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      高溫合金行業現狀及方向

      作者: 來源: 日期:2019-7-2 14:48:48

             高溫合金通常是指能在600℃以上的高溫下及一定的應力作用下長期工作,具有抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變等性能的一類合金材料,其特性不是強調耐受高溫度,而關鍵在于使用溫度下所具有的高強度、高硬度和高穩定性。高溫合金通常含有30-40種元素以上,但多以鐵、鈷、鎳為基礎元素。近年來,高溫合金材料能較大提升航空航天用發動機的性能,因此市場容量穩健增長。

             高溫合金的分類

            高溫合金按基礎元素、成型工藝和強化方式大體可分為三類(括號內為合金材料應用范圍的占比)。按合金所包含的基礎元素為維度進行劃分:分為鐵基高溫合金(占14.3%)、鈷基高溫合金(占5.7%)和鎳基高溫合金(占80%);按合金制造工藝為維度進行劃分:分為變形高溫合金(占70%)、鑄造高溫合金(占20%)和新型高溫合金(粉末高溫合金);按合金強化方式為維度進行劃分:分為固溶強化型、沉淀強化型、氧化物彌散強化型和晶界強化型。


      各類高溫合金的分類及特性


      高溫合金的應用領域

      高溫合金軍工應用占比八成,航空航天是主要需求力量。高溫合金因兼具高溫和高強度等突出性能,故廣泛應用于軍用航空、航天發動機、艦船和工業用燃氣輪機的核心熱端部件。

      高溫合金是先進航空發動機的主體材料。渦輪風扇發動機(渦扇發動機)是目前航空發動機的主要類型,高溫合金主要應用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端零部件以及機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件,其中壓氣機葉片和渦輪盤主要使用變形高溫合金,渦輪葉片主要使用鑄造高溫合金。航空發動機中高溫合金的使用量占比在50%以上。

      高溫合金是艦船燃氣輪機重要的結構材料。燃氣輪機的結構形式與飛機的噴氣式發動機相類似,其構造主要由空氣壓縮機(壓氣機)、燃燒室、葉輪系統(渦輪機)及回熱裝置。高溫合金主要應用在燃燒室和渦輪葉片上,且與航空高溫合金葉片相比,燃氣輪機用高溫合金的性能要求更嚴苛。

      高溫合金在航天發動機中占據較大比重。航天發動機主要由固體火箭發動機和液體火箭發動機構成,液體火箭發動機是彈道導彈、運載火箭和航天器的主要動力裝置,具有比固體火箭發動機易控制、可重復運動等優勢,因此應用較廣泛。液體火箭發動機主要由燃燒室和噴管、渦輪泵、活門自動器等三大部分組成,燃燒室和渦輪泵因所處工作環境溫度較高,故需要采用高溫合金材料。


      高溫合金市場容量

      從全球范圍看,據Roskill數據統計,2012年全球高溫合金總消費量約為28萬噸,占鋼鐵總消費量的0.02%,占比很小,但市場規模約達100億美元。高溫合金均價約1.6萬美元/噸,高端產品價格可達兩倍以上,遠高于不銹鋼和粗鋼的價格。

      從國內范圍看,2013年高溫合金的供給量約1萬噸,需求量約3萬噸,截止2016年,供給量約2萬噸;在2009年國內高端高溫合金的需求量約3000噸,假設每年按15%的速度增長,2018年高端高溫合金的市場需求將達1萬噸以上。


      國內高溫合金的市場格局

      高溫合金市場格局主要分為科研單位和材料生產商兩類。主要科研單位10家;母合金生產商9家,其中5家公司上市;鍛件熱加工廠9家,4家上市公司;高溫合金生產商9家,5家上市公司;其下游即軍工分系統及總裝環節應用,涉及航空、航天、航海等領域。如下圖所示,鋼研高納與萬澤股份同時具有研發、生產和銷售部分(萬澤股份科研單位為萬澤中南研究院)。鋼研高納、煉石有色、萬澤股份、中科三耐等四家上市公司涵蓋從母合金生產到高溫合金零部件制造整個完整產業鏈,煉石有色還包括分系統與總裝環節。撫順特鋼主要從事母合金生產,應流股份主要從事高溫合金零部件鑄造。


      國內高溫合金市場格局

      鎳基單晶高溫合金是主流發展趨勢

      近年來,為提高航空發動機的高推重比,一直著重于研發新型材料來提高渦輪前溫度,渦輪前溫度每提高100卡,推力將增加15%,因此材料的性能直接影響發動機的性能。鎳基單晶高溫合金因耐溫能力更強,因此廣受關注。將單晶高溫合金按代數進行劃分,國外一些國家已經發展至第五代,而國內目前正著手于第三代單晶高溫合金的研制(殲20將成為我國第一個使用第三代單晶高溫合金發動機的機型),相比世界水平較為落后,未來將是我國攻克的重點。


      隨著航空航天領域的發展,高溫合金的需求穩健增長,其中鎳基單晶高溫合金將會是主流的發展的趨勢,盡管目前軍用領域的占比較大,但高溫合金領域難題的不斷攻克,未來民用領域的應用熱潮將會值得期待。


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