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　　鎳基高溫合金世界各國材料總數

　　以鎳為根本添加別的物質組成的合金就叫做鎳合金。鎳具有較好的結構力學、化學物理特性，加上適合元素可以提高它抗氧化、耐腐蝕性、高溫強度和提高一些工藝性能。鎳合金可以作為整流管用原材料、高精密合金（帶磁合金、精密電阻合金、電加熱合金等）、鎳基高溫合金及其鎳基耐腐蝕合金和形狀記憶合金等。在新能源開發、化工廠、電子器件、遠洋航行、航空和航天等相關部門中，鎳合金都是有普遍主要用途。

　　鎳能和銅,鐵,錳,鉻,硅,鎂構成多種多樣合金。在其中鎳銅合金是有名的蒙乃爾合金,它強度高,可塑性好,在750度下的空氣中,化學特性平穩,廣泛運用于電氣設備工業生產,真空電磁閥,化工,醫療器械和遠洋航行造船工業等多個方面。

　　一、鎳基合金界定

　　鎳基合金一般以Ni成分超出30wt%之合金稱之為，普遍商品之Ni成分均超過50wt%， 因為具備出色的高溫機械設備強度與耐腐蝕性質，與鐵基和鈷基合金合稱之為超合金(Superalloy)，一般是運用在540℃以上高溫自然環境，并依其使用場所，采用不一樣合金設計方案，一般用于獨特耐腐蝕自然環境、高溫腐蝕環境、需具備高溫機械設備強度之機器設備。常用于航空航天、電力能源、石油工業或獨特電子器件/光學等行業。

　　主要用途

　　商品規定特點

　　產品簡介

　　航空工業

　　極高溫下保持優良機械設備強度

　　飛機發動機、天然氣渦輪發動機、模塊閘閥

　　重化工業

　　優良之抗高溫硫化橡膠、高溫空氣氧化特點

　　溶爐零件、隔熱板、熱處理工藝產業鏈、石油與天然氣產業鏈

　　石油工業

　　耐溶液(酸、堿、氯離子含量)浸蝕

　　海水淡化廠、石油化工運輸管道

　　電子器件/光學一般工業

　　一般耐腐蝕或耐高溫程度較低之自然環境

　　電池殼件、導線架，電子計算機監控器防塵蓋

　　二、發源與發展

　　鎳基合金是30年代后期逐漸研制出，美國于1941年最先制造出鎳基合金 Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了保證潛變強度又加上Al，研發出Nimonic 80(Ni-20Cr- 2.5Ti-1.3Al)；但美國于40年代末，俄國于40年代后期，國內于50年代末也先后研發出鎳基合金。鎳基合金的高速發展包含兩方面，即合金成分改進和生產工藝的創新。

　　如50年代開始，真空熔煉技術發展，為提練含高Al和Ti 的鎳基合金創造了條件，而推動了合金強度和應用溫度的大幅度提高。50年代后期，因為渦輪葉片工作中溫度的提升，規定合金有更大的高溫強度，可是合金的強度變高，就無法變型，甚至不能變型，因此選用精密鑄件技術性，演化出一系列具有較強高溫強度的鍛造合金。60年代末演化出特性更加好的專一性結晶體和單晶體高溫合金，及其粉未冶金高溫合金。

　　為了實現戰艦和工業氣輪機的需求，60年代以來還演化出一批耐熱耐腐蝕性能不錯、機構平穩高Cr鎳基合金。再從40年代開始到70年代大概40年時間內，鎳基合金工作溫度從700 提升1,100℃，平均每年提升10℃前后。時迄今日，鎳基合金之應用溫度已可超出1,100℃，從上述情況最開始成分簡易之Nimonic75 合金，到最近發展趨勢出之MA6000 合金，在1,100℃時拉申強度可以達到2,220MPa、妥協強度為192MPa；其1,100℃/137MPa標準下之長久強度約達1,000鐘頭，適合于航空公司發動機葉片。

