镍能与铜、铁、锰、铬、硅、镁组成多种合金。其中镍铜合金是驰名的蒙乃尔合金，它强度高，塑性好，在750度以下的大气中，化学机能不变，宽泛用于电气工业、真空管、化学工业、医疗器材和航海船舶工业等方面。

一、镍基合金界说

镍基合金通常以Ni含量超过30wt%之合金称之，常见产品之Ni含量都超过50wt%， 由于拥有超强的高温机械强杜纂耐蚀性质，与铁基和钴基合金合称为超合金(Superalloy)，通常是利用在540℃以上的高温环境，并依其使用场所，选用分歧合金设计，多用于特殊耐蚀环境、高温侵蚀环境、需具备高温机械强度之设备。镍棒、镍板等高温镍基合金常利用于航天、能源、石化工业或特殊电子/光电等领域。

二、发源与发展

镍基合金是30年代后期起头研造的，英国于1941年首先出产出镍基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高潜变强杜字增长Al，研造出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；而美国于40年代中期，俄罗斯于40年代后期，中国于50年代中期也先后开发出镍基合金。镍基合金的发展蕴含两个方面，即合金成分的改进和出产技术的改革。如50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼造含高Al和Ti 的镍基合金创造了前提，而带头了合金强杜纂使用温度的大幅提高。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，因而选取精密铸造技术，发展出一系列拥有优良高温强度的铸造合金。60年代中期发展出机能更好的方向性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必要，60年代以来还发展出一批抗热侵蚀机能较好、组织不变的高Cr镍基合金。在从40年代初到70年代末约莫40年的功夫内，镍基合金的工作温度从700 提高1,100℃，均匀每年提高10℃左右。时至今日，镍基合金之使用温度已可超过1,100℃，早年述最初成份单一之Nimonic75 合金，到近期发展出之MA6000 合金，在1,100℃时拉伸强度可达2,220MPa、屈服强度为192MPa；其1,100℃/137MPa前提下之悠久强度约达1,000幼时，可用于航空发起机叶片。

三、镍基合金的特色

镍基合金是超合金中利用最广、强度最高的资料。超合金之名称即源自于资料特色。蕴含：(1)机能超优异：高温下可维持高强度，且拥有优异的抗潜变、抗委顿等机械性质，以及抗氧化和耐蚀个性与优良的塑性和 焊接性。(2)合金增长超繁芜：镍基合金常增长十种以上之合金元素，用以推进分歧环境之耐蚀性；以及固溶强化或析出强化等作用。(3)工作环境超恶劣：镍基合金被宽泛用于各类严苛之使用前提，如航天飞行引擎燃气室的高温高压部门、核能、石油、海洋工业之结构件，耐蚀管线等。

四、镍基合金的微组织

镍基合金的晶体结构重要为高温不变之面心立方体(FCC)结构，为了提高其耐热性质，增长了大量的合金元素，这些元素会形成各类二次相，提升了镍基合金之高温强度。二次相的种类蕴含各类大局之 MC、M23C6、M6C、M7C3碳化物，重要散布在晶界，以及如 γ' 或 γ'' 等结 构上为整合性(Coherent)之有序(Ordering)介金属化合物。γ'与 γ'' 相之其化学组成大体是Ni3(Al,  Ti) 或 Ni3Nb，此类有序相在高温下极度不变，经由它们的强化可得到良好的潜变粉碎强度。典型镍基合金之微组织如图1：

图1   典型镍基合金之微组织

随着合金化水平的提高，其显微组织的变动有如下趋向：γ'相数量逐步增多，尺寸逐步增大，并由球状造成立方体，统一合金中出现尺寸和状态不一样的γ'相。此表，在铸造合金中还呈此刻凝固过程中形成的γ+γ'共晶，晶界析出不陆续的颗粒状碳化物并被γ'相薄膜所包抄，这些微组织的变动改善了合金的机能。此表，现代镍基合金的化学成份极度复杂，合金的鼓和度很高，因而要求对每个合金元素 (尤其是重要强化元素)的含量严加节造，不然会在使用过程中容易析出其他有害的介金属相，如σ、Laves相称，将侵害合金的强度和韧性。

