鎳基(ji)合(he)金由于具有優異(yi)的(de)(de)高溫性(xing)能(neng)和卓越的(de)(de)耐蝕性(xing)能(neng)，已在航空航天、核電、火電、石油化工(gong)等領(ling)域獲(huo)得了廣泛的(de)(de)應用，但鎳基(ji)合(he)金的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)往往會帶來不少的(de)(de)困(kun)難，主要表(biao)現(xian)在相的(de)(de)變化導致接(jie)(jie)頭性(xing)能(neng)的(de)(de)改變，以及焊(han)接(jie)(jie)過程中產生的(de)(de)各種裂(lie)紋等缺陷造成運行中的(de)(de)早期(qi)失效。為(wei)此，眾多科技工(gong)作者長期(qi)以來對鎳基(ji)合(he)金的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)開展了大量的(de)(de)試驗研究，力求在焊(han)接(jie)(jie)鎳基(ji)合(he)金時能(neng)獲(huo)得高質量和性(xing)能(neng)滿(man)意的(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭。
鎳基(ji)合(he)金是(shi)工程材(cai)料(liao)最重要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)類別(bie)之一(yi)，因為(wei)它們能(neng)(neng)夠用于多(duo)種(zhong)(zhong)環境和場(chang)合(he)。在(zai)含水和高(gao)溫(wen)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)耐蝕場(chang)合(he)、室(shi)溫(wen)和高(gao)溫(wen)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)強(qiang)度(du)場(chang)合(he)、低溫(wen)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)延(yan)性和韌性場(chang)合(he)、特殊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電性能(neng)(neng)場(chang)合(he)以及與(yu)其他(ta)物理性能(neng)(neng)有關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)場(chang)合(he)都(dou)選用了這些(xie)(xie)合(he)金。鎳基(ji)合(he)金焊(han)接(jie)(jie)材(cai)料(liao)能(neng)(neng)提供(gong)(gong)某些(xie)(xie)焊(han)態下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)(neng)，而這些(xie)(xie)性能(neng)(neng)是(shi)其他(ta)類型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)產品(pin)所不能(neng)(neng)提供(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例如被許多(duo)各種(zhong)(zhong)不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金元素稀(xi)釋后，還(huan)能(neng)(neng)保持從低溫(wen)到接(jie)(jie)近(jin)固相線溫(wen)度(du)強(qiang)度(du)和延(yan)性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)力。它們也是(shi)十分通用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例如，用于焊(han)接(jie)(jie)9%鎳鋼的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Ni-Cr-Mo系焊(han)接(jie)(jie)產品(pin)在(zai)液(ye)氮溫(wen)度(du)下還(huan)具有非常(chang)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)態強(qiang)度(du)和沖擊韌性。用來(lai)焊(han)接(jie)(jie)鑄鐵的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鎳和鎳－鐵合(he)金能(neng)(neng)被鐵和碳稀(xi)釋后而保持延(yan)性，并提供(gong)(gong)良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)加工特性。鎳基(ji)合(he)金焊(han)接(jie)(jie)材(cai)料(liao)亦(yi)廣泛(fan)用于電力工業，可在(zai)碳鋼和不銹(xiu)鋼之間進行異種(zhong)(zhong)焊(han)接(jie)(jie)，作為(wei)在(zai)高(gao)溫(wen)下使用時(shi)熱膨脹系數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)過渡材(cai)料(liao)。
