高温合金基础与应用

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。

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

 

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热端，并承受载荷，因而其处于重要的位置，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：，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。