耐熱鋼是在高溫下具有較高強度和良好抗氧化性能的合金鋼。高溫合金是指，在高溫下（600-1100℃）能承受一定應力并具有抗氧化性、耐腐蝕且合金元素含量很高的金屬材料。

高溫合金的性能要求和耐熱鋼相同，但對熱強性和組織穩定性以及抗高溫氧化性能的要求比耐熱鋼更高、更嚴格。

耐熱鋼和高溫合金對航天、航空和核工業的發展起著重要的推動作用。

核電站的回路管道、蒸發器傳熱管、元件格架和活性區托架等，都是由耐熱、耐蝕合金制作的，所以它的質量和性能直接關系到反應堆的安全和壽命。

8.1 耐熱鋼

1. 耐熱鋼的性能要求

1）由于高溫要引起表面的劇烈氧化、腐蝕，所以要有抗氧化性（耐熱不起皮性）。

2）由于高溫應力及高溫強化機制變化，鋼材會發生蠕變。所以要有高溫下抗蠕變性，長期和短期的熱強性，小的缺口敏感性，抗熱松弛和熱疲勞性等。

3）由于高溫引起組織不斷變化，所以要有高溫下的組織穩定性的有效性。

4）在高溫溫度場中要有大的傳導性，小的膨脹性。

5）好的鑄造性、鍛造性、焊接性，好的成批生產和經濟性。

理想的耐熱合金應具備：

（1）高的再結晶溫度、析出相聚積長傾向小；

（2）較高的蠕變極限和持久強度；

（3）良好的抗氧化和抗蝕性能；

（4）容易冶煉和加工及鑄、鍛、焊性能好；

（5）成本低廉。

2. 耐熱鋼的合金化措施

1）提高熱強性的途徑

（1）固溶強化：提高合金基體的原子問結合力，強化基體。金屬的原子結合力越強，則熔點越高，耐熱鋼的使用溫度越高，因此就要選擇熔點越高的金屬作基體。工業上鐵基、鎳基、鈷基耐熱合金的熔點依次升高。金屬或合金的晶格類型與晶體中原子結合力有關，鐵基合金中，面心立方點陣比體心立方點陣原子間結合力強。奧氏體型耐熱鋼比鐵素體型、馬氏體型、珠光體型耐熱鋼的蠕變抗力高。對已選定基體的耐熱鋼可以通過固溶強化提高原于間結合力，提高蠕變極限。同時，由于固溶元素與整體元素原子尺寸不同，在晶體中造成局部的點陣畸變和應力場，導致溶質原于在位錯附近形成“氣團”，從而增加了位錯運動阻力，提高了蠕變抗力。合金元素使固溶體中原子間結合力提高，往往也使原子的擴散激活能提高，導致再結晶溫度提高，提高蠕變抗力。 

如：利用W、Mo、Cr、Mn等元素提高熱強性。金屬W、Mo的熔點高，溶入固溶體后，可增強原子間的結合力，阻礙擴散，提高基體的再結晶溫度。所以高溫合金中多半都含有這些元素。

（2）晶界強化：晶界在高溫下強度低，所以在耐熱鋼中采用“適當地粗化晶粒”強化，晶粒數適當減少，晶界面相應減少，薄弱的晶界總數也就減少了。同時，對現存晶界進一步強化，達到提高蠕變抗力的作用。強化晶界大致有兩個方面。

凈化晶界。鋼中加入B、稀土等化學性質活潑元素，與低熔點元素化合（如與S、P元素化合），形成高熔點穩定化合物，在結晶過程中作為晶核，使其由晶界轉入晶內，從而凈化晶界。提高了晶界強度。

填充晶界上的空位。晶界處空位較多，使擴散易于進行，裂紋易于擴展。加入原子半徑小于Fe、Cr，大于C、N的B，固溶于基體，引起大的點陣畸變。晶界空位間隙大于晶內，B填充到晶界空位上，有利于降低晶界能量，提高蠕變抗力。 