相對于鋼而言，鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)能(neng)夠在低(di)溫下(xia)使(shi)用(yong)，又(you)能(neng)在接(jie)(jie)近(jin)1200℃的(de)高溫下(xia)使(shi)用(yong)，因(yin)為固溶合(he)(he)金(jin)的(de)基體(ti)從固態到絕對零度都(dou)保持奧(ao)氏體(ti)。這些加(jia)入適當添加(jia)劑的(de)合(he)(he)金(jin)提供了有用(yong)的(de)耐蝕(shi)性(xing)，并在包括電(dian)力、石化、化學加(jia)工、航天和控制環境污染等的(de)廣大(da)工業(ye)領(ling)域中得到了應用(yong)。對鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)來說，焊接(jie)(jie)是一門(men)關鍵性(xing)的(de)制造技術(shu)。最(zui)近(jin)50年(nian)來，已經(jing)進行了大(da)量的(de)研究和開(kai)(kai)發(fa)工作，為更好地弄懂和控制這些合(he)(he)金(jin)的(de)焊接(jie)(jie)性(xing)以(yi)及開(kai)(kai)發(fa)在焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭耐蝕(shi)性(xing)和力學性(xing)能(neng)方面能(neng)滿足更高要求的(de)焊接(jie)(jie)材料(liao)作出了不(bu)懈的(de)努力。
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(he)金
商用(yong)純鎳(nie)合(he)金(jin)(jin)是基(ji)本上含有鎳(nie)＞99%的那些合(he)金(jin)(jin)。這是一個商用(yong)純鎳(nie)合(he)金(jin)(jin)的完(wan)整族(zu)系，命名為(wei)(wei)200合(he)金(jin)(jin)和201合(he)金(jin)(jin)。這些材(cai)料具(ju)有低強度(du)和低硬度(du)，原則上由(you)于(yu)(yu)它(ta)們具(ju)有良好的耐(nai)蝕性而用(yong)于(yu)(yu)苛性腐蝕環境。201合(he)金(jin)(jin)具(ju)有最高值為(wei)(wei)0.02wt%的碳，所以它(ta)們能夠在(zai)高于(yu)(yu)315℃（600°F)的高溫下(xia)使用(yong)而無被“石(shi)墨化(hua)”的危險。因為(wei)(wei)碳在(zai)高于(yu)(yu)315℃的鎳(nie)基(ji)體中是相(xiang)對易變(bian)的，添加(jia)超出溶解度(du)極限（～0.02%)的碳會造(zao)成石(shi)墨質(zhi)點的沉(chen)淀，使材(cai)料變(bian)脆和變(bian)弱。
還(huan)有(you)一些附加(jia)商用(yong)(yong)純鎳(nie)合(he)(he)(he)金(jin)，它們在(zai)電或(huo)磁(ci)致伸(shen)縮的(de)(de)(de)有(you)限場合(he)(he)(he)使用(yong)(yong)。這些合(he)(he)(he)金(jin)具有(you)良(liang)好的(de)(de)(de)焊(han)接性(xing)，但在(zai)焊(han)接時(shi)對氣孔敏感。如果在(zai)焊(han)前和(he)焊(han)接中保持清潔，這些合(he)(he)(he)金(jin)會顯(xian)示良(liang)好的(de)(de)(de)抗裂性(xing)，但保護氣體(ti)或(huo)焊(han)劑必須充足以避(bi)免氣孔的(de)(de)(de)形(xing)成。商用(yong)(yong)純鎳(nie)焊(han)接材料含有(you)最高達1.5%鋁和(he)2.0%~3.5%鈦的(de)(de)(de)添(tian)加(jia)劑來抵(di)消少量(liang)的(de)(de)(de)大(da)氣污染。鈦和(he)鋁與氧結合(he)(he)(he)形(xing)成氧化(hua)物，與氮結合(he)(he)(he)形(xing)成氮化(hua)物，因而控制了在(zai)焊(han)縫熔敷金(jin)屬中的(de)(de)(de)氣孔。
2. 固溶強(qiang)化合金
鎳(nie)和(he)銅是同一(yi)形態的(de)(de)(de)(de)(de)元素（完全(quan)固(gu)溶(rong)性(xing)(xing)），能(neng)在(zai)整個(ge)成分范(fan)圍內(nei)生成單相合(he)金(jin)(jin)。這個(ge)族系(xi)(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)通(tong)(tong)常對海水和(he)其(qi)他(ta)一(yi)般腐蝕環境顯示出良(liang)(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)耐(nai)蝕性(xing)(xing)。通(tong)(tong)常Ni-Cu合(he)金(jin)(jin)有(you)很(hen)好的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)性(xing)(xing)，但如果不使用適當(dang)的(de)(de)(de)(de)(de)保護或(huo)良(liang)(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)抗氧化(hua)焊(han)(han)接(jie)材(cai)(cai)料(liao)，可能(neng)會對氣孔敏(min)感。其(qi)他(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)強化(hua)鎳(nie)基合(he)金(jin)(jin)可以(yi)僅含有(you)鐵，這些合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)大多數由于(yu)特定的(de)(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數或(huo)電性(xing)(xing)能(neng)而得到使用。