鎳(nie)基(ji)合(he)(he)金由(you)于具有優異的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫性能和(he)卓越的(de)(de)(de)(de)耐蝕性能，已在航(hang)空航(hang)天、核電、火(huo)電、石油化工(gong)等領域獲得了(le)(le)廣泛的(de)(de)(de)(de)應用，但(dan)鎳(nie)基(ji)合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)焊接(jie)往往會(hui)帶來(lai)不少的(de)(de)(de)(de)困難，主要表(biao)現(xian)在相(xiang)的(de)(de)(de)(de)變化導致接(jie)頭性能的(de)(de)(de)(de)改變，以(yi)及焊接(jie)過程中(zhong)產生的(de)(de)(de)(de)各種裂紋(wen)等缺(que)陷(xian)造(zao)成(cheng)運(yun)行中(zhong)的(de)(de)(de)(de)早期(qi)失效。為此(ci)，眾多科技工(gong)作者長期(qi)以(yi)來(lai)對鎳(nie)基(ji)合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)焊接(jie)開展了(le)(le)大量(liang)的(de)(de)(de)(de)試驗(yan)研究，力求(qiu)在焊接(jie)鎳(nie)基(ji)合(he)(he)金時(shi)能獲得高(gao)質(zhi)量(liang)和(he)性能滿意的(de)(de)(de)(de)焊接(jie)接(jie)頭。
鎳基合(he)(he)金是工程材料(liao)最重要(yao)的(de)類(lei)別之(zhi)一，因為(wei)它們能(neng)(neng)(neng)夠用(yong)(yong)(yong)于多(duo)種環境(jing)和(he)場(chang)合(he)(he)。在含水(shui)和(he)高溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)耐蝕(shi)場(chang)合(he)(he)、室溫(wen)(wen)和(he)高溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)高強(qiang)度場(chang)合(he)(he)、低溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)的(de)延(yan)(yan)性(xing)(xing)和(he)韌性(xing)(xing)場(chang)合(he)(he)、特殊的(de)電性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)場(chang)合(he)(he)以及與其(qi)他物理性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)有關的(de)場(chang)合(he)(he)都選用(yong)(yong)(yong)了這(zhe)些(xie)合(he)(he)金。鎳基合(he)(he)金焊接(jie)材料(liao)能(neng)(neng)(neng)提(ti)供(gong)某些(xie)焊態下(xia)(xia)(xia)的(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)，而這(zhe)些(xie)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)是其(qi)他類(lei)型的(de)焊接(jie)產品所不(bu)能(neng)(neng)(neng)提(ti)供(gong)的(de)，例如被(bei)許多(duo)各種不(bu)同的(de)合(he)(he)金元素稀釋(shi)(shi)后，還能(neng)(neng)(neng)保持從(cong)低溫(wen)(wen)到接(jie)近固相線溫(wen)(wen)度強(qiang)度和(he)延(yan)(yan)性(xing)(xing)的(de)能(neng)(neng)(neng)力。它們也是十分通用(yong)(yong)(yong)的(de)，例如，用(yong)(yong)(yong)于焊接(jie)9%鎳鋼(gang)(gang)的(de)Ni-Cr-Mo系(xi)焊接(jie)產品在液氮(dan)溫(wen)(wen)度下(xia)(xia)(xia)還具有非常高的(de)焊態強(qiang)度和(he)沖擊韌性(xing)(xing)。用(yong)(yong)(yong)來焊接(jie)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)的(de)鎳和(he)鎳－鐵(tie)(tie)合(he)(he)金能(neng)(neng)(neng)被(bei)鐵(tie)(tie)和(he)碳(tan)稀釋(shi)(shi)后而保持延(yan)(yan)性(xing)(xing)，并提(ti)供(gong)良好(hao)的(de)機加工特性(xing)(xing)。鎳基合(he)(he)金焊接(jie)材料(liao)亦廣泛(fan)用(yong)(yong)(yong)于電力工業，可在碳(tan)鋼(gang)(gang)和(he)不(bu)銹鋼(gang)(gang)之(zhi)間(jian)進行異種焊接(jie)，作為(wei)在高溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)使用(yong)(yong)(yong)時(shi)熱膨脹系(xi)數的(de)過渡材料(liao)。
