耐熱鋼是在高溫下具有較高強(qiáng)度和良好抗氧化性能的合金鋼。高溫合金是指，在高溫下（600-1100℃）能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化性、耐腐蝕且合金元素含量很高的金屬材料。

高溫合金的性能要求和耐熱鋼相同，但對(duì)熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性以及抗高溫氧化性能的要求比耐熱鋼更高、更嚴(yán)格。

耐熱鋼和高溫合金對(duì)航天、航空和核工業(yè)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。

核電站的回路管道、蒸發(fā)器傳熱管、元件格架和活性區(qū)托架等，都是由耐熱、耐蝕合金制作的，所以它的質(zhì)量和性能直接關(guān)系到反應(yīng)堆的安全和壽命。

8.1 耐熱鋼

1. 耐熱鋼的性能要求

1）由于高溫要引起表面的劇烈氧化、腐蝕，所以要有抗氧化性（耐熱不起皮性）。

2）由于高溫應(yīng)力及高溫強(qiáng)化機(jī)制變化，鋼材會(huì)發(fā)生蠕變。所以要有高溫下抗蠕變性，長(zhǎng)期和短期的熱強(qiáng)性，小的缺口敏感性，抗熱松弛和熱疲勞性等。

3）由于高溫引起組織不斷變化，所以要有高溫下的組織穩(wěn)定性的有效性。

4）在高溫溫度場(chǎng)中要有大的傳導(dǎo)性，小的膨脹性。

5）好的鑄造性、鍛造性、焊接性，好的成批生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)性。

理想的耐熱合金應(yīng)具備：

（1）高的再結(jié)晶溫度、析出相聚積長(zhǎng)傾向小；

（2）較高的蠕變極限和持久強(qiáng)度；

（3）良好的抗氧化和抗蝕性能；

（4）容易冶煉和加工及鑄、鍛、焊性能好；

（5）成本低廉。

2. 耐熱鋼的合金化措施

1）提高熱強(qiáng)性的途徑

（1）固溶強(qiáng)化：提高合金基體的原子問(wèn)結(jié)合力，強(qiáng)化基體。金屬的原子結(jié)合力越強(qiáng)，則熔點(diǎn)越高，耐熱鋼的使用溫度越高，因此就要選擇熔點(diǎn)越高的金屬作基體。工業(yè)上鐵基、鎳基、鈷基耐熱合金的熔點(diǎn)依次升高。金屬或合金的晶格類(lèi)型與晶體中原子結(jié)合力有關(guān)，鐵基合金中，面心立方點(diǎn)陣比體心立方點(diǎn)陣原子間結(jié)合力強(qiáng)。奧氏體型耐熱鋼比鐵素體型、馬氏體型、珠光體型耐熱鋼的蠕變抗力高。對(duì)已選定基體的耐熱鋼可以通過(guò)固溶強(qiáng)化提高原于間結(jié)合力，提高蠕變極限。同時(shí)，由于固溶元素與整體元素原子尺寸不同，在晶體中造成局部的點(diǎn)陣畸變和應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致溶質(zhì)原于在位錯(cuò)附近形成“氣團(tuán)”，從而增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，提高了蠕變抗力。合金元素使固溶體中原子間結(jié)合力提高，往往也使原子的擴(kuò)散激活能提高，導(dǎo)致再結(jié)晶溫度提高，提高蠕變抗力。 

如：利用W、Mo、Cr、Mn等元素提高熱強(qiáng)性。金屬W、Mo的熔點(diǎn)高，溶入固溶體后，可增強(qiáng)原子間的結(jié)合力，阻礙擴(kuò)散，提高基體的再結(jié)晶溫度。所以高溫合金中多半都含有這些元素。

