镍基高温合金Hastelloy B-3产品概述、特性及应用领域

HastelloyB-3产品概述

Hastelloy B-3是一种以镍、钼、钴等元素组成的镍基高温合金，含镍量约为65%。Hastelloy B-3镍基合金材料是在Hastelloy B-2的基础上改进的材料，提高了材料的热稳定性，从而提高了耐蚀性能，同时，改善了热成形与冷成形性能。近年来，已经越来越多地应用于化工装备的生产制造中。

当基体中 Cr 的含量相对较少而 Ni 的含量较多时， 因为 Ni 和氧的亲和力与 Cr 的相差不大， 所以会形成复杂氧化物 NiCr 2 O 4 ， 同时部分 Ni 元素会在金属表面形成NiO， XRD 结果相符合。

Hastelloy B-3合金板材固溶状态的力学性能：

随加热温度上升，其抗拉强度、屈服强度、弹性模量会降低，而延伸率、热膨胀系数、导热系数和比热略有升高；而随冷态变形率的增加，其硬度、抗拉强度和屈服强度增加，延伸率降低。
低温热腐蚀中， 当合金表层氧化层被破坏后， 内 层又会重新形成氧化层。 内 层氧化物主要由 NiCr 2 O 4 和 NiO 组成， 在外层氧化层大片剥落的区域处 Cr 含量相对较少， 为 28 wt%左右； 而在外层氧化层翘起还未剥落的下方腐蚀层中 Cr 含量相对较少， 为 40 wt%左右； 说明在腐蚀过程中表层腐蚀膜被破坏时伴随着 Cr 元素的消耗。 从总体上看， 虽然低温热腐蚀由于生成低熔点共晶物， 所以也发生熔融热腐蚀， 腐蚀机理与高温热腐蚀相同， 但由于熔融盐的量有限， 所以低温热腐蚀的腐蚀程度不高， 对合金表面氧化层的破坏也有限。

Hastelloy B-3特性

1.哈氏合金 B3 材料具有较高的延伸率，为冷成型创造了有利条件。

Hastelloy B3材料比奥氏体不锈钢更硬，加工硬化倾向更明显，因此在冷成型或分步成型时需要更大的压力。

2.当Hastelloy B3材料的冷成型变形率小于10%时，不会影响加工件的耐腐蚀性能，但在焊接过程中，残余应力的存在可能会导致焊缝产生热裂纹。因此，对于后期需要焊接的工件，应尽可能消除残余应力的影响。

3.严重变形的冷成形会增加哈氏合金B3材料的屈服比，增加应力腐蚀和开裂的敏感性。经常使用中间和最终热处理工艺。

4.哈氏合金 B3 材料在高温下对氧化介质和硫、磷、铅和其他低熔点金属非常敏感。

当腐蚀温度增加到 1000℃时， 合金表面腐蚀层分层更明显。可以看出 腐蚀层明显分为三层， 腐蚀层最外层由块状氧化物组成， 且块状氧化层外侧较小， 内 侧较大， 均为 Cr 2 O 3 ，块状氧化层下是一层扁平状 Cr 2 O 3 氧化层组成； 内 层腐蚀层是由硫化物（ Cr 2 S 3 和 Ni 3 S 2 ）、氧化物（ Cr 2 O 3 和 NiO） 和铌化物（ Ni 3 Nb、 NbC） 等组成的混合层， 并且能看到很明显的沿晶腐蚀。

Hastelloy B-3热稳定性

与哈氏B-2合金相比，B-3合金最大的优势就在于在瞬间暴露于中温时，它仍能保持极佳的韧性。这种暴露通常规律性地发生在加工的热处理过程中。当短时暴露于700℃的温度时，B-2合金非常容易脆化，而B-3合金则表现出显著的抗脆化能力，并可使这种暴露长达几小时。这为合金被制作为复杂的、诸如成型装置的部件提供了极大的便利。

经 EDS 分析，在内 层腐蚀层发现有 S 元素， 说明部分 S 元素在腐蚀中会扩散到氧化层下的合金基体中， 从而合金基体。 外层和中间层的氧化层的外表都较疏松， 保护性较差；而腐蚀层下层结构致密， 具有较好的保护性。

正、背两面氩气保护，避免合金元素高温氧化烧损。 压制前应将焊缝表面打磨光滑，去除焊缝表面较厚的氧化层并辅以酸洗。因为哈氏合金B3材料焊缝的氧化层很坚硬，直接酸洗难以去除，在压制成形过程中很容易产生细微的裂纹，对焊缝的性能造成影响。

对合金氧化层剥落并且基体腐蚀较严重区域进行分析， 发现Nb 元素较多的地方， 其周围容易出 现腐蚀坑， 主要是因为 Nb 偏聚区域 Cr 元素较少， 不易形成致密氧化膜， 容易被腐蚀。 在腐蚀坑周围腐蚀较轻的区域， 主要是 Ni、 Cr 的氧化物， 说明 Ni、Cr 的氧化物具有很好的抗腐蚀性， 保护基体不被腐蚀。 结合图 3.7、 3.8、 3.9 和3.10 还可以发现， 在合金基体腐蚀层会有 Si 元素的出 现， 而 Si 元素对于合金抗腐蚀是有益的， 其可以提高合金基体与腐蚀层之间的粘性。
热成形的优点是可一次成形，能避免加工硬化，如果成形温度能控制好，还可免去热处理。但热成形过程中温度变化很大，且每个区域都有不同，甚至与模具直接接触的表面可能要远低于金属内部的温度，很难测量和控制，一旦在加工过程中局部材料进入敏感温度区，产生微裂纹等缺陷， 便很难在后期的固溶热处理中消除。吸取加工厂的经验， 选择了冷成形工艺。压制方法优先选用模压，必须采用旋压时也要采用冷旋压，或温度不超过400℃的温旋压。

