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镍基合金的背景概述
镍基合金背景
镍是耐水腐蚀合金的理想基体，原因如下：
镍供应充足，价格合理。它天生比铁更耐腐蚀。在整个固体范围内，镍表现出韧性、面心立方结构（称为“伽马”相，类似于不锈钢中的“奥氏体”）。
有益元素，特别是铬、铜和钼，在镍中高度可溶（即，它们可以大量添加而不会导致微观结构中第二相的沉淀）。由于其高延展性，它们非常适合锻造加工（热加工和冷加工）、制造和焊接。
有益元素，特别是铬、铜和钼，在镍中高度可溶（即，它们可以大量添加而不会导致微观结构中第二相的沉淀）。由于其高延展性，它们非常适合锻造加工（热加工和冷加工）、制造和焊接。
铬、铜、钼和铁是添加到镍中的元素，以增强镍的耐腐蚀性，或（对于铁而言）降低成本。
铬在镍基合金中的主要作用是在具有氧化性质的腐蚀性溶液中形成保护性（“钝化”）富铬（氧化物或氢氧化物）表面膜。这种溶液会引起高电位的阴极反应，包括氧气，而还原性溶液会引起低电位的阴极反应，包括析氢。纯硝酸溶液是氧化性的，其他酸的许多不纯溶液也是氧化性的。具有强氧化倾向的杂质包括铁离子和溶解氧。与钢一样，当铬含量超过约13 wt.%时，钢才被视为“不锈钢”，耐腐蚀镍合金也需要临界铬含量，以便在氧化溶液中钝化。这被认为是大约15重量%。在最通用的镍合金中更典型的是含量在16到23 wt.%之间。
铜在镍中互溶（即在没有其他合金元素的情况下，两种元素的所有混合物都表现出单一的FCC结构），提高了镍在海水和还原酸（尤其是氢氟酸）中的抗腐蚀性。少量用于某些含铬镍合金，但是几种耐腐蚀镍合金（与蒙乃尔®商标相关）的主要成分，铜含量约为30 wt.%。
钼使镍变为长方形，因此增强了镍对还原性酸的抵抗力，即诱导阴极反应（包括释放氢）的酸。这种酸包括盐酸和硫酸，这是最常见的工业腐蚀剂。由于钼的原子相对较大，它也增强了伽马固溶体。
钨（来自同一组元素，原子尺寸更大）在某些合金中被用作钼的部分替代物。钼和钨的溶解性，特别是在铬等其他元素存在的情况下，是有限的。然而，在含铬镍合金中钼含量可能为15至20 wt.%，在镍合金中钼含量为30 wt.%是可行的，只需少量添加其他元素。
如前所述，添加铁的原因通常是经济的，要么允许在熔化过程中使用较便宜的装料材料，要么生产能够弥补耐腐蚀镍基合金与奥氏体和双相（奥氏体/铁素体）不锈钢之间成本/性能差距的材料。添加铁的一个问题是，它降低了更多有益元素（如铬和钼）的溶解度（在富镍伽马固溶体中），从而限制了这些元素的使用，或导致存在对延展性和/或耐腐蚀性有害的第二相。
有时添加到锻造耐腐蚀镍基合金中的其他元素（尽管数量很少）包括：
铝，用于熔化过程中的氧气控制，或（在略高的水平上）在微观结构中诱导细小的“伽马素”粒子沉淀，用于强化目的。虽然gamma-prime（作为第二相）在一定程度上降低了耐腐蚀性，但各种镍合金的gamma-prime强化版本在商业上取得了成功。
锰，用于熔化过程中的硫控制。
钛，以稳定碳化物和/或氮化碳的形式结合任何残余碳（和/或氮），或参与形成细小、强化的γ-素沉淀。
铌（columbium），它也能吸附残余的碳，并且（在稍高的水平上）产生一种被称为“伽马双素”的交替的、精细的、强化的沉淀物。
