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(gè)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(chǎng)合，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。其牌號(hào)和典型使用場(chǎng)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)處于階段。由于冶金技術(shù)的進(jìn)步，近年來出現(xiàn)了多個(gè)牌號(hào)的含~6%Mo的所謂“超級(jí)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(diǎn)，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(shí)，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(shí)，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。

高溫合金知識(shí)
高溫合金是在高溫嚴(yán)酷的機(jī)械應(yīng)力和氧化、腐蝕環(huán)境下應(yīng)用的一類合金。隨著科技事業(yè)的發(fā)展，高溫合金逐漸形成六個(gè)較為完整的部分。
    一、變形高溫合金
    變形高溫合金是指可以進(jìn)行熱、冷變形加工，工作溫度范圍-253～1320℃，具有良好的力學(xué)性能和綜合的強(qiáng)、韌性指標(biāo)，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強(qiáng)化型合金和時(shí)效強(qiáng)化型合金。
    1、固溶強(qiáng)化型合金
    使用溫度范圍為900～1300℃，ZUI高抗氧化溫度達(dá)1320℃。例如GH128合金，室溫拉伸強(qiáng)度為850MPa、屈服強(qiáng)度為350MPa；1000℃拉伸強(qiáng)度為140MPa、延伸率為85%,1000℃、30MPa應(yīng)力的持久壽命為200小時(shí)、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、機(jī)匣等部件。
    2、時(shí)效強(qiáng)化型合金
    使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的渦 與葉片等結(jié)構(gòu)件。制作渦 的合金工作溫度為-253～700℃,要求具有良好的高低溫強(qiáng)度和抗疲勞性能。 例如：GH4169合金，在650℃的ZUI高屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa；制作葉片的合金溫度可達(dá)950℃，例如：GH220合金，950℃的拉伸強(qiáng)度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時(shí)。
    變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。
    二、鑄造高溫合金
    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(diǎn)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(jì)可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對(duì)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(diǎn)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(diǎn)，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計(jì)、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(dòng)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(shí)。已用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動(dòng)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(shí)，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時(shí)的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動(dòng)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(shí)。這是國(guó)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(dòng)機(jī)的一級(jí)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。
    三、粉末冶金高溫合金
    采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出高溫合金粉末的產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細(xì)小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細(xì)小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強(qiáng)度和疲勞性能有較大的提高。
    FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強(qiáng)度1500MPa；1034MPa應(yīng)力下持久壽命大于50小時(shí)，是當(dāng)前在650℃工作條件下強(qiáng)度水平ZUI高的一種盤件粉末冶金高溫合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應(yīng)力水平較高的發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求,是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦 、壓氣機(jī)盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。
    四、氧化物彌散強(qiáng)化（ODS）合金
    是采用獨(dú)特的機(jī)械合金化(MA)工藝，超細(xì)的(小于50nm)在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強(qiáng)化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強(qiáng)度在接近合金本身熔點(diǎn)的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗碳、硫腐蝕性能。
    目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的主要有三種ODS合金：
    MA956合金 在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1350℃，居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位?？捎糜诤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯。
    MA754合金 在氧化氣氛下使用溫度可達(dá)1250℃并保持相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度、耐中堿玻璃腐蝕?，F(xiàn)已用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向器蓖齒環(huán)和導(dǎo)向葉片。
