鎳基合金由于具有優(yōu)異的高溫性能和卓越的耐蝕性能，已在航空航天、核電、火電、石油化工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但鎳基合金的焊接往往會(huì)帶來(lái)不少的困難，主要表現(xiàn)在相的變化導(dǎo)致接頭性能的改變，以及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的各種裂紋等缺陷造成運(yùn)行中的早期失效。為此，眾多科技工作者長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)鎳基合金的焊接開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，力求在焊接鎳基合金時(shí)能獲得高質(zhì)量和性能滿(mǎn)意的焊接接頭。
鎳基合金是工程材料最重要的類(lèi)別之一，因?yàn)樗鼈兡軌蛴糜诙喾N環(huán)境和場(chǎng)合。在含水和高溫下的耐蝕場(chǎng)合、室溫和高溫下的高強(qiáng)度場(chǎng)合、低溫下的延性和韌性場(chǎng)合、特殊的電性能場(chǎng)合以及與其他物理性能有關(guān)的場(chǎng)合都選用了這些合金。鎳基合金焊接材料能提供某些焊態(tài)下的性能，而這些性能是其他類(lèi)型的焊接產(chǎn)品所不能提供的，例如被許多各種不同的合金元素稀釋后，還能保持從低溫到接近固相線(xiàn)溫度強(qiáng)度和延性的能力。它們也是十分通用的，例如，用于焊接9%鎳鋼的Ni-Cr-Mo系焊接產(chǎn)品在液氮溫度下還具有非常高的焊態(tài)強(qiáng)度和沖擊韌性。用來(lái)焊接鑄鐵的鎳和鎳－鐵合金能被鐵和碳稀釋后而保持延性，并提供良好的機(jī)加工特性。鎳基合金焊接材料亦廣泛用于電力工業(yè)，可在碳鋼和不銹鋼之間進(jìn)行異種焊接，作為在高溫下使用時(shí)熱膨脹系數(shù)的過(guò)渡材料。
相對(duì)于鋼而言，鎳基合金能夠在低溫下使用，又能在接近1200℃的高溫下使用，因?yàn)楣倘芎辖鸬幕w從固態(tài)到絕對(duì)零度都保持奧氏體。這些加入適當(dāng)添加劑的合金提供了有用的耐蝕性，并在包括電力、石化、化學(xué)加工、航天和控制環(huán)境污染等的廣大工業(yè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。對(duì)鎳基合金來(lái)說(shuō)，焊接是一門(mén)關(guān)鍵性的制造技術(shù)。最近50年來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作，為更好地弄懂和控制這些合金的焊接性以及開(kāi)發(fā)在焊接接頭耐蝕性和力學(xué)性能方面能滿(mǎn)足更高要求的焊接材料作出了不懈的努力。
對(duì)鎳基合金來(lái)說(shuō)，沒(méi)有像鐵合金和鋁合金那樣的系統(tǒng)分類(lèi)體系。因此，大多數(shù)鎳基合金是通過(guò)它們的商業(yè)名稱(chēng)或最初由合金制造商給予的合金號(hào)而被知曉的。例如，INCONEL 600合金 和 HASTELLOY C-22 合金亦歸類(lèi)于600合金和C-22合金。鎳基合金通常以成分分類(lèi)，如圖1.1所示。以下列出這些類(lèi)別的簡(jiǎn)要匯總。
1. 商用純鎳合金
