哈氏合金(Hastelloy alloy)

一、引言
Elwood Haynes（美国冶金学家、发明家），1912年创立Haynes Stellite Company（Haynes International前身），率先开发钴基耐磨合金Stellite。

1920年代，Haynes团队在Union Carbide研发出镍基耐蚀合金；1921年获镍钼合金专利，1929年推出Hastelloy A，1930年代推出Hastelloy B（镍‑钼系，耐盐酸），商标Hastelloy取自Haynes+Stellite+Alloys，用于航空火箭喷嘴、化工强腐蚀环境 。

哈氏合金是镍基合金的一种，目前主要分为B、C、G三个系列，它主要用于铁基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不锈钢、非金属材料等无法使用的强腐蚀性介质场合，在国外已广泛应用于石油、化工、环保等诸多领域。其牌号和典型使用场合如下表所示。

哈氏合金牌号

为改善哈氏合金的耐蚀性能和冷、热加工性能，哈氏合金先后进行了三次重大改进,其发展过程如下：
B系列：
    B-2(00Ni70Mo28) →
    B-3
C系列：
    C-276(00Cr16Mo16W4)→
    C-4(00Cr16Mo16)→
    C-22(00Cr22Mo13W3)→
    C-2000(00Cr20Mo16)
G系列：
    G-3(00Cr22Ni48Mo7Cu)→
    G-30(00Cr30Ni48Mo7Cu)
目前使用最广泛的是第二代材料N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)、N06455(C-4)和N06985(G-3)。
第三代材料N10675(B-3)、N10629(B-4)、N06059(C-59)处于推广阶段。

由于冶金技术的进步，近年来出现了多个牌号的含~6%Mo的所谓“超级不锈钢”，替代了G系列合金，使得G系列合金的生产和使用迅速下降。

二、典型哈氏合金化学成分

材料的化学成分

三、力学性能
哈氏合金具备优异的综合力学性能，拥有高强度与高韧性的典型特征，这也使其在机械加工过程中存在一定难度。该材料应变硬化效应显著，当变形率达到15%时，其加工硬化程度约为18-8不锈钢的两倍。此外，哈氏合金存在中温敏化区间，敏化趋势会随材料变形率的提升而加剧；在高温环境下，材料易吸收有害元素，进而导致其力学性能与耐腐蚀性能出现衰减。

材料的力学性能

四、常用哈氏合金Hastelloy B-2 alloy(哈氏B-2合金)
一、耐蚀性能
哈氏B-2合金属于超低碳、超低硅的镍-钼型合金，通过严格控制碳、硅含量，有效抑制了焊缝及热影响区内碳化物与第二相的析出，确保合金即使在焊接状态下仍具备优异的耐腐蚀性。

众所周知，哈氏B-2合金在各类还原性介质中表现出卓越的耐腐蚀能力，可耐受常压下任意温度、任意浓度的盐酸腐蚀。在非充气的中等浓度非氧化性硫酸、各种浓度磷酸、高温醋酸、甲酸等有机酸、溴酸以及氯化氢气体环境中，该合金均表现出良好的耐蚀性，同时也可抵抗卤族催化剂造成的腐蚀侵害。因此，哈氏B-2合金被广泛应用于石油、化工领域中多种苛刻工况，包括盐酸蒸馏与浓缩、乙苯烷基化、低压羰基合成醋酸等关键生产工艺。

但在长期工业应用中也发现，哈氏B-2合金仍存在明显的性能短板：
1. 合金存在两个对晶间腐蚀性能影响显著的敏化区间，分别为1200~1300℃高温区与550~900℃中温区；
2. 焊缝金属及热影响区易发生枝晶偏析，导致金属间相及碳化物沿晶界析出，显著提升合金的晶间腐蚀敏感性；
3. 合金中温热稳定性较差，当铁元素含量低于2%时，合金对β相（Ni₄Mo相，一种有序金属间化合物）的转变极为敏感。若合金在650~750℃温度区间停留时间过长，β相会快速生成，进而降低合金韧性，提高应力腐蚀敏感性，甚至可能导致合金在原材料生产（如热轧）、设备制造（如焊后整体热处理）及设备服役过程中出现开裂现象。

