高温合金研究报告

点击量: 发布时间:2017-03-22 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
高温合金是指在760--1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料,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,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。
高温合金
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高温合金的分类
高温合金可以根据材料成型方式、基体元素种类、合金强化类型等来划分:
 
1、根据材料成型方式,高温合金可以分为变形高温合金、铸造高温合金(包含普通精密铸造合金、定向凝固合金、单晶合金等)、粉末冶金高温合金(包含普通粉末冶金高温合金和氧化物弥散强化高温合金ODS);
2、根据基体元素种类,高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等;
 
3、根据合金强化类型,高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。
 
高温合金
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发展趋势
高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力,延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言,单晶叶片将进入实用阶段,定向结晶叶片的综合性能将得到改进。
 
此外,有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片,从而适应提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言,有可能使用氧化物弥散强化的合金,以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能,合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展。
太行发动机
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高温合金的应用
有研究表明,航空发动机用高温合金占高温合金总需求一半以上,此外还广泛应用于电力、汽车、机械等行业中。
 
1、航空发动机
 
航空发动机被称为“工业之花”,是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机,特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能,这几乎是结构材料中最高的性能要求。
 
航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关,高温合金是推动航空发动机发展的最为关键的结构材料。军用航空发动机通常可以用其推重比(推力/重量)综合地评定发动机的水平。提高推重比最直接和最有效的技术措施是提高涡轮前的燃气温度。因此高温合金材料的性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。随着航空装备的不断升级,对航空发动机推重的要求比不断提高,发动机对高性能高温合金材料的依赖越来越大。
 
在现代先进的航空发动机中,高温合金材料用量占发动机总量的40%-60%。在航空发动机上,高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件;此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。
 
2、航天发动机
 
航天发动机中的特殊工作环境要求其使用材料必须受高温、高压、高的温度梯度变化、高动态载荷的考验,因此对材料的综合性能和加工性能提出了很高的要求。高温合金材料已经占据了航天发动机相当大的比重,在发动机中的应用比比例接近总重量的一半,高温合金材料技术的发展直接影响航天发动机研制水平。
 
航天发动机用高温合金原则上都可以采用航空发动机用高温合金,但航天发动机材料除了承受高温冲击外,还有低温(-100℃以下)环境要求。由于高温合金精密铸造工艺限制,过去形状极其复杂的结构件在航天发动机上一直没有真正加以应用。随着工艺的进步,航天发动机上的许多关键热部件都采用了无余量整体精密铸造高温合金精铸件,简化了发动机结构,降低发动机重量,减少了焊接部分,缩短研制和生产周期,降低研制和生产成本,提高发动机可靠性。随着航天发动机技术的进步,航天发动机用高温合金逐渐呈现出复杂化、薄壁化、复合化、多位一体、无余量的趋势。典型的有涡轮转子、导向器、泵壳体等。
 
我国的“长征”系列火箭以及“神舟”系列飞船,发动机的核心部分都采用了高温合金材料。目前,航天领域使用的液氧煤油和液氧液氢航天运载发动机、小型涡喷涡扇发动机已经定型,并开始批量生产,国内对航天用高温合金母合金和精铸件的需求也在不断增长,进入一个新的增长期。
 
高温合金
3、民用工业高温合金的应用
 
随着工业化的推进,工业向高端、大型化发展,高温合金在民用工业中的需求也日益增长。高温合金也是舰船、火车、汽车涡轮增压器叶片及各类工业燃机叶片的优选材料;铁路运输的高速化、造船业的高品质要求(特别是出口造船)、舰艇动力的高效要求、工业燃机应用的高速发展等急需高性能的高温合金母合金。目前,国内民用工业高温合金占高温合金总需求的20%,而美国50%的高温合金应用于民用工业领域。
 
4、核电与其它领域的高温合金应用
 
核电工业使用的高温合金包括: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。例如,燃料元件包壳管的管壁在工作时需承受600-800℃的高温,需要较高的蠕变强度,因此大量采用高温合金材料。
 
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。在玻璃工业中应用的高温合金零件多达十几种,如:生产玻璃棉的离心头和火焰喷吹坩埚,平板玻璃生产用的转向辊拉管机大轴、端头和通气管、玻璃炉窑的料道、闸板、马弗套、料碗和电极棒等。冶金工业的轧钢厂加热炉的垫块、线材连轧导板和高温炉热电偶保护套管等。医疗器械领域的人工关节等。
 
高温合金生产用关键设备 真空炉
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国内高温合金市场情况
高温合金行业的细分领域和主要参与者:
 
在潜在竞争者方面,高温合金行业的高壁垒特性使试图进入这个行业的企业望而却步。
 
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高温合金下游市场分析
1、军用航空发动机
 
根据美国国防部预测的数据,预计未来20年中国战斗机新增量将达到1430架、军用大飞机1500架、教练机500架,合计对高温合金需求量将达到5.7万吨。另外,现有军机的维护和修理折算成发动机所需数量为2000台,对应的高温合金需求量达到1万吨左右。因此军用领域对高温合金的需求将达到6.7万吨。
 
未来20年我国军用机领域对高温合金需求预测
2、燃气轮机领域
 
燃气轮机是高温合金的另一个主要用途,其结构及原理与航空发动机类似。由于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。
 
我国目前大约只有10艘主力舰艇使用燃气机。未来,我国海军有望形成3大近海舰队和若干航母编队的作战体系,预计将新增驱逐舰及护卫舰97 艘左右,中小型舰艇200艘左右,预计对高温合金的需求量约为3.3万吨左右。
 
我国舰船燃气轮机对高温合金需求预测
3、汽车涡轮增压器
 
2015年我国新售乘用车中涡轮增压的配置率在31%左右,预计到2020年,我国乘用车涡轮增压比例将高达47%。涡轮增压汽车将从2015年的750万辆增至到2025年2300万辆,期间累计高温合金总需求10.6万吨,市值超200亿元。
2015-2025年我国汽车涡轮增压器高温合金需求预测
4、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。
 
根据钢研高纳2009 年招股说明书,2010-2020 十年间我国核电装机容量新增2300千瓦,在建1800万千瓦。对应高温合金需求6000吨,价值24亿元。
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