镍基合金，顾名思义是以镍元素为基体添加其它合金元素形成的金属材料。国际上通常称其为Superalloy，即超合金。国内习惯上称其为高温合金。一般镍含量30%以上的铁镍合金通常也称作镍基合金。

镍基合金的成分特点就是，添加的合金元素种类多，合金元素含量高。镍基合金含有十多种元素，有的甚至二三十种元素。各种元素在镍基合金中发挥的作用不同（表1）。当然有些杂质元素（硫、磷、硅、锰）、气体元素（氧、氮）、有害元素（铅、砷、锡、锑、铋、硒、碲、砣等）并非有意添加的，而是添加主元素时由金属料或铁合金带入的，这些杂质元素、气体和有害元素是应当避免，或者尽可能降低其含量。

表1  镍基（铁镍基）合金中元素的作用

国际上有多少镍基合金牌号？未做过公开的详细统计。国内抚顺特钢曾经生产过150多种牌号的镍基合金。不同牌号的镍基合金添加的主元素及其含量相差很大（表2），因而材料具有不同的工艺性能和各种使用性能。

表2  镍基（铁镍基）合金的化学成分

镍基合金所含的二三十种元素，各自的熔点相差很大（图1），固溶强化元素W、Mo、Nb、Ta的熔点远高于Ni、Co、Fe基体元素，而杂质元素S、P，以及有害元素Pb、As、Sn、Sb、Bi、Se等元素熔点则很低。另外不同元素的原子直径及其在镍基体中的溶解度有很大差异（图2）。这样一来，即使液态成分非常均匀的材料，在凝固过程中由于选分结晶也会产生偏析。所谓选分结晶，指的是固溶体合金结晶时固相成分与液相的成分不同。合金凝固过程中以树枝晶形式生长，溶质原子在枝晶干与枝晶间（液相）之间重新分配。这种溶质原子的重新分配程度通常用分配系数来表达。不同镍基合金中各元素的分配系数是有差异的。换句话说，不同合金凝固时枝晶干和枝晶间的元素浓度都不一样。这就是镍基合金产生成分偏析缺陷的根本原因。合金元素含量越高，越容易出偏析，且偏析程度也越严重。

图1  不同元素的熔点（纵坐标-原子序数，横坐标-熔点）

图2 元素原子尺寸及其在镍中溶解度（纵坐标-原子序数，横坐标-原子直径）

对于镍基合金而言，微观偏析是绝对存在的。而宏观偏析应该是严格禁止的。因为偏析缺陷直接影响材料的使用性能。宏观偏析在材料的低倍检验中可以识别出来。ASTM A604标准中给出了低倍检验不同类型和不同严重程度的宏观偏析缺陷。这些缺陷包括黑斑、白斑、径向偏析、环状花样。通常严重程度A以外的宏观偏析缺陷是不能被用户所接受的。现在镍基合金都是采用双重熔炼工艺生产的。材料的偏析程度取决于选用VAR还是ESR，ESR熔炼的铸锭与结晶器之间渣皮阻隔熔池散热，偏析倾向大。偏析程度还取决于所选用的锭型大小，铸锭直径越大偏析倾向越严重。偏析程度还取决于重熔工艺参数的确定。想要熔炼出低偏析、综合性能满足使用要求的镍基合金，需要工程师很十几年的经验积累。

图3  黑斑缺陷——严重程度D           图4  白斑缺陷——严重程度E

图5  径向偏析——严重程度D                            图6  环状花样——严重程度E

总体上讲，镍基合金仍属于全球金属工业的前沿技术。工程师掌握镍基合金的生产工艺，以及为众多领域的客户提供技术服务，需要积累多种学科、复杂的知识结构。而全球范围内需要镍基合金材料工程师能够给客户提供选材、热处理、焊接工艺、机加工性能等更大范围的技术指导。