高温合金材料行业市场发展分析报告.docx

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高温合金材料行业市场发展分析报告

2015年高温合金材料

行业分析报告

2016年5月

一、行业管理体制和法律政策

1、行业管理体制

高温合金材料行业的产业政策和宏观管理主要由科学技术部、工业和信息化部、国家发展和改革委员会共同承担。

军工产品主管部门为国家国防科技工业局。

其主要负责国防科技工业计划、政策、标准及法规的制定，执行情况的监督，以及对军工装备生产资格审批，对行业内企业采用严格的准入许可等方面的管理。

2、行业主要法律法规

国家对高温合金行业无针对性的行业法律法规，主要是军工产品所涉及的军工行业受国家严格的法律法规保护和限制。

行业主要的法律法规如下表：

二、行业概况

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，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，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600~800℃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600~800吨、不锈钢3700~4200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50,000-

100,000小时。

涡轮盘在工作时转数接近10,000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，主要采用镍基高温合金制造。

目前，全球使用的工业燃气轮机约50,000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。

三、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年代，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，前苏联于20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的合金化程度，消除或降低了有害杂质元素和气体含量及精确控制合金的化学成分，使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。

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。

（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。

四、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。

（2）高温合金精密铸件的大型化

随着民用航空工业的发展，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Inconel718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2,000mm，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