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耐蝕&耐熱鎳基合金的選擇指南
來源: | 作者:prod6a71f | 發布時間: 2017-11-28 | 6934 次瀏覽 | 分享到:
       鎳基合金既耐熱又耐腐蝕的特性能使它成為高溫腐蝕性環境下的理想材料。對于暴露在高溫(通常定義為溫度高于約1000℉)腐蝕性工藝流程中的化工設備,鎳合金大有用武之地。   
許多情況下,高強度、耐化學腐蝕的鎳合金,都是苛刻惡劣的環境中(超出了奧氏體和超級奧氏體不銹鋼的耐蝕能力)最佳(如果不是唯一)的材料。盡管比鐵基合金價格高,但是耐熱和耐蝕鎳合金優異的性能表現使它們成為長期使用中最經濟的選擇。

1.鎳基合金的成分
       在化學加工工業中獲得廣泛應用的耐熱和耐蝕鎳基合金(這里定義為鎳含量超過45%的合金)的化學成分見表1。合金采用常用牌號和UNS代號來識別。雖然早期開發的合金專利已經失效,但它們仍然沿用原來的商品名稱。 例如,通用合金600、601和625通常與Inco公司持有的INCONEL商標有關。同樣,合金X是Haynes國際公司HASTELLOY商標中的著名合金。后來新開發的合金仍然是只能從它們的開發者那里買到的專利材料,如表1中的注釋所示。


 

注:*為最大值。
1.Haynes合金214TM,230,242TM(屬Haynes國際公司產品)。
2.Nicrofer合金45TM,Nicrofer 6025HT-合金602CA (克虜伯VDM公司產品)。
   

       所介紹的合金都是鍛軋材料,主要通過固溶強化處理提高強度,既不包括沉淀硬化的鎳基合金,也不包括采用粉末冶金技術生產的氧化物彌散強化(ODS)合金。這些主要用于燃氣渦輪和航空航天設備的超合金很少用于化工設備。表1所列合金對應的鑄造牌號也不在本文討論范圍之內。


2  物理性能和力學性能
    鎳合金的物理性能與300系列Cr-Ni不銹鋼的物理性能類似。不同合金的導熱性能和熱膨脹特性可能存在顯著的差異,在設備設計中需要加以考慮。
    鎳基合金整體而言力學性能很優異,強度和塑性兩方面都很好。室溫條件下的最小強度和塑性指標列于表2。除合金601外,最低屈服強度都大大高于30ksi,這個數值是常見奧氏體不銹鋼的屈服強度。
    鎳基比鐵基材料強度高,而且隨著溫度升高而增加,見表3。值得注意的是在1500℉(816℃)時,鎳基合金保持了其室溫屈服強度40%-75%的強度,相比之下,不銹鋼只保持了室溫屈服強度的20 %-35%。
    鎳合金的優越性擴展到蠕變斷裂,如表4。不銹鋼在2000℉ (1093℃)及以上時,其有效強度基本喪失,而鎳合金用作中等應力的部件仍能有效發揮作用。例如,對于合金600、601、214、230和333而言,2000℉ (1093℃)時1000小時斷裂強度大約為1.0ksi,對于合金617和602CA,這種條件下的斷裂強度約為1.4ksi。
    ASME鍋爐和壓力容器規范包括了除合金214、242和45TM外的合金許用應力值。




3  冶金學穩定性
        為高溫用途選擇合金所考慮的另一個重要特性是冶金學穩定性,也稱為熱穩定性,它指的是材料抵抗脆性顯微組織相或時效(即高溫下長期暴露)析出物形成的能力等。所謂的“時效脆性”主要表現為塑性和韌性的降低,也可能導致耐蝕性的下降。
        雖然有些合金如合金600和601實際上不發生時效脆化,但多數合金受到不同程度的損害,合金625是其中之一,當它暴露在1200℉(649℃) 到1400℉(760℃)溫度時,塑性和沖擊強度顯著下降。在更高的溫度下,由于脆性析出物會再溶解,這些性能得到了部分恢復。由于塑性和韌性降低導致設備失效的情況不常見,這歸功于非時效處理的鎳合金非常高的初始性能。

