鎳(nie)基合(he)金由(you)于具(ju)有優異的(de)(de)(de)(de)高溫性(xing)(xing)(xing)能(neng)和卓(zhuo)越的(de)(de)(de)(de)耐(nai)蝕性(xing)(xing)(xing)能(neng)，已(yi)在航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天、核電(dian)、火(huo)電(dian)、石油(you)化(hua)工等領域(yu)獲得(de)(de)了廣泛的(de)(de)(de)(de)應用，但鎳(nie)基合(he)金的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)往往會(hui)帶來不(bu)少的(de)(de)(de)(de)困難，主(zhu)要表現在相(xiang)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)導致接(jie)(jie)頭性(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)改變，以及焊(han)接(jie)(jie)過程中產生的(de)(de)(de)(de)各種裂紋等缺陷造成運行中的(de)(de)(de)(de)早期(qi)失效。為此(ci)，眾多(duo)科(ke)技工作(zuo)者長期(qi)以來對鎳(nie)基合(he)金的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)開展了大量(liang)的(de)(de)(de)(de)試(shi)驗(yan)研究，力求(qiu)在焊(han)接(jie)(jie)鎳(nie)基合(he)金時能(neng)獲得(de)(de)高質量(liang)和性(xing)(xing)(xing)能(neng)滿意的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭。
鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)金是(shi)工(gong)程材料最重要(yao)的(de)(de)(de)類別之一，因為(wei)它們能(neng)夠用(yong)于多種環境和(he)場(chang)合(he)。在含(han)水(shui)和(he)高(gao)(gao)溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)耐蝕場(chang)合(he)、室溫(wen)和(he)高(gao)(gao)溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)度場(chang)合(he)、低(di)溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)延性和(he)韌性場(chang)合(he)、特殊的(de)(de)(de)電性能(neng)場(chang)合(he)以(yi)及與其他物理性能(neng)有(you)關的(de)(de)(de)場(chang)合(he)都選用(yong)了這些(xie)(xie)合(he)金。鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)金焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)材料能(neng)提供某些(xie)(xie)焊(han)態下(xia)(xia)(xia)(xia)的(de)(de)(de)性能(neng)，而這些(xie)(xie)性能(neng)是(shi)其他類型的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)產品所不(bu)能(neng)提供的(de)(de)(de)，例如(ru)被許多各種不(bu)同的(de)(de)(de)合(he)金元素稀釋后，還能(neng)保持從低(di)溫(wen)到接(jie)(jie)(jie)(jie)近(jin)固相線溫(wen)度強(qiang)(qiang)度和(he)延性的(de)(de)(de)能(neng)力(li)。它們也是(shi)十分通(tong)用(yong)的(de)(de)(de)，例如(ru)，用(yong)于焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)9%鎳(nie)(nie)鋼(gang)的(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)產品在液氮溫(wen)度下(xia)(xia)(xia)(xia)還具有(you)非常(chang)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)焊(han)態強(qiang)(qiang)度和(he)沖擊韌性。用(yong)來(lai)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)鑄鐵(tie)的(de)(de)(de)鎳(nie)(nie)和(he)鎳(nie)(nie)－鐵(tie)合(he)金能(neng)被鐵(tie)和(he)碳稀釋后而保持延性，并(bing)提供良好的(de)(de)(de)機加(jia)工(gong)特性。鎳(nie)(nie)基(ji)合(he)金焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)材料亦廣泛用(yong)于電力(li)工(gong)業，可在碳鋼(gang)和(he)不(bu)銹鋼(gang)之間進行異種焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)，作為(wei)在高(gao)(gao)溫(wen)下(xia)(xia)(xia)(xia)使用(yong)時熱膨脹系數的(de)(de)(de)過渡材料。