（2）晶界強(qiáng)化：晶界在高溫下強(qiáng)度低，所以在耐熱鋼中采用“適當(dāng)?shù)卮只Я?rdquo;強(qiáng)化，晶粒數(shù)適當(dāng)減少，晶界面相應(yīng)減少，薄弱的晶界總數(shù)也就減少了。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)存晶界進(jìn)一步強(qiáng)化，達(dá)到提高蠕變抗力的作用。強(qiáng)化晶界大致有兩個(gè)方面。

凈化晶界。鋼中加入B、稀土等化學(xué)性質(zhì)活潑元素，與低熔點(diǎn)元素化合（如與S、P元素化合），形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定化合物，在結(jié)晶過(guò)程中作為晶核，使其由晶界轉(zhuǎn)入晶內(nèi)，從而凈化晶界。提高了晶界強(qiáng)度。

填充晶界上的空位。晶界處空位較多，使擴(kuò)散易于進(jìn)行，裂紋易于擴(kuò)展。加入原子半徑小于Fe、Cr，大于C、N的B，固溶于基體，引起大的點(diǎn)陣畸變。晶界空位間隙大于晶內(nèi)，B填充到晶界空位上，有利于降低晶界能量，提高蠕變抗力。 

低溫時(shí)晶內(nèi)強(qiáng)度小于晶界強(qiáng)度，高溫時(shí)則相反，為了增加高溫時(shí)的晶界強(qiáng)度，常添加Nb、Ca、Mg、Al等活潑元素，以便它們與P、S或低熔點(diǎn)元素形成穩(wěn)定的化合物后，可使晶界上雜質(zhì)偏聚減少，進(jìn)而提高晶界強(qiáng)度。另外還添加B、Ti、Zr等表面活化元素，因?yàn)樗鼈兡軌虺涮罹Ы缈瘴唬璧K晶界原子擴(kuò)散，提高蠕變抗力。

（3）彌散強(qiáng)化。加入合金元素，在鋼中形成大量的碳化物或金屬間化合物相。使其在時(shí)效處理時(shí)呈彌散析出，形成穩(wěn)定相，在高溫下保持對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械阻礙作用。在純金屬或固溶體基體中加入難溶的彌散化合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物等，由于這類(lèi)彌散相具有高穩(wěn)定性，可將金屬材料的使用溫度提高到熔點(diǎn)溫度的80％一85％。 

合金化措施

為了得到熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性好的單相奧氏體，需要增加Ni、Cr、Co含量，如鎳基合金和鈷基合金。

借助碳化物析出相提高熱強(qiáng)性，比如TiC、NbC、VC和Mo₂C等。

碳化物沉淀時(shí)與基體保持著共格或半共格關(guān)系，在其周?chē)a(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使鋼得到強(qiáng)化。因此，這些碳化物硬度高、熔點(diǎn)高而且在高溫下很穩(wěn)定，既不易溶解，又不易聚積長(zhǎng)大，故在高溫下能保持很高的強(qiáng)度和提高鋼的再結(jié)晶溫度。

2）提高耐熱鋼抗高溫氧化性能的途徑

為了提高鋼的抗氧化性能，首先要防止FeO的形成或提高其形成溫度。

鐵在室溫下的氧化膜為Fe₃O₄和Fe₂O₃雙層結(jié)構(gòu)，外層是Fe₂O₃，它比較致密，對(duì)基體有一定的保護(hù)作用。但當(dāng)溫度升高到5700C時(shí)，便出現(xiàn)了FeO相，它結(jié)構(gòu)疏松，鐵離子和氧離子在FeO中容易擴(kuò)散，所以鋼的高溫氧化主要是在FeO和Fe的界面之間進(jìn)行的。

提高鋼的抗氧化性途徑主要有兩條：

（1）提高FeO的生成溫度；

（2）阻止FeO生成并以薄而牢固的氧化膜取代FeO，F(xiàn)e₃O₄和Fe₂O₃三層氧化膜。當(dāng)鋼中添加Cr，Al，Si后即能滿(mǎn)足這兩條要求。

