Nimonic® – 高温超合金

Nimonic®合金的特性

Nimonic®是一系列高温镍基合金，专为在高温、机械应力、蠕变、氧化和高温腐蚀等多重工况下同时发挥优异性能而设计。这些合金是涡轮发动机、发电以及极端热工况下运行设备研发中最重要的材料之一。大多数 Nimonic 合金的基本成分是镍和铬。根据牌号的不同，还会添加钴、钼、钛、铝、铁、碳、硼和其他元素来控制材料的结构和性能。高镍含量确保了奥氏体 γ 基体在宽温度范围内的稳定性，而铬则主要负责提高材料的抗氧化性和抗高温腐蚀性。在许多 Nimonic 合金中，添加铝和钛可以形成γ′ 相——Ni₃ (Al,Ti) ，该相赋予_合金极高的强度和高温抗蠕变性。然而，并非所有 Nimonic 合金的硬化方式都相同。例如，Nimonic 75主要是一种固溶强化合金，而Nimonic 80A、90、105、115 和 263 则在不同程度上利用了沉淀强化机制。

为什么尼莫尼克钢在高温下仍能保持强度？

在传统结构材料中，温度升高会导致屈服强度和强度迅速下降，蠕变敏感性增加。镍基高温合金旨在显著减缓这一过程。稳定的镍基体在较宽的温度范围内保持奥氏体组织。在沉淀硬化合金中，细小的γ′相析出物阻碍位错运动并限制材料变形。钴和钼可以进一步强化基体并改善高温性能，而适当控制的碳化物则会影响晶界行为和抗蠕变性能。因此，选择合适的镍基高温合金可以在传统结构钢和许多不锈钢会损失大部分力学性能的温度下长时间承受载荷。

抗蠕变性能

镍基合金最重要的特性之一是其抗蠕变性和抗蠕变断裂性能。蠕变是指材料在高温下恒定载荷作用下发生的缓慢、永久变形。这种现象对于燃气轮机、飞机发动机、发电设备以及连续运行数千小时的工业装置至关重要。因此，特定镍基合金的适用性不仅取决于其在室温下测得的抗拉强度。在许多应用中，蠕变强度、在给定应力和温度下的断裂时间以及经受数千小时热暴露后的结构稳定性更为重要。

抗氧化性和耐高温腐蚀性

镍基合金中存在的铬元素能够形成一层保护性氧化层，从而限制材料的进一步氧化。铝在某些牌号中也发挥着重要作用。这使得镍基合金能够用于与涡轮机、发动机、熔炉和加工厂中常见的高温气体和环境接触的场合。然而，最高抗氧化温度不应等同于承受重载部件的最高工作温度。即使在允许设计应力显著降低的温度下，该材料仍能保持良好的表面抗氧化性能。因此，合金的选择需要同时分析温度、应力、工作时间和环境等因素。

Nimonic® 75 – 经典的镍铬合金

Nimonic 75（UNS N06075，W.Nr. 2.4630）是Nimonic系列合金中的一种基础合金。它是一种镍铬合金，并添加了可控的钛和碳，主要用于需要良好抗氧化性、耐高温腐蚀性和高温下优异机械性能的应用。与Nimonic 80A或Nimonic 90不同，Nimonic 75并非典型的γ′相析出强化高温合金。其性能主要源于基体成分和精心控制的微观结构。Nimonic 75具有良好的加工性和焊接性，因此广泛用于制造板材、带材和管材等部件。典型应用包括燃气轮机部件、燃烧室、热气管道、工业炉部件、热处理设备和高温设备部件。

Nimonic® 80A – 沉淀硬化合金

Nimonic 80A（UNS N07080，W.Nr. 2.4952 / 2.4631）是一种镍铬高温合金，通过添加钛和铝进行沉淀硬化。适当的热处理可生成γ′相，从而显著提高材料的强度和抗蠕变性能。Nimonic 80A兼具高温高强度和良好的抗氧化性及高温腐蚀性。该材料广泛应用于燃气轮机、内燃机、阀门部件、高负荷紧固件以及其他高温工况下运行的部件。

Nimonic® 81 – 高抗氧化性

Nimonic 81（UNS N07081，W.Nr. 2.4955）是一种高温镍铬合金，以 Nimonic 80A 为基础，但铬含量更高。更高的铬含量赋予了该合金卓越的抗氧化性和耐高温腐蚀性。该合金专为对表面耐高温气体性能和机械性能要求同样高的应用而设计。它广泛应用于炉膛部件、燃气轮机、热处理设备以及高温工业装置等领域。

Nimonic® 90 – 高强度和抗蠕变性

Nimonic 90（UNS N07090，W.Nr. 2.4632）是一种镍铬钴沉淀强化型高温合金。它含有大量的钴，并添加了钛和铝，这些元素共同促进了γ′相的形成。沉淀强化和合适的基体成分相结合，使其在高温下具有高强度、抗蠕变性和抗氧化性。Nimonic 90适用于需要在长时间高温运行下保持高强度的部件，例如涡轮叶片和部件、轮盘、环、紧固件以及高温设备部件。

Nimonic® 105——一种用于高负荷涡轮部件的超级合金

Nimonic 105（UNS N13021）是一种高强度镍基高温合金，含有大量的钴、铬和钼，并添加了铝和钛。该材料专为在高温下获得优异的机械性能和抗蠕变性能而开发。其高γ′相含量提供了非常有效的沉淀硬化作用。Nimonic 105主要用于高负荷燃气轮机部件，尤其适用于需要高抗蠕变性能和长期保持机械性能的场合。