相(xiang)對(dui)于鋼而言，鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)能(neng)(neng)夠在低溫下使用，又能(neng)(neng)在接近1200℃的(de)(de)(de)高(gao)溫下使用，因為(wei)固(gu)溶(rong)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)基(ji)體從固(gu)態到絕(jue)對(dui)零度都保持奧氏體。這些加入適當添加劑的(de)(de)(de)合(he)金(jin)提供了(le)(le)有(you)用的(de)(de)(de)耐(nai)蝕性(xing)，并在包括電力(li)(li)、石(shi)化、化學(xue)加工、航(hang)天和控(kong)制(zhi)(zhi)環境污染等的(de)(de)(de)廣大工業領域中得到了(le)(le)應(ying)用。對(dui)鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)來(lai)說，焊接是一門關鍵性(xing)的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)造(zao)技術(shu)。最近50年來(lai)，已經進行了(le)(le)大量的(de)(de)(de)研(yan)究和開發工作(zuo)(zuo)，為(wei)更好(hao)地弄懂(dong)和控(kong)制(zhi)(zhi)這些合(he)金(jin)的(de)(de)(de)焊接性(xing)以(yi)及開發在焊接接頭耐(nai)蝕性(xing)和力(li)(li)學(xue)性(xing)能(neng)(neng)方面能(neng)(neng)滿足更高(gao)要求的(de)(de)(de)焊接材料作(zuo)(zuo)出了(le)(le)不懈的(de)(de)(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(shang)用純鎳(nie)合金
商用(yong)(yong)(yong)(yong)純鎳合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)是基本上含有鎳＞99%的(de)那些合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。這是一個商用(yong)(yong)(yong)(yong)純鎳合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)完整(zheng)族系，命名為200合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)和201合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。這些材料具有低強度和低硬度，原則上由于(yu)它(ta)們具有良(liang)好的(de)耐蝕性而用(yong)(yong)(yong)(yong)于(yu)苛性腐蝕環境。201合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)具有最高值為0.02wt%的(de)碳，所(suo)以它(ta)們能夠(gou)在高于(yu)315℃（600°F)的(de)高溫下(xia)使用(yong)(yong)(yong)(yong)而無(wu)被“石(shi)墨化”的(de)危(wei)險(xian)。因為碳在高于(yu)315℃的(de)鎳基體中是相對易變的(de)，添加超出溶解(jie)度極限（～0.02%)的(de)碳會造成石(shi)墨質點的(de)沉(chen)淀(dian)，使材料變脆和變弱。
還有(you)一些(xie)附加商用(yong)純鎳(nie)合金(jin)，它們(men)在(zai)(zai)電或(huo)磁致(zhi)伸縮(suo)的(de)有(you)限場合使用(yong)。這(zhe)些(xie)合金(jin)具有(you)良好的(de)焊(han)(han)(han)接性(xing)，但在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)接時對氣(qi)(qi)孔敏感(gan)。如果(guo)在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)前和(he)焊(han)(han)(han)接中保(bao)持(chi)清潔，這(zhe)些(xie)合金(jin)會顯(xian)示良好的(de)抗裂性(xing)，但保(bao)護氣(qi)(qi)體或(huo)焊(han)(han)(han)劑(ji)必須充(chong)足(zu)以避免氣(qi)(qi)孔的(de)形(xing)成(cheng)。商用(yong)純鎳(nie)焊(han)(han)(han)接材(cai)料含有(you)最(zui)高(gao)達1.5%鋁和(he)2.0%~3.5%鈦的(de)添加劑(ji)來抵消少量的(de)大氣(qi)(qi)污染。鈦和(he)鋁與氧結合形(xing)成(cheng)氧化物(wu)，與氮結合形(xing)成(cheng)氮化物(wu)，因而控制了(le)在(zai)(zai)焊(han)(han)(han)縫熔(rong)敷金(jin)屬中的(de)氣(qi)(qi)孔。
2. 固溶(rong)強(qiang)化合金
鎳和(he)銅(tong)是同一形態的(de)(de)(de)(de)(de)元素（完全固溶性(xing)(xing)(xing)(xing)），能(neng)在整個(ge)成分范(fan)(fan)圍(wei)內(nei)生成單相(xiang)(xiang)合金(jin)(jin)。這(zhe)個(ge)族系的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料通(tong)常對(dui)(dui)海水和(he)其(qi)他一般(ban)腐蝕環境顯示(shi)出良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)(xing)(xing)。通(tong)常Ni-Cu合金(jin)(jin)有很好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)(xing)，但(dan)(dan)如果不使(shi)用(yong)適當(dang)的(de)(de)(de)(de)(de)保護或良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)抗(kang)氧(yang)化焊接(jie)材(cai)料，可能(neng)會對(dui)(dui)氣孔敏感。