五、合金元素之作用与商标

镍基合金是高温合金中利用最广、强度最高的一类合金。其中增长较大量的Ni 为沃斯田铁相不变元素，使得镍基合金维持 FCC结构而能够溶化较多其它合金元素，还能维持较好的组织不变性与资料的塑性；而 Cr、Mo和Al则拥有抗氧化和抗侵蚀作用，并拥有肯定的强化作用。镍基合金的强化依元素作用方式可分为：(1)固溶强化元素，如W、Mo、Co、Cr和V等，藉由此类原子半径与基材的分歧，在Ni-Fe之基地造成部门晶格应变来强化资料；(2)析出强化元素则如Al、Ti、Nb和Ta等，能够形成整合性有序的A3B型金属间化合物，如Ni3(Al,Ti)等强化相(γ’)，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基合金更高的高温强度；(3)晶界强化元素，如B、Zr、Mg和稀土元素等，可加强合金之高温性质。通常镍基合金的商标由其所开发厂家来定名，如Ni-Cu合金又称为Monel合金，常见如Monel 400、K-500等。Ni-Cr合金通常称为 Inconel合金，也就是常见之镍基耐热合金，重要在氧化性介质前提下使用 ，常见如 Inconel 600、625等。若是Inconel合金中参与较高量的Fe来取代Ni，则为Incoloy合金，其耐高温水平不如镍基析出硬化型合金，但价值便宜，可用于喷射引擎里温度较低部份的组件及石化厂反映器等，如Incoloy  800H、825等。若于Inconel与Incoloy中参与析出强化元素，如Ti、Al、Nb等，则成为析出硬化型(铁)镍基合金，可于高温下仍保有优良的机械强杜纂抗蚀性，多用于喷射引擎的组件，如 Inconel  718 、Incoloy  A-286 等。而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金则称为哈氏耐蚀合金（Hastelloy)，其中Ni-Cr-Mo重要在还原性介质侵蚀的前提下使用。Hastelloy的代表商标如C-276、C-2000等。镍基合金之重要商标与增长元素之对照可参考图2：

图2 镍基合金之重要商标与增长元素之对照

六、镍基合金之机能

1、高温(瞬时)强度

镍基合金室温下就拥有较高的拉伸强度 (TS=1,200-1,600；YS= 900-1,300 MPa)，且兼具优良的延展性，此一趋向可维持至高达图3

图3 镍基合金中强硬之析出相与具延性之基地所形成之复合概想

蕴含利用前述以离子与共价键结，在常温下拥有高熔点、高强度之γ'或γ''等析出相，搭配滑移系统多而具延展性之沃斯田铁相基地，以复合伙料之概想得到兼具强度塑性之优异机械性质，使得镍基合金之利用温度成为金属资猜中最高的图4:

图4 各类工程资料依机械强度所划分之强度-利用温度地图

2、潜变强度

潜变为资料在高温(T/Tm>0.5)恒荷载作用下，缓慢地产生塑性变形的景象，为资料合金由于拥有最佳的抗高温潜变能力，而被宽泛的使用在各类高温环境，作为承力件利用。潜变的产生如图5：