Ni-36%Fe合(he)金(jin)(jin)通(tong)(tong)常稱作(zuo)INVAR合(he)金(jin)(jin)，在(zai)所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)鎳(nie)基合(he)金(jin)(jin)中具(ju)有(you)最低的(de)(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)系(xi)(xi)數，在(zai)幾百度的(de)(de)(de)(de)(de)溫度范(fan)圍內(nei)加熱和(he)冷(leng)卻一(yi)直到約300°F,僅以(yi)小(xiao)于(yu)1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)(de)(de)(de)速率膨脹(zhang)和(he)收縮(suo)。Ni-Fe合(he)金(jin)(jin)有(you)較好的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)性(xing)(xing)，但開發又有(you)良(liang)(liang)好抗凝固(gu)裂紋性(xing)(xing)能(neng)，又有(you)相匹配膨脹(zhang)性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)接(jie)材(cai)(cai)料(liao)對焊(han)(han)材(cai)(cai)制造商來說是一(yi)個(ge)挑戰。Ni-Fe合(he)金(jin)(jin)及其(qi)焊(han)(han)材(cai)(cai)也可能(neng)對低塑性(xing)(xing)開裂敏(min)感，這種開裂的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)理將在(zai)第3章中詳(xiang)細闡述。
其(qi)他固溶(rong)(rong)合金(jin)(jin)(jin)含有(you)(you)不同的(de)置換元(yuan)(yuan)素(su)，包括鉻、鉬(mu)和(he)鎢。每種元(yuan)(yuan)素(su)都能(neng)賦予特殊的(de)性能(neng)，并有(you)(you)能(neng)力改變每種合金(jin)(jin)(jin)的(de)焊接特性。固溶(rong)(rong)強(qiang)化鎳基合金(jin)(jin)(jin)的(de)最高(gao)抗拉(la)強(qiang)度(du)值接近830 MPa(120 ksi),而(er)屈服強(qiang)度(du)在(zai)345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這(zhe)些合金(jin)(jin)(jin)在(zai)要求(qiu)具有(you)(you)良好(hao)耐蝕性的(de)廣泛場合下使用。如果要求(qiu)較高(gao)的(de)強(qiang)度(du)水平(ping)，必須選擇沉淀(dian)強(qiang)化合金(jin)(jin)(jin)。
3. 沉淀強化(hua)合金
沉(chen)淀(dian)(dian)強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)鎳基(ji)合金(jin)(jin)含(han)有鈦、鋁(lv)和(he)／或鈮(ni)等添加劑(ji)，在(zai)適當(dang)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)處理(li)后與鎳形(xing)(xing)成(cheng)強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)沉(chen)淀(dian)(dian)物(wu)(wu)(wu)(wu)。在(zai)大多(duo)數情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)些(xie)沉(chen)淀(dian)(dian)物(wu)(wu)(wu)(wu)與奧氏體(ti)基(ji)體(ti)具有凝聚力，并使基(ji)體(ti)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，因而實質上增加了基(ji)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)。這(zhe)些(xie)沉(chen)淀(dian)(dian)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)大多(duo)數稱為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)Nig(Al,Ti)]和(he)γ”（Y"-NisNb)。在(zai)最佳合金(jin)(jin)添加劑(ji)和(he)熱(re)處理(li)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)些(xie)合金(jin)(jin)能(neng)夠強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)到(dao)最高(gao)抗拉(la)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超過1380 MPa(200 ksi)和(he)0.2%屈服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)超過1035 MPa(150 ksi).第一個沉(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)Ni-Cr合金(jin)(jin)（X-750)是(shi)(shi)由γ'強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)，在(zai)靠(kao)近(jin)γ'溶解線溫度(du)下(xia)，顯示出良好的(de)(de)(de)(de)(de)抗氧化(hua)性和(he)高(gao)溫強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)組合。