其(qi)他的(de)(de)(de)(de)(de)固溶強化鎳基(ji)合金(jin)(jin)可以(yi)僅含有鐵，這(zhe)些合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)大多數(shu)由于特定的(de)(de)(de)(de)(de)膨(peng)脹(zhang)系數(shu)或電性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)而得到使(shi)用(yong)。Ni-36%Fe合金(jin)(jin)通(tong)常稱(cheng)作INVAR合金(jin)(jin)，在所有的(de)(de)(de)(de)(de)鎳基(ji)合金(jin)(jin)中(zhong)具有最低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)膨(peng)脹(zhang)系數(shu)，在幾百度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)范(fan)(fan)圍(wei)內(nei)加熱和(he)冷(leng)卻一直(zhi)到約300°F,僅以(yi)小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)(de)(de)(de)速率(lv)膨(peng)脹(zhang)和(he)收縮。Ni-Fe合金(jin)(jin)有較好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)(xing)，但(dan)(dan)開(kai)(kai)發又有良(liang)好(hao)抗(kang)凝固裂紋性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)，又有相(xiang)(xiang)匹配膨(peng)脹(zhang)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)焊接(jie)材(cai)料對(dui)(dui)焊材(cai)制造(zao)商來說是一個(ge)挑戰。Ni-Fe合金(jin)(jin)及(ji)其(qi)焊材(cai)也可能(neng)對(dui)(dui)低(di)塑性(xing)(xing)(xing)(xing)開(kai)(kai)裂敏感，這(zhe)種開(kai)(kai)裂的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)理將在第3章中(zhong)詳細(xi)闡述。
其他固溶合(he)金(jin)含有不同的(de)(de)置換(huan)元(yuan)素(su)，包括(kuo)鉻、鉬和(he)鎢。每種(zhong)(zhong)元(yuan)素(su)都能(neng)(neng)賦予特殊的(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)，并有能(neng)(neng)力改變每種(zhong)(zhong)合(he)金(jin)的(de)(de)焊接特性(xing)。固溶強化鎳基合(he)金(jin)的(de)(de)最高(gao)抗拉強度值接近830 MPa(120 ksi),而屈服強度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些(xie)合(he)金(jin)在要(yao)求(qiu)具有良好耐蝕(shi)性(xing)的(de)(de)廣泛場合(he)下(xia)使用。如果要(yao)求(qiu)較高(gao)的(de)(de)強度水平，必須選擇沉(chen)淀強化合(he)金(jin)。
3. 沉淀(dian)強化(hua)合金
沉(chen)(chen)淀(dian)強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)鎳基(ji)(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)含有(you)鈦、鋁和(he)／或(huo)鈮等添加(jia)劑(ji)，在(zai)(zai)(zai)適(shi)當(dang)(dang)的(de)(de)(de)熱(re)(re)處(chu)理(li)后(hou)與鎳形成強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)沉(chen)(chen)淀(dian)物。在(zai)(zai)(zai)大(da)多數情(qing)況(kuang)下，這(zhe)些(xie)沉(chen)(chen)淀(dian)物與奧(ao)氏體(ti)基(ji)(ji)體(ti)具有(you)凝聚力，并使(shi)基(ji)(ji)體(ti)變(bian)形，因而實質上增加(jia)了基(ji)(ji)體(ti)的(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)。這(zhe)些(xie)沉(chen)(chen)淀(dian)物的(de)(de)(de)大(da)多數稱(cheng)為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)Nig(Al,Ti)]和(he)γ”（Y"-NisNb)。在(zai)(zai)(zai)最(zui)佳(jia)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)添加(jia)劑(ji)和(he)熱(re)(re)處(chu)理(li)情(qing)況(kuang)下，這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)能夠(gou)強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)到(dao)最(zui)高(gao)抗(kang)(kang)拉(la)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超(chao)過(guo)1380 MPa(200 ksi)和(he)0.2%屈服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超(chao)過(guo)1035 MPa(150 ksi).第一(yi)(yi)個(ge)沉(chen)(chen)淀(dian)硬化(hua)Ni-Cr合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)（X-750)是由γ'強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)，在(zai)(zai)(zai)靠(kao)近γ'溶解(jie)線溫(wen)度(du)下，顯示出(chu)良好的(de)(de)(de)抗(kang)(kang)氧化(hua)性和(he)高(gao)溫(wen)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)組(zu)合(he)(he)。