鎳(nie)基(ji)(ji)合(he)金由于具有優異的(de)(de)高溫性能(neng)和卓(zhuo)越(yue)的(de)(de)耐蝕性能(neng)，已在(zai)航(hang)空(kong)航(hang)天、核電、火電、石油化工等(deng)領域獲得了(le)廣泛的(de)(de)應用，但鎳(nie)基(ji)(ji)合(he)金的(de)(de)焊(han)接(jie)往(wang)往(wang)會帶來不少的(de)(de)困難，主要表現(xian)在(zai)相的(de)(de)變化導致(zhi)接(jie)頭(tou)(tou)性能(neng)的(de)(de)改變，以及焊(han)接(jie)過程中(zhong)產(chan)生的(de)(de)各(ge)種(zhong)裂紋等(deng)缺陷造(zao)成運行中(zhong)的(de)(de)早期(qi)失(shi)效。為此，眾多科(ke)技工作者(zhe)長(chang)期(qi)以來對鎳(nie)基(ji)(ji)合(he)金的(de)(de)焊(han)接(jie)開展了(le)大量(liang)的(de)(de)試驗研究，力求在(zai)焊(han)接(jie)鎳(nie)基(ji)(ji)合(he)金時能(neng)獲得高質量(liang)和性能(neng)滿意(yi)的(de)(de)焊(han)接(jie)接(jie)頭(tou)(tou)。
鎳基(ji)合(he)金(jin)是工程材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)最重要的(de)(de)(de)類(lei)(lei)別之一，因為它們(men)能(neng)夠(gou)用(yong)(yong)于多(duo)種(zhong)環境和(he)場合(he)。在(zai)(zai)含水和(he)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)的(de)(de)(de)耐蝕場合(he)、室溫(wen)(wen)(wen)(wen)和(he)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)的(de)(de)(de)高(gao)強度(du)場合(he)、低(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)的(de)(de)(de)延(yan)(yan)性(xing)(xing)和(he)韌性(xing)(xing)場合(he)、特殊的(de)(de)(de)電(dian)性(xing)(xing)能(neng)場合(he)以及與其(qi)他物理性(xing)(xing)能(neng)有關的(de)(de)(de)場合(he)都選(xuan)用(yong)(yong)了這(zhe)些(xie)合(he)金(jin)。鎳基(ji)合(he)金(jin)焊(han)(han)接材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)能(neng)提供某些(xie)焊(han)(han)態(tai)下(xia)的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)，而這(zhe)些(xie)性(xing)(xing)能(neng)是其(qi)他類(lei)(lei)型的(de)(de)(de)焊(han)(han)接產(chan)(chan)品所(suo)不(bu)能(neng)提供的(de)(de)(de)，例(li)如(ru)被(bei)許多(duo)各種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)合(he)金(jin)元素(su)稀(xi)釋(shi)(shi)后，還(huan)能(neng)保持從低(di)溫(wen)(wen)(wen)(wen)到接近固(gu)相線(xian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)強度(du)和(he)延(yan)(yan)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)能(neng)力(li)。它們(men)也(ye)是十分通(tong)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)，例(li)如(ru)，用(yong)(yong)于焊(han)(han)接9%鎳鋼(gang)的(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系焊(han)(han)接產(chan)(chan)品在(zai)(zai)液氮溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)下(xia)還(huan)具有非常高(gao)的(de)(de)(de)焊(han)(han)態(tai)強度(du)和(he)沖擊韌性(xing)(xing)。用(yong)(yong)來焊(han)(han)接鑄鐵(tie)的(de)(de)(de)鎳和(he)鎳－鐵(tie)合(he)金(jin)能(neng)被(bei)鐵(tie)和(he)碳(tan)稀(xi)釋(shi)(shi)后而保持延(yan)(yan)性(xing)(xing)，并提供良(liang)好的(de)(de)(de)機加工特性(xing)(xing)。鎳基(ji)合(he)金(jin)焊(han)(han)接材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)亦廣泛用(yong)(yong)于電(dian)力(li)工業(ye)，可在(zai)(zai)碳(tan)鋼(gang)和(he)不(bu)銹鋼(gang)之間(jian)進行異種(zhong)焊(han)(han)接，作為在(zai)(zai)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)使用(yong)(yong)時熱膨脹系數的(de)(de)(de)過渡材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。
