鎳基合(he)金(jin)由于(yu)具有優異的(de)(de)(de)高(gao)溫性(xing)能(neng)和(he)卓越的(de)(de)(de)耐蝕性(xing)能(neng)，已在航(hang)空航(hang)天、核電、火電、石油化工等領域獲(huo)得了廣(guang)泛的(de)(de)(de)應用，但(dan)鎳基合(he)金(jin)的(de)(de)(de)焊接往(wang)往(wang)會帶(dai)來(lai)不(bu)少(shao)的(de)(de)(de)困(kun)難，主要表(biao)現(xian)在相的(de)(de)(de)變化導(dao)致接頭性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)改(gai)變，以及焊接過程中產生的(de)(de)(de)各(ge)種(zhong)裂紋(wen)等缺陷造成運(yun)行中的(de)(de)(de)早期失效。為此，眾(zhong)多(duo)科技(ji)工作(zuo)者長期以來(lai)對鎳基合(he)金(jin)的(de)(de)(de)焊接開展了大量的(de)(de)(de)試驗研(yan)究，力求在焊接鎳基合(he)金(jin)時能(neng)獲(huo)得高(gao)質量和(he)性(xing)能(neng)滿(man)意(yi)的(de)(de)(de)焊接接頭。
鎳(nie)(nie)基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)是工(gong)(gong)程(cheng)材料最重要(yao)的(de)類別(bie)之一，因為它(ta)們能夠用(yong)(yong)于多(duo)種環(huan)境和場(chang)合(he)(he)(he)。在(zai)含(han)水和高溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)耐蝕場(chang)合(he)(he)(he)、室(shi)溫(wen)(wen)(wen)(wen)和高溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)高強(qiang)度(du)(du)場(chang)合(he)(he)(he)、低溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)延(yan)性(xing)(xing)(xing)(xing)和韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)場(chang)合(he)(he)(he)、特殊的(de)電(dian)性(xing)(xing)(xing)(xing)能場(chang)合(he)(he)(he)以及與其他物理性(xing)(xing)(xing)(xing)能有關的(de)場(chang)合(he)(he)(he)都選用(yong)(yong)了這些合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。鎳(nie)(nie)基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)材料能提(ti)供(gong)某些焊(han)態下(xia)(xia)(xia)的(de)性(xing)(xing)(xing)(xing)能，而(er)這些性(xing)(xing)(xing)(xing)能是其他類型的(de)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)產(chan)品所不(bu)能提(ti)供(gong)的(de)，例如(ru)被許多(duo)各(ge)種不(bu)同的(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)元(yuan)素稀(xi)釋后(hou)，還(huan)(huan)能保(bao)持從低溫(wen)(wen)(wen)(wen)到接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)近固相線溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)強(qiang)度(du)(du)和延(yan)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)能力。它(ta)們也是十分通用(yong)(yong)的(de)，例如(ru)，用(yong)(yong)于焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)9%鎳(nie)(nie)鋼(gang)的(de)Ni-Cr-Mo系(xi)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)產(chan)品在(zai)液氮溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)下(xia)(xia)(xia)還(huan)(huan)具(ju)有非常高的(de)焊(han)態強(qiang)度(du)(du)和沖擊韌(ren)性(xing)(xing)(xing)(xing)。用(yong)(yong)來(lai)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)鑄鐵的(de)鎳(nie)(nie)和鎳(nie)(nie)－鐵合(he)(he)(he)金(jin)(jin)能被鐵和碳稀(xi)釋后(hou)而(er)保(bao)持延(yan)性(xing)(xing)(xing)(xing)，并提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)機加工(gong)(gong)特性(xing)(xing)(xing)(xing)。鎳(nie)(nie)基合(he)(he)(he)金(jin)(jin)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)材料亦廣泛用(yong)(yong)于電(dian)力工(gong)(gong)業(ye)，可在(zai)碳鋼(gang)和不(bu)銹鋼(gang)之間進(jin)行(xing)異種焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)，作(zuo)為在(zai)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)使用(yong)(yong)時熱膨脹系(xi)數的(de)過渡材料。
