2022年高温合金行业专题研究报告.docx

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1、2022年高温合金行业专题研究报告1、高温合金：尖端工业材料高温合金又称耐热合金或超合金，是指以铁、锲、钻为基，能在60(rc以上的高温下抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变，并能在较高的机械应力作用下长期工作的一种合金材料。基于以上性能特点，高温合金目前是屹立于金字塔尖的尖端工业材料，既是航空发动机热端部件、航天火箭发动机各种高温部件的关键材料，又广泛运用于工业燃气轮机、能源、化工等工业部门。高温合金应用领域占比情况航天航空电力机械工业汽车石油石化其他2%高温合金按照基体元素种类可以分为铁基高温合金、银基高温合金和钻基高温合金等，其中镁基高温合金的耐热性能相对更强一些，因此其应用最为广泛，在当今生产中所占

2、的比例高达80%；按照制造工艺划分可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末高温合金。高温合金分类及占比分类方法类别比重图示铁基高温合金14.3%按合金的主要元素锲基高温合金80.0%钻基高温合金5.7%1.1 变形高温合金变形高温合金是指通过铸造-变形工艺生产的高温合金，可以进行冷、热变形加工，具有良好的力学性能和较好的强韧性、较高的抗氧化性能，包括盘、板、棒、丝、带、管等产品，是高温合金中市场应用最广的一类，需求占比达到了70%o目前国内主要型号有GH4169.GH4738.GH128.GH4065.GH4068等。其中，GH4169拥有“变形高温合金之王”的美称，对标的是美国的B07718

3、,在65CTC以下的屈服强度位居变形高温合金首位,是我国用量最大、应用范围最高的高温合金品种。变形高温合金主要牌号锲含量在50%-60%之间,GH4169锲含量约为53%,GH4065锲含量约为55.5%,GH4738锲含量约为58.7%。变形高温合金代表型号及应用种类代表型号使用温度性能应用领域固溶强化型合金GHI2890卜1300室温拉伸强度为85()MPa、屈服强度为350MPa；1000C 拉伸强度为 140MPa、延伸率为85%, 1000 、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。般用制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件时效强化型合GH4169.金GH220-253-

4、950C制作涡轮盘的合金工作温度为-253700,制作叶片的合金温度可达950-C,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。一般用于制作航空、航天发动机的泯轮盘与叶片等结构件国内变形高温合金领域已经形成了由研发到制品的完整产业链，生产环节涉及毛料合金熔炼、精密锻造等。国内变形高温合金主要参与者母合金熔炼精密锻造发动机抚顺特钢宝钢特钢长城特钢航材院中科院金属所抚顺特钢西部超导图南股份钢研高纳中航重机派克新材航宇科技3角防务沈阳黎明贵州黎阳西航公司株洲南方1.2 铸造高温合金铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。与变形高温合金相比合金化程度高，在热加工过程中变形困难，必须采用铸

5、造工艺。除此之外一些形状复杂难以机械加工完成的复杂腔体、空心结构的部件，必须采用精密铸造工艺才能完成。铸造高温合金按照凝固结晶组织不同，可以分为等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金，其使用性能和制备难度依次提高。从普通铸造高温合金至单晶高温合金，承温能力提升了500o采用定向凝固技术的锲基单晶高温合金发展尤为迅速，成为航空发动机叶片的首选材料。铸造高温合金主要牌号锲含量多在60%以上,甚至超过70%oDD402锲含量约为60%,K401锲含量约为68.9%,K403锲含量约为66.1%,K418锲含量约为73.9%0等轴晶铸造高温合金可在-235T05(TC使用,具有制造成本

6、低、中低温力学性能优异等优点，被广泛应用于制作航空发动机扩压器和机匣等大型复杂结构件、整铸涡轮、导向器、导向和涡轮叶片及航天火箭发动机涡轮泵等相关部件。K418合金成分较简单，密度较低，在900。以下具有良好的蠕变强度、热疲劳性能和抗氧化性能，是航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片等高温部件的主要用材。K438是耐热腐蚀性能最好的铸造高温合金之一，成分和性能与国外广泛应用的IN738相当。除具有优异的耐热腐蚀性能外，还具有中等水平的高温强度和良好的组织稳定性，广泛用于90(rc以下工作的长寿命的舰船和地面工业燃气轮机的涡轮工作叶片和导向叶片，也可作航空发动机的涡轮零件。定向凝固合金使合金的结晶方向

7、平行于零件的主应力轴，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界。其不仅具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性，而且具有比原合金约高5倍的热疲劳性能，在先进航空发动机、地面燃气轮机上获得广泛应用。我国于60年代中期开始研究高温合金的定向凝固技术,先后自制和仿制了近十个牌号的定向凝固合金。DZ3、DZ5是在普通铸造高温合金的基础上采用定向凝固技术研制的，在拉伸塑形、持久强度及热疲劳寿命上都有极大提升。DZ22.DZ125.DZ17G等是仿制合金，其中DZ125是当前性能水平最高的定向凝固高温合金之一,有良好的中、高综合性能、优异的热疲劳性能，其性能水平达到甚至超过美国PWA1422合金。单晶高温合金是在定向