相對(dui)于鋼而言，鎳(nie)基(ji)合(he)金能夠(gou)在(zai)低溫下使用，又能在(zai)接近(jin)1200℃的(de)(de)高溫下使用，因為(wei)固溶(rong)合(he)金的(de)(de)基(ji)體從固態到絕對(dui)零度都(dou)保持奧氏體。這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)加(jia)入適(shi)當添加(jia)劑的(de)(de)合(he)金提(ti)供了(le)有(you)用的(de)(de)耐蝕性(xing)，并在(zai)包括(kuo)電(dian)力、石(shi)化(hua)、化(hua)學加(jia)工(gong)、航天和(he)(he)控制(zhi)(zhi)環境污染等的(de)(de)廣大工(gong)業領域中得到了(le)應用。對(dui)鎳(nie)基(ji)合(he)金來(lai)說，焊接是一門關(guan)鍵性(xing)的(de)(de)制(zhi)(zhi)造技(ji)術。最(zui)近(jin)50年來(lai)，已(yi)經進行了(le)大量的(de)(de)研究和(he)(he)開(kai)發(fa)工(gong)作，為(wei)更好地弄懂和(he)(he)控制(zhi)(zhi)這(zhe)(zhe)些(xie)(xie)合(he)金的(de)(de)焊接性(xing)以及開(kai)發(fa)在(zai)焊接接頭耐蝕性(xing)和(he)(he)力學性(xing)能方面能滿足更高要求(qiu)的(de)(de)焊接材料(liao)作出了(le)不懈的(de)(de)努(nu)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(shang)用純鎳合金(jin)
商用純(chun)鎳合(he)(he)金(jin)是(shi)(shi)基本上含有(you)(you)鎳＞99%的(de)那些(xie)合(he)(he)金(jin)。這是(shi)(shi)一個商用純(chun)鎳合(he)(he)金(jin)的(de)完整族系，命名為200合(he)(he)金(jin)和201合(he)(he)金(jin)。這些(xie)材料(liao)具(ju)有(you)(you)低強度和低硬度，原則(ze)上由(you)于(yu)它(ta)們具(ju)有(you)(you)良好的(de)耐蝕性而(er)用于(yu)苛性腐(fu)蝕環境(jing)。201合(he)(he)金(jin)具(ju)有(you)(you)最高值為0.02wt%的(de)碳(tan)，所以它(ta)們能(neng)夠在高于(yu)315℃（600°F)的(de)高溫下使用而(er)無被“石(shi)墨化(hua)”的(de)危險。因(yin)為碳(tan)在高于(yu)315℃的(de)鎳基體中是(shi)(shi)相對(dui)易變(bian)(bian)的(de)，添加超出溶解(jie)度極限(xian)（～0.02%)的(de)碳(tan)會造成(cheng)石(shi)墨質(zhi)點的(de)沉淀，使材料(liao)變(bian)(bian)脆和變(bian)(bian)弱(ruo)。
還(huan)有一些(xie)附(fu)加(jia)商(shang)用(yong)純鎳(nie)合金(jin)，它(ta)們在(zai)(zai)(zai)電或(huo)磁致伸縮的(de)(de)有限場(chang)合使用(yong)。這些(xie)合金(jin)具(ju)有良(liang)(liang)好的(de)(de)焊(han)(han)接性，但(dan)在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)接時對氣(qi)孔敏感(gan)。如果在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)前和(he)焊(han)(han)接中保持(chi)清潔(jie)，這些(xie)合金(jin)會顯示(shi)良(liang)(liang)好的(de)(de)抗裂性，但(dan)保護氣(qi)體或(huo)焊(han)(han)劑必須(xu)充(chong)足以避(bi)免氣(qi)孔的(de)(de)形成(cheng)。商(shang)用(yong)純鎳(nie)焊(han)(han)接材(cai)料含有最高達1.5%鋁和(he)2.0%~3.5%鈦的(de)(de)添加(jia)劑來抵消少量的(de)(de)大氣(qi)污染。鈦和(he)鋁與氧(yang)結合形成(cheng)氧(yang)化物，與氮結合形成(cheng)氮化物，因而控制(zhi)了在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)縫熔(rong)敷金(jin)屬中的(de)(de)氣(qi)孔。
2. 固溶強化合金
鎳(nie)和(he)銅(tong)是同一形(xing)態的(de)(de)(de)元素(su)（完全(quan)固溶性(xing)(xing)），能在整個(ge)(ge)成分范(fan)圍(wei)內生成單相合(he)(he)(he)金(jin)。這個(ge)(ge)族系的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)通(tong)常(chang)對海(hai)水和(he)其(qi)他(ta)一般腐蝕環境顯(xian)示出良(liang)(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)。通(tong)常(chang)Ni-Cu合(he)(he)(he)金(jin)有(you)很(hen)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)焊(han)接性(xing)(xing)，但如果不使(shi)用適當的(de)(de)(de)保護(hu)或良(liang)(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)抗(kang)氧化焊(han)接材(cai)料(liao)，可能會對氣(qi)孔敏(min)感(gan)。