鎳基合金的力學、物理和化學性能

鎳基合金的力學、物理和化學性能

以鎳為基加入其他元素組成的合金就叫鎳合金。鎳具有良好的力學、物理和化學性能，添加適宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蝕性、高溫強度和改善某些物理性能。鎳合金可作為電子管用材料、精密合金（磁性合金、精密電阻合金、電熱合金等）、鎳基高溫合金以及鎳基耐蝕合金和形狀記憶合金等。在能源開發、化工、電子、航海、航空和航天等部門中，鎳合金都有廣泛用途。
鎳能與銅、鐵、錳、鉻、矽、鎂組成多種合金。其中鎳銅合金是有名的蒙乃爾合金,它強度高,塑性好,在750度以下的大氣中,化學性能穩定,廣泛用於電氣工業,真空管,化學工業,醫療器材和航海船舶工業等方麵。

一、鎳基合金定義

鎳基合金一般以Ni含量超過30wt%之合金稱之，常見產品之Ni含量都超過50wt%， 由於具有超群的高溫機械強度與耐蝕性質，與鐵基和鈷基合金合稱為超合金(Superalloy)，一般是應用在540℃以上的高溫環境，並依其使用場合，選用不同合金設計，多用於特殊耐蝕環境、高溫腐蝕環境、需具備高溫機械強度之設備。常應用於航天、能源、石化工業或特殊電子/光電等領域。

二、起源與發展

鎳基合金是30年代後期開始研製的，英國於1941年首先生產出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高潛變強度又添加Al，研製出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；而美國於40年代中期，俄羅斯於40年代後期，中國於50年代中期也先後開發出鎳基合金。鎳基合金的發展包括兩個方麵，即合金成分的改良和生產技術的革新。

50年代初，真空熔煉技術的發展，為煉製含高Al和Ti 的鎳基合金創造了條件，而帶動了合金強度與使用溫度的大幅提高。50年代後期，由於渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強度，但是合金的強度高了，就難以變形，甚至不能變形，於是采用精密鑄造技術，發展出一係列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發展出性能更好的方向性結晶和單晶高溫合金，以及粉末冶金高溫合金。

為了滿足艦船和工業燃氣輪機的需要，60年代以來還發展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩定的高Cr鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基合金的工作溫度從700 提高1,100℃，平均每年提高10℃左右。時至今日，鎳基合金之使用溫度已可超過1,100℃，從前述*初成份簡單之Nimonic75 合金，到近期發展出之MA6000 合金，在1,100℃時拉伸強度可達2,220MPa、屈服強度為192MPa；其1,100℃/137MPa條件下之持久強度約達1,000小時，可用於航空發動機葉片。

鎳基合金是超合金中應用*廣、強度*高的材料。超合金之名稱即源自於材料特色;包括：

(1)性能超優異：高溫下可維持高強度，且具有優異的抗潛變、抗疲勞等機械性質，以及抗氧化和耐蝕特性與良好的塑性和 焊接性。

(2)合金添加超繁雜：鎳基合金常添加十種以上之合金元素，用以增進不同環境之耐蝕性；以及固溶強化或析出強化等作用。

(3)工作環境超惡劣：鎳基合金被廣泛用於各種嚴苛之使用條件，如航天飛行引擎燃氣 室的高溫高壓部份、核能、石油、海洋工業之結構件，耐蝕管線等。

三、鎳基合金之微組織

鎳基合金的晶體結構主要為高溫穩定之 麵心立方體(FCC)沃斯田鐵結構，為了提高其耐熱性質，添加了大量的合金元素，這些元素會形成各種二次相，提升了鎳基合金之高溫強度。二次相的種類包含各種形式之 MC、M23C6、M6C、M7C3碳化物，主要分布在晶界，以及如 γ’ 或 γ’’ 等結 構上為整合性(Coherent)之有序(Ordering)介金屬化合物。γ’與 γ’’ 相之其化學組成大致是Ni3(Al, Ti) 或 Ni3Nb，此類有序相在高溫下非常穩定，經由它們的強化可得到優良的潛變破壞強度。 典型鎳基合金之微組織如下圖：

隨著合金化程度的提高，其顯微組織的變化有如下趨勢： γ’相數量逐漸增多，尺寸逐漸增大，並由球狀變成立方體，同一合金中出現尺寸和形態不相同的γ’相。此外，在鑄造合金中還出現在凝固過程中形成的γ+γ’共晶，晶界析出不連續的顆粒狀碳化物並被γ’相薄膜所包圍，這些微組織的變化改善了合金的性能。此外，現代鎳基合金的化學成份十分複雜，合金的飽和度很高，因此要求對每個合金元素 (尤其是主要強化元素)的含量嚴加控製，否則會在使用過程中容易析出其他有害的介金屬相，如σ、Laves相等，將損害合金的強度和韌性。

四、合金元素之作用與牌號

鎳基合金是高溫合金中應用*廣、強度*高的一類合金。其中添加較大量的Ni 為沃斯田鐵相穩定元素，使得鎳基合金維持 FCC結構而可以溶解較多其它合金元素，還能保持較好的組織穩定性與材料的塑性；而 Cr、Mo和Al則具有抗氧化和抗腐蝕作用，並具有一定的強化作用。鎳基合金的強化依元素作用方式可分為：

(1)固溶強化元素，如W、Mo、Co、Cr和V等，藉由此類原子半徑與基材的不同，在Ni-Fe之基地造成局部晶格應變來強化材料；

(2)析出強化元素則如Al、Ti、Nb和Ta等，可以形成整合性有序的A3B型金屬間化合物，如Ni3(Al,Ti)等強化相(γ’)，使合金得到有效的強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基合金更高的高溫強度；

(3)晶界強化元素，如B、Zr、Mg和稀土元素等，可加強合金之高溫性質。一般鎳基合金的牌號由其所開發廠家來命名，如Ni-Cu合金又稱為Monel合金，常見如Monel 400、K-500等。Ni-Cr合金一般稱為 Inconel合金，也就是常見之鎳基耐熱合金，主要在氧化性介質條件下使用 ，常見如 Inconel 600、625等。若是Inconel合金中加入較高量的Fe來取代Ni，則為Incoloy合金，其耐高溫程度不如鎳基析出硬化型合金，但價格便宜，可用於噴射引擎裡溫度較低部份的組件及石化廠反應器等，如Incoloy 800H、825等。若於Inconel與Incoloy中加入析出強化元素，如Ti、Al、Nb等，則成為析出硬化型(鐵)鎳基合金，可於高溫下仍保有良好的機械強度與抗蝕性，多用於噴射引擎的組件，如 Inconel 718 、Incoloy A-286 等。而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金則稱為哈氏耐蝕合（Hastelloy)，其中Ni-Cr-Mo主要在還原性介質腐蝕的條件下使用。Hastelloy的代表牌號如C-276、C-2000等。