高温合金行业发展概况

1、高温合金行业发展概况 作者：张怿凯   来源：国泰君安证券 一、行业基本情况1、高温合金定义及分类（1）高温合金定义高温合金，又称为超合金（Superalloys），是能在600°C以上高温以及一定应力作用环境下长期工作的高温结构材料，具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温等性能。高温合金是航空发动机、工业燃气轮机中重要热端部件材料，在核电、交通运输、石油化工、冶金等行业有重要的应用。在现代航空工业发展中，高温合金处于不可替代的位置，其规模与发展程度直接决定了航空装备的发展水平。材料是新技术的物质基础和先导，高温合金材料是我国先进装备制造业的基石，

2、对整个国民经济和国防安全具有至关重要的作用。（2）高温合金分类高温合金的分类方式有很多，可以按照制造工艺、基体元素、强化方式等进行分类。按照制造工艺划分可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金、发散冷却高温合金等；按照基体元素种类可以分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金等；按照强化方式可以分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金、氧化物弥散强化高温合金等。2、高温合金主要应用领域高温合金最初主要应用于航空航天领域的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等），但由于其优良的耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等性能，逐渐被应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业

3、领域，从而大大拓展了高温合金材料的应用领域。高温合金的主要应用领域见下图。（1）航空发动机航空发动机是现代工业“皇冠上的明珠”，是高温合金最重要的应用领域，有研究估计其高温合金使用量占全部高温合金总用量的50%以上。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最为关键的结构材料。随着对新型的先进航空发动机推重比的要求不断提高，对高性能高温合金材料的依赖越来越大。航空发动机材料进入冷端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢“三国鼎立”时代。航空发动机材料结构的发展情况（1950年-2010年）见下图。新型的先进航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的40%60%以上，

4、主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘等四大热端部件，此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。（2）核电装备在核电装备制造业中，高温合金材料因其具有的耐高温、耐高强度等优异特性，具有难以替代的作用，主要用于承担核反应工作的核岛内。主要使用高温合金的部件包括燃料机组、控制棒驱动机构、压力容器、蒸发器以及堆内构件、燃料棒定位格架，高温气体炉热交换器等，这些部件在工作时需要承受600800的高温，需要较高的蠕变强度，必须采用高温合金材料。从核电用材料发展历史和趋势分析，由于其工作温度越来越高，核电用材料要求也越来越高，已由低强度钢发展到目前的超高强度钢阶段。从使用材料分析，目前核电用高温合

5、金材料主要以镍基高温合金材料为主，一台百万千瓦级压水堆核电机组需要镍基等高温合金材料600800吨、不锈钢37004200吨。（3）燃气轮机燃气轮机是高温合金的另一个主要应用领域。燃气轮机是一种以空气及燃气为介质的旋转式热力发动机，包括空气压缩机、燃烧室、叶轮系统及回热装置四大装置。燃气轮机主要用于地面发电机组和船舶动力领域，工作环境需要承受高硫燃气和海水盐分的腐蚀，工作寿命要求达到50000-100000小时。涡轮盘在工作时转数接近10000转/分钟，要求材料使用温度达到600以上，因此设备部件材料必须使用具有耐高温、有较高蠕变强度的高温合金材料，目前主要采用镍基高温合金制造。目前，全球使用

6、的工业燃气轮机约50000台，镍基高温合金材料使用量超过5万吨。（4）其他应用除上述航空发动机、核电、燃气轮机等主要的应用领域之外，高温合金以其优异的性能还可以用于航天火箭发动机、汽车涡轮增压发动机、石油化工内燃机、医疗人工关节等领域。二、高温合金发展现状和趋势超纯净、大型化、长寿命、低成本是高温合金行业较为明晰的发展方向。1、国际高温合金材料的发展高温合金研究和应用在第二次世界大战期间进入快速发展期。为满足新型航空发动机的需要，20世纪40年，英国首先研制成第一种具有较高温度的镍基高温合金，美国在同时代研制出钴基合金和镍基合金，用于航空发动机用涡轮增压器叶片和喷气发动机的燃烧室，前苏联与20

