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第一章 高温合金概况3

1.1高温合金的涵义3

1.2高温合金的应用范围4

1.3高温合金的分类6

1.3.1按合金基体元素分类6

1.3.2按合金的强化类型分类6

1.3.3按合金的成型工艺分类6

1.3.4按合金的使用特性分类7

1.3.5按合金用途分类7

1.4我国高温合金牌号表示法7

1.5高温合金的发展8

1.5.1中国高温合金的发展8

1.5.2英国高温合金的发展14

1.5.3美国高温合金的发展14

1.5.4前苏联高温合金的发展15

1.6结语16

参考文献16

第二章 高温合金体系18

2.1中国的高温合金体系18

2.1.1铁基高温合金是我国高温合金体系的一大特色18

2.1.2独创的镍基高温合金成为我国高温合金体系中一大闪光点20

2.1.3通过对仿制合金进行成分调整发展一系列独具特点的新合金21

2.1.4低偏析高温合金在我国高温合金系列中独具一格22

2.1.5钴基合金数量很少，中国没有专门研制钴基高温合金22

2.2英国的高温合金体系39

2.2.1变形高温合金体系39

2.2.2铸造高温合金39

2.3美国的高温合金体系46

2.3.1公司各自发展，没有全国统一的高温合金牌号46

2.3.2使用大量难熔金属元素发展高温强度优异的高温合金牌号46

2.3.3利用γ″相沉淀强化发展中温强度优异的高温合金60

2.3.4用相计算方法改进老合金发展组织稳定的新合金60

2.3.5广泛发展铸造高温合金系列60

2.3.6含钴合金和钴基合金数量可观61

2.3.7发展了以Fe-Ni-Co为基低膨胀高温合金系列61

2.3.8粉末高温合金系列首先研制成功61

2.3.9定向凝固高温合金锦上添花62

2.4前苏联的高温合金体系62

2.4.1用大量W+Mo进行固溶强化62

2.4.2很少用Co进行固溶强化，几乎没有自己发展的钴基高温合金63

2.4.3用少量钒进行合金化63

2.4.4不用昂贵稀缺的钽进行合金化63

2.4.5用稀土元素Ce进行微合金化63

2.5结语73

参考文献73

高温合金材料学一应用基础理论（第二篇～第六篇）内容提要75

第三章 高温合金的固溶强化及合金元素的作用81

3.1固溶强化机理81

3.1.1克服晶格畸变引起的长程内应力场所需流变应力81

3.1.2克服弹性模量差引起的短程应力场所需流变应力83

3.1.3克服溶质原子非均匀分布所需流变应力84

3.1.4克服短程有序原子区所需流变应力85

3.1.5高温固溶强化85

3.1.6晶界对强化的作用87

3.2合金元素的作用89

32.1镍89

3.2.2钴90

3.2.3铁92

3.2.4铬92

3.2.5钨95

3.2.6钼96

3.2.7铌97

3.2.8钽97

3.2.9铼101

3.2.10钒101

3.2.11钌102

3.2.12多种元素综合固溶强化102

3.3结语103

参考文献103

第四章 高温合金的沉淀强化及合金元素的作用106

4.1沉淀强化机理106

4.1.1共格应变强化机制106

4.1.2Orowan绕过机制109

4.1.3位错切割有序颗粒机制111

4.1.4位错攀移机制116

4.1.5沉淀强化机理的实际应用118

4.2合金元素的作用123

4.2.1铝123

4.2.2钛125

4.2.3Al+Ti之和和Ti/Al之比的影响126

4.2.4铌128

4.2.5钽130

4.2.6铪130

4.2.7多种元素综合进行沉淀强化133

4.3结语134

参考文献134

第五章 晶界强韧化与微合金化元素的作用136

5.1晶界强韧化原理136

5.1.1晶界结构136

5.1.2晶界在高温应力作用下的行为136

5.1.3溶质原子偏析137

5.1.4微量元素对晶界强韧化的作用机理140

5.2微合金化元素在高温合金中的作用143

5.2.1硼143

5.2.2碳148

5.2.3镁150

5.2.4锆151

5.2.5铪152

5.2.6钙153

5.2.7稀土元素155

5.2.8磷159

5.2.9微合金化元素综合效应161

5.3结语162

参考文献162

第六章 杂质元素的有害作用及其机理168

6.1高温合金中杂质元素的来源168

6.1.1炼钢用原材料带入的杂质元素168

6.1.2熔炼和铸造过程中带进的杂质元素170

6.2杂质元素的有害作用机理170

6.2.1偏聚于晶界，降低晶界结合力170

6.2.2偏聚于晶界，形成低熔点化合物，促进晶界有害相析出171

