(jin)始于(yu)IN713C合(he)(he)金(jin)(jin)。這種合(he)(he)金(jin)(jin)與X-750合(he)(he)金(jin)(jin)相(xiang)似，但僅僅作為(wei)(wei)鑄件生(sheng)產，因為(wei)(wei)含有(you)較多的鋁、鈦添加劑，因此從鑄造溫度(du)下冷卻(que)時(shi)，會發生(sheng)時(shi)效硬化(hua)。由于(yu)該合(he)(he)金(jin)(jin)對SAC有(you)極高的敏感性(xing)，所以產品修復(fu)受(shou)到限(xian)制，但在(zai)葉(xie)(xie)片頂端堆焊則不會開裂。經過(guo)數十年(nian)的技術進(jin)展，增加了“超(chao)合(he)(he)金(jin)(jin)”族系的其他成員，包括超(chao)高強(qiang)度(du)和耐腐蝕的單晶透平葉(xie)(xie)片合(he)(he)金(jin)(jin)。為(wei)(wei)了減少在(zai)運(yun)行時(shi)受(shou)到侵蝕，在(zai)葉(xie)(xie)片頂端堆焊是可行的，只要焊接(jie)過(guo)程能很好得到控制，并使(shi)殘(can)余應力(li)保持(chi)在(zai)較低水平。最初這些材料在(zai)焊接(jie)修復(fu)時(shi)曾遇到挑戰，包括避免在(zai)熔池中的晶粒分散和阻止開裂。
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-鋁化合(he)物是圍(wei)繞或(huo)是NiAl或(huo)是Ni3Al組成而設(she)計的合(he)金(jin)。它們顯(xian)示出非(fei)常高(gao)的強度(du)和(he)耐(nai)(nai)蝕性(xing)能，但由(you)于(yu)它們在很大溫度(du)范圍(wei)內延性(xing)低，所(suo)(suo)以(yi)焊(han)(han)接非(fei)常困難(nan)。Ni-Cr-B和(he)Ni-Mo-Si合(he)金(jin)曾被開發(fa)用于(yu)在不同環境(jing)下的耐(nai)(nai)磨材料，但這些合(he)金(jin)由(you)于(yu)硬度(du)高(gao)、延性(xing)低，并在其(qi)成分(fen)范圍(wei)內會(hui)形成低熔融區間的相，所(suo)(suo)以(yi)同樣難(nan)以(yi)焊(han)(han)接。