其(qi)他(ta)的(de)(de)(de)固溶強化鎳(nie)基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)可以僅含(han)有(you)鐵(tie)，這些(xie)合(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)大多(duo)數(shu)由于特定的(de)(de)(de)膨(peng)脹系數(shu)或電性(xing)(xing)能而得到(dao)使(shi)用。Ni-36%Fe合(he)(he)(he)金(jin)通(tong)常(chang)稱作INVAR合(he)(he)(he)金(jin)，在所有(you)的(de)(de)(de)鎳(nie)基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)中(zhong)具有(you)最低(di)的(de)(de)(de)膨(peng)脹系數(shu)，在幾百度(du)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)范(fan)圍(wei)內加(jia)熱和(he)冷(leng)卻一直到(dao)約300°F,僅以小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)(de)速率膨(peng)脹和(he)收(shou)縮。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)有(you)較好(hao)(hao)的(de)(de)(de)焊(han)接性(xing)(xing)，但開發又(you)有(you)良(liang)(liang)好(hao)(hao)抗(kang)凝固裂紋性(xing)(xing)能，又(you)有(you)相匹配(pei)膨(peng)脹性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)焊(han)接材(cai)料(liao)對焊(han)材(cai)制造商來說是一個(ge)(ge)挑戰。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)及其(qi)焊(han)材(cai)也可能對低(di)塑性(xing)(xing)開裂敏(min)感(gan)，這種(zhong)開裂的(de)(de)(de)機理將在第3章中(zhong)詳(xiang)細闡述。
其他固(gu)(gu)溶合(he)金含有(you)(you)不同的置換元素，包(bao)括鉻、鉬(mu)和(he)鎢。每種元素都能賦予(yu)特殊的性能，并有(you)(you)能力改(gai)變(bian)每種合(he)金的焊接(jie)(jie)特性。固(gu)(gu)溶強化鎳基合(he)金的最高抗拉強度(du)值接(jie)(jie)近830 MPa(120 ksi),而屈服強度(du)在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合(he)金在要求具有(you)(you)良好耐蝕性的廣泛場合(he)下(xia)使用。如果要求較高的強度(du)水平，必須選擇沉淀(dian)強化合(he)金。
3. 沉(chen)淀(dian)強化(hua)合金
沉(chen)(chen)(chen)淀強(qiang)化(hua)(hua)鎳(nie)基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)含有(you)鈦、鋁和(he)／或(huo)鈮等添加劑，在適當的(de)(de)(de)(de)(de)熱處理(li)后與鎳(nie)形(xing)成(cheng)強(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)沉(chen)(chen)(chen)淀物(wu)。在大(da)多(duo)數情況下(xia)，這(zhe)(zhe)些(xie)沉(chen)(chen)(chen)淀物(wu)與奧氏體(ti)基(ji)體(ti)具(ju)有(you)凝聚力(li)，并使基(ji)體(ti)變(bian)形(xing)，因(yin)(yin)而(er)實質(zhi)上增加了基(ji)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)。這(zhe)(zhe)些(xie)沉(chen)(chen)(chen)淀物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)多(duo)數稱為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)Nig(Al,Ti)]和(he)γ”（Y"-NisNb)。在最(zui)佳(jia)合(he)(he)金(jin)(jin)添加劑和(he)熱處理(li)情況下(xia)，這(zhe)(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)能(neng)夠強(qiang)化(hua)(hua)到最(zui)高抗拉(la)強(qiang)度(du)(du)超過(guo)1380 MPa(200 ksi)和(he)0.2%屈服強(qiang)度(du)(du)超過(guo)1035 MPa(150 ksi).第(di)一個沉(chen)(chen)(chen)淀硬化(hua)(hua)Ni-Cr合(he)(he)金(jin)(jin)（X-750)是(shi)由γ'強(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)，在靠近γ'溶解線(xian)溫(wen)(wen)度(du)(du)下(xia)，顯示(shi)出良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)抗氧化(hua)(hua)性和(he)高溫(wen)(wen)強(qiang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)組合(he)(he)。