低溫時晶內強度小于晶界強度，高溫時則相反，為了增加高溫時的晶界強度，常添加Nb、Ca、Mg、Al等活潑元素，以便它們與P、S或低熔點元素形成穩定的化合物后，可使晶界上雜質偏聚減少，進而提高晶界強度。另外還添加B、Ti、Zr等表面活化元素，因為它們能夠充填晶界空位，阻礙晶界原子擴散，提高蠕變抗力。

（3）彌散強化。加入合金元素，在鋼中形成大量的碳化物或金屬間化合物相。使其在時效處理時呈彌散析出，形成穩定相，在高溫下保持對位錯運動的機械阻礙作用。在純金屬或固溶體基體中加入難溶的彌散化合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物等，由于這類彌散相具有高穩定性，可將金屬材料的使用溫度提高到熔點溫度的80％一85％。 

合金化措施

為了得到熱強性、熱穩定性好的單相奧氏體，需要增加Ni、Cr、Co含量，如鎳基合金和鈷基合金。

借助碳化物析出相提高熱強性，比如TiC、NbC、VC和Mo₂C等。

碳化物沉淀時與基體保持著共格或半共格關系，在其周圍產生很強的應力場，阻礙位錯運動，使鋼得到強化。因此，這些碳化物硬度高、熔點高而且在高溫下很穩定，既不易溶解，又不易聚積長大，故在高溫下能保持很高的強度和提高鋼的再結晶溫度。

2）提高耐熱鋼抗高溫氧化性能的途徑

為了提高鋼的抗氧化性能，首先要防止FeO的形成或提高其形成溫度。

鐵在室溫下的氧化膜為Fe₃O₄和Fe₂O₃雙層結構，外層是Fe₂O₃，它比較致密，對基體有一定的保護作用。但當溫度升高到5700C時，便出現了FeO相，它結構疏松，鐵離子和氧離子在FeO中容易擴散，所以鋼的高溫氧化主要是在FeO和Fe的界面之間進行的。

提高鋼的抗氧化性途徑主要有兩條：

（1）提高FeO的生成溫度；

（2）阻止FeO生成并以薄而牢固的氧化膜取代FeO，Fe₃O₄和Fe₂O₃三層氧化膜。當鋼中添加Cr，Al，Si后即能滿足這兩條要求。

原因：

（1）由于Cr，Al，Si的氧化物點陣結構接近Fe₃O₄，它們的離子半徑比鐵小，所以容易穩定Fe₃O₄ ，縮小FeO區域，提高FeO的形成溫度。

（2）Cr，Al，Si不僅能提高FeO的形成溫度而且還能生成連續、致密和牢固的氧化膜Cr₂O₃，Al₂O₃和SiO₂等，隨著鉻含量提高，鐵的表面氧化層由厚變薄逐漸過渡到以Cr₂O₃為主的穩定氧化膜。因它結構致密，阻止鐵離子和氧離子擴散能力強，故使鋼的抗氧化性能顯著提高。

