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高温合金的那些事

* 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2021-01-07 9:37:41 * 浏览: 185

  高温合金的那些事

  高温合金是能够在 600-1200℃高温和一定应力负荷条件下长期服役的金属材料。高温合金领域经过半个多世纪的发展,已经从传统意义上的铁、镍、钴基等高温合金,融合粉末冶金等新型工艺,拓展到粉末高温合金、ODS、金属间化合物等新型的高温金属材料。

  熔炼、铸锭、热加工是高温合金的主要工艺流程。高温合金的工艺流程与铸造方法、产品种类等有密切关系,铸造方法和种类不同其工艺也不尽相同,但总的工艺分为三个部分:熔炼、铸锭、热加工。不同的工艺将对合金的成分和组织结构产生很大的影响,从而影响合金的综合性能。新工艺的发展往往会使合金性能达到一个新的高度。

  国际高温合金发展历程:技术创新推动合金性能多元化发展。高温合金的研制在国际上主要在德国、英国、美国、日本、俄罗斯等国家之间展开。高温合金的适用工作温度越来越高是其国际发展的重要特征,从早期不到 800℃到如今工作温度达到 1700℃。从变形高温合金、铸造高温合金到新型高温合金 ODS 等,特别对于航空发动机而言,定向凝固等技术的发展使其性能不断提高。

  中国高温合金发展历程:从仿制苏联欧美再到中国自主创新。我国的高温合金发展可分为三个阶段:第一阶段是指从1956年至1970年,这是我国高温合金的开始和起步阶段,在苏联专家的指导下研制出第一种高温合金(GH3030),拉开了我国研制和生产的序幕。这个阶段主要仿制前苏联高温合金,例如 GH4033、GH4037 系列的和 K403、K406 等,与此同时还自主开发了一批新合金;第二阶段是指 20 世纪 70 年代到 90 年代中期这段时间,这是我国高温合金的提高阶段。试制和生产一些仿欧美型号的航空发动机,引进了一系列欧美体系的合金。这一阶段将传统的工艺同西方的先进工艺相融合;第三阶段是从 20世纪 90 年代中至今,这是我国高温合金快速发展的阶段。该阶段我国自主开发出一系列新工艺,研制出一批具有高性能、高档次的新型高温合金。

  国产技术方面高速发展但离国际水平仍存在一定差距。我国高温合金经历了仿制、仿创结合和独创的发展过程,国外以制造商各自形成标准体系,而我国则以合金成型方式、基体元素和强化方式的顺序构建了完整体系,形成了国家统一标准。虽然我国经过 60 多年的发展,高温合金领域已有完整体系,但与美国、英国等国仍然在多方面存在差距。

  国内企业突破技术瓶颈,为国产化替代奠定坚实基础。为了打破国外对我国高温合金产业的技术封锁和垄断,我国多家公司着手于高性能高温合金的工程化研究,并在近几年取得可观成果。例如:图南股份的高温合金真空浇铸技术、高温合金真空冶炼复合脱 S 工艺技术等。以这些技术为基础的产品性能和组织已达到国内先进水平,具备替代进口产品的基础。

  当前高温合金进口占比约 50%,国产替代进口为大势所趋。根据中投顾问《2018-2022中国高温合金产业投资分析及前景预测报告》,目前国内军用航空发动机高温合金约有 40%依赖进口,全行业进口依赖度将近 50%,而受《瓦森纳协定》制约,我国无法实现高温合金材料的直接进口,只能进口相关产品,无论是政府还是高温合金企业都迫切想要摆脱“卡脖子”问题。“十三五”期间,我国全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项(“两机专项”),突破“两机”关键技术,推动大型客机发动机、先进直升机发动机、重型燃气轮机等产品研制。随着我国未来航空航天国产化趋势加速,高温合金未来存在巨大的替代空间。

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  航空航天领域占下游需求比例约为 55%,是高温合金最主要的应用领域。当前高温合金下游应用中,航空航天占比 55%,电力工业占比 20%。高温合金是制造航空航天发动机热端部件、工业燃气轮机、能源、交通、石油化工等高温耐蚀部件的军、民两用合金。

  在军品高温合金方面,航空发动机占比最高且未来有望带来明显增量。航空发动机是 军品高温合金最重要的应用领域,当前每年需求量在 1 万吨左右。航空发动机材料冷端以 钛为主、热端以镍基高温合金为主。在新型的先进航空发动机中,高温合金用量约占发动 机总重量的 60%,主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件,此外还用 于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。随着我国军机升级换代加速,我们预计军用 航发领域将是未来 5 年内高温合金最主要的需求增量拉动来源。

  在民品高温合金方面,核电领域未来有望带来明显增量。核工业用高温合金主要用在水堆蒸汽发生器传热管、元件格架和压紧弹簧等,以及高温气冷堆和部分快堆的过热器与再热器传热管等零部件。随着我国核电领域机组建设加速,预计在未来 5 年,核电高温合金需求规模有望迎来放量增长期,成为民品高温合金的重要增量动力。