相對于鋼(gang)而言，鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)能(neng)夠在低溫下使用(yong)，又能(neng)在接(jie)近1200℃的(de)(de)(de)(de)高溫下使用(yong)，因為(wei)固(gu)溶合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)基體從固(gu)態(tai)到(dao)絕對零(ling)度(du)都保持(chi)奧氏體。這(zhe)些加入適當添加劑(ji)的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)提(ti)供了有用(yong)的(de)(de)(de)(de)耐(nai)蝕(shi)性，并(bing)在包括電力(li)、石化、化學加工、航天和(he)(he)控制環境污染等(deng)的(de)(de)(de)(de)廣大工業(ye)領域中得到(dao)了應(ying)用(yong)。對鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)來說，焊(han)接(jie)是一門關(guan)鍵性的(de)(de)(de)(de)制造(zao)技術。最近50年來，已經進行(xing)了大量的(de)(de)(de)(de)研究和(he)(he)開發工作(zuo)，為(wei)更好地弄懂和(he)(he)控制這(zhe)些合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)性以及開發在焊(han)接(jie)接(jie)頭耐(nai)蝕(shi)性和(he)(he)力(li)學性能(neng)方面能(neng)滿足更高要求的(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)材(cai)料作(zuo)出了不懈的(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(shang)用純鎳合金(jin)
商用(yong)(yong)純鎳合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)是(shi)(shi)基(ji)本上(shang)含有(you)(you)鎳＞99%的(de)(de)(de)那些(xie)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。這是(shi)(shi)一個(ge)商用(yong)(yong)純鎳合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)完整族系，命名為(wei)200合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)和201合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。這些(xie)材(cai)料具(ju)有(you)(you)低強度(du)(du)和低硬度(du)(du)，原則上(shang)由于(yu)(yu)它們(men)具(ju)有(you)(you)良好的(de)(de)(de)耐蝕性而用(yong)(yong)于(yu)(yu)苛(ke)性腐蝕環境。201合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)具(ju)有(you)(you)最(zui)高(gao)(gao)值(zhi)為(wei)0.02wt%的(de)(de)(de)碳，所以它們(men)能夠(gou)在(zai)高(gao)(gao)于(yu)(yu)315℃（600°F)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫下使(shi)用(yong)(yong)而無被(bei)“石墨化”的(de)(de)(de)危(wei)險。因為(wei)碳在(zai)高(gao)(gao)于(yu)(yu)315℃的(de)(de)(de)鎳基(ji)體中是(shi)(shi)相對易變(bian)(bian)的(de)(de)(de)，添加(jia)超出溶解(jie)度(du)(du)極(ji)限（～0.02%)的(de)(de)(de)碳會造成(cheng)石墨質點的(de)(de)(de)沉淀，使(shi)材(cai)料變(bian)(bian)脆(cui)和變(bian)(bian)弱(ruo)。
還有(you)(you)一(yi)些附加(jia)商用純(chun)鎳(nie)合(he)(he)金(jin)，它(ta)們在(zai)電或磁致伸縮的(de)有(you)(you)限場合(he)(he)使用。這(zhe)些合(he)(he)金(jin)具(ju)有(you)(you)良好的(de)焊接(jie)性(xing)，但(dan)(dan)在(zai)焊接(jie)時對氣(qi)孔(kong)敏感(gan)。如果在(zai)焊前和焊接(jie)中(zhong)保持清(qing)潔，這(zhe)些合(he)(he)金(jin)會顯示良好的(de)抗裂性(xing)，但(dan)(dan)保護氣(qi)體或焊劑必(bi)須充足以避免氣(qi)孔(kong)的(de)形(xing)成(cheng)。商用純(chun)鎳(nie)焊接(jie)材料含有(you)(you)最高達1.5%鋁(lv)和2.0%~3.5%鈦的(de)添(tian)加(jia)劑來抵消少量(liang)的(de)大(da)氣(qi)污(wu)染。鈦和鋁(lv)與氧結合(he)(he)形(xing)成(cheng)氧化物，與氮結合(he)(he)形(xing)成(cheng)氮化物，因(yin)而控制(zhi)了在(zai)焊縫(feng)熔敷金(jin)屬中(zhong)的(de)氣(qi)孔(kong)。
2. 固溶強化合金
鎳(nie)和銅是同一(yi)(yi)形態(tai)的(de)(de)元素(su)（完全固(gu)(gu)溶性），能(neng)(neng)在整個(ge)(ge)成分范(fan)圍內(nei)生成單相合(he)(he)金(jin)。這個(ge)(ge)族系(xi)的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料通(tong)常對海(hai)水和其(qi)他一(yi)(yi)般腐蝕環境顯示出良(liang)好(hao)的(de)(de)耐(nai)蝕性。通(tong)常Ni-Cu合(he)(he)金(jin)有(you)很好(hao)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)性，但如果不使(shi)用適當的(de)(de)保護或良(liang)好(hao)的(de)(de)抗氧(yang)化焊(han)(han)接(jie)材(cai)(cai)(cai)料，可能(neng)(neng)會對氣孔敏感(gan)。