3. 反應堆用的耐熱鋼

1）2.25Cr-1Mo

低合金耐熱鋼，抗高溫氧化和耐高溫腐蝕性能較好。

發電動力堆中的常用耐熱鋼，它常作為水堆二回路管材，快堆三回路管道、蒸發器和傳熱管，氣冷堆的蒸發器、過熱器等的材料。

但有回火脆性傾向。

2）馬氏體耐熱鋼

抗氧化性好，并有較高的熱強性，室溫組織為馬氏體。

1Cr13：水堆球頂蓋壓緊彈性環和冷卻泵的葉輪等

9Cr-1Mo：氣冷堆蒸汽發生器和過熱器的傳熱管等

3）0Cr13Ni4Mo：低碳馬氏體不銹鋼

控制棒驅動機構耐壓殼，一回路泵的泵軸、葉輪等

4）奧氏體型耐熱鋼

18-8鋼基礎上發展起來的，如AISI316、316Ti等

高鉻鎳奧氏體型耐熱鋼：20Cr25NiNb 改進型氣冷堆元件包殼材料 

8.2 高溫合金

1. 高溫合金的分類

按成分分類（1）鐵基合金（2）鎳基合金（3）鈷基合金按強化方式分類（1）固溶強化型（2）析出相強化型

按制備工藝分類（1）形變高溫合金（2）鑄造高溫合金（3）粉末冶金高溫合金（3）氧化物彌散強化和纖維強化型

2. 高溫合金的牌號表示法

1）國外Hastelloy （Cobat Coroperation）， Hastelloy-B 等

Incoloy國際因科合金公司， Incoloy-800 

等Inconel國際因科合金公司，In-690，In-625 等

2）國內

我國高溫合金牌號的命名考慮到合金成形方式、強化類型與基體組元，在牌號前面采用漢語拼音字母。例如：變形高溫合金以“GH”表示，“G”、“H”分別為“高”、“合”漢語拼音的第一個字母。

GH169 屬于鐵基時效沉淀強化型高溫合金。 

3. 高溫合金的相組織

1）合金基體γ相

在高溫下長期工作的耐熱材料，基體中的析出相和碳化物易聚集、長大或溶解與轉化，故使性能發生變化，所以高溫合金的基體強度是保證高溫性能的基礎。因此，高溫合金多以原子間結合力強、熱強性高的奧氏體為基體母相。奧氏體是面心立方結構（γ 相），致密度大，擴散系數小，再結晶溫度高且層錯能低，位錯不易攀移，熱強性高。

鎳的抗蝕電位高于鐵，因此鎳基合金和鐵鎳基合金的抗蝕性能和耐熱溫度高于不銹鋼。

鎳基奧氏體還能固溶較多的Co，Cr， W，Mo， V，Ti，Al等元素。由于這些元素比鎳的原子半徑大，溶入鎳中后，可增加固溶體的點陣常數，使晶格發生畸變，產生固溶強化。

2）強化相

（1） 金屬間化合物相

γ′相 [ Ni3（Al, Ti）]

鐵基、鎳基高溫合金的主要強化相。

原因：在基體中呈均勻的彌散型分布且硬而不脆，結構穩定性好。相的結構為面心立方，它與奧氏體結構相同，所以 γ ′ 相表現出硬而不脆的特點。鎳基合金的高溫強度隨 γ ′ 的數量及其固溶的合金元素增多而提高。一般 γ ′相的體積分量為30％左右，最強的合金高達60％以上。

鎳基合金中的γ ′相

σ相（FeCr等）

含鉻高的鎳基和鐵基合金，在高溫下長期工作時，有σ相析出的可能，且應力加速σ相生成過程。σ相是體心四方密排結構，每個晶胞含30個原子，結構復雜、硬而脆，易在730－850℃析出。

σ相常起到裂紋源或裂紋擴展的通道作用，故使合金脆化。例如高溫斷口分析已證實，裂紋通常沿σ相發生。所以大量σ相析出會嚴重降低合金的蠕變、持久強度和塑性與韌性等。另外，σ相形成還奪取了γ相中固溶強化元素，使基體軟化和抗蝕性能下降。Fe，Co，Cr，W，Mo，Al，Ti，Si等元素能促進σ相形成，Ni有阻止作用。總之，σ相是有害相，應通過適當成分調整加以避免。

