具体描述
内容简介
高温合金是在高温下具有优良力学性能的材料。本书从工程的角度围绕合金设计、工艺发展、工程构件、寿命评估和材料行为等主题进行了描述，介绍了用于指导高温合金成分设计和制造的基本的冶金原理、两种关键的燃气涡轮发动机部件涡轮叶片和涡轮盘的高温合金技术、表面涂层技术等内容。全书共6章。第1章介绍了适用于高温的材料要求和镍基高温合金的发展；第2章详述了高温合金的物理冶金，强调了高温合金与其他工程合金的区分细节，包括γ′强化相、反相畴界类缺陷的作用、独特的颗粒增强机理、反常屈服效应和蠕变变形行为；第3章和第4章介绍了两种关键的燃气涡轮发动机部件涡轮叶片和涡轮盘的高温合金技术，并给出了有明确应用背景的高温合金的加工、合金设计和微观结构/性能之间的关系；第5章介绍了表面涂层技术，该技术随着工作温度的提高变得越来越关键；第6章给出了对高温合金技术未来发展的预测。
本书在每章的结尾都有相应的练习，作为对读者理解相关基本原理的测试。关于该主题的更多资源可以在www.cambridge.org/9780521070119上获得。
本书可供从事材料研究的科研人员、工程技术人员和高校相关专业的师生参考使用，也可以供更高水平的物理冶金研究人员以及实践工程师参考。
目录
译丛序译者序
序
前言
致谢
第1章引言1
1.1高温下服役的材料1
1.1.1高温材料的特点1
1.1.2作为高温材料的高温合金2
1.1.3高温合金结构失效实例4
1.2燃气涡轮发动机对高温材料的要求8
1.3高温下服役材料的选择16
1.3.1蠕变性能的拉森-米勒(Larson-Miller)准则16
1.3.2高温合金发展史18
1.3.3镍作为高温材料的优势22
1.4小结28
问题28
参考文献30
第2章镍及镍合金的物理冶金学32
2.1镍合金的成分-微观结构关系33
2.1.1FCC相34
2.1.2γ′相39
2.1.3高温合金中的其他相47
2.2镍及镍合金中的缺陷53
2.2.1γ（FCC）相中的缺陷54
2.2.2γ′相中的缺陷63
2.3镍合金中的强化效应72
2.3.1γ′相颗粒强化73
2.3.2高温合金强化的温度相关性82
2.3.3γ′合金中的反常屈服效应85
2.4镍合金的蠕变行为89
2.4.1镍的蠕变行为89
2.4.2固溶强化镍合金中的蠕变强化94
2.4.3沉淀硬化镍合金中的蠕变强化98
2.5小结101
附录镍表现的各向异性弹性103
问题107
参考文献113
第3章单晶高温合金叶片的应用119
3.1涡轮叶片的凝固工艺120
3.1.1定向凝固叶片的熔模铸造法120
3.1.2定向凝固过程中的传热分析130
3.1.3定向凝固过程中缺陷的形成136
3.1.4工艺过程对枝晶尺寸的影响142
3.2单晶高温合金的成分优化143
3.2.1指导原则1145
3.2.2指导原则2147
3.2.3指导原则3150
3.2.4指导原则4154
3.3单晶高温合金的力学行为162
3.3.1蠕变行为162
3.3.2疲劳行为178
3.4涡轮叶片组的尺寸和形状设计186
3.4.1涡轮叶片长度估算186
3.4.2涡轮叶片组平均半径的选择189
3.4.3叶片横截面出口角度估算190
附录孤立枝晶的生长(用半球状针近似)192
问题193
参考文献200
第4章涡轮盘用高温合金206
4.1涡轮盘用合金的制备工艺206
4.1.1铸造与锻造工艺210
4.1.2粉末冶金工艺219
4.2涡轮盘合金的成分、微观组织与性能224
4.2.1指导原则1224
4.2.2指导原则2233
4.2.3指导原则3239
4.3涡轮盘的服役寿命评估245
4.3.1几何形状简化的涡轮盘应力分析245
