鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)由于(yu)具有(you)優異(yi)的高溫性能(neng)和卓越的耐蝕(shi)性能(neng)，已(yi)在航空(kong)航天、核電、火電、石油化(hua)工(gong)等領域獲得了廣泛(fan)的應用，但(dan)鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)的焊接(jie)往(wang)往(wang)會帶來(lai)不少的困難，主要(yao)表現在相的變化(hua)導致接(jie)頭(tou)性能(neng)的改變，以(yi)(yi)及焊接(jie)過(guo)程(cheng)中產生的各(ge)種裂(lie)紋等缺陷造成(cheng)運行中的早期失效。為此(ci)，眾多科技工(gong)作(zuo)者長期以(yi)(yi)來(lai)對鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)的焊接(jie)開展了大(da)量的試驗(yan)研究，力求(qiu)在焊接(jie)鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)時(shi)能(neng)獲得高質量和性能(neng)滿意的焊接(jie)接(jie)頭(tou)。
鎳(nie)基合(he)(he)(he)(he)金(jin)是工(gong)程材(cai)料最重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)類(lei)別之一，因為它(ta)們(men)能(neng)(neng)夠用(yong)于多(duo)種(zhong)環境和場(chang)合(he)(he)(he)(he)。在含(han)水(shui)和高(gao)溫(wen)(wen)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)耐蝕場(chang)合(he)(he)(he)(he)、室溫(wen)(wen)和高(gao)溫(wen)(wen)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)強度(du)場(chang)合(he)(he)(he)(he)、低溫(wen)(wen)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)延性(xing)和韌性(xing)場(chang)合(he)(he)(he)(he)、特(te)殊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)性(xing)能(neng)(neng)場(chang)合(he)(he)(he)(he)以及與(yu)其(qi)他(ta)物理性(xing)能(neng)(neng)有(you)(you)關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)場(chang)合(he)(he)(he)(he)都(dou)選用(yong)了這些合(he)(he)(he)(he)金(jin)。鎳(nie)基合(he)(he)(he)(he)金(jin)焊(han)(han)接(jie)(jie)材(cai)料能(neng)(neng)提供(gong)某(mou)些焊(han)(han)態下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)，而(er)這些性(xing)能(neng)(neng)是其(qi)他(ta)類(lei)型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)產品(pin)所不(bu)能(neng)(neng)提供(gong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例如被(bei)許(xu)多(duo)各種(zhong)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)(he)(he)(he)金(jin)元素稀釋(shi)(shi)后，還(huan)能(neng)(neng)保持(chi)從低溫(wen)(wen)到接(jie)(jie)近固(gu)相(xiang)線(xian)溫(wen)(wen)度(du)強度(du)和延性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力(li)(li)。它(ta)們(men)也是十分通用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例如，用(yong)于焊(han)(han)接(jie)(jie)9%鎳(nie)鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系焊(han)(han)接(jie)(jie)產品(pin)在液氮溫(wen)(wen)度(du)下(xia)還(huan)具有(you)(you)非常高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)態強度(du)和沖擊(ji)韌性(xing)。用(yong)來焊(han)(han)接(jie)(jie)鑄(zhu)鐵的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鎳(nie)和鎳(nie)－鐵合(he)(he)(he)(he)金(jin)能(neng)(neng)被(bei)鐵和碳稀釋(shi)(shi)后而(er)保持(chi)延性(xing)，并提供(gong)良好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機加工(gong)特(te)性(xing)。鎳(nie)基合(he)(he)(he)(he)金(jin)焊(han)(han)接(jie)(jie)材(cai)料亦廣泛用(yong)于電(dian)力(li)(li)工(gong)業，可在碳鋼和不(bu)銹(xiu)鋼之間進行異種(zhong)焊(han)(han)接(jie)(jie)，作為在高(gao)溫(wen)(wen)下(xia)使用(yong)時熱膨脹系數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)渡材(cai)料。
