鎳基合金的力學(xué)、物理和化學(xué)性能
鎳基合金的力學(xué)、物理和化學(xué)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(xué)、物理和化學(xué)性能,添加適宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蝕性、高溫強(qiáng)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(fā)、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、硅、鎂組成多種合金。其中鎳銅合金是有名的蒙乃爾合金,它強(qiáng)度高,塑性好,在750度以下的大氣中,化學(xué)性能穩(wěn)定,廣泛用于電氣工業(yè),真空管,化學(xué)工業(yè),醫(yī)療器材和航海船舶工業(yè)等方面。
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(chǎn)品之Ni含量都超過50wt%, 由于具有超群的高溫機(jī)械強(qiáng)度與耐蝕性質(zhì),與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy),一般是應(yīng)用在540℃以上的高溫環(huán)境,并依其使用場合,選用不同合金設(shè)計,多用于特殊耐蝕環(huán)境、高溫腐蝕環(huán)境、需具備高溫機(jī)械強(qiáng)度之設(shè)備。常應(yīng)用于航天、能源、石化工業(yè)或特殊電子/光電等領(lǐng)域。
二、起源與發(fā)展
鎳基合金是30年代后期開始研制的,英國于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti);為了提高潛變強(qiáng)度又添加Al,研制出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al);而美國于40年代中期,俄羅斯于40年代后期,中國于50年代中期也先后開發(fā)出鎳基合金。鎳基合金的發(fā)展包括兩個方面,即合金成分的改良和生產(chǎn)技術(shù)的革新。
50年代初,真空熔煉技術(shù)的發(fā)展,為煉制含高Al和Ti 的鎳基合金創(chuàng)造了條件,而帶動了合金強(qiáng)度與使用溫度的大幅提高。50年代后期,由于渦輪葉片工作溫度的提高,要求合金有更高的高溫強(qiáng)度,但是合金的強(qiáng)度高了,就難以變形,甚至不能變形,于是采用精密鑄造技術(shù),發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的方向性結(jié)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(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要,60年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)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(nèi),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(fā)展出之MA6000 合金,在1,100℃時拉伸強(qiáng)度可達(dá)2,220MPa、屈服強(qiáng)度為192MPa;其1,100℃/137MPa條件下之持久強(qiáng)度約達(dá)1,000小時,可用于航空發(fā)動機(jī)葉片。
鎳基合金是超合金中應(yīng)用*廣、強(qiáng)度*高的材料。超合金之名稱即源自于材料特色;包括:
(1)性能超優(yōu)異:高溫下可維持高強(qiáng)度,且具有優(yōu)異的抗?jié)撟儭⒖蛊诘葯C(jī)械性質(zhì),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(jìn)不同環(huán)境之耐蝕性;以及固溶強(qiáng)化或析出強(qiáng)化等作用。
(3)工作環(huán)境超惡劣:鎳基合金被廣泛用于各種嚴(yán)苛之使用條件,如航天飛行引擎燃?xì)? 室的高溫高壓部份、核能、石油、海洋工業(yè)之結(jié)構(gòu)件,耐蝕管線等。
三、鎳基合金之微組織
鎳基合金的晶體結(jié)構(gòu)主要為高溫穩(wěn)定之 面心立方體(FCC)沃斯田鐵結(jié)構(gòu),為了提高其耐熱性質(zhì),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(qiáng)度。二次相的種類包含各種形式之 MC、M23C6、M6C、M7C3碳化物,主要分布在晶界,以及如 γ’ 或 γ’’ 等結(jié) 構(gòu)上為整合性(Coherent)之有序(Ordering)介金屬化合物。γ’與 γ’’ 相之其化學(xué)組成大致是Ni3(Al, Ti) 或 Ni3Nb,此類有序相在高溫下非常穩(wěn)定,經(jīng)由它們的強(qiáng)化可得到優(yōu)良的潛變破壞強(qiáng)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(shù)量逐漸增多,尺寸逐漸增大,并由球狀變成立方體,同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的γ’相。此外,在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成的γ+γ’共晶,晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被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(xiàn)代鎳基合金的化學(xué)成份十分復(fù)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(qiáng)化元素)的含量嚴(yán)加控制,否則會在使用過程中容易析出其他有害的介金屬相,如σ、Laves相等,將損害合金的強(qiáng)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(yīng)用*廣、強(qiáng)度*高的一類合金。其中添加較大量的Ni 為沃斯田鐵相穩(wěn)定元素,使得鎳基合金維持 FCC結(jié)構(gòu)而可以溶解較多其它合金元素,還能保持較好的組織穩(wěn)定性與材料的塑性;而 Cr、Mo和Al則具有抗氧化和抗腐蝕作用,并具有一定的強(qiáng)化作用。鎳基合金的強(qiáng)化依元素作用方式可分為:
(1)固溶強(qiáng)化元素,如W、Mo、Co、Cr和V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(yīng)變來強(qiáng)化材料;
(2)析出強(qiáng)化元素則如Al、Ti、Nb和Ta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(qiáng)化相(γ’),使合金得到有效的強(qiáng)化,獲得比鐵基高溫合金和鈷基合金更高的高溫強(qiáng)度;
(3)晶界強(qiáng)化元素,如B、Zr、Mg和稀土元素等,可加強(qiáng)合金之高溫性質(zhì)。一般鎳基合金的牌號由其所開發(fā)廠家來命名,如Ni-Cu合金又稱為Monel合金,常見如Monel 400、K-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(zhì)條件下使用 ,常見如 Inconel 600、625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,可用于噴射引擎里溫度較低部份的組件及石化廠反應(yīng)器等,如Incoloy 800H、825等。若于Inconel與Incoloy中加入析出強(qiáng)化元素,如Ti、Al、Nb等,則成為析出硬化型(鐵)鎳基合金,可于高溫下仍保有良好的機(jī)械強(qiáng)度與抗蝕性,多用于噴射引擎的組件,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(zhì)腐蝕的條件下使用。Hastelloy的代表牌號如C-276、C-2000等。