高溫合金是在高溫下具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料。本書(shū)從工程的角度圍繞合金設(shè)計(jì)、工藝發(fā)展、工程構(gòu)件、壽命評(píng)估和材料行為等主題進(jìn)行了描述，介紹了用于指導(dǎo)高溫合金成分設(shè)計(jì)和制造的基本的冶金原理、兩種關(guān)鍵的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件渦輪葉片和渦輪盤(pán)的高溫合金技術(shù)、表面涂層技術(shù)等內(nèi)容。
全書(shū)共6章。第1章介紹了適用于高溫的材料要求和鎳基高溫合金的發(fā)展；第2章詳述了高溫合金的物理冶金，強(qiáng)調(diào)了高溫合金與其他工程合金的區(qū)分細(xì)節(jié)，包括γ′強(qiáng)化相、反相疇界類缺陷的作用、獨(dú)特的顆粒增強(qiáng)機(jī)理、反常屈服效應(yīng)和蠕變變形行為；第3章和第4章介紹了兩種關(guān)鍵的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件渦輪葉片和渦輪盤(pán)的高溫合金技術(shù)，并給出了有明確應(yīng)用背景的高溫合金的加工、合金設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)/性能之間的關(guān)系；第5章介紹了表面涂層技術(shù)，該技術(shù)隨著工作溫度的提高變得越來(lái)越關(guān)鍵；第6章給出了對(duì)高溫合金技術(shù)未來(lái)發(fā)展的預(yù)測(cè)。
本書(shū)在每章的結(jié)尾都有相應(yīng)的練習(xí)，作為對(duì)讀者理解相關(guān)基本原理的測(cè)試。關(guān)于該主題的更多資源可以在www.cambridge.org/9780521070119上獲得。
本書(shū)可供從事材料研究的科研人員、工程技術(shù)人員和高校相關(guān)專業(yè)的師生參考使用，也可以供更高水平的物理冶金研究人員以及實(shí)踐工程師參考。
高溫合金作為高溫材料，大多以鎳為基體并加入大量其他元素（含鉻、鋁在內(nèi)的至少10種元素），這些材料在接近其熔點(diǎn)的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗機(jī)械和化學(xué)損傷的能力。自從在20世紀(jì)50年代高溫合金得到大量的工程應(yīng)用以來(lái)，就對(duì)高溫部件的發(fā)展帶來(lái)了不可估量的影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代民用飛機(jī)的動(dòng)力。高溫合金制造的構(gòu)件服役于渦輪的最熱端，并承受最大載荷，因而其處于最重要的位置，需要確保其結(jié)構(gòu)完整性。實(shí)際上，高溫合金的發(fā)展從本質(zhì)上講是與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史聯(lián)系在一起的，高溫合金就是為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的；顯而易見(jiàn)，如果沒(méi)有高溫合金，現(xiàn)代噴氣飛機(jī)就不能飛翔。進(jìn)一步提高高溫合金的承溫能力是目前的焦點(diǎn)，比如為雙通道空客A380和波音787夢(mèng)想客機(jī)提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)�；谠诟吖ぷ鳁l件下燃料燃燒效率的提高和碳排放的減少，高溫合金也越來(lái)越多地應(yīng)用在作為發(fā)電裝置的地面渦輪系統(tǒng)上。下一代超高效率發(fā)電系統(tǒng)對(duì)高溫合金的發(fā)展提出了新的要求。在未來(lái)的25年中，整個(gè)世界發(fā)電裝機(jī)容量有望翻倍，這是由于發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長(zhǎng)，并且發(fā)達(dá)國(guó)家當(dāng)前發(fā)電裝置也需要更新。因而高溫合金對(duì)于當(dāng)今世界的繁榮變得更為重要。