　　三、鎳基合金之特點

　　鎳基合金是特合金中運用較廣、強度最大的原材料。超合金之名字即來源于原材料特點。

　　包含：

　　(1)特性超出色：高溫下能保持高強度，且具有優異的抗潛變、緩解疲勞等機械設備特性，及其抗氧化性和耐腐蝕特點與較好的可塑性和 焊接性能。

　　(2)合金加上超復雜：鎳基合金常加上十種之上之合金原素，用于提高不一樣自然環境之耐腐蝕性；及其細晶強化或進行析出加強等功效。

　　(3)辦公環境超極端：鎳基合金被廣泛用于各種各樣苛刻之適用范圍，如航天飛行模塊天然氣 室的高溫髙壓部分、核技術、原油、深海工業之零部件，耐腐蝕管道等。

　　四、鎳基合金之微組織

　　鎳基合金的分子結構大多為高溫平穩之 體心體(FCC)沃斯田鐵構造，為了保證其耐高溫特性，加上了很多的合金原素，這些元素就會形成各種各樣二次相，提高了鎳基合金之高溫強度。二次相類型包括各種形式之 MC、M23C6、M6C、M7C3滲碳體，主要分布在位錯，及其如 γ' 或 γ'' 等結 構中為主導性(Coherent)之井然有序(Ordering)介金屬化合物。γ'與 γ'' 相之其化學組成大致是Ni3(Al, Ti) 或 Ni3Nb，該類井然有序相在高溫下非常穩定，經過它們加強可獲得良好的潛變毀壞強度。 典型性鎳基合金之微組織如下圖1：

　　圖1 典型性鎳基合金之微組織

　　伴隨著合金化程度的提升，其顯微組織的改變有以下發展趨勢： γ'相總數日益增多，規格逐漸增大，然后由球形變為正方體，同一合金里出現尺寸大小形狀有所不同的γ'相。除此之外，在鍛造合金中還出現了在凝固過程中形成的γ γ'碳化物，位錯進行析出不連貫的顆粒滲碳體且被γ'相塑料薄膜所包圍，這種微組織的改變優化了合金性能。除此之外，當代鎳基合金的化學成分十分復雜，合金的對比度非常高，因而規定對每一個合金原素 (特別是關鍵加強原素)含量嚴格操縱，不然會在使用中非常容易進行析出別的有影響的介金屬相，如σ、Laves相同，將危害合金的強度和延展性。

　　五、合金元素之功效與型號

　　鎳基合金是高溫合金中運用較廣、強度最大的一類合金。在其中加上較大量Ni 為沃斯田鐵相平穩原素，促使鎳基合金保持 FCC構造而能夠融解比較多其他合金原素，還能保持比較好的機構可靠性與原材料的可塑性；而 Cr、Mo和Al則具備抗氧化性和耐腐蝕功效，并具有一定的增強作用。鎳基合金的加強依原素作用方式可以分為：

　　(1)細晶強化原素，如W、Mo、Co、Cr和V等，通過該類原子半徑與板材的差異，在Ni-Fe之產業基地導致部分晶格常數應變力來強化材料；

　　(2)進行析出加強原素則如Al、Ti、Nb和Ta等，可以形成主導性規范有序A3B型金屬間化合物，如Ni3(Al,Ti)等加強相(γ’)，使合金得到很好的加強，得到比鐵基高溫合金和鈷基合金更高高溫強度；

　　(3)位錯加強原素，如B、Zr、Mg和稀有元素等，可提升合金之高溫特性。一般鎳基合金的型號對其所開發設計生產廠家來命名，如Ni-Cu合金也稱為Monel合金，普遍如Monel 400、K-500等。Ni-Cr合金一般稱之為 Inconel合金，其實就是普遍之鎳基耐高溫合金，主要是在還原性物質環境下應用 ，普遍如 Inconel 600、625等。倘若Inconel合金里加入比較高量Fe來取代Ni，乃為Incoloy合金，其耐高溫水平比不上鎳基進行析出硬底化型合金，但價格低，適合于噴涌模塊里溫度比較低部分的部件及石化廠反應釜等，如Incoloy 800H、825等。若于Inconel與Incoloy里加入進行析出加強原素，如Ti、Al、Nb等，就成為了進行析出硬底化型(鐵)鎳基合金，可在高溫下仍保有較好的機械設備強度與抗蝕性，一般用于噴涌引擎的部件，如 Inconel 718 、Incoloy A-286 等。而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金則稱之為哈氏耐腐蝕合（Hastelloy)，在其中Ni-Cr-Mo主要是在氧化性物質浸蝕的條件下應用。Hastelloy的代表型號如C-276、C-2000等。鎳基合金之關鍵型號與添加元素之對比可參考圖2：

