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HGH4169鎳基高溫合金焊絲
鐵鎳基高溫合金的焊接性及焊接工藝一、焊接性 對于固熔強化的高溫合金，主要問題是焊縫結晶裂紋和過熱區(qū)的晶粒長大，焊接接頭的“等強度”等。 對于沉淀強化的高溫合金，除了焊縫的結晶裂紋外，還有液化裂紋和再熱裂紋；焊接接頭的“等強度”問 題也很突出，焊縫和熱影響區(qū)的強度、塑性往往達不到母材金屬的水平。 1、焊縫的熱裂紋 鐵鎳基合金都具有較大的焊接熱裂紋傾向，特別是沉淀強化的合金，溶解度有限的元素 Ni 和 Fe，易 在晶界處形成低熔點物質，如 Ni—Si，Fe—Nb，Ni—B 等；同時對某些雜質非常敏感，如：S、P、Pb、Bi、 Sn、Ca 等；這些高溫合金易形成方向性強的單項奧氏體柱狀晶，促使雜質偏析；這些高溫合金的線膨脹系 數(shù)很大，易形成較大的焊接應力。 實踐證明，沉淀強化的合金比固熔強化合金具有更大的熱裂傾向。 影響焊縫產生熱裂紋的因素有： ①合金系統(tǒng)特性的影響。 凝固溫度區(qū)間越大，且固相線低的合金，結晶裂紋傾向越大。如： N—155（30Cr17Ni15Co12Mo3Nb） ， 而 S—590（40Cr20Ni20Co20Mo4W4Nb4）裂紋傾向就較小。 ②焊縫中合金元素的影響。 采用不同的焊材，焊縫的熱裂傾向有很大的差別。如鐵基合金 Cr15Ni40W5Mo2Al2Ti3 在 TIG 焊時，選用 與母材合金同質的焊絲，即焊縫含有γ ／ 形成元素，結果焊縫產生結晶裂紋；而選用固熔強化型 HGH113， Ni—Cr—Mo 系焊絲，含有較多的 Mo，Mo 在高 Ni 合金中具有很高的溶解度，不會形成易熔物質，故也不 會引起熱裂紋。含 Mo 量越高，焊縫的熱裂傾向越小；同時 Mo 還能提高固熔體的擴散激活能，而阻止形 成正亞晶界裂紋（多元化裂紋） 。 B、Si、Mn 含量降低，Ni、Ti 成分增加，裂紋減少。 ③變質劑的影響。 用變質劑細化焊縫一次結晶組織，能明顯減少熱裂傾向。 ④雜質元素的影響。 有害雜質元素，S、P、B 等，常常是焊縫產生熱裂紋的原因。 ⑤焊接工藝的影響。 焊接接頭具有較大的拘束應力，促使焊縫熱裂傾向大。采用脈沖氬弧焊或適當減少焊縫電流，以減少 熔池的過熱，對于提高焊縫的抗熱裂性是有益的。 2、熱影響區(qū)的液化裂紋 低熔點共晶物形成的晶間液膜引起液化裂紋。 A—286 的晶界處有 Ti、Si、Ni、Mo 等元素的偏析，形成低熔點共晶物。 液膜還可以在碳化物相 （MC 或 M6C） 的周圍形成， 如 Inconel718,鑄造鎳基合金 B—1900 和 Inconel713C。 高溫合金的晶粒粗細，對裂紋的產生也有很大的影響。焊接時常常在粗晶部位產生液化裂紋。因此， 在焊接工藝上，應盡可能采用小焊接線能量，來避免熱影響區(qū)晶粒的粗化。 對焊接熱影響區(qū)液化裂紋的控制，關鍵在于合金本身的材質，去除合金中的雜質，則有利于防止液化 裂紋。 3、再熱裂紋 γ ／ 形成元素 Al、Ti 的含量越高，再熱裂紋傾向越大。／ 對于γ 強化合金消除應力退火，加熱必須是快速而且均勻，加熱曲線要避開等溫時效的溫度、時間曲 線的影響區(qū)。 對于固熔態(tài)或退火態(tài)的母材合金進行焊接時，有利于減少再熱裂紋的產生。 焊接工藝上應盡可能選用小焊接線能量，小焊道的多層焊，合理設計接頭，以降低焊接結構的拘束度。 雜質對高溫合金再熱裂紋的影響 1—加熱曲線對于 A、B 均不裂；2—加熱曲線對 A 裂，B 不裂 4、焊接接頭的“等強度”問題 高溫合金焊后，在過熱區(qū)有顯著的晶粒粗化現(xiàn)象，接頭性能不均勻，對高溫塑性、疲勞強度、蠕變極 限、持久強度、硬度等都有較大影響。 為了獲得比較理想的焊接接頭，應盡量減少接頭的過熱和組織不均勻性，故焊接時應盡可能選用能量 集中的焊接方法和小的焊接線能量。 焊補次數(shù)增加，大大降低焊接接頭的性能，促使再熱裂紋的產生。所以，一般規(guī)定同一部位補焊不允 許超過三次。重要焊縫甚至禁止補焊。 三、高溫合金的焊接工藝 1、TIG 焊接 TIG 焊是高溫合金比較好的焊接方法，尤其是鐵基合金，特別適應用于 12.5mm 以下薄板。 為防止產生裂紋，焊接時采用小焊接線能量，窄焊道，電弧長度盡可能短，一般為 1~1.5mm 為宜。 采用小直徑釷鎢極，端部磨成 30~60°的尖角，以保持電弧穩(wěn)定，易于控制熔透和窄焊道。 Ar 氣保護。特別是焊接含有 Al、Ti 等元素的合金時，要特別加強保護。 焊材可用奧氏體耐熱不銹鋼或鎳基合金。 采用直流正接電源。 焊接時焊矩與母材保持垂直。 2、手工電弧焊 鐵基合金中手工電弧焊使用較少，特別是沉淀強化型合金幾乎不用。 焊條通常選用與母材合金成分相近，或選用高鎳焊條。 Incoloy800 使用溫度在 900 ℃以上，推薦用 ENiCrFe—2 焊條；使用溫度在 540℃以上，推薦用 ENiCrFe—3 焊條。采用小焊接線能量，小電流、快焊 速、不橫向擺動、窄焊道焊接；焊接開始或結尾都應裝引弧板或熄弧板，防止裂紋的產生；采用直流反接 電源。 對于鎳基合金，手工電弧焊一般只適用于板厚 1.6mm 以上，固熔強化型合金，不能用于沉淀強化型合 金的焊接。 3、等離子弧焊接 熔深大，可大于 7~8mm（Incoloy800） ，效率高；TIG 熔深 2~3mm。 4、MIG 焊接的熱輸入量較大，易出現(xiàn)熱裂紋，只用于 T＞12.5mm 或高效率場合。 自動埋弧焊同上。 電子束焊接熱量集中，但易出現(xiàn)一些特有的缺陷，如氣孔、冷隔等，裂紋敏感性也較大。 三、高溫合金的焊接工藝要點 1、加強保護 高溫合金中有很多合金元素對氧具有很大的親和力，若保護不好易被燒損，特別是鐵基合金。 2、加強焊接區(qū)的清理 高溫合金的表面常存在有難熔氧化膜，NiO 的熔點為 2090℃，如焊前未清理干凈，易在焊縫中形成夾 雜物。另外，工件表面的污物未清理，也會帶來一些有害雜質：如 Pb、P、S 等，影響焊接接頭性能。所 以，對坡口邊緣或多道焊的每道焊縫表面，都應徹底清理干凈。 3、設計合理的坡口 鐵基和鎳基合金的液體金屬流動性較差， 焊接時易產生未熔合缺陷。 熔深一般只有低碳鋼的 50%左右， 奧氏體鋼的 60%左右。為達到一定的熔深和熔合良好，其坡口角度要適當增大，鈍邊減小。 鋼和鎳基合金坡口設計的比較 4、要求高精度的裝配。 5、減少焊接接頭的過熱。 焊縫的布置盡量避免交叉和分布過密，減少補焊次數(shù)，采用小焊接線能量和小截面焊道，選用脈沖焊， 分段焊等工藝。 6、選用好的焊接材料。 通常采用 Mo 和 W 含量較高的 Ni—Cr—Mo（W）系合金焊絲，抗裂性高。即使焊接沉淀強化型合金， 也寧可犧牲一些強度，不希望采用 Al、Ti 含量較高，會形成γ 金焊絲。 為了確保焊接接頭的高溫強度，以采用同質焊絲或力求焊縫與母材的合金成分相近為好。 對保護氣體、焊條、焊劑等，要求純度高，具有最小的氧化性，以保證最大的合金過渡系數(shù)。／ 相的焊絲，而選用 Ni—Cr—Mo（W）系合
