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　　镍基高温合金世界各国材料总数

　　以镍为根本添加别的物质组成的合金就叫做镍合金。镍具有较好的结构力学、化学物理特性，加上适合元素可以提高它抗氧化、耐腐蚀性、高温强度和提高一些工艺性能。镍合金可以作为整流管用原材料、高精密合金（带磁合金、精密电阻合金、电加热合金等）、镍基高温合金及其镍基耐腐蚀合金和形状记忆合金等。在新能源开发、化工厂、电子器件、远洋航行、航空和航天等相关部门中，镍合金都是有普遍主要用途。

　　镍能和铜,铁,锰,铬,硅,镁构成多种多样合金。在其中镍铜合金是有名的蒙乃尔合金,它强度高,可塑性好,在750度下的空气中,化学特性平稳,广泛运用于电气设备工业生产,真空电磁阀,化工,医疗器械和远洋航行造船工业等多个方面。

　　一、镍基合金界定

　　镍基合金一般以Ni成分超出30wt%之合金称之为，普遍商品之Ni成分均超过50wt%， 因为具备出色的高温机械设备强度与耐腐蚀性质，与铁基和钴基合金合称之为超合金(Superalloy)，一般是运用在540℃以上高温自然环境，并依其使用场所，采用不一样合金设计方案，一般用于独特耐腐蚀自然环境、高温腐蚀环境、需具备高温机械设备强度之机器设备。常用于航空航天、电力能源、石油工业或独特电子器件/光学等行业。

　　主要用途

　　商品规定特点

　　产品简介

　　航空工业

　　极高温下保持优良机械设备强度

　　飞机发动机、天然气涡轮发动机、模块闸阀

　　重化工业

　　优良之抗高温硫化橡胶、高温空气氧化特点

　　溶炉零件、隔热板、热处理工艺产业链、石油与天然气产业链

　　石油工业

　　耐溶液(酸、碱、氯离子含量)浸蚀

　　海水淡化厂、石油化工运输管道

　　电子器件/光学一般工业

　　一般耐腐蚀或耐高温程度较低之自然环境

　　电池壳件、导线架，电子计算机监控器防尘盖

　　二、发源与发展

　　镍基合金是30年代后期逐渐研制出，美国于1941年最先制造出镍基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了保证潜变强度又加上Al，研发出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；但美国于40年代末，俄国于40年代后期，国内于50年代末也先后研发出镍基合金。镍基合金的高速发展包含两方面，即合金成分改进和生产工艺的创新。

　　如50年代开始，真空熔炼技术发展，为提练含高Al和Ti 的镍基合金创造了条件，而推动了合金强度和应用温度的大幅度提高。50年代后期，因为涡轮叶片工作中温度的提升，规定合金有更大的高温强度，可是合金的强度变高，就无法变型，甚至不能变型，因此选用精密铸件技术性，演化出一系列具有较强高温强度的锻造合金。60年代末演化出特性更加好的专一性结晶体和单晶体高温合金，及其粉未冶金高温合金。

　　为了实现战舰和工业气轮机的需求，60年代以来还演化出一批耐热耐腐蚀性能不错、机构平稳高Cr镍基合金。再从40年代开始到70年代大概40年时间内，镍基合金工作温度从700 提升1,100℃，平均每年提升10℃前后。时迄今日，镍基合金之应用温度已可超出1,100℃，从上述情况最开始成分简易之Nimonic75 合金，到最近发展趋势出之MA6000 合金，在1,100℃时拉申强度可以达到2,220MPa、妥协强度为192MPa；其1,100℃/137MPa标准下之长久强度约达1,000钟头，适合于航空公司发动机叶片。

