镍基高温合金激光焊接工艺研究
镍基高温合金激光焊接工艺研究 1 绪论
1.1 选题的依据及意义
高温合金是航空发动机的关键材料，而镍基及镍铁基高温合金是目前高温合金结构材料的重要组成部分,镍基高温合金由于具有优异的耐热性及耐腐蚀性，被称之为“航空发动机的心脏”，具有组织稳定、工作温度高、合金化能力强等特点，目前已成为航空航天、军工、舰艇燃气机、火箭发动机所必须的重要金属材料，同时在高温化学、原子能工业及地面涡轮等领域得到了广泛的应用。据统计，在国外一些先进的飞机发动机中,高温合金的用量已达发动机重量的55%~60%。用于制造涡轮叶片的材料主要是镍基高温合金，同时镍基高温合金还是目前航空发动机和工业燃汽轮机等热端部件的主要用材，在先进发动机中这种合金的重量占50%以上。
在镍基高温合金的焊接上，目前主要采用氩弧焊、电子束焊、钎焊与扩散焊等。激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强、不需要真空装置，热输入小，热影响区小且焊缝深宽比大，焊后变形小，表面光洁，可自冷淬火，焊接工艺参数调节比较容易等特性，因此非常适用于镍基高温合金的焊接。
1.2 国内外的研究概况及发展趋势
1.2.1 镍基高温合金的发展及现状
高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关。1929年，英美Merica、Bedford和Pilling等人将少量的Ti和Al加入到soNi一ZoCr电工合金，使该合金具有显著的蠕变强化作用，但这并未引起人们的注意。1937年，德国 HanS von ohain涡轮喷气发动机Heinkel问世，1939年英国也研制出whittle涡轮喷气发动机。然而，喷气发动机热端部件特别是涡轮叶片对材料的耐高温性和应力承受能力具有很高要求。1939年英国Mond镍公司(后称国际镍公司)首先研制成一种低C且
含Ti的镍基合金Nimonic75，准备用作whittle发动机涡轮叶片，但不久，性能更优越的Nimonic80合金问世，该合金含铝和钛，蠕变性能至少比Nimonic75高50?。1942年，Nimonic80成功地被用作涡轮喷气发动机的叶片材料，成为最早的Ni。(A1，Ti)强化的涡轮叶片材料。此后，该公司在合金中加入硼、布浩、钻、铝等合金元素，相继开发了Nimonic8OA Nimonie90……等合金，形成Nimonic才合金系列。
航空发动机用高温材料本身的承温能力由20世纪四十年代的750?提高到近年来的1200?左右。应该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各方面共同发展做出的贡献。
20世纪70年代以来，高温合金在原子能、能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等诸多民用工业部门得到推广应用，这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性，而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐蚀性能。据资料报导，目前美国高温合金总产量约为每年2.3~3.6万吨，大约1/2~1/3应用于耐蚀的材料。高温耐磨耐蚀的高温合金，由于主要目标不是高温下的强度，因此这些合金成分上的特点是以镍、铁或钻为基，并含有大约20%~35%的铬，大量的钨、铝等固溶强化元素，而铝、钦等Y形成元素则要求含量甚少或者根本不加入。
1.3镍基高温合金的特性及强化机理
1.3.1镍基高温合金的特性
按集体元素分类，以铁为主，加入的合金元素总量超过50%的铁基合金称为铁基高温合金;以镍为主或以钻为主的合金分别称为镍基
或钻基高温合金。
由于本课题主要研究镍基变形高温合金，这里着重介绍它的性质。四十年代后期，普拉特惠特尼飞机公司和通用电气公司分别研制waspalloy和M一252合金。
独特的是这些合金以铝作为固溶强化元素和碳化物强化形成元素，后来这两个合金广泛地用于锻造涡轮工作叶片。事实上，许多变形镍基合金最初都是应用在涡轮工作叶片上。在以后几年，变形镍基合金也应用在其他方面。并且还为其它部件专门研制了一些合金。在早期的工作叶片合金中，M一252合金仍用于某些飞机和工业燃气涡轮动叶片。虽然是一种涡轮工作叶片合金，但己成功的用作盘材和焊接薄部件。
镍基高温合金在整个高温合金领域内占有特殊重要的地位，它广泛的用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气涡轮的最热端部件，所以人们称镍基合金是“发动机的心脏”。目前在先进的发动机上镍基合金己占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍基合金。与铁基合金相比，抗氧化抗热腐蚀能力大。与钻基合金相比，镍基合金更为突出的优点为:工作温度高，组织稳定，有害相少，镍基合金能在较高温度与应力下工作，尤其在动叶片场合。
1.3.2 镍基高温合金的强化机理
镍基高温合金的强化方式主要为固溶强化，第二相强化和晶界强化。后两种强化手段也通常称为沉淀强化。
高温合金的固溶强化是通过提高原子间的结合力产生晶格畸变，降低堆垛层错能及产生短程有序或其它原子偏聚，降低固溶体中元素的扩散能力，提高再结晶温度，来达到强化合金基体的目的。下面介绍一下几种机制:
(1)共格应变强化
对于沉淀硬化型高温合金来说，由于γ和基体的晶格常数不同，当γ’在γ基体上共格析出时，在γ周围造成高的弹性应力场。Nordhein和Mihalisn均发现合金的强化是共格造成的。γ与γ的点阵错配度越大，内应力场越强，相应的强化效果越显著，但同时也增大了γ本身的不稳定性。
(2)Orowan绕过机制
当第二相质点的颗粒比较大、强度很高、距离比较宽或者是第二相为非共格析出时，运动位错难以切割这类质点，则可以弯曲并最终绕过第二相质点，在外力作用下，位错运动到第二相粒子前，受粒子的阻碍作用，外力进一步作用，位错被迫向粒子间突入，由于粒子间距较大，强度较高，进一步突入使得相邻曲线的邻边连接到一起，位错就从粒子之间通过，并在这些第二相粒子周围留下了小位错环。(3)有序粒子的切割机制
当第二相质点的本质是软的，强度降低，特别当二相的界面具有共格
关系时，位错可能以切割方式通过第二相质点。当基体和沉淀相有共同的滑移面，基体与沉淀相中位错的柏氏矢量相差很少，或者基体中全位错是沉淀相中的半位错时，容易发生有序化粒子的切割机制。高温合金高温变形时，晶界表现为薄弱环节，成沿晶破断特征，晶体区原子排列规则性被破坏，存在各种晶体缺陷。因为晶界在低温形变条件下是位错运动的阻碍，起强化作用，细化晶粒是一种重要的强化手段。但当温度升高或应变速率降低时，晶界对位错运动的阻碍作用易被恢复，晶界区的位错塞积容易与晶界的缺陷产生交互作用而消失，并产生晶界滑移及迁移。晶界滑动是晶界直接参与变形的机制。在一定条件下，晶界形变量可占总形变量的50%以上，这样，高温形变条件下晶界就成为薄弱环节。高温合金总是在等强温度区或更高温度下使用，所以晶界强化是高温合金的基本条件。
晶界强化主要考虑的问题:
(1)纯洁度与微合金化
高温下晶界变为薄弱环节直接与晶界结构有关。但从工程角度来看，晶界区的杂质可能起更重要的作用。由于晶界结构与晶内不同，一些杂质元素更倾向于在晶界发生偏析。杂质在合金中的平均含量很低时，就可能在晶界上产生很高的偏聚量。凡能够降低晶界能的元素都可能发生晶界平衡偏析。
从对高温合金的作用而言，可以分为两类:一是有害杂质，这些元素往往是低熔点的，并与基体元素形成低熔点的化合物或共晶体，使合金的热加工性及高温力学性能显著降低。愈是高级的高温合金，杂质
控制要求愈高。首先要严格控制气体含量。对于高级的镍基合金，氧