不幸的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，當焊(han)后并直(zhi)接(jie)時(shi)(shi)效(xiao)而(er)不在中(zhong)(zhong)間插入(ru)退火(huo)處理(li)時(shi)(shi)，會產(chan)生(sheng)焊(han)后應變(bian)時(shi)(shi)效(xiao)裂(lie)紋（SAC).這(zhe)(zhe)種開裂(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)理(li)將在第(di)4章中(zhong)(zhong)詳細闡述。在為改(gai)善焊(han)接(jie)性和(he)避免SAC的(de)(de)(de)(de)(de)努(nu)力(li)下(xia)，開發了γ”強(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)第(di)二代沉(chen)(chen)(chen)淀硬化(hua)(hua)Ni-Cr-Mo合(he)(he)金(jin)(jin)。這(zhe)(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)最(zui)普遍(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)718合(he)(he)金(jin)(jin)。因(yin)(yin)為γ”沉(chen)(chen)(chen)淀物(wu)比γ'的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)要慢得多(duo)，718合(he)(he)金(jin)(jin)在焊(han)后熱處理(li)時(shi)(shi)通(tong)常(chang)不受SAC影響。718合(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)主(zhu)要應用(yong)之(zhi)一是(shi)航(hang)空航(hang)天燃(ran)氣透(tou)平傳動軸(zhou)和(he)耐壓殼(ke)。如(ru)果適當地熔煉，獲得低含量的(de)(de)(de)(de)(de)雜質(zhi)，該(gai)合(he)(he)金(jin)(jin)可提供極大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)機(ji)會。當設計合(he)(he)理(li)時(shi)(shi)，在一直(zhi)到760℃（1400°F)的(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)溫(wen)(wen)度(du)(du)下(xia)，具(ju)有(you)極佳(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)疲勞壽命(ming)。
基于沉淀強化合(he)金(jin)具(ju)有在(zai)高(gao)溫下不同尋常的高(gao)強度(du)和耐蝕性，所(suo)(suo)以(yi)通常把(ba)它們歸(gui)類為“超合(he)金(jin)”。該術(shu)(shu)語曾松散地應用于許多其他高(gao)強度(du)多元(yuan)合(he)金(jin)，但一般(ban)術(shu)(shu)語“超合(he)金(jin)”是用來描述由γ'和γ”相(xiang)所(suo)(suo)提供的具(ju)有超強度(du)性能的鎳基合(he)金(jin)。
在(zai)(zai)燃氣(qi)輪機動葉片上(shang)采用超(chao)合金始于IN713C合金。這種合金與X-750合金相似，但僅(jin)僅(jin)作為(wei)(wei)鑄(zhu)(zhu)件生產，因為(wei)(wei)含有較多的(de)(de)鋁、鈦添(tian)加劑，因此從鑄(zhu)(zhu)造溫度(du)下冷卻時(shi)(shi)，會(hui)發生時(shi)(shi)效(xiao)硬化(hua)。由于該合金對SAC有極高的(de)(de)敏(min)感性，所(suo)以產品修復受到(dao)限制(zhi)，但在(zai)(zai)葉片頂(ding)端(duan)(duan)堆(dui)焊(han)則不會(hui)開裂(lie)。經過(guo)(guo)數十年(nian)的(de)(de)技術進展，增加了“超(chao)合金”族系的(de)(de)其他成員，包括(kuo)超(chao)高強度(du)和耐腐(fu)蝕的(de)(de)單晶(jing)透平(ping)(ping)葉片合金。為(wei)(wei)了減少在(zai)(zai)運行時(shi)(shi)受到(dao)侵蝕，在(zai)(zai)葉片頂(ding)端(duan)(duan)堆(dui)焊(han)是可行的(de)(de)，只要焊(han)接(jie)過(guo)(guo)程能很好得到(dao)控制(zhi)，并使殘余應力(li)保持在(zai)(zai)較低水平(ping)(ping)。最初(chu)這些材料(liao)在(zai)(zai)焊(han)接(jie)修復時(shi)(shi)曾遇(yu)到(dao)挑戰，包括(kuo)避免在(zai)(zai)熔池(chi)中的(de)(de)晶(jing)粒分(fen)散和阻止開裂(lie)。
4. 其他特殊合金
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-鋁化合物是圍(wei)(wei)繞或是NiAl或是Ni3Al組成(cheng)而(er)設計的(de)合金(jin)(jin)。它們(men)顯示出非(fei)常(chang)高(gao)的(de)強度和(he)耐蝕性(xing)能，但(dan)由于(yu)它們(men)在(zai)很大溫度范圍(wei)(wei)內(nei)延性(xing)低(di)，所(suo)以(yi)焊(han)接非(fei)常(chang)困難。Ni-Cr-B和(he)Ni-Mo-Si合金(jin)(jin)曾(ceng)被開發用于(yu)在(zai)不同環境下的(de)耐磨材料(liao)，但(dan)這些合金(jin)(jin)由于(yu)硬度高(gao)、延性(xing)低(di)，并在(zai)其(qi)成(cheng)分范圍(wei)(wei)內(nei)會形(xing)成(cheng)低(di)熔融區(qu)間的(de)相，所(suo)以(yi)同樣難以(yi)焊(han)接。
