高溫合金是在高溫下具有優良力學性能的材料。本書從工程的角度圍繞合金設計、工藝發展、工程構件、壽命評估和材料行為等主題進行了描述，介紹了用于指導高溫合金成分設計和制造的基本的冶金原理、兩種關鍵的燃氣渦輪發動機部件渦輪葉片和渦輪盤的高溫合金技術、表面涂層技術等內容。
全書共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展；第2章詳述了高溫合金的物理冶金，強調了高溫合金與其他工程合金的區分細節，包括γ′強化相、反相疇界類缺陷的作用、獨特的顆粒增強機理、反常屈服效應和蠕變變形行為；第3章和第4章介紹了兩種關鍵的燃氣渦輪發動機部件渦輪葉片和渦輪盤的高溫合金技術，并給出了有明確應用背景的高溫合金的加工、合金設計和微觀結構/性能之間的關系；第5章介紹了表面涂層技術，該技術隨著工作溫度的提高變得越來越關鍵；第6章給出了對高溫合金技術未來發展的預測。
本書在每章的結尾都有相應的練習，作為對讀者理解相關基本原理的測試。關于該主題的更多資源可以在www.cambridge.org/9780521070119上獲得。
本書可供從事材料研究的科研人員、工程技術人員和高校相關專業的師生參考使用，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、鋁在內的至少10種元素），這些材料在接近其熔點的溫度下表現出優異的抗機械和化學損傷的能力。自從在20世紀50年代高溫合金得到大量的工程應用以來，就對高溫部件的發展帶來了不可估量的影響。航空發動機是現代民用飛機的動力。高溫合金制造的構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，需要確保其結構完整性。實際上，高溫合金的發展從本質上講是與噴氣發動機的歷史聯系在一起的，高溫合金就是為噴氣發動機設計的；顯而易見，如果沒有高溫合金，現代噴氣飛機就不能飛翔。進一步提高高溫合金的承溫能力是目前的焦點，比如為雙通道空客A380和波音787夢想客機提供動力的發動機。基于在更高工作條件下燃料燃燒效率的提高和碳排放的減少，高溫合金也越來越多地應用在作為發電裝置的地面渦輪系統上。下一代超高效率發電系統對高溫合金的發展提出了新的要求。在未來的25年中，整個世界發電裝機容量有望翻倍，這是由于發展中國家經濟和人口的快速增長，并且發達國家當前發電裝置也需要更新。因而高溫合金對于當今世界的繁榮變得更為重要。
今天高溫合金的驚人表現和發展并非偶然。大量研究者和技術人員致力于發展其物理性能基礎知識和更實際的工程需要，以便這些合金得到最佳的應用。通過該書，讀者可以了解引導高溫合金冶金發展的原理概論、合金設計、工藝發展、工程構件、壽命估算和材料行為等主題是密切相關的。本書的目標人群是繼續攻讀材料科學和工程學位的學生，但它對學習機械工程、航空工程、物理和化學的人也是極其有用的。另外,本書也適用于以下兩種讀者：第一，最后一年的本科學生,作為高溫材料技術的選修課程；其次，有志于該領域更高學位的學生，尋求對該主題的了解。本書在前5章的結尾，都設計了對讀者進行測試的問題。其中許多問題需要采用計算器、電子表格程序或計算機編程工具進行數值計算。這些練習題多數都已經過本人曾任教過的帝國理工學院、劍橋大學和英屬哥倫比亞大學學生們的測試。我非常愿意接受嘗試這些問題的人的意見，我會盡快回答對所有問題的看法和見解。我的E-mail地址在www.cambridge.org/9780521070119上可以查到。
作為對本書閱讀的準備，讀者應知道對本書包含的內容進行選擇是十分重要的。我有足夠的材料以滿足約30學時課程學期的要求，其中一部分可用于課堂教學、習題集與練習設計。在我自己的教學中，我用這本書的內容強調這些材料的組織/成分之間的關系、力學/化學行為、加工工藝及為其發展提供技術推動的部件設計。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域的一個很好的研究案例。
我很高興劍橋大學出版社讓我對羅格 C.里德的新書《高溫合金基礎與應用》做些評論。鎳基高溫合金代表非常重要的一類發動機材料，它在用于噴氣推進和發電的燃氣渦輪發動機的關鍵構件中得到了廣泛的應用。這是由于它在高溫下還保持著優良的力學性能。實際上，全球的燃氣渦輪制造商一直在尋找新的高溫合金以應用在發動機的最熱端部件。這是因為提高發動機的效率和減少燃料消耗需要更高的溫度。發動機的性能是任何發電裝置的一個主要因素，這也可以解釋為什么所有的發動機制造商會在發展下一代高溫合金時花費如此多的金錢。
