第五章镍及其合金

固溶强化（Co降低基体的层错能， 而合金的蠕变速率与层错能的n次方成正比） 改变γ ／ γˊ 的溶解度变曲线，增加γˊ 的数量。 改善塑性及热加工性。 减少碳化物的析出。
Nb和Ta：铌和钽与碳有很大亲和力，
（3）晶界强化
阻碍晶粒长大和晶界滑动的元素C、B、Zr、Ce
二、Ni基高温合金的典型组织 及其合金元素的作用
典型组织：合金化的奥氏体基体（ γ ）， 弥散分布于基体及合理地分布于晶界的强化相。
GH4199
合金元素的作用
最基本的合金元素是：Cr、Al、Ti Cr： 主要起抗氧化、抗燃气腐蚀作用。
与锰铜合金相比，Ni-Cr精密电阻有以下特点：
工作温度范围宽， （在较大温度范围，电阻温度系数接近常数） 具有较大的电阻率， ρ=1.3～1.4×10－6欧· 米 而锰铜的电阻率，ρ=45×10－8欧· 米 但长期工作稳定性和焊接性不如锰铜合金
在Ni-20Cr合金（6J20）的基础上， 添加少量Al、Fe、Cu、Mn、Si等元素， 提高电阻和耐磨性
3、化学性能 大气中的抗蚀性极高，对碱和盐有非常好的抗蚀性 对酸的抗蚀性稍差。
二、牌号
用字母N代表，后附数字表示等级（数字越大，纯度 越低）电镀用阳极Ni和电真空用纯Ni分别在子母N的后和 前附以Y和D 例如： N2 二号镍 NY2 二号阳极镍 DN 电真空用镍
牌号 Ni＋Co N2 N4 N6 99.5
二、高电阻精密合金
数值大于1Ω mm2/m的电阻为高电阻
优点： 高电阻、更低的电阻温度系数、 抗蚀（抗氧化性好）、耐磨。
电阻系数 ρ =1.2～1.4Ω mm2/m，电阻温度系数 α =±20×10－6／℃， 对Cu热电势 E0～100≤20毫伏／℃，使用温度范围 -60～125℃。
缺点： 焊接性比锰铜（BMn3-12）差， 必须选择合适的焊料及工艺。
第四节 耐蚀结构用镍合金
Monel Metal “孟奈尔”合金 典型牌号：NCu28－2.5－1.5 （Fe，Mn） 特点：极高的抗蚀性（抗酸、抗碱） 高的强度、塑性和耐热性 单相固溶体 充分退火： σb=450～500MPa，δ=35％ 500℃以上工作机械性能开始降低
第五节
镍基耐热合金（高温合金）
涡轮喷气式发动机
（王磊教授提供）
原理：基本与喷气原理相同，具有加速快、设计简便等优点。但如果要 让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气在涡轮前的温度和增压比， 这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产生了提高推力和降低 油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大，对于商业民航机来说是个致命 弱点。
一、Ni基高温合金的合金化原理
四、纯Ni的用途 1、供电镀；2、熔炼合金；3、电子工业
第二节 镍合金的分类及牌号
一、分类 1、电工用镍合金； 2、耐蚀结构用合金； 3、高温合金
二、牌号
1、电工用镍合金及耐蚀结构用合金
以字母N开头，后附主加元素的元素符号及含量百分数。 再加入其它元素： 只在后面写出元素的百分数，不标元素符号。 例如： NCr20 （20％Cr） NCu28-2.5-1.5 （28％Cu，2.5％Fe，1.5％Mn）
1、氧化物阴极芯
加入对碱金属氧化物（氧化钡）还原作用强而且还能显 著提高纯Ni高温强度的合金元素。 如：Si、Mg、Ca、Sr、Zr、Ti、Tb、Ta、W、 Al、Re和RE。 不许加入挥发性高的Zn和Mn 如：NSi0.19 及 NMg0.1合金
2、电真空结构用Ni合金 NMn3和NMn5
为了细化晶粒，防止晶粒长大，进一步提高抗氧化性， 加少量Ca（钙）、Ce（铈）、Th（钍）、Zr（鋯）， 可使工作寿命提高5～8倍。
NiCr二元合金相图（在Ni Cr产生有序结构，但形成速度很慢）
2
Fe－Cr－Al合金电阻丝（代替NCr20） Fe－30Cr－5Al－0.15C， 可在1300℃工作，价格便宜， 加工变形更困难，晶粒易长大， 特别是使用一段时间后变脆。
Ni+Co不小于99.98 Ni+Co不小于99.4 Ni+Co不小于99.35
N7 99.3 N8 99 NY1 NY2 99.7 99.4 NY3 99
99.98 99.9
三 纯Ni的主要杂质（C,O,S）
C－ 析出石墨（冷脆）； S－ 形成低熔点化合物（Ni3S2热脆）； O－ 大于0.024%时（800－900℃）产生 氢病，沿晶界发生裂纹。
喷气式发动机
（王磊教授提供）
原理:是将空气吸入，与燃油混合，点火，爆炸膨胀后的空气向后喷出，其反作 用力则推动飞机向前。下图的发动机剖面图里，一个个压气风扇从进气口中吸 入空气，并且一级一级的压缩空气，使空气更好的参与燃烧。风扇后面橙红色 的空腔是燃烧室，空气和油料的混和气体在这里被点燃，燃烧膨胀向后喷出， 推动最后两个风扇旋转，最后排出发动机外。而最后两个风扇和前面的压气风 扇安装在同一条中轴上，因此会带动压气风扇继续吸入空气，从而完成了一个 工作循环。
合金化主要是为了提高抗氧化性和高温强度 1、耐蚀和抗氧化性的提高
提高抗氧化性的主要元素是Cr
Cr含量低时，表面形成一种缺陷型氧化物“defect oxide” (非化学计量)，氧在这种氧化物中扩散比在纯NiO中容易， 这时随Cr含量的增加抗氧化性下降。
Cr含量达到20％时，表面形成粘附性很好又致密的Cr3O2， 氧化速度降低，抗氧化性提高。
中国高温合金牌号的命名：
根据合金的成形、强化类型和基体元素， 采用汉语拼音字母作前缀， 后接四位阿拉伯数字表示。
变形高温合金以GH开头，后接第一位数表示分类， 1和2－铁基或铁-镍基高温合金， 3和4－镍基高温合金， 5和6－钴基高温合金， 其中1、3、5为固溶强化型合金， 2、4、6为沉淀强化型合金， 第二、三、四位数表示合金牌号， 如：GH4033镍基沉淀强化型变形高温合金。 铸造高温合金用K作前缀，后接三位阿拉伯数字， 第一位为分类号（同变形合金）， 后两位为合金牌号。
国外高温合金牌号 按各开发生产厂家的注册商标命名 合金牌号 Inconel Nimonic Udimet 注册商家 Inco Alloys International,Inc. Mond Nickel Company Special Metal Inc.
