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。 杂质对高温合金再热裂纹的影响 1—加热曲线对于 A、B 均不裂；2—加热曲线对 A 裂，B 不裂 4、焊接接头的“等强度”问题 高温合金焊后，在过热区有显著的晶粒粗化现象，接头性能不均匀，对高温塑性、疲劳强度、蠕变极 限、持久强度、硬度等都有较大影响。 为了获得比较理想的焊接接头，应尽量减少接头的过热和组织不均匀性，故焊接时应尽可能选用能量 集中的焊接方法和小的焊接线能量。 焊补次数增加，大大降低焊接接头的性能，促使再热裂纹的产生。所以，一般规定同一部位补焊不允 许超过三次。重要焊缝甚至禁止补焊。 三、高温合金的焊接工艺 1、TIG 焊接 TIG 焊是高温合金比较好的焊接方法，尤其是铁基合金，特别适应用于 12.5mm 以下薄板。 为防止产生裂纹，焊接时采用小焊接线能量，窄焊道，电弧长度尽可能短，一般为 1~1.5mm 为宜。 采用小直径钍钨极，端部磨成 30~60°的尖角，以保持电弧稳定，易于控制熔透和窄焊道。 Ar 气保护。特别是焊接含有 Al、Ti 等元素的合金时，要特别加强保护。 焊材可用奥氏体耐热不锈钢或镍基合金。 采用直流正接电源。 焊接时焊矩与母材保持垂直。 2、手工电弧焊 铁基合金中手工电弧焊使用较少，特别是沉淀强化型合金几乎不用。 焊条通常选用与母材合金成分相近，或选用高镍焊条。 Incoloy800 使用温度在 900 ℃以上，推荐用 ENiCrFe—2 焊条；使用温度在 540℃以上，推荐用 ENiCrFe—3 焊条。采用小焊接线能量，小电流、快焊 速、不横向摆动、窄焊道焊接；焊接开始或结尾都应装引弧板或熄弧板，防止裂纹的产生；采用直流反接 电源。 对于镍基合金，手工电弧焊一般只适用于板厚 1.6mm 以上，固熔强化型合金，不能用于沉淀强化型合 金的焊接。 3、等离子弧焊接 熔深大，可大于 7~8mm（Incoloy800） ，效率高；TIG 熔深 2~3mm。 4、MIG 焊接的热输入量较大，易出现热裂纹，只用于 T＞12.5mm 或高效率场合。 自动埋弧焊同上。 电子束焊接热量集中，但易出现一些特有的缺陷，如气孔、冷隔等，裂纹敏感性也较大。 三、高温合金的焊接工艺要点 1、加强保护 高温合金中有很多合金元素对氧具有很大的亲和力，若保护不好易被烧损，特别是铁基合金。 2、加强焊接区的清理 高温合金的表面常存在有难熔氧化膜，NiO 的熔点为 2090℃，如焊前未清理干净，易在焊缝中形成夹 杂物。另外，工件表面的污物未清理，也会带来一些有害杂质：如 Pb、P、S 等，影响焊接接头性能。所 以，对坡口边缘或多道焊的每道焊缝表面，都应彻底清理干净。 3、设计合理的坡口 铁基和镍基合金的液体金属流动性较差， 焊接时易产生未熔合缺陷。 熔深一般只有低碳钢的 50%左右， 奥氏体钢的 60%左右。为达到一定的熔深和熔合良好，其坡口角度要适当增大，钝边减小。 钢和镍基合金坡口设计的比较 4、要求高精度的装配。 5、减少焊接接头的过热。 焊缝的布置尽量避免交叉和分布过密，减少补焊次数，采用小焊接线能量和小截面焊道，选用脉冲焊， 分段焊等工艺。 6、选用好的焊接材料。 通常采用 Mo 和 W 含量较高的 Ni—Cr—Mo（W）系合金焊丝，抗裂性高。即使焊接沉淀强化型合金， 也宁可牺牲一些强度，不希望采用 Al、Ti 含量较高，会形成γ 金焊丝。 为了确保焊接接头的高温强度，以采用同质焊丝或力求焊缝与母材的合金成分相近为好。 对保护气体、焊条、焊剂等，要求纯度高，具有最小的氧化性，以保证最大的合金过渡系数。／ 相的焊丝，而选用 Ni—Cr—Mo（W）系合

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。 

变形高温合金

变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。

　　1、固溶强化型合金

　　使用温度范围为900～1300℃，最高抗氧化温度达1320℃。例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa；1000℃拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000℃、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。

　　2、时效强化型合金

　　使用温度为-253～950℃，一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。制作涡轮盘的合金工作温度为-253～700℃,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。例如：GH4169合金，在650℃的最高屈服强度达1000MPa；制作叶片的合金温度可达950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸强度为490MPa，940℃、200MPa的持久寿命大于40小时。

　　变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。

铸造高温合金

铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。其主要特点是：

　　1.具有更宽的成分范围由于可不必兼顾其变形加工性能，合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。如对于镍基高温合金，可通过调整成分使γ’含量达60%或更高，从而在高达合金熔点85%的温度下，合金仍能保持优良性能。

　　2.具有更广阔的应用领域由于铸造方法具有的特殊优点，可根据零件的使用需要，设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。

　　根据铸造合金的使用温度，可以分为以下三类：

　　第一类：在-253～650℃使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金，其650℃拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa应力下的持久寿命为200小时。已用于制作航空发动机中的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件等。