4.3.2涡轮盘的寿命评估方法247
4.3.3涡轮盘的无损检测258
问题259
参考文献263
第5章环境作用下的涂层损伤268
5.1高温合金涂层的沉积工艺270
5.1.1电子束物理气相沉积270
5.1.2等离子喷涂272
5.1.3包埋渗和化学气相沉积方法277
5.2热障涂层281
5.2.1隔热效果评价281
5.2.2热障涂层陶瓷材料的选择282
5.2.3陶瓷层热传导的控制因素285
5.3涂覆涂层289
5.3.1镍基涂覆涂层的氧化行为291
5.3.2带涂覆涂层高温合金的力学性能296
5.4扩散层302
5.5热障涂层体系的失效机理308
5.5.1引言308
5.5.2TBC涂层体系失效机理分析309
5.5.3寿命评估模型314
5.5.4缺陷对近热生长氧化层的作用316
5.6小结319
问题319
参考文献322
第6章总结和展望333
6.1涡轮叶片用高温合金的发展趋势335
6.2涡轮盘用高温合金和工艺的发展趋势339
6.3结束语342
参考文献343
前言/序言
高温合金作为高温材料，大多以镍为基体并加入大量其他元素（含铬、铝在内的至少10种元素），这些材料在接近其熔点的温度下表现出优异的抗机械和化学损伤的能力。自从在20世纪50年代高温合金得到大量的工程应用以来，就对高温部件的发展带来了不可估量的影响。航空发动机是现代民用飞机的动力。高温合金制造的构件服役于涡轮的最热端，并承受最大载荷，因而其处于最重要的位置，需要确保其结构完整性。实际上，高温合金的发展从本质上讲是与喷气发动机的历史联系在一起的，高温合金就是为喷气发动机设计的；显而易见，如果没有高温合金，现代喷气飞机就不能飞翔。进一步提高高温合金的承温能力是目前的焦点，比如为双通道空客A380和波音787梦想客机提供动力的发动机。基于在更高工作条件下燃料燃烧效率的提高和碳排放的减少，高温合金也越来越多地应用在作为发电装置的地面涡轮系统上。下一代超高效率发电系统对高温合金的发展提出了新的要求。在未来的25年中，整个世界发电装机容量有望翻倍，这是由于发展中国家经济和人口的快速增长，并且发达国家当前发电装置也需要更新。因而高温合金对于当今世界的繁荣变得更为重要。今天高温合金的惊人表现和发展并非偶然。大量研究者和技术人员致力于发展其物理性能基础知识和更实际的工程需要，以便这些合金得到最佳的应用。通过该书，读者可以了解引导高温合金冶金发展的原理概论、合金设计、工艺发展、工程构件、寿命估算和材料行为等主题是密切相关的。本书的目标人群是继续攻读材料科学和工程学位的学生，但它对学习机械工程、航空工程、物理和化学的人也是极其有用的。另外,本书也适用于以下两种读者：第一，最后一年的本科学生,作为高温材料技术的选修课程；其次，有志于该领域更高学位的学生，寻求对该主题的了解。本书在前5章的结尾，都设计了对读者进行测试的问题。其中许多问题需要采用计算器、电子表格程序或计算机编程工具进行数值计算。这些练习题多数都已经过本人曾任教过的帝国理工学院、剑桥大学和英属哥伦比亚大学学生们的测试。我非常愿意接受尝试这些问题的人的意见，我会尽快回答对所有问题的看法和见解。我的E-mail地址在www.cambridge.org/9780521070119上可以查到。
作为对本书阅读的准备，读者应知道对本书包含的内容进行选择是十分重要的。我有足够的材料以满足约30学时课程学期的要求，其中一部分可用于课堂教学、习题集与练习设计。在我自己的教学中，我用这本书的内容强调这些材料的组织/成分之间的关系、力学/化学行为、加工工艺及为其发展提供技术推动的部件设计。因而需要在这些不同的主题之间寻求平衡；这种需要使高温合金成为材料领域的一个很好的研究案例。