商用純鎳合金是基本上含有鎳＞99%的那些合金。這是一個(gè)商用純鎳合金的完整族系，命名為200合金和201合金。這些材料具有低強(qiáng)度和低硬度，原則上由于它們具有良好的耐蝕性而用于苛性腐蝕環(huán)境。201合金具有最高值為0.02wt%的碳，所以它們能夠在高于315℃（600°F)的高溫下使用而無(wú)被“石墨化”的危險(xiǎn)。因?yàn)樘荚诟哂?15℃的鎳基體中是相對(duì)易變的，添加超出溶解度極限（～0.02%)的碳會(huì)造成石墨質(zhì)點(diǎn)的沉淀，使材料變脆和變?nèi)酢?/span>
還有一些附加商用純鎳合金，它們?cè)陔娀虼胖律炜s的有限場(chǎng)合使用。這些合金具有良好的焊接性，但在焊接時(shí)對(duì)氣孔敏感。如果在焊前和焊接中保持清潔，這些合金會(huì)顯示良好的抗裂性，但保護(hù)氣體或焊劑必須充足以避免氣孔的形成。商用純鎳焊接材料含有最高達(dá)1.5%鋁和2.0%~3.5%鈦的添加劑來(lái)抵消少量的大氣污染。鈦和鋁與氧結(jié)合形成氧化物，與氮結(jié)合形成氮化物，因而控制了在焊縫熔敷金屬中的氣孔。
2. 固溶強(qiáng)化合金
鎳和銅是同一形態(tài)的元素（完全固溶性），能在整個(gè)成分范圍內(nèi)生成單相合金。這個(gè)族系的材料通常對(duì)海水和其他一般腐蝕環(huán)境顯示出良好的耐蝕性。通常Ni-Cu合金有很好的焊接性，但如果不使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)或良好的抗氧化焊接材料，可能會(huì)對(duì)氣孔敏感。其他的固溶強(qiáng)化鎳基合金可以?xún)H含有鐵，這些合金的大多數(shù)由于特定的膨脹系數(shù)或電性能而得到使用。Ni-36%Fe合金通常稱(chēng)作INVAR合金，在所有的鎳基合金中具有最低的膨脹系數(shù)，在幾百度的溫度范圍內(nèi)加熱和冷卻一直到約300°F,僅以小于1.0x10-6in/(in·℉-1)的速率膨脹和收縮。Ni-Fe合金有較好的焊接性，但開(kāi)發(fā)又有良好抗凝固裂紋性能，又有相匹配膨脹性能的焊接材料對(duì)焊材制造商來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。Ni-Fe合金及其焊材也可能對(duì)低塑性開(kāi)裂敏感，這種開(kāi)裂的機(jī)理將在第3章中詳細(xì)闡述。
其他固溶合金含有不同的置換元素，包括鉻、鉬和鎢。每種元素都能賦予特殊的性能，并有能力改變每種合金的焊接特性。固溶強(qiáng)化鎳基合金的最高抗拉強(qiáng)度值接近830 MPa(120 ksi),而屈服強(qiáng)度在345~480 MPa(50~70 ksi)之間。這些合金在要求具有良好耐蝕性的廣泛場(chǎng)合下使用。如果要求較高的強(qiáng)度水平，必須選擇沉淀強(qiáng)化合金。
3. 沉淀強(qiáng)化合金
沉淀強(qiáng)化鎳基合金含有鈦、鋁和／或鈮等添加劑，在適當(dāng)?shù)臒崽幚砗笈c鎳形成強(qiáng)化的沉淀物。在大多數(shù)情況下，這些沉淀物與奧氏體基體具有凝聚力，并使基體變形，因而實(shí)質(zhì)上增加了基體的強(qiáng)度。這些沉淀物的大多數(shù)稱(chēng)為Y'[Y-Nis Al、Nis Ti和Nig(Al,Ti)]和γ”（Y"-NisNb)。在最佳合金添加劑和熱處理情況下，這些合金能夠強(qiáng)化到最高抗拉強(qiáng)度超過(guò)1380 MPa(200 ksi)和0.2%屈服強(qiáng)度超過(guò)1035 MPa(150 ksi).第一個(gè)沉淀硬化Ni-Cr合金（X-750)是由γ'強(qiáng)化的，在靠近γ'溶解線(xiàn)溫度下，顯示出良好的抗氧化性和高溫強(qiáng)度的組合。