原因：

（1）由于Cr，Al，Si的氧化物點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)接近Fe₃O₄，它們的離子半徑比鐵小，所以容易穩(wěn)定Fe₃O₄ ，縮小FeO區(qū)域，提高FeO的形成溫度。

（2）Cr，Al，Si不僅能提高FeO的形成溫度而且還能生成連續(xù)、致密和牢固的氧化膜Cr₂O₃，Al₂O₃和SiO₂等，隨著鉻含量提高，鐵的表面氧化層由厚變薄逐漸過(guò)渡到以Cr₂O₃為主的穩(wěn)定氧化膜。因它結(jié)構(gòu)致密，阻止鐵離子和氧離子擴(kuò)散能力強(qiáng)，故使鋼的抗氧化性能顯著提高。

3. 反應(yīng)堆用的耐熱鋼

1）2.25Cr-1Mo

低合金耐熱鋼，抗高溫氧化和耐高溫腐蝕性能較好。

發(fā)電動(dòng)力堆中的常用耐熱鋼，它常作為水堆二回路管材，快堆三回路管道、蒸發(fā)器和傳熱管，氣冷堆的蒸發(fā)器、過(guò)熱器等的材料。

但有回火脆性?xún)A向。

2）馬氏體耐熱鋼

抗氧化性好，并有較高的熱強(qiáng)性，室溫組織為馬氏體。

1Cr13：水堆球頂蓋壓緊彈性環(huán)和冷卻泵的葉輪等

9Cr-1Mo：氣冷堆蒸汽發(fā)生器和過(guò)熱器的傳熱管等

3）0Cr13Ni4Mo：低碳馬氏體不銹鋼

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耐壓殼，一回路泵的泵軸、葉輪等

4）奧氏體型耐熱鋼

18-8鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，如AISI316、316Ti等

高鉻鎳奧氏體型耐熱鋼：20Cr25NiNb 改進(jìn)型氣冷堆元件包殼材料 

8.2 高溫合金

1. 高溫合金的分類(lèi)

按成分分類(lèi)（1）鐵基合金（2）鎳基合金（3）鈷基合金按強(qiáng)化方式分類(lèi)（1）固溶強(qiáng)化型（2）析出相強(qiáng)化型

按制備工藝分類(lèi)（1）形變高溫合金（2）鑄造高溫合金（3）粉末冶金高溫合金（3）氧化物彌散強(qiáng)化和纖維強(qiáng)化型

2. 高溫合金的牌號(hào)表示法

1）國(guó)外Hastelloy （Cobat Coroperation）， Hastelloy-B 等

Incoloy國(guó)際因科合金公司， Incoloy-800 

等Inconel國(guó)際因科合金公司，In-690，In-625 等

2）國(guó)內(nèi)

我國(guó)高溫合金牌號(hào)的命名考慮到合金成形方式、強(qiáng)化類(lèi)型與基體組元，在牌號(hào)前面采用漢語(yǔ)拼音字母。例如：變形高溫合金以“GH”表示，“G”、“H”分別為“高”、“合”漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)字母。

GH169 屬于鐵基時(shí)效沉淀強(qiáng)化型高溫合金。 

3. 高溫合金的相組織

1）合金基體γ相

在高溫下長(zhǎng)期工作的耐熱材料，基體中的析出相和碳化物易聚集、長(zhǎng)大或溶解與轉(zhuǎn)化，故使性能發(fā)生變化，所以高溫合金的基體強(qiáng)度是保證高溫性能的基礎(chǔ)。因此，高溫合金多以原子間結(jié)合力強(qiáng)、熱強(qiáng)性高的奧氏體為基體母相。奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)（γ 相），致密度大，擴(kuò)散系數(shù)小，再結(jié)晶溫度高且層錯(cuò)能低，位錯(cuò)不易攀移，熱強(qiáng)性高。