7、世纪40年代初开始生产镍基高温合金，我国也从1956年开始进行高温合金的试制。从30年代开始研究使用温度超过600的高温合金材料开始，随着真空冶炼技术和铸造工艺的发展，高温合金在20世纪50年代进入铸造时代，镍基合金作为主要的高温合金得到长足的发展。同期由于高温性能较差和钴资源缺乏，铁基和钴基高温合金发展受到限制，自20世纪60年代以来发展较慢。随着新工艺新技术的不断被应用，从20世纪60年代以后，变形高温合金和铸造高温合金性能不断得到改善。20世纪中期，随着真空冶金工艺技术和精密铸造工艺的出现和发展，高温合金进入了第二个蓬勃发展时期。真空冶金和精密铸造新技术和新工艺的应用进一步提高了高温合金

8、的合金化程度、消除或降低了有害杂质元素和气体含量、精确控制合金的化学成分、生产出更复杂形状的铸件成为可能。一大批性能更为优越、生产效率更高的铸造合金，如Waspaloy、U-700、Mar-M、Udimet和Inconel等牌号系列高温合金开始取代变形合金成为复杂形状热端部件的主要制造材料。航空工业的不断进步促进了高温合金的发展，高温合金的技术水平的不断提升为航空工业的进步提供物质保证，冷战时期是高温合金发展最为迅猛的年代，目前国际上发达国家高温合金的发展进入平稳阶段，全球范围内能够生产航空航天用高温合金的企业不超过50家，主要集中在美、英、法、德、俄、日等国，整个行业具有较为明显的寡头特征。

9、在涉及航天航空应用领域的高温合金钢产品，发达国家均视其为战略军事物资，对外进行严密管控。美国作为高温合金生产水平最为先进的国家，年消费量基本稳定在5万吨左右，但其专业化的生产方式一直没有改变，具备代表性的HaynesStelliteCompany、Cannon-MuskegonCorporation、SpecialMetalInC、Allvacuum等公司都是专业生产高温合金的企业，目标集聚，目前用量较大的几个高温合金品种都曾经是上述几个公司的专利产品。产品质量优异，主要向航天、航空、核电、军事等领域供应。美国在高温合金研发以及应用方面一直处于世界领先地位。2、国内高温合金材料的发展我国高温合

10、金从无到有，从仿制到自行开发，从单纯满足任务要求到推动发动机的发展，取得了令人瞩目的成就。由于在初期主要是为军事服务，英、美、苏等军事先进国家在50年代初就建立了各自的高温合金材料生产体系。我国的高温合金体系是以独立自主、自力更生的方针建立起来的，自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，我国的高温合金研究、生产和应用已经经历了将近60年的发展历程。首先是形成了一支实践经验丰富、有一定理论水平的生产和科研队伍；其次是建立了一批装备配套的生产基地；第三是研制成功百余种高温合金，其中半数以上投人批量生产，使我国在世界上继美、英及前苏联之后成为第四个有高温合金体系的国家。改革开放以后，我国逐渐

11、引入了国际先进的技术、理念和生产设备。在高温合金材料体系方面开始逐步借鉴、使用国际先进的质量标准和管理控制。目前中国建立了牌号丰富、产业链健全的高温合金生产体系，几十年中各类高温合金共生产了10万多吨，保证了我国几万台航空发动机及航天火箭发动机生产及发展的需要；也满足了其它民用工业及部分工业燃气轮机的需求。作为第四个有完善高温合金体系的国家，随着国力的提升，上世纪90年代高温合金的发展进入快速上升的轨道，用量逐年提升。但大型民用航空飞机基本以引进为主，国内高温合金使用尚处在少量试产阶段，基本空白。目前国内高温合金的生产企业以国有特钢企业、长期从事高温合金科研工作的部分科研院所所属企业为主，国内

