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一、
國防科技事業(yè)已經(jīng)取得了舉世矚目的成就。國防科技圖書承擔(dān)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(shè)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(chuàng)舉。此舉勢必促使國防科技圖書的出版隨著國防科技事業(yè)的發(fā)展更加興旺。
設(shè)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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魯志強-(1)(5)(3)(5)(8)(0)(0)(9)(2)(2)(0)
因而,評審工作需要不斷地摸索、認真地總結(jié)和及時地改進,這樣,才能使有限的基金發(fā)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(shè)戰(zhàn)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(jié)構(gòu)材料是20世紀中葉發(fā)展起來的一種新興材料。伴隨、天、能源、機械等領(lǐng)域?qū)ζ渌?發(fā)動機及所用高溫結(jié)構(gòu)材料的嚴格需求,高溫結(jié)構(gòu)材料經(jīng)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)等不同的發(fā)展階段,在經(jīng)過半個世紀的努力后,現(xiàn)已初步形成系列,成為結(jié)構(gòu)材料家族中的重要成員。高溫結(jié)構(gòu)材料因其是*發(fā)動機的關(guān)鍵材料,是飛機、火箭、、飛船等所用動力裝置的重要物質(zhì)基礎(chǔ),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(jié)構(gòu)材料研究和開發(fā)取得的成果、經(jīng)驗和積累的資料為基礎(chǔ),通過廣泛收集國內(nèi)外的文獻、資料,經(jīng)過整理、精選、總結(jié),大膽開辟新章,撰寫了這本專著。該書較為系統(tǒng)、全面地論述其中各類材料的組成、原理、制備、性能、應(yīng)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(jié)構(gòu)、新材料應(yīng)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(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)階段的水平、存在的問題和對未來發(fā)展前景的看法。同時,對促進高溫結(jié)構(gòu)的發(fā)展、對*發(fā)動機及*的發(fā)展具有重要影響,對科研、生產(chǎn)、應(yīng)用具有明示作用。
二、
高溫結(jié)構(gòu)材料是當(dāng)今、天、能源、化工、機械、冶金等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料,廣泛用于制造飛機、火箭、、機車、艦船等的動力裝置———發(fā)動機的高溫承力結(jié)構(gòu)件。在結(jié)構(gòu)材料中,高溫結(jié)構(gòu)材料是一個新興發(fā)展起來的重要成員,是適應(yīng)建設(shè)現(xiàn)代化工業(yè)需要,*發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。該材料始終得到世界各國的重視,材料科學(xué)與工程學(xué)科中的重點發(fā)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(yīng)該領(lǐng)域的*發(fā)展需求,推動高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展,提供在該領(lǐng)域中從事*發(fā)動機、新型結(jié)構(gòu)材料的科研、設(shè)計、制造、應(yīng)用、管理、教學(xué)人員,作為專業(yè)基礎(chǔ)參考資料和高等院校專業(yè)課教材。作者在廣泛收集國內(nèi)外相關(guān)文獻、著作、資料、研究成果基礎(chǔ)上,結(jié)合實踐經(jīng)驗,進行歸納、分析、整理、總結(jié)而成。是目前內(nèi)容較為全面、新穎、系統(tǒng)、完整的高溫結(jié)構(gòu)材料專著?!?/p>
本書共分10章,包括概述,輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)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(fù)合材料,*陶瓷基復(fù)合材料,*C/C復(fù)合材料,特種高溫材料、結(jié)構(gòu)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(yīng)用,重點介紹了新型材料、制備新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、應(yīng)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(nèi)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(shù)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(xué)友、同事們,特別是顏鳴皋院士的指導(dǎo),韓雅芳教授的主審,對提高本書質(zhì)量、水平起了重要作用。該書涉及學(xué)科廣泛,作者學(xué)識有限,盡管學(xué)習(xí)、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(fā)動機的推陳出新,特別是天飛行器對發(fā)動機性能要求的不斷提高,伴隨著新設(shè)計、新工藝技術(shù)突飛猛進的發(fā)展,高溫結(jié)構(gòu)材料從高性能結(jié)構(gòu)材料中突顯出來,成為提高*發(fā)動機性能、延長壽命、降低能耗和成本的關(guān)鍵材料。各類新高溫結(jié)構(gòu)材料研究成果層出不窮,逐漸形成體系,對國民經(jīng)濟、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展發(fā)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(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。有資料指出,飛機及發(fā)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(fā)動機、衛(wèi)星、飛船和就難以發(fā)展。
