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高温合金行业深度研究报告:金属新材料优质赛道

发布时间:2022-04-18 01:14:14  来源:  作者: 查看:

 1 高温合金:极端环境条件中的最佳金属新材料
长期以来,金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料之一,其力、热、电 磁、光、声等指标决定了应用领域。按照化学成分,金属材料可分为纯金属材料和 合金材料,前者主要由一种金属元素组成,后者由一种基体元素和一种以上的金属 元素和/或非金属元素所组成。由于合金材料中其他元素的加入,基体金属的性能往 往会得到大幅改善,因而金属新材料多以合金的形式应用。

结构材料:制造构造整体、实现运动和传递动力的结构件,一般以力学性能 指标来评价,偶尔会提出抗腐蚀、抗氧化等物化性能等要求。

功能材料:利用其对外部环境的敏感反应来实现信息处理和功能转换,一 般以热、电磁、光、声等物理指标来评价,偶尔提出一定的力学性能要求。

从金属材料被制成零部件服役的流程来看,主要分为采矿、冶炼、加工等环节。 零部件的全寿命过程较长,任何一个流程都不能作为金属零部件的绝对主导因素, 上游的流程势必会对下游流程产生一定的影响,因而对于金属材料而言,产业链联 动效果较强,每一环节都可能诞生一批极具实力的优质公司。


相比于常用的铝合金、钛合金及镁合金,高温合金更适应更高的温度(600℃) 和腐蚀严重的服役环境。高温合金种类繁多,不同类型的合金特点各异,应用领域 也大相径庭。按核心基体元素的划分标准,高温合金可分为铁基高温合金、镍基高 温合金和钴基高温合金等。我国由于镍、钴等资源相对贫乏,50 年代便开始铁基合 金的研究,但铁基合金使用温度较低,应用领域受到限制。钴基合金具有优异的抗 热腐蚀性、抗热疲劳性,以及良好的铸造和焊接性,适合作为导向器的材料,但钴资 源被刚果(金)垄断,资源的稀缺造成其价格昂贵,钴基合金生产和使用受成本限 制。相较而言,镍基合金使用温度较高、价格相对较低,具有显著的性价比优势,目 前镍基合金占据高温合金市场近 80%的份额。

1.1 变形高温合金:最先用于航空发动机的高温合金类型

变形高温合金是最先用于航空发动机的高温合金,目前已是用量最大、品种最 多的一类高温材料。变形高温合金是经过锻造、轧制、墩粗和冷拔等塑性变形工艺 和热处理支撑的一类高温材料,以涡轮盘为主要应用领域,按照涡轮盘使用温度, 变形高温合金大致可划分为五代。

合金成分设计、熔炼、加工及热处理等工艺成为提升变形高温合金性能的核心 战场。


合金成分方面,传统“试验-修正”实验方式已不合适,数值模拟快速发展 变形高温合金合金化程度较低,因而发展初期合金成分设计十分关键,目前高 温合金中的元素共有十多种,可分为三类:第一类,优先形成塑性性能好的奥氏体 的元素,包括 Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W、V 等;第二类,进入基体形成γ'相强化相的 元素,包括 Al、Ti、Nb、Ta 等;第三类,原子直径大小不固定,常偏聚在晶界导致 晶界偏析的元素,有 Pb、Sn 等。合金成分设计的原则主要在于控制有害相析出、促 进有利相生成,以保证高温合金的高温强度。随着高温合金的发展,各元素优化性 能的理论及数据库都日趋完善,相关模型相继建立,如电子空穴理论与相计算、d 电 子合金理论与新相机算、多元线性回归及人工神经网络等,为计算机辅助设计变形 高温合金成分打下了坚实的基础,同时减少了实际实验次数以降低合金成本。