今天高溫合金的驚人表現(xiàn)和發(fā)展并非偶然。大量研究者和技術(shù)人員致力于發(fā)展其物理性能基礎(chǔ)知識(shí)和更實(shí)際的工程需要，以便這些合金得到最佳的應(yīng)用。通過(guò)該書(shū)，讀者可以了解引導(dǎo)高溫合金冶金發(fā)展的原理概論、合金設(shè)計(jì)、工藝發(fā)展、工程構(gòu)件、壽命估算和材料行為等主題是密切相關(guān)的。本書(shū)的目標(biāo)人群是繼續(xù)攻讀材料科學(xué)和工程學(xué)位的學(xué)生，但它對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)械工程、航空工程、物理和化學(xué)的人也是極其有用的。另外,本書(shū)也適用于以下兩種讀者：第一，最后一年的本科學(xué)生,作為高溫材料技術(shù)的選修課程；其次，有志于該領(lǐng)域更高學(xué)位的學(xué)生，尋求對(duì)該主題的了解。本書(shū)在前5章的結(jié)尾，都設(shè)計(jì)了對(duì)讀者進(jìn)行測(cè)試的問(wèn)題。其中許多問(wèn)題需要采用計(jì)算器、電子表格程序或計(jì)算機(jī)編程工具進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。這些練習(xí)題多數(shù)都已經(jīng)過(guò)本人曾任教過(guò)的帝國(guó)理工學(xué)院、劍橋大學(xué)和英屬哥倫比亞大學(xué)學(xué)生們的測(cè)試。我非常愿意接受?chē)L試這些問(wèn)題的人的意見(jiàn)，我會(huì)盡快回答對(duì)所有問(wèn)題的看法和見(jiàn)解。我的E-mail地址在www.cambridge.org/9780521070119上可以查到。
作為對(duì)本書(shū)閱讀的準(zhǔn)備，讀者應(yīng)知道對(duì)本書(shū)包含的內(nèi)容進(jìn)行選擇是十分重要的。我有足夠的材料以滿足約30學(xué)時(shí)課程學(xué)期的要求，其中一部分可用于課堂教學(xué)、習(xí)題集與練習(xí)設(shè)計(jì)。在我自己的教學(xué)中，我用這本書(shū)的內(nèi)容強(qiáng)調(diào)這些材料的組織/成分之間的關(guān)系、力學(xué)/化學(xué)行為、加工工藝及為其發(fā)展提供技術(shù)推動(dòng)的部件設(shè)計(jì)。因而需要在這些不同的主題之間尋求平衡；這種需要使高溫合金成為材料領(lǐng)域的一個(gè)很好的研究案例。
我很高興劍橋大學(xué)出版社讓我對(duì)羅格 C.里德的新書(shū)《高溫合金基礎(chǔ)與應(yīng)用》做些評(píng)論。鎳基高溫合金代表非常重要的一類發(fā)動(dòng)機(jī)材料，它在用于噴氣推進(jìn)和發(fā)電的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件中得到了廣泛的應(yīng)用。這是由于它在高溫下還保持著優(yōu)良的力學(xué)性能。實(shí)際上，全球的燃?xì)鉁u輪制造商一直在尋找新的高溫合金以應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)的最熱端部件。這是因?yàn)樘岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)的效率和減少燃料消耗需要更高的溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是任何發(fā)電裝置的一個(gè)主要因素，這也可以解釋為什么所有的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商會(huì)在發(fā)展下一代高溫合金時(shí)花費(fèi)如此多的金錢(qián)。
該書(shū)的作者為我們提供了高溫合金技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用兩方面的內(nèi)容。這是一個(gè)重要和特別的貢獻(xiàn)，尤其是給出了一個(gè)廣泛的主題范圍。在第1章中介紹了適用于高溫的材料要求以及鎳基高溫合金的發(fā)展歷史。第2章涉及高溫合金的物理冶金，強(qiáng)調(diào)了高溫合金與其他工程合金的區(qū)分細(xì)節(jié)，比如γ′強(qiáng)化相、反相疇界類缺陷的作用、獨(dú)特的顆粒增強(qiáng)機(jī)理、反常屈服效應(yīng)和蠕變變形行為。第3章和第4章介紹了兩種關(guān)鍵的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高溫合金應(yīng)用技術(shù)：渦輪葉片和渦輪盤(pán)。值得注意的是，這兩章給出了這些有明確應(yīng)用背景的高溫合金的加工、合金設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)/性能之間的關(guān)系。第5章介紹了表面涂層技術(shù)，該技術(shù)隨著工作溫度的提高變得越來(lái)越關(guān)鍵。第6章給出了對(duì)高溫合金技術(shù)未來(lái)發(fā)展的預(yù)測(cè)。
由于作者對(duì)該主題的權(quán)威掌握，該書(shū)在不久的未來(lái)應(yīng)能成為該領(lǐng)域確認(rèn)的教科書(shū)。我本人已在很多場(chǎng)合提及該書(shū)，可以向所有對(duì)高溫材料領(lǐng)域有興趣的人，尤其是從事燃?xì)鉁u輪技術(shù)研究的高學(xué)歷相關(guān)人員推薦該書(shū)。此外，由于高溫合金代表了材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的顯著成就，該書(shū)可以作為大學(xué)中材料相關(guān)專業(yè)的教材。
