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一、
國防科技事業已經取得了舉世矚目的成就。國防科技圖書承擔著記載和弘揚這些成就,積累和傳播科技知識的使命。在改革開放的新形勢下,原國防科工委設立出版基金,扶持出版科技圖書,這是一項具有深遠意義的創舉。此舉勢必促使國防科技圖書的出版隨著國防科技事業的發展更加興旺。
設立出版基金是一件新生事物,是對出版工作的一項改革。
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因而,評審工作需要不斷地摸索、認真地總結和及時地改進,這樣,才能使有限的基金發揮出巨大的效能。評審工作更需要國防科技和武器裝備建設戰線廣大科技工作者、專家、教授,以及社會各界朋友的熱情支持。讓我們攜起手來,為祖國昌盛、科技騰飛、出版繁榮而共同奮斗!
高溫結構材料是20世紀中葉發展起來的一種新興材料。伴隨、天、能源、機械等領域對其所需*發動機及所用高溫結構材料的嚴格需求,高溫結構材料經歷了從無到有、從低溫到高溫、從低比強到高比強、從金屬到非金屬、從單一材料到復合材料結構等不同的發展階段,在經過半個世紀的努力后,現已初步形成系列,成為結構材料家族中的重要成員。高溫結構材料因其是*發動機的關鍵材料,是飛機、火箭、、飛船等所用動力裝置的重要物質基礎,受到世界各國普遍重視,成為競爭的焦點,日顯其重要地位與作用。
作者以我國高溫結構材料研究和開發取得的成果、經驗和積累的資料為基礎,通過廣泛收集國內外的文獻、資料,經過整理、精選、總結,大膽開辟新章,撰寫了這本專著。該書較為系統、全面地論述其中各類材料的組成、原理、制備、性能、應用的要點和特點,運用理論實際、深入淺出、圖文并茂的方法,重點介紹新材料、制備新工藝、新結構、新材料應用準則及防護新方法等。顯然,這本書在一定程度上反映高溫結構材料在現階段的水平、存在的問題和對未來發展前景的看法。同時,對促進高溫結構的發展、對*發動機及*的發展具有重要影響,對科研、生產、應用具有明示作用。
二、
高溫結構材料是當今、天、能源、化工、機械、冶金等領域的關鍵材料,廣泛用于制造飛機、火箭、、機車、艦船等的動力裝置———發動機的高溫承力結構件。在結構材料中,高溫結構材料是一個新興發展起來的重要成員,是適應建設現代化工業需要,*發展的重要物質基礎。該材料始終得到世界各國的重視,材料科學與工程學科中的重點發展方向,已初成系列,日顯其重要地位與作用。
本書編寫的目的是適應該領域的*發展需求,推動高溫結構材料的發展,提供在該領域中從事*發動機、新型結構材料的科研、設計、制造、應用、管理、教學人員,作為專業基礎參考資料和高等院校專業課教材。作者在廣泛收集國內外相關文獻、著作、資料、研究成果基礎上,結合實踐經驗,進行歸納、分析、整理、總結而成。是目前內容較為全面、新穎、系統、完整的高溫結構材料專著。
本書共分10章,包括概述,輕質高溫結構材料,*高溫合金,難熔金屬與合金,金屬間化合物,金屬基和化合物基復合材料,*陶瓷基復合材料,*C/C復合材料,特種高溫材料、結構與成型,高溫氧化、腐蝕與防護。簡單扼要地介紹各類材料的組成、強韌化原理、制備、性能、應用,重點介紹了新型材料、制備新技術、新結構、應用準則和防護方法,具有知識面寬,理論實際,深入淺出,圖文并茂,內容新穎、豐富等特點。
為編寫體例的需要,書中所引資料部分作了取舍、補充、變動,對于部分貽誤作了訂正,因涉及數量較多未作詳細說明,望作者或原資料引用者諒解。在此誠摯感謝提供資料,給予幫助的學友、同事們,特別是顏鳴皋院士的指導,韓雅芳教授的主審,對提高本書質量、水平起了重要作用。該書涉及學科廣泛,作者學識有限,盡管學習、工作甚是努力,但錯誤缺點仍在所難免。如有錯誤唯作者是負,并請讀者視作參考,給予諒解,不吝賜正,是為至幸。
隨著能源、運輸、天發動機的推陳出新,特別是天飛行器對發動機性能要求的不斷提高,伴隨著新設計、新工藝技術突飛猛進的發展,高溫結構材料從高性能結構材料中突顯出來,成為提高*發動機性能、延長壽命、降低能耗和成本的關鍵材料。各類新高溫結構材料研究成果層出不窮,逐漸形成體系,對國民經濟、高技術產業的形成與發展發揮著重要作用,成為支撐交通運輸、能源動力、天、國防及國家重大工程持續發展的基礎。有資料指出,飛機及發動機性能的改進分別有2/3和1/2靠材料性能提高;沒有單晶葉片合金、粉末渦輪盤合金、熱防護材料、頭材料等,新型高推重比發動機、衛星、飛船和就難以發展。
世界各*國家都將高溫結構材料列為高性能結構材料中的重點發展對象,我國高溫結構材料是根據國內的發展需求及資源,以滿足天發動機產品研制、生產所需材料為發展重點,跟蹤世界新材料的發展前沿,建立和形成我國高溫合金、高溫鈦合金體系和新型高溫結構材料基礎。