图5 潜变变形之三个阶段，以及温度对潜变影响之强度-利用温度示意图

可分为三个阶段， 在初步潜变(Primary Creep)阶段，变形速度相对较大，但是随着应变的增长产生加工硬化而减慢。当变形速度达到某一个最幼值并靠近常数，此时称为第二阶段潜变，或稳态阶段潜变 (Secondary  or  Steady-StateCreep)，这是由于加工硬化和动态回复达到平衡的了局，在工程资料设计上所要求之潜变应变率就是指这一阶段的应变率。在第三阶段(Tertiary Creep)，由于颈缩景象，应变率随着应变增大而呈指数性的增长，最后达到粉碎。 应力和应变率的关系随潜变机造的分歧而有所分歧，通常寺反，温度的升高或是应力的增长城市增长稳态潜变的变形速度并缩短潜变寿命。潜变之机造可分为(1)差排潜变：受到高温的援手，差排可能沿滑移面产生滑移，进而产生变形。(2)扩散潜变：由原子移动造成，沿晶粒散的称为Nabarro-Herring Creep，在高温时为重要机造。沿晶界扩散的叫做Coble Creep，在低温时 为重要机造。因而晶粒越幼越容易产生扩散潜变。(3)晶界滑移：因高温时晶界较弱，资料易沿晶界产生滑移，造成沿晶裂缝。故高温时晶粒越幼越容易产生晶界滑移潜变及沿晶裂缝。金属的潜变变形常为差排潜变与晶界滑移的交互作用，镍基合金由于拥有介金属相的析出，可大幅抑造差排潜变，而晶界上析出之碳化物则可援手抵抗晶界滑移造成之潜变景象，使得镍基合金相对其他金属资料拥有较优异之抗潜变性质图6：

图6 分歧合金资料之潜变性质比力

此表，从传统的铸造方式改以单向性凝固长柱状晶，抵抗高温潜变的性质会上升，若进一步长成单晶时，抗潜变能力更大幅提高，故镍基合金也发展出方向性共晶凝固、单晶铸造、粉末冶金等特殊技术，进一步推进了镍基合金抵抗高温潜变的能力。

3、耐蚀性质

对资料产生侵蚀的节造已被视为是工业上实际资料经济节约之最佳方式。工业设备在设计端的资料选用并非只思考资料价值，后续更换、保养所需的周期长短与整体使用效能之良窳，以及更沉要的安全性等议题等，都必要更精确的列入设计与选用之思考。镍基合金在强还原性侵蚀环境，复杂的混合酸环境，含有卤素离子的溶液中都拥有很好的耐蚀性，镍基耐蚀合金能够Hastelloy合金为代表，如前所述，Ni元素在晶体学上能包容较多的合金，来推进抵抗侵蚀环境的能力；且Ni自身就拥有肯定的抗腐性，如匹敌Cl离子的应力侵蚀与苛性碱侵蚀拥有绝佳抵抗能力。而镍基合金中增长的钝化多种元素可与基材相形成固溶体，提升了资料的侵蚀电位及热力学不变性。如Ni中参与 Cu,  Cr,Mo等，提高整体合金的耐蚀性图7：

图7 分歧合金资料侵蚀电位之示意图

此表，合金元素能促使合金表表天生致密的侵蚀 产品；つ，如形成Cr2O3，Al2O3等氧化层，提供资料抵抗各类侵蚀环境的；げ，因而镍基耐蚀合金通常含有Cr、Al这两种元素之一或两者都有，尤其是当强度不是合金重要要求时，要出格把稳合金的抗高温氧化机能 和热侵蚀机能，高温合金的氧化机能随合金元素含量的分歧而有所差距，只管高温合金的高温氧化行为很复杂，但通常仍以氧化动力学和氧化膜的组成变动来暗示高温合金的抗氧化能力，在此将纯镍及重要镍基合金之耐蚀性质分述如下。  纯镍资料如 Ni200/201(UNS  N02200/ UNS N02201)是贸易纯镍(>99.0%)。它拥有优良的机械机能和优异的抗侵蚀能力，及其它有效物理个性，蕴含其磁机能、磁致伸缩机能、高的导热和导电机能等。Ni 200的抗侵蚀能力使得它在面对如食品、人造纤维以及苛性碱等必要保障产品纯净的利用中出格有效。在结构利用中当抗侵蚀能力是重要思考成分时使用也很宽泛。其它的使用蕴含天以及导弹零件等。镍基耐蚀合金蕴含哈氏合金以及Ni-Cu合金等，重要合金元素是Cr、Mo、Cu等，拥有优良的综合机能，可耐各类酸侵蚀和应力侵蚀。最早利用Ni-Cu成份之Monel；此表还有Ni-Cr合金(即镍基耐热合金，耐蚀合金中的耐热侵蚀合金)、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Mo合金(即哈氏合金之C系列) 等。以耐蚀个性而言，Ni-Cu合金在还原性介质中耐蚀性优于Ni，而在氧化性介质中耐蚀性又优于Cu，在无氧和氧化剂的前提下， 是耐高温氟气、氟化氢和氢氟酸的最好的资料；Ni-Cr合金重要在氧化性介质前提下使用？煽垢呶卵趸秃颉⒎暗绕宓那质， 合金中含Cr量在大于13%时能力造成有效的抗蚀作用，而Cr含量越高，其耐蚀性越好， 但在非氧化性介质如盐酸中，耐蚀性较差， 这是由于非氧化性酸不易使合金天生氧化膜，同时对氧化膜还有溶化作用。镍基合金中再增长含Mo与Cu等元素，则可推进；てサ胁慊乖嶂骨质茨芰，如Ni-Mo合金重要在还原性介质侵蚀的前提下使用，是耐盐酸侵蚀的最好的一种合金，但在有氧和氧化剂存在时，耐腐性会显着降落 。Ni-Cr-Mo(-W) 合金则兼有上述 Ni-Cr 与Ni-Mo合金的机能，重要在氧化与还原混合介质前提下使用，这类合金在高温氟化氢气钟注在含氧和氧化剂的盐酸、氢氟酸溶液中以及在室温下的湿氯气中耐蚀性优良。含Mo 镍基耐蚀合金之沉要性在于可同时抵抗氧化酸与还原酸，如钛及不锈钢则只耐氧化酸，如哈氏C-276或C-2000合金就是一种含W的Ni-Cr-Mo合金，见图8：