-6气和氮气的含量必须在几个10左右。如果高温合金中硫、磷的含量
-6降到5×10水平，合金的性能可得到明显的提高。二是有益的合金化元素，主要包括稀土元素，镁、钙、硼等元素。这些元素往往通过净化合金及微合金化两个方面来改善合金。
(2)晶界控制
晶粒的大小及其与部件厚度比对力学性能有重要影响。大晶粒一般有较高的持久强度与蠕变强度，较小的蠕变速率。小晶粒材料却表现出较高的抗拉强度和疲劳强度。对于固溶合金，随着固溶温度的升高，晶粒长大，在一定的厚度比之下，蠕变速率随晶粒长大而减小，在一定的固溶温度下，随厚度比增加蠕变断裂时间增长。晶界的平直与弯曲对蠕变性能有重要影响。通过一些特殊途径获得晶界是一种强化晶界的有效方法。业己证明，许多平直奥氏体铁基高温合金和镍基高温合金都可以得到弯曲的晶界组织。弯曲晶界有效地降低蠕变变形，同时弯曲晶界也有利于提高高温瞬时性能。
1.4镍基高温合金的激光焊接
镍基高温合金具有组织稳定、工作温度高、耐腐蚀性能好的优点，随着国民经济的发展，镍基高温合金的应用越来越广，几乎遍及钢铁冶金、能源电力、石油化工以及航空航天等国家命脉工业部门。因此，
对高温合金的焊接工艺提出了更高的要求。
镍基高温合金的焊接性指的是在某一种焊接工艺条件下，合金对产生焊接裂纹的敏感性、焊接接头组织的均匀性、焊接接头的力学性能等强性和采取工艺措施的
复杂性的综合评定。由于镍基高温合金中存在多种固溶强化元素，如: W、Mo、Cr、Co、Al、Ti 等，同时合金中还有微量元素 C、B、Mg、P、S、稀土等，这些元素使得镍基高温合金容易出现焊缝组织偏析、脆性相析出以及焊接热裂纹等缺陷。此外，由于镍基高温合金具有导热性差，液态金属粘性强、合金元素容易氧化等特点，这就使得高温合金的熔池金属不能像钢熔池金属那样容易润湿展开，因此焊缝成型较差、熔深较浅，即使采用增大电流的方法也不能改善其流动性，反而会增大焊缝的热裂纹敏感性。如目前通常采用的钨极惰性气体保护焊和熔化极惰性气体保护焊，焊接热输
242入较大但功率密度较低(10,10W/cm), 因此所得焊缝熔深很浅，而采用多层多道焊时工作效率低，同时增加了焊缝的缺陷敏感性。因此，需要采用一种热输入较小、能量密度较高的焊接手段来完成镍基高温合金的焊接。
激光焊(LBW)是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法。随着航空航天、微电子、医疗及核工业等的迅猛发展，对材料性能要求越来越高，传统的焊接方法难以满足要求，激光焊日益得到广泛应用。激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强、不需要真空装置，热输入小，热影响区小且焊缝深宽比大，焊后变形小，表面光洁，可自冷淬火等特性，非常适用用于高温合金
的焊接。
a. 激光焊接机理
激光焊接的原理是:光子轰击金属表面形成蒸气，蒸发的金属可防止剩余能量被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，如自由
电子的动能，束缚电子的激发能或者还有过量的声子。这些原始激发能经过一定的过程再转化为热能。
激光焊随激光器输出能量方式不同可分为脉冲激光焊和连续激光焊。按激光聚焦后光斑作用在工件上功率密度的不同，激光焊分为:热导焊和深熔焊。
b. 高温合金激光焊熔池行为
在激光深熔焊接中，熔池小孔的深度和形状与等离子体状态密切相关。如果对等离子体控制得不好，等离子体状态(包括电子密度与等离子体的长度和扩散角)的起伏将导致熔池小孔深度和形状的起伏。由于小孔深度和形状的起伏(即孔形扩大或缩小)，屏蔽气体和金属蒸汽将会在小孔底部形成气泡，继而气泡向上漂浮，随着熔池的迅速凝固，则以气孔形式滞留在焊接熔池底部(第一类型气孔)。在激光深熔焊接中，随着激光功率密度的增加，熔池锁孔会变得不稳定，因而焊缝内气孔率会急剧增加。焊接熔池不稳定是形成气孔的主要原因。
c . 激光焊接的优点
激光焊接的优点主要如下:
(1).能量密度高。高功率激光束经聚焦后，焦斑直径很小，因此功率
2242密度很高，可达105~108 w/c扩，比电弧焊(5×10 ~10w/c)要高出几个数量级,能焊接高硬度、高脆性及高熔点、高强度的材料。且在常规环境条件下即可实施。
(2)焊接质量高。激光焊接时通过小孔效应，能获得较大的焊接深度(深宽比可达2~12)，且焊缝的组织致密、强度高。
(3)热影响区和变形区都很小。激光焊接焊接速度快、热输入小，加热及冷却速度极高，其结晶速度比一般熔焊的高几十倍，热影响区很小，材料变形及残余应力小。
(4)可焊接不同材料的组合。可对高熔点、高热导率、物质性质差异较大的异种或同种金属材料进行焊接。激光焊接技术适用于钦合金、铝合金、镍基高温合金，各种钢材及工程塑料等。对于异种材料之间的焊接，如奥氏体不锈钢与铜，奥氏体不锈钢与易切钢，铸造高温合金与变形高温合金等，也都能得到高强度的接头。
(5)激光焊接时无接触加工。没有工具损耗和工具调换等问题。 (6)激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件。
(7)激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换。激光束能量可精密控制，移动速度可调，可以进行多种焊接加工。
(8)激光焊接系统具有高的柔性与CAD/CAM或机器人联合组成的焊接系统可形成多功能的激光加工系统，焊接速度快，功效高，易于实现自动化。
正是由于激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、焊接深宽比大、工件热变形小、容易实现自动化且不需要真空环境及不产生X射线等特点，特别适合焊接特殊难焊的同种和异种金属材料。近十几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更广泛的推广与应用。
1.4.1镍基高温合金激光焊接工艺研究现状
目前，国内外学者对镍基高温合金激光焊接的研究主要集中在焊接工艺、焊缝微观组织以及焊缝接头力学性能和耐腐蚀性能等方面。熊建钢等研究了厚度为
1~2mm 的国产铸造镍基高温合金 K3 和
2GH140 的CO激光焊接工艺，结果表明采用合适的焊接参数，尽量减小焊接热输入时仍可以得到强度高、无气孔、无焊接热裂纹的焊缝接头，对航空发动机叶片的修复具有一定意义;庞铭和刘秀波等人研究了 K418 高温合金和 42CrMo合金钢异种接头的激光焊接，结果表明:采用接近瑞利长度范围内的负离焦量，和大功
率、高焊速的激光焊接参数进行焊接时焊接接头的熔深较大，焊缝组织主要由γ
相的树枝晶、细小弥散分布的γ’相和部分碳化物组成，并且存在由Laves相所导致的焊缝区微小热裂纹;刘丰刚等研究了 GH3039 镍基高温合金的脉冲激光焊接工艺，并确定了最佳焊接参数:工作电流 240A、脉宽 6ms，频率
14Hz、焊接速度 105mm/min、离焦量为 3mm、保护气体流量为 3L/min。
A.T. Egbewande 等人研究了不同焊前热处理条件下的 Inconel 738
镍基高温合金的 CO2激光焊接接头微观组织，研究结果显示:在产生晶界液化
现象最少的热处理状态下焊接时焊缝热影响区裂纹最多，产生晶间液化现象较多的热理条件下焊接时热影响区的裂纹敏感性较小，这个现象可以由下面(1-1)公式来解释
σ =2γ/h (1-1) sl
其中，σ为产生 HAZ 裂纹所需拉应力，γ为晶界表面张力，h 为SL
晶界液膜厚度。