三、
高溫結構材料的發展與應用成為關注的重點。1929年英、美的、Bedford和Piling等發現將少量Ti和Al加入電工合金具有顯著的蠕變強化作用。德國和英國先后研制出渦輪噴氣發動機,要求提供高溫、高強度金屬材料。英國Mond鎳公司研制出*個高溫合金,即低C含Ti的Nimonic75合金,隨后很快研制出性能更好的Nimonic80,1942年成功用作Whitle發動機的渦輪葉片,從此即相繼開發形成的Nimonic合金系列。美國1932年開發出含Al、Ti的彌散強化鎳基合金K42B,被用作活塞式發動機的增壓渦輪;1941年研制出HasoyB用于噴氣發動機;1944年用鈷基HS-23精鑄葉片制出YanKee19A發動機。在此時期美國 PW和GE公司和特殊金屬公司開始研制、M252和500,隨后形成 Inconel、Mar-M、系列高溫合金。高溫合金的發展隨著新工藝技術的進步和強化理論的突破,向著適應發動機性能發展的態勢發展,使用溫度及其對應的使用性能不斷提高。我國為適應發動機的研制需要,1956年研制出*個高溫合金GH3030,從此開始逐漸形成我國的高溫合金系列。
我國高溫合金已形成鐵基、鐵鎳基、鈷基、鎳基合金體系,成熟合金達百種以上。其中鐵鎳基合金,950℃ ~1000℃鎳基固溶強化板材,高屈服、低周疲勞強度渦輪盤合金GH33A具有中國特色和創新。采用特殊工藝研制定向、單晶葉片合金、粉末高溫合金、彌散強化合金取得較多研究和應用成果。
我國已研制成功Ti-55、Ti-633G、Ti-53311S、7715C和HT-5-Y五種高溫鈦合金。研制600℃鈦合金的性能水平已達到和BT-36水平,。
金屬間化合物高溫結構材料已研制成功IC-6(Ni3Al)定向導向葉片合金,1100℃、100MPa持久壽命100h達到高水平;TD-2(Ti3Al)合金在 700℃,σ0.2達 100MPa。TiAl合金在900℃,σb達490MPa,σ0.2達350MPa,延伸率和室溫KⅠC分別達到10%和10MPa·m1/2;SiCW(20%)/MoSi2彎曲強度和KⅠC分別達
到346MPa和4.01MPa·m1/2,Mo5Si3被認為有發展前景,蠕變承熱溫度可達1300℃。
高溫結構陶瓷 30%Cf/Si3N4 彎曲強度 454MPa,KⅠC達,斷裂功達4770J/m2,顯著優于 Si3N4陶瓷,有待解決成型等關鍵技術。
根據國內天對發動機和防熱材料的需求,普遍認為高溫結構材料應重點發展高性能高溫合金如單晶合金、粉末合金等;發展金屬間化合物基合金如TiAl、Ti3Al、Ni3Al、MoSi2;發展增韌陶瓷基復合材料如Cf/Si3N4、Cf/SiC復合材料;*復合材料如C/C抗氧化復合材料,Cf/聚酰亞胺復合材料。金屬基和陶瓷基復合材料要求發展組成—結構—成形工藝綜合優化的高性能、低成本的高溫結構材料。 天高溫結構材料使用特點與需求天飛行器與不同,工作條件與環境差異較大,火箭、工作時間只幾十分鐘;天飛機要求壽命較長,設計、研制和選用材料時應充分考慮其異同。高溫合金的發展不但提高了飛機的性能,也提高了大型客機的安全可靠性、壽命和有效載荷。
天高溫結構材料的特點是要求使用溫度高,高的比強度和比剛度。通常認為:發動機每減重1kg,飛機減重4kg;天器減重1kg,可使運載火箭輕500kg。因此,天用高溫結構材料要求開發和采用高比強度、高比剛度的新材料,滿足*動力裝置和新型飛行器研制的需要。飛機和發動機的發展對選用材料使用溫度的影響如圖1.1所示。不難看出,推重比8發動機和天飛機蒙皮工作溫度已經超出鎳基高溫合金使用溫度(≤1100℃)
的限制,不得不采用防護涂層或選用耐高溫新材料。、天材料的耐溫性與比強度(σ0.1/100h/ρ)關系如圖1.2所示,金屬材料、金屬基復合材料、金屬間化合物及其復合材料、彌散強化材料均受到使用溫度限制,Si3N4、SiC及其復合材料在低于1650℃有開發潛力,抗氧化C/C復合材料是*具有發展潛力的材料,正在加 前提下即可設計確定壓氣機、燃燒室、渦輪的主要性能參數與典型結構型式,各類零件的選材及其使用溫度、應力類型與水平、壽命考核指標等,作為材料研制考核的依據,直至發動機定型、生產。
發動機的選材特點是在使用溫度下、高應力、燃氣環境下具有長的循環壽命。如表1.1所列,以推重比10發動機選擇材料為例,用高溫鈦合金作壓氣機盤、葉片;用粉末高溫合金作渦輪盤;用鎳基合金+涂層防護作燃燒室;用鎳基單晶合金作渦輪導向葉片和轉子葉片時需采用表面隔熱涂層,空氣冷卻效果>400℃,隔熱效果>100℃ ~150℃的前提下,達到表中提出的主要性能水平才能適于選用。
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