鎳基合(he)金(jin)(jin)由于具(ju)有(you)優異(yi)的(de)高溫性(xing)能和(he)卓(zhuo)越的(de)耐蝕性(xing)能，已在航(hang)空航(hang)天、核電(dian)、火電(dian)、石油化工等領域獲(huo)得了(le)廣泛的(de)應用，但(dan)鎳基合(he)金(jin)(jin)的(de)焊(han)接往(wang)往(wang)會(hui)帶來不少的(de)困(kun)難(nan)，主(zhu)要表(biao)現在相的(de)變化導致接頭性(xing)能的(de)改變，以及焊(han)接過程中產生的(de)各(ge)種裂(lie)紋等缺陷(xian)造成運行(xing)中的(de)早(zao)期失效。為此(ci)，眾多科技工作者長(chang)期以來對鎳基合(he)金(jin)(jin)的(de)焊(han)接開展了(le)大量(liang)的(de)試驗(yan)研究(jiu)，力(li)求(qiu)在焊(han)接鎳基合(he)金(jin)(jin)時能獲(huo)得高質量(liang)和(he)性(xing)能滿意的(de)焊(han)接接頭。
鎳(nie)(nie)(nie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)是工程材(cai)料最(zui)重要的(de)(de)(de)(de)類(lei)(lei)別之一，因為它們(men)能(neng)(neng)夠(gou)用(yong)(yong)(yong)于多(duo)種(zhong)(zhong)環(huan)境和(he)(he)(he)(he)場(chang)合(he)。在(zai)含(han)水和(he)(he)(he)(he)高溫(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)蝕場(chang)合(he)、室(shi)溫(wen)和(he)(he)(he)(he)高溫(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)高強度(du)(du)(du)場(chang)合(he)、低(di)溫(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)延(yan)性(xing)(xing)(xing)和(he)(he)(he)(he)韌性(xing)(xing)(xing)場(chang)合(he)、特殊的(de)(de)(de)(de)電性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)場(chang)合(he)以及與其他(ta)物理性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)有(you)(you)關的(de)(de)(de)(de)場(chang)合(he)都(dou)選用(yong)(yong)(yong)了這些合(he)金(jin)(jin)。鎳(nie)(nie)(nie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)焊(han)接(jie)(jie)(jie)材(cai)料能(neng)(neng)提(ti)供某些焊(han)態下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，而(er)這些性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)是其他(ta)類(lei)(lei)型的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)(jie)產品(pin)所不(bu)能(neng)(neng)提(ti)供的(de)(de)(de)(de)，例(li)如(ru)被(bei)(bei)許多(duo)各(ge)種(zhong)(zhong)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素稀釋(shi)(shi)后(hou)，還能(neng)(neng)保持從低(di)溫(wen)到接(jie)(jie)(jie)近固相線溫(wen)度(du)(du)(du)強度(du)(du)(du)和(he)(he)(he)(he)延(yan)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力。它們(men)也是十分通用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)，例(li)如(ru)，用(yong)(yong)(yong)于焊(han)接(jie)(jie)(jie)9%鎳(nie)(nie)(nie)鋼的(de)(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系(xi)焊(han)接(jie)(jie)(jie)產品(pin)在(zai)液氮溫(wen)度(du)(du)(du)下(xia)(xia)還具有(you)(you)非(fei)常高的(de)(de)(de)(de)焊(han)態強度(du)(du)(du)和(he)(he)(he)(he)沖擊韌性(xing)(xing)(xing)。