此外，由于焊接热过程的影响，焊接热影响区晶界上的低熔点共晶组织发生了液化现象，在焊接应力的作用下产生了微裂纹。而与其他学者研究结果不同的是，该研究发现焊接热影响区裂纹随着焊接速度的增加而减少，作者认为这是由于焊速过低时焊接不稳定造成的，如图1-1所示。X.Cao等人在研究 3mm厚 Inconel 718 合板材 Nd:YAG 激光焊接时也发现了类似的结果，同时还发现焊接热影响区裂纹更容易在焊缝“钉头”(nail head)附近产生，但不同的焊前热处理状态对焊接接头热影响区裂纹的影响不大。S. Gobbi等人在研究 4mm 和8mm 厚 Inconel 718 合金激光焊接接头时指出:焊接热影响区微裂
纹在母材晶粒度较小的状态下与δ相的产生有关，而母材晶粒度较大的状态
下则与 NbC 和Laves 相的出现有关，此外焊接速度也是影响热影响区裂纹产生的一个重要因素。Zhang等人在研究 Waspaloy 高温镍基合金板材激光焊接工艺时发
现，当焊接速度降低到 0.2m/min，板材厚度小于 2mm 时热影响区一般不会产生微裂纹，同时发现 Nd:YAG 激光焊接接头比 CO2激光焊接接头的裂纹倾向性要小。
图1-1焊接速度不稳定引起的焊接裂纹
O.A. Idowu 等人采用 137J/mm 和 472J/mm 两种热输入对 Allvac 718Plus 镍基高温合金进行激光焊接。研究发现在采用 137J/mm 的热输入进行焊接时热影响区发现了焊接热裂纹，裂纹附近存在晶界液化现象，在 472J/mm 的热输入下施焊时晶界液化现象更为明显，但焊缝熔合区和热影响区均未发现裂纹。作者认为这是由于采用较大的热输入进行焊接时熔池金属的温度梯度减小，从而金属凝固而产生的应力随之减小，同时粗大的晶间液膜的存在使得焊接应力得到释放，降低了焊接热裂纹的敏感性。Liu 等人建立了单晶高温镍基合金的激光表面熔池3D 几何模型(图 1-2)，并通过该模型研究了熔池几何形状的变化对单晶镍基合金凝固过程中晶粒长大模式和微观组织转变过程的影响，最后通过试验进行了验证。研究结果表明:单晶镍基高温合金基体材料的取向决定熔池中晶体的生长模式及其数量、分布。其中 l/w 和α可以影响(001)方向的柱状晶区域的大小和该区域晶粒大小;当α?45?时，熔池中[100]方向的等轴晶区会出现，而枝晶长大速率和激光扫描速率的最大比值与α和 l/w 有关。当激光扫描方向与母材的晶体取向相同时，熔池内晶体的生长是对称的，并且晶体的生长速率与扫描速率的比值 V/V 最大为 1.414;当扫描方b
向与基体晶体取向不同时，熔池内晶体的生长是非对称的，晶体的生长速率与扫描速率的比值 V/V 最大为 1.732。同时，作者发现基体b
的晶体取向和熔池的几何形状会影响熔池内液态金属的温度梯度与
晶体长大速率的比值。
综上所述，虽然国内外许多学者对高温合金的激光焊接工艺、接头性能等方面进行了一些研究，但该方面的研究还不够系统，有待进一步完善。
1.4.2镍基高温合金激光焊接接头强化的研究现状
高温镍基合金的性能主要由其化学成分和微观组织结构来决定。对于
某一特定型号的高温合金而言其化学成分是不变的，此时微观组织结构的不同和成分的偏析可以导致其性能有很大的差异。焊接过程是一个快速加热和冷却的过程，焊接熔池在凝固过程中液态金属的过冷度很大，属于非平衡凝固，焊缝形成过程中极易产生空位、微孔洞、热影响区液化裂纹以及合金成分的局部偏析等缺陷。热处理是改善合金的微观组织和性能的一个最重要的手段之一。通过在不同加热温度、保温时间以及冷却速度下进行焊后热处理可以实现消除焊接应力，调节成分偏析，控制合金的晶粒大小以及合金强化相和析出相的形态、数量和尺寸，甚至可以达到改善合金的晶界状态的目的。对于镍基高温合金而言，其热处理一般可以分为时效热处理、中间热处理和固溶热处理三种。近些年来，为了改善合金结构的工艺性能，国内外的研究学者对镍基高温合金的热处理工艺做了大量的深入研究，大部分集中于不同热处理温度、保温时间以及冷却速率对合金的抗腐蚀性能、力学性能以及微观结构的影响等方面。例如，文献[102]研究了热处理对含 Nb 的高铬镍不锈钢耐腐蚀性能的影响，结果发现随着固溶温度的提高，合金的耐腐蚀能力逐渐增加。经稳定化处理的合金耐腐蚀性能降低，但当稳定化处理时间超过 6h 后，合金的耐腐蚀性能有所回升。文献[103]在研究长期服役后的 Inconel617 合金的抗腐蚀能力时发现，由于长时间的服役导致合金中出现大量贫 Cr、贫 Mo 区域，导致其抗腐蚀能力下降，而经过 1170?固溶处理 1h 后合金的抗腐蚀能力明显提高。文献[104]发现固溶状态的Inconel601在经过不同时间敏化处理(700?/2,
5,24,72h)时合金的微观组织结构
经历了三个阶段的转变，即:晶粒正常长大、晶粒的异常长大、多边化现象引起的晶粒尺寸减小。其中，处于第二阶段的合金耐晶间腐蚀能力最低。文献[105]研究了热压成形 Ni-Cr-Mo 合金固溶前后的组织形态、端口形貌以及力学性能，结
果表明固溶处理消除了热压成形过程中析出的有害金属间化合物，并使 Cr、Mo、W 等元素的固溶度增大，改善了合金的力学性能。文献[106]研究了Inconel718 镍
基合金在 750-850?时长期时效热处理过程中的组织转变及高温持久性能，研究发现经过长期时效热处理后合金有针状 TCP 相析出，随着时效时间的延长 TCP 析出量增加。文献[107]发现电子束物理气相沉积镍基合金薄板经过 760?时效热处理
48h 后，合金薄板的高温拉伸性能具有显著提高，而材料的韧性没有明显的下降。这是由于时效处理后晶界处析出了大量的细小球状碳化物，这些弥散的碳化物起到了钉扎晶界的作用，增大了晶界滑移阻抗力。文献[108]研究了固溶状态 690 合金在不同温度、不同时间等温热处理后晶界碳化物的析出以及贫铬区域的演化情况，进而得出了 690 合金的最佳等温热处理工艺为:715?、保温 10-20 小时。文献[109]采用 Thermo-Calc
和 DICTRA code 建立了Inconel182 合金的一维热力学扩散模型，并对该合金不同热处理条件的贫铬区域和抗 IGC/IGSCC 能力进行了模拟，经实验验证该模型的预测结果真实可信;此外，文献[110]和文献[111]研究了冷却速率对合金热处理过程的影响，研究发现小的冷却速率可以降低第二相粒子对合金的强化作用，使合金的塑性增加。
1.5镍基高温合金的发展趋势
在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40%左右，可
以说没有航空发动机就不会有高温合金的今天，而没有高温合金，也就没有今天的先进航空工业。在航空发动机中，高温合金主要用于四大热端部件，即:导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。此外，高温合金还是火箭发动机及燃气轮机高温热端部件的不可替代的材料。
航空发动机用高温材料本身的承温能力由20世纪四十年代的750?提高到近年
来的1200?左右。应该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工
以及表面涂层各方面共同发展做出的贡献。20世纪70年代以来，高温合金在原子能、能源动力、交通运输、石油化工、冶金矿山和玻璃建材等诸多民用工业部门得到推广应用，这类高温合金中一部分主要仍然利用高温合金的高温高强度特性，而另有一大部分则主要是开发和应用高温合金的高温耐磨和耐腐蚀性能。据资料报导，目前美国高温合金总产量约为每年2.8万吨，大约1/2应用于耐蚀的材料。
从高温镍基合金材料的主要用途可以看出其未来的发展趋势是朝着耐高温耐腐蚀性能方向发展，从其应用的方面来讲主要以激光焊和电子束焊接等先进的连接技术以主要手段，我相信在不久的将来高温镍基合金的激光焊接技术会有广泛的应用，为我国的国民经济的发展做
出重要的贡献。
镍基高温合金 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃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。 发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。镍基高温合金的发展趋势见图1。
