镍基合金：分类、特点与应用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：镍基合金是以镍为基体，加入一种或多种其他元素组成的合金。在目前耐蚀镍基合金中，In-coloy800合金在阀门生产上的应用量仅次于Monel合金。粉末镍基合金以其组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点在涡轮盘的制造和应用方面得到迅速发展，已成为推重比在8以上的高性能发动机涡轮盘的首选材料。镍基电阻合金是以其电阻特性为主要技术指标的合金，

镍基合金是以镍为基体，加入一种或多种其他元素组成的合金。镍基合金不仅在诸多工业腐蚀环境中具有独特的抗腐蚀甚至抗高温腐蚀性能，而且强度高、韧性好，可冶炼、铸造、冷热变形、加工成形和焊接，广泛应用于石化、能源、海洋、航空航天等领域。

镍基合金按特性和应用可分为镍基耐蚀合金、镍基高温合金和具有特殊物理性能的镍基功能合金。

（1）镍基耐蚀合金

耐蚀镍合金以抗液体介质腐蚀（室温或高于室温）能力为其主要性能，镍的质量分数一般不超过70%，主要添加Cu、Cr、Mo、W等元素以适应各种不同化学性质的工作介质。

w_Cu=30%的镍铜合金素以蒙乃尔（Monel）之名著称，如Monel 400和Monel 502等。Monel合金兼有Ni和Cu的许多优点，在还原性介质中比镍基合金耐蚀，在氧化性介质中比Cu更耐蚀。Monel合金主要用于制造高温载荷下的耐蚀零件及设备，如输送浓碱液的泵、阀门等。而且镍铜合金强度高、无磁性，适合于制作无火花工具、船用螺旋桨轴等。

以Cr、Mo为主要合金元素的超低碳型Ni-Cr-Mo系镍合金称Hastelloy系（哈氏）合金。它作为高级镍基合金，对多种恶劣的腐蚀环境，如湿氧、亚硫酸、强氧化盐介质等都有优异的耐蚀性，且具有高的力学性能和良好的工艺性，可铸造、焊接和切削。

Ni-Cr系合金中Fe含量较低的为Inconel合金，Fe含量较高的为Incoloy合金。In-conel 600是典型的Ni-Cr耐蚀合金（中国牌号0Cr15Ni75Fe），既耐高温又耐腐蚀。In-conel690（中国牌号0Cr30Ni60Fe）耐应力腐蚀、耐晶间腐蚀能力高，在化工石油领域广泛使用，如图5-1所示即为Inconel718C合金制造的油气开采用的流体分流器。Incoloy合金因w_Fe=45%，实际上是镍基合金中的Fe-Ni-Cr合金。在目前耐蚀镍基合金中，In-coloy800合金在阀门生产上的应用量仅次于Monel合金。

（2）镍基高温合金

镍基高温合金是以镍为基体，在650～1000℃的范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金，它是在Cr20Ni80合金的基础上发展起来的，加入了大量的强化元素如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等。镍基高温合金主要用于航空航天领域950～1050℃下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。随着我国工业化建设的发展，镍基高温合金也逐渐应用在民用工业的能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等部门。

图5-1 Inconel718C合金制造的油气开采用的流体分流器

按成形工艺，镍基高温合金可分为铸造合金、变形合金和粉末合金。变形镍基高温合金先通过真空冶炼等工艺浇注成锭，再经锻造、扎制等热变形制成饼坯、棒、板、管等型材，然后模锻成毛坯，最后经过热处理制成涡轮盘或叶片（见图5-2），这类合金有GH4710、GH4413、GH4698等。铸造镍基合金可细分为普通精密合金（如K417C）、定向凝固合金（如DZ417G）、单晶合金（如DD403D、D406等）。铸造镍基合金生产的零件如图5-3～图5-5所示。我国铸造镍基高温合金牌号及化学成分见表5-1。随着盘件材料合金化程度的提高，合金容易出现严重偏析、热工艺性能恶化等问题，使传统的铸锻工艺制造的高温合金涡轮盘在高推比发动机上的应用受到制约。粉末镍基合金以其组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点在涡轮盘的制造和应用方面得到迅速发展，已成为推重比在8以上的高性能发动机涡轮盘的首选材料。粉末镍基合金是将高合金化变形合金用气体雾化等方法先制成粉末，然后用等静压或热挤压等方法将粉末制成棒料，最后做成涡轮盘等零件。这类合金主要有FGH4095、FGH4096、FGH4097等。

图5-2 GH4698合金模锻而成的六级涡轮盘

图5-3 K417C合金小型发动机涡轮

图5-4 DZ417G定向凝固柱晶涡轮片

图5-5 装有NiAl合金单晶导向叶片的航空发动机涡轮导向器

表5-1 我国铸造镍基高温合金牌号及化学成分

（续）

①W加Mo的质量分数不小于7.7%。

②w_H<0.20%。

（3）镍基功能合金

镍基功能合金是指因具有某些特殊的物理性能而应用于某种特定领域的一类镍基合金。主要包括膨胀合金、电阻合金和磁性合金等。膨胀合金是指在应用中对其膨胀系数有特定要求的一类精密合金，它在电子管、晶体管集成电路以及电容、继电器等电子工业中的应用非常广泛。镍基电阻合金是以其电阻特性为主要技术指标的合金，一般要求它具有电阻率较大、电阻值稳定、电阻温度系数小、加工性能好等特点。主要包括镍基高电阻电热合金、仪器仪表用镍基精密电阻合金、电阻应变计用镍基电阻合金及镍基非晶态电阻合金等。镍合金作为磁性材料有高磁导率合金和永磁合金两类。前者是w_Ni＞30%的镍铁合金，后者是镍铝铁合金和镍钴铝铁合金。这些磁性材料常用于电枢、高频发电机磁极零件、粘连电极头、计算机等领域。

镍基合金：分类、特点与应用

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