　　圖2

　　六、鎳基合金之特性

　　1.高溫(瞬間)強度

　　鎳基合金常溫下就具有很高的拉申強度 (TS=1,200-1,600；YS= 900-1,300 MPa)，且兼顧較好的可塑性，此一發展趨勢可保持無上達圖3

　　圖3 鎳基合金中強勢之析出相與具延展性之產業基地而形成之復合型定義

　　包括運用上述情況以正離子與化學鍵結，在常溫下具備高熔點、高強度之γ'或γ''等析出相，組合移動系統軟件多且具可塑性之沃斯田鐵相產業基地，以復合材質之定義獲得兼顧強度可塑性之出色機械設備特性，促使鎳基合金之運用溫度變成金屬復合材料中最高的圖4:

　　圖4 各種施工材料依機械設備強度所區劃之強度-運用溫度地形圖

　　2.潛變強度

　　潛變為材料在高溫(T/Tm>0.5)恒荷載影響下，緩緩地産生形狀變化的情況，為材料合金因為具備最理想的抗高溫潛變水平，所以被廣泛應用在各種各樣高溫自然環境，做為承力件運用。潛變的產生如下圖5：

　　圖5 潛變變型之三個階段，及其溫度對潛變危害之強度-運用溫度平面圖

　　可分為三個環節， 在基本潛變(Primary Creep)環節，變型速度也較大，但隨著應變力的提高產生冷作硬化而緩減。當變型速度做到某一個極小值并貼近常量，這時稱之為第二階段潛變，或穩定環節潛變 (Secondary or Steady-StateCreep)，這是因為冷作硬化和動態回應達到平衡得到的結果，在項目材料設計中所規定之潛變應變率是指這一階段的應變率。在第三階段(Tertiary Creep)，因為頸縮狀況，應變率伴隨著應變力擴大而呈指數值性提高，最終做到毀壞。

　　應力和應變率的關聯隨潛變體制的不同而各有不同，一般說來，溫度的升高或者應力的提升都會增加穩定潛變的變型速度并減少潛變使用壽命。潛變之體制可以分為(1)差排潛變：遭受高溫的支持，差排很有可能沿滑移面產生移動，從而出現變型。(2)蔓延潛變：由分子挪動導致，沿晶體散稱之為Nabarro-Herring Creep，在高溫中為關鍵體制。沿位錯蔓延的稱為Coble Creep，低溫環境時 為基本體制。因而晶體越小越很容易發生蔓延潛變。(3)位錯移動：因高溫時位錯較差，原材料易沿位錯造成移動，導致沿晶縫隙。故高溫時晶體越小越很容易產生位錯移動潛變及沿晶縫隙。金屬潛變變型常以差排潛變與位錯移動的配對t檢驗，鎳基合金因為具備介金屬相的進行析出，可大幅度抑止差排潛變，而位錯上進行析出之滲碳體則可以協助抵御位錯移動導致之潛變狀況，促使鎳基合金相對于其他金屬復合材料具有較出色之抗潛變特性圖6：

　　圖6 不一樣合金原材料之潛變特性較為

　　除此之外，從傳統的鑄造方式改以不可逆性凝結長柱狀晶，抵御高溫潛變的特性會提升，若進一步成長為單晶體時，抗潛變水平更大幅度提高，故鎳基合金也演化出專一性碳化物凝結、單晶體鍛造、粉未冶金等其它技術性，進一步加深了鎳基合金抵御高溫潛變能力。