镍基高温合金的发展趋势 成分和性能 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B 型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。 镍基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。 ·固溶强化型合金 具有一定的高温强度，良好的抗氧化，抗热腐蚀，抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大(每平方毫米几公斤力，见表1)的部件，如燃气轮机的燃烧室。 ·沉淀强化型合金 通常综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能，可用于制作高温下承受应力较高(每平方毫米十
镍基高温合金材料研究进展 姓名：李义锋1 镍基高温合金材料概述 高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金[1]。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性[2]。因此，高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料，已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一。 在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。现代燃气涡轮发动机有50%以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。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。因此，研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50 )、在650～1000℃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[2]。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保证其优越的高温性能。除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。镍基高温合金具有良好的综合性能，目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘，研究人员对其使用性能提出了更高的要求，国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。
1.1Inconel600镍基合金焊接方案 本工程中有Inconel600镍基合金管道36.8m，数量不多，但焊接要求严格。 由于气化装置是把煤转化水煤气等过程，整个系统是在较高温度和压力下操作，工艺介质中含有CO、CO2、H2S、H2、COS、NH2等可燃性、有毒介质，所以对管道材质要求较高。因此，我们特编写了镍合金管道的焊接方案，具体施工时将根据设计说明及技术要求再对本方案进一步的修改和补充。 1.1.1编制依据： 1) 《青海中浩60万吨/年甲醇项目建筑安装工程施工招标文件》； 2）《石油化工鉻镍奥氏体钢、铁镍合金和镍合金管道焊接规程》SH/T3525-199； 3）《现场设备、工业管道焊接工程施工验收规范》GB50236-1998； 4）《石油化工剧毒、可然介质管道工程施工及验收规范》SH3501。 1.1.2材料验收 焊接材料应有出厂质量证明书，其中焊条应符合《镍及镍合金焊条》GB/T13814的规定，焊丝应符合《镍及镍合金焊丝》GB/T15620的规定。 焊接材料应进行验收。验收合格后，应作好标示，入库储存。 焊接材料的储存、保管应符合下列规定： 焊材库必须干燥通风，库房内不得有有害气体和腐蚀介质。 焊接材料应存放在架子上，架子离地面的高度和墙壁的距离均不得小于300mm。 焊接材料应按种类、牌号、批号、规格和入库时间分类放置，并应有标示。 焊材库内应设置温度计和湿度计，保持库内温度不抵于5℃，相对湿度不大于60%。 焊接用的氩气纯度不应低于99.6%。 1.1.3焊前准备 管子切割及坡口加工宜采用机械方法，若采用等离子切割，应清理其加工面。 坡口加工后应进行外观检查，坡口表面不得有裂纹、分层等缺陷。
国内外镍基高温合金 镍基高温合金 1、中国牌号：固溶强化型镍基高温合金 GH3007（GH5K）；GH3030（GH30）；GH3039（GH39）；GH3044（GH44）；GH3128（GH128）；GH3170（GH170）；GH3536（GH536）；GH3600（GH600）；GH3625（GH625）；GH3652（GH652）； 2、中国牌号：时效强化型镍基高温合金 GH4033（GH33）；GH4037（GH37）；GH4049（GH49）；GH4080A（GH80A）；GH4090（GH90）；GH4093（GH93）；GH4098（GH98）；GH4099（GH99）；GH4105（GH105）；GH4133（GH33A）；GH4133B；GH4141（GH141）；GH4145（GH145）；GH4163（GH163）；GH4169（GH169）；GH4199（GH199）；GH4202（GH202）；GH4220（GH220）；GH4413（GH413）；GH4500（GH500）；GH4586（GH586）；GH4648（GH648）；GH4698（GH698）；GH4708（GH708）；GH4710（GH710）； GH4738（GH738；GH684）；GH4742（GH742）； 3、美国牌号：固溶强化型镍基高温合金 Haynes 214;Haynes 230;Inconel 600; Inconel 601; Inconel 602CA; Inconel 617; Inconel 625;RA333;Hastelloy B; Hastelloy N; Hastelloy S; Hastelloy W; Hastelloy X; Hastelloy C-276; Haynes HR-120; Haynes HR-160;Nimonic 75; Nimonic 86; 4、美国牌号：沉淀硬化型镍基高温合金 Astroloy;Custom Age 625PLUS; Haynes 242; Haynes 263; Haynes R-41; Inconel 100;
