镍及镍基合金焊材选用

镍及镍基合金焊材选用
镍是一种用途广泛的重要有色金属，具有熔点高﹑耐腐蚀性好﹑力学性能优良等特性。

镍基合金是含镍量大于50%并含有多良其他元素的合金，镍基比铁基能固熔更多的合金元素，所以镍基合金不但保持了镍的良好特性，有兼有合金化组分的良好特性，既可耐高温，又可耐腐蚀。

工程上将其分为两大合金类型，即耐热用镍基合金（有称高温合金）和耐腐蚀用镍基合金。

前者主要用于航空﹑航天等高温工作构件；后者则用于化学﹑石油﹑核工业等苛刻腐蚀环境。

⑴镍基高温合金：它是以镍﹑铬固熔体为基体并天家多种合金元素进行固熔强化而得到的合金。

焊接结构常用的镍基高温合金的强化机制分为固熔强化和时效沉淀强化两大类。

固熔强化是加入Cr﹑Co ﹑W﹑Mo﹑Nb﹑Ta等元素，以提高原子间结合力，产生点阵畸变，阻止位错运动，提高再结晶度等来强化固熔体。

这类合金具有优良的抗氧化性，塑性较高，易于焊接，但热强性相对较低。

时效强化是在固熔强化的基础上，天家较多的Al﹑Ti﹑Nb﹑Ta等元素，他们与镍结合成共格稳定﹑成分复杂的金属间化合物，使合金的热强性大大提高。

但是，Al﹑Ti﹑Nb等元素的加入使焊接性变差，故这类元素的加入总量宜限制在6%以下。

固熔强化和时效强化的形变镍基高温合金牌号有30个左右，如GH3030（Ni-20Cr-0.25Ti）﹑GH4033(Ni-20Cr-2.5Ti-0.8Al)等。

焊接时有可能产生凝固﹑液化裂纹或应变时效裂纹，Al﹑Ti等时效强化元素越多，裂纹敏感性越大。

⑵镍基耐蚀合金：为提高镍基耐蚀合金的耐腐蚀性能，也加入Cr﹑W﹑Mo等合金元素；且要求碳量越低越好；Ti﹑Nb等含量较低，主要作用是抑制碳的有害影响，以提高耐腐蚀性能，这均是与高温合金的重要区别。

我国的耐腐蚀合金牌号标准见GB/T15007-1994。

镍基耐腐蚀合金也有固熔和沉淀两种强化方式，但成分类型与镍基高温合金不同，有如下几种类型；Ni系，近于纯镍，如Ni200等；Ni-Cu系，如蒙乃尔（monel）400(66Ni31Cu);Ni-Cr系和Ni-Cr-Fe系，如因康镍（Inconel）600(76Ni15Cr8Fe)﹑因康镍718(53Ni19Cr3Mo5Nb18Fe);Ni-Fe-Cr系，如因康洛依（Incoloy）800(32Ni46Fe21Cr);Ni-Mo 系和Ni-Cr-Mo系，如哈斯特洛依（Hastelloy） C (64Ni16Cr16Mo4W);Ni-Cr-Mo-Cu系，含Cu在3%以上。

镍基耐蚀合金在焊接时可能产生热裂纹﹑焊缝气孔等问题，有的合金烈性（如Ni-Cr﹑Ni-Mo﹑Ni-Cr-Mo系）焊接接头还存在晶间腐蚀和应力腐蚀问题。

镍基合金具有耐活泼性气体﹑耐苛性介质﹑耐还原性酸介质腐蚀的良好性能，又经验有强度高﹑塑性好﹑可冷热变形和加工成型及可焊接的特点，因此，广泛应用于石油化工﹑冶金﹑原子能﹑海洋开发﹑航空﹑航天等工业中，解决一般不锈钢和其他金属﹑非金属材料无法解决的工程腐蚀问题，是一类非常重要的耐腐蚀金属材料。

镍基及铁镍基耐腐蚀合金的化学成分列于表1，哈氏系列耐腐蚀合金化学成分典型值列于表2。

表1 镍基及铁镍基耐蚀合金的化学成分
表2 哈氏C系列耐蚀合金化学成分典型值
哈氏C系列耐蚀合金的突出特点是耐均匀腐蚀﹑局部腐蚀﹑应力腐蚀﹑晶界腐蚀和容易加工及焊接，因此，在华工领域得到广泛应用，同时也俞来俞多地应用在能源﹑环保﹑石油与天然气﹑制药﹑烟
气脱硫等领域。

Hastelloy C是在Hastelloy B合金的基础上添加Cr﹑W元素形成的，是Ni-Cr合金Ni-Mo 合金的兼容和优化，在氧化性和还原性介质都具有很好的耐腐蚀性能以及耐局部腐蚀﹑耐氯化物应力腐蚀破裂和还水的孔蚀。

