鎳基合金是指以鎳為基(Ni含量>50%)并含有其他一些元素，且650℃~1000℃高溫下有較高的強度和一定的抗氧化、抗腐蝕能力等綜合性能的一類合金。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在６００℃～１ ２００℃的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料,其中包含高熔點金屬Ni（1450℃）、Co（1480℃）、Mo（2620℃），并具有較高的高溫強度， 良好的抗氧化和抗腐蝕性能， 良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性。那么， 以鎳為基體(含量一般大于50%) 在650～1000℃范圍內具有較高的強度和良好的抗氧化、抗燃氣腐蝕能力的高溫合金稱之為鎳基高溫合金 。鎳基高溫合金的發(fā)展包括兩個方面：合金成分的改進和生產工藝的革新。鎳基高溫合金是30年代后期開始研制的。英國于1941年首先生產出鎳基高溫合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti) ；為 了 提 高 蠕 變 強 度 又 添 加 鋁 ， 研 制 出 Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國于40年代中期，蘇聯于40年代后期，中國于50年代中期也研制出鎳基合金。50年代初，真空熔煉技術的發(fā)展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基高溫合金大都是變形合金。50年代后期，由于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，于是采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向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(yè)燃氣輪機的需要，60 年代以來還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40 年代初到70年代末大約40年的時間內，鎳基高溫合金的工作溫度從700℃提高到 1100℃，平均每年提高10℃左右。鎳基高溫合金是高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金。其主要原因，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的A3B型金屬間化合物 g[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有效的強化， 獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃氣腐蝕能力。鎳基合金含有十多種元素，其中 Cr 主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強化作用。根據它們的強化作用方式可分為：固溶強化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。鎳基合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。
一. 高溫合金的特點
1、具有高的熱穩(wěn)定性、熱強性、高溫蠕變性能；
2、抗氧化、抗腐蝕、抗疲勞性能好；
3、比強度高和彈性模量高，熱膨脹系數小，導熱性好；
4、具有良好的加工工藝性能。
二. 高溫合金的分類
高溫合金材料按制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金和發(fā)散冷卻高溫合金。
按合金基體元素，可分為鐵基、鎳基和鈷基高溫合金，使用最廣的是鎳基高溫合金，其高溫持久強度最高，鈷基高溫合金次之，鐵基高溫合金最低。
按強化方式，可分為固溶強化高溫合金、時效強化高溫合金和氧化物彌散強化高溫合金。
按主要用途又可分為板材合金、棒材合金和盤材合金。
三. 高溫合金的熔煉