我很高兴剑桥大学出版社让我对罗格 C.里德的新书《高温合金基础与应用》做些评论。镍基高温合金代表非常重要的一类发动机材料，它在用于喷气推进和发电的燃气涡轮发动机的关键构件中得到了广泛的应用。这是由于它在高温下还保持着优良的力学性能。实际上，全球的燃气涡轮制造商一直在寻找新的高温合金以应用在发动机的最热端部件。这是因为提高发动机的效率和减少燃料消耗需要更高的温度。发动机的性能是任何发电装置的一个主要因素，这也可以解释为什么所有的发动机制造商会在发展下一代高温合金时花费如此多的金钱。
该书的作者为我们提供了高温合金技术的基础和应用两方面的内容。这是一个重要和特别的贡献，尤其是给出了一个广泛的主题范围。在第1章中介绍了适用于高温的材料要求以及镍基高温合金的发展历史。第2章涉及高温合金的物理冶金，强调了高温合金与其他工程合金的区分细节，比如γ′强化相、反相畴界类缺陷的作用、独特的颗粒增强机理、反常屈服效应和蠕变变形行为。第3章和第4章介绍了两种关键的燃气涡轮发动机部件的高温合金应用技术：涡轮叶片和涡轮盘。值得注意的是，这两章给出了这些有明确应用背景的高温合金的加工、合金设计和微观结构/性能之间的关系。第5章介绍了表面涂层技术，该技术随着工作温度的提高变得越来越关键。第6章给出了对高温合金技术未来发展的预测。
由于作者对该主题的权威掌握，该书在不久的未来应能成为该领域确认的教科书。我本人已在很多场合提及该书，可以向所有对高温材料领域有兴趣的人，尤其是从事燃气涡轮技术研究的高学历相关人员推荐该书。此外，由于高温合金代表了材料科学和工程领域的显著成就，该书可以作为大学中材料相关专业的教材。
麦克·希克斯(MikeHicks)博士
罗-罗(Rolls-Royce)公司总工艺师
用户评价
评价八 《高温合金基础与应用》这本书，在我阅读过程中，给我带来了前所未有的“成就感”。每一次翻阅，都仿佛在解锁关于高温合金领域的新知识。书中关于高温合金的相稳定性研究，特别详细地介绍了不同相（如γ相、γ'相、TCP相）的形成条件、转变规律及其对材料性能的影响。作者通过引入相图和热力学计算，深入浅出地解释了如何通过调整合金成分来获得具有优异高温性能的相组织。我尤其欣赏书中关于“第二相析出”的章节，作者详细阐述了各种第二相（如MC、M23C6、Laves相）的形核、长大机制，以及它们对材料强度、塑性和抗蠕变性能的影响。这让我能够从根本上理解高温合金强度的来源。书中对高温合金的腐蚀与氧化行为的分析，也让我受益匪浅。作者不仅详细介绍了高温合金在不同环境下的腐蚀机理，如高温氧化、硫化、氯化等，还重点阐述了各种防护涂层的作用机理和性能特点，这对于提高高温合金的服役寿命具有重要的指导意义。我反复阅读了书中关于热障涂层（TBCs）的失效分析和寿命预测的部分，作者通过大量的失效案例分析，揭示了TBCs常见的失效模式，并介绍了多种预测模型，这对于延长发动机部件的使用寿命具有重要的指导意义。这本书的内容既有深度又有广度，对于高温合金的研究者和工程师来说，是一本不可多得的参考资料。
评分评价七 初次翻阅《高温合金基础与应用》，我便被其内容之充实和逻辑之严谨所折服。这本书不仅仅是一本教科书，更像是一部关于高温合金的百科全书，为我揭示了这个材料家族的神秘面纱。作者对高温合金的力学行为在高温下的表现进行了深入的剖析，特别是对蠕变和高温疲劳的讲解，结合了大量的实验数据和理论模型，为我提供了理解材料在极端条件下如何变形和失效的清晰思路。我特别注意到书中关于“应变硬化”和“应变软化”在高温下的表现的论述，以及如何通过合金设计来抑制这些不利现象。书中对不同种类的高温合金（如镍基、钴基、铁基）进行了详细的比较，包括它们的成分特点、显微组织、力学性能、耐高温性能以及各自的优缺点，这为我理解不同材料的适用性提供了清晰的指引。