但在苛刻的氧化介质中，这种合金的含Cr量不足以使其保持初化状态而显示出高的均匀腐蚀速率；最大的问题是焊后必须经过固熔处理以消除热影响区的偏析。

而Hasteloy C-276及C-4与C的主要成分相似，但降低了碳和硅的含量，使热影响区不存在连续的晶粒偏析，因此，不会产生严重的晶界析出碳化物或伴随产生金属间化和物相（Cr2MO6型），使耐晶界腐蚀性能下降。

尽管如此，目前C-276在许多腐蚀环境中仍得到广泛应用。

C-4合金对成分作进一步调整，除降低C﹑Si含量外，还除去W﹑减少Fe，添加Ti，这样，就明显改进了热稳定性，消除合金中金属间化和物的析出和晶界偏析。

在强还原性介质（如盐酸）及高氧化性介质中，C-4的耐蚀性也比C-276更好一些。

在高氧化性环境下，仅含16%Cr的C-276和C-4均不能提供有效耐腐蚀性能，这种缺点被其他合金的发展所克服，如C-22等。

C-22的Cr﹑Mo﹑W含量经过仔细的调整，使其既耐氧化性酸腐蚀又能满足高温稳定性的需求，但它在强还原性环境中和严重缝隙腐蚀条件下的表现不如C-276和Alloy，，因为后者含有16%Mo。

C-22合金常用于烟气脱硫系统腐蚀环境及复杂的制药反应器中。

Haynes 625是20世纪60年代初期商业化的合金，合金中的Mo含量降到9%，加入Nb提高了合金耐晶界腐蚀的热稳定性，使材料在焊后可直接使用。

Cr含量从C类合金的15.5%增加到22%，提高了合金在许多强氧化性介质中（如沸腾的硝酸）的耐腐蚀性。

但在还原性介质中不如C类合金通用，因其含Mo量较低。

Haynes 625是以Mo﹑Nb为主要强化元素的固熔强化合金，从低温到1095℃温度范围内具有良好的强度和韧性，在空气中，高达980℃时还有良好的抗氧化剥蚀能力，因而常用在高温和航空场合。

20世纪80年代后期，德国Krupp公司研究开发了合金59（Nicrofer 5923hMo-alloy59），它克服了C-22和C-276的缺点，含C﹑Si量极低，不易于在热成型或焊接过程中产生晶界沉淀，热稳定性非常好，且具有友谊的耐蚀性能，对硝酸﹑磷酸﹑硫酸和盐酸耐蚀性都很好，对氯离子引起的应力腐蚀开裂不敏感。

是最“纯真”的Ni-Cr-Mo合金。

Inconel 686是美国SMC公司1993年的专利产品，是Ni-Cr-Mo-W合金。

686合金适合在两性酸或两性混合酸，尤其是两性混合酸中含有高浓度氯离子的腐蚀环境中应用。

在海水中经验有较强的抵抗均匀腐蚀﹑电化学腐蚀﹑局部侵蚀和氢脆的能力，是理想的海洋环境应用材料。

也可应用在化工过程﹑污染控制（烟气脱硫）﹑造纸﹑制药﹑和垃圾处理等腐蚀环境中。

Hastelloy C-2000是Haynes公司1995年的专利产品，是在Alloy59配方的基础上添加1.6%Cu而成。

Ni-Cr-Mo合金以高Cr抗氧化性介质，以高Mo和W抗还原性介质。

而加入1.6%Cu后，使合金耐还
原性介质腐蚀的能力得到极大提高，当然，Cu的添加导致耐局部腐蚀能力大幅度下降，而且热稳定性也逊色于合金59。

总之，Inconel 686﹑Alloy59及Hastelloy C-2000合金被称为当今世界三大顶尖合金，代表着世界冶金工业的最高成就。

各种合金的点蚀当量指数PREN [ PREN=Cr+1.5×(Mo+W+Nb)-0.5Cu]及点蚀临界温度CPT（critical pitting temperature）和缝隙腐蚀临界温度CCT(critical crevice temperature)示于表3。

典型镍合金的一般特性示于表4。

表3 各种合金的CPT和CCT值
表4 典型镍合金的一般特性
⑶焊接材料的选用与碳钢﹑不锈钢相比较，镍基合金的物理性质有如下特点：熔点低；线胀系数介于奥氏体不锈钢与碳钢之间（哈氏合金除外），故很适于作这两类异种材质的焊接材料；除纯镍系外，
其他镍基合金的热导率比碳钢低得多，其电阻却比碳钢高得多，这一点直接影响到镍基合金的焊接性及焊接规范的选择。