4  抗化學物質
       高溫化學加工環境最常見的腐蝕形式是氣相腐蝕,特別是氧化、硫化和鹵化作用(氯化和氟化)。在惡劣高溫環境下其它形式的性能退化主要是滲碳、滲氮和氫腐蝕。由于不存在金屬損失和表面凹坑,因此這些腐蝕形式不屬于傳統意義上的腐蝕,而主要表現為冶金力學性能的損害 -- 最常見的是脆化。
       合金成分對減緩或加劇鎳基合金高溫化學腐蝕的作用見表5。
       鉻、鉬、鈷、鎢、硅和鋁的影響既可以是有利的,也可以是有害的,這取決于特定暴露條件,特別是溫度以及還原性或氧化性氣氛。
實際上材料性能退化的幾種模式可能同時發生。例如,許多工業環境既含有氧又含有氯,金屬暴露在氯氧化作用條件下,遭受非常致命的腐蝕。液相如熔融鹽、熔灰或熔融金屬也能引起異常嚴重的腐蝕。這些腐蝕性物質在化學加工過程中很少遇見,本文不作討論。



5  腐蝕形式
        高溫化學腐蝕常見的類型簡要描述如下。由于鎳合金耐氫腐蝕的能力很強,因而省略氫腐蝕。

(1) 氧化  氧化是在高溫下最常見的腐蝕形式,它以形成金屬氧化腐蝕產物為特征,這些所謂的氧化皮通常十分致密,而且粘著力很強,因此能夠減緩進一步腐蝕。但是,在十分惡劣的條件下,氧化皮可以被穿透或者剝落。鉻是使合金具有抗氧化性能最重要的元素。正如不銹鋼的情況一樣,加入少量的鋁、硅和稀土元素能夠進一步提高氧化物的穩定性和附著性,特別是在熱循環條件下更是如此。穩定的氧化皮不僅僅減緩了進一步氧化,而且還作為有效的屏壁抵抗其它類型的腐蝕。
(2) 硫化  硫化產生富含金屬硫化物的氧化皮。還原性硫化環境通常比氧化性硫化氣氛腐蝕性更強。鎳基合金由于易形成低熔點的硫化鎳,比不銹鋼更容易發生硫化。與氧化一樣,添加鉻元素可顯著提高抗硫化性能。
(3) 氯化  不銹鋼暴露于高溫氯氣及氯的化合物中會迅速發生腐蝕。由于氯化鐵和氯氧化物非常不穩定,嚴重的氯化過程可能在沒有明顯氧化皮形成時即發生。鎳基合金比鐵合金耐氯化能力強得多,是氯氣或氯化物環境的理想材料。
 (4) 滲碳  在高碳活性氣氛中,碳常常會擴散到金屬基體中并形成金屬碳化物。這種形式的腐蝕稱為滲碳,它會造成力學性能的嚴重損害,特別是塑性和沖擊強度的嚴重損害。鎳基合金表現出良好的抗滲碳能力,因為鎳與鐵不同,它不是強碳化物形成元素。
 (5) 滲氮  滲氮指的是氮擴散到金屬晶格中形成金屬氮化物。在化學工業中, 主要在高溫氨氣氣氛中遇到這種現象。與滲碳一樣,損害表現為脆化而不是金屬損失。鎳不會形成氮化物,所以富鎳合金具有出色的抗滲氮性能。
(6) 內部腐蝕  滲碳和滲氮絕不是以內部損傷為特征的材料唯一的高溫退化模式,實際上所有高溫腐蝕都是擴散推動的,以表面之下的侵蝕主要是沿晶界的侵蝕為特征。這適用于氧化、硫化,特別是鹵化。在許多情況下,內部腐蝕穿透到比表面金屬損失更深的金屬內部。因此,評估高溫腐蝕應不僅僅基于厚度或金屬損失,還要依靠金相檢驗。


6  焊接指南
       鎳基合金可以采用常用的焊接工藝進行焊接,包括手工電弧焊(SMAW),氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)和氣體保護熔化極電弧焊(GMAW)。鎳合金焊接件一般都有很好的塑性,它們較低熱膨脹特性有利于減少殘余應力和變形。對于固溶強化合金一般不要求焊后熱處理。
       美國焊接學會(AWS)標準A5.11和A5.14給出了鎳基合金適用的焊接材料,見表6。盡管合金601、214、230、242和602CA相匹配的填充金屬未包括在AWS標準A5.1 1和A5.14中,但它們可以在市場上買到。對于暴露在腐蝕性高溫環境下的焊接件,選擇匹配的填充金屬較理想,因為這樣更能確保焊縫金屬與母材具有相同的耐腐蝕性。富鎳焊接材料還廣泛地用于鎳基和鐵基合金之間的焊接以及在鐵基材上進行堆焊。