相對于(yu)鋼(gang)而言，鎳基合(he)(he)(he)(he)金能(neng)(neng)夠在(zai)(zai)低溫下(xia)使用(yong)，又能(neng)(neng)在(zai)(zai)接近1200℃的(de)高(gao)溫下(xia)使用(yong)，因為固(gu)(gu)溶合(he)(he)(he)(he)金的(de)基體從固(gu)(gu)態到絕對零度(du)都保持奧氏體。這些加(jia)入適當添加(jia)劑的(de)合(he)(he)(he)(he)金提供(gong)了(le)有用(yong)的(de)耐蝕性(xing)，并在(zai)(zai)包括(kuo)電力(li)(li)、石化、化學(xue)加(jia)工、航天和(he)(he)(he)控制(zhi)(zhi)環境污染等的(de)廣大工業領域中得(de)到了(le)應用(yong)。對鎳基合(he)(he)(he)(he)金來說，焊接是一(yi)門關鍵(jian)性(xing)的(de)制(zhi)(zhi)造技術。最近50年來，已經進行了(le)大量(liang)的(de)研(yan)究和(he)(he)(he)開(kai)發工作，為更好地弄懂(dong)和(he)(he)(he)控制(zhi)(zhi)這些合(he)(he)(he)(he)金的(de)焊接性(xing)以(yi)及開(kai)發在(zai)(zai)焊接接頭耐蝕性(xing)和(he)(he)(he)力(li)(li)學(xue)性(xing)能(neng)(neng)方面(mian)能(neng)(neng)滿足更高(gao)要求的(de)焊接材料作出了(le)不(bu)懈的(de)努(nu)力(li)(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. 商用純鎳合金
商用(yong)純(chun)鎳合(he)(he)(he)金(jin)(jin)是(shi)(shi)基本上(shang)含有鎳＞99%的(de)那些合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。這(zhe)是(shi)(shi)一個商用(yong)純(chun)鎳合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)完整(zheng)族系，命(ming)名(ming)為200合(he)(he)(he)金(jin)(jin)和201合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。這(zhe)些材料具(ju)有低強度和低硬度，原(yuan)則上(shang)由于(yu)(yu)它們具(ju)有良好的(de)耐蝕性而用(yong)于(yu)(yu)苛性腐(fu)蝕環境。201合(he)(he)(he)金(jin)(jin)具(ju)有最高值為0.02wt%的(de)碳(tan)，所(suo)以它們能(neng)夠在高于(yu)(yu)315℃（600°F)的(de)高溫下使(shi)用(yong)而無(wu)被“石墨(mo)化”的(de)危險。因為碳(tan)在高于(yu)(yu)315℃的(de)鎳基體中是(shi)(shi)相(xiang)對易(yi)變的(de)，添加超出溶解度極限(xian)（～0.02%)的(de)碳(tan)會造(zao)成(cheng)石墨(mo)質點的(de)沉淀，使(shi)材料變脆(cui)和變弱。
還有(you)一些附(fu)加(jia)商用純鎳(nie)合金(jin)，它們在電或磁致伸縮(suo)的有(you)限場合使(shi)用。這些合金(jin)具有(you)良好(hao)的焊(han)接性(xing)，但(dan)在焊(han)接時對(dui)氣(qi)孔(kong)(kong)敏(min)感。如果在焊(han)前和焊(han)接中保持清(qing)潔，這些合金(jin)會顯示(shi)良好(hao)的抗裂性(xing)，但(dan)保護氣(qi)體或焊(han)劑必須充足以避免(mian)氣(qi)孔(kong)(kong)的形(xing)成(cheng)。商用純鎳(nie)焊(han)接材料(liao)含有(you)最高(gao)達1.5%鋁和2.0%~3.5%鈦的添加(jia)劑來抵消少量的大(da)氣(qi)污染。鈦和鋁與氧結(jie)合形(xing)成(cheng)氧化物(wu)，與氮結(jie)合形(xing)成(cheng)氮化物(wu)，因而控(kong)制了在焊(han)縫熔敷金(jin)屬(shu)中的氣(qi)孔(kong)(kong)。
2. 固溶強(qiang)化合金
鎳(nie)(nie)和(he)銅是同(tong)一形(xing)態的(de)(de)元素(su)（完全固(gu)溶性），能(neng)在整個成分范(fan)圍(wei)內生成單相合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。這(zhe)(zhe)個族系(xi)的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)通常(chang)(chang)對(dui)海水和(he)其(qi)(qi)他一般腐蝕(shi)環境顯示出良好(hao)(hao)的(de)(de)耐蝕(shi)性。通常(chang)(chang)Ni-Cu合(he)(he)(he)金(jin)(jin)有(you)(you)很好(hao)(hao)的(de)(de)焊(han)(han)接性，但如果不使用(yong)適(shi)當的(de)(de)保護或(huo)良好(hao)(hao)的(de)(de)抗(kang)氧化焊(han)(han)接材(cai)(cai)料(liao)(liao)，可能(neng)會對(dui)氣孔敏感(gan)。其(qi)(qi)他的(de)(de)固(gu)溶強化鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)可以(yi)僅(jin)含(han)有(you)(you)鐵(tie)，這(zhe)(zhe)些合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)大多(duo)數由于特定的(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)數或(huo)電性能(neng)而得到使用(yong)。