8、凝固合金基础上发展出来的完全消除晶界的合金类型，使合金热强性能提高了30,主要用于制造航空发动机、燃气轮机热端涡轮叶片。自20世纪80年代PWA1480单晶高温合金成功研制和应用以来，国外相继研发了不同代次的高强单晶合金，合金承温能力以20-30/代的速率缓慢提升，当前的承温能力达到1100o铸造高温合金代表型号及应用类型合金牌号研制单位特点及应用北京航空材料研究院等轴晶合金K418、K418B. K423、K424、 K480、 K213、 K4169钢铁研究总院K417、 K417G. K438、K44k K49K K417L中国科学院金属研究所K409. K640上海钢铁研究所K40KK

9、403. K4O5.K406、 K419、 K825、K477、 K4022可在-235050P使用，常用于制作航空发动机扩压器和机匣等大型复杂结构件、整铸涡轮、向器、导向和涡轮叶片及航天火箭发动机涡轮泵等相关部件。DZ4、DZ5、DZ22、DZ22B、DZ125北京航空材料研究院通过定向凝固技术制备出晶界平行于主应力轴定向凝固合金DZ17G.DZ40M. DZ38C.DZ125L中国科学院金属研究所从而消除有害横向晶界的柱状晶高混合金，多用于生产锲基合金柱晶涡轮叶片。单晶合金DD3、DD4、 DD6北京航空材料研究院DD402钢铁研究总院1)118中国科学院金属研究所采用定向凝固和选品（籽品

10、）技术制造的具有单一柱状晶组织的铸造高温合金。生产难度大，但可有效提升发动机叶片的服役性能。目前先进发动机涡轮叶片均采用单晶高温合金。国内单晶合金已经自主研制至第三代单晶合金DD33、DD9以及第四代单晶合金DD91、DD15等。20世纪80年代初，航材院率先研制成功了第一代单晶高温合金DD3,并在航空发动机涡轮叶片上成功应用，20世纪90年代又研制出第二代单晶高温合金DD6,该合金各项性能均达到或接近国外广泛应用的第二代单晶合金，DD15合金为航材院研制第四代单晶高温合金，其持久性能优于美国的第四代单晶高温合金EPM-102o1.3粉末高温合金粉末高温合金是20世纪60年代出现的新一代高温合

11、金，是以金属粉末作为原材料，经过后续热加工处理，得到具有较高抗拉强度和良好的抗疲劳性能的合金。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机使用要求，是高推重比发动机涡轮压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。随着航空事业的飞速发展，对粉末高温合金的性能要求及量的需求也越来越大，当前国际粉末高温合金研发已经进入第四代。中国粉末高温合金的研究起步相对较晚，开始于20世纪70年代后期，国内最早开始研发粉末高温合金制品的是钢研高纳，此外还有北京科技大学、航材院等几家单位，目前主要型号有FGH95、FGH96、FGH97、FGH98等。FGH95是我国20世纪80年代初开始定型研制的第一种粉末高温合金，

12、是在650使用条件下强度水平最高的粉末冶金高温合金，可用来制造高推比新型发动机的高、低压涡轮盘、压气机盘、涡轮挡环等高温结构件。FGH96强度较FGH95降低了10%,但抗裂纹扩展能力较FGH95提高了一倍之多，使用温度为750,是制备先进发动机涡轮盘等热端部件的关键材料。FGH97合金具有高持久强度、高蠕变抗力、低裂纹扩展速率等优点，70CTC是典型的工作温度范围，是制备先进发动机涡轮盘、轴、环类件等热端部件的关键材料。粉末高温合金主要牌号银含量多在50%-60%之间，FGH95镖含量为62%,FGH96、FGH97镁含量为55.7%,FGH98镁含量为52.4%。2、高温合金市场需求高温合

13、金材料最初主要应用于航空航天领域，是航空发动机首选材料。随着技术的发展和产量的提升，高温合金耐高温耐腐蚀的特点使其在柴油机和内燃机涡轮增压、燃气轮机、能源动力、石油化工、玻璃建材等民用工业中逐步广泛应用。根据中国特钢企业协会统计数据，2014-2020年我国高温合金需求量呈现快速增长趋势，产量与需求量的年复合增速在17%左右。2020年国内高温合金产量3.3万吨、需求量约为5.3万吨，供需缺口达2万吨。.2017-2020年中国高温合金产量和需求量情况产量需求军、民用航空发动机为主要需求来源，其他各领域需求也均旺盛。根据图南股份招股书对十四五期间我国军机列装与更新需求及其他应用领域综合预测，预

14、估十四五期间我国高温合金年平均需求量达8.35万吨。十四五期间各领域高温合金需求量测算领域新增量单位用量年需求量（吨）军用航空发动机未来15年增加175架军用飞机26264燃气轮机未来5年舰船燃气轮需求量616台单台燃气轮机需33吨4107民用航空发动机未来15年增加4913架民用飞机36848核电建设平均每年建成6000兆瓦核一座100万千瓦的核电3000电机组汽车制造领域2020年新增3126万辆航天发动机第年发射20次总计机组消耗500吨每万辆汽车需要4.2吨13129每枚火箭需要9. 6万吨192835402.1 高温合金是先进发动机的基石2.1.1 四大热端部件需求各异航空发动机被称为“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。高温合金材料是制造航空发动机热端部件的关键材料，发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平，因此被誉为“先进发动机基石”。高温合金在现代航空发动机中用量占发动机总重量的40%-60%,主要用于四