用(yong)(yong)(yong)來焊(han)接(jie)(jie)(jie)鑄鐵的(de)(de)(de)(de)鎳(nie)(nie)(nie)和(he)(he)(he)(he)鎳(nie)(nie)(nie)－鐵合(he)金(jin)(jin)能(neng)(neng)被(bei)(bei)鐵和(he)(he)(he)(he)碳(tan)稀釋(shi)(shi)后(hou)而(er)保持延(yan)性(xing)(xing)(xing)，并提(ti)供良好的(de)(de)(de)(de)機加工特性(xing)(xing)(xing)。鎳(nie)(nie)(nie)基(ji)合(he)金(jin)(jin)焊(han)接(jie)(jie)(jie)材(cai)料亦(yi)廣(guang)泛用(yong)(yong)(yong)于電力工業(ye)，可在(zai)碳(tan)鋼和(he)(he)(he)(he)不(bu)銹鋼之間進行異種(zhong)(zhong)焊(han)接(jie)(jie)(jie)，作為在(zai)高溫(wen)下(xia)(xia)使(shi)用(yong)(yong)(yong)時熱膨脹(zhang)系(xi)數的(de)(de)(de)(de)過(guo)渡材(cai)料。
相對于鋼而(er)言(yan)，鎳基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)能夠在(zai)低溫(wen)下(xia)使(shi)用(yong)，又能在(zai)接(jie)近(jin)1200℃的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)下(xia)使(shi)用(yong)，因為固溶(rong)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)基體從固態到絕(jue)對零(ling)度都(dou)保(bao)持奧氏(shi)體。這(zhe)(zhe)些加(jia)入適當添加(jia)劑的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)提供了(le)(le)有用(yong)的(de)(de)(de)(de)耐蝕(shi)性(xing)(xing)，并(bing)在(zai)包括電力(li)、石化(hua)(hua)、化(hua)(hua)學加(jia)工(gong)、航天和控制環境污染(ran)等的(de)(de)(de)(de)廣大(da)工(gong)業領域(yu)中得到了(le)(le)應(ying)用(yong)。對鎳基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)來(lai)(lai)說，焊(han)接(jie)是一門關鍵性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)制造(zao)技術。最近(jin)50年(nian)來(lai)(lai)，已(yi)經進(jin)行(xing)了(le)(le)大(da)量(liang)的(de)(de)(de)(de)研究和開發(fa)工(gong)作，為更好地弄(nong)懂和控制這(zhe)(zhe)些合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)性(xing)(xing)以及開發(fa)在(zai)焊(han)接(jie)接(jie)頭耐蝕(shi)性(xing)(xing)和力(li)學性(xing)(xing)能方面(mian)能滿(man)足(zu)更高要求的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)材料作出(chu)了(le)(le)不懈的(de)(de)(de)(de)努力(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
商用純(chun)鎳(nie)合金(jin)是(shi)(shi)基本(ben)上含有鎳(nie)＞99%的(de)(de)那些(xie)合金(jin)。這是(shi)(shi)一個商用純(chun)鎳(nie)合金(jin)的(de)(de)完整族系，命名(ming)為(wei)200合金(jin)和201合金(jin)。這些(xie)材(cai)料具有低強度(du)(du)和低硬(ying)度(du)(du)，原則(ze)上由于(yu)(yu)它(ta)們(men)具有良好的(de)(de)耐蝕(shi)性(xing)(xing)而用于(yu)(yu)苛性(xing)(xing)腐(fu)蝕(shi)環境。201合金(jin)具有最高(gao)值(zhi)為(wei)0.02wt%的(de)(de)碳，所(suo)以它(ta)們(men)能夠(gou)在高(gao)于(yu)(yu)315℃（600°F)的(de)(de)高(gao)溫下使用而無被“石墨(mo)化”的(de)(de)危險。因為(wei)碳在高(gao)于(yu)(yu)315℃的(de)(de)鎳(nie)基體中(zhong)是(shi)(shi)相對易(yi)變的(de)(de)，添加超出溶解(jie)度(du)(du)極(ji)限（～0.02%)的(de)(de)碳會造成(cheng)石墨(mo)質點的(de)(de)沉淀，使材(cai)料變脆(cui)和變弱(ruo)。