6.2.3增加凝固偏析，影响凝固过程，促进元素偏析和有害相析出172

6.2.4形成夹杂物或溶解于γ固溶体产生脆性173

6.3杂质元素的有害作用173

6.3.1硅173

6.3.2硫178

6.3.3磷181

6.3.4锰184

6.3.5金属和类金属杂质184

6.3.6残余气体187

6.4有害杂质元素的控制192

6.4.1有害杂质元素的含量要求愈来愈低控制的元素愈来愈多192

6.4.2有害杂质元素的生产控制194

6.5结语195

参考文献195

第七章 工艺强韧化及其机理198

7.1采用定向凝固工艺制备柱晶和单晶高温合金198

7.1.1等轴晶高温合金的蠕变断裂198

7.1.2柱晶和单晶高温合金的制备原理199

7.1.3定向凝固和单晶高温合金优异的强度与塑性204

7.1.4定向柱晶和单晶合金的发展207

7.2控制液态合金冷却速率制备粉末高温合金208

7.2.1传统铸锻工艺引起严重偏析208

7.2.2粉末高温合金的原理与特点209

7.2.3粉末高温合金的发展211

7.3喷射成型制备高温合金涡轮盘212

7.3.1喷射成型的原理与特点212

7.3.2喷射成型高温合金的发展214

7.4快速凝固工艺制备性能更加优异的强韧化高温合金219

7.5控制凝固过程形核率制备细晶铸造高温合金222

7.5.1细晶铸造工艺222

7.5.2细晶铸造工艺的应用224

7.6利用机械合金化方法制备弥散强化高温合金227

7.6.1弥散强化高温合金的特点227

7.6.2弥散强化高温合金的制法229

7.6.3ODS高温合金的发展231

7.7采用形变热处理使变形高温合金强韧化231

7.7.1低温形变热处理232

7.7.2中温形变热处理233

7.7.3高温形变热处理235

7.7.4形变热处理的发展与应用239

7.8控制热处理参数形成弯曲晶界239

7.8.1弯曲晶界的热处理工艺及弯晶形成机理240

7.8.2弯曲晶界对高温合金力学性能的影响245

7.8.3弯曲晶界组织改善高温合金力学性能的机理248

7.9表面强韧化处理250

7.9.1机加工引起表面不完整250

7.9.2喷丸处理提高疲劳强度251

7.9.3细化表层晶粒改善综合性能252

7.9.4用高能束对表面进行改性253

7.10结语255

参考文献255

第八章 高温合金中的相变263

8.1凝固过程中发生的相变263

8.1.1L→γ相变263

8.1.2L→（γ+γ′）共晶反应264

8.1.3L→MC相变或（γ+MC）共晶反应265

8.1.4L→M7C3,M23M6，M6C相变或（γ+M23C6）共晶反应266

8.1.5L→（γ+M3B2）共晶反应267

8.1.6L→（γ+Laves）共晶反应268

8.1.7L→Y相变269

8.1.8L→Y相变270

8.1.9L→δNi5Hf或Ni5Zr相变或（γ+Ni5Hf）共晶反应272

8.1.10L→μ相或σ相转变272

8.1.11L→Z相转变273

8.1.12L→β相和RuAl相274

8.1.13L→α-Cr相变274

8.2沉淀析出反应274

8.2.1γ′和γ″相的析出275

8.2.2NiAl、Ni2AlTi、Ni3Ti和Ni2Nb的沉淀析出277

8.2.3碳化物和硼化物的析出281

8.2.4硫化物、硅化物和氮化物284

8.2.5拓扑密排相的析出286

8.2.6α或α2相的析出289

8.2.7时间-温度-相转变曲线289

8.2.8成分相区图290

8.3主要强化相γ′和γ″发生的相变291

8.3.1γ′→η相变292

8.3.2γ″→δ相变292

8.3.3γ′中沉淀析出γ相292

8.3.4γ″中沉淀析出β-NiAl相293

8.4碳化物退化反应295

8.4.1MC退化反应295

8.4.2M7C3退化反应299

8.4.3M23C6的退化反应299

8.4.4M6C退化反应300

8.5马氏体相变302

8.6结语304

参考文献305

第九章 高温合金中相的鉴定309

9.1X射线衍射分析309

9.11粉末法309

9.1.2衍射仪法316

9.2金相法分析318

9.2.1金相试样抛光状态下的相鉴定318

9.2.2用特殊腐蚀液进行相鉴定320

9.3TEM与选区电子衍射分析325

9.3.1晶界相的鉴定325

9.3.2微量相的鉴定328

9.4扫描电镜与能谱分析329

9.5结语331

参考文献331

第十章 高温合金中的析出相及其作用332

10.1几何密排相332

10.1.1γ′-Ni3Al相332

10.1.2γ"-NixNb相339

