高鎳耐蝕合金在中國（上）

1、概述

1.1 高鎳耐蝕合金的特征

1）含鎳量大于30%。

2）含有大量賦予合金耐蝕性的有效元素——鉻、鉬、鎢、銅、氮。

3）加入鈦、鈮的主要目的是起穩(wěn)定化作用，用以固定碳，提高合金的耐晶間腐蝕能力。

4）僅在時效強化型合金中加入鋁、鈦。

5）合金中的碳越低越好。

6）此類合金的基體組織為面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體組織。

7）合金的耐蝕性是其核心性能，合金的熱穩(wěn)定性是合金設(shè)計準(zhǔn)則，除時效硬化合金外，對合金的力學(xué)性能無苛刻要求。

上述特征對高鎳耐蝕做出了明確的界定。簡而言之，高鎳耐蝕合金是以耐蝕性為其核心性能，含鎳量大于或等于30%的一系列合金的統(tǒng)稱。

1.2 高鎳耐蝕合金的類型

按合金基體構(gòu)成的不同，高鎳耐蝕合金可分為鎳基和鐵鎳基耐蝕合金兩個基本類型。每個類型按其含有合金元素種類又可分成9個合金系統(tǒng)，詳見圖1和圖2。

可通過熱處理提高合金強度的高鎳耐蝕合金，通常兼具兩種特性，既是耐蝕合金又是高溫合金，牌號不多，詳見圖3。

2、高鎳耐蝕合金的近代進展

2.1 20世紀(jì)高鎳耐蝕合金的主要技術(shù)成就

自1905年第一個高鎳耐蝕合金Monel 400 問世以來，高鎳耐蝕合金得到了極大發(fā)展，其主要成就概況如下：

1）25%Cr使多個系統(tǒng)高鎳耐蝕合金的耐蝕性急劇提高，成為耐蝕性突變的拐點得到公認(rèn)并成功應(yīng)用于不同的合金系列。

1964年，中國研究Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金在含F(xiàn)-、Cl-強氧化性介質(zhì)中的耐蝕性時，發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)當(dāng)鉻含量達(dá)到25%時，其腐蝕率急劇下降，出現(xiàn)明顯拐點，試驗結(jié)果見圖4和圖5。依據(jù)此結(jié)果推出鐵鎳基新2號耐蝕合金的成分——00Cr25Ni35Mo3Cu4Ti。此研究成果，1973年公開部分結(jié)果，1982年公開了全部研究結(jié)果。

20世紀(jì)70年代在研究壓水型核反應(yīng)堆蒸發(fā)器耐SCC的材料時，在上述成果的啟發(fā)下研究成功了新13號耐蝕合金——00Cr25Ni35AlTi。一些試驗結(jié)果也表明，25%Cr的 Ni-Fe-Cr合金的耐應(yīng)力腐蝕性能急劇提高，見圖6和圖7。

20世紀(jì)70年代，瑞典在研究耐濕法磷酸腐蝕材料時，也發(fā)現(xiàn)含27%CrNi-Fe-Cr-Mo-Cu合金在濕法磷酸中較低鉻的類似合金具有優(yōu)異的耐蝕性，見圖8～11。

20世紀(jì)70年代公布的Inconel 690也說明了含25%Cr的Ni-Cr-Fe合金具有優(yōu)異的耐SCC性能，見圖12和圖13。

2）確認(rèn)了鐵在高鎳耐蝕合金中的功與過在高鎳耐蝕合金中，鐵不單純是起著取代鎳基耐蝕合金中的鎳而降低合金成本的作用。鐵是一種有功能性作用的合金元素，有功有過，取決于合金系列。

在Ni-Cr合金中，鐵對提高合金在高溫高壓水中和高溫NaOH溶液中耐SCC性能有明顯的改善作用，因此Inconel 690合金必須含有10%左右的鐵。鐵的益處見圖14和圖15。

Hastelloy B-2合金是將Hastelloy B合金中的碳、硅和鐵降低到較低水平的改進型牌號，B-2合金的耐晶間腐蝕性能得到改善，然而由于將鐵降低到≤2%，使合金易于析出有序的Ni4Mo金屬間相，造成焊接或在中溫?zé)峒庸こ霈F(xiàn)塑性裂紋的弊病。適當(dāng)?shù)乜刂畦F和鉻，使合金的熱穩(wěn)定性得到明顯改善， 有效地改善了合金的中溫時效塑性、韌性和耐蝕性（見圖16和圖17，表1~3）。這些有益結(jié)果導(dǎo)致B-3和B-4合金的誕生，解決了Hastelloy B-2合金中溫脆性和裂紋問題。