    MA6000合金 在1100℃拉伸強(qiáng)度為222MPa、屈服強(qiáng)度為192MPa；1100℃，1000小時(shí)持久強(qiáng)度為127MPa，居高溫合金之首位，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
    五、金屬間化合物高溫材料
    金屬間化合物高溫材料是近期研究開發(fā)的一類有重要應(yīng)用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對(duì)金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、合金設(shè)計(jì)、工藝流程的開發(fā)以及應(yīng)用研究已經(jīng)成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制備加工技術(shù)、韌化和強(qiáng)化、力學(xué)性能以及應(yīng)用研究方面取得了令人矚目的成就。
    Ti3Al基合金（TAC-1），TiAl基合金（TAC-2）以及Ti2AlNb基合金具有低密度（3.8～5.8g/cm3）、高溫高強(qiáng)度、高鋼度以及優(yōu)異的抗氧化、抗蠕變等優(yōu)點(diǎn)，可以使結(jié)構(gòu)件減重35～50%。 Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蝕、耐磨損和耐氣蝕性能，展示出極好的應(yīng)用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能，在中溫（小于600℃）有較高強(qiáng)度，成本低，是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。
    六、環(huán)境高溫合金
    在民用工業(yè)的很多領(lǐng)域，服役的構(gòu)件材料都處于高溫的腐蝕環(huán)境中。為滿足市場(chǎng)需要，根據(jù)材料的使用環(huán)境，歸類出系列高溫合金。
    1、 高溫合金母合金系列
    2、 抗腐蝕高溫合金板、棒、絲、帶、管及鍛件
    3、 高強(qiáng)度、耐腐蝕高溫合金棒材、彈簧絲、焊絲、板、帶材、鍛件
    4、 耐玻璃腐蝕系列產(chǎn)品
    5、 環(huán)境耐蝕、硬表面耐磨高溫合金系列
    6、 特種精密鑄造零件（葉片、增壓渦輪、渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、儀表接頭）
    7、 玻棉生產(chǎn)用離心器、高溫軸及輔件 8、 鋼坯加熱爐用鈷基合金耐熱墊塊和滑軌
    9、 閥門座圈
    10、 鑄造“U”形電阻帶
    11、 離心鑄管系列
    12、 納米材料系列產(chǎn)品
    13、 輕比重高溫結(jié)構(gòu)材料
    14、 功能材料（膨脹合金、高溫高彈性合金、恒彈性合金系列）
    15、 生物醫(yī)學(xué)材料系列產(chǎn)品
    16、 電子工程用靶材系列產(chǎn)品
    17、 動(dòng)力裝置噴嘴系列產(chǎn)品
    18、 司太立合金耐磨片
    19、 超高溫抗氧化腐蝕爐輥、輻射管。

1、GH4169高溫合金
GH4169合金是鎳一鉻一鐵基高溫合金。GH4169合金屬于鎳基變形高溫合金。鎳基合金是一種復(fù)雜的合金。它被廣泛地應(yīng)用于制造各種高溫部件。同時(shí)，也是所有高溫合金中為注目的一種合金。它的相對(duì)使用溫度在所有普通合金系中也是的。目前，先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中這種合金的比重在50%以上。
GH4169合金是由國(guó)際鎳公司亨廷頓分公司的Eiselstein研制成功，于1995年公開介紹的時(shí)效硬化鎳—鉻—鐵基變形合金。合金是以體心立方g〞和面心立方g′相為沉淀強(qiáng)化的一種鎳基變形高溫合金，在650℃以下具有高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和良好的塑性，具有良好的抗腐蝕、抗輻射能、疲勞、斷裂韌性等綜合性能，以及滿意的焊接和焊后成型性能等。合金在-253～650℃很寬的溫度范圍內(nèi)組織性能穩(wěn)定，成為在深冷和高溫條件下用途極廣的高溫合金。由于GH4169良好的綜合性能，目前被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)軸、壓氣機(jī)葉片、渦 、渦輪軸、機(jī)匣、緊固件和其它結(jié)構(gòu)件和板材焊接件等 [3]  。
我國(guó)于70年代開始研制GH4169合金，主要應(yīng)用于盤件，使用時(shí)間比較短，所以采用真空感應(yīng)加電渣重熔的雙聯(lián)工藝。八十年代開始應(yīng)用于航空領(lǐng)域，提高和改進(jìn)材料質(zhì)量、提高合金的綜合性能和使用可靠性成為主要的研究方向。當(dāng)前GH4169合金的主要研究方向?yàn)椋?br /> （1）改進(jìn)冶煉工藝，量化冶煉參數(shù)，實(shí)現(xiàn)程序穩(wěn)定操作，使合金顯組織更加均勻，從而得到優(yōu)良的屈服和疲勞強(qiáng)度以及抗裂紋擴(kuò)展止裂能力，提高低周疲勞強(qiáng)度等；
（2）改進(jìn)熱處理工藝。目前的熱處理工藝不能很好的鋼錠中心的偏析，所以對(duì)組織的均勻性有不利影響，因此采用合理的均勻化退火工藝，得到細(xì)晶坯料成為現(xiàn)在的主要研究方向之一；
（3）改進(jìn)使用設(shè)計(jì)。由于GH4169的工作溫度不能高于650℃，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)零部件的冷卻，充分發(fā)揮該高溫合金的高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)；
（4）提高組織穩(wěn)定性能。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的長(zhǎng)壽命要求，對(duì)于提高GH4169合金長(zhǎng)期時(shí)效組織穩(wěn)定性方面也是至關(guān)重要的。
2、單晶高溫合金
目前單晶合金材料已發(fā)展到第四代，承溫能力到1140℃，已近金屬材料使用溫度極限。未來要進(jìn)一步滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，葉片的研制材料要進(jìn)一步拓展，陶瓷基復(fù)合材料有望取代單晶高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用。
單晶高溫合金葉片研制難度和周期與其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)，普通復(fù)雜程度的單晶葉片研制周期較短，但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用也需經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間。從單晶實(shí)心葉片到單晶空心葉片、到氣冷復(fù)雜空心葉片等，技術(shù)難度跨度很大，相應(yīng)的研制周期跨度也較大。一般一種普通復(fù)雜程度的單晶空心葉片從圖紙確認(rèn)、模具設(shè)計(jì)到試制、再到小批投產(chǎn)，需要1～2年時(shí)間。但單晶葉片由于其復(fù)雜的服役環(huán)境，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，一般一種普通結(jié)構(gòu)的單晶空心葉片從研制出來以后到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用需5～10年的時(shí)間，有的隨發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)度，甚至需要15年或更長(zhǎng)的時(shí)間 [4]  。