碳和硅是大多数锻造、耐腐蚀、镍基合金中不理想的残留物，在熔化过程中采用了复杂的技术（如氩氧脱碳或AOD）以尽量减少这两种元素的含量。它们是不受欢迎的，因为它们不易溶于镍，并且在热加工和焊接（退火材料）过程中会产生有害的沉淀，特别是在晶界处。
在生产和制造这些镍基合金的关键步骤是固溶退火，然后快速冷却（淬火）。这使得在热（或温）加工过程中可能出现的不需要的第二相沉淀物（由于过度合金化，或残余物的存在，如碳和硅）溶解，并使这种主要的单相结构“锁定”。亚稳性通常只是后续焊接热影响区的一个问题，晶界析出会导致某些腐蚀介质中晶界的优先侵蚀。由于这些材料的预期使用温度低于引起显著扩散所需的温度，因此使用过程中的结构变化不太重要。
钴合金背景
尽管它们在元素周期表中非常接近，但镍和钴的原子结构和特征之间仍有很大差异。与镍一样，钴本身具有耐腐蚀性，并能容纳高水平的有益元素。然而，钴表现出两种原子形式：一种低温六角形紧密堆积（HCP）形式。高温面心立方结构。
纯钴的转变温度为417℃。镍、铁和碳等合金元素（在其有限的可溶性范围内）被称为FCC稳定剂，并抑制转变温度。另一方面，铬、钼和钨是HCP稳定剂，可提高转化温度。实际上，这种转变是极其缓慢的，不容易由加热或冷却带来。事实上，在从熔融状态凝固后（或在锻造产品的情况下，在固溶退火和淬火后），钴和钴合金（具有升高的转变温度）通常在室温下表现出亚稳态FCC结构。然而，冷加工（即室温下的塑性变形）很容易引起HCP的部分转变。
在机械应力的作用下，钴和钴合金的转变被认为是通过产生宽的层错（具有非常低的层错能的材料的FCC形式）和随后的合并来进行的。在塑性变形的钴基合金中也观察到广泛的微孪晶。
铬对钴的益处与对镍的益处相同，即铬是在腐蚀性液体和高温气体中形成保护膜/氧化皮的关键。此外，它还影响钴及其合金结构变化的驱动力，进而影响其力学和磨损性能。
镍（如果存在）在钴基催化剂中的主要作用是稳定FCC形态。这会对磨损性能产生负面影响，但会带来许多好处，特别是易于锻造加工（镍含量足够高）。
钼和钨都是钴基合金中的强固溶体强化剂。它们还会导致更高的转变温度，从而提高对涉及微疲劳成分（如金属间滑动和气蚀）的磨损形式的抵抗力。钼用于那些主要用于抗水腐蚀和磨损的钴合金中。钨用于那些设计用于高温用途的锻造钴合金，以及那些铸造（和堆焊）的高碳合金，这些合金主要用于恶劣环境中的耐磨性。
在铸造（和堆焊层）中，碳含量相对较高（即0.5至3.5 wt.%）的钴合金中，铬、钼和钨也促进了显微结构中碳化物的形成。这些碳化物（富铬M7C3和M23C6，以及富钼/钨M6C）在低应力（双体）磨损条件下非常有益。
与镍基合金一样，可以使用铁来降低成本，特别是在熔炼过程中允许在炉料中使用铁化合物或铁污染废料的情况下。然而，它也可用作替代FCC稳定剂（而不是镍），以降低转变温度，使合金更易于锻造加工和制造。
碳在钴中的溶解度高于在镍中的溶解度；因此，在锻造的、耐腐蚀和耐磨的钴基合金中，减少碳的需要较少。此外，碳是锻造高温合金（钴和镍）的重要次要添加剂，也是铸造和堆焊钴合金的主要添加剂，钴合金主要用于耐磨。它在高温合金中的作用是通过形成稀疏分散的碳化物来强化。它在耐磨合金中的作用是在其显微组织中生成高体积分数的碳化物，以提高其切削和变形抗力。
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