镍基单晶高温合金的发展 胡壮麒1 刘丽荣1,2 金 涛1 孙晓峰1 (1.中国科学院金属研究所,沈阳 110016;2.沈阳工业大学,沈阳 110023) 摘要:概述了镍基单晶高温合金的发展历程,分析了其成分、相组成、热处理的特征和持久变形及强化机制,给出了其持久性能数据,并指出了发展趋势。 关键词:镍基单晶高温合金 成分 性能 D evelop m en t of the N i-Ba se S i n gle Crysta l Supera lloys Hu Zhuangqi1 L iu L ir ong1,2 J in Tao1 Sun Xiaofeng1 (1.I nstitute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang110016,China) (2.Shenyang University of Technol ogy,Shenyang110023,China) Abstract:The devel opment of the N i-base single crystal superall oys is intr oduced,and its compositi on,phase p re2 ci p itati on,heat treat m ent,endurance p r operty and strengthening mechanis m are analyzed.The data of its endurance p r operty is listed,and the devel opment trend of N i-base single crystal superall oys is pointed out. Key words:N i-base single crystal superall oys;compositi on;p r operty 1 引言 镍基单晶高温合金具有优良的高温性能,是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求,多年来,各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发。 20世纪80年代以来,单晶高温合金一直沿着其独特的道路发展。随着合金设计理论水平的提高和生产工艺的改进,相继出现耐温能力比第1代单晶合金分别大约高30℃和60℃的第2代单晶合金和第3代单晶合金;第2代单晶高温合金的代表有P WA1484〔1〕、C MSX-4〔2〕等,第3代单晶高温合金的代表有C MSX-10〔3〕、C MSX-11〔4〕、Rene N6〔5〕等。研究表明〔6〕,第3代单晶高温合金C MSX-10的耐温能力比第2代单晶合金C MSX-4(最高使用温度约为1163℃)的大约高30℃,其使用温度可达 收稿日期:2005-07-18 第一作者简介:胡壮麒(1929—),中国工程院院士,从事高温合金的开发与应用研究,详细介绍见封二。1204℃左右,同时,还具有十分明显的蠕变强度优势。近年来出现的第4代单晶合金RR3010的承温能力达到1180°C〔7〕,用在英国RR公司最新研制的Trent发动机上。Re的加入以及Hf、Y、La,Ru等元素的合理应用,使新的单晶合金的持久性能和抗环境性能均有明显的提高。 本文综述了有关镍基单晶高温合金的成分特点、相组成、热处理制度、合金性能、应用情况和发展方向,可为开发和研制该类合金提供参考。 2 单晶高温合金的特征 2.1 成分特征 到目前为止,单晶合金已发展了5代。 典型单晶高温合金的成分及应用见表1。在进行单晶合金成分设计时,要兼顾合金性能和工艺性能。由于单晶合金中不存在晶界,并应用在较为苛刻的环境下,所以要注意某些元素的特殊作用。 分析表1列出的单晶合金的成分,可以看出,单晶高温合金成分的发展有以下特点〔8〕。 1 2005年第31卷第3期航空发动机
镍基合金复合管道焊接工艺的推广和应用 摘要： 镍基合金复合钢管具有良好的韧性、强度，以及耐各种形式腐蚀的性能，目前广泛应用于高压高含硫气田施工中。在普光气田安全隐患排查工程中，原料气管线全部更换为镍基合金复合管道，为提高功效保证焊接质量，该工程采用了新的焊接工艺（GTAW+P+MIG），依托本工程进行推广和应用。 关键字：镍基复合管；GTAW+P+MIG；背部充氩保护装置；焊接工艺 1、简介 镍基合金复合材料作为一种新型材料[1]，其同时兼具低合金钢的韧性和强度，及镍基合金全面的耐腐蚀性能，因而在高压高含硫气田施工中得到广泛的应用。普光气田作为高含硫气田，受条件限制，在建设初期并未采用镍基合金材料进行施工。 在2016年，普光净化厂原料气管线安全隐患治理工程中，设计将原料气管线进行材质升级，将原有管道更换成镍基合金复合钢管（Q245R+N08825），规格为φ711×（32+3）mm、φ610×（28+3）mm、φ508×（24+3）mm。 目前，镍基合金复合管道的焊接方法主要有GTAW（打底）+SMAW（填充、盖面）；TIP TIG焊打底、填充、盖面。该工程使用的镍基合金复合管材，因管径和基层厚度较大，采用GTAW（打底）+MIG（填充、盖面）的焊接方法。相比以上两种方法，该方法具有更高的焊接效率和焊接可靠性。经中石化第十建设公司进行焊接工艺评定，焊缝各项性能均满足设计要求。因此，本工程最终确定采用GTAW（打底）+MIG（填充、盖面）的焊接方法进行施工焊接。 2、施工机具准备 （1）焊接设备 氩弧焊：低频脉冲钨极氩弧焊（GTAW+P），设备型号山大奥太WSM-400。该设备能够实现焊接电流在恒流与脉冲之间的自由调节，在选用脉冲电流焊接时，通过调节基值、
镍基单晶高温合金的发展概况 镍基单晶高温合金的发展概况 黄爱华1，崔树森1，王少刚1，杨胜群1，刘秀玲2，于兴福1 （1.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳110043； 2.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022） 摘要：论述了单晶高温合金的制备方法，凝固过程的控制。概述了单晶高温合金的发展历程以及合金成分的发展。最后介绍了我国高温合金的发展状况。 关键词：镍基单晶高温合金；制备方法；合金成分 高温合金由等轴晶经历了定向柱晶发展到单晶，既是发动机工作温度不断提高的要求，也是凝固技术持续发展的结果。镍基单晶高温合金通常划分为五代，早期研制的单晶合金称为第一代单晶合金[1]，随着铼(Re)元素的引入，第二代和第三代单晶合金[2]相继出现，近期开始在单晶合金中加入元素钌(Ru)，从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。 镍基高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业领域，在航空发动机上主要用于制作热端部件，如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位，与铁基和钴基合金相比，镍基合金具有更好的高温性能，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，可以说，镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展，也决定了航空工业的发展。采用定向凝固技术制备出的单晶合金，其使用温度已接近合金熔点的90%，成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。 1情况介绍 铸件形成定向柱晶组织必须具备两个条件，一是热流必须垂直于晶体生长的固液界面单向流动;二是固液界前方的液体中没有稳定的晶核。Bridgman法就是一种广泛应用的由高温熔体生长单晶的方法。 单晶和定向柱晶凝固过程的唯一差别是单晶必须是由一个晶核长大而成的。获得单一晶核的方法通常有两种：即选晶法和籽晶法，两种方法各有优缺点、互相补充。 （1）螺旋生长法制备单晶的基本原理（图1，图2）,众多晶粒在经过螺旋形的单晶选择器后，只剩下生长最快的一个晶粒，从而形成单晶。 图1单晶的螺旋生长法生产示意图图2单晶选择示意图
镍基高温合金 浏览： 文章来源：中国刀具信息网 添加人：阿刀 添加时间：2007-06-28 以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃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。 发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60 年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内， 镍基高温合金的发展趋势