其(qi)他的(de)(de)固(gu)(gu)溶強化鎳(nie)基(ji)合(he)(he)金(jin)可以僅含有(you)鐵，這些(xie)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)大多數由于特定的(de)(de)膨脹系(xi)數或電(dian)性能(neng)(neng)而得(de)到(dao)使(shi)用。Ni-36%Fe合(he)(he)金(jin)通(tong)常稱作INVAR合(he)(he)金(jin)，在所有(you)的(de)(de)鎳(nie)基(ji)合(he)(he)金(jin)中具有(you)最低的(de)(de)膨脹系(xi)數，在幾百度的(de)(de)溫度范(fan)圍內(nei)加熱和冷卻一(yi)(yi)直到(dao)約300°F,僅以小(xiao)于1.0x10-6in/(in·℉-1)的(de)(de)速率膨脹和收縮。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)有(you)較好(hao)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)性，但開(kai)發又(you)有(you)良(liang)好(hao)抗凝固(gu)(gu)裂(lie)紋性能(neng)(neng)，又(you)有(you)相匹配膨脹性能(neng)(neng)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)材(cai)(cai)(cai)料對焊(han)(han)材(cai)(cai)(cai)制造(zao)商來(lai)說是一(yi)(yi)個(ge)(ge)挑戰(zhan)。Ni-Fe合(he)(he)金(jin)及其(qi)焊(han)(han)材(cai)(cai)(cai)也可能(neng)(neng)對低塑性開(kai)裂(lie)敏感(gan)，這種開(kai)裂(lie)的(de)(de)機理將在第3章中詳細(xi)闡述。
其他固溶(rong)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)含有不同的(de)置(zhi)換元素(su)，包(bao)括鉻、鉬(mu)和鎢。每種元素(su)都能(neng)賦予特殊的(de)性能(neng)，并有能(neng)力改變每種合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)焊接(jie)特性。固溶(rong)強(qiang)化(hua)鎳基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)最高(gao)抗(kang)拉(la)強(qiang)度(du)值接(jie)近830 MPa(120 ksi),而屈服強(qiang)度(du)在345~480 MPa(50~70 ksi)之間(jian)。這(zhe)些合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)在要求具有良好耐蝕性的(de)廣泛場合(he)(he)下使用(yong)。如果要求較高(gao)的(de)強(qiang)度(du)水平，必須選擇(ze)沉淀強(qiang)化(hua)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)。
3. 沉淀強化合金
沉淀(dian)強化(hua)鎳基(ji)(ji)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)含(han)有(you)鈦(tai)、鋁和(he)(he)／或鈮等(deng)添加劑，在(zai)(zai)適當(dang)(dang)的(de)(de)(de)熱處理(li)(li)(li)后(hou)與鎳形(xing)成強化(hua)的(de)(de)(de)沉淀(dian)物。在(zai)(zai)大(da)多(duo)數情況下(xia)(xia)(xia)，這些沉淀(dian)物與奧氏(shi)體(ti)基(ji)(ji)體(ti)具有(you)凝聚力，并(bing)使(shi)基(ji)(ji)體(ti)變形(xing)，因而實(shi)質(zhi)上增加了基(ji)(ji)體(ti)的(de)(de)(de)強度(du)(du)。這些沉淀(dian)物的(de)(de)(de)大(da)多(duo)數稱為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和(he)(he)Nig(Al,Ti)]和(he)(he)γ”（Y"-NisNb)。在(zai)(zai)最佳(jia)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)添加劑和(he)(he)熱處理(li)(li)(li)情況下(xia)(xia)(xia)，這些合(he)(he)(he)金(jin)(jin)能(neng)夠強化(hua)到(dao)最高(gao)(gao)抗拉強度(du)(du)超過1380 MPa(200 ksi)和(he)(he)0.2%屈服強度(du)(du)超過1035 MPa(150 ksi).第一(yi)個沉淀(dian)硬(ying)(ying)化(hua)Ni-Cr合(he)(he)(he)金(jin)(jin)（X-750)是(shi)(shi)由γ'強化(hua)的(de)(de)(de)，在(zai)(zai)靠近γ'溶解(jie)線溫度(du)(du)下(xia)(xia)(xia)，顯示出良好(hao)的(de)(de)(de)抗氧(yang)化(hua)性和(he)(he)高(gao)(gao)溫強度(du)(du)的(de)(de)(de)組(zu)合(he)(he)(he)。不幸的(de)(de)(de)是(shi)(shi)，當(dang)(dang)焊后(hou)并(bing)直接時(shi)效(xiao)而不在(zai)(zai)中(zhong)間插入退火處理(li)(li)(li)時(shi)，會產生(sheng)焊后(hou)應(ying)變時(shi)效(xiao)裂紋（SAC).這種(zhong)開(kai)裂的(de)(de)(de)機(ji)理(li)(li)(li)將在(zai)(zai)第4章(zhang)中(zhong)詳細闡述(shu)。