目前，国内外针对哈氏B-2合金晶间腐蚀性能的标准试验方法均采用常压沸腾盐酸法，评定方式为失重法。但由于哈氏B-2合金本身具备极强的耐盐酸腐蚀能力，该检测方法对其晶间腐蚀倾向的判定并不敏感。

国内科研机构采用高温盐酸法开展研究后发现，哈氏B-2合金的耐腐蚀性能不仅取决于化学成分，还与热加工工艺的控制水平密切相关。若热加工工艺控制不当，会造成合金晶粒异常长大，同时晶间析出高钼σ相，使合金抗晶间腐蚀性能显著下降。在高温盐酸试验中，粗晶粒板材的晶界浸蚀深度约为正常工艺板材的两倍。

二、物理性能
哈氏B-2合金的物理性能如下表所示。
密度：9.2g/cm3, 熔点：1330~1380℃，磁导率：(℃，RT)≤1.001

三、化学成分

四、机械性能
哈氏B-2合金的一般机械性能如下列两表所示

室温下的最小力学性能值（参考DIN/ASTM标准）

高温下的最小力学性能值

五、机械加工与热处理
1：加热
对于哈氏B-2合金来说，在加热前和加热过程中表面保持清洁并远离污染物是十分重要的。如果哈氏B-2合金在含有硫、磷、铅或其他低熔点金属污染物的环境下加热，则会变脆，这些污染物的来源主要包括标记笔痕迹、温度指示漆、油脂和液体、烟气。此烟气必须含硫低；例如：天然气和液化石油气含硫量不超过0.1%，城市空气含硫量不超过0.25g/m3,燃料油的含硫量不超过0.5%即为合格。
对加热炉的气体环境要求是中性环境或轻还原性环境，并且不可以在氧化性和还原性之间波动。炉中的火焰不可以直接冲击哈氏B-2合金。同时要以最快的加热速度把材料加热到要求达到的温度，即要求首先要把加热炉的温度上升到要求温度，再把材料放入炉中加热。

2：热加工
哈氏B-2合金可以在900~1160℃范围内进行热加工，加工过后应该以水淬火。为了确保有最好的耐蚀性能，热加工过后应该退火。

3：冷加工
冷加工的哈氏B-2合金必须经过固溶处理，由于其具有比奥氏体不锈钢高得多的加工硬化率，所以成形设备要细心考虑。如果执行了冷成形工艺，那么有必要进行级间退火。冷加工变形量超过15%时，使用前要固溶处理。

4：热处理
固溶热处理温度要控制在1060~1080℃之间，之后进行水冷淬火或材料厚度在1.5mm以上时可以快速空冷以获得最好的耐蚀性能。在任何加热操作过程中，材料的表面清洁均要有预先的防范。

哈氏合金材料或设备部件在进行热处理时要注意以下一些问题：
①为了防止设备部件热处理变形，应采用不锈钢加强环；
②对装炉温度、加热和冷却时间应严格控制；
③装炉前，对热处理件进行预处理，防止产生热裂纹；
④热处理后，对热处理件100%PT；
⑤在热处理过程中如产生热裂纹，经过打磨消除后需补焊者，要采用专门的补焊工艺。

5：除垢
哈氏B-2合金表面的氧化物和焊缝附近的污点都要以精细的砂轮等打磨干净。
由于哈氏B-2合金对氧化性介质比较敏感，因此酸洗过程中会产生较多的含氮元素的气体。

6：机加工
哈氏B-2合金要以退火状态进行机加工，对它的加工硬化要有清醒的认识，例如：相对于标准奥氏体不锈钢要采用较慢的表面切削速度，对于表面的硬化层要采用较大的进刀量，并使刀具处于连续的工作状态。

7：焊接
哈氏B-2合金焊缝金属及热影响区由于易析出β相而导致贫Mo，从而易于产生晶间腐蚀，因此，哈氏B-2合金的焊接工艺应谨慎制定，严格控制。一般焊接工艺如下：焊材选用ERNi-Mo7；焊接方法GTAW；控制层间温度不大于120℃；焊丝直径φ2.4、φ3.2；焊接电流90~150A。同时，施焊前，焊丝、被焊接件坡口及相邻部位应进行去污脱脂处理。

哈氏B-2合金热传导系数比钢小得多，如选用单V型坡口，则坡口角度要在70°左右，采用较低的热输入量。通过焊后热处理可以消除残余应力并改善抗应力腐蚀断裂性能。

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