　　3.耐腐蝕性質

　　對材料產生腐蝕的操縱已經被視作是工業中實踐活動原材料經濟發展節省之最合適方法。機械設備在規劃端原材料采用并不是 只關注原材料價格，后面拆換、維護保養所需要的周期時間長度和整體利用效率之良窳，及其更重要安全系數等議題等，都要更精確的納入設計和采用之考慮到。鎳基合金在強氧化性腐蝕環境，繁雜的混合酸自然環境，帶有鹵素燈泡離子的水溶液都具有非常好的耐腐蝕性，鎳基耐腐蝕合金能夠Hastelloy合金為首，如上所述，Ni原素在結晶學上能容納比較多的合金，來提高抵御腐蝕環境能力；且Ni本身就具有一定的抗腐性，如抵抗Cl離子的晶間腐蝕與苛性堿浸蝕具備極佳抵抗力。而鎳基合金中加入的鈍化處理多種多樣原素能與板材相產生離子晶體，提高了原材料的腐蝕電位及熱學可靠性。如Ni里加入 Cu, Cr,Mo等，提高整體合金的耐腐蝕性圖7：

　　圖7 不一樣合金原材料腐蝕電位之平面圖

　　除此之外，合金原素能促進合金表層形成致密的浸蝕 物質防護膜，如產生Cr2O3, Al2O3等氧化層，提供資料抵御各種腐蝕環境的防護層，因而鎳基耐腐蝕合金一般帶有Cr、Al這幾種元素之一或它們都有，特別是當強度并不是合金關鍵標準時，需要注意合金抗高溫空氣氧化特性 和熱腐蝕能，高溫合金的空氣氧化特性隨合金元素含量的不同而略有不同，雖然持續高溫合金的高溫氧化個人行為非常復雜，但一般仍然以空氣氧化動力學模型和氧化層的組成轉變來描述持續高溫合金的抗氧化作用，在這里將純鎳及主要鎳基合金之耐蝕性質分述如下所示。

　　純鎳原材料如 Ni 200/201(UNS N02200/ UNS N02201)是商業純鎳(>99.0%)。它具有較好的物理性能和出色的耐腐蝕水平，以及其它有效物理特征，包含其磁性能、磁致伸縮特性、強的傳熱和導電性等。Ni 200的耐腐蝕水平使得它當面對如食品類、合成纖維及其苛性堿等都需要保證產品清澈的運用中尤其有效。在結構應用中當耐腐蝕力是關鍵參考標準時進行也挺普遍。其他的應用包含天及其巡航導彈零件等。鎳基耐腐蝕合金包含哈氏合金及其Ni-Cu合金等，關鍵合金原素是Cr、Mo、Cu等，具有較好的綜合性能，能耐各種各樣酸腐蝕和晶間腐蝕。最開始運用Ni-Cu成 份之Monel；另外還有Ni-Cr合金(即鎳基耐高溫合金，耐腐蝕合金里的耐高溫浸蝕合金)、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Mo合金(即哈氏合金之C系列產品) 等。以耐腐蝕特點來講，Ni-Cu合金在氧化性介質中耐蝕性好于Ni，但在還原性介質中耐蝕性又好于Cu，在無氧運動和氧化物的條件下， 是耐熱氟氣、氯化氫氣體和鹽酸的最佳的原材料；Ni-Cr合金主要是在還原性物質環境下應用。能抗高溫氧化和硫含量、釩等氣體浸蝕， 合金內含Cr量在超過13%的時候才能導致高效的抗蝕功效，而Cr成分越大，其耐蝕性就越好， 但非還原性物質如硫酸中，耐蝕性較弱， 主要是因為非氧化性酸不容易使合金形成氧化層，并且對氧化層也有溶解作用。

　　鎳基合金中再加上含Mo與Cu等經典，則可以提高維護抵抗層還原酸之耐腐蝕水平，如Ni-Mo合金主要是在氧化性物質浸蝕的條件下應用，是耐鹽酸腐蝕的最佳的一種合金，但有氧運動和氧化物存有時，耐腐蝕性會明顯降低 。Ni-Cr-Mo(-W) 合金則兼具以上 Ni-Cr 與Ni-Mo合金性能，主要是在空氣氧化與復原混和物質環境下應用，這種合金在高溫下氯化氫氣體氣中、在含氧和還原劑的硫酸、鹽酸水溶液及在常溫下的濕氫氣中耐蝕性優良。含Mo 鎳基耐腐蝕合金之必要性取決于可以同時抵御氧化酸與還原酸，如鈦及不銹鋼板則只耐氧化酸，如哈氏C-276或C-2000合金就是一種含W的Ni-Cr-Mo合金圖8：