12、高温合金还处在追赶、发展阶段，与中国航空事业的发展同行。随着高温合金应用领域的不断增多，需求量也越来越大；随着科技的进步，目前高温合金产品应用领域越来越大，已开始逐步应用到汽车、冶金、玻璃制造、医学等领域。3、国内外高温合金行业发展差异分析我国高温合金材料的研制和生产已经具有一定的规模和水平，但与西方发达国家相比，还有很大的差距。主要体现在以下三方面：（1）纯净化水平是高温合金冶金技术评价的一个基础表征参数，国内高温合金纯净度与国际先进控制水平差距较大，主要表现在原材料杂质含量控制和高温合金母材冶炼过程控制水平，生产的高温合金制品纯净化水平低，影响高温合金及制品性能的稳定性，降低了使用寿命。（

13、2）在冶炼、铸造和变形加工等工程化制造过程中存在工艺控制差距，影响航空发动机铸造涡轮叶片、大型复杂形状关键部件精铸件的合格率，增加了制造成本，减缓了高温合金产品产业化进程。（3）民用航空发动机、燃气轮机是高温合金使用的重要领域，但国内基本以整机引进为主，国内高温合金试用机会较少，影响国内高温合金产业与国际同行竞争能力。三、高温合金的技术发展1、国际高温合金技术水平（1）高温合金材料纯净化高温合金随着各国航空事业的发展而逐步发展起来，美国、英国、前苏联形成自己完善的高温合金体系，高温合金的纯净化水平是高温合金冶金技术评价的一个基础表征参数，美国高温合金中O、S含量稳定控制小于5PPm,其最好水平

14、的某些合金中O、S、N之和小于10ppm，为其优质高温合金的稳定生产创造了良好条件。航空发动机用铸造高温合金、变形高温合金的关键部件，如多晶、定向、单晶叶片，机匣、涡轮盘等，其综合性能不仅仅取决于合金的名义成分，铸造工艺，重熔、变形工艺、热处理制度，而且还与一次冶炼（primarymelting）合金的纯净度密切相关。对比国内外高温合金的发展，可以发现，我国高温合金材料的体系与国外差距不大，基本满足各类型号的设计要求，但主要差距来自合金和部件的制造技术，其中合金的冶炼技术与国外技术先进国家差距较大。体现在国外发动机用高温合金的主要有害杂质合金中O、S、N之和小于10ppm左右（见下表），实现了

15、一次冶炼合金的超纯净。而我国冶炼高温合金上述三种杂质元素的含量比国外都要高一个数量级。众多实验数据和组织分析显示，国内较高S、O、N的合金，凝固过程会产生严重的凝固偏析，形成硫化物、氧化物、氮化物等有害相，直接影响合金及部件的力学性能，尤其是性能的稳定性。因此，冶炼超纯净合金是国内高温合金界急需关注的重大课题。表.国外某公司的Inconel738LC母合金杂质含量（ppm）炉号CSON炉号CSONV815421322V839432412V819518422V843319212V825615211V845523212V827619212V847921112（2）高温合金精密铸件的大型化随着民用航

16、空工业的发展，大型的航空发动机也随之产生，高温合金大型化的发展也成为必然。国际上，在大型高温合金结构件的精密铸造方面，世界先进水平正朝着应用具有更优异的高温性能和更低成本的合金（比718合金最多高出200的系列高温合金的大型航空或非航空结构件），开发更大型、更复杂部件的方向发展。目前，美国最大可生产直径为2000mm，壁厚1.2mm大型铸件，为发动机的制造提供了强有力的物质保证。2、国内高温合金技术水平（1）高温合金材料纯净化中国从1956年生产第一炉高温合金后，经过60余年的发展逐步形成自己高温合金体系，但由于起步较晚，对于痕量元素的控制与国际先进水平相比尚有差距。我国与西方发达国家高温合金