還有(you)一些(xie)附加商用(yong)純(chun)(chun)鎳(nie)合(he)(he)金(jin)，它們在(zai)電或磁致伸縮的有(you)限場合(he)(he)使用(yong)。這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)具有(you)良(liang)好(hao)的焊(han)(han)接(jie)性(xing)，但(dan)在(zai)焊(han)(han)接(jie)時對氣孔(kong)敏(min)感。如果在(zai)焊(han)(han)前和(he)焊(han)(han)接(jie)中保持(chi)清潔，這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)會顯(xian)示良(liang)好(hao)的抗裂性(xing)，但(dan)保護(hu)氣體(ti)或焊(han)(han)劑(ji)必(bi)須(xu)充足以避免(mian)氣孔(kong)的形(xing)成。商用(yong)純(chun)(chun)鎳(nie)焊(han)(han)接(jie)材料含有(you)最(zui)高達(da)1.5%鋁和(he)2.0%~3.5%鈦的添加劑(ji)來抵消少量(liang)的大氣污染。鈦和(he)鋁與氧(yang)結合(he)(he)形(xing)成氧(yang)化物，與氮結合(he)(he)形(xing)成氮化物，因而(er)控制(zhi)了(le)在(zai)焊(han)(han)縫熔敷(fu)金(jin)屬中的氣孔(kong)。
2. 固溶強化合金
鎳和銅是(shi)同一(yi)形(xing)態(tai)的(de)(de)(de)元素（完全固(gu)溶(rong)性(xing)(xing)(xing)(xing)），能在(zai)(zai)整個成分(fen)范圍內生成單相合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。這個族系的(de)(de)(de)材料(liao)(liao)通(tong)(tong)常對海水和其他(ta)一(yi)般(ban)腐蝕環境(jing)顯(xian)示出良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)耐蝕性(xing)(xing)(xing)(xing)。通(tong)(tong)常Ni-Cu合(he)(he)(he)金(jin)(jin)有(you)很好(hao)的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)性(xing)(xing)(xing)(xing)，但(dan)如(ru)果(guo)不使用適當的(de)(de)(de)保護或(huo)良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)抗氧化焊(han)接(jie)材料(liao)(liao)，可能會(hui)對氣(qi)孔敏感(gan)。其他(ta)的(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)強化鎳基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)可以(yi)僅含(han)有(you)鐵，這些合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)大多數由于特定的(de)(de)(de)膨(peng)脹(zhang)系數或(huo)電性(xing)(xing)(xing)(xing)能而得到使用。Ni-36%Fe合(he)(he)(he)金(jin)(jin)通(tong)(tong)常稱作(zuo)INVAR合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，在(zai)(zai)所有(you)的(de)(de)(de)鎳基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)(zhong)具(ju)有(you)最低的(de)(de)(de)膨(peng)脹(zhang)系數，在(zai)(zai)幾百度(du)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)范圍內加熱(re)和冷卻一(yi)直到約300°F,僅以(yi)小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)(de)速率膨(peng)脹(zhang)和收縮。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)(jin)有(you)較好(hao)的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)性(xing)(xing)(xing)(xing)，但(dan)開(kai)發又有(you)良(liang)好(hao)抗凝(ning)固(gu)裂(lie)紋性(xing)(xing)(xing)(xing)能，又有(you)相匹配(pei)膨(peng)脹(zhang)性(xing)(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)(de)焊(han)接(jie)材料(liao)(liao)對焊(han)材制造商來說是(shi)一(yi)個挑戰(zhan)。Ni-Fe合(he)(he)(he)金(jin)(jin)及其焊(han)材也可能對低塑性(xing)(xing)(xing)(xing)開(kai)裂(lie)敏感(gan)，這種開(kai)裂(lie)的(de)(de)(de)機理(li)將在(zai)(zai)第(di)3章中(zhong)(zhong)詳細闡述。