熔炼工艺方面,三联法渐成主流方法

通常合金化程度较高的变形高温合金采用真空感应炉熔炼成电极棒后,再经电 渣重熔去除真空感应熔炼电极中的夹杂物,以改善纯净度,为后续真空自耗炉提供 致密、无缺陷的电极,以提高重熔过程的稳定性,降低合金的宏观偏析。目前该法已 逐渐成为高合金化变形合金扩大锭型、消除低倍缺陷和提高质量的主要措施。

变形工艺方面,相比铸造及机加工,锻造加工出的合金综合性能好

高温合金的变形工艺是合金在外力作用下,通过塑性变形,形成具有一定形状、 尺寸及力学性能的型材、毛坯和零件的加工方法,可分为冷加工和热加工,个别采 用温加工。冷加工方面主要指丝材拉丝、管材冷拉冷拔及薄板的冷轧,热加工则包 括锻造、焊接等,主要可以细化晶粒、均匀组织及消除铸造缺陷,可大幅改善高温合 金的力学性能,其中锻造热加工工艺是变形高温合金的主要手段。


随着下游应用环境的愈发严苛,变形高温合金的强度要求愈发严格,因而添加 的元素总量随之提高,组织结构愈发复杂,造成了零件加工变形抗力的提升,给锻 造工艺带来了极大的困难。

热处理工艺方面,正确的工艺可使合金最大限度发挥作用

化学成分和组织结构是决定合金性能的关键所在,合金成分、熔炼工艺及变形 工艺确定后,合金性能往往依然无法满足需求,热处理工艺是最后的补足手段。然 而合理的热处理工艺必然需要对合金的组成、相的稳定性及性能要求拥有深入的了 解,尤其是镍基高温合金不易在加热过程控制(调整)晶粒大小,因而热处理工艺是 构建变形高温合金护城河的关键所在。

1.2 铸造高温合金:被广泛应用于燃气轮机涡轮叶片部位

同成分的铸造高温合金要比变形高温合金使用温度提高 10-30℃。铸造高温合 金由合金锭重熔后直接浇注或定向凝固成零件,因其可通过精密铸造或者定向凝固 工艺科直接成型,因而无需考虑锻造变形性能,合金元素总量要显著高于变形合金, 持久强度、抗拉强度及使用温度均有大幅提高。按照凝固方法可分为等轴晶铸造高 温合金、定向凝固高温合金及单晶高温合金三类。

1943 年美国首次在涡轮喷气发动机选用铸造高温合金 HS-21 替代变形高温 合金 Hastelloy-B,开创了铸造高温合金的先例;


20 世纪 50 年代,真空熔炼技术出现,合金中有害杂质和气体去除,合金成 分得到精确控制,IN100、BI900 等纷纷出现;

20 世纪 60 年代,定向凝固技术的发展,促进了定向柱状晶和单晶高温合金 的蓬勃发展,航空发动机的使用温度达到 1700℃以上。

随着工业的发展,内燃机叶片需要满足更高的工作温度和强度要求,以及叶片 结构复杂程度的增加,致使通过锻造成型的变形高温合金已无法满足要求,铸造高 温合金孕育而生。与航空发动机涡轮叶片相比,燃气轮机涡轮叶片的材料对耐久性、 抗腐蚀性要求更高,使得航空发动机涡轮叶片材料不能直接用于燃气轮机涡轮叶片。 燃气轮机涡轮叶片长时间连续工作在高温、易腐蚀和复杂应力下,工作环境十分恶 劣,因此,只能通过高度的合金化不断增强合金的高温综合性能。

燃气轮机叶片材料及其成形技术研究和产业化已有 60 多年的历史,20 世纪 40— 50 年代,涡轮叶片以变形钴(Co)基和镍(Ni)基高温合金为主要用材;50 年代中 期,随着真空冶炼技术的商业化,开始研究铸造镍基合金;60 年代,精密铸造技术 成熟,使得复杂叶片型面及冷却通道设计变为可能,通过添加合金元素改善材料的 组织结构,提高了铸造高温合金的高温强度,使燃气轮机的入口温度大幅度提高; 70 年代,定向凝固柱晶高温合金开始用于航空发动机叶片;到了 90 年代后期,定向 凝固柱晶和单晶高温合金开始用于重型燃气轮机动叶片。通过定向凝固技术,将涡 轮叶片的组织由传统的等轴晶改进为定向柱晶,能够大大提高涡轮叶片的高温性能。 尤其是单晶叶片,在定向凝固的过程中消除了叶片晶界,极大地提高了其高温蠕变 性能,且高温组织稳定,综合性能好。目前,大尺寸单晶空心高温合金叶片材料及无 余量精密铸造技术是重型燃气轮机叶片制造技术最高水平的标志。