第三节 电工用镍合金
一、加热电阻 特点：高电阻、电阻温度系数小、耐热、 抗氧化 常用：NCr20，单相固溶体， 可在1000～1100℃长期工作。
高温合金: 能在600℃以上高温抗氧化或耐腐蚀,并能 在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。
因其合金化程度高,在英、美等国 称之为超合金（Superalloy）

高温合金既是航空发动机热端部件、 航天发动机高温部件的关键材料，又是 工业燃气轮机和能源、化工等工业部门 的高温耐蚀、耐磨部件材料，因此是国 防建设和经济建设不可缺少的一类重要 材料。 航空发动机的发展要求不断提高发动 机涡轮前温度，以增大推力，为此，发 动机热端使用的材料成了关键因素。
使用
短期测量可达1200℃， 氧化性和中性介质中，可在900℃以下长期使用， 在还原性介质中，最好测500℃以下的温度。
几种热电偶的电势
100℃ 镍铬－考铜 EA-2 镍铬－镍铝 EU-2 铂铑－铂 LB-3 6.95 毫伏 4.10 毫伏 0.64 毫伏 500℃ 40.15毫伏 20.65毫伏 4.22 毫伏 41.27毫伏 9.56 毫伏 1000℃
从上个世纪三十年代后期，英、德、美等国就开始 研究高温合金。 第二次世界大战期间，为了满足新型发动机的需要， 高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。 40年代初，英国首先生产出镍基合金Nimonic75 （Ni-20Cr-0.4Ti） 40年代中期，美国生产出Inconel 40年代末期，苏联生产出镍基高温合金 50年代末期，中国生产出镍基高温合金
Al和Ti：形成A3B型金属间化合物（ γˊ ）， 使合金有时效强化能力。
除Cr、Al、Ti以外， Ni基高温合金中常常还加入的元素：
W、Mo、Co、Nb、Ta、V、C、B、Zr、Mg、Ce、Hf
W和Mo：是最强的固溶强化元素
（Ni中加W和Mo 熔点升高）
Co：高强Ni基合金中往往含10～20％Co，其作用如下：
NCr10、NAl2-2-1、NSi2.5合金中， 均含少量的Co（约0.3～1.2％） 加Co的目的： 主要：增加热电势的稳定性， 防止长期工作后热电势变化。 另外：提高电阻和抗氧化能力。
四、电真空用Ni合金
制造各种电子管的阴极、阳极、栅极、支架和外壳。 电真空用镍合金按特性可分为： 氧化物阴极芯和电真空结构用两大类。
第五章 镍及其合金
第一节 纯镍
一、性能 1、物性 熔点 1455℃；密度8.9×103kg/m3； 弹性模量（E）200000MPa； 面心立方晶格 a=0.36076nm；无同素异晶转变； 导电率是Cu的25％； 铁磁性（居里点358℃）。 2、机械性能 σb=400～500MPa（强度高）；δ> 50％（塑性好）
例如：6J22（Ni-20Cr-3Al-2Mn-2.5Fe）
Al提高电阻、降低电阻温度系数。
卡玛合金
伊文合金
6J23（Ni-20Cr-3Al-2Cu）
用于：高欧姆标准电阻，精密绕线电位器， 微型精密电阻，高温应变电阻。
典型的精密电阻合金是卡玛合金（6J22）
900℃退火，快冷，550℃回火保温4～5h， 电阻率1.33×10－6欧姆米， 电阻温度系数α=±5～20×10－6／℃， 对Cu的热电势ECu<2.0μV/℃, 工作温度为20～100℃。
另外我国冶标还有一套精密合金牌号：
YB758－，精密合金牌号，数字加J（精），后附数字
例：1J1－1号软磁合金； 4J29－29号膨胀合金
牌号 合金 1J× 软磁 2J× 变形 永磁 3J× 弹性 4J× 膨胀 5J× 双金属 6J× 精密 电阻 7J× 热电偶