其他固溶(rong)(rong)合(he)金含(han)有(you)不(bu)同的置換元素，包括鉻、鉬和鎢(wu)。每種(zhong)元素都能賦予特殊的性能，并有(you)能力改(gai)變每種(zhong)合(he)金的焊接(jie)(jie)特性。固溶(rong)(rong)強(qiang)(qiang)化鎳基合(he)金的最高抗拉強(qiang)(qiang)度值接(jie)(jie)近(jin)830 MPa(120 ksi),而(er)屈(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合(he)金在要求具有(you)良好耐(nai)蝕性的廣泛(fan)場合(he)下使用。如果要求較(jiao)高的強(qiang)(qiang)度水(shui)平，必須選(xuan)擇沉(chen)淀強(qiang)(qiang)化合(he)金。
3. 沉淀(dian)強化合金(jin)
沉(chen)淀(dian)強(qiang)(qiang)(qiang)化鎳基(ji)合(he)(he)(he)(he)金(jin)含有鈦、鋁和(he)(he)(he)／或鈮等添(tian)加(jia)劑，在(zai)適(shi)當的(de)(de)(de)(de)熱(re)處理后(hou)(hou)(hou)與(yu)鎳形(xing)(xing)成強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)(de)沉(chen)淀(dian)物(wu)。在(zai)大多(duo)數情(qing)況下(xia)，這(zhe)些沉(chen)淀(dian)物(wu)與(yu)奧氏體(ti)基(ji)體(ti)具有凝(ning)聚力(li)，并(bing)使(shi)基(ji)體(ti)變(bian)形(xing)(xing)，因(yin)而實質上增加(jia)了基(ji)體(ti)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)。這(zhe)些沉(chen)淀(dian)物(wu)的(de)(de)(de)(de)大多(duo)數稱為(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)添(tian)加(jia)劑和(he)(he)(he)熱(re)處理情(qing)況下(xia)，這(zhe)些合(he)(he)(he)(he)金(jin)能夠強(qiang)(qiang)(qiang)化到(dao)(dao)最高抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超過(guo)1380 MPa(200 ksi)和(he)(he)(he)0.2%屈服強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超過(guo)1035 MPa(150 ksi).第一個沉(chen)淀(dian)硬化Ni-Cr合(he)(he)(he)(he)金(jin)（X-750)是(shi)(shi)由γ'強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)(de)，在(zai)靠近γ'溶解線溫(wen)度(du)下(xia)，顯示出良好的(de)(de)(de)(de)抗氧化性和(he)(he)(he)高溫(wen)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)組合(he)(he)(he)(he)。不幸(xing)的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，當焊后(hou)(hou)(hou)并(bing)直(zhi)接時(shi)(shi)效(xiao)而不在(zai)中間(jian)插入(ru)退(tui)火處理時(shi)(shi)，會(hui)產(chan)生焊后(hou)(hou)(hou)應變(bian)時(shi)(shi)效(xiao)裂紋(wen)（SAC).這(zhe)種開裂的(de)(de)(de)(de)機理將在(zai)第4章中詳細闡述(shu)。在(zai)為(wei)改善焊接性和(he)(he)(he)避免SAC的(de)(de)(de)(de)努力(li)下(xia)，開發了γ”強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)(de)(de)(de)第二代沉(chen)淀(dian)硬化Ni-Cr-Mo合(he)(he)(he)(he)金(jin)。