镍基合金的工作温度从 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。镍基高温合 金的发展趋势见图1。 成分和性能 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的 A 3B 型金属间化合物 '[Ni 3(Al ，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中 Cr
纯镍管B162UNSN02200的现场焊接 1概述 镍与镍基耐蚀合金是化学、石油化工、冶金、航天、核工业领域中耐高温、高压、高浓度或混有不纯物等各种苛刻腐蚀环境的比较理想的金属结构材料，1997年，我们十一化建公司在平顶山尼龙66盐工程已二胺装置工艺管道的焊接中首次遇到了纯镍管，其材质为B162UNSN02200。管材由日本东洋公司提供，其管内介质为已二胺等工艺物料，共有管径1/2″~16″的各类对接焊口142道，壁厚范围2.9~6.35mm，另有角焊缝53道，管线总长63m。 2镍的理化性能分析 镍在常温时的晶体结构为面心立方晶格，其熔点及电阻率均低于碳素钢，镍与低碳钢的物理性质比较 学性能和抗腐蚀、抗氧化性能显著改善，但热导率和电阻率显著下降。若镍中混有的杂物较多，则在焊接时易于形成低熔点共晶物，使焊接性能下降，纯镍B162UNSN02200的化学成分及力学性能见表 纯镍管B162UNSN 纯镍管B162UNSN 3镍的焊接性能分析 和低碳钢、不锈钢的焊接相比，镍基材料的焊接有奥氏体不锈钢焊接发生的类似问题，如焊接热裂纹倾向、焊缝气孔等。 3．1焊接热裂纹 镍的热裂纹敏感性高，产生热裂纹的主要原因是合金凝固时有低点金属或低迷人点化合物的液态膜残留的晶界区，由于收缩应力的作用而发生开裂，由下表可以看出，铁和镍的二元共晶物中有许多低熔点共晶物和非金属共晶物，特别是硫、磷共晶物，它们的熔点与Ni、Fe相比低很多，这将大大助长热裂纹的产生。 3．2焊缝中的气孔倾向较大 纯镍固液相温度间距小、流动性偏低，同时O2、H2、CO2在液态镍中的溶解度较大（如O2在1720℃时溶解度为1.18%），但在冷却时显著减小（1470℃时O2溶解度为0.06%）。故此，在焊接快速冷却凝固结晶条件下，极易产生焊缝气孔。和低碳钢、低合金钢相比，氧化性气氛对镍焊缝形成气孔的几率影响更大些，但在还原性较大时对氢气孔也是敏感的。
常用金属焊接性之高温合金的钎焊 高温合金是在高温下具有较好的力学性能、抗氧化性和抗腐蚀性的合金。这类合金可分为镍基、铁基和钴基三类；在钎焊结构中用得最多的是镍基合金。镍基合金按强化方式分为固溶强化、实效沉淀强化和氧化物弥散强化三类。固溶强化镍基合金为面心立方点阵的固溶相，通过添加铬、钴、钨、钼、铝、钛、铌等元素提高原子间结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，阻止位错运动，提高再结晶温度来强化固溶体。沉淀强化镍基合金钢是在固溶强化的基础上添加较多的铝、钛、铌、钽等元素而形成的。这些元素除形成强化固溶体外，还与镍形成Ni3(Al、Ti)γ’或Ni3(NbAlTi)γ”金属间化合物相；同时钨、铜、硼等元素与碳形成各种碳化物。TD-Ni和TD-NiCr合金是在镍或镍铬基体中加入2%左右弥散分布的ThO2颗粒，产生弥散强化效果的新型高温合金。 一：钎焊性 高温合金均含有较多的铬，加热时表面形成稳定的Cr2O3，比较难以去除；此外镍基高温合金均含铝和钛，尤其是沉淀强化高温合金和铸造合金的铝和钛含量更高。铝和钛对氧的亲和力比铬大得多，加热时极易氧化。因此，如何防止或减少镍基高温合金加热时的氧化以及去除其氧化膜是镍基高温合金钎焊时的首要任务。镍基高温合金钎焊时不建议用钎剂来去除氧化物，尤其是在高的钎焊温度下，因为钎剂中的硼砂或硼酸在钎焊温度下与母材起反应，降低母材表面的熔化温度，促使钎剂覆盖处的母材产生溶蚀；并且硼砂或硼酸与母材发生反应后析出的硼可能渗入母材，造成晶间渗入。对薄的工件来说是很不利的。所以镍基高温合金一般都在保护气氛，尤其是在真空中钎焊。母材表面氧化物的形成和去除与保护气氛的纯度以及真空度密切相关。对于含铝和钛低的合金，热态真空度不应低于10-2Pa；对于含铝钛较高的合金，表面氧化物的去除不仅与真空度有关，而且还与加热温度有关。 无论是固溶强化，还是沉淀强化的镍基高温合金，都必须将其合金元素及其化合物充分固溶于基体内，才能取得良好的高温性能。沉淀强化合金固溶处理后还必须进行时效处理，已达到弥散强化的目的。因此钎焊热循环应尽可能与合金的热处理相匹配，即钎焊温度尽量与热处理的加热温度相一致，以保证合金元素的充分溶解。钎焊温度过低不能使合金元素完全溶解；钎焊温度过高将使母材的晶粒长大，这些均对母材
国内外镍基高温合金 Prepared on 24 November 2020
国内外镍基高温合金 镍基高温合金 1、中国牌号：固溶强化型镍基高温合金 GH3007（GH5K）；GH3030（GH30）；GH3039（GH39）；GH3044（GH44）；GH3128（GH128）； GH3170（GH170）；GH3536（GH536）；GH3600（GH600）；GH3625（GH625）；GH3652（GH652）； 2、中国牌号：时效强化型镍基高温合金 GH4033（GH33）；GH4037（GH37）；GH4049（GH49）；GH4080A（GH80A）；GH4090（GH90）；GH4093（GH93）；GH4098（GH98）；GH4099（GH99）；GH4105（GH105）；GH4133（GH33A）；GH4133B；GH4141（GH141）；GH4145（GH145）；GH4163（GH163）；GH4169（GH169）； GH4199（GH199）；GH4202（GH202）；GH4220（GH220）；GH4413（GH413）；GH4500（GH500）；GH4586（GH586）；GH4648（GH648）；GH4698（GH698）；GH4708（GH708）；GH4710（GH710）；GH4738（GH738；GH684）；GH4742（GH742）； 3、美国牌号：固溶强化型镍基高温合金 Haynes 214;Haynes 230;Inconel 600; Inconel 601; Inconel 602CA; Inconel 617; Inconel 625;RA333;Hastelloy B; Hastelloy N; Hastelloy S; Hastelloy W; Hastelloy X; Hastelloy C-276; Haynes HR-120; Haynes HR-160;Nimonic 75; Nimonic 86; 4、美国牌号：沉淀硬化型镍基高温合金 Astroloy;Custom Age 625PLUS; Haynes 242; Haynes 263; Haynes R-41; Inconel 100; Inconel 102;Incoloy 901; Inconel 702; Inconel 706; Inconel 718; Inconel 721; Inconel 722; Inconel 725; Inconel 751; Inconel X-750;M-252;Nimonic 80A; Nimonic 90; Nimonic 95; Nimonic 100; Nimonic 105; Nimonic 115;C-263;Pyromet 860; Pyromet 31;Refractaloy 26;Rene, 41; Rene, 95; Rene, 100;Udimet 500; Udimet 520; Udimet 630; Udimet 700; Udimet 710;Unitemp af2-1DA;Waspaloy; Hastelloy C276、Monel 400等耐蚀合金 产地:北京 型号:C276,B2,Monel 400,Ni,600 耐蚀合金系列·常用耐蚀合金系列材料 中国牌号国外牌号特性和用途 NS312Inconel 600耐高温氧化物介质腐蚀，用于热处理及化学加工工业装置 NS112Inconel 800H抗氧化物介质腐蚀，抗高温抗渗碳强度高，合成纤维工程中加热管、炉管及构件 NS322Hastelloy B-2（哈氏B2）耐强还原性介质腐蚀，改善抗晶间腐蚀性，高温中盐酸及中浓度硫酸环境中使用 NS334Hastelloy C276（哈氏C276）耐氧化性氯化物水溶液及湿氯、次氯盐酸腐蚀，用于强腐蚀性氧化-还原复合介质环境