我反复研读了书中关于定向凝固和单晶高温合金制备技术的章节，详细了解了其原理、工艺流程以及如何通过控制凝固过程来获得具有优异高温性能的材料，这对于我理解航空发动机涡轮叶片的制造工艺非常有帮助。此外，书中对高温合金在燃气轮机、核能等领域的应用案例分析，也让我看到了高温合金在推动能源技术发展中的重要作用。这本书的内容非常全面，涵盖了高温合金的各个方面，无论是理论研究还是工程应用，都能从中获得深刻的启示。
评分评价九 《高温合金基础与应用》这本书，在我看来，是一部真正“接地气”的学术著作。作者在讲解高温合金的基础理论时，始终不忘与其在实际工程中的应用相结合，这让我在学习过程中充满了动力和成就感。书中关于高温合金的塑性变形机理的论述，特别是对位错运动、晶界滑移和蠕变机制的详细解释，结合了大量的显微组织照片和实验数据，让我能够清晰地理解材料在高温下的变形行为。我尤其喜欢书中关于“高温合金的失效分析”的章节，作者通过对大量实际工程案例的剖析，深入讲解了不同类型的失效模式（如蠕变断裂、疲劳断裂、氧化腐蚀断裂等）的成因和预防措施，这对于我理解和解决实际工程中的材料问题具有极高的指导意义。书中对航空发动机涡轮叶片、燃烧室等关键部件的材料选择和工艺流程进行了详细的介绍，让我得以一窥高端制造业的精妙之处。我反复研读了书中关于“定向凝固”和“单晶生长”技术的章节，详细了解了其原理、工艺流程以及如何通过控制凝固过程来获得具有优异高温性能的材料，这对于我理解航空发动机涡轮叶片的制造工艺非常有帮助。此外，书中对高温合金在燃气轮机、核能等领域的应用案例分析，也让我看到了高温合金在推动能源技术发展中的重要作用。这本书的内容非常全面，覆盖了高温合金的各个方面，无论是理论研究还是工程应用，都能从中获得深刻的启示。
评分评价四 《高温合金基础与应用》这本书，在我看来，是一本兼具深度和广度的学术著作。其详尽的理论阐述和丰富的工程案例相结合，为读者提供了一个多维度的学习视角。书中的宏观力学性能部分，对高温合金的拉伸、压缩、弯曲、剪切等性能进行了详细的介绍，并着重分析了温度、应变速率、应力状态等因素对其影响。我尤其关注了关于高温合金蠕变性能的章节，作者不仅介绍了蠕变的基本机理，还深入分析了多种蠕变损伤模式，如位错蠕变、扩散蠕变、晶界滑移等，并通过大量实验数据和图表，直观地展现了不同因素对蠕变速率和蠕变寿命的影响。书中对疲劳性能的讲解，特别是高温低周疲劳（LCF）和高温高周疲劳（HCF）的分析，也让我受益匪浅。作者不仅解释了疲劳裂纹的萌生和扩展机理，还介绍了多种疲劳寿命预测模型，这对于评估高温部件的安全性和可靠性具有重要的指导意义。我反复阅读了书中关于高温合金断裂韧性以及断裂机制的章节，通过对裂纹扩展路径和微观断口形貌的分析，揭示了高温合金在不同加载条件下的断裂行为。这种对材料在极端条件下行为的深入理解，对于设计更加安全可靠的高温结构至关重要。这本书的内容扎实，条理清晰，对于高温合金的研究人员和工程师来说，无疑是一本不可多得的参考书。
评分评价一 初拿到《高温合金基础与应用》这本书，我便被它厚重的体量和扎实的排版所吸引。翻开第一页，作者严谨的学术态度便扑面而来。书的开篇，对高温合金的定义、发展历程以及其在现代工业中的不可替代性进行了详尽的阐述，这为我这个初学者建立了一个清晰的认知框架。我尤其欣赏书中对于高温合金微观结构的分析，从晶界、晶粒以及第二相析出物的形成机制，到这些微观结构如何影响宏观性能，作者都用深入浅出的语言和精美的图例进行了解释。例如，在讲述固溶强化时，作者不仅列举了不同的溶质原子，还详细分析了它们在晶格中的偏聚以及由此引起的应力场，进而说明了其强化效应。