相(xiang)對于(yu)鋼而言(yan)，鎳基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)能夠在(zai)低溫下(xia)使(shi)用，又能在(zai)接(jie)近(jin)1200℃的(de)(de)高(gao)溫下(xia)使(shi)用，因為固(gu)溶合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)基(ji)體(ti)從固(gu)態到(dao)(dao)絕對零度(du)都保持奧氏體(ti)。這些加入(ru)適當(dang)添加劑(ji)的(de)(de)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)提供(gong)了(le)有用的(de)(de)耐(nai)蝕性(xing)(xing)，并在(zai)包括電力(li)(li)、石化、化學加工(gong)(gong)、航天和(he)控(kong)制(zhi)環境污染等(deng)的(de)(de)廣大(da)工(gong)(gong)業領域中得到(dao)(dao)了(le)應用。對鎳基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)來說，焊(han)(han)接(jie)是一(yi)門(men)關鍵性(xing)(xing)的(de)(de)制(zhi)造技術。最近(jin)50年來，已(yi)經進行了(le)大(da)量的(de)(de)研究(jiu)和(he)開(kai)發工(gong)(gong)作，為更好(hao)地(di)弄懂和(he)控(kong)制(zhi)這些合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)性(xing)(xing)以及(ji)開(kai)發在(zai)焊(han)(han)接(jie)接(jie)頭耐(nai)蝕性(xing)(xing)和(he)力(li)(li)學性(xing)(xing)能方面能滿足(zu)更高(gao)要求的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)材料作出了(le)不懈的(de)(de)努力(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(nie)合(he)金
商用(yong)(yong)純(chun)(chun)鎳(nie)合金是(shi)基(ji)本上(shang)含有(you)鎳(nie)＞99%的那些合金。這是(shi)一個商用(yong)(yong)純(chun)(chun)鎳(nie)合金的完整族系，命名為200合金和(he)201合金。這些材料具(ju)有(you)低強度(du)和(he)低硬度(du)，原則(ze)上(shang)由于(yu)它們(men)具(ju)有(you)良好的耐(nai)蝕性(xing)而用(yong)(yong)于(yu)苛性(xing)腐蝕環境。201合金具(ju)有(you)最(zui)高(gao)值為0.02wt%的碳，所以它們(men)能夠在高(gao)于(yu)315℃（600°F)的高(gao)溫(wen)下使(shi)用(yong)(yong)而無(wu)被(bei)“石(shi)墨(mo)化(hua)”的危險。因為碳在高(gao)于(yu)315℃的鎳(nie)基(ji)體中(zhong)是(shi)相對易變(bian)的，添加超出溶解度(du)極限（～0.02%)的碳會造成石(shi)墨(mo)質點(dian)的沉淀，使(shi)材料變(bian)脆和(he)變(bian)弱。
還(huan)有(you)一些附加商(shang)用(yong)(yong)純鎳合(he)金，它們在(zai)(zai)(zai)電或(huo)磁致(zhi)伸(shen)縮(suo)的(de)(de)有(you)限場合(he)使(shi)用(yong)(yong)。這些合(he)金具有(you)良好的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)性，但(dan)在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)接(jie)(jie)時(shi)對氣(qi)孔敏感。如(ru)果在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)前和(he)(he)焊(han)(han)接(jie)(jie)中保持清潔，這些合(he)金會顯示良好的(de)(de)抗裂性，但(dan)保護氣(qi)體(ti)或(huo)焊(han)(han)劑(ji)必須充足(zu)以避免(mian)氣(qi)孔的(de)(de)形成。商(shang)用(yong)(yong)純鎳焊(han)(han)接(jie)(jie)材(cai)料含有(you)最高達1.5%鋁(lv)和(he)(he)2.0%~3.5%鈦(tai)(tai)的(de)(de)添(tian)加劑(ji)來(lai)抵消少量的(de)(de)大氣(qi)污染。鈦(tai)(tai)和(he)(he)鋁(lv)與氧(yang)(yang)結合(he)形成氧(yang)(yang)化(hua)物，與氮(dan)結合(he)形成氮(dan)化(hua)物，因而控制(zhi)了在(zai)(zai)(zai)焊(han)(han)縫(feng)熔敷金屬中的(de)(de)氣(qi)孔。
2. 固溶強化合金