铁镍基高温合金的焊接性及焊接工艺 一、焊接性 对于固熔强化的高温合金，主要问题是焊缝结晶裂纹和过热区的晶粒长大，焊接接头的“等强度”等。对于沉淀强化的高温合金，除了焊缝的结晶裂纹外，还有液化裂纹和再热裂纹；焊接接头的“等强度”问题也很突出，焊缝和热影响区的强度、塑性往往达不到母材金属的水平。 1、焊缝的热裂纹 铁镍基合金都具有较大的焊接热裂纹倾向，特别是沉淀强化的合金，溶解度有限的元素Ni和Fe，易在晶界处形成低熔点物质，如Ni—Si，Fe—Nb，Ni—B等；同时对某些杂质非常敏感，如：S、P、Pb、Bi、Sn、Ca等；这些高温合金易形成方向性强的单项奥氏体柱状晶，促使杂质偏析；这些高温合金的线膨胀系数很大，易形成较大的焊接应力。 实践证明，沉淀强化的合金比固熔强化合金具有更大的热裂倾向。 影响焊缝产生热裂纹的因素有： ①合金系统特性的影响。 凝固温度区间越大，且固相线低的合金，结晶裂纹倾向越大。如：N—155（30Cr17Ni15Co12Mo3Nb），而S—590（40Cr20Ni20Co20Mo4W4Nb4）裂纹倾向就较小。 ②焊缝中合金元素的影响。 采用不同的焊材，焊缝的热裂倾向有很大的差别。如铁基合金Cr15Ni40W5Mo2Al2Ti3在TIG焊时，选用与母材合金同质的焊丝，即焊缝含有γ／形成元素，结果焊缝产生结晶裂纹；而选用固熔强化型HGH113，Ni—Cr—Mo系焊丝，含有较多的Mo，Mo在高Ni合金中具有很高的溶解度，不会形成易熔物质，故也不会引起热裂纹。含Mo量越高，焊缝的热裂倾向越小；同时Mo还能提高固熔体的扩散激活能，而阻止形成正亚晶界裂纹（多元化裂纹）。 B、Si、Mn含量降低，Ni、Ti成分增加，裂纹减少。 ③变质剂的影响。 用变质剂细化焊缝一次结晶组织，能明显减少热裂倾向。 ④杂质元素的影响。 有害杂质元素，S、P、B等，常常是焊缝产生热裂纹的原因。 ⑤焊接工艺的影响。 焊接接头具有较大的拘束应力，促使焊缝热裂倾向大。采用脉冲氩弧焊或适当减少焊缝电流，以减少熔池的过热，对于提高焊缝的抗热裂性是有益的。 2、热影响区的液化裂纹 低熔点共晶物形成的晶间液膜引起液化裂纹。 A—286的晶界处有Ti、Si、Ni、Mo等元素的偏析，形成低熔点共晶物。 液膜还可以在碳化物相（MC或M6C）的周围形成，如Inconel718,铸造镍基合金B—1900和Inconel713C。 高温合金的晶粒粗细，对裂纹的产生也有很大的影响。焊接时常常在粗晶部位产生液化裂纹。因此，在焊接工艺上，应尽可能采用小焊接线能量，来避免热影响区晶粒的粗化。 对焊接热影响区液化裂纹的控制，关键在于合金本身的材质，去除合金中的杂质，则有利于防止液化裂纹。 3、再热裂纹 γ／形成元素Al、Ti的含量越高，再热裂纹倾向越大。 对于γ／强化合金消除应力退火，加热必须是快速而且均匀，加热曲线要避开等温时效的温度、时间曲线的影响区。 对于固熔态或退火态的母材合金进行焊接时，有利于减少再热裂纹的产生。 焊接工艺上应尽可能选用小焊接线能量，小焊道的多层焊，合理设计接头，以降低焊接结构的拘束度。
国内外镍基高温合金 Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】
国内外镍基高温合金 镍基高温合金 1、中国牌号：固溶强化型镍基高温合金 GH3007（GH5K）；GH3030（GH30）；GH3039（GH39）；GH3044（GH44）；GH3128（GH128）； GH3170（GH170）；GH3536（GH536）；GH3600（GH600）；GH3625（GH625）；GH3652（GH652）； 2、中国牌号：时效强化型镍基高温合金 GH4033（GH33）；GH4037（GH37）；GH4049（GH49）；GH4080A（GH80A）；GH4090（GH90）；GH4093（GH93）；GH4098（GH98）；GH4099（GH99）；GH4105（GH105）；GH4133（GH33A）；GH4133B；GH4141（GH141）；GH4145（GH145）；GH4163（GH163）；GH4169（GH169）； GH4199（GH199）；GH4202（GH202）；GH4220（GH220）；GH4413（GH413）；GH4500（GH500）；GH4586（GH586）；GH4648（GH648）；GH4698（GH698）；GH4708（GH708）；GH4710（GH710）；GH4738（GH738；GH684）；GH4742（GH742）； 3、美国牌号：固溶强化型镍基高温合金 Haynes 214;Haynes 230;Inconel 600; Inconel 601; Inconel 602CA; Inconel 617; Inconel 625;RA333;Hastelloy B; Hastelloy N; Hastelloy S; Hastelloy W; Hastelloy X; Hastelloy C-276; Haynes HR-120; Haynes HR-160;Nimonic 75; Nimonic 86; 4、美国牌号：沉淀硬化型镍基高温合金 Astroloy;Custom Age 625PLUS; Haynes 242; Haynes 263; Haynes R-41; Inconel 100; Inconel 102;Incoloy 901; Inconel 702; Inconel 706; Inconel 718; Inconel 721; Inconel 722; Inconel 725; Inconel 751; Inconel X-750;M-252;Nimonic 80A; Nimonic 90; Nimonic 95; Nimonic 100; Nimonic 105; Nimonic 115;C-263;Pyromet 860; Pyromet 31;Refractaloy 26;Rene, 41; Rene, 95; Rene, 100;Udimet 500; Udimet 520; Udimet 630; Udimet 700; Udimet 710;Unitemp af2-1DA;Waspaloy; Hastelloy C276、Monel 400等耐蚀合金 产地:北京 型号:C276,B2,Monel 400,Ni,600 耐蚀合金系列·常用耐蚀合金系列材料 中国牌号国外牌号特性和用途 NS312Inconel 600耐高温氧化物介质腐蚀，用于热处理及化学加工工业装置 NS112Inconel 800H抗氧化物介质腐蚀，抗高温抗渗碳强度高，合成纤维工程中加热管、炉管及构件 NS322Hastelloy B-2（哈氏B2）耐强还原性介质腐蚀，改善抗晶间腐蚀性，高温中盐酸及中浓度硫酸环境中使用 NS334Hastelloy C276（哈氏C276）耐氧化性氯化物水溶液及湿氯、次氯盐酸腐蚀，用于强腐蚀性氧化-还原复合介质环境