Ni-36%Fe合(he)(he)(he)金(jin)(jin)通常(chang)(chang)稱(cheng)作INVAR合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，在所有(you)(you)的(de)(de)鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中具有(you)(you)最低的(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)數，在幾百度的(de)(de)溫度范(fan)圍(wei)內加熱和(he)冷(leng)卻一直到約300°F,僅(jin)以(yi)小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)速(su)率(lv)膨脹(zhang)和(he)收縮。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)(jin)有(you)(you)較好(hao)(hao)的(de)(de)焊(han)(han)接性，但開發(fa)又有(you)(you)良好(hao)(hao)抗(kang)凝固(gu)裂紋性能(neng)，又有(you)(you)相匹(pi)配(pei)膨脹(zhang)性能(neng)的(de)(de)焊(han)(han)接材(cai)(cai)料(liao)(liao)對(dui)焊(han)(han)材(cai)(cai)制造商來說是一個挑戰(zhan)。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)(jin)及其(qi)(qi)焊(han)(han)材(cai)(cai)也(ye)可能(neng)對(dui)低塑性開裂敏感(gan)，這(zhe)(zhe)種(zhong)開裂的(de)(de)機(ji)理將(jiang)在第(di)3章中詳細闡(chan)述。
其他固(gu)溶(rong)合(he)金含有不同的(de)(de)置換元(yuan)(yuan)素，包括(kuo)鉻(ge)、鉬和鎢。每種元(yuan)(yuan)素都(dou)能賦予特殊的(de)(de)性能，并有能力改變每種合(he)金的(de)(de)焊接特性。固(gu)溶(rong)強(qiang)化鎳基(ji)合(he)金的(de)(de)最高抗(kang)拉強(qiang)度值(zhi)接近830 MPa(120 ksi),而屈服(fu)強(qiang)度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間(jian)。這些合(he)金在要求(qiu)具有良好耐蝕性的(de)(de)廣泛場合(he)下使用。如果要求(qiu)較高的(de)(de)強(qiang)度水(shui)平，必須選擇沉淀強(qiang)化合(he)金。
3. 沉淀強化(hua)合金
沉淀(dian)(dian)強(qiang)(qiang)化鎳基合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)含有鈦、鋁和(he)(he)(he)／或鈮等(deng)添(tian)加劑，在(zai)適當(dang)的(de)(de)(de)熱處理后(hou)與鎳形(xing)(xing)成強(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)沉淀(dian)(dian)物。在(zai)大(da)(da)多數情(qing)況下(xia)(xia)，這些(xie)(xie)沉淀(dian)(dian)物與奧氏體(ti)基體(ti)具有凝聚力，并使(shi)基體(ti)變形(xing)(xing)，因(yin)而(er)實質(zhi)上增加了基體(ti)的(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)。這些(xie)(xie)沉淀(dian)(dian)物的(de)(de)(de)大(da)(da)多數稱為(wei)(wei)(wei)Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)(he)(he)Nig(Al,Ti)]和(he)(he)(he)γ”（Y"-NisNb)。在(zai)最佳合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)添(tian)加劑和(he)(he)(he)熱處理情(qing)況下(xia)(xia)，這些(xie)(xie)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)能夠(gou)強(qiang)(qiang)化到最高抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)超(chao)過1380 MPa(200 ksi)和(he)(he)(he)0.2%屈服強(qiang)(qiang)度(du)(du)超(chao)過1035 MPa(150 ksi).第(di)(di)一(yi)個沉淀(dian)(dian)硬(ying)化Ni-Cr合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)（X-750)是由γ'強(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)，在(zai)靠近γ'溶解線(xian)溫(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)，顯示(shi)出良好的(de)(de)(de)抗(kang)氧化性和(he)(he)(he)高溫(wen)強(qiang)(qiang)度(du)(du)的(de)(de)(de)組合(he)(he)(he)(he)。不幸的(de)(de)(de)是，當(dang)焊(han)后(hou)并直接時(shi)效而(er)不在(zai)中間插入(ru)退火處理時(shi)，會(hui)產生焊(han)后(hou)應變時(shi)效裂紋（SAC).