鎳(nie)和(he)銅是同一形態的(de)(de)(de)(de)(de)元素（完全固溶性(xing)），能(neng)在(zai)整個(ge)成分范圍內生(sheng)成單相(xiang)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。這(zhe)個(ge)族系(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)通(tong)常(chang)對海水(shui)和(he)其(qi)他一般腐蝕(shi)環(huan)境顯示出良好的(de)(de)(de)(de)(de)耐蝕(shi)性(xing)。通(tong)常(chang)Ni-Cu合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)有(you)(you)很好的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)性(xing)，但如果不(bu)使用(yong)適當的(de)(de)(de)(de)(de)保護或良好的(de)(de)(de)(de)(de)抗氧化焊(han)接(jie)材(cai)(cai)料(liao)，可能(neng)會對氣孔敏(min)(min)感(gan)。其(qi)他的(de)(de)(de)(de)(de)固溶強化鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)可以(yi)僅含(han)有(you)(you)鐵，這(zhe)些合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)大多數(shu)由于特定的(de)(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)數(shu)或電(dian)性(xing)能(neng)而得到使用(yong)。Ni-36%Fe合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)通(tong)常(chang)稱作INVAR合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)，在(zai)所有(you)(you)的(de)(de)(de)(de)(de)鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)中具(ju)有(you)(you)最低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)數(shu)，在(zai)幾(ji)百度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)度(du)范圍內加(jia)熱和(he)冷(leng)卻一直到約300°F,僅以(yi)小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)(de)(de)(de)速率膨脹(zhang)和(he)收縮。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)有(you)(you)較好的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)性(xing)，但開發(fa)又(you)有(you)(you)良好抗凝固裂(lie)紋(wen)性(xing)能(neng)，又(you)有(you)(you)相(xiang)匹配膨脹(zhang)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)材(cai)(cai)料(liao)對焊(han)材(cai)(cai)制(zhi)造商來說是一個(ge)挑戰(zhan)。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)及其(qi)焊(han)材(cai)(cai)也可能(neng)對低(di)塑性(xing)開裂(lie)敏(min)(min)感(gan)，這(zhe)種開裂(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)機理將在(zai)第3章中詳細闡述。
其他(ta)固(gu)溶合(he)金(jin)含(han)有不同的置(zhi)換(huan)元(yuan)素，包括鉻、鉬和鎢。每種元(yuan)素都能(neng)(neng)賦予特殊(shu)的性能(neng)(neng)，并(bing)有能(neng)(neng)力改變每種合(he)金(jin)的焊接特性。固(gu)溶強(qiang)化鎳基合(he)金(jin)的最高抗拉強(qiang)度值(zhi)接近830 MPa(120 ksi),而屈服強(qiang)度在345~480 MPa(50~70 ksi)之(zhi)間。這些(xie)合(he)金(jin)在要求(qiu)具有良好耐蝕(shi)性的廣泛場合(he)下(xia)使用(yong)。如果要求(qiu)較高的強(qiang)度水平，必須選擇沉淀強(qiang)化合(he)金(jin)。
3. 沉淀強(qiang)化合金(jin)
沉(chen)淀(dian)強(qiang)(qiang)(qiang)化鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)含有(you)鈦(tai)、鋁和(he)(he)(he)／或鈮等添(tian)加劑，在(zai)適當的(de)熱處理(li)后(hou)與鎳(nie)形成強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)沉(chen)淀(dian)物(wu)。在(zai)大多數(shu)(shu)情況下(xia)，這(zhe)些(xie)沉(chen)淀(dian)物(wu)與奧(ao)氏體(ti)(ti)基體(ti)(ti)具(ju)有(you)凝聚力，并使(shi)基體(ti)(ti)變(bian)形，因而實質上增(zeng)加了基體(ti)(ti)的(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度。這(zhe)些(xie)沉(chen)淀(dian)物(wu)的(de)大多數(shu)(shu)稱為(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(zui)佳(jia)合(he)(he)金(jin)添(tian)加劑和(he)(he)(he)熱處理(li)情況下(xia)，這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)能夠強(qiang)(qiang)(qiang)化到最(zui)高抗拉強(qiang)(qiang)(qiang)度超過1380 MPa(200 ksi)和(he)(he)(he)0.2%屈服強(qiang)(qiang)(qiang)度超過1035 MPa(150 ksi).