鎳基高溫合金的特點、制備及應用高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力作用下 長期工作的一類金屬材料。 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（以下簡稱“鎳基合金”） 。 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(lián)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(jù)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。
變形高溫合金
變形高溫合金是指可以進行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學性能和綜合的強、韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。
1、固溶強化型合金
使用溫度范圍為900～1300℃，最高抗氧化溫度達1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動機燃燒室、機匣等部件。
2、時效強化型合金
使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動機的渦輪盤與葉片等結構件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；制作葉片的合金溫度可達950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。
變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結構鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
鑄造高溫合金
鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是：
1.具有更寬的成分范圍由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設計可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調整成分使γ’含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。
2.具有更廣闊的應用領域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點，可根據(jù)零件的使用需要，設計、制造出近終形或無余量的具有任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。
根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：
第一類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在很大的范圍溫度內具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機中的擴壓器機匣及航天發(fā)動機中各種泵用復雜結構件等。
第二類：在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。
第三類：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金這類合金在此溫度范圍內具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應力下持久壽命大于100小時。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機的一級渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細晶鑄造技術、定向凝固技術、復雜薄壁結構件的CA技術等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應用范圍不斷提高。
粉末冶金高溫合金
采用霧化高溫合金粉末，經熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經鍛造成型的生產工藝制造出高溫合金粉末的產品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。
FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大于50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發(fā)動機的使用要求,是高推重比發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。
氧化物彌散強化(ODS)合金
是采用獨特的機械合金化(MA)工藝，超細的(小于50nm)在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。
目前已實現(xiàn)商業(yè)化生產的主要有三種ODS合金：
MA956合金在氧化氣氛下使用溫度可達1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位?？捎糜诤娇瞻l(fā)動機燃燒室內襯。
MA754合金在氧化氣氛下使用溫度可達1250℃并保持相當高的高溫強度、耐中堿玻璃腐蝕?，F(xiàn)已用于制作航空發(fā)動機導向器蓖齒環(huán)和導向葉片。