鎳基高溫合金是基于 Cr20Ni80合金發(fā)展起來，能在高溫環(huán)境中長期穩(wěn)定使用的金屬材料。隨著制備工藝不斷改進，成分設計不斷優(yōu)化，高溫合金零部件的服役溫度及使用壽命也不斷提高。鎳基高溫合金熔煉主要有以下方式。VIM 是鎳基高溫合金熔煉的**步，其主要目的是為了得到化學成分符合要求的母合金錠，為鑄錠的二次重熔做好成分和潔凈度的準備。VIM能有效控制 O、N、H 等氣體元素以及 S、P、Si等有害元素的含量，實現對母合金錠成分的精確控制。按照熔煉流程，真空感應熔煉可大致分為裝料、熔化、精煉以及澆注四個主要階段。VIM 熔化階段的主要目的，是為了將加入坩堝中的金屬爐料快速熔化，去除熔融金屬液中的 O、N、H 等氣體元素，以及非金屬夾雜物和有害雜質等。熔化期需要合理控制熔化速率以及真空度這兩個關鍵因素，避免“架橋”現象的發(fā)生，并保證原料熔化速率和有害氣體排除的匹配。ESR 是高溫合金潔凈化冶煉的主要環(huán)節(jié)之一。ESR是上世紀五十年代由電渣焊技術發(fā)展演變的一種熔煉方法，并在七八十年代被世界各國廣泛應用于熔煉冶金等領域。電渣重熔基本原理是電流在通過渣料時，由于渣料電阻較大會產生大量熱量，利用渣阻熱將需要重熔的電極逐步熔化。金屬液以熔滴的形式通過渣料實現凈化，最終在水冷結晶器中完成自下而上的凝固。VAR 是一種將一次熔煉得到的母合金錠作為重熔電極，利用真空自耗爐在真空氛圍及低壓直流電弧作用下，將電極棒逐漸熔化，并在水冷銅結晶器中快速冷卻凝固的一種工藝技術。1.真空感應熔煉+保護氣氛電渣重熔（VIM+ PESR）雙聯工藝VIM+ESR 是常用的鎳基高溫合金雙聯熔煉工藝。但 ESR過程與大氣直接接觸，不可避免地會出現吸 O 吸 H 和易氧化元素燒損的情況。而 VIM+PESR 則可以有效隔絕大氣環(huán)境，防止氧含量的增加。VIM+PESR 能夠起到降低合金中 O 含量，提高易氧化元素收得率及均勻分布的效果。根據合金特點匹配合適的渣系，并選擇開發(fā)新型電渣重熔技術，已經成為鎳基高溫合金潔凈化熔煉的重要基礎。2. 真空感應熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR）雙聯工藝相較于 ESR，VAR 是一種無需利用渣料的技術，因此，在重熔過程不會因為鑄錠表面渣皮影響而阻礙傳熱。同時，在凝固鑄錠及結晶器之間可充入冷卻介質（例如He氣）加強冷卻效果，從而得到的熔池更淺，冷卻更快，有利于獲得組織更加細密、偏析更小的自耗錠。為了進一步提升 VIM+VAR 雙真空熔煉工藝的穩(wěn)定性，國外已相繼開發(fā)出熔滴凝固控制成形、同軸供電以及動態(tài)實時稱重控制等先進技術，并在工業(yè)生產中得到廣泛應用。3.真空感應熔煉+保護氣氛電渣重熔+真空自耗重熔（VIM+PESR+VAR）三聯工藝由于 VIM+PESR 以及 VIM+VAR 雙聯工藝各自存在一些不足，無法滿足組織性能要求更高的合金熔煉需求，而 VIM+PESR+VAR 三聯工藝，可以將PESR去S去O，減少雜質的優(yōu)點以及VAR減小偏析的優(yōu)點結合起來，實現熔煉鑄錠的性能優(yōu)化，滿足要求更加嚴苛的熔煉需求。
VIM+ESR+VAR 三聯工藝能夠結合各熔煉技術的優(yōu)點，實現更高潔凈度的超大規(guī)格鑄錠的熔煉，是高質量鎳基高溫合金熔煉工藝的發(fā)展趨勢。但國內應用三聯工藝制備出的鎳基高溫合金鑄錠質量及性能與國外還存在一定差距。為此，還需進一步加大對三聯工藝的應用研究，選擇優(yōu)質原料，優(yōu)化各熔煉階段工藝參數的精確控制，提升熔煉過程的技術及管理要求，保證各熔煉階段之間的連續(xù)性及協(xié)調性，達到提升鎳基高溫合金熔煉鑄錠質量及性能的目的。
鎳合金按用途可分為五類：鎳基高溫合金、鎳基耐蝕合金、鎳基耐磨合金、鎳基精密合金以及鎳基形狀記憶合金。
鎳基高溫合金：主要合金元素有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。在650～1000℃高溫下有較高的強度和抗氧化、抗燃氣腐蝕能力，是高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金。用于制造航空發(fā)動機葉片和火箭發(fā)動機、核反應堆、能源轉換設備上的高溫零部件。
因科鎳（INCONEL）Ni-Cr，Ni-Cr-Fe合金，Inconel后接以不同的三位數字，表示不同化學成分的合金，如Inconel600、Inconel625、Incone1718等。**位數為偶數，表示固溶強化的合金，奇數則表示沉淀強化的合金。