　　第二类：在650～950℃使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金，950℃时，拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小时的持久强度极限大于230MPa。这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。

　　第三类：在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DD402单晶合金，1100℃、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。这是国内使用温度最高的涡轮叶片材料，适用于制作新型高性能发动机的一级涡轮叶片。

　　随着精密铸造工艺技术的不断提高，新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术、复杂薄壁结构件的CA技术等都使铸造高温合金水平大大提高，应用范围不断提高。

粉末冶金高温合金

采用雾化高温合金粉末，经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，冷却速度快，从而成分均匀，无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，金属利用率高，成本低，尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。

　　FGH95粉末冶金高温合金，650℃拉伸强度1500MPa；1034MPa应力下持久寿命大于50小时，是当前在650℃工作条件下强度水平最高的一种盘件粉末冶金高温合金。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机的使用要求,是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。

氧化物弥散强化(ODS)合金

是采用独特的机械合金化(MA)工艺，超细的(小于50nm)在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中，而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持，具有优良的高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能、抗碳、硫腐蚀性能。

　　目前已实现商业化生产的主要有三种ODS合金：

　　MA956合金在氧化气氛下使用温度可达1350℃，居高温合金抗氧化、抗碳、硫腐蚀之首位。可用于航空发动机燃烧室内衬。

　　MA754合金在氧化气氛下使用温度可达1250℃并保持相当高的高温强度、耐中碱玻璃腐蚀。现已用于制作航空发动机导向器蓖齿环和导向叶片。

　　MA6000合金在1100℃拉伸强度为222MPa、屈服强度为192MPa；1100℃，1000小时持久强度为127MPa，居高温合金之首位，可用于航空发动机叶片。

金属间化合物高温材料

金属间化合物高温材料是近期研究开发的一类有重要应用前景的、轻比重高温材料。十几年来，对金属间化合物的基础性研究、合金设计、工艺流程的开发以及应用研究已经成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制备加工技术、韧化和强化、力学性能以及应用研究方面取得了令人瞩目的成就。

　　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)、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等优点，可以使结构件减重35～50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀性能，展示出极好的应用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀性能，在中温(小于600℃)有较高强度，成本低，是一种可以部分取代不锈钢的新材料。

环境高温合金

在民用工业的很多领域，服役的构件材料都处于高温的腐蚀环境中。为满足市场需要，根据材料的使用环境，归类出系列高温合金。

　　1、高温合金母合金系列

　　2、抗腐蚀高温合金板、棒、丝、带、管及锻件

　　3、高强度、耐腐蚀高温合金棒材、弹簧丝、焊丝、板、带材、锻件

　　4、耐玻璃腐蚀系列产品

　　5、环境耐蚀、硬表面耐磨高温合金系列

　　6、特种精密铸造零件(叶片、增压涡轮、涡轮转子、导向器、仪表接头)

　　7、玻棉生产用离心器、高温轴及辅件8、钢坯加热炉用钴基合金耐热垫块和滑轨

　　9、阀门座圈

　　10、铸造“U”形电阻带

　　11、离心铸管系列

　　12、纳米材料系列产品

　　13、轻比重高温结构材料

　　14、功能材料(膨胀合金、高温高弹性合金、恒弹性合金系列)

　　15、生物医学材料系列产品

　　16、电子工程用靶材系列产品

　　17、动力装置喷嘴系列产品

　　18、司太立合金耐磨片

　　19、超高温抗氧化腐蚀炉辊、辐射管。

3 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(每平方毫米十几公斤力以上，见表2) 的部件，如燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘等。

4组织编辑

镍基合金的显微组织特点及其发展情况，合金中除奥氏体基体外，还有在基体中弭散分布的γ'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固时析出的一次碳化物和硼化物等。随着合金化程度的提高，其显微组织的变化有如下趋势：γ'相数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，并由球状变成立方体，同一合金中出现尺寸和形态不相同的γ'相。在铸造合金中还出现在凝固过程中形成的γ+γ'共晶，晶界析出不连续的颗粒状碳化物并被γ'相薄膜所包围，组织的这些变化改善了合金的性能。

现代镍基合金的化学成分十分复杂，合金的饱和度很高，因此要求对每个合金元素(尤其是主要强化元素)的含量严加控制，否则会在使用过程中容易析出有害相，如σ、µ相，损害合金的强度和韧性。在镍基铸造高温合金中发展出了定向结晶涡轮叶片和单晶涡轮叶片。

定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。

5生产工艺编辑

镍基合金，特别是沉淀强化型合金含有较高的铝、钛等合金元素。通常采用真空感应炉熔炼，并经真空自耗炉或电渣炉重熔。热加工采用锻造、轧制工艺，对于高合金化合金，由于热塑性差，则采用挤压开坯后轧制或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压工艺。铸造合金通常用真空感应炉熔炼母合金，并用真空重熔-精密铸造法制成零件。

变形合金和部分铸造合金需进行热处理，包括固溶处理、中间处理和时效处理，以Udmet 500合金为例，它的热处理制度分为四段：固溶处理，1175℃，2小时，空冷；中间处理，1080℃，4小时，空冷；一次时效处理，843℃，24小时，空冷；二次时效处理，760℃，16小时，空冷。以获得所要求的组织状态和良好的综合性能。