不(bu)幸的(de)(de)(de)是，當(dang)(dang)焊后(hou)并直(zhi)接(jie)時(shi)效而不(bu)在(zai)(zai)(zai)中間插入退火處(chu)理(li)時(shi)，會產生焊后(hou)應(ying)變(bian)時(shi)效裂紋（SAC).這(zhe)種開裂的(de)(de)(de)機理(li)將在(zai)(zai)(zai)第4章中詳細(xi)闡述。在(zai)(zai)(zai)為改善焊接(jie)性和(he)避免SAC的(de)(de)(de)努力下，開發了γ”強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)第二(er)代沉(chen)(chen)淀(dian)硬化(hua)Ni-Cr-Mo合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)中最(zui)普(pu)遍的(de)(de)(de)是718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。因為γ”沉(chen)(chen)淀(dian)物比γ'的(de)(de)(de)形成要慢得(de)多，718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)在(zai)(zai)(zai)焊后(hou)熱(re)(re)處(chu)理(li)時(shi)通常(chang)不(bu)受SAC影響。718合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)主(zhu)要應(ying)用(yong)之(zhi)一(yi)(yi)是航(hang)空航(hang)天燃氣(qi)透平傳動軸和(he)耐壓殼。如果適(shi)當(dang)(dang)地熔煉(lian)，獲得(de)低(di)含量(liang)的(de)(de)(de)雜質，該合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)可提供極(ji)(ji)大(da)的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)機會。當(dang)(dang)設計合(he)(he)理(li)時(shi)，在(zai)(zai)(zai)一(yi)(yi)直(zhi)到(dao)760℃（1400°F)的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)溫(wen)度(du)下，具有(you)極(ji)(ji)佳(jia)的(de)(de)(de)疲勞壽命。
基于(yu)沉淀(dian)強(qiang)化合(he)金(jin)具有在高溫下不同尋常的(de)高強(qiang)度(du)和(he)耐(nai)蝕性(xing)，所以通常把它們歸類為“超合(he)金(jin)”。該術語(yu)曾松散地應用(yong)于(yu)許多其他(ta)高強(qiang)度(du)多元合(he)金(jin)，但一般術語(yu)“超合(he)金(jin)”是用(yong)來描述由(you)γ'和(he)γ”相所提供的(de)具有超強(qiang)度(du)性(xing)能(neng)的(de)鎳基合(he)金(jin)。
在(zai)燃氣輪機動(dong)葉(xie)片上采用(yong)超(chao)合(he)(he)(he)金(jin)始于(yu)IN713C合(he)(he)(he)金(jin)。這種(zhong)合(he)(he)(he)金(jin)與X-750合(he)(he)(he)金(jin)相似，但(dan)僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)作為鑄(zhu)件生產，因為含有較多的(de)鋁、鈦添加劑(ji)，因此從鑄(zhu)造溫度下冷(leng)卻(que)時，會發生時效硬化(hua)。由(you)于(yu)該合(he)(he)(he)金(jin)對SAC有極高的(de)敏感(gan)性，所以產品(pin)修(xiu)復受(shou)到(dao)(dao)限制，但(dan)在(zai)葉(xie)片頂端堆焊(han)(han)(han)則不(bu)會開裂。經過(guo)數十年(nian)的(de)技術(shu)進展，增加了“超(chao)合(he)(he)(he)金(jin)”族系的(de)其他成員，包括超(chao)高強度和耐(nai)腐蝕(shi)的(de)單晶(jing)透平葉(xie)片合(he)(he)(he)金(jin)。為了減少在(zai)運行(xing)時受(shou)到(dao)(dao)侵蝕(shi)，在(zai)葉(xie)片頂端堆焊(han)(han)(han)是可(ke)行(xing)的(de)，只要(yao)焊(han)(han)(han)接過(guo)程能很(hen)好(hao)得到(dao)(dao)控制，并使殘余應(ying)力保持在(zai)較低水(shui)平。最(zui)初這些(xie)材料在(zai)焊(han)(han)(han)接修(xiu)復時曾遇到(dao)(dao)挑戰，包括避免在(zai)熔池(chi)中的(de)晶(jing)粒分散和阻止開裂。
4. 其他(ta)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-鋁化合物(wu)是圍繞(rao)或是NiAl或是Ni3Al組成而設計的(de)合金。它(ta)們(men)顯示出非常(chang)高(gao)的(de)強(qiang)度和(he)耐蝕性能(neng)，但由于(yu)它(ta)們(men)在(zai)很大溫度范圍內延(yan)性低(di)(di)，所(suo)以焊(han)接非常(chang)困(kun)難(nan)。Ni-Cr-B和(he)Ni-Mo-Si合金曾被開發用于(yu)在(zai)不同環境下的(de)耐磨材料，但這(zhe)些合金由于(yu)硬度高(gao)、延(yan)性低(di)(di)，并在(zai)其成分范圍內會形(xing)成低(di)(di)熔融區間的(de)相，所(suo)以同樣難(nan)以焊(han)接。