　　三、镍基合金之特点

　　镍基合金是特合金中运用较广、强度最大的原材料。超合金之名字即来源于原材料特点。

　　包含：

　　(1)特性超出色：高温下能保持高强度，且具有优异的抗潜变、缓解疲劳等机械设备特性，及其抗氧化性和耐腐蚀特点与较好的可塑性和 焊接性能。

　　(2)合金加上超复杂：镍基合金常加上十种之上之合金原素，用于提高不一样自然环境之耐腐蚀性；及其细晶强化或进行析出加强等功效。

　　(3)办公环境超极端：镍基合金被广泛用于各种各样苛刻之适用范围，如航天飞行模块天然气 室的高温髙压部分、核技术、原油、深海工业之零部件，耐腐蚀管道等。

　　四、镍基合金之微组织

　　镍基合金的分子结构大多为高温平稳之 体心体(FCC)沃斯田铁构造，为了保证其耐高温特性，加上了很多的合金原素，这些元素就会形成各种各样二次相，提高了镍基合金之高温强度。二次相类型包括各种形式之 MC、M23C6、M6C、M7C3渗碳体，主要分布在位错，及其如 γ' 或 γ'' 等结 构中为主导性(Coherent)之井然有序(Ordering)介金属化合物。γ'与 γ'' 相之其化学组成大致是Ni3(Al, Ti) 或 Ni3Nb，该类井然有序相在高温下非常稳定，经过它们加强可获得良好的潜变毁坏强度。 典型性镍基合金之微组织如下图1：

　　图1 典型性镍基合金之微组织

　　伴随着合金化程度的提升，其显微组织的改变有以下发展趋势： γ'相总数日益增多，规格逐渐增大，然后由球形变为正方体，同一合金里出现尺寸大小形状有所不同的γ'相。除此之外，在锻造合金中还出现了在凝固过程中形成的γ γ'碳化物，位错进行析出不连贯的颗粒渗碳体且被γ'相塑料薄膜所包围，这种微组织的改变优化了合金性能。除此之外，当代镍基合金的化学成分十分复杂，合金的对比度非常高，因而规定对每一个合金原素 (特别是关键加强原素)含量严格操纵，不然会在使用中非常容易进行析出别的有影响的介金属相，如σ、Laves相同，将危害合金的强度和延展性。

　　五、合金元素之功效与型号

　　镍基合金是高温合金中运用较广、强度最大的一类合金。在其中加上较大量Ni 为沃斯田铁相平稳原素，促使镍基合金保持 FCC构造而能够融解比较多其他合金原素，还能保持比较好的机构可靠性与原材料的可塑性；而 Cr、Mo和Al则具备抗氧化性和耐腐蚀功效，并具有一定的增强作用。镍基合金的加强依原素作用方式可以分为：

　　(1)细晶强化原素，如W、Mo、Co、Cr和V等，通过该类原子半径与板材的差异，在Ni-Fe之产业基地导致部分晶格常数应变力来强化材料；

　　(2)进行析出加强原素则如Al、Ti、Nb和Ta等，可以形成主导性规范有序A3B型金属间化合物，如Ni3(Al,Ti)等加强相(γ’)，使合金得到很好的加强，得到比铁基高温合金和钴基合金更高高温强度；

　　(3)位错加强原素，如B、Zr、Mg和稀有元素等，可提升合金之高温特性。一般镍基合金的型号对其所开发设计生产厂家来命名，如Ni-Cu合金也称为Monel合金，普遍如Monel 400、K-500等。Ni-Cr合金一般称之为 Inconel合金，其实就是普遍之镍基耐高温合金，主要是在还原性物质环境下应用 ，普遍如 Inconel 600、625等。倘若Inconel合金里加入比较高量Fe来取代Ni，乃为Incoloy合金，其耐高温水平比不上镍基进行析出硬底化型合金，但价格低，适合于喷涌模块里温度比较低部分的部件及石化厂反应釜等，如Incoloy 800H、825等。若于Inconel与Incoloy里加入进行析出加强原素，如Ti、Al、Nb等，就成为了进行析出硬底化型(铁)镍基合金，可在高温下仍保有较好的机械设备强度与抗蚀性，一般用于喷涌引擎的部件，如 Inconel 718 、Incoloy A-286 等。而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金则称之为哈氏耐腐蚀合（Hastelloy)，在其中Ni-Cr-Mo主要是在氧化性物质浸蚀的条件下应用。Hastelloy的代表型号如C-276、C-2000等。镍基合金之关键型号与添加元素之对比可参考图2：