在(zai)(zai)為改善焊接性和(he)(he)避免SAC的(de)(de)(de)努(nu)力下(xia)(xia)(xia)，開(kai)發了γ”強化(hua)的(de)(de)(de)第二代沉淀(dian)硬(ying)(ying)化(hua)Ni-Cr-Mo合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。這些合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)最普遍的(de)(de)(de)是(shi)(shi)718合(he)(he)(he)金(jin)(jin)。因為γ”沉淀(dian)物比γ'的(de)(de)(de)形(xing)成要慢(man)得(de)多(duo)，718合(he)(he)(he)金(jin)(jin)在(zai)(zai)焊后(hou)熱處理(li)(li)(li)時(shi)通常不受SAC影響。718合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)主(zhu)要應(ying)用之(zhi)一(yi)是(shi)(shi)航(hang)空(kong)航(hang)天燃氣透平傳動軸和(he)(he)耐壓殼。如果適當(dang)(dang)地熔煉，獲得(de)低含(han)量的(de)(de)(de)雜質(zhi)，該合(he)(he)(he)金(jin)(jin)可提供極大(da)的(de)(de)(de)使(shi)用機(ji)會。當(dang)(dang)設(she)計合(he)(he)(he)理(li)(li)(li)時(shi)，在(zai)(zai)一(yi)直到(dao)760℃（1400°F)的(de)(de)(de)使(shi)用溫度(du)(du)下(xia)(xia)(xia)，具有(you)極佳(jia)的(de)(de)(de)疲勞壽(shou)命。
基于沉淀(dian)強(qiang)(qiang)(qiang)化合(he)金具有在高溫下不(bu)同尋常的高強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)和(he)耐蝕性(xing)，所以通常把它們歸類為“超(chao)合(he)金”。該術語(yu)曾松散地應用于許(xu)多其他高強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)多元合(he)金，但一般術語(yu)“超(chao)合(he)金”是用來描述由γ'和(he)γ”相(xiang)所提供的具有超(chao)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)性(xing)能的鎳基合(he)金。
在(zai)燃氣輪機動葉(xie)片上采用超(chao)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)始(shi)于(yu)(yu)IN713C合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。這(zhe)種合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)與X-750合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)相似(si)，但僅(jin)僅(jin)作為(wei)(wei)鑄(zhu)件生產，因(yin)為(wei)(wei)含有較多(duo)的(de)(de)(de)(de)鋁、鈦(tai)添(tian)加劑(ji)，因(yin)此從鑄(zhu)造(zao)溫度(du)下(xia)冷卻(que)時，會發生時效硬(ying)化。由于(yu)(yu)該(gai)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)對(dui)SAC有極高的(de)(de)(de)(de)敏感性，所以產品修復(fu)受到(dao)限制，但在(zai)葉(xie)片頂端(duan)堆焊則不(bu)會開(kai)(kai)裂。經(jing)過數十(shi)年的(de)(de)(de)(de)技術(shu)進展，增加了“超(chao)合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)”族系的(de)(de)(de)(de)其(qi)他成(cheng)員(yuan)，包(bao)(bao)括超(chao)高強(qiang)度(du)和耐腐蝕的(de)(de)(de)(de)單晶(jing)(jing)透平葉(xie)片合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)。為(wei)(wei)了減少(shao)在(zai)運行時受到(dao)侵蝕，在(zai)葉(xie)片頂端(duan)堆焊是可行的(de)(de)(de)(de)，只(zhi)要(yao)焊接過程(cheng)能很好得到(dao)控(kong)制，并使殘余應力保持(chi)在(zai)較低水(shui)平。最初這(zhe)些材料在(zai)焊接修復(fu)時曾遇到(dao)挑戰(zhan)，包(bao)(bao)括避免在(zai)熔池(chi)中的(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒分(fen)散和阻止開(kai)(kai)裂。
4. 其他特殊合金
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)(he)物(wu)是(shi)圍(wei)繞或(huo)是(shi)NiAl或(huo)是(shi)Ni3Al組成(cheng)(cheng)(cheng)而設計(ji)的合(he)(he)金。它(ta)們(men)顯(xian)示出非常高的強度(du)和(he)耐蝕性能(neng)，但(dan)由(you)于它(ta)們(men)在(zai)很大溫度(du)范圍(wei)內延性低(di)，所(suo)以焊接非常困難。Ni-Cr-B和(he)Ni-Mo-Si合(he)(he)金曾被開發用于在(zai)不同(tong)環境(jing)下的耐磨材料，但(dan)這些合(he)(he)金由(you)于硬度(du)高、延性低(di)，并在(zai)其成(cheng)(cheng)(cheng)分范圍(wei)內會形成(cheng)(cheng)(cheng)低(di)熔融區(qu)間(jian)的相(xiang)，所(suo)以同(tong)樣難以焊接。