該書的作者為我們提供了高溫合金技術的基礎和應用兩方面的內容。這是一個重要和特別的貢獻，尤其是給出了一個廣泛的主題范圍。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展歷史。第2章涉及高溫合金的物理冶金，強調了高溫合金與其他工程合金的區分細節，比如γ′強化相、反相疇界類缺陷的作用、獨特的顆粒增強機理、反常屈服效應和蠕變變形行為。第3章和第4章介紹了兩種關鍵的燃氣渦輪發動機部件的高溫合金應用技術：渦輪葉片和渦輪盤。值得注意的是，這兩章給出了這些有明確應用背景的高溫合金的加工、合金設計和微觀結構/性能之間的關系。第5章介紹了表面涂層技術，該技術隨著工作溫度的提高變得越來越關鍵。第6章給出了對高溫合金技術未來發展的預測。
由于作者對該主題的權威掌握，該書在不久的未來應能成為該領域確認的教科書。我本人已在很多場合提及該書，可以向所有對高溫材料領域有興趣的人，尤其是從事燃氣渦輪技術研究的高學歷相關人員推薦該書。此外，由于高溫合金代表了材料科學和工程領域的顯著成就，該書可以作為大學中材料相關專業的教材。
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1
1.1.2作為高溫材料的高溫合金2
1.1.3高溫合金結構失效實例4
1.2燃氣渦輪發動機對高溫材料的要求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)準則16
1.3.2高溫合金發展史18
1.3.3鎳作為高溫材料的優勢22
1.4小結28
問題28
參考文獻30
第2章鎳及鎳合金的物理冶金學32
2.1鎳合金的成分-微觀結構關系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鎳合金中的強化效應72
2.3.1γ′相顆粒強化73
2.3.2高溫合金強化的溫度相關性82
2.3.3γ′合金中的反常屈服效應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固溶強化鎳合金中的蠕變強化94
2.4.3沉淀硬化鎳合金中的蠕變強化98
2.5小結101
附錄鎳表現的各向異性彈性103
問題107
參考文獻113
第3章單晶高溫合金葉片的應用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定向凝固過程中的傳熱分析130
3.1.3定向凝固過程中缺陷的形成136
3.1.4工藝過程對枝晶尺寸的影響142
3.2單晶高溫合金的成分優化143
3.2.1指導原則1145
3.2.2指導原則2147
3.2.3指導原則3150
3.2.4指導原則4154
3.3單晶高溫合金的力學行為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計186
3.4.1渦輪葉片長度估算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(用半球狀針近似)192
問題193
參考文獻200
第4章渦輪盤用高溫合金206
4.1渦輪盤用合金的制備工藝206
4.1.1鑄造與鍛造工藝210
4.1.2粉末冶金工藝219
4.2渦輪盤合金的成分、微觀組織與性能224
4.2.1指導原則1224
4.2.2指導原則2233
4.2.3指導原則3239
4.3渦輪盤的服役壽命評估245
4.3.1幾何形狀簡化的渦輪盤應力分析245
4.3.2渦輪盤的壽命評估方法247
4.3.3渦輪盤的無損檢測258
問題259
參考文獻263
第5章環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包埋滲和化學氣相沉積方法277
5.2熱障涂層281
5.2.1隔熱效果評價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性能296
5.4擴散層302
5.5熱障涂層體系的失效機理308
5.5.1引言308
5.5.2TBC涂層體系失效機理分析309
5.5.3壽命評估模型314
5.5.4缺陷對近熱生長氧化層的作用316
5.6小結319
問題319
參考文獻322
第6章總結和展望333
6.1渦輪葉片用高溫合金的發展趨勢335
6.2渦輪盤用高溫合金和工藝的發展趨勢339
6.3結束語342
參考文獻343
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