Nimonic90（GB/T 14994）高温合金百科解析

Nimonic90（GB/T 14994）高温合金百科解析

一、合金简介

Nimonic90 是由英国开发的镍铬钴基沉淀硬化型高温合金，对应中国国家标准 GB/T 14994（《高温合金锻制圆棒》）。其设计初衷是满足航空发动机涡轮叶片、涡轮盘等关键部件对750℃以下高温强度、抗蠕变性和耐腐蚀性的严苛要求。该合金通过γ'相（Ni₃Al/Ti）沉淀强化实现优异性能，是早期航空动力领域的标志性材料之一。

二、核心特性

高温力学性能

在650–750℃ 区间具有出色的抗蠕变能力与持久强度，长期服役稳定性优异。

室温至800℃范围内保持高抗拉强度（≥900 MPa）和屈服强度（≥600 MPa）。

抗氧化与耐腐蚀性

高铬含量（18–21%）形成致密Cr₂O₃氧化膜，抵抗航空燃油燃烧产物及高温氧化。

对盐雾、硫化物环境有良好耐蚀性，适用于近海及工业燃气轮机。

微观组织稳定性

γ'强化相（体积分数约20%）在高温下不易粗化，保障长期服役性能。

严格控制碳化物（如MC、M₂₃C₆）形态，延缓晶界弱化。

三、化学成分（关键元素）

镍（Ni）：基体（≥85%），提供奥氏体结构及高温稳定性。

铬（Cr）：18–21%，抗氧化/腐蚀核心元素。

钴（Co）：15–21%，提升固溶强化效果，延缓γ'相聚集。

钛（Ti）：1.8–2.7% + 铝（Al）：1.0–2.0%，共同形成γ'相（Ni₃(Al,Ti)）。

碳（C）：≤0.13%，形成碳化物强化晶界。

四、典型应用领域

航空发动机

高压涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘榫齿。

紧固件、燃烧室支撑环。

工业燃气轮机

高温螺栓、阀杆、密封环。

高端制造

核能热交换器部件、高性能赛车排气阀。

五、加工与热处理要点

热加工

锻造温度区间：1100–1150℃，终锻温度≥950℃，避免低温开裂。

热处理制度

固溶处理：1080℃ ±10℃保温后空冷/油冷。

时效处理：700–750℃保温16小时，空冷（析出均匀γ'相）。

焊接性

需采用保护气体（氩弧焊/电子束焊），焊后必须时效处理以恢复性能。

六、与同类合金对比优势

较Inconel 718更高的工作温度（Nimonic90：750℃ vs 718：650℃）。

较Nimonic80A更强的蠕变抗力（因钴/钛含量优化）。

成本低于含钽/铌合金（如René 95），性价比突出。

七、局限性

冷加工困难：需中间退火避免硬化开裂。

焊接需谨慎：热影响区易出现应变时效裂纹。

密度较高（~8.2 g/cm³），轻量化应用受限。

八、标准与认证

中国：GB/T 14994、GB/T 14995（锻件）

国际：

英国：BS HR6（原厂标准）

美国：AMS 5798（棒材）、AMS 5893（锻件）

欧盟：NiCr20Co15Ti（EN 2.4632）

结语

Nimonic90凭借其卓越的750℃以下综合性能，至今仍在航空、能源领域占据重要地位。GB/T 14994的标准化生产确保其在高温承力部件中的可靠性，是国产高端装备制造的关键材料之一。随着工艺优化（如粉末冶金），其应用潜力将持续拓展。

如需具体性能曲线、微观组织图或技术文档支持，可提供进一步专业资料。

镍铁合金主要分为两大类，它们的牌号体系和应用领域完全不同：

1. 作为炼钢原料的镍铁（Ferronickel）

这类镍铁主要用于不锈钢、合金钢的生产，作为廉价的镍来源。其牌号主要根据镍含量来划分，通常遵循国际标准（如ISO）或各国国家标准（如中国GB）。核心指标是镍含量。

低镍生铁/镍铁 (Low-Grade Ferronickel/Nickel Pig Iron - NPI):

镍含量： 通常在 1.5% - 8% 之间（常见范围是4%-6%）。

特点： 主要由红土镍矿通过高炉或矿热炉冶炼得到，成本低，是生产200系列不锈钢的主要原料。

牌号示例 (通常按Ni含量标示)：

FeNi4 (≈4% Ni)

FeNi6 (≈6% Ni)

FeNi8 (≈8% Ni)

标准参考： 常依据企业标准或贸易惯例，国际标准化组织有 ISO 6501:2018 (Ferronickel - Specification and conditions of delivery)，中国标准有 GB/T 25049-2010 (镍铁)。

常规/中镍铁 (Standard Ferronickel):

镍含量： 通常在 10% - 30% 之间（最常见的是 15%-25%）。

特点： 由硫化镍矿或部分红土镍矿经矿热炉或电炉冶炼得到，是生产300系列不锈钢的主要原料之一。

牌号示例 (按Ni含量标示)：

FeNi10 (≈10% Ni)

FeNi15 (≈15% Ni)