麥克·希克斯(MikeHicks)博士
羅-羅(Rolls-Royce)公司總工藝師
譯叢序
譯者序
序
前言
致謝
第1章引言1
1.1高溫下服役的材料1
1.1.1高溫材料的特點(diǎn)1
1.1.2作為高溫材料的高溫合金2
1.1.3高溫合金結(jié)構(gòu)失效實(shí)例4
1.2燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫材料的要求8
1.3高溫下服役材料的選擇16
1.3.1蠕變性能的拉森-米勒(Larson-Miller)準(zhǔn)則16
1.3.2高溫合金發(fā)展史18
1.3.3鎳作為高溫材料的優(yōu)勢(shì)22
1.4小結(jié)28
問(wèn)題28
參考文獻(xiàn)30
第2章鎳及鎳合金的物理冶金學(xué)32
2.1鎳合金的成分-微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系33
2.1.1FCC相34
2.1.2γ′相39
2.1.3高溫合金中的其他相47
2.2鎳及鎳合金中的缺陷53
2.2.1γ（FCC）相中的缺陷54
2.2.2γ′相中的缺陷63
2.3鎳合金中的強(qiáng)化效應(yīng)72
2.3.1γ′相顆粒強(qiáng)化73
2.3.2高溫合金強(qiáng)化的溫度相關(guān)性82
2.3.3γ′合金中的反常屈服效應(yīng)85
2.4鎳合金的蠕變行為89
2.4.1鎳的蠕變行為89
2.4.2固溶強(qiáng)化鎳合金中的蠕變強(qiáng)化94
2.4.3沉淀硬化鎳合金中的蠕變強(qiáng)化98
2.5小結(jié)101
附錄鎳表現(xiàn)的各向異性彈性103
問(wèn)題107
參考文獻(xiàn)113
第3章單晶高溫合金葉片的應(yīng)用119
3.1渦輪葉片的凝固工藝120
3.1.1定向凝固葉片的熔模鑄造法120
3.1.2定向凝固過(guò)程中的傳熱分析130
3.1.3定向凝固過(guò)程中缺陷的形成136
3.1.4工藝過(guò)程對(duì)枝晶尺寸的影響142
3.2單晶高溫合金的成分優(yōu)化143
3.2.1指導(dǎo)原則1145
3.2.2指導(dǎo)原則2147
3.2.3指導(dǎo)原則3150
3.2.4指導(dǎo)原則4154
3.3單晶高溫合金的力學(xué)行為162
3.3.1蠕變行為162
3.3.2疲勞行為178
3.4渦輪葉片組的尺寸和形狀設(shè)計(jì)186
3.4.1渦輪葉片長(zhǎng)度估算186
3.4.2渦輪葉片組平均半徑的選擇189
3.4.3葉片橫截面出口角度估算190
附錄孤立枝晶的生長(zhǎng)(用半球狀針近似)192
問(wèn)題193
參考文獻(xiàn)200
第4章渦輪盤(pán)用高溫合金206
4.1渦輪盤(pán)用合金的制備工藝206
4.1.1鑄造與鍛造工藝210
4.1.2粉末冶金工藝219
4.2渦輪盤(pán)合金的成分、微觀組織與性能224
4.2.1指導(dǎo)原則1224
4.2.2指導(dǎo)原則2233
4.2.3指導(dǎo)原則3239
4.3渦輪盤(pán)的服役壽命評(píng)估245
4.3.1幾何形狀簡(jiǎn)化的渦輪盤(pán)應(yīng)力分析245
4.3.2渦輪盤(pán)的壽命評(píng)估方法247
4.3.3渦輪盤(pán)的無(wú)損檢測(cè)258
問(wèn)題259
參考文獻(xiàn)263
第5章環(huán)境作用下的涂層損傷268
5.1高溫合金涂層的沉積工藝270
5.1.1電子束物理氣相沉積270
5.1.2等離子噴涂272
5.1.3包埋滲和化學(xué)氣相沉積方法277
5.2熱障涂層281
5.2.1隔熱效果評(píng)價(jià)281
5.2.2熱障涂層陶瓷材料的選擇282
5.2.3陶瓷層熱傳導(dǎo)的控制因素285
5.3涂覆涂層289
5.3.1鎳基涂覆涂層的氧化行為291
5.3.2帶涂覆涂層高溫合金的力學(xué)性能296
5.4擴(kuò)散層302
5.5熱障涂層體系的失效機(jī)理308
5.5.1引言308
5.5.2TBC涂層體系失效機(jī)理分析309
5.5.3壽命評(píng)估模型314
5.5.4缺陷對(duì)近熱生長(zhǎng)氧化層的作用316
5.6小結(jié)319
問(wèn)題319
參考文獻(xiàn)322
第6章總結(jié)和展望333
6.1渦輪葉片用高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)335
6.2渦輪盤(pán)用高溫合金和工藝的發(fā)展趨勢(shì)339
6.3結(jié)束語(yǔ)342
參考文獻(xiàn)343
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