鎳的抗蝕電位高于鐵，因此鎳基合金和鐵鎳基合金的抗蝕性能和耐熱溫度高于不銹鋼。

鎳基奧氏體還能固溶較多的Co，Cr， W，Mo， V，Ti，Al等元素。由于這些元素比鎳的原子半徑大，溶入鎳中后，可增加固溶體的點(diǎn)陣常數(shù)，使晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。

2）強(qiáng)化相

（1） 金屬間化合物相

γ′相 [ Ni3（Al, Ti）]

鐵基、鎳基高溫合金的主要強(qiáng)化相。

原因：在基體中呈均勻的彌散型分布且硬而不脆，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。相的結(jié)構(gòu)為面心立方，它與奧氏體結(jié)構(gòu)相同，所以 γ ′ 相表現(xiàn)出硬而不脆的特點(diǎn)。鎳基合金的高溫強(qiáng)度隨 γ ′ 的數(shù)量及其固溶的合金元素增多而提高。一般 γ ′相的體積分量為30％左右，最強(qiáng)的合金高達(dá)60％以上。

鎳基合金中的γ ′相

σ相（FeCr等）

含鉻高的鎳基和鐵基合金，在高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)，有σ相析出的可能，且應(yīng)力加速σ相生成過(guò)程。σ相是體心四方密排結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞含30個(gè)原子，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、硬而脆，易在730－850℃析出。

σ相常起到裂紋源或裂紋擴(kuò)展的通道作用，故使合金脆化。例如高溫?cái)嗫诜治鲆炎C實(shí)，裂紋通常沿σ相發(fā)生。所以大量σ相析出會(huì)嚴(yán)重降低合金的蠕變、持久強(qiáng)度和塑性與韌性等。另外，σ相形成還奪取了γ相中固溶強(qiáng)化元素，使基體軟化和抗蝕性能下降。Fe，Co，Cr，W，Mo，Al，Ti，Si等元素能促進(jìn)σ相形成，Ni有阻止作用?？傊?，σ相是有害相，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)成分調(diào)整加以避免。

（2）碳化物相

碳化物在高溫合金中起著重要而又復(fù)雜的作用，它的形態(tài)、數(shù)量、分布和結(jié)構(gòu)對(duì)高溫合金的性能有重要的影響。

MC：TiC，NbC，VC 等，熔點(diǎn)高，穩(wěn)定，提高高溫性能

M23C6：Cr₂₃C₆ 等，晶界鏈狀析出，提高蠕變和持久強(qiáng)度

M6C: (W,Mo)₂C 等，晶界鏈狀分布，提高持久強(qiáng)度，有時(shí)降低塑性

M7 C3 : Cr₇C₃ 等， 不穩(wěn)定，提高蠕變和持久強(qiáng)度

M3C ：Fe₃C，Mn₃C 等，不穩(wěn)定，對(duì)耐熱性貢獻(xiàn)不大

M6C、 M7 C3在適當(dāng)條件下，可以轉(zhuǎn)化為M23C6。這些碳化物可以通過(guò)熱處理調(diào)節(jié)和控制。 

4. 合金元素的作用及其對(duì)性能的影響

1）Cr、 Co、Mo、W、Nb、V 等： 固溶強(qiáng)化

2）Cr：提高抗氧化性、耐腐蝕性

3）Mo、Nb、V 、Ti等：提高持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度

4）Al、Ti：形成 γ  ′ 相，強(qiáng)化基體

5）Nb、V、Fe、Cr、Co、Mo：穩(wěn)定γ′相，強(qiáng)化基體

6）Mg、B、Zr：強(qiáng)化晶界，提高持久強(qiáng)度和塑性，提高蠕變抗力

5. 反應(yīng)堆用高溫合金

雖然奧氏體不銹鋼具有較高的熱強(qiáng)性，良好的抗氧化、抗腐蝕能力，而且焊接和冷、熱加工性能也比較好，但因它對(duì)應(yīng)力腐蝕比較敏感，所以堆內(nèi)承受載荷的部件和蒸汽發(fā)生器傳熱管等，一般都避免采用18-8型不銹鋼，而選用各項(xiàng)性能優(yōu)于不銹鋼且對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的鎳基合金或鐵鎳基合金。 

