高温合金是可以在 600℃以上的高温环境中长期工作的材料,其主要特性有三点:
参考观研天下发布《2018-2023年中国高温合金行业竞争现状与投资机遇分析报告》
1,在高温下可以保持一定的强度和韧性;2,性能稳定,耐腐蚀,抗氧化;3,金属热膨胀系数小。按照主要成分,高温合金可以分为铁基、镍基和钴基。铁基高温合金的最高工作温度较低(最高800℃),而钴价格太高(最高使用温度1100℃),所以目前镍基高温合金的应用最广(最高使用温度1150℃)。
按照加工和生产工艺,高温合金又可以分为变形高温合金、铸造高温合金、新型高温合金。变形高温合金可进行热冷变形加工,具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标,具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能。铸造高温合金是可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金,新型高温合金包括粉末高温合金、ODS合金、金属间化合物、高温金属自润滑材料等品种。
表:高温合金简介
高温合金广泛应用于航空航天产业、电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域,航空航天和电力是高温合金的主要下游(超过70%)。除航空发动机、舰船燃气轮机外,高温合金还广泛应用于航天发动机、燃气发电轮机、汽车涡轮增压、核电、石油化工、冶金、纺织、玻璃制造等众多民用领域。
图:高温合金在众多领域发挥着不可替代的关键作用
高温合金从诞生起就用于航空发动机,在现代航空发动机中,高温合金材料的用量占发动机总重量的40%~60%,主要用于四大热端部件:燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘,此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。发动机的进步主要决定于其推重比指标,而要使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下获得高性能,主要的措施是采用更高的燃气温度。涡轮进口温度每提高100℃,航空发动机的推重比能提高10%左右。目前,国外现役最先进第四代推重比10 一级发动机的涡轮进口平均温度已经达到了1600℃左右,预计未来新一代战斗机发动机的涡轮进口温度有望达到1800℃左右。
燃气轮机是高温合金的另一个主要用途,轻型燃气轮机分主要用于电力调峰、船舶动力。重型燃气轮机为工业型燃机主要用于联合循环发电、热电联产。燃气轮机喷射到叶轮上的气体温度高达1300℃,因此叶轮需要用高温合金来制造。目前我国每年花费在进口涡轮叶片备件上就达上亿美元。国内燃气轮机发展前景为高温合金的使用提供了巨大的空间。图:高温合金在航空航天发动机上热端应用
图:高温合金在燃气轮机上的应用
表:高温合金主要下游及应用部位
目前国内从事高温合金研究生产企业主要有两类,一类是特钢企业,目前仅有抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢三家拥有高温合金产能及产量,这也是是我国军工用钢老牌三大巨头。三家均以变形高温合金为主要产品,特点是依托生产设备齐全、拥有大规模熔炼能力的优势,提供大规模基础产品。另一类是研究院转型企业,要包括钢研总院(钢研高纳)、北京航空材料研究院、中科院金属研究所(中科三耐)。科研机构其研究实力,以制造难度更大的铸造高温合金、新型高温合金为主,主要供应航空航天、海军等军工领域需求。
表:国内高温合金主要企业
国内从事高温合金的三家企业,中科院沈阳金属所主要偏向于基础理论研究,产业化能力有限。中航工业北京航空材料研究院在铸造单晶方面,实力较强,但在变形高温合金及粉末合金方面钢研高纳有其独到之处,在国外高温合金中70~85%比重是变形合金。公司在国内高温合金材料供应领域具有较强优势。
下游国产化加速,高温合金产品需求不是问题在整体需求方面, 2009 年我国高温合金材料年生产量约1万吨左右,需求可达2万吨以上。到2013年,这一市场的供给并未有太大改变,但需求已增长至3万吨的水平,国产与进口量占比均为50%。截止2016年,国内高温合金的产量已达2万吨左右。
航空航天发动机和燃气轮机占高温合金需求80%以上,随着航空航天发动机和燃气轮机国产化加速,我国对高档高温合金的需求将会出现持续快速增长。
航空航天发动机:太行发动机已经开始稳定量产
我国从上世纪60年代开始发展国产航空发动机,历经坎坷,已经从最早的涡喷-5、涡喷-14“昆仑”发动机,到仿制的涡扇9(秦岭)发动机,发展到目前的涡扇10(太行)发动机,取得了巨大的进步。涡扇发动机是在涡喷发动机基础上发展而成,现在多数飞机采用涡扇作为动力来源。
表:我国军用航空发动机生产情况
图:我国三大军用发动机
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