哈氏合金(Hastelloy alloy)
一、引言
哈氏合金是鎳基合金的一種，目前主要分為B、C、G三個系列，它主要用于鐵基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不銹鋼、非金屬材料等無法使用的強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)場合，在國外已廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。其牌號和典型使用場合如下表所示。
為改善哈氏合金的耐蝕性能和冷、熱加工性能，哈氏合金先后進(jìn)行了三次重大改進(jìn)， 其發(fā)展過程如下：
B系列 ：B → B-2(00Ni70Mo28) → B-3
C系列 ：C → C-276(00Cr16Mo16W4) → C-4(00Cr16Mo16) → C-22 (00Cr22Mo13W3) → C-2000(00Cr20Mo16)
G系列 ：G → G-3（00Cr22Ni48Mo7Cu） → G-30(00Cr30Ni48Mo7Cu)
目前使用廣泛的是第二代材料N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)、N06455(C-4)和N06985(G-3)。第三代材料N10675(B-3)、N10629(B-4)、N06059(C-59)處于推廣階段。由于冶金技術(shù)的進(jìn)步，近年來出現(xiàn)了多個牌號的含~6%Mo的所謂“超級不銹鋼”，替代了G系列合金，使得G系列合金的生產(chǎn)和使用迅速下降。
三、力學(xué)性能
哈氏合金的力學(xué)性能非常突出，它具有高強(qiáng)度、高韌性的特點，所以在機(jī)加工方面有一定的難度，而且其應(yīng)變硬化傾向極強(qiáng)，當(dāng)變形率達(dá)到15%時，約為18-8不銹鋼的兩倍。哈氏合金還存在中溫敏化區(qū)，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。當(dāng)溫度較高時，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降。
鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。其主要特點是：
1. 具有更寬的成分范圍 由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設(shè)計可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調(diào)整成分使γ’含量達(dá)60%或更高，從而在高達(dá)合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。
2. 具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計、制造出近終形或無余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。
根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：
第YI類：在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強(qiáng)度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機(jī)上用量較大的K4169合金，其650℃拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動機(jī)中各種泵用復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等。
第二類：在650～950 ℃使用的等軸晶鑄造高溫合金 這類合金在高溫下有較高的力學(xué)性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950℃時，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及整鑄渦輪。
第三類： 在950～1100℃ 使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金 這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應(yīng)力下持久壽命大于100小時。這是國內(nèi)使用溫度ZUI高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機(jī)的一級渦輪葉片。
隨著精密鑄造工藝技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細(xì)晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件的CA技術(shù)等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應(yīng)用范圍不斷提高。
一、耐蝕性能
哈氏C-276合金屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金。它是現(xiàn)代金屬材料中耐蝕的一種。主要耐濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽，在低溫與中溫鹽酸中均有很好的耐蝕性能。因此，近三十年以來、在苛刻的腐蝕環(huán)境中，如化工、石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。 哈氏C-276合金的各種腐蝕數(shù)據(jù)是有其典型性的，但是不能用作規(guī)范，尤其是在不明環(huán)境中，必須要經(jīng)過試驗才可以選材。哈氏C-276合金中沒有足夠的Cr來耐強(qiáng)氧化性環(huán)境的腐蝕，如熱的濃硝酸。這種合金的產(chǎn)生主要是針對化工過程環(huán)境，尤其是存在混酸的情況下，如煙氣脫硫系統(tǒng)的出料管等。下表是四種合金在不同環(huán)境下的腐蝕對比 試驗情況。(所有焊接試樣采用自熔鎢極氬弧焊)
C-276合金和普通奧氏體不銹鋼有相似的成形性能。但由于其比普通奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度要大，所以，在冷成形加工過程中會有更大應(yīng)力。此外，這種材料的加工硬化速度比普通不銹鋼快得多，因此在有廣泛冷成形加工過程中，要采取中途退火處理。
四、焊接及熱處理
C-276合金的焊接性能和普通奧氏體不銹鋼相似，在使用一種焊接方法對C-276焊接之前，必須要采取措施以使焊縫及熱影響區(qū)的抗腐蝕性能下降小，如鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）、金屬極氣體保護(hù)焊（GMAW）、埋弧焊或其他一些可以使焊縫及熱影響區(qū)抗腐蝕性能下降小的焊接方法。但對于諸如氧炔焊等有可能增加材料焊縫及熱影響區(qū)含碳量或含硅量的焊接方法是不適合采用的。 關(guān)于焊接接頭形式的選擇，可以參照ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范對C-276焊接接頭的成功經(jīng)驗。 焊接坡口采用機(jī)械加工的方法，但是機(jī)械加工會帶來加工硬化，所以對機(jī)械加工的坡口處進(jìn)行焊接前打磨是必要的。 焊接時要采用適宜的熱輸入速度，以防止熱裂紋的產(chǎn)生。 在絕大多數(shù)腐蝕環(huán)境下，C-276都能以焊接件的形式應(yīng)用。但在十分苛刻的環(huán)境中，C-276材料及焊接件要進(jìn)行固溶熱處理以獲得的抗腐蝕性能。 C-276合金的焊接可以選擇自身作焊接材料或填料金屬。如要求在C-276的焊縫中添加某些成分，象其它鎳基合金或不銹鋼，并且這些焊縫將暴露在腐蝕環(huán)境中時，那么，焊接所用的焊條或焊絲則要求有和母材金屬耐腐蝕相當(dāng)?shù)男阅堋?哈氏C-276合金材料固溶熱處理包括兩個過程；
（1）在1040℃~1150℃加熱；
（2）在兩分鐘之內(nèi)快速冷卻至黑色狀態(tài)（400℃左右），這樣處理后的材料有很好的耐蝕性能。因此僅對哈氏C-276合金進(jìn)行消應(yīng)力熱處理是無效的。在熱處理之前要清理合金表面的油污等可能在熱處理過程中產(chǎn)生碳元素的一切污垢。 C-276合金表面在焊接或熱處理時會產(chǎn)生氧化物，使合金中的Cr含量降低，影響耐蝕性能，所以要對其進(jìn)行表面清理。可以使用不銹鋼絲刷或砂輪，接下來浸入適當(dāng)比例硝酸和 的混合液中酸洗，后用清水沖洗干凈。
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