1) 等轴晶高温合金为用普通精密铸造方法成型铸造高温合金,组织以大小不 等的等轴晶为主,局部可有少量柱状晶。

2) 定向凝固柱状晶高温合金为通过定向凝固技术制备出晶界平行于主应力轴 从而消除有害横向晶界的高温合金。

3) 单晶高温合金为通过定向凝固技术消除所有晶界的高温合金。

1.3 粉末高温合金:有效解决铸造高温合金力学性能波动

粉末高温合金可以克服铸造高温合金存在的力学性能波动。粉末高温合金是利 用粉末冶金工艺制备的高温合金,相较于此前的铸-锻高温合金,粉末冶金工艺可以 一定程度上解决合金铸锭内成分偏析、组织不均匀、热工艺性能恶化、成形困难等 问题。随着高温合金成分日趋复杂、零件尺寸不断增大,粉末冶金已成为航空发动 机涡轮盘最重要的制备工艺。

粉末高温合金质量的关键在于制粉工艺及固实化工艺。各国的粉末高温合金的 技术路线虽然不尽相同,但都大体包括母合金纯洁冶炼、粉末制备与处理、固实工 艺(热等静压致密化、热挤压、锻造成形)、热处理及检测等步骤,其中粉末制备与 处理、固实工艺是核心工艺。

粉末制备方面,设备及辅助模块开发是重点

超纯净细粉是制件性能的基础,优质高温合金粉末的制备是关键环节。惰性气 体雾化、等离子旋转电极及真空雾化法是最通用的三种制粉方式。其中氩气雾化应 用最为广泛,其流程大致是在整个真空及密闭设备中,经真空熔炼的合金熔体经注 口流下,在高压高速的气流中雾化成粉末,因而母合金质量、设备、参数选择至关重 要。

固实工艺方面,工艺参数具有极高壁垒

固实工艺不仅要获得具有一定形状的部件或预成形坯,还要使得粉末经受塑性 变形和扩散蠕变流动以达到紧密连接及相应的组织变化的目的,是合金成形的关键 所在。


1.4 工艺、防护层及新组成是夯实高温合金应用三大助力

高温合金是航空发动机的主要原材料,经过半个世纪的发展,我国的高温合金 产业已渐成规模,上游和中游已经涌现出颇具规模的强竞争力的企业。

高温合金产业链主要包括上中下游。产业链上游的主体为原材料供应商,主要 向下游企业提供铁、镍、钴等金属原材料;产业链中游的主要参与者为生产设备供 应商、高温合金生产制造商以及高温合金零部件制造商。高温合金生产制造商通过 冶炼工艺制造母合金,并通过锻造、热处理和精铸等工艺技术制造出精铸件、棒材、 板材等半成品,再通过零部件制造商将高温合金半成品生产成涡轮叶片、涡轮盘、 导向器等零部件产品。高温合金产业链下游主体为航空航天发动机、燃气轮机及汽 车涡轮盘等终端产品企业,目前国内的高温合金主要被用来制造航空航天发动机。

高温合金的质量是其应用的关键,因而我们认为其未来的发展方向可大致归纳 为工艺革新、新合金的研制及高温合金返回件三大类。当前,各类高温合金或多或 少都存在一些问题,或存在一些应用局限性,因而革新老工艺及研发新工艺对提升现有合金的性能、扩大市场应用至关重要。但由于合金本身的属性,其熔点大致在 1200℃左右,目前最先进的单晶高温合金的使用温度已经达到了 1100℃,因而新合 金的研制及高温防护涂层的开发对延续高温合金市场的成长十分关键。