這種開(kai)裂的(de)(de)(de)機理將在(zai)第(di)(di)4章(zhang)中詳細闡述。在(zai)為(wei)(wei)(wei)改(gai)善焊(han)接性和(he)(he)(he)避免SAC的(de)(de)(de)努力下(xia)(xia)，開(kai)發了γ”強(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)第(di)(di)二代沉淀(dian)(dian)硬(ying)化Ni-Cr-Mo合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)。這些(xie)(xie)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)中最普遍的(de)(de)(de)是718合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)。因(yin)為(wei)(wei)(wei)γ”沉淀(dian)(dian)物比γ'的(de)(de)(de)形(xing)(xing)成要慢得多，718合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)在(zai)焊(han)后(hou)熱處理時(shi)通常不受SAC影響(xiang)。718合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)主要應用(yong)之一(yi)是航空航天燃(ran)氣(qi)透(tou)平傳動軸和(he)(he)(he)耐壓殼。如果適當(dang)地熔煉，獲(huo)得低含量(liang)的(de)(de)(de)雜(za)質(zhi)，該合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)可提供極大(da)(da)的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)機會(hui)。當(dang)設計合(he)(he)(he)(he)理時(shi)，在(zai)一(yi)直到760℃（1400°F)的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)溫(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)，具有極佳的(de)(de)(de)疲(pi)勞壽命。
基于(yu)沉(chen)淀(dian)強(qiang)(qiang)化合金具(ju)有(you)在高(gao)溫下不同(tong)尋常的(de)高(gao)強(qiang)(qiang)度和耐蝕性(xing)，所(suo)以(yi)通常把它們歸類為(wei)“超合金”。該術語曾松散地應用于(yu)許多其(qi)他高(gao)強(qiang)(qiang)度多元合金，但一般術語“超合金”是用來(lai)描述(shu)由γ'和γ”相所(suo)提(ti)供的(de)具(ju)有(you)超強(qiang)(qiang)度性(xing)能(neng)的(de)鎳基合金。
在(zai)燃(ran)氣輪機動葉片上采用超合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)始(shi)于IN713C合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。這種(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)與X-750合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)相似(si)，但(dan)僅(jin)僅(jin)作為(wei)鑄件生(sheng)產(chan)，因為(wei)含(han)有較多的(de)鋁、鈦添加劑(ji)，因此從(cong)鑄造溫度下冷卻(que)時(shi)(shi)(shi)，會(hui)發生(sheng)時(shi)(shi)(shi)效硬化(hua)。由于該合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)對SAC有極(ji)高(gao)的(de)敏感性，所以(yi)產(chan)品修復(fu)受到(dao)限制，但(dan)在(zai)葉片頂(ding)端(duan)堆焊(han)則不會(hui)開(kai)裂。經過(guo)數(shu)十年的(de)技術進(jin)展(zhan)，增加了(le)“超合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)”族(zu)系的(de)其他成員，包括超高(gao)強度和耐腐蝕的(de)單晶透平葉片合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。為(wei)了(le)減少在(zai)運行時(shi)(shi)(shi)受到(dao)侵蝕，在(zai)葉片頂(ding)端(duan)堆焊(han)是(shi)可行的(de)，只要焊(han)接過(guo)程能很(hen)好(hao)得到(dao)控制，并使殘余應力保持在(zai)較低(di)水(shui)平。最初這些材料在(zai)焊(han)接修復(fu)時(shi)(shi)(shi)曾遇(yu)到(dao)挑戰，包括避(bi)免(mian)在(zai)熔(rong)池中的(de)晶粒分(fen)散和阻止開(kai)裂。
4. 其他特(te)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(hua)合物是圍繞或是NiAl或是Ni3Al組成而設計的合金。它(ta)們顯(xian)示(shi)出非常(chang)高(gao)的強度和耐蝕性(xing)能，但由(you)于它(ta)們在(zai)很(hen)大溫度范圍內延性(xing)低(di)，所以焊接非常(chang)困難。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合金曾被開發用于在(zai)不同環境下的耐磨材料，但這(zhe)些合金由(you)于硬(ying)度高(gao)、延性(xing)低(di)，并(bing)在(zai)其成分范圍內會形成低(di)熔融區間的相，所以同樣難以焊接。