不(bu)(bu)幸的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，當(dang)焊后并直接(jie)時(shi)(shi)效(xiao)而不(bu)(bu)在(zai)中間插入退火處理(li)時(shi)(shi)，會產生焊后應變(bian)(bian)時(shi)(shi)效(xiao)裂(lie)紋(wen)（SAC).這(zhe)種開裂(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)機理(li)將在(zai)第4章中詳(xiang)細闡述。在(zai)為改(gai)善焊接(jie)性和(he)避免SAC的(de)(de)(de)(de)(de)努力下(xia)，開發了γ”強(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)第二代沉(chen)淀(dian)(dian)硬(ying)化(hua)Ni-Cr-Mo合金(jin)(jin)。這(zhe)些(xie)合金(jin)(jin)中最普遍(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)718合金(jin)(jin)。因為γ”沉(chen)淀(dian)(dian)物(wu)(wu)(wu)(wu)比γ'的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng)要(yao)慢(man)得多(duo)，718合金(jin)(jin)在(zai)焊后熱(re)處理(li)時(shi)(shi)通常不(bu)(bu)受SAC影響(xiang)。718合金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)應用(yong)之(zhi)一是(shi)(shi)航空(kong)航天燃氣透平傳動軸和(he)耐壓殼。如(ru)果適當(dang)地熔(rong)煉，獲(huo)得低含(han)量的(de)(de)(de)(de)(de)雜質，該合金(jin)(jin)可提供(gong)極大的(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)機會。當(dang)設計合理(li)時(shi)(shi)，在(zai)一直到(dao)760℃（1400°F)的(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)溫度(du)下(xia)，具有極佳的(de)(de)(de)(de)(de)疲(pi)勞壽命(ming)。
基于沉淀強(qiang)(qiang)化合金(jin)具有在(zai)高(gao)溫(wen)下不(bu)同(tong)尋常的(de)高(gao)強(qiang)(qiang)度和(he)耐(nai)蝕性(xing)，所(suo)以通(tong)常把它(ta)們歸類為(wei)“超(chao)合金(jin)”。該術(shu)語曾松散地(di)應(ying)用于許多其他高(gao)強(qiang)(qiang)度多元(yuan)合金(jin)，但一般術(shu)語“超(chao)合金(jin)”是(shi)用來描述由(you)γ'和(he)γ”相(xiang)所(suo)提供的(de)具有超(chao)強(qiang)(qiang)度性(xing)能的(de)鎳基合金(jin)。
在(zai)(zai)(zai)燃氣輪機動葉(xie)片(pian)上采用超合(he)金(jin)(jin)始于(yu)IN713C合(he)金(jin)(jin)。這種合(he)金(jin)(jin)與X-750合(he)金(jin)(jin)相似，但僅(jin)僅(jin)作(zuo)為鑄件生產(chan)，因為含有較多的(de)鋁、鈦(tai)添(tian)加(jia)(jia)劑，因此從鑄造溫度下冷卻時，會發生時效硬化。由于(yu)該合(he)金(jin)(jin)對SAC有極高(gao)的(de)敏感性，所以產(chan)品修復受到(dao)限制(zhi)，但在(zai)(zai)(zai)葉(xie)片(pian)頂端(duan)堆焊(han)則不(bu)會開裂(lie)。經過數(shu)十年的(de)技術進(jin)展，增加(jia)(jia)了“超合(he)金(jin)(jin)”族系的(de)其(qi)他成員(yuan)，包(bao)(bao)括(kuo)超高(gao)強(qiang)度和(he)耐腐蝕的(de)單晶(jing)透平(ping)葉(xie)片(pian)合(he)金(jin)(jin)。為了減少在(zai)(zai)(zai)運行時受到(dao)侵蝕，在(zai)(zai)(zai)葉(xie)片(pian)頂端(duan)堆焊(han)是可(ke)行的(de)，只要焊(han)接過程(cheng)能(neng)很好得到(dao)控制(zhi)，并使殘余(yu)應力保持在(zai)(zai)(zai)較低(di)水(shui)平(ping)。最初(chu)這些材(cai)料在(zai)(zai)(zai)焊(han)接修復時曾遇到(dao)挑戰，包(bao)(bao)括(kuo)避免(mian)在(zai)(zai)(zai)熔池中的(de)晶(jing)粒分散(san)和(he)阻止(zhi)開裂(lie)。
4. 其(qi)他(ta)特殊(shu)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(shi)圍繞(rao)或是(shi)NiAl或是(shi)Ni3Al組成而設計的(de)合金。它們顯示出非(fei)常高的(de)強度和耐蝕性(xing)(xing)能，但由于(yu)它們在很大溫度范圍內延性(xing)(xing)低(di)(di)，所以(yi)(yi)焊(han)(han)接(jie)非(fei)常困難。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合金曾被(bei)開(kai)發用于(yu)在不同(tong)環(huan)境下的(de)耐磨材料，但這些合金由于(yu)硬度高、延性(xing)(xing)低(di)(di)，并在其(qi)成分范圍內會形成低(di)(di)熔(rong)融區(qu)間的(de)相，所以(yi)(yi)同(tong)樣難以(yi)(yi)焊(han)(han)接(jie)。