　　图2

　　六、镍基合金之特性

　　1.高温(瞬间)强度

　　镍基合金常温下就具有很高的拉申强度 (TS=1,200-1,600；YS= 900-1,300 MPa)，且兼顾较好的可塑性，此一发展趋势可保持无上达图3

　　图3 镍基合金中强势之析出相与具延展性之产业基地而形成之复合型定义

　　包括运用上述情况以正离子与化学键结，在常温下具备高熔点、高强度之γ'或γ''等析出相，组合移动系统软件多且具可塑性之沃斯田铁相产业基地，以复合材质之定义获得兼顾强度可塑性之出色机械设备特性，促使镍基合金之运用温度变成金属复合材料中最高的图4:

　　图4 各种施工材料依机械设备强度所区划之强度-运用温度地形图

　　2.潜变强度

　　潜变为材料在高温(T/Tm>0.5)恒荷载影响下，缓缓地産生形状变化的情况，为材料合金因为具备最理想的抗高温潜变水平，所以被广泛应用在各种各样高温自然环境，做为承力件运用。潜变的产生如下图5：

　　图5 潜变变型之三个阶段，及其温度对潜变危害之强度-运用温度平面图

　　可分为三个环节， 在基本潜变(Primary Creep)环节，变型速度也较大，但随着应变力的提高产生冷作硬化而缓减。当变型速度做到某一个极小值并贴近常量，这时称之为第二阶段潜变，或稳定环节潜变 (Secondary or Steady-StateCreep)，这是因为冷作硬化和动态回应达到平衡得到的结果，在项目材料设计中所规定之潜变应变率是指这一阶段的应变率。在第三阶段(Tertiary Creep)，因为颈缩状况，应变率伴随着应变力扩大而呈指数值性提高，最终做到毁坏。

　　应力和应变率的关联随潜变体制的不同而各有不同，一般说来，温度的升高或者应力的提升都会增加稳定潜变的变型速度并减少潜变使用寿命。潜变之体制可以分为(1)差排潜变：遭受高温的支持，差排很有可能沿滑移面产生移动，从而出现变型。(2)蔓延潜变：由分子挪动导致，沿晶体散称之为Nabarro-Herring Creep，在高温中为关键体制。沿位错蔓延的称为Coble Creep，低温环境时 为基本体制。因而晶体越小越很容易发生蔓延潜变。(3)位错移动：因高温时位错较差，原材料易沿位错造成移动，导致沿晶缝隙。故高温时晶体越小越很容易产生位错移动潜变及沿晶缝隙。金属潜变变型常以差排潜变与位错移动的配对t检验，镍基合金因为具备介金属相的进行析出，可大幅度抑止差排潜变，而位错上进行析出之渗碳体则可以协助抵御位错移动导致之潜变状况，促使镍基合金相对于其他金属复合材料具有较出色之抗潜变特性图6：

　　图6 不一样合金原材料之潜变特性较为

　　除此之外，从传统的铸造方式改以不可逆性凝结长柱状晶，抵御高温潜变的特性会提升，若进一步成长为单晶体时，抗潜变水平更大幅度提高，故镍基合金也演化出专一性碳化物凝结、单晶体锻造、粉未冶金等其它技术性，进一步加深了镍基合金抵御高温潜变能力。