Inconel600 優(yōu)異的強度和易加工特性，主要用于腐蝕環(huán)境，在高達1177度的環(huán)境下有耐氧化性能，耐熱耐蝕合金，具有良好的抗晶間腐蝕性能、應力腐蝕開裂及高溫鹵素腐蝕能力；抗氧化性能、冷熱加工性能、低溫機械性能、冷熱疲勞性能。650℃下具有較高的強度，成型性好，易于焊接。主要用于蒸汽機、供水加熱器、核電站冷卻器；苛性鈉和VCM生產；紙漿及造紙工業(yè)。Incoloy是一種鎳鉻鐵合金，是為溫度升高時抗氧化和碳化而設計的。Incoloy合金有很多種類：常見的如Incoloy800、Incoloy800H、Incoloy800HT、Incoloy825、Incoloy840、Incoloy901、Incoloy925、Incoloy330、Incoloy 25-6Mo等。
高溫合金800系列，是一種不能沉淀強化的耐蝕Ni-Fe-Cr合金，是一種在高溫條件下具有良好強度、耐腐蝕、抗氧化性和抗?jié)B碳性的優(yōu)質材料。由于受高溫、高壓聯合作用，任何焊接缺陷帶來的后果都是極度其嚴重的。尤其是焊接裂紋，不僅直接降低了焊接接頭的有效承載面積，而且在裂紋的尖端還形成了強烈的應力集中，使裂紋尖端的局部應力大大高于焊接接頭的平均應力。一旦失效，就會給生產帶來嚴重的后果。在焊接過程中，必須采取適當措施，否則會導致焊接接頭過熱,使其力學性能和耐熱性能急劇下降。因此，在制定工藝參數以及焊接操作過程中，應充分考慮這一特點，增加冷卻速度。
鎳基高溫合金在焊接過程中焊縫金屬具有較大的結晶裂紋傾向。此外焊縫氣孔、焊接接頭的晶間腐蝕及等強問題在制定工藝時也需考慮。
1. 焊接熱裂紋
鎳基高溫合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性，鎳基合金焊接時，焊縫可能產生宏觀裂紋、微裂紋或二者同時存在。從化學成分和組織上分析，合金元素含量多，系單相奧氏體組織，對合金元素的溶解度有限。這些合金元素與基體中的Ni、Fe作用，生成低熔點的共晶物，偏析于晶界，在焊接應力的作用下產生結晶裂紋，加之焊縫金屬在凝固時形成方向性很強的單相奧氏體柱狀結晶，低熔點共晶物偏析于柱狀結晶之間，在應力作用下極易開裂。鎳基高溫合金導熱率低，工件處于高溫狀態(tài)時間長，晶粒嚴重長大，促使了低熔點共晶物的形成。
2. 對氣孔的敏感性
造成氣孔的因素很多，工件表面的潮氣、油垢、氧化膜等，在焊接加熱過程中這些雜質若清理不干凈，則被吸附和分解成氫、水氣，焊接熔池在高溫液態(tài)下， 能溶解較多的氫、氧、氮等氣體。鎳基高溫合金密度大，熔池流動性較差，影響氣體的逸出，因此易形成氣孔。
3. 焊接區(qū)的腐蝕傾向
由于該系合金具有兩個敏化溫度區(qū)，敏化狀態(tài)發(fā)生鉻等碳化物的沉淀，引起晶界貧鉻現象，導致在某種介質中的晶間腐蝕、應力腐蝕傾向。在焊接該類鋼時，應快速冷卻，避免焊接區(qū)在高溫時停留過長，防止產生晶間腐蝕。
4. 焊接接頭等強度問題
不論是固溶強化型鎳基合金還是沉淀強化型鎳基合金，焊接接頭在一般狀態(tài)下均達不到與母材等強度的要求。焊態(tài)的Ni-Fe-Cr基固溶強化合金，焊接接頭在常溫和高溫下的瞬時強度并無明顯降低，但在高溫下的持久強度卻大幅降低，熱處理后也得不到改善。過熱區(qū)越寬，這種影響越大。生產實踐表明，這和接頭熱影響區(qū)普遍存在過熱、晶粒長大嚴重有直接關系。
5. 焊接工藝要點
（1）正確選擇焊材；
（2）接頭型式：采用大坡口角度和小鈍邊的接頭型式；
（3）坡口附近及焊絲的清理：特點重要，以防止熱裂紋和氣孔；
（4）焊前預熱：一般不需要焊前預熱，層間溫度應控制在100 ℃ 以下。但當母材溫度低于15℃時，應加熱至15-20 ℃，以免濕氣冷凝；
（5）焊接工藝：限制熱輸入，采用小線能量和保持電弧電壓的穩(wěn)定，并采用短弧不 擺動或小擺動的操作方法。對于小直徑管道焊接過程中宜采取強制冷卻措施減少焊縫的高溫停留時間，增加焊縫的冷卻速度。焊后焊縫表面熔渣和飛濺物的及時清理，以防止熔渣中的S等雜 質對焊縫造成脆化或腐蝕性能下降；
（6）焊后熱處理：一般不推薦焊后熱處理。但有時為保證使用中不發(fā)生晶間腐蝕或應力腐蝕需要熱處理。
6. 鎳基合金的焊材選用原則
（1）同種鎳材焊接時的焊材選用：應選用和母材合金系列相同的焊接材料; 若無耐腐蝕性能要求，也可選用與母材合金系統(tǒng)不同的焊接材料，但應保證接頭具備設計要求的性能。
（2）異種鎳材及鎳材與奧氏體不銹鋼之間的焊接，應考慮下列因 素：焊縫的強度（包括高溫持久強度），耐腐蝕性滿足設計；選用線膨脹系數與母材相近的焊接材料?？紤]焊材對焊接裂紋、氣孔的敏感性。
例如：
奧氏體不銹鋼與Monel 400焊接：焊條ENiCu-7 ；焊絲ERNiCu7。
Monel 400與Inconel600焊接：焊條ENiCrFe-3；焊絲 ERNiCr-3。
Incoloy 800H與Hastelloy C-276焊接：焊條ENiMo-3；焊絲 ERNiMo-3 。