這(zhe)些合(he)(he)(he)(he)金(jin)中最普遍的(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)718合(he)(he)(he)(he)金(jin)。因(yin)為(wei)γ”沉(chen)淀(dian)物(wu)比γ'的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成要(yao)慢(man)得多(duo)，718合(he)(he)(he)(he)金(jin)在(zai)焊后(hou)(hou)(hou)熱(re)處理時(shi)(shi)通(tong)常(chang)不受SAC影響。718合(he)(he)(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)應用(yong)之一是(shi)(shi)航(hang)空航(hang)天燃(ran)氣透平傳動軸(zhou)和(he)(he)(he)耐(nai)壓殼。如果適(shi)當地熔煉(lian)，獲得低含量的(de)(de)(de)(de)雜質，該合(he)(he)(he)(he)金(jin)可提供極大的(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)機會(hui)。當設計合(he)(he)(he)(he)理時(shi)(shi)，在(zai)一直(zhi)到(dao)(dao)760℃（1400°F)的(de)(de)(de)(de)使(shi)用(yong)溫(wen)度(du)下(xia)，具有極佳的(de)(de)(de)(de)疲(pi)勞壽命。
基于(yu)沉淀強(qiang)(qiang)(qiang)化合(he)(he)金具(ju)有在高(gao)溫下(xia)不同尋常的高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)和(he)耐蝕性，所(suo)以(yi)通常把它(ta)們歸類為“超合(he)(he)金”。該術(shu)(shu)語曾松散地應(ying)用于(yu)許多(duo)(duo)其他高(gao)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)多(duo)(duo)元合(he)(he)金，但一(yi)般術(shu)(shu)語“超合(he)(he)金”是用來描述由γ'和(he)γ”相所(suo)提供的具(ju)有超強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)性能(neng)的鎳基合(he)(he)金。
在(zai)燃(ran)氣輪(lun)機(ji)動葉(xie)片上采用超合(he)金(jin)(jin)(jin)始于IN713C合(he)金(jin)(jin)(jin)。這種合(he)金(jin)(jin)(jin)與X-750合(he)金(jin)(jin)(jin)相似，但僅(jin)僅(jin)作為(wei)鑄件生產，因為(wei)含有較(jiao)多的(de)(de)(de)鋁、鈦添加劑，因此從鑄造溫(wen)度下冷卻時(shi)(shi)，會發生時(shi)(shi)效(xiao)硬化。由(you)于該合(he)金(jin)(jin)(jin)對SAC有極高的(de)(de)(de)敏感性，所以產品修(xiu)復受到限制，但在(zai)葉(xie)片頂端堆焊則不(bu)會開裂。經過數十(shi)年的(de)(de)(de)技術(shu)進(jin)展，增加了(le)“超合(he)金(jin)(jin)(jin)”族(zu)系的(de)(de)(de)其他成員(yuan)，包括(kuo)超高強度和耐腐蝕的(de)(de)(de)單(dan)晶透平葉(xie)片合(he)金(jin)(jin)(jin)。為(wei)了(le)減少在(zai)運行時(shi)(shi)受到侵蝕，在(zai)葉(xie)片頂端堆焊是(shi)可行的(de)(de)(de)，只要焊接(jie)過程(cheng)能很好得(de)到控制，并使殘余(yu)應力保(bao)持(chi)在(zai)較(jiao)低水(shui)平。最(zui)初這些(xie)材料在(zai)焊接(jie)修(xiu)復時(shi)(shi)曾遇(yu)到挑戰，包括(kuo)避免在(zai)熔池中的(de)(de)(de)晶粒分散和阻(zu)止開裂。
4. 其他(ta)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(he)物是圍繞或(huo)是NiAl或(huo)是Ni3Al組成(cheng)而(er)設計的合(he)金。它(ta)們(men)顯示出非常高(gao)的強度和耐蝕性(xing)能，但(dan)由(you)于它(ta)們(men)在很大(da)溫度范圍內延性(xing)低，所以(yi)焊接非常困難。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合(he)金曾被開發用(yong)于在不同(tong)(tong)環境(jing)下的耐磨材料，但(dan)這些合(he)金由(you)于硬度高(gao)、延性(xing)低，并(bing)在其成(cheng)分范圍內會形成(cheng)低熔融區間的相(xiang)，所以(yi)同(tong)(tong)樣難以(yi)焊接。