　　3.耐腐蚀性质

　　对材料产生腐蚀的操纵已经被视作是工业中实践活动原材料经济发展节省之最合适方法。机械设备在规划端原材料采用并不是 只关注原材料价格，后面拆换、维护保养所需要的周期时间长度和整体利用效率之良窳，及其更重要安全系数等议题等，都要更精确的纳入设计和采用之考虑到。镍基合金在强氧化性腐蚀环境，繁杂的混合酸自然环境，带有卤素灯泡离子的水溶液都具有非常好的耐腐蚀性，镍基耐腐蚀合金能够Hastelloy合金为首，如上所述，Ni原素在结晶学上能容纳比较多的合金，来提高抵御腐蚀环境能力；且Ni本身就具有一定的抗腐性，如抵抗Cl离子的晶间腐蚀与苛性碱浸蚀具备极佳抵抗力。而镍基合金中加入的钝化处理多种多样原素能与板材相产生离子晶体，提高了原材料的腐蚀电位及热学可靠性。如Ni里加入 Cu, Cr,Mo等，提高整体合金的耐腐蚀性图7：

　　图7 不一样合金原材料腐蚀电位之平面图

　　除此之外，合金原素能促进合金表层形成致密的浸蚀 物质防护膜，如产生Cr2O3, Al2O3等氧化层，提供资料抵御各种腐蚀环境的防护层，因而镍基耐腐蚀合金一般带有Cr、Al这几种元素之一或它们都有，特别是当强度并不是合金关键标准时，需要注意合金抗高温空气氧化特性 和热腐蚀能，高温合金的空气氧化特性随合金元素含量的不同而略有不同，虽然持续高温合金的高温氧化个人行为非常复杂，但一般仍然以空气氧化动力学模型和氧化层的组成转变来描述持续高温合金的抗氧化作用，在这里将纯镍及主要镍基合金之耐蚀性质分述如下所示。

　　纯镍原材料如 Ni 200/201(UNS N02200/ UNS N02201)是商业纯镍(>99.0%)。它具有较好的物理性能和出色的耐腐蚀水平，以及其它有效物理特征，包含其磁性能、磁致伸缩特性、强的传热和导电性等。Ni 200的耐腐蚀水平使得它当面对如食品类、合成纤维及其苛性碱等都需要保证产品清澈的运用中尤其有效。在结构应用中当耐腐蚀力是关键参考标准时进行也挺普遍。其他的应用包含天及其巡航导弹零件等。镍基耐腐蚀合金包含哈氏合金及其Ni-Cu合金等，关键合金原素是Cr、Mo、Cu等，具有较好的综合性能，能耐各种各样酸腐蚀和晶间腐蚀。最开始运用Ni-Cu成 份之Monel；另外还有Ni-Cr合金(即镍基耐高温合金，耐腐蚀合金里的耐高温浸蚀合金)、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Mo合金(即哈氏合金之C系列产品) 等。以耐腐蚀特点来讲，Ni-Cu合金在氧化性介质中耐蚀性好于Ni，但在还原性介质中耐蚀性又好于Cu，在无氧运动和氧化物的条件下， 是耐热氟气、氯化氢气体和盐酸的最佳的原材料；Ni-Cr合金主要是在还原性物质环境下应用。能抗高温氧化和硫含量、钒等气体浸蚀， 合金内含Cr量在超过13%的时候才能导致高效的抗蚀功效，而Cr成分越大，其耐蚀性就越好， 但非还原性物质如硫酸中，耐蚀性较弱， 主要是因为非氧化性酸不容易使合金形成氧化层，并且对氧化层也有溶解作用。

　　镍基合金中再加上含Mo与Cu等经典，则可以提高维护抵抗层还原酸之耐腐蚀水平，如Ni-Mo合金主要是在氧化性物质浸蚀的条件下应用，是耐盐酸腐蚀的最佳的一种合金，但有氧运动和氧化物存有时，耐腐蚀性会明显降低 。Ni-Cr-Mo(-W) 合金则兼具以上 Ni-Cr 与Ni-Mo合金性能，主要是在空气氧化与复原混和物质环境下应用，这种合金在高温下氯化氢气体气中、在含氧和还原剂的硫酸、盐酸水溶液及在常温下的湿氢气中耐蚀性优良。含Mo 镍基耐腐蚀合金之必要性取决于可以同时抵御氧化酸与还原酸，如钛及不锈钢板则只耐氧化酸，如哈氏C-276或C-2000合金就是一种含W的Ni-Cr-Mo合金图8：