10.1.3η-Ni3Ti相343

10.1.4β-NiAl相345

10.1.5α-Ni2AlTi相346

10.1.6δ-Ni3Nb相347

10.1.7ε和ε"相351

10.2拓扑密排相353

102.1σ相353

10.2.2Laves相358

10.2.3μ相360

10.2.4x相、P相、R相和π相362

10.2.5新发现的6个TCP相362

10.3间隙相363

10.3.1碳化物363

10.3.2M3B2硼化物375

10.3.3氮化物377

10.4其他相378

10.4.1硅化物378

10.4.2硫化物378

10.4.3α-Cr相379

10.5结语380

参考文献380

第十一章 高温合金的蠕变389

11.1蠕变现象389

11.2第一阶段蠕变规律及其机理393

11.2.1对数蠕变393

11.2.2安德瑞德蠕变394

11.2.3适于高温合金第一阶段蠕变的时间律395

11.3第二阶段蠕变规律及其机理399

11.3.1应力的影响399

11.3.2温度的影响400

11.3.3晶体取向对稳态蠕变速率的影响402

11.3.4蠕变方程与蠕变机理405

11.3.5蠕变阻力412

11.4第三阶段蠕变规律及机理421

11.5蠕变断裂行为及机理426

11.5.1蠕变断裂行为与断口特征426

11.5.2蠕变断裂时间与稳态蠕变速率的关系430

11.5.3蠕变断裂时间与应力的关系433

11.5.4蠕变断裂时间与温度的关系433

11.5.5蠕变断裂时间的外推435

11.6扩散蠕变442

11.7蠕变裂纹的扩展443

11.7.1裂纹扩展曲线444

11.7.2低延性合金445

11.7.3高延性合金449

11.8结语451

参考文献451

第十二章 高温合金的疲劳456

12.1疲劳现象与疲劳参数456

12.1.1疲劳现象456

12.1.2疲劳参数457

12.2高温合金的高周疲劳463

12.2.1高周疲劳寿命、疲劳强度与疲劳极限465

12.2.2影响疲劳寿命的工程因素466

12.2.3影响疲劳的冶金因素471

12.3高温合金的低周疲劳475

12.3.1高温合金的低周疲劳寿命行为476

12.3.2高温合金低周疲劳的循环应力响应行为486

12.4疲劳裂纹的形核、扩展与断裂494

12.4.1疲劳变形的特点与组织结构的变化494

12.4.2疲劳裂纹的形核500

12.4.3疲劳裂纹扩展504

12.4.4疲劳裂纹扩展速率da／dN507

12.4.5短裂纹疲劳扩展516

12.4.6疲劳断裂517

12.5结语520

参考文献520

第十三章 高温合金的蠕变、疲劳和环境损伤的交互作用524

13.1暴露环境对高温合金蠕变断裂性能的影响524

13.1.1环境损伤的机理524

13.1.2暴露环境对铸造镍基高温合金的影响525

13.2蠕变-环境交互作用529

13.2.1环境中氧对蠕变性能的影响529

13.2.2热腐蚀环境对蠕变性能的影响531

13.3疲劳-环境交互作用539

13.3.1空气环境对疲劳性能的影响540

13.3.2热腐蚀环境对疲劳性能的影响541

13.3.3其它环境对疲劳性能的影响542

13.4蠕变-疲劳交互作用543

13.4.1循环蠕变544

13.4.2蠕变-疲劳交互作用的累积损伤法则556

13.4.3涡轮盘合金的蠕变-低周疲劳交互作用及寿命估算559

13.4.4GH3030和GH34合金蠕变-疲劳交互作用的非线性累积损伤寿命估算564

13.4.5断裂特征图及其寿命预测公式566

13.4.6应变能区分法（SEP）及其数值方法（SEP-NCM）寿命预测程序568

13.4.7频率修正的Coffin-Manson方程569

13.4.8应变范围分区法570

13.5蠕变-疲劳-环境交互作用572

13.6结语574

参考文献574

第十四章 高温合金的氧化579

14.1高温合金高温氧化热力学579

14.1.1高温合金氧化的自由能判据579

14.1.2高温合金氧化的热力学分析580

14.2高温合金高温氧化动力学587

14.2.1高温合金氧化动力学规律587

14.2.2高温合金氧化动力学的测试与应用594

14.2.3用多元线性回归法预测镍基高温合金的抗氧化性596

14.3不同类型高温合金的氧化特点599

14.3.1铁基高温合金600

14.3.2镍基高温合金603

14.3.3钴基高温合金612

14.4高温合金的广义氧化618

14.41高温碳化618

14.4.2高温硫化619

14.4.3高温氮化619

14.44卤化619