图8   分歧合金在还原酸(HCl)中之耐蚀性质数据

含有极低的硅和碳， 通常被以为是全能的抗侵蚀合金，拥有在氧化和还原两空气状态中，对大无数侵蚀介质拥有优异的耐侵蚀机能，以及杰出的耐孔蚀、缝隙侵蚀和应力开裂侵蚀机能，此类合金因削减了C、Si，所以能够节造碳化物的析出，而更提高其耐侵蚀机能。由于此类之个性，所以宽泛作为化学设备等刻薄环境下的利用资料。此表，Ni-Cr-Mo-Cu合金拥有既耐硝酸又耐硫酸侵蚀的能力，在一些氧化-还原性混合酸中也有很好的耐蚀性。

七、镍基合金之出产技术

传统之镍基合金的出产流程为镍原料→ 镍合金铸锭(熔炼)→二次精辟→加工→制品→下游利用，见图9：

图9 通常镍基合金出产之流程图

其它如针对航天利用等之特殊需要，则发展出如方向性凝固，单晶铸造，粉末冶金等特殊技术。本文即针对传统上出产镍基合金之关键技术，如熔炼、热加工、热处置等做简要的介绍。镍基合金之成分组成以Ni-Cr-Fe为主， 其它元素的增长如Cu、Si、Mn、Al、Ti、Nb、W、C等。通常从文件可相识这些元素对超合金资料的影响，但若要沉组或增长新的合金成份，并相识其在微组织之交互作用， 最近已有以资料性质仿照软件，可进行合金系统热力学与动力学的推算，协助提供高性价比之方向，可提高合金设计的效能。而合金设计的实现则须由熔炼技术来实现，镍基合金熔炼重要分辨为通常等第的电炉 (Electric Arc Furnace，EAF)＋电渣沉熔精辟 (Electro-Alag Remelting，EAR)及高档第的真空感应熔炼(Vacuum Induction Melting，VIM)＋电渣沉熔精辟产品。为了熔炼时获得更纯净化的合金钢液，减低气体含量与有害元素含量；同时由于部门合金中有易氧化元素如Al、Ti等存在，以非真空方式冶炼难以节造；更是为了获得更好的热塑性，镍基合金通常选取真空感应炉熔炼，甚至用真空感应熔炼加真空自耗炉或电渣炉沉熔方式进行出产。其中VIM图10：