FeNi20 (≈20% Ni) - 非常常见

FeNi25 (≈25% Ni)

标准参考： ISO 6501:2018, GB/T 25049-2010 等。标准中会规定主要成分（Ni, C, P, S, Si, Cr, Co等）的范围。

高镍铁 (High-Grade Ferronickel):

镍含量： 通常大于 30%，甚至可达 ~50%。

特点： 一般由硫化镍矿冶炼得到，杂质含量相对较低，有时用于生产特殊合金钢或作为纯镍的部分替代品。

牌号示例：

FeNi30 (≈30% Ni)

FeNi40 (≈40% Ni)

FeNi50 (≈50% Ni)

2. 精密镍铁合金（Nickel-Iron Alloys）

这类合金是功能性材料，具有特殊的物理性能（如低膨胀、高磁导率、恒弹性），用于精密仪器、电子、航空航天等领域。其牌号体系复杂，通常有商品名/通用名和各国材料标准牌号。

低膨胀合金 (Low Expansion Alloys):

因瓦合金 (Invar):

典型成分： Ni 36%, Fe 余量。关键特性： 在室温附近具有极低的热膨胀系数。

牌号示例：

商品名：Invar (最早由Imphy Alloys/ArcelorMittal注册)

美国：UNS K93600, ASTM F1684 (Alloy 36)

国际/欧洲：FeNi36 (或 1.3912, Ni36), DIN 17745

中国：4J36 (GB/T 15018, GB/T 15019)

超因瓦合金 (Super Invar):

典型成分： Ni 31-33%, Co 4-5%, Fe 余量。关键特性： 比Invar更低的膨胀系数，温度范围更宽。

牌号示例：

商品名：Super Invar

美国：UNS K94610

国际/欧洲：FeNi31Co5 (或类似)

中国：4J32

高磁导率软磁合金 (High Permeability Soft Magnetic Alloys - "坡莫合金" Permalloy):

特点： 具有极高的初始磁导率和最大磁导率，低的矫顽力和饱和磁感应强度，用于变压器铁芯、磁屏蔽、传感器等。

主要牌号系列 (按Ni含量分):

~80% Ni 合金： 最高磁导率。

商品名：Permalloy (最早由Bell Labs注册，常指78-80% Ni)， Mumetal (77-80% Ni, 含Cu, Cr/Mo)

美国：UNS K94840 (80Ni-5Mo-Fe), ASTM A753 Alloy 80 (Type 4)

国际/欧洲：Ni80Mo5 (或 1.3915, 1.3981), FeNi78Mo4 (Mumetal类似成分)

中国：1J79 (≈79Ni-5Mo-Fe), 1J85 (≈80Ni-5Mo-Fe)

~50% Ni 合金： 较高饱和磁感应强度。

美国：UNS K94870 (48-50Ni-Fe), ASTM A753 Alloy 48 (Type 2)

国际/欧洲：Ni50 (或 1.3920), FeNi50

中国：1J50

~45-50% Ni 合金 (高矩形比)： 用于磁放大器、磁调制器等。

美国：UNS K94790 (45Ni-55Fe), ASTM A753 Alloy 45 (Type 1)

国际/欧洲：Ni45 (或 1.3917), FeNi45

中国：1J46, 1J54 (成分略有差异)

恒弹性合金 (Elastic Alloys / Elinvar):

典型成分： Ni 33-35%, Fe 余量，常添加 Cr, Ti, Mo, Mn, Be 等。关键特性： 弹性模量在一定温度范围内基本不随温度变化。

牌号示例：

商品名：Elinvar (最早注册名称)

美国：UNS K93601 (Ni-Span-C 902, 42Ni-5Cr-2.5Ti-Fe), Ni-Span-C 903 (类似)

国际/欧洲：Ni36CrTiAl (或 1.3918), FeNi36CrTi (多种变体)

中国：3J53 (Ni36CrTiAl), 3J58 (Ni42CrTiAl - 更高Ni)

总结选择牌号的关键点

用途： 作为炼钢原料添加镍，还是作为精密功能材料使用？这是区分两大类牌号的首要问题。

核心性能要求 (对于精密合金)：

需要低热膨胀系数？看 Invar (4J36/Alloy 36) 或 Super Invar (4J32)。

需要高磁导率？看 坡莫合金 (根据具体磁性和饱和磁感选 1J79/80Ni, 1J50/50Ni, 1J46/45Ni 等)。

需要恒弹性？看 Elinvar 系列 (如 3J53, Ni-Span-C )。

镍含量 (对于炼钢原料)： 根据目标钢种和不锈钢系列（200系，300系）选择合适镍含量的镍铁 (FeNi4, FeNi20, FeNi30 等)。

标准和规范： 具体牌号需参照相应的国家标准（如中国GB/T, 美国ASTM, 欧洲EN/DIN, 国际ISO）或行业/企业标准，这些标准详细规定了化学成分范围、物理性能、力学性能、交货状态等要求。

如果你能提供更具体的应用场景或需求（例如“用于不锈钢生产的”、“用于精密仪器要求低膨胀的”、“用于变压器铁芯的”），我可以帮你推荐更具体的牌号。