在不同温度下的腐蚀进行分析发现， 合金在 800℃下腐蚀后合金表面腐蚀层分布较均匀， 主要由 NiO 和 NiCr 2 O 4 组成。 随着腐蚀的进行， 合金表面块状腐蚀产物体积变小， 出 现氧化层脱落现象， 但底层仍为较致密的氧化层， 氧化层并未出 现大面积脱落和露出 合金基体。
冷成形过程中，变形率较大时要采用分步成形工艺。分步成形要进行中间热处理，宜选用固溶热处理，温度控制在1000℃以上。选择固溶热处理工艺，温度达到1060～1080℃。加工件压制成形后还要再进行一次固溶热处理，消除残余的应力，避免影响后续的焊接质量。

Hastelloy B-3焊接与加工
成形加工特性：

哈氏合金B3材料的延伸率较高，为冷压成形创造了有利条件。
2.哈氏合金B3材料比奥氏体不锈钢坚硬，加工硬化倾向更明显，所以在冷成形时需要更大的压力，或分步成形。
3.哈氏合金B3材料冷成形变形率小于10%时，不会对加工件的耐腐蚀性能造成影响，但在焊接加工中，残余应力的存在可能会给焊缝造成热裂纹。因此，对于后期需要焊接加工的工件，还是应尽可能消除残余应力的影响。
4.变形严重的冷成形会提高哈氏合金B3材料的屈强比，还会增加应力腐蚀和裂纹的敏感性，常采用中间和终热处理工艺。
5.哈氏合金B3材料在高温下对氧化性介质及硫、磷、铅及其他低熔点金属非常敏感。
6.在600～800℃区间，加热时间过长，哈氏B3合金会产生脆性相，导致延伸率降低，而且在此温度区间外力或变形受到限制时，容易发生热裂纹。因此采用热成形时，温度必须控制在900℃以上。
7.哈氏合金B3材料加工压制前，与工件接触的模具表面清理干净；冷加工时，可采用润滑方法，成形后须立即脱脂处理或用碱清洗。
8.加工件出炉水冷后，表面的氧化膜较厚，应充分酸洗，如残留有氧化膜，可能在下次压制时产生裂纹；必要时，可在酸洗前喷砂处理。
当腐蚀温度增加到 900℃时，合金表面腐蚀产物主要由 片状 Cr 2 O 3 和尖晶石状 NiCr 2 O 4 组成， 并且随着腐蚀时间的增加， 腐蚀层外层逐渐转变为片状 Cr 2 O 3 。 在 900℃下腐蚀后， 合金表面氧化层出 现的明显的断层和脱落现象， 并露出 合金基体被腐蚀后的形貌， 主要分为外层疏松片状 Cr 2 O 3 氧化层， 内 层致密 Cr 2 O 3 氧化层和内 部基体被腐蚀后的腐蚀层。随着腐蚀温度增加到 1000℃， 合金表面腐蚀层脱落更严重， 分层也更明显， 且裸露在外的合金基体被腐蚀后出 现明显的晶界腐蚀。

热处理：
Hastelloy B3（N10675）哈氏合金在热处理之前和热处理过程中，应始终保持 工件清洁和无污染， 这一点非常重要。在加热过程中，工件不能接触硫、磷、铅及其他低熔点金属，否则会损害合金的性能，使合金变脆。加热炉为电炉，如采用燃气或燃油炉，燃料中的含硫量越低越好，根据材料厂家推荐，天然气和液化石油气中的硫的总含量不大于0．1% （V），城市煤气中硫的含量不大于0．25g/m3 ，燃油中硫含量应少于0．5%（W）为较好。
炉气必须洁净并以微还原性为宜，应避免炉气在氧化性和还原性之间波动，加热火焰不能直接接触工件。工件入炉前必须支撑，避免高温下发生不良变形。工件升温速度尽可能快，必须待炉温达到热处理温度后工件才能入炉。出炉后应快速水冷，用浸入法或全面积均匀喷淋，严禁采用水管浇注，以防冷热不均，导致发生异常变形或撕裂。

合金腐蚀后试样外表面都会形成一层 Cr 2 O 3 氧化膜， 但是随着腐蚀温度从 900℃增加 1000℃时， Cr 2 O 3 氧化膜的完整性明显被破坏。 在1000℃下腐蚀后， 从 Cr 元素分布能谱图中可以发现在合金表面 Cr 元素有聚集，但分布不均匀， 结合 O 元素分布图， 说明合金表层氧化膜不连续， 被破坏严重。

Hastelloy B-3应用领域

Hastelloy B-3合金可适用于B-2合金的所有用途。同B-2金一样，B-3不推荐使用于三价铁盐和二价铜盐存在的环境中，因为这些盐会很快引起腐蚀破坏。当盐酸接触到铁和铜时，会与之发生化学反应生成三价铁盐和二价铜盐。

而在表层 Cr 元素聚集处下方出 现贫 Cr 区， 说明在高温下， 合金靠近腐蚀层处的Cr 元素随着腐蚀进行而被消耗， 内 部的 Cr 元素无法及时扩散到基体表面， 所以导致无法形成连续致密的 Cr 2 O 3 氧化膜。 当在高温下， 表层 Cr 2 O 3 氧化膜被破坏后， 腐蚀元素 S 会通过不完整的氧化层扩散进入合金基体， 腐蚀合金基体， 当氧化层被破坏后， 其下方有 S 元素聚集。