所謂高溫合金,即能在600℃以上高溫及一定應力作用下長(cháng)期工作的一類(lèi)合金。高溫合金材料相比于傳統金屬,在性能上具有高溫高強;良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能;良好的抗疲勞性能、斷裂韌性、良好的彈塑性。
高溫合金大體上有三種劃分方式:根據基體元素種類(lèi)、根據合金強化類(lèi)型和根據材料成型方式。
高溫合金產(chǎn)品以非標準化為主,因此生產(chǎn)工藝較為復雜,但基本可以可分為三個(gè)步驟:熔煉、鑄造和熱加工,粉末冶金工業(yè)則將鑄造工藝替代為熱壓。
高溫合金憑借優(yōu)異的抗氧化和抗熱腐蝕性能在航空發(fā)動(dòng)機、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機、燃氣輪機、核電、石油化工等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應用。
在眾多應用領(lǐng)域中,航空航天仍然占據重要地位,占需求總量的55%,其次是電力行業(yè),占比達20%。
高溫合金從誕生起就應用于航空發(fā)動(dòng)機,在現代航空發(fā)動(dòng)機中,高溫合金材料主要用于四大熱端部件:燃燒室、導向室、渦輪葉片和渦輪盤(pán),此外還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
高溫合金材料的用量占發(fā)動(dòng)機總重量的40-60%,在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機中這一比例超過(guò)50%甚至更多。
2016 年7 月11 日,波音在范保羅航展首日發(fā)布版 《當前市場(chǎng)展望》,預測未來(lái)20 年全球需要39,620 架新飛機,該數字較去年預測增加4.1%。
由于不同機型的發(fā)動(dòng)機所需的高溫合金占比不同,根據測算,未來(lái)二十年全球民航各類(lèi)型新機航空發(fā)動(dòng)機,對高溫合金的總需求為42.7 萬(wàn)噸。
我國民航發(fā)動(dòng)機市場(chǎng)也十分廣闊,根據波音預測,到2032 年,中國新增的飛機數量超過(guò)5580架,預計我國民用航空對高溫合金的需求量將超過(guò)3.8萬(wàn)噸。
根據美國國防部預測的數據,預計未來(lái)20年中國戰斗機新增量將達到1430架、軍用大飛機1500架、教練機500架,合計對高溫合金需求量將達到5.7萬(wàn)噸。
另外,現有軍機的維護和修理折算成發(fā)動(dòng)機所需數量為2000臺,對應的高溫合金需求量達到1萬(wàn)噸左右。因此軍用領(lǐng)域對高溫合金的需求將達到6.7萬(wàn)噸。
燃氣輪機是高溫合金的另一個(gè)主要用途,其結構及原理與航空發(fā)動(dòng)機類(lèi)似。由于燃氣輪機噴射到葉輪上的氣體溫度高達1300℃,因此葉輪需要用高溫合金來(lái)制造。
燃氣輪機的應用分為發(fā)電用燃氣輪機領(lǐng)域和艦船用燃氣輪機領(lǐng)域,主要以后者為主,在軍用領(lǐng)域,有75%以上的海軍主力艦艇采用燃機動(dòng)力。
對于全球燃氣輪機高溫合金市場(chǎng)而言,據羅羅2013年預測,未來(lái)二十年,作為艦船動(dòng)力的燃氣輪機的市場(chǎng)需求達到2700億美元,相應的服務(wù)需求達1250億美元,市場(chǎng)空間廣闊。
我國目前大約只有10艘主力艦艇使用燃氣機,國產(chǎn)艦船用燃氣輪機的技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。我國海軍有望形成3大近海艦隊和若干航母編隊的作戰體系,預計將新增驅逐艦及護衛艦97艘左右,中小型艦艇200艘左右,預計對高溫合金的需求量約為3.3萬(wàn)噸左右。
汽車(chē)廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應用領(lǐng)域。目前,我國渦輪增壓器生產(chǎn)廠(chǎng)家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪,它和渦輪軸、壓氣機葉輪共同組成一個(gè)轉子。
據 cnii報道,2015年我國新售乘用車(chē)中渦輪增壓的配置率在31%左右,預計到2020年,我國乘用車(chē)渦輪增壓比例將高達47%。渦輪增壓汽車(chē)將從2015年的750萬(wàn)輛增至到2025年2300萬(wàn)輛,期間累計高溫合金總需求10.6萬(wàn)噸,市值超200億元。
核電用高溫合金包括:燃料元件包殼材料、結構材料和燃料棒定位格架,高溫氣體爐熱交換器等,均是其他材料難以代替的。
根據鋼研高納2009 年招股說(shuō)明書(shū),2010-2020 十年間我國核電裝機容量新增2300千瓦,在建1800萬(wàn)千瓦。對應高溫合金需求6000噸,價(jià)值24億元。
目前,每年全球對高溫合金材料的消費將近28萬(wàn)噸,市場(chǎng)規模達到100億美元。全球范圍內能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)不超過(guò)50家,主要集中在美、俄、英、法、德、日等國。
我國高溫合金的研發(fā)起步于20世紀60年代,形成的合金體系,并且取得了明顯的進(jìn)步,到目前已經(jīng)成立了眾多的生產(chǎn)和科研單位,并已具備變形高溫合金、鑄造高溫合金的生產(chǎn)基地與高端高溫合金材料的生產(chǎn)研發(fā)基地。