　　图8 不一样合金在还原酸(HCl)中之耐蚀性质数据信息

　　带有很低的硅和碳， 一般被称之为无所不能的耐腐蚀合金，具备在空气氧化和复原两氛围的状态下，对大部分腐蚀性物质具有优异的耐腐蚀性能，及其优异的耐孔蚀、韧性断裂和应力开裂腐蚀能，该类合金因降低了C、Si，因此能控制渗碳体的析出，但更提高耐腐蚀性能。由于该类之特点，因此普遍做为有机化学设施等严苛条件下的应用材质。除此之外，Ni-Cr-Mo-Cu合金具备既耐氰化钠又耐硫酸腐蚀能力，在一些空气氧化-氧化性混合酸中都有很好的耐蚀性。

　　七、镍基合金之生产工艺

　　传统式之镍基合金的生产工艺流程为镍原材料→ 镍合金浇铸(熔炼)→二次精练→生产→制成品→中下游应用图9：

　　图9 一般镍基合金生产制造之流程表

　　其他如对于航空航天运用等之特殊要求，则演化出如专一性凝结，单晶体锻造，粉未冶金等其它技术性。此文即对于传统上生产制造镍基合金之核心技术，如熔炼、热处理、热处理工艺等作简短的详细介绍。

　　镍基合金之成份构成以Ni-Cr-Fe为主导， 其他元素加上如Cu、Si、Mn、Al、Ti、Nb、W、C等。一般从参考文献可掌握这些元素对超合金原材料的危害，但若想重新组合或加上一个新的合金成分，充分了解它在微组织之配对t检验， 近期已经有以原材料特性模拟仿真软件，可以进行合金系统软件热学与动力学模型计算，帮助给予性价比之方位，可以提高合金设计方案效率。而合金定制的完成则需由熔炼技术性去完成，镍基合金熔炼关键区分为一般等级的加热炉 (Electric Arc Furnace，EAF)＋电渣重熔精练 (Electro-Alag Remelting，EAR)及高等级的真空泵磁感应熔炼(Vacuum Induction Melting，VIM)＋电渣重熔精练商品。为了能熔炼时得到更纯粹变的合金钢液，降低空气含量与有害元素成分；并且由于一部分合金中有易空气氧化原素如Al、Ti等存有，并以真空泵方法冶炼厂无法控制；也是为了得到更好的热固性塑料，镍基合金一般采用真空感应炉熔炼，甚至用真空泵磁感应熔炼加真空泵自耗炉或电渣炉重熔形式进行生产制造。在其中VIM图10：

　　图10 真空泵磁感应熔炼与电渣重熔精炼设备之平面图

　　关键的目的是精确击中7-12种合金成分，并去除污垢原素及有害物质，再用浇铸凝结控制系统保持构造高密度无表面缺陷，由于在真 空条件下开展合金熔炼，可限定非金属材料空气氧化夹杂物的建立，以高蒸汽压清除没有用的营养元素与溶解气体，比如氧、氢和氮等，来获得精准且均匀合金构成。VIM进行熔炼之浇铸可以用做ESR之电级以进行精练，ESR (图10)制造的目的其实是为了获得更纯粹低残渣之浇铸，就是以渣性/精练控制系统清除粗壮介在物，再用浇铸凝结控制系统，做到成分纯粹、构造高密度与微组织均匀总体目标。一般用真空感应炉熔炼以确保成分和控制汽体及杂物成分，并且用真空泵重熔-精密铸件技术性做成零件。以较合金零件加工来讲，熔炼方式的挑选会影响到不良区(即成份发生异常缩松）一般而言，不纯度与缺点(如孔隙度)又与合金成份与铸造工艺相关。