在焊接热循环的作用下，镍几合金的热影响区发生组织变化，如晶界析出碳化物﹑晶粒长大﹑脆性相析出等，这些都对耐蚀性有严重影响。

Ni-Cr﹑Ni-Mo和Ni-Cr-Mo系合金都存在敏化区。

在Ni-Cr系合金中，碳的固熔度是很低的，只要碳含量超过其固熔度，在热影响区的敏化温度内就有碳化物析出的可能，导致晶界出现贫铬，相应发生晶间腐蚀。

碳含量越低，铬含量越高，晶间腐蚀敏感性越小。

自熔焊或与母材同质的填充焊缝金属耐腐蚀性能不如母材。

虽然与母材有相同的化学成分，但作为一种铸造的金属组织，焊缝熔敷金属的耐腐蚀能力往往低于母材，这是由于焊缝熔敷金属在凝固时合金元素的偏析造成的。

焊缝是一种小的铸造结果，因没有经过加工变形，存在粗大的有害的树枝晶，在树枝晶有元素的微观偏析，这种偏析在熔焊中是不可避免的。

合金元素的熔点不同，熔点高的Mo﹑W先于熔点低的Ni﹑Cr凝固。

在焊接条件下熔池快速凝固﹑焊缝快速冷却，焊缝熔敷金属中出现合金元素呈梯度分布，即成分不均匀，因而，耐腐蚀能力也就不均匀，合金元素低的部分将先腐蚀。

在多数情况下，对焊接结果进行焊后热处理或冷加工后退火，以恢复组织性能是不现实的。

消除偏析影响的最佳方式是采用高合金化的焊接材料，如用Inconel 622或Inconel 625焊接含Mo的奥氏体不锈钢（316﹑317）或高级奥氏体不锈钢Inconel 25-6Mo或合金化程度较低的镍基合金Incoloy 825﹑Incoloy 20或Inconel G-3等。

用合金化程度最高的INCO-WELD 686GPT焊接Inconel 622﹑C-276,Hastelloy C-22﹑C-2000﹑VDM59等。

哈氏合金用焊材的选择列于表5。

表5 哈氏合金用焊材的选择
镍及镍基合金焊条主要根据母材的合金类别﹑化学成分和使用环境等条件选用。

需要考虑的因素有：
物理性能，线胀系数和热导率（或磁性的匹配）；
力学性能，抗拉强度﹑冲击韧性﹑疲劳强度或蠕变强度等；
防腐性能，对电化学腐蚀及孔隙腐蚀的抵抗力；
冶金学中的兼容和协调性（匹配性能）﹑可熔性及抗热裂纹的能力等。

一般说来，焊条的主要成分和母材的主要成分应尽量接近，以保证各项性能与母材相当。

但考虑到焊条的特殊要求，还应加入一些母材中没有或含量较低的元素，如Nb﹑Ti﹑Mo﹑Mn等。

同类焊条达不到要求或没有类似成分的焊条时，一般选用高一档次的旱田。

其中焊接铁镍合金时（如Incoloy 800H），可选用镍基合金焊条（如EniCrMo-3）。

这样，焊条的成本岁高些，但能保证焊缝的使用性能不低于母材。

镍和镍合金的焊接工艺及焊接坡口尺寸可参照镍铬奥氏体钢的焊接工艺标准，但焊接时应注意以下问题：
1.镍及镍合金的导热性差，焊接时容易过热引起晶粒长大，焊接时不需要预热，应选用较小的电
流，焊条不宜摆动过大，收弧时应注意添满弧坑，保持较低的道间温度，一般控制在150℃以下。

2.镍非常容易被硫﹑铅脆化，形成热裂纹，所以，必须严格控制焊条的硫﹑铅等杂质含量，焊前
应进行认真清理，去除母材表面的氧化物及油污﹑油漆灰尘等脏物。

3.镍及镍合金焊接时气孔敏感性强，焊条中含有适量的铝﹑钛﹑锰﹑镁等脱氧剂，操作时应注意
控制弧长，以短弧施焊。

4.熔融金属具有高的粘稠度，流动缓慢且熔深浅。

这些不能简单地依靠增大焊接电流来解决，可
适当摆动焊条，但摆幅不宜超过焊条直径的3倍，在焊道两侧的停留时间稍长，以避免咬边及夹渣，且坡口角度宜从一般的600增加到700--800。

5.由于镍基合金的金相组织都是纯奥氏体，很容易产生热裂纹，因此角焊缝必须焊成凸形，而凹
形焊道容易开列，这一点与其他种类的焊条不同。

由于镍基合金价格昂贵，使用受到限制，国内焊材厂生产的品种也较少，故在此列出国外有关厂商的镍基合金焊条﹑焊丝及药芯焊丝的牌号对照（见表6—表8），供参考。

镍基合金焊条的选择可参照表9，镍基合金焊丝的选择可参照表10。

表6 国外镍合金焊条牌号对表。