（2）碳化物相

碳化物在高溫合金中起著重要而又復雜的作用，它的形態、數量、分布和結構對高溫合金的性能有重要的影響。

MC：TiC，NbC，VC 等，熔點高，穩定，提高高溫性能

M23C6：Cr₂₃C₆ 等，晶界鏈狀析出，提高蠕變和持久強度

M6C: (W,Mo)₂C 等，晶界鏈狀分布，提高持久強度，有時降低塑性

M7 C3 : Cr₇C₃ 等， 不穩定，提高蠕變和持久強度

M3C ：Fe₃C，Mn₃C 等，不穩定，對耐熱性貢獻不大

M6C、 M7 C3在適當條件下，可以轉化為M23C6。這些碳化物可以通過熱處理調節和控制。 

4. 合金元素的作用及其對性能的影響

1）Cr、 Co、Mo、W、Nb、V 等： 固溶強化

2）Cr：提高抗氧化性、耐腐蝕性

3）Mo、Nb、V 、Ti等：提高持久強度、蠕變強度

4）Al、Ti：形成 γ  ′ 相，強化基體

5）Nb、V、Fe、Cr、Co、Mo：穩定γ′相，強化基體

6）Mg、B、Zr：強化晶界，提高持久強度和塑性，提高蠕變抗力

5. 反應堆用高溫合金

雖然奧氏體不銹鋼具有較高的熱強性，良好的抗氧化、抗腐蝕能力，而且焊接和冷、熱加工性能也比較好，但因它對應力腐蝕比較敏感，所以堆內承受載荷的部件和蒸汽發生器傳熱管等，一般都避免采用18-8型不銹鋼，而選用各項性能優于不銹鋼且對應力腐蝕不敏感的鎳基合金或鐵鎳基合金。 

1）Inconel-600合金（0Cr15Ni75Fe10）簡稱In-600

Inconel-600是最早發展的鎳基高溫合金，它曾是燃氣輪機葉片和渦輪噴氣發動機燃燒室早期使用的材料。

特點：

基體組織在高溫下比較穩定。合金中含有（15~17）％Cr，具有良好的抗氧化性能，同時鉻的固溶強化作用，提高合金強度。

力學性能和工藝性能較好，In-600合金抗含Cl^-和含氧的高溫水（290－3300C）的應力腐蝕性能優于奧氏體不銹鋼，且鈍化性能和點蝕擊穿電位也高于18-8鋼， 因此它被廣泛用作壓水堆蒸汽發生器傳熱管材料并取代了早期應用的奧氏體不銹鋼。

該合金因含Ni高（75％），使碳在固溶體中的溶解度減小，從而對晶間應力腐蝕比較敏感

2）Incoloy-800合金

屬于鐵鎳基合金。一般規定，當合金中含Ni＞50％時，稱為鎳基合金；Ni＞30％，Ni＋Fe＞50％者，稱為鐵鎳合金。

特點：1）Incoloy-800合金中的鎳和碳含量（30％Ni，0.05％C ）低于In-600合金（75％Ni，0.08％C），因此前者抗晶間腐蝕和抗晶間應力腐蝕的能力優于后者。但含鎳量低會導致抗苛性鈉的應力腐蝕性能下降，Incoloy-800的抗苛性堿的應力腐蝕能力低于In-690和In-600合金。

2）Incoloy-800合金的鉻含量（20％－23％）高于In-600合金（14%％~17％），所以它的Cr2O3氧化膜更密實牢固，抗氧化能力較強。 

3） Inconel-690合金（簡稱In-690）

該合金是In-600合金的改進，它主要針對In-600合金易產生晶間腐蝕和晶間應力腐蝕的缺點而將In-600合金中的鎳和碳分別降低到60％和0.04％，并把鉻升高到30％，以達到改善上述缺點的目的。

特點：

1）In-690合金含60％Ni能減小晶間腐蝕和晶間應力腐蝕。

2）In-690合金中的元素對其晶間腐蝕、氯化物應力腐蝕和苛性堿應力腐蝕的性能影響試驗結果表明，含30%Cr 和60%Ni及碳含量低（＜0.04%）的In-690合金在耐蝕性上具有最佳的成分匹配。

三種合金的性能比較

（1）抗高堿性應力腐蝕（SCC）能力的順序是：In-600＞In-690＞Incoloy-800可見隨著Ni含量升高，抗苛性堿的SCC能力也在提高。

（2）在含氯的水溶液中，In-600合金的抗SCC能力不如其它兩種合金好；在含NaOH水溶液中也如此。但在含Cl-含O₂或含O₂含NaOH的水溶液中，以In-690的抗SCC性能最好。

（3）抗均勻腐蝕的順序是：In-690＞Incoloy-800＞In-600。

應該說：In-690合金的綜合性能比較好，但抗高堿性SCC的能力比In-600合金差。

 

4）各種反應堆使用的高溫合金