14.5结语619

参考文献620

第十五章 高温合金的热腐蚀622

15.1热腐蚀现象622

15.2热腐蚀机理623

15.2.1酸碱熔融模型623

15.2.2硫化-氧化机理模型626

15.2.3电化学模型627

15.2.4低温热腐蚀629

15.3热腐蚀的影响因素631

15.3.1环境对热腐蚀的影响631

15.3.2合金元素对热腐蚀的影响631

15.4热腐蚀试验方法632

15.4.1坩埚试验法632

15.4.2涂盐试验法633

15.4.3电化学试验法634

15.4.4燃烧装置试验法634

15.5镍基高温合金的高温热腐蚀636

15.5.1镍基铸造高温合金K435的高温热腐蚀行为636

15.5.2五种镍基合金的高温抗热腐蚀性642

15.6Ni3Al及CoCrAlY涂层的低温热腐蚀649

15.6.1低温热腐蚀试验650

15.6.2低温热腐蚀行为及机理650

15.7NiAl基金属间化合物在LiCl-Li20熔盐中的热腐蚀652

15.7.1腐蚀动力学653

15.7.2腐蚀层的组织结构653

15.8结语661

参考文献661

第十六章 高温合金的防护664

16.1防护涂层的发展664

16.2第一代涂层——简单铝化物涂层666

16.2.1低活性渗铝666

16.2.2高活性渗铝666

16.2.3气相渗铝672

16.3第二代涂层——多元铝化物涂层673

16.3.1Cr-Al涂层673

16.3.2Si-Al涂层673

16.3.3Pt-Al涂层676

16.3.4Co-Al涂层677

16.3.5NiCr-CrAl涂层677

16.3.6其它涂层678

16.4第三代涂层——MCrAlY包覆涂层678

16.4.1MCrAlY涂层的结构与性能678

16.4.2MCrAlY涂层在镍基铸造高温合金的应用679

164.3扩散阻挡层682

16.4.4智能涂层685

16.5第四代涂层——热障涂层685

16.5.1热障涂层系统685

16.5.2陶瓷面层成份的选择686

16.5.3热障涂层的发展686

16.5.4热障涂层的应用687

16.6纳米晶涂层688

16.6.1纳米晶涂层的结构特征688

16.6.2纳米晶涂层的抗氧化性能688

16.6.3纳米晶涂层改善抗氧化性的机理691

16.7涂层失效机理692

16.7.1热扩散涂层的退化与失效692

16.7.2热障涂层的失效692

16.8结语693

参考文献693

第十七章 高温合金的成分确定699

17.1高温合金的仿制699

17.1.1中国第一个高温合金的诞生700

17.1.2铸造钴基高温合金K6384的仿制700

17.2高温合金的试制702

17.21成分相同，工艺创新703

17.2.2添加微量元素改善性能704

17.3改造老合金发展新合金704

17.3.1改变制备工艺、调整合金成分705

17.3.2把杂质元素变为合金元素并进行微合金化705

17.3.3增加主要强化元素含量，改善力学性能708

17.3.4利用电子空穴数计算调整成分708

17.4高温合金的研制709

17.4.1以力学性能指标为主研制高温合金709

17.4.2以工艺性能指标为主研制高温合金710

17.5结语711

参考文献712

第十八章 高温合金的设计714

18.1电子空穴理论与相计算714

18.11电子空穴数715

18.1.2电子空穴数与拓扑密排相716

18.1.3电子空穴数与高温合金717

18.1.4电子空穴理论在高温合金的实际应用718

18.2d电子合金理论与新相计算721

18.2.1d电子合金理论简介721

18.2.2新相计算法（NewPHACOMP）724

18.2.3应用新相计算法预测TCP相725

18.2.4新相计算法用于合金设计727

18.2.5用d电子概念设计和发展高强度抗热腐蚀定向柱晶和单晶镍基高温合金730

18.3多元线性回归和高温合金设计733

18.3.1多元线性回归方法设计的思路733

18.3.2设计合金733

18.4人工神经网络与高温合金设计734

18.4.1神经网络简介734

18.2人工神经网络模型735

18.4.3神经网络在材料设计和优化中的应用736

18.5微量元素C、B、Hf对抗热腐蚀铸造镍基高温合金性能影响——人工神经网络和d电子理论的应用739

18.5.1合金性能预测739

18.5.2预测结果和讨论746

18.5.3试验合金的力学性能和相稳定性748

18.6结语752

参考文献752

郭建亭研究员的主要科研实践与活动759

郭建亭研究员历年发表的主要学术论文题录783