图10   真空感应熔炼与电渣沉熔精辟设备之示意图

重要之主张是精准射中7-12种合金成份，并去除杂质元素及有害气体，再以铸锭凝固节造技术维持结构致密无表表缺点，因是在真 空环境下进行合金熔炼，可限度非金属氧化同化物的形成，以高蒸气压去除不必要的微量元素与溶化气体，例如氧、氢和氮等，来得到精确且均匀的合金组成。VIM实现熔炼之铸锭可用做ESR之电极以进行精辟，ESR (图10)造程之主张则是为了得到更纯净低杂质之铸锭，即以渣性/精辟节造技术去除粗壮介在物，再以铸锭凝固节造技术，达到成份纯净、结构致密与微组织均匀的指标。通常用真空感应炉熔炼以保障成份与节造气体及杂质含量，并用真空沉熔-精密铸造技术造成零件。以超合金加工件而言，熔炼步骤的选择会影响不纯区(即成分产生异常偏析）通常而言，不纯杜纂缺点(如孔隙)则与合金成分与铸造技术有关。镍基合金在加工方面常选取铸造、轧造等方式型，对于热塑性差的合金甚至选取挤压开胚后轧造或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压技术。通常变形的主张是为了破碎铸造组织，优化微观组织结构。镍基合金在高温时较高之变形阻抗与热延性的不不变，增长了镍基合金造程上的难题度。通常镍基合金强度高，冷、热加工不易，以C-276为例， 高温变形阻抗约为不锈钢之2.4倍；且冷加工之高硬化率使得其强度可至不锈钢的2倍。而热加工时除需思考高温变形阻抗表，还需思考分歧温度下热延性之分歧变形阻或同化物出现之区域)的产生与否，而不纯区则会中伤合金之高温机械性质，如图11： 

图11  镍基合金Inconel 601于分歧温度下之热延 

性与变形阻抗之数据曲线，显示于热延性低 于60%之温度下行加工易造成裂缝之产生以超合金铸件而抗与热延性同时允许进行加工之温度领域，能力视为热加工造程之工作区间。加工后或部份铸造合金需进行热处置，镍基合金固溶热处置之主张，为视产品性质 (如韧性或潜变)之需要，进行晶粒尺寸之节造，并以高温促使产生再结晶与应力解除， 以及回溶前造程中析出之不良相，如M23C6、δ、η等。以固溶强化型镍基合金而言，其热处置法式为(1)升温至析出物可产生回溶之温度，(2)持温以达到所需晶粒尺寸，(3) 冷速须节造预防如敏化相M23C6等之析出。 通常而言，固溶处置后机性受到晶粒尺寸与 沿晶析出物之影响，需视合金成份与前造程 情况调整固溶处置温杜纂功夫，以达到所需之性质。此表，含Cr镍基合金经400~800oC 之热经验时，碳化铬(M23C6)会析出于晶界， 造成晶界周围形成铬不足区 (Cr-depletion Zone)，而导致此区耐蚀性降低，称为敏化而容易导致沿晶侵蚀(IGA)及沿晶应力侵蚀分裂(IGSCC)的产生。另一方面，沃斯田铁系析出强化镍基合金之热处置则蕴含 (1)升温 至析出物回溶之温度之固溶阶段以及(2)于γ/ γ'两相区持温之时效阶段。其中固溶使得析出物回溶，基地中 γ' 析出所需元素增长， 并达成各增长元素之均质化，且节造基材 γ 相之晶粒尺寸；而时效阶段则能够持温温度、功夫、冷速与多阶段时效来节造 γ' 之体积分率、描摹、尺寸与散布，重要析出物之散布与描摹可影响潜变与耐蚀性质。通常而言，强化相常为奈米尺度，以通常金相步骤观察不易。常须藉助倍率较高之穿透式电子显微镜(TEM)来把握析出物描摹。

八、结语

近年来，全球镍基合金产量将持续增长，尤其以石化用之EAF等级及能源/航天用之VIM等级镍基合金之需要量的增长最为显著，其中又以亚洲市场的成长最为迅速，在航天、能源方面之利用将大幅增长。