不幸的是，當(dāng)焊后并直接時(shí)效而不在中間插入退火處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焊后應(yīng)變時(shí)效裂紋（SAC).這種開(kāi)裂的機(jī)理將在第4章中詳細(xì)闡述。在為改善焊接性和避免SAC的努力下，開(kāi)發(fā)了γ”強(qiáng)化的第二代沉淀硬化Ni-Cr-Mo合金。這些合金中最普遍的是718合金。因?yàn)棣谩背恋砦锉圈?#39;的形成要慢得多，718合金在焊后熱處理時(shí)通常不受SAC影響。718合金的主要應(yīng)用之一是航空航天燃?xì)馔钙絺鲃?dòng)軸和耐壓殼。如果適當(dāng)?shù)厝蹮挘@得低含量的雜質(zhì)，該合金可提供極大的使用機(jī)會(huì)。當(dāng)設(shè)計(jì)合理時(shí)，在一直到760℃（1400°F)的使用溫度下，具有極佳的疲勞壽命。
基于沉淀強(qiáng)化合金具有在高溫下不同尋常的高強(qiáng)度和耐蝕性，所以通常把它們歸類(lèi)為“超合金”。該術(shù)語(yǔ)曾松散地應(yīng)用于許多其他高強(qiáng)度多元合金，但一般術(shù)語(yǔ)“超合金”是用來(lái)描述由γ'和γ”相所提供的具有超強(qiáng)度性能的鎳基合金。
在燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片上采用超合金始于IN713C合金。這種合金與X-750合金相似，但僅僅作為鑄件生產(chǎn)，因?yàn)楹休^多的鋁、鈦添加劑，因此從鑄造溫度下冷卻時(shí)，會(huì)發(fā)生時(shí)效硬化。由于該合金對(duì)SAC有極高的敏感性，所以產(chǎn)品修復(fù)受到限制，但在葉片頂端堆焊則不會(huì)開(kāi)裂。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)進(jìn)展，增加了“超合金”族系的其他成員，包括超高強(qiáng)度和耐腐蝕的單晶透平葉片合金。為了減少在運(yùn)行時(shí)受到侵蝕，在葉片頂端堆焊是可行的，只要焊接過(guò)程能很好得到控制，并使殘余應(yīng)力保持在較低水平。最初這些材料在焊接修復(fù)時(shí)曾遇到挑戰(zhàn)，包括避免在熔池中的晶粒分散和阻止開(kāi)裂。
4. 其他特殊合金
有一些合金，由于它們具有令人印象深刻的高溫蠕變特性，也能納入“超合金”范疇，例如氧化物彌散強(qiáng)化合金MA6000和MA754。這些合金使用沉淀硬化和彌散硬化兩種機(jī)理，顯示出優(yōu)越的蠕變強(qiáng)度，其中彌散硬化是由在高溫下穩(wěn)定的精細(xì)彌散顆粒所建立的。氧化釓（Y2O3)是用來(lái)作為強(qiáng)化的彌散體的一個(gè)例子。這些材料亦具有優(yōu)越的高溫抗氧化性能，但是當(dāng)它們用普通的熔焊技術(shù)來(lái)連接時(shí)，則無(wú)能力維持其貫穿焊接接頭的高強(qiáng)度。當(dāng)用焊接熔化時(shí)，彌散體趨向于聚結(jié)，因而由彌散體帶來(lái)的局部加強(qiáng)在熔合區(qū)和熱影響區(qū)均會(huì)喪失。
鎳-鋁化合物是圍繞或是NiAl或是Ni3Al組成而設(shè)計(jì)的合金。它們顯示出非常高的強(qiáng)度和耐蝕性能，但由于它們?cè)诤艽鬁囟确秶鷥?nèi)延性低，所以焊接非常困難。Ni-Cr-B和Ni-Mo-Si合金曾被開(kāi)發(fā)用于在不同環(huán)境下的耐磨材料，但這些合金由于硬度高、延性低，并在其成分范圍內(nèi)會(huì)形成低熔融區(qū)間的相，所以同樣難以焊接。