镍基高温合金 飞行器工程学院110622班 11062228 袁同豪 摘要：定义了高温镍合金，诉说了其发展过程、成份和性能和生产工艺，以及阐述了镍基高温合金的研究、制造与应用 关键字：镍基高温合金抗氧化塑性组织稳定性固溶 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃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。具有良好的耐高温腐蚀和抗氧化性能、优良的冷热加工和焊接工艺性能，在700℃以下具有满意的热强性和高的塑性。合金可以通过冷加工得到强化，也可以用电阻焊、溶焊或钎焊连接，可供应冷轧薄板、热轧厚板、带材、丝材、棒材、圆饼、环坯、环形锻件等，适宜制作在1100℃以下承受低载荷的抗氧化零件。 镍基高温合金是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Ni-20Cr-0.4Ti；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基高温合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。 镍基高温合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。镍基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。固溶强化型合金：具有一定的高温强度，良好的抗氧化，抗热腐蚀，抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大的部件，如燃气轮机的燃烧室；沉淀强化型合金：通常综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐
镍基合金复合管道焊接 工艺的推广和应用 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
镍基合金复合管道焊接工艺的推广和应用 摘要： 镍基合金复合钢管具有良好的韧性、强度，以及耐各种形式腐蚀的性能，目前广泛应用于高压高含硫气田施工中。在普光气田安全隐患排查工程中，原料气管线全部更换为镍基合金复合管道，为提高功效保证焊接质量，该工程采用了新的焊接工艺（GTAW+P+MIG），依托本工程进行推广和应用。 关键字：镍基复合管；GTAW+P+MIG；背部充氩保护装置；焊接工艺 1、简介 镍基合金复合材料作为一种新型材料[1]，其同时兼具低合金钢的韧性和强度，及镍基合金全面的耐腐蚀性能，因而在高压高含硫气田施工中得到广泛的应用。普光气田作为高含硫气田，受条件限制，在建设初期并未采用镍基合金材料进行施工。 在2016年，普光净化厂原料气管线安全隐患治理工程中，设计将原料气管线进行材质升级，将原有管道更换成镍基合金复合钢管（Q245R+N08825），规格为φ711×（32+3）mm、φ610×（28+3）mm、φ508×（24+3）mm。 目前，镍基合金复合管道的焊接方法主要有GTAW（打底）+SMAW（填充、盖面）；TIP TIG焊打底、填充、盖面。该工程使用的镍基合金复合管材，因管径和基层厚度较大，采用GTAW（打底）+MIG（填充、盖面）的焊接方法。相比以上两种方法，该方法具有更高的焊接效率和焊接可靠性。经中石化第十建设公司进行焊接工艺评定，焊缝各项性能均满足设计要求。因此，本工程最终确定采用GTAW（打底）+MIG（填充、盖面）的焊接方法进行施工焊接。 2、施工机具准备 （1）焊接设备 氩弧焊：低频脉冲钨极氩弧焊（GTAW+P），设备型号山大奥太WSM-400。该设备能够实现焊接电流在恒流与脉冲之间的自由调节，在选用脉冲电流焊接时，通过调节基
镍基高温合金的特点、制备及应用 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。那么，以镍为基体(含量一般大于50%)在650～1000℃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称之为镍基高温合金（以下简称“镍基合金”）。 镍基高温合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。镍基高温合金是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基高温合金Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基高温合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基高温合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。 镍基高温合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物g[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。镍基合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。
镍基合金焊接材料 · 产品名称：镍及镍基合金焊材 · 产品说明: Ni102镍及镍合金焊条型号GB/T：ENi-0 说明：钛钙型药皮的纯镍焊条，具有较好的力学性能及耐热、耐腐蚀性，交、直流两用，采用直流反接。 用途：用于化工设备、食品工业，医疗器械制造中镍基合金和双金属的焊接，也可用作异种金属的过渡层焊条，具有良好的熔合性和抗裂性。 熔敷金属化学成份/% C≤0.03 Mn 0.6-1.1 Si≤1Ni≥92Fe≤0.5 Ti 0.7-1.2 Nb 1.8-2.3 S≤0.015P≤0.015 Ni112镍及镍合金焊条型号GB/T：ENi-0 相当于AWS：ENi-1 说明：钛钙型药皮的纯镍焊条，具有较好的力学性能及耐热、耐腐蚀性，交、直流两用，采用直流反接。 用途：用于化工设备、食品工业，医疗器械制造中镍基合金和双金属的焊接，也可用作异种金属的过渡层焊条，具有良好的熔合性和抗裂性。 熔敷金属化学成份/% C≈0.04Mn≈1.5Ni≥92Fe≈3Ti≈0.5Nb≈1S≤0.015P≤0.015 Ni202镍及镍合金焊条型号GB/T：ENiCu-7 相当于AWS：ENiCu-7 说明：钛钙型药皮的Ni70Cu30蒙乃尔合金焊条，含适量的锰、铌，具有较好的抗裂性，焊接时电弧燃烧稳定，飞溅小，脱渣容易，焊接成形美观，采用交流或直流反接，采用直流反接。 用途：用于镍铜合金与异种钢的焊接，也可用作过渡层堆焊材料。 熔敷金属化学成份/% C≤0.15Mn≤4Si≤1.5 Ni 62-69 Fe≤2.5Ti≤1Nb≤2.5 S≤0.015 P≤0.02Al≤0.75 Cu余量 Ni207镍及镍合金焊条型号GB/T：ENiCu-7 相当于AWS：ENiCu-7 说明：低氢型蒙乃尔合金焊条，具有良好的抗裂性和焊接工艺性能。 用途：用于焊接蒙乃尔合金焊条或异种钢，也可用作过渡层堆焊材料。 熔敷金属化学成份/% C≤0.15Mn≤4Si≤1.5 Ni 62-69 Fe≤2.5Ti≤1Nb≤2.5S≤0.015 P≤0.02 Cu余量 Ni307镍及镍合金焊条型号GB/T：ENiCrMo-0 说明：低氢型Ni70Cr15耐热耐蚀合金焊条，焊缝中有适量的钼、铌等合金元素，熔敷金属具有良好的抗裂性，采用直流反接。 用途：用于焊接有耐热、耐蚀要求的镍基合金，也可用于一些难焊合金、异种钢的焊接及堆焊。