对于位错理论的引入，更是让我对材料的塑性变形有了更深刻的理解。书中关于高温合金在不同服役环境下的腐蚀与氧化行为的论述，也令我印象深刻。无论是高温氧化、硫化还是热腐蚀，作者都详细介绍了其机理、影响因素以及防护措施，这对于实际工程应用具有极高的指导意义。我特别关注了书中对热障涂层（TBCs）的介绍，这部分内容详细阐述了TBCs的结构、材料选择、制备工艺以及服役性能，这让我对航空发动机叶片的保护有了全新的认识。书中对不同类型高温合金（如镍基、钴基、铁基）的比较分析，也极具参考价值，让我能够根据具体应用场景做出更合理的材料选择。总而言之，这本书为我打开了高温合金世界的大门，让我对其有了系统而全面的认识，为我后续更深入的学习打下了坚实的基础。
评分评价五 拿到《高温合金基础与应用》这本书，我就迫不及待地开始阅读，其内容之详实、讲解之深入，远远超出了我的预期。书中关于高温合金热力学和动力学基础的论述，为理解其性能的根源奠定了坚实的基础。作者对相图的解读，以及如何利用相图来指导合金设计，让我对材料设计有了全新的认识。我特别欣赏书中对高温合金热处理工艺的详细介绍，从固溶处理、时效处理到各种特殊的退火工艺，作者都一一进行了深入的讲解，并阐述了不同热处理工艺对显微组织和宏观性能的影响。例如，对γ'相析出动力学的分析，以及如何通过控制时效温度和时间来优化γ'相的尺寸和分布，从而获得最佳的力学性能，这部分内容对我启发很大。书中对高温合金表面工程，特别是涂层技术的研究，也让我印象深刻。作者详细介绍了各种涂层材料（如氧化铝基、氧化锆基等）的性能特点、制备方法（如等离子喷涂、电子束熔炼等）以及其在提高高温合金耐腐蚀、耐磨损性能方面的作用。我特别关注了书中关于热障涂层（TBCs）的失效模式和寿命预测的内容，这对于延长航空发动机部件的使用寿命具有重要的实际意义。这本书提供了一个非常全面的视角，涵盖了高温合金从基础理论到实际应用的各个方面，对于我这样希望深入了解该领域的读者来说，是一本极具价值的读物。
评分评价三 这本《高温合金基础与应用》给我带来的最大感受是它的“系统性”和“前瞻性”。作者在梳理高温合金基础理论的同时，并没有忽略其在不断发展变化的实际应用中的最新进展。书中关于高温合金的相变行为的论述，特别详细地介绍了不同相（如γ相、γ'相、M6C、Laves相等）的形成、稳定性以及它们对材料性能的影响。这种深入到微观层面的分析，对于理解高温合金的强化机制至关重要。我特别喜欢书中关于“相稳定性”的章节，作者通过相图分析和实验验证，解释了在不同温度和成分下，相的析出与溶解规律，这对于设计具有优异高温性能的新型高温合金非常有启发。在应用部分，书中对高温合金在航空航天领域的具体应用进行了深入剖析，从发动机核心部件的选材原则，到不同材料牌号的性能特点，再到制造工艺的权衡，都进行了细致的介绍。我反复研读了关于单晶高温合金的章节，作者不仅解释了其优异性能的根源在于其等轴晶结构和析出的细小γ'相，还详细介绍了其生长工艺和质量控制的关键点。此外，书中对高温合金在能源领域的应用，特别是用于发电厂汽轮机叶片的介绍，也让我对高温合金的广阔应用前景有了更深的认识。对于材料工程师来说，这本书提供了一个从基础理论到实际应用的全景图，让我能够站在更高的角度去理解和解决问题。
