高溫合金的那些事
高溫合金是能夠在 600-1200℃高溫和一定應力負荷條件下長期服役的金屬材料。高溫合金領域經過半個多世紀的發(fā)展，已經從傳統(tǒng)意義上的鐵、鎳、鈷基等高溫合金，融合粉末冶金等新型工藝，拓展到粉末高溫合金、ODS、金屬間化合物等新型的高溫金屬材料。
熔煉、鑄錠、熱加工是高溫合金的主要工藝流程。高溫合金的工藝流程與鑄造方法、產品種類等有密切關系，鑄造方法和種類不同其工藝也不盡相同，但總的工藝分為三個部分：熔煉、鑄錠、熱加工。不同的工藝將對合金的成分和組織結構產生很大的影響，從而影響合金的綜合性能。新工藝的發(fā)展往往會使合金性能達到一個新的高度。
國際高溫合金發(fā)展歷程：技術創(chuàng)新推動合金性能多元化發(fā)展。高溫合金的研制在國際上主要在德國、英國、美國、日本、俄羅斯等國家之間展開。高溫合金的適用工作溫度越來越高是其國際發(fā)展的重要特征，從早期不到 800℃到如今工作溫度達到 1700℃。從變形高溫合金、鑄造高溫合金到新型高溫合金 ODS 等，特別對于航空發(fā)動機而言，定向凝固等技術的發(fā)展使其性能不斷提高。
中國高溫合金發(fā)展歷程：從仿制蘇聯(lián)歐美再到中國自主創(chuàng)新。我國的高溫合金發(fā)展可分為三個階段：第一階段是指從1956年至1970年，這是我國高溫合金的開始和起步階段，在蘇聯(lián)專家的指導下研制出第一種高溫合金（GH3030），拉開了我國研制和生產的序幕。這個階段主要仿制前蘇聯(lián)高溫合金，例如 GH4033、GH4037 系列的和 K403、K406 等，與此同時還自主開發(fā)了一批新合金；第二階段是指 20 世紀 70 年代到 90 年代中期這段時間，這是我國高溫合金的提高階段。試制和生產一些仿歐美型號的航空發(fā)動機，引進了一系列歐美體系的合金。這一階段將傳統(tǒng)的工藝同西方的先進工藝相融合；第三階段是從 20世紀 90 年代中至今，這是我國高溫合金快速發(fā)展的階段。該階段我國自主開發(fā)出一系列新工藝，研制出一批具有高性能、高檔次的新型高溫合金。
國產技術方面高速發(fā)展但離國際水平仍存在一定差距。我國高溫合金經歷了仿制、仿創(chuàng)結合和獨創(chuàng)的發(fā)展過程，國外以制造商各自形成標準體系，而我國則以合金成型方式、基體元素和強化方式的順序構建了完整體系，形成了國家統(tǒng)一標準。雖然我國經過 60 多年的發(fā)展，高溫合金領域已有完整體系，但與美國、英國等國仍然在多方面存在差距。
國內企業(yè)突破技術瓶頸，為國產化替代奠定堅實基礎。為了打破國外對我國高溫合金產業(yè)的技術封鎖和壟斷，我國多家公司著手于高性能高溫合金的工程化研究，并在近幾年取得可觀成果。例如：圖南股份的高溫合金真空澆鑄技術、高溫合金真空冶煉復合脫 S 工藝技術等。以這些技術為基礎的產品性能和組織已達到國內先進水平，具備替代進口產品的基礎。
當前高溫合金進口占比約 50%，國產替代進口為大勢所趨。根據中投顧問《2018-2022中國高溫合金產業(yè)投資分析及前景預測報告》，目前國內軍用航空發(fā)動機高溫合金約有 40%依賴進口，全行業(yè)進口依賴度將近 50%，而受《瓦森納協(xié)定》制約，我國無法實現高溫合金材料的直接進口，只能進口相關產品，無論是政府還是高溫合金企業(yè)都迫切想要擺脫“卡脖子”問題?！笆濉逼陂g，我國全面啟動實施航空發(fā)動機和燃氣輪機重大專項（“兩機專項”），突破“兩機”關鍵技術，推動大型客機發(fā)動機、先進直升機發(fā)動機、重型燃氣輪機等產品研制。隨著我國未來航空航天國產化趨勢加速，高溫合金未來存在巨大的替代空間。
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航空航天領域占下游需求比例約為 55%，是高溫合金最主要的應用領域。當前高溫合金下游應用中，航空航天占比 55%，電力工業(yè)占比 20%。高溫合金是制造航空航天發(fā)動機熱端部件、工業(yè)燃氣輪機、能源、交通、石油化工等高溫耐蝕部件的軍、民兩用合金。
在軍品高溫合金方面，航空發(fā)動機占比最高且未來有望帶來明顯增量。航空發(fā)動機是 軍品高溫合金最重要的應用領域，當前每年需求量在 1 萬噸左右。航空發(fā)動機材料冷端以 鈦為主、熱端以鎳基高溫合金為主。在新型的先進航空發(fā)動機中，高溫合金用量約占發(fā)動 機總重量的 60%，主要用于燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件，此外還用 于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。隨著我國軍機升級換代加速，我們預計軍用 航發(fā)領域將是未來 5 年內高溫合金最主要的需求增量拉動來源。
在民品高溫合金方面，核電領域未來有望帶來明顯增量。核工業(yè)用高溫合金主要用在水堆蒸汽發(fā)生器傳熱管、元件格架和壓緊彈簧等，以及高溫氣冷堆和部分快堆的過熱器與再熱器傳熱管等零部件。隨著我國核電領域機組建設加速，預計在未來 5 年，核電高溫合金需求規(guī)模有望迎來放量增長期，成為民品高溫合金的重要增量動力。
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