Nimonic® 115——一种高强度镍合金

Nimonic 115是一种镍铬钴高温合金，添加了钼、铝和钛。它的研发旨在提供极高的高温蠕变强度。高含量的 γ′ 相形成元素赋予了该合金强大的析出强化能力，使其在长期热载荷作用下具有优异的机械稳定性。该合金主要用于高要求的燃气轮机部件和其他高应力高温部件。

Nimonic® 263 – 兼具强度和良好的焊接性能

Nimonic 263（UNS N07263，W.Nr. 2.4650）是一种镍钴铬沉淀硬化型高温合金。它的研发旨在提供高温强度、抗氧化性、延展性和良好焊接性能的综合优势。与一些高强度γ′型高温合金相比，Nimonic 263具有更优异的焊接性能，并能加工复杂的钣金部件。因此，它被广泛应用于燃烧室、燃气轮机部件、排气系统、高温气体部件以及航空航天和能源结构等领域。

Nimonic 75、80A、90 和 263 – 基本区别

Nimonic 75主要适用于需要良好抗氧化性和高温耐腐蚀性以及良好加工性能的应用。Nimonic 80A是一种沉淀硬化合金，具有显著改善的机械性能和抗蠕变性能。Nimonic 90也含有大量的钴，专为要求更高的高温应用而开发。Nimonic 263兼具高温高强度、良好的延展性和焊接性，使其特别适用于复杂的焊接结构。这些牌号不应被视为直接替代品。选择取决于温度、应力、使用寿命、所需的抗蠕变性能、部件制造方法和环境条件。

Nimonic®合金的热处理

对于沉淀硬化型镍基合金，热处理是获得所需性能的关键。该工艺可能包括固溶处理和一个或多个时效步骤。在时效过程中，γ′相和其他显微组织成分的形成和分布受到控制。温度、时间和冷却速率会影响析出物的尺寸、晶界结构、强度、延展性和抗蠕变性。因此，在报告镍基合金的力学性能时，必须明确指出其热处理状态和产品形态。

Nimonic®合金的焊接

尼莫尼克合金的焊接性能取决于具体牌号及其硬化程度。尼莫尼克75合金的焊接性能相对较好。铝、钛含量较高且γ′相含量较高的合金对焊接工艺要求更高，并且在焊接或后续热处理过程中更容易产生裂纹。尼莫尼克263合金的研发目标之一是在保持高温下优异机械性能的同时，实现良好的焊接性能。对于关键结构，焊接工艺应考虑焊前材料状态、工艺参数、填充材料以及所需的焊后热处理。

Obróbka skrawaniem

与其他镍基高温合金一样，镍基高温合金在加工过程中对性能要求很高。其高强度、低导热性和易发生应变硬化的特性，会对刀尖造成显著的应力。最终沉淀硬化后的镍基高温合金的加工难度尤其大。因此，一些机械加工操作需要在最终时效处理之前，在精心选择的材料状态下进行。加工需要严格的工艺装置、合适的刀具、稳定的切削参数以及有效的散热措施。

Nimonic®合金的典型应用

航空——涡轮叶片及部件、环、盘、燃烧室、排气系统部件以及高负荷飞机发动机零件。能源——工业燃气轮机、动力设备高温部件以及在持续热负荷下运行的部件。汽车——发动机气门、涡轮增压器部件以及在高温气流中运行的部件。炉窑行业——炉窑部件、热处理设备、支架、盖板以及长期暴露于氧化环境的部件。化工和加工行业——需要同时耐受高温和腐蚀性环境的安装部件。航天技术——推进系统部件以及暴露于高温和机械负荷的结构。

选择合适的 Nimonic® 合金

选择镍基合金牌号时，不仅要确定最高工作温度，还要考虑负载特性和所需使用寿命。在极高温度下运行几分钟的部件与在持续应力下运行数万小时的涡轮部件所需的性能截然不同。必须考虑抗蠕变性、抗热疲劳和机械疲劳、抗氧化性、抗高温腐蚀性、耐温度循环性以及焊接性能。热处理和后续加工要求也至关重要。因此，并不存在单一的“最佳镍基合金”。不同的牌号是针对不同的温度、应力、环境和部件制造工艺组合而开发的。

Nimonic®合金的交付方式

根据等级和规格的不同，镍基合金可提供以下形式：

板材和薄片
磁带，
圆棒，
电线，
管道，
锻件，
戒指，
用于进一步锻造和加工的材料
根据特定工业和航空航天规范制造的半成品。

特定产品形式的供应情况取决于等级、尺寸、热处理条件和所需的制造标准。

Nimonic®合金牌号

Nimonic 75 / 合金 75 – UNS N06075，W.Nr. 2.4630 – 镍铬合金，具有非常好的抗氧化性和耐高温腐蚀性，用于燃烧室和热处理设备等领域。
Nimonic 80A / 合金 80A – UNS N07080，W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – 具有高强度和抗蠕变性的沉淀硬化 Ni-Cr-Ti-Al 合金。
Nimonic 81 / 合金 81 – UNS N07081，W.Nr. 2.4955 – 一种高铬镍合金，专为需要极高抗氧化性和高温腐蚀性的应用而设计。
Nimonic 90 / 合金 90 – UNS N07090，W.Nr. 2.4632 – 具有高抗蠕变性和抗氧化性的沉淀硬化型 Ni-Cr-Co-Ti-Al 合金。
Nimonic 105 / 合金 105 – UNS N13021 – 一种高强度 Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti 高温合金，主要用于高负荷涡轮部件。
Nimonic 115 / 合金 115 – 高强度 Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti 高温合金，γ′ 相含量高，设计用于高温高负荷运行。
Nimonic 263 / 合金 263 – UNS N07263，W.Nr. 2.4650 – 一种沉淀硬化型 Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al 合金，兼具高温强度、良好的焊接性和工艺适用性。

参见

Nimonic® – 高温合金 75、80A、81、90、105、115 和 263