　　圖8 不一樣合金在還原酸(HCl)中之耐蝕性質數據信息

　　帶有很低的硅和碳， 一般被稱之為無所不能的耐腐蝕合金，具備在空氣氧化和復原兩氛圍的狀態下，對大部分腐蝕性物質具有優異的耐腐蝕性能，及其優異的耐孔蝕、韌性斷裂和應力開裂腐蝕能，該類合金因降低了C、Si，因此能控制滲碳體的析出，但更提高耐腐蝕性能。由于該類之特點，因此普遍做為有機化學設施等嚴苛條件下的應用材質。除此之外，Ni-Cr-Mo-Cu合金具備既耐氰化鈉又耐硫酸腐蝕能力，在一些空氣氧化-氧化性混合酸中都有很好的耐蝕性。

　　七、鎳基合金之生產工藝

　　傳統式之鎳基合金的生產工藝流程為鎳原材料→ 鎳合金澆鑄(熔煉)→二次精練→生產→制成品→中下游應用圖9：

　　圖9 一般鎳基合金生產制造之流程表

　　其他如對于航空航天運用等之特殊要求，則演化出如專一性凝結，單晶體鍛造，粉未冶金等其它技術性。此文即對于傳統上生產制造鎳基合金之核心技術，如熔煉、熱處理、熱處理工藝等作簡短的詳細介紹。

　　鎳基合金之成份構成以Ni-Cr-Fe為主導， 其他元素加上如Cu、Si、Mn、Al、Ti、Nb、W、C等。一般從參考文獻可掌握這些元素對超合金原材料的危害，但若想重新組合或加上一個新的合金成分，充分了解它在微組織之配對t檢驗， 近期已經有以原材料特性模擬仿真軟件，可以進行合金系統軟件熱學與動力學模型計算，幫助給予性價比之方位，可以提高合金設計方案效率。而合金定制的完成則需由熔煉技術性去完成，鎳基合金熔煉關鍵區分為一般等級的加熱爐 (Electric Arc Furnace，EAF)＋電渣重熔精練 (Electro-Alag Remelting，EAR)及高等級的真空泵磁感應熔煉(Vacuum Induction Melting，VIM)＋電渣重熔精練商品。為了能熔煉時得到更純粹變的合金鋼液，降低空氣含量與有害元素成分；并且由于一部分合金中有易空氣氧化原素如Al、Ti等存有，并以真空泵方法冶煉廠無法控制；也是為了得到更好的熱固性塑料，鎳基合金一般采用真空感應爐熔煉，甚至用真空泵磁感應熔煉加真空泵自耗爐或電渣爐重熔形式進行生產制造。在其中VIM圖10：

　　圖10 真空泵磁感應熔煉與電渣重熔精煉設備之平面圖

　　關鍵的目的是精確擊中7-12種合金成分，并去除污垢原素及有害物質，再用澆鑄凝結控制系統保持構造高密度無表面缺陷，由于在真 空條件下開展合金熔煉，可限定非金屬材料空氣氧化夾雜物的建立，以高蒸汽壓清除沒有用的營養元素與溶解氣體，比如氧、氫和氮等，來獲得精準且均勻合金構成。VIM進行熔煉之澆鑄可以用做ESR之電級以進行精練，ESR (圖10)制造的目的其實是為了獲得更純粹低殘渣之澆鑄，就是以渣性/精練控制系統清除粗壯介在物，再用澆鑄凝結控制系統，做到成分純粹、構造高密度與微組織均勻總體目標。一般用真空感應爐熔煉以確保成分和控制汽體及雜物成分，并且用真空泵重熔-精密鑄件技術性做成零件。以較合金零件加工來講，熔煉方式的挑選會影響到不良區(即成份發生異常縮松）一般而言，不純度與缺點(如孔隙度)又與合金成份與鑄造工藝相關。