在Ni-Cr-Mo（Hastelloy C）合金中鐵是有害的，其根源在于鐵促進了以μ相為主的有害金屬間相的析出，導(dǎo)致敏化態(tài)合金的晶間腐蝕。降低合金中的鐵量并與降低碳、硅和去除鎢等措施相結(jié)合，導(dǎo)致了熱穩(wěn)定性更好的耐晶間腐蝕的新合金不斷問世，如Inconel 686，HastelloyC-4，Alloy 59相繼出現(xiàn)。

3）將氮引入高鎳耐蝕合金

在20世紀(jì)末期，含氮的鐵鎳基耐蝕合金相繼問世。氮在奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼中應(yīng)用多年，取得了成功。在高鎳合金中遲遲未進行實踐。在20世紀(jì)末期，氮才在鐵鎳基耐蝕合金中實際應(yīng)用，典型代表牌號是Alloy31和Alloy33。氮提高強度，提高合金耐蝕性和組織熱穩(wěn)定性得到充分顯現(xiàn)。Alloy31是含高鉬鐵鎳基耐蝕合金，含鎳量最低，由于加入氮，此合金在Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金中成為耐蝕性最好的合金；Alloy33是含鉻高達(dá)33%，而含鎳僅31%的熱穩(wěn)定性良好的合金，氮的效果明顯。

4）基本完成兩大合金系統(tǒng)9個系列高鎳耐蝕合金的開發(fā)

自從1905年第一個工業(yè)應(yīng)用的Monel 400合金問世以來，歷經(jīng)110年完成高鎳耐蝕合金的研發(fā)，共形成了兩個合金系統(tǒng)9個合金系列的50多個商業(yè)牌號的高鎳耐蝕合金，廣泛應(yīng)用于化學(xué)加工、核燃料生產(chǎn)、核能開發(fā)、環(huán)境治理、濕法冶金、石油化工、石油天然氣開采、海洋開發(fā)等各工業(yè)環(huán)節(jié)，解決了不銹鋼難以解決的腐蝕問題。

2.2 幾個典型高鎳耐蝕合金的研究和發(fā)展

1）Ni-16Cr-16Mo-4W合金

Hastelloy C合金是1930年代的合金，它具有既耐氧化性又耐還原性強介質(zhì)的腐蝕，然而不幸的是它對晶間腐蝕敏感。為此在20世紀(jì)60年代至70年代經(jīng)過深入研究認(rèn)為是由于碳化物和金屬間相的析出，造成了一些鉻、鉬、鎢的貧化所致，據(jù)此開發(fā)了一些新牌號，其發(fā)展概貌列入圖18。

降碳、降硅僅解決了7 6 0℃敏化的晶間腐蝕，為此降鐵并提高鉻，既解決了870℃敏化的晶間腐蝕又進一步改善了合金的耐蝕性，Inconel686是目前耐蝕性最好的高鉬鎳鉻鉬耐蝕合金；降碳、除硅，降鐵并除鎢的Hastelloy C-4合金的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于C-276合金，既克服了760℃敏化的晶間腐蝕又解決了870℃敏化的晶間腐蝕，然而此合金耐點蝕和縫隙腐蝕性能不如C-276合金，為此提高了合金的鉻以彌補這種不足，于是誕生了Alloy 59。此合金是高鉬鎳鉻鉬合金中熱穩(wěn)定性最好的合金，這類合金的耐晶間腐蝕和熱穩(wěn)定性分別見圖19～21。

2）Ni-Mo耐蝕合金Hastelloy B合金是1923年誕生的Ni-Mo耐蝕合金，同Hastelloy C 合金一樣對晶間腐蝕敏感，為此采用降低合金中的碳、硅、鐵而形成的B-2合金，耐晶間腐蝕性能得以改善，但出現(xiàn)中溫脆性和裂紋。原因是Ni4Mo析出所致，為此適當(dāng)加入鐵、鉻，使這一中溫脆性得以解決，于是產(chǎn)生了B-3和B-4合金。

3）Ni-Cr耐蝕合金最重要的進展是1972年引入的Inconel 690耐應(yīng)力腐蝕斷裂的新合金，成為PWR蒸發(fā)器傳熱管的首選材料。

4）Ni-Fe-Cr耐蝕合金最主要的進展是中國20世紀(jì)70年代推出的新牌號耐蝕合金（00Cr25Ni35AlTi，NS1103），在壓水堆蒸發(fā)器的環(huán)境中具有優(yōu)異的耐SCC性能，已有30多年的運行經(jīng)驗，是一個可與Inconel 690相媲美的價格低廉的新合金。

5）Ni-Fe-Cr-Mo-Cu系列耐蝕合金在這一合金系列中有兩項突出進展：·腐蝕性急劇升高的拐點25%Cr含量的確認(rèn)，并依此發(fā)展了一些耐蝕合金牌號。將氮引入這一合金系列，發(fā)展了一些高強度鐵鎳基耐蝕合金。