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