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鎳基合金是指在650~1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度與一定的抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類合金。按照主要主要性能又細(xì)分為鎳基耐熱合金,鎳基耐蝕合金,鎳基耐磨合金,鎳基精密合金與鎳基形狀記憶合金等。高溫合金按照基體的不同,分為:鐵基高溫合金,鎳基高溫合金與鈷基高溫合金。其中鎳基高溫合金簡稱鎳基合金。
鎳基合金的代表材料有:
1,Incoloy合金,如Incoloy800,主要成分為;32Ni-21Cr-Ti,Al;屬于耐熱合金;
2,Inconel合金,如Inconel600,主要成分是;73Ni-15Cr-Ti,Al;屬于耐熱合金;
3,Hastelloy合金,即哈氏合金,如哈氏C-276,主要成分為;56Ni-16Cr-16Mo-4W;屬于耐蝕合金;
4,Monel合金,即蒙乃爾合金,比如說蒙乃爾400,主要成分是;65Ni-34Cu;屬于耐蝕合金;
在650~1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度與一定的抗氧化腐蝕能力,由于足夠高的高溫強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力,所以常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上的高溫零部件。
鈷基合金是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及高溫氧化的硬質(zhì)合金。即通常所說的鈷鉻鎢(鉬)合金或司太立(Stellite)合金(司太立合金由美國人Elwood Hayness 于1907年發(fā)明)。鈷基合金是以鈷作為主要成分,含有相當(dāng)數(shù)量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭等合金元素,偶而也還含有鐵的一類合金。根據(jù)合金中成分不同,它們可以制成焊絲,粉末用于硬面堆焊,熱噴涂、噴焊等工藝,也可以制成鑄鍛件和粉末冶金件。按使用用途分類,鈷基合金可以分為鈷基耐磨損合金,鈷基耐高溫合金及鈷基耐磨損和水溶液腐蝕合金。一般使用工況下,其實(shí)都是兼有耐磨損耐高溫或耐磨損耐腐蝕的情況,有的工況還可能要求同時(shí)耐高溫耐磨損耐腐蝕,而越是在這種復(fù)雜的工況下,才越能體現(xiàn)鈷基合金的優(yōu)勢。
鉻合金與金屬鎳相比,金屬鉻熔點(diǎn)高(1860℃),比強(qiáng)度大(強(qiáng)度和密度之比),具有良好的[1]抗氧化性能和抗高硫、柴油燃料、海水腐蝕性能。20世紀(jì)50年代中期開始了鉻合金高溫材料的研究。由于鉻合金的塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度高于室溫,特別高溫下暴露在空氣中,因氮的滲入,使合金塑性變壞,沖擊韌性也不能達(dá)到要求,使鉻合金在用作高于鎳基高溫合金使用溫度的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和導(dǎo)向葉片方面未能得到發(fā)展和應(yīng)用。60年代初,美國斯克拉格斯(D.V.Scruggs)等研制出彌散強(qiáng)化型 Cr-MgO合金(Chrome-30)有較好的室溫塑性,在 1000~1200℃溫度下,材料表面形成MgO·Cr2O3尖晶石結(jié)構(gòu),因而合金具有抗高溫氧化和抗熔蝕性。這種合金已用作制造燃?xì)廨啓C(jī)的火焰穩(wěn)定器、乙烯分餾爐中的熱電偶套管等部件。 提高室溫塑性和降低塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度,乃是發(fā)展鉻合金的關(guān)鍵。間隙元素氮、氧和碳對鉻的室溫塑性有明顯的影響。它們的極限含量分別為20、200和 200ppm。用低間隙元素的原料,添加可凈化雜質(zhì)的合金無素(如釔、鑭等)能提高鉻合金的室溫塑性。采用粉末冶金工藝制備彌散型合金則是提高室溫塑性的另一途徑。鉻合金的固溶強(qiáng)化元素有鉭、鈮、鎢、鉬等。沉淀強(qiáng)化相主要有 ⅣA族和 ⅤA族元素的硼化物、碳化物和氧化物。有的合金采用固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的方法來提高它們的強(qiáng)度,如 C-207和 Cl-41【Cr-7.1Mo-2 Ta-0.09 C-0.1(Y+La)】是用鎢或鉬固溶強(qiáng)化的,同時(shí)也有碳化物沉淀強(qiáng)化,并含有少量釔或釔和鑭作凈化劑,以改善抗氧化性能。這兩種合金在1093~1149℃溫度范圍內(nèi),都有較高的抗拉強(qiáng)度(10~15kgf/mm2)。Alloy E、AlloyJ(Cr-2Ta-0.5Si)和AlloyH(Cr-2 Ta-0.5 Si-0.5 R) 有共同的化學(xué)成分Cr-2Ta-0.5Si,并各自加入少量其他成分,其強(qiáng)度低于C-207和Cl-41,但塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度也較低。BX-4合金是鑄造合金,強(qiáng)度比C-207合金稍高,但塑性較差(見金屬的強(qiáng)化)。
成分和性能
鎳基高溫合金中應(yīng)用最為廣泛。主要原因在于,一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素,且能保持較好的組織穩(wěn)定性;二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ[Ni3(Al,Ti)]相作為強(qiáng)化相,使合金得到有效的強(qiáng)化,獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度;三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。鎳基合金含有十多種元素,其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用,其他元素主要起強(qiáng)化作用。根據(jù)它們的強(qiáng)化作用方式可分為:固溶強(qiáng)化元素,如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等;沉淀強(qiáng)化元素,如鋁、鈦、鈮和鉭;晶界強(qiáng)化元素,如硼、鋯、鎂和稀土元素等。
類別 鎳基耐蝕合金多具有奧氏體組織。在固溶和時(shí)效處理狀態(tài)下,合金的奧氏體基體和晶界上還有金屬間相和金屬的碳氮化物存在,各種耐蝕合金按成分分類及其特性如下:
Ni-Cu合金 在還原性介質(zhì)中耐蝕性優(yōu)于鎳,而在氧化性介質(zhì)中耐蝕性又優(yōu)于銅,它在無氧和氧化劑的條件下,是耐高溫氟氣、氟化氫和氫氟酸的最好的材料(見金屬腐蝕)。
Ni-Cr合金 也就是鎳基耐熱合金;主要在氧化性介質(zhì)條件下使用。抗高溫氧化和含硫、釩等氣體的腐蝕,其耐蝕性隨鉻含量的增加而增強(qiáng)。這類合金也具有較好的耐氫氧化物(如NaOH、KOH)腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕的能力。
Ni-Mo合金 主要在還原性介質(zhì)腐蝕的條件下使用。它是耐鹽酸腐蝕的最好的一種合金,但在有氧和氧化劑存在時(shí),耐蝕性會(huì)顯著下降。
Ni-Cr-Mo(W)合金 兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。主要在氧化-還原混合介質(zhì)條件下使用。這類合金在高溫氟化氫氣中、在含氧和氧化劑的鹽酸、氫氟酸溶液中以及在室溫下的濕氯氣中耐蝕性良好。
Ni-Cr-Mo-Cu合金 具有既耐硝酸又耐硫酸腐蝕的能力,在一些氧化-還原性混合酸中也有很好的耐蝕性。
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