评分评价六 《高温合金基础与应用》这本书，如同一位循循善诱的良师，将高温合金这个复杂而迷人的领域，以一种极其易于理解的方式展现在我面前。我之所以这么说，是因为书中不仅有严谨的理论分析，更有生动形象的案例讲解。作者在介绍高温合金的微观结构时，并没有仅仅停留在元素组成和晶体结构上，而是深入探讨了晶界强化、固溶强化、沉淀强化等多种强化机制的内在联系，并通过大量的显微组织照片和图示，将这些抽象的概念具象化。例如，对γ'相（Ni3Al）的详细介绍，包括其形核、长大机制以及如何通过调整合金成分来优化其形貌和尺寸，这让我对高温合金的强度来源有了更深刻的理解。书中对高温合金在航空发动机中的应用，特别是对涡轮叶片、燃烧室衬套等关键部件的设计和制造过程的剖析，令我大开眼界。作者从材料选择、成型工艺（如定向凝固、单晶生长）到后续的热处理和表面处理，都进行了详尽的介绍，让我得以窥见航空发动机制造工艺的精妙之处。我尤其被书中关于高温合金疲劳寿命预测和剩余寿命评估的部分所吸引，作者不仅介绍了多种预测模型，还结合了实际的工程案例，讲解了如何通过无损检测技术和数据分析来评估部件的服役状态，这对于保障飞行安全至关重要。这本书真正做到了理论与实践相结合，对于任何想要深入了解高温合金及其在高端制造业中作用的读者来说，都是一本不容错过的佳作。
评分评价十 《高温合金基础与应用》这本书，给我带来的最大惊喜是它在深入理论讲解的同时，又不乏生动的工程实例。作者以一种“化繁为简”的方式，将高温合金这个复杂而迷人的领域，以一种极其易于理解的方式展现在我面前。书中关于高温合金的相变行为的论述，特别详细地介绍了不同相（如γ相、γ'相、M6C、Laves相等）的形成、稳定性以及它们对材料性能的影响。这种深入到微观层面的分析，对于理解高温合金的强化机制至关重要。我特别喜欢书中关于“相稳定性”的章节，作者通过相图分析和实验验证，解释了在不同温度和成分下，相的析出与溶解规律，这对于设计具有优异高温性能的新型高温合金非常有启发。在应用部分，书中对高温合金在航空航天领域的具体应用进行了深入剖析，从发动机核心部件的选材原则，到不同材料牌号的性能特点，再到制造工艺的权衡，都进行了细致的介绍。我反复阅读了关于单晶高温合金的章节，作者不仅解释了其优异性能的根源在于其等轴晶结构和析出的细小γ'相，还详细介绍了其生长工艺和质量控制的关键点。此外，书中对高温合金在能源领域的应用，特别是用于发电厂汽轮机叶片的介绍，也让我对高温合金的广阔应用前景有了更深的认识。对于材料工程师来说，这本书提供了一个从基础理论到实际应用的全景图，让我能够站在更高的角度去理解和解决问题。
评分评价二 《高温合金基础与应用》这本书，在我看来，是一部真正意义上的“宝藏”。我之所以这么说，是因为它在理论深度和实践指导之间找到了一个绝佳的平衡点。这本书没有停留在枯燥的理论堆砌，而是紧密结合了高温合金在各个领域的实际应用，这一点对我这个希望将所学知识转化为实际工作的人来说，无疑是雪中送炭。书中对航空发动机、燃气轮机、核反应堆等关键领域的应用案例分析，让我看到了高温合金的强大生命力。作者对于发动机叶片、涡轮盘等关键部件的材料设计思路和工艺选择的详细讲解，让我对这些复杂工程的背后原理有了更直观的理解。我尤其被书中关于高温合金疲劳寿命预测和剩余寿命评估的部分所吸引。这部分内容不仅仅停留在理论模型，还结合了大量的实验数据和工程经验，为实际的设备维护和寿命管理提供了宝贵的参考。书中对失效分析的深入探讨，通过大量的失效案例和显微组织分析，揭示了高温合金在苛刻工况下失效的常见原因，这对于预防和解决实际工程中的材料问题至关重要。例如，对蠕变断裂、疲劳断裂、氧化腐蚀断裂等典型失效模式的分析，都配有详实的图文资料，让读者能够迅速抓住问题的关键。另外，书中对新型高温合金的研发动态和发展趋势的预测，也让我对这个领域的前沿有了初步的了解，为我指明了未来的学习方向。这本书的内容非常丰富，覆盖面广，对于任何从事高温材料研究、开发和应用领域的人来说，都具有极高的阅读价值。
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