第一個沉(chen)淀(dian)硬(ying)(ying)化Ni-Cr合(he)(he)金(jin)（X-750)是(shi)(shi)由γ'強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)，在(zai)靠近γ'溶解線溫(wen)度下(xia)，顯示出良好的(de)抗氧化性(xing)和(he)(he)(he)高溫(wen)強(qiang)(qiang)(qiang)度的(de)組合(he)(he)。不(bu)幸的(de)是(shi)(shi)，當焊(han)后(hou)并直(zhi)接時(shi)效(xiao)而不(bu)在(zai)中(zhong)(zhong)間插入退火處理(li)時(shi)，會(hui)(hui)產生焊(han)后(hou)應(ying)(ying)變(bian)時(shi)效(xiao)裂(lie)紋（SAC).這(zhe)種開(kai)裂(lie)的(de)機(ji)理(li)將在(zai)第4章中(zhong)(zhong)詳(xiang)細闡述(shu)。在(zai)為(wei)(wei)改善焊(han)接性(xing)和(he)(he)(he)避(bi)免SAC的(de)努(nu)力下(xia)，開(kai)發了γ”強(qiang)(qiang)(qiang)化的(de)第二代沉(chen)淀(dian)硬(ying)(ying)化Ni-Cr-Mo合(he)(he)金(jin)。這(zhe)些(xie)合(he)(he)金(jin)中(zhong)(zhong)最(zui)普(pu)遍的(de)是(shi)(shi)718合(he)(he)金(jin)。因為(wei)(wei)γ”沉(chen)淀(dian)物(wu)比γ'的(de)形成要(yao)慢得多，718合(he)(he)金(jin)在(zai)焊(han)后(hou)熱處理(li)時(shi)通常(chang)不(bu)受SAC影響。718合(he)(he)金(jin)的(de)主要(yao)應(ying)(ying)用(yong)之一是(shi)(shi)航空(kong)航天(tian)燃氣透(tou)平傳動軸和(he)(he)(he)耐壓殼。如果適當地熔煉，獲(huo)得低含量的(de)雜質，該合(he)(he)金(jin)可提供極大的(de)使(shi)用(yong)機(ji)會(hui)(hui)。當設計合(he)(he)理(li)時(shi)，在(zai)一直(zhi)到760℃（1400°F)的(de)使(shi)用(yong)溫(wen)度下(xia)，具(ju)有(you)極佳(jia)的(de)疲(pi)勞壽(shou)命。
基于(yu)沉(chen)淀強(qiang)化合(he)金(jin)具(ju)有(you)在高溫下不同尋(xun)常(chang)的(de)高強(qiang)度(du)和耐(nai)蝕性(xing)，所以通常(chang)把它們歸類為“超合(he)金(jin)”。該術語(yu)(yu)曾松(song)散地應用于(yu)許多其他高強(qiang)度(du)多元合(he)金(jin)，但一般術語(yu)(yu)“超合(he)金(jin)”是用來描(miao)述由γ'和γ”相(xiang)所提供(gong)的(de)具(ju)有(you)超強(qiang)度(du)性(xing)能的(de)鎳基合(he)金(jin)。
在(zai)燃氣輪機動葉(xie)(xie)片(pian)上采(cai)用(yong)超合金(jin)(jin)始(shi)于IN713C合金(jin)(jin)。這種合金(jin)(jin)與(yu)X-750合金(jin)(jin)相(xiang)似(si)，但(dan)僅僅作為(wei)鑄件生產，因(yin)為(wei)含有(you)(you)較(jiao)多的(de)(de)(de)鋁(lv)、鈦添加(jia)劑，因(yin)此(ci)從鑄造溫度下冷卻時，會(hui)發生時效硬(ying)化。由于該合金(jin)(jin)對SAC有(you)(you)極高的(de)(de)(de)敏(min)感(gan)性，所以產品(pin)修復(fu)受到(dao)(dao)限制，但(dan)在(zai)葉(xie)(xie)片(pian)頂(ding)端(duan)堆焊則不會(hui)開裂。經(jing)過(guo)數十年的(de)(de)(de)技術進(jin)展，增加(jia)了(le)“超合金(jin)(jin)”族系的(de)(de)(de)其他成(cheng)員，包括超高強度和耐(nai)腐蝕的(de)(de)(de)單晶(jing)透平葉(xie)(xie)片(pian)合金(jin)(jin)。為(wei)了(le)減(jian)少在(zai)運行時受到(dao)(dao)侵蝕，在(zai)葉(xie)(xie)片(pian)頂(ding)端(duan)堆焊是可行的(de)(de)(de)，只要焊接過(guo)程能很好得(de)到(dao)(dao)控制，并使(shi)殘余(yu)應力(li)保持(chi)在(zai)較(jiao)低(di)水平。最初這些(xie)材(cai)料在(zai)焊接修復(fu)時曾遇(yu)到(dao)(dao)挑(tiao)戰(zhan)，包括避免在(zai)熔池中的(de)(de)(de)晶(jing)粒分散(san)和阻止開裂。
4. 其他特殊(shu)合金(jin)
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(wei)繞或(huo)是NiAl或(huo)是Ni3Al組成而設計的(de)(de)合(he)金。它(ta)們(men)顯示出非常(chang)高的(de)(de)強度和耐(nai)蝕(shi)性(xing)能，但由于它(ta)們(men)在(zai)很大溫度范圍(wei)內(nei)延性(xing)低，所以焊(han)接(jie)非常(chang)困(kun)難。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合(he)金曾被開發用(yong)于在(zai)不同(tong)環境下的(de)(de)耐(nai)磨材(cai)料，但這些(xie)合(he)金由于硬(ying)度高、延性(xing)低，并在(zai)其(qi)成分范圍(wei)內(nei)會形(xing)成低熔融區間的(de)(de)相，所以同(tong)樣難以焊(han)接(jie)。