1）Inconel-600合金（0Cr15Ni75Fe10）簡(jiǎn)稱(chēng)In-600

Inconel-600是最早發(fā)展的鎳基高溫合金，它曾是燃?xì)廨啓C(jī)葉片和渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室早期使用的材料。

特點(diǎn)：

基體組織在高溫下比較穩(wěn)定。合金中含有（15~17）％Cr，具有良好的抗氧化性能，同時(shí)鉻的固溶強(qiáng)化作用，提高合金強(qiáng)度。

力學(xué)性能和工藝性能較好，In-600合金抗含Cl^-和含氧的高溫水（290－3300C）的應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，且鈍化性能和點(diǎn)蝕擊穿電位也高于18-8鋼， 因此它被廣泛用作壓水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管材料并取代了早期應(yīng)用的奧氏體不銹鋼。

該合金因含Ni高（75％），使碳在固溶體中的溶解度減小，從而對(duì)晶間應(yīng)力腐蝕比較敏感

2）Incoloy-800合金

屬于鐵鎳基合金。一般規(guī)定，當(dāng)合金中含Ni＞50％時(shí)，稱(chēng)為鎳基合金；Ni＞30％，Ni＋Fe＞50％者，稱(chēng)為鐵鎳合金。

特點(diǎn)：1）Incoloy-800合金中的鎳和碳含量（30％Ni，0.05％C ）低于In-600合金（75％Ni，0.08％C），因此前者抗晶間腐蝕和抗晶間應(yīng)力腐蝕的能力優(yōu)于后者。但含鎳量低會(huì)導(dǎo)致抗苛性鈉的應(yīng)力腐蝕性能下降，Incoloy-800的抗苛性堿的應(yīng)力腐蝕能力低于In-690和In-600合金。

2）Incoloy-800合金的鉻含量（20％－23％）高于In-600合金（14%％~17％），所以它的Cr2O3氧化膜更密實(shí)牢固，抗氧化能力較強(qiáng)。 

3） Inconel-690合金（簡(jiǎn)稱(chēng)In-690）

該合金是In-600合金的改進(jìn)，它主要針對(duì)In-600合金易產(chǎn)生晶間腐蝕和晶間應(yīng)力腐蝕的缺點(diǎn)而將In-600合金中的鎳和碳分別降低到60％和0.04％，并把鉻升高到30％，以達(dá)到改善上述缺點(diǎn)的目的。

特點(diǎn)：

1）In-690合金含60％Ni能減小晶間腐蝕和晶間應(yīng)力腐蝕。

2）In-690合金中的元素對(duì)其晶間腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕和苛性堿應(yīng)力腐蝕的性能影響試驗(yàn)結(jié)果表明，含30%Cr 和60%Ni及碳含量低（＜0.04%）的In-690合金在耐蝕性上具有最佳的成分匹配。

三種合金的性能比較

（1）抗高堿性應(yīng)力腐蝕（SCC）能力的順序是：In-600＞In-690＞Incoloy-800可見(jiàn)隨著Ni含量升高，抗苛性堿的SCC能力也在提高。

（2）在含氯的水溶液中，In-600合金的抗SCC能力不如其它兩種合金好；在含NaOH水溶液中也如此。但在含Cl-含O₂或含O₂含NaOH的水溶液中，以In-690的抗SCC性能最好。

（3）抗均勻腐蝕的順序是：In-690＞Incoloy-800＞In-600。

應(yīng)該說(shuō)：In-690合金的綜合性能比較好，但抗高堿性SCC的能力比In-600合金差。

 

4）各種反應(yīng)堆使用的高溫合金