世界各*國家都將高溫結(jié)構(gòu)材料列為高性能結(jié)構(gòu)材料中的重點發(fā)展對象,我國高溫結(jié)構(gòu)材料是根據(jù)國內(nèi)的發(fā)展需求及資源,以滿足天發(fā)動機產(chǎn)品研制、生產(chǎn)所需材料為發(fā)展重點,跟蹤世界新材料的發(fā)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(jié)構(gòu)材料基礎(chǔ)。
三、
高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展與應(yīng)用成為關(guān)注的重點。1929年英、美的、Bedford和Piling等發(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)動機的渦輪葉片,從此即相繼開發(fā)形成的Nimonic合金系列。美國1932年開發(fā)出含Al、Ti的彌散強化鎳基合金K42B,被用作活塞式發(fā)動機的增壓渦輪;1941年研制出HasoyB用于噴氣發(fā)動機;1944年用鈷基HS-23精鑄葉片制出YanKee19A發(fā)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(fā)展隨著新工藝技術(shù)的進步和強化理論的突破,向著適應(yīng)發(fā)動機性能發(fā)展的態(tài)勢發(fā)展,使用溫度及其對應(yīng)的使用性能不斷提高。我國為適應(yīng)發(fā)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(chuàng)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(yīng)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(jié)構(gòu)材料已研制成功IC-6(Ni3Al)定向?qū)蛉~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(fā)展前景,蠕變承熱溫度可達1300℃。
高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 30%Cf/Si3N4 彎曲強度 454MPa,KⅠC達,斷裂功達4770J/m2,顯著優(yōu)于 Si3N4陶瓷,有待解決成型等關(guān)鍵技術(shù)。
根據(jù)國內(nèi)天對發(fā)動機和防熱材料的需求,普遍認為高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)重點發(fā)展高性能高溫合金如單晶合金、粉末合金等;發(fā)展金屬間化合物基合金如TiAl、Ti3Al、Ni3Al、MoSi2;發(fā)展增韌陶瓷基復(fù)合材料如Cf/Si3N4、Cf/SiC復(fù)合材料;*復(fù)合材料如C/C抗氧化復(fù)合材料,Cf/聚酰亞胺復(fù)合材料。金屬基和陶瓷基復(fù)合材料要求發(fā)展組成—結(jié)構(gòu)—成形工藝綜合優(yōu)化的高性能、低成本的高溫結(jié)構(gòu)材料。 天高溫結(jié)構(gòu)材料使用特點與需求天飛行器與不同,工作條件與環(huán)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(shè)計、研制和選用材料時應(yīng)充分考慮其異同。高溫合金的發(fā)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(jié)構(gòu)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(fā)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(jié)構(gòu)材料要求開發(fā)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(fā)動機的發(fā)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(fā)動機和天飛機蒙皮工作溫度已經(jīng)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(guān)系如圖1.2所示,金屬材料、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物及其復(fù)合材料、彌散強化材料均受到使用溫度限制,Si3N4、SiC及其復(fù)合材料在低于1650℃有開發(fā)潛力,抗氧化C/C復(fù)合材料是*具有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧?,正在加 前提下即可設(shè)計確定壓氣機、燃燒室、渦輪的主要性能參數(shù)與典型結(jié)構(gòu)型式,各類零件的選材及其使用溫度、應(yīng)力類型與水平、壽命考核指標(biāo)等,作為材料研制考核的依據(jù),直至發(fā)動機定型、生產(chǎn)。
發(fā)動機的選材特點是在使用溫度下、高應(yīng)力、燃氣環(huán)境下具有長的循環(huán)壽命。如表1.1所列,以推重比10發(fā)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(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)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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