　　镍基合金在生产层面常采用煅造、冷轧等形式型，针对热固性塑料差合金乃至选用挤压成型开胚后冷轧或者用合金钢(或不锈钢板)包套立即挤压技术。一般变型的目的是为了粉碎铸造组织，改进外部经济组织架构。镍基合金在高温下时较高之变型特性阻抗与热延展性不稳定，增强了镍基合金制造里的艰难度。一般镍基合金强度大，冷、热处理不容易，以C-276为例子， 持续高温变型特性阻抗大约为不锈钢板之2.4倍；且冷拉极高硬底化率促使其强度能致不锈钢材质2倍。而热处理时除需考虑持续高温变型特性阻抗外，还需要考虑到不一样温度下热延展性之不一样变型阻或夹杂物发生之地区)的产生是否，而不良区往往会损害合金之持续高温机械设备特性，如下图11：

　　图11 镍基合金Inconel 601于不一样温度下之热延 性和变型特性阻抗之数据信息曲线图，表明于热延展性低 于60%之温度下滑生产加工易导致缝隙之产生

　　以较合金铸造件而抗与热延展性与此同时容许再加工之温度范畴，才可以视作热处理制造之工作中区段。处理后或部分锻造合金应进行热处理工艺，镍基合金淬火和回火的目的，为视产品属性 (如延展性或潜变)之要求，开展晶粒尺寸之操纵，并且以持续高温促进产生加工硬化与应力消除， 及其回溶前制造中析出之欠佳相，如M23C6、δ、η等。以细晶强化型镍基合金来讲，其热处理工艺程序流程为(1)提温至析出物可产生回溶之温度，(2)持温从而达到需要晶粒尺寸，(3) 冷速须操纵防止如敏化相M23C6等之析出。

　　一般而言，时效处理后机性遭受晶粒尺寸与 沿晶析出物之危害，需视合金成分和前制造 情况调节时效处理温度和时间，从而达到需要之特性。除此之外，含Cr镍基合金经400~800oC 之热简历时，碳化铬(M23C6)会析出于位错， 导致位错周边产生铬欠缺区 (Cr-depletion Zone)，而造成此区耐蚀性减少，称之为敏化而容易造成沿晶腐蚀(IGA)及沿晶应力腐蚀破裂(IGSCC)的产生。另一方面，沃斯田铁系析出加强镍基合金之热处理工艺则包括 (1)提温 至析出物回溶之温度之固溶处理环节及其(2)于γ/ γ'二相区持温之时效性环节。在其中固溶处理促使析出物回溶，产业基地中 γ' 析出需要原素提升， 并达到各添加元素之均质化，且操纵板材 γ 相之晶粒尺寸；而时效性环节则可持温温度、时长、冷速与多阶段时效性来调节 γ' 之容积分率、外貌、规格与遍布，关键析出物之遍布与外貌可影响潜变与耐蚀性质。一般而言，加强相常以纳米尺寸，以一般金相分析方式观查不容易。常须藉助倍率很高之透过式光学显微镜(TEM)来把握析出物外貌。

　　八、结 语

　　近些年，全世界镍基合金生产量将不断增加，尤其是以石油化工用之EAF级别及电力能源/航空航天用之VIM级别镍基合金之需要量的提高最明显，其中又以亚洲市场的发展更为快速，在航空航天、电力能源层面之运用将大幅上升。台湾省之镍基合金产业链主要分接纳海外生产商授权委托之深度加工回销，与电力能源、石化厂办厂两类，其中又以后面一种年产值比较大。因为中国台湾之镍基合金在和核心技术之开发和工业生产产 品之生产制造仍然处于发展趋势中之环节，顺应电力能源、绿色环保、生医等战略新兴产业的迅猛发展，为帮助中下游获得高档原材料，并提高金属材料产业链总体竞争能力，中钢已经在2011年同盟新桥，融合新桥精练动能与中钢轧延优点，已成立中钢高精密锻材企业，资金投入钛合金、镍基合金、及模具钢等高端独特合金生产，同时也希望和国内业内小伙伴共同携手，期可以为中国金属材料产业链升级与发展共创佳绩。

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