17、杂质含量控制的主要差距来自于合金真空感应冶炼（VIM）的工艺过程，而不体现在生产设备，因为众多国企和民企已经引进了国际领先的VIM设备。但20多年来，我国高温合金的产业冶炼技术，如VIM冶炼合金用的耐火材料、脱O、脱S、脱N工艺等几乎未产生重大突破。目前国内高温合金O、S含量可以控制小于10ppm，部分合金中O、S、N之和为20ppm，与国际先进水平还有较大的差距，影响我国高温合金进一步的发展。（2）高温合金精密铸件的大型化我国高温合金近净形熔模精密铸造技术是在70年代初期形成的。迄今已经在精密成形理论和原理上出现一些突破，形成了以等轴晶、定向柱晶和单晶凝固结晶特征的叶片近净形熔模精密铸造技术

18、、整体叶盘类控晶铸造技术和中小型复杂薄壁结构件整铸技术，但与国外的工业化技术相比，相差甚远。在大型高温合金结构件方面，无论是在合金设计，部件尺寸及复杂程度，还是在工艺流程，质量管理上，都与世界先进水平存在较大差距。由于铸造设备及铸造工艺的限制，高温合金纯净化的影响，以航空发动机用铸造机匣为例，我国目前最大可生产直径约为1000mm，壁厚小于2.0mm的铸件，且所选的材料为K4169（Inconel718），而在新一代高温合金的铸造方面，则几乎完全是空白。从表象上看，这只是部件尺寸上的差距，但事实上，这是我国航空制造业，特别是航空制造业整体落后的一个缩影。四、行业需求规模1、全球高温合金市场需求

19、规模全球高温合金消费量约为30万吨，主要集中在美国、欧盟、俄罗斯、日本等国家和地区。美国在高温合金应用方面一直处于世界领先地位，高温合金的生产水平也领先同行，年产量约为5万吨。2、国内高温合金市场需求规模国内高温合金市场的需求处于逐步扩大和增长状态，我国现在对于高温合金材料的需求超过2万吨，未来5年的复合增长率预计超过15%，据此估算，到2020年我国对高温合金需求将会超过4万吨。（1）航空发动机根据中航集团公布的2011-2030民用飞机中国市场预测年报，2011-2030年间，中国航空客运、货运周转量的年均增长率将分别达到8.1%和9%，到2030年中国民用客机需新增4583架，其中大型喷

20、气客机3682架、支线飞机901架；而货运机队规模将从目前的87架增至722架。随着国家低空开放政策的出台和经济的快速发展，用于应对突发事件、抢险救灾、空中紧急医疗救护、消防救援等的我国通用航空市场开始繁荣，对应的需求日益迫切。根据中国科协、中国航空学会、通用航空专家委员会的市场预测，到2020年我国将需要新增通用飞机10000架，年均复合增长率超过20%，成为继干线飞机、支线飞机之外的又一大朝阳产业。据估计，我国目前有各类大中型战斗机3000架左右。空军是我国军事力量的重要组成部分，在国家安全战略全局中具有举足轻重的地位和作用。随着第三代战斗机的大规模换装，第四代战斗机的批量生产，预计未来1

21、0年用于战斗机的支出也将不断增长。根据上述估算，预计未来10年我国平均每年新增飞机1461架。每架飞机通常会配置多台发动机，再考虑原有飞机发动机维修的需要，预计每年需发动机超过7000台。（2）核电根据国际原子能机构预测，到2030年全球的核电装机容量增加至少40%。未来10年，除中国外，全球约有60至70台100万千瓦级核电机组建设，海外核电市场空间将达1万亿元。根据2006年3月国务院通过核电中长期发展规划（20112020年），我国到2020年，核电运行装机容量争取达到5800万千瓦，在建容量3000万千瓦。截至到2014年，我国核电累计容量约1800万千瓦，在建3100万千瓦。考虑到核电受2011年日本福岛核电站事件影响停产以来，到2020年，我国在建和新建核电装机容量约7000万千瓦，其中新建核电装机容量约4000万千瓦。根据测算，一台百万千瓦级压水堆核电机组需要镍基等高温合金材料600-800吨、不锈钢3700-4200吨，随着国内外核电装机容量的不断增加，对核电用高温合金、不锈钢的需求将