　　鎳基合金在生產層面常采用煅造、冷軋等形式型，針對熱固性塑料差合金乃至選用擠壓成型開胚后冷軋或者用合金鋼(或不銹鋼板)包套立即擠壓技術。一般變型的目的是為了粉碎鑄造組織，改進外部經濟組織架構。鎳基合金在高溫下時較高之變型特性阻抗與熱延展性不穩定，增強了鎳基合金制造里的艱難度。一般鎳基合金強度大，冷、熱處理不容易，以C-276為例子， 持續高溫變型特性阻抗大約為不銹鋼板之2.4倍；且冷拉極高硬底化率促使其強度能致不銹鋼材質2倍。而熱處理時除需考慮持續高溫變型特性阻抗外，還需要考慮到不一樣溫度下熱延展性之不一樣變型阻或夾雜物發生之地區)的產生是否，而不良區往往會損害合金之持續高溫機械設備特性，如下圖11：

　　圖11 鎳基合金Inconel 601于不一樣溫度下之熱延 性和變型特性阻抗之數據信息曲線圖，表明于熱延展性低 于60%之溫度下滑生產加工易導致縫隙之產生

　　以較合金鑄造件而抗與熱延展性與此同時容許再加工之溫度范疇，才可以視作熱處理制造之工作中區段。處理后或部分鍛造合金應進行熱處理工藝，鎳基合金淬火和回火的目的，為視產品屬性 (如延展性或潛變)之要求，開展晶粒尺寸之操縱，并且以持續高溫促進產生加工硬化與應力消除， 及其回溶前制造中析出之欠佳相，如M23C6、δ、η等。以細晶強化型鎳基合金來講，其熱處理工藝程序流程為(1)提溫至析出物可產生回溶之溫度，(2)持溫從而達到需要晶粒尺寸，(3) 冷速須操縱防止如敏化相M23C6等之析出。

　　一般而言，時效處理后機性遭受晶粒尺寸與 沿晶析出物之危害，需視合金成分和前制造 情況調節時效處理溫度和時間，從而達到需要之特性。除此之外，含Cr鎳基合金經400~800oC 之熱簡歷時，碳化鉻(M23C6)會析出于位錯， 導致位錯周邊產生鉻欠缺區 (Cr-depletion Zone)，而造成此區耐蝕性減少，稱之為敏化而容易造成沿晶腐蝕(IGA)及沿晶應力腐蝕破裂(IGSCC)的產生。另一方面，沃斯田鐵系析出加強鎳基合金之熱處理工藝則包括 (1)提溫 至析出物回溶之溫度之固溶處理環節及其(2)于γ/ γ'二相區持溫之時效性環節。在其中固溶處理促使析出物回溶，產業基地中 γ' 析出需要原素提升， 并達到各添加元素之均質化，且操縱板材 γ 相之晶粒尺寸；而時效性環節則可持溫溫度、時長、冷速與多階段時效性來調節 γ' 之容積分率、外貌、規格與遍布，關鍵析出物之遍布與外貌可影響潛變與耐蝕性質。一般而言，加強相常以納米尺寸，以一般金相分析方式觀查不容易。常須藉助倍率很高之透過式光學顯微鏡(TEM)來把握析出物外貌。

　　八、結 語

　　近些年，全世界鎳基合金生產量將不斷增加，尤其是以石油化工用之EAF級別及電力能源/航空航天用之VIM級別鎳基合金之需要量的提高最明顯，其中又以亞洲市場的發展更為快速，在航空航天、電力能源層面之運用將大幅上升。臺灣省之鎳基合金產業鏈主要分接納海外生產商授權委托之深度加工回銷，與電力能源、石化廠辦廠兩類，其中又以后面一種年產值比較大。因為中國臺灣之鎳基合金在和核心技術之開發和工業生產產 品之生產制造仍然處于發展趨勢中之環節，順應電力能源、綠色環保、生醫等戰略新興產業的迅猛發展，為幫助中下游獲得高檔原材料，并提高金屬材料產業鏈總體競爭能力，中鋼已經在2011年同盟新橋，融合新橋精練動能與中鋼軋延優點，已成立中鋼高精密鍛材企業，資金投入鈦合金、鎳基合金、及模具鋼等高端獨特合金生產，同時也希望和國內業內小伙伴共同攜手，期可以為中國金屬材料產業鏈升級與發展共創佳績。

　　小編：