MA6000合金在1100℃拉伸強度為222MPa、屈服強度為192MPa；1100℃，1000小時持久強度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發(fā)動機葉片。
金屬間化合物高溫材料
金屬間化合物高溫材料是近期研究開發(fā)的一類有重要應用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎性研究、合金設計、工藝流程的開發(fā)以及應用研究已經成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就。
Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8～5.8g/cm3)、高溫高強度、高鋼度以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點，可以使結構件減重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫(小于600℃)有較高強度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。
環(huán)境高溫合金
在民用工業(yè)的很多領域，服役的構件材料都處于高溫的腐蝕環(huán)境中。為滿足市場需要，根據(jù)材料的使用環(huán)境，歸類出系列高溫合金。
1、高溫合金母合金系列
2、抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件
3、高強度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件
4、耐玻璃腐蝕系列產品
5、環(huán)境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列
6、特種精密鑄造零件(葉片、增壓渦輪、渦輪轉子、導向器、儀表接頭)
7、玻棉生產用離心器、高溫軸及輔件8、鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌
9、閥門座圈
10、鑄造“U”形電阻帶
11、離心鑄管系列
12、納米材料系列產品
13、輕比重高溫結構材料
14、功能材料(膨脹合金、高溫高彈性合金、恒彈性合金系列)
15、生物醫(yī)學材料系列產品
16、電子工程用靶材系列產品
17、動力裝置噴嘴系列產品
18、司太立合金耐磨片
19、超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。
3 鎳基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γ'[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(jù)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。
鎳基高溫合金按強化方式有固溶強化型合金和沉淀強化型合金。
•固溶強化型合金
具有一定的高溫強度，良好的抗氧化，抗熱腐蝕，抗冷、熱疲勞性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作溫度較高、承受應力不大(每平方毫米幾公斤力，見表1)的部件，如燃氣輪機的燃燒室。
•沉淀強化型合金
通常綜合采用固溶強化、沉淀強化和晶界強化三種強化方式，因而具有良好的高溫蠕變強度、抗疲勞性能、抗氧化和抗熱腐蝕性能，可用于制作高溫下承受應力較高(每平方毫米十幾公斤力以上，見表2) 的部件，如燃氣輪機的渦輪葉片、渦輪盤等。
4組織編輯
鎳基合金的顯微組織特點及其發(fā)展情況，合金中除奧氏體基體外，還有在基體中弭散分布的γ'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固時析出的一次碳化物和硼化物等。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(shù)量逐漸增多，尺寸逐漸增大，并由球狀變成立方體，同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的γ'相。在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成的γ+γ'共晶，晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被γ'相薄膜所包圍，組織的這些變化改善了合金的性能。
現(xiàn)代鎳基合金的化學成分十分復雜，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)的含量嚴加控制，否則會在使用過程中容易析出有害相，如σ、µ相，損害合金的強度和韌性。在鎳基鑄造高溫合金中發(fā)展出了定向結晶渦輪葉片和單晶渦輪葉片。
定向結晶葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而改善了合金的使用性能。單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，從而提高了合金的高溫強度，并進一步改善了合金的綜合性能。
5生產工藝編輯
鎳基合金，特別是沉淀強化型合金含有較高的鋁、鈦等合金元素。通常采用真空感應爐熔煉，并經真空自耗爐或電渣爐重熔。熱加工采用鍛造、軋制工藝，對于高合金化合金，由于熱塑性差，則采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。鑄造合金通常用真空感應爐熔煉母合金，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。
變形合金和部分鑄造合金需進行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時，空冷；中間處理，1080℃，4小時，空冷；一次時效處理，843℃，24小時，空冷；二次時效處理，760℃，16小時，空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。
