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工业皇冠上的明珠---高温合金材料

2023-10-12 15:55:24

 

高温合金是指以铁、镍、钴为基体元素,与其他金属或非金属元素熔合而成的,在600-1,200℃的超高温及应力作用下,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,因此又被称为“超合金”,主要应用于航空航天领域和能源领域。


 

常规的合金材料通常应用于工业机械、石油化工等领域,而高温合金由于能够适应高压、高温、高强度等恶劣工作条件,并具备高性能、长寿命、高可靠性等特点,因而多应用于航空航天、燃气轮机、导弹等高端装备领域。


粉末合金工具钢


高温合金的分类


根据基体元素的不同,高温合金可分为:


铁基高温材料:主要由铁、铬、钨、钼等元素组成,具有高温下的强度和耐腐蚀性,适用于高温下的汽车发动机等领域。


镍基高温材料:主要由镍、铬、钼等元素组成,具有较高的抗氧化性和耐腐蚀性,适用于高温下的航空航天、石化、核反应堆等领域。


钴基高温材料:主要由钴、铬、钨、镍等元素组成,具有较高的抗氧化性和耐腐蚀性,适用于高温下的航空发动机、燃气轮发动机等领域。



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按合金成型工艺又可分为:


变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金等。


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高温合金主要用于航空航天、燃气轮机等高端制造领域,具有很强的战略价值及商业价值,欧美俄等发达国家的重点企业已在高温合金领域进行了几十年的研究,并对于核心制备技术进行严格保密。目前,我国已经实现了从无到有的突破,但仍存在较多问题,包括部分关键技术尚未实现突破、重要材料依赖进口、缺乏自主研制的先进设备等。总体来看,我国的高温合金行业从产业到技术等各方面较国际先进水平仍存在较大差距。



高温合金市场分析


高温合金及高性能合金行业技术水平要求很高,具有较高的综合性进入壁垒,国内外竞争格局较为稳定。海外高温合金产业呈现明显的寡头垄断结构,全球从事高温合金材料的制造商不到 50 家,主要分布在美、英、德、法、俄、日等国。



(1)国际因科合金公司(Inco Alloys International),美国企业,主要业务是冶炼、棒材、板材。


(2)汉因斯.司泰特公司(Haynes Stellite),美国企业,主要业务是冶炼、板材。


(3)卡本特公司(Carpenter) 美国企业,主要业务是冶炼、棒材。


(4)VDM Metals德国企业,主要业务是冶炼、板材。


(5)Allegheny Technologies Inc.(ATI),阿勒格尼技术公司,美国企业,主要业务是冶炼、棒材、板材、锻造。


(6)Wyman Gordon(PCC 子公司) 精密机件公司,美国企业,主要业务是冶炼、棒材、板材、锻件、铸件。


(7)豪梅特公司(Howmet Aerospace Inc),美国企业,主要业务是铸件。


(8)佳能-穆斯克贡公司(Cannon-Muskegon),美国企业,主要业务是单晶合金。


(9)马丁-马丽塔公司(Martin Marietta),美国企业,主要业务是机械合金化。


(10)奥伯杜瓦(Aubert & Duval),法国企业,主要业务是锻件、粉末合金、单晶合金。


    

由于高温合金的战略属性及其与重点行业和关键设备的发展的相关性,西方国家出于国防安全以及国家竞争地位的考虑,对我国部分高温合金产品及牌号实行封锁,同时包括航空航天在内的许多高端制造领域对原材料国产化率要求较高,当前国内高温合金企业的产能产量主要以满足内部需求为主,与海外龙头的竞争较少。 





高温合金的应用

     

高温合金全球市场持续成长,中国成为主要增量市场。我国高温合金市场中,变形高温合金和镍基高温合金占比最大,根据制造工艺,变形高温合金约占整个高温合金市场 70%左右,其次是铸造高温合金(20%)和粉末高温合金(10%);根据合金基体元素,镍基高温合金占比达 80%左右,镍-铁高温合金和钴基高温合金 占比分别约为 14%和 6%。


     

高温合金第一大应用场景是航空航天领域,需求份额占比为 55%。高温合金材料是航天航空发动机的重要制造原材料,主要应用于发动机的燃烧室、导向器、涡轮叶片、涡轮盘、尾喷口及机匣等部件。其次,高温合金具备耐高温、耐腐蚀等优良性能,也被广泛应用于燃气轮机、石油化工、工业和汽车领域等场景。


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1)航空发动机

  

高温合金从诞生起就应用于航空发动机,在现代航空发动机中,高温合金材料主要用于四大热端部件:燃烧室、导向室、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。



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2) 汽车涡轮增压器


汽车废气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。目前,我国涡轮增压器生产厂家所采用的涡轮叶轮多为镍基高温合金涡轮叶轮,它和涡轮轴、压气机叶轮共同组成一个转子。根据每万辆汽车涡轮增压器高温合金用量约为 3.5 吨,2021 年汽车生产行业需要高温合金材料约 9128.7 吨,市场规模约为 18.3 亿元。考虑到未来汽车数量和我国装配率的提高,假设未来年均增长率为5%,预计到 2030 年我国汽车市场对高温合金材料的需求总计约为 10.6 万吨。




3)核电领域


核电用高温合金包括:燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格架,高温气体炉热交换器等,均是其他材料难以代替的。

  

世界核能协会发布的核燃料报告预测, 全球核电装机容量预计将以年 2.6%的速度增长,到 2040 年全球核电装机容量将达到 61500 万千瓦,且装机容量增长将主要来自中国、俄罗斯等国家。2022 年 1 月,随着福清核电站 6 号机组并网发电,我国大陆并网核电机组达到 53 台,总装机容量 5463.695 万千瓦,仅次于美国与法国,位居世界第三位。国家能源局预计,我国核电装机规模将在 2030 年达到 1.2 亿~1.5 亿千瓦,因此估计截至 2030 年 我国还将新建设完成约 8000 万千瓦的核电机组。每座 60 万千瓦核电站约需高温合金材料 600 吨,以此计算,共需高温合金材料约为 80000 吨,考虑到核电站建设国产率约为 80%,预计未来平均每年高温合金国内需求量约 为 7111 吨。




4)其他领域    

高温合金材料在玻璃制造、冶金、医疗器械等领域也有着广泛的用途。



<PM-HIP热等静压粉末合金材料专家>

深圳宝得金新材料科技有限公司


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来源:文章内容来源于《高温合金行业专题报告》,本文仅做分享


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