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全面详解镍及镍基合金

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  以镍为基加入其他元素组成的合金就叫镍合金。镍具有良好的力学、物理和化学性能,添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蚀性、高温强度和改善某些物理性能。镍合金可作为电子管用材料、精密合金(磁性合金、精密电阻合金、电热合金等)、镍基高温合金以及镍基耐蚀合金和形状记忆合金等。在能源开发、化工、电子、航海、航空和航天等部门中,镍合金都有广泛用途。

镍能与铜、铁、锰、铬、硅、镁组成多种合金。其中镍铜合金是著名的蒙乃尔合金,它强度高,塑性好,在750度以下的大气中,化学性能稳定,广泛用于电气工业、真空管、化学工业、医疗器材和航海船舶工业等方面。
一、镍基合金定义

镍基合金一般以Ni含量超过30wt%之合金称之,常见产品之Ni含量都超过50wt%, 由于具有超强的高温机械强度与耐蚀性质,与铁基和钴基合金合称为超合金(Superalloy),一般是应用在540℃以上的高温环境,并依其使用场合,选用不同合金设计,多用于特殊耐蚀环境、高温腐蚀环境、需具备高温机械强度之设备。常应用于航天、能源、石化工业或特殊电子/光电等领域。
应用领域产品要求特性产品用途
航天工业极高温下维持良好机械强度飞机引擎、燃气涡轮机、引擎阀门
能源工业良好的抗高温硫化、高温氧化特性熔炉零件、隔热层、热处理产业、石油与天然气产业
石化工业耐水溶液(酸、碱、氯离子)腐蚀海水淡化厂、石化输送管线
电子/光电一般工业一般耐蚀或耐高温程度较低之环境电池壳件、导线架,计算机监视器网罩

 

二、起源与发展

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Cr镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内,镍基合金的工作温度从700 提高1,100℃,平均每年提高10℃左右。时至今日,镍基合金之使用温度已可超过1,100℃,从前述最初成份简单之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条件下之持久强度约达1,000小时,可用于航空发动机叶片。
三、镍基合金之特色

镍基合金是超合金中应用最广、强度最高的材料。超合金之名称即源自于材料特色。
包括:
(1)性能超优异:高温下可维持高强度,且具有优异的抗潜变、抗疲劳等机械性质,以及抗氧化和耐蚀特性与良好的塑性和 焊接性。
(2)合金添加超繁杂:镍基合金常添加十种以上之合金元素,用以增进不同环境之耐蚀性;以及固溶强化或析出强化等作用。
(3)工作环境超恶劣:镍基合金被广泛用于各种严苛之使用条件,如航天飞行引擎燃气室的高温高压部分、核能、石油、海洋工业之结构件,耐蚀管线等。