注:1.這些焊材與母金屬不完全匹配,因此焊縫金屬與母金屬的高溫耐蝕性能有可能不同。
       2.匹配的填充金屬可以買到,但是未包括在AWS技術規范中。
   
       鎳基合金的焊接工藝與不銹鋼的焊接工藝大致相類似。但是,由于高鎳焊縫熔池流動性差,為了得到完全焊透的焊縫,應對焊接接頭的設計以及焊接技術做適當修改。鎳基合金比鐵基合金對由污染造成的焊縫脆化更敏感,要特別仔細地保護焊接區域,防止受外來物質的沾污。
鍛軋耐熱耐蝕鎳基合金產品形狀多種多樣,包括中板/薄板,無縫管和焊管產品。表7列出了部分產品的ASTM標準。表1中所列的大部分合金也能夠生產鑄件,但是,鑄造產品的化學組成有少許改變。


 


7  合金的特性
     這里簡要總結所介紹的每一種合金主要的特性,這些特性影響材料在化工廠高溫腐蝕性環境下的適用性。
? 合金600具有優異的抗氧化、抗氯化、抗滲碳和抗滲氮能力,但是,抗硫化能力較差。合金600廣泛用于高溫氯氣/氯化氫環境和氨氣環境。
? 合金601具有優異的抗滲碳和抗周期性氧化的能力,它具有中等強度,但熱穩定性非常好。合金601廣泛用于有污染的燃燒環境。
? 合金617集出色的高溫強度、熱穩定性、抗氧化和抗滲碳性能于一身,適用于硝酸和石化產品的生產。
? 合金625兼有高強度及良好的全面耐腐蝕能力包括含水介質中的耐蝕能力。它耐疲勞斷裂的性能非常好,但熱穩定性中等。合金625廣泛應用于化工/石化設備。
? 合金X集突出的強度、加工性和抗氧化、抗滲碳和抗滲氮性能于一身。是腐蝕性燃燒環境用作受應力部件的良好合金。
? 合金214具有很好的抗氧化[可高達2200℉(1204℃)]、抗氯化、抗滲碳和抗滲氮能力, 中等的熱穩定性、加工性和焊接性能,是適用于極端腐蝕環境的一種合金,產品形式和數量有限。
? 合金230具有強度、熱穩定性、耐疲勞斷裂、抗氧化和加工性的最佳平衡,它適合用作苛刻燃燒環境中的高強度零件。
? 合金242是鎳基合金中耐氟和氟化物腐蝕最好的。它具有非常高的強度和良好的熱穩定性。合金242不適用于1500℉(816℃)以上的高溫。它常用于含氟聚合物生產中。
? 合金333具有出色的抗氧化和抗滲碳以及良好的抗硫化性能和力學性能。可用于各類化工/石化設備中。
? 合金45TM對于要求抗氯化/氧化/硫化/滲碳綜合能力的用途是最佳的選擇。這種合金適用于焚化和氣化過程。
? 合金602CA具有突出的抗周期性氧化[最高達2200℉(1204℃)]和抗滲碳能力,也具備很好的抗氧化/硫化氣體的能力。在非常高的溫度下,它具有很高的蠕變強度。

8  成本因素
           本文提到的合金,其價格比310不銹鋼大約貴2倍到5倍,由于鎳基合金和不銹鋼在加工制造成本方面差異不大,所以從安裝設備費用角度看,價格差異大大減小。
    在經濟分析中另一個重要的考慮因素是高性能材料更高的性能,更低的維修費用和更長的使用壽命。從壽命周期成本分析的角度看,鎳基合金常常被證明是最經濟的選擇。

注: 耐熱合金與耐腐蝕合金
        合金生產廠和技術標準起草人認為將合金分為耐熱合金或耐蝕合金比較方便。這種略帶隨意的分類方式主要著眼于合金的化學成分和顯微組織是在含水介質中耐蝕性最優還是在高溫條件下性能最好。還可以根據在高溫腐蝕性環境下主要是利用耐熱合金耐化學腐蝕的性能還是利用其最佳的強度和冶金穩定性來對耐熱合金進一步細分。實際上耐熱和耐蝕合金有很多重合,有些多用途的鎳基合金在多種場合都可以有效地使用。

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