工艺革新方面,能否拥有设备自主研发实力及独家工艺参数是当前企业的核 心竞争力要素,新设备及新工艺的储备则决定其未来高度。


提高高温合金的性能是高温合金永恒的主题,而其性能则取决于合金成分、组 织结构及相关处理工艺。对于上游企业而言,原材料的纯净度是当前的重点,对于 中游企业,相关设备及工艺参数则是核心竞争力,是扩大市场占有率的利器。

高温合金因自身属性的限制,无法在超过 1700℃的环境中应用,因而防 护涂层的出现,可以推动高温合金的应用场景,从而扩大市场占有率。

为了保证高温合金在使役环境下既有良好的高温力学性能,又需要它的抗高温氧化和抗热腐蚀性能优异,一种有解决途径即是在保证高温合金高温力学性能的前 提下,在其表面施加适当的徐层。通过基体来承担高温强度的要求,而通过施加的 涂层来提高抗高温腐蚀的能力,保护基体金属不受高温的腐蚀作用。因为基体合金 和防护涂层是可单独设计的,所施加防护涂层的合金部件就可既保持合金原本良好 的高温强度而其表面的涂层又具有优异的抗高温腐蚀性能。尤其在一些需要良好抗 高温腐蚀性能的情况下,通过在低级材料的表面施加防护涂层可达到高级材料的功 效,从而可节约成本。

高温防护涂层的研究基本上经历了 4 个时期。20 世纪 50 年代研制应用的第一 代涂层为β-NiAl 基铝化物涂层,但是 NiAl 相脆性非常大,容易开裂,由于 Al 原子 扩散快,涂层的寿命很短。第二代涂层则是 20 世纪 70 年代开发的改进型的铝化物 涂层,其目的是设法减小涂层与基体之间的互扩散作用,加强扩散来提高涂层的使 用温度,如 Cr-Al、Si-Al、Ti-Al、Pt-Al 等,这些涂层在航空发动机上得到广泛 应用。第三代涂层是 20 世纪 80 年代发展起来的MCrAlY 包覆涂盾(M代表 Fe、Co、 Ni),它的特点是成分和厚度可按要求控制,可在更高温度下起到抗氧化作用,满足 不同工况条件下的要求。第四代涂层是 90 年代利用物理气相沉积的方法研制开发的 陶瓷热障涂层(Y2O3部分稳定的 ZrO2涂层)。该涂层具有明显的隔热效果,但由于陶 瓷材料脆性较大,且与气体材料系数不匹配,通常会在陶瓷与基体间加一层粘结层 来改善陶瓷与基体间的兼容性。


当前比较成熟的防护涂层有铝化物涂层、合金包覆型涂层及热障涂层等三类, 但我国高温防护涂层技术与国外相比仍具有一定的差距。抗高温氧化腐蚀金属涂层 适用于单晶或者定向高温合金,1150℃以上完全抗氧化级的高温防护涂层的开发将 是扩展其应用的关键;热障涂层技术则需要发展可在 1200℃以上抗烧蚀、长寿命、 高隔热的陶瓷层技术,以满足推重比 12-15 级发动机的需求。

新型合金方面,巩固高温金属材料地位的关键。

新型合金方面,主要关注两条路径,一方面是深挖合金钢的潜力,另一方面是开 发新型的金属间高温合金。

除了高温合金中常见的镍基、钴基及铁基高温合金外,Ni-Al、Nb-Si、Ti-Al、 Fe-Al 等具有更高熔点及低密度金属间高温合金、高熵合金的出现推高了高温合金 高温性能天花板进而扩宽市场应用范围,是延续高温合金市场的关键所在。

高温金属间化合物可在航空航天器或某些民用装置中作高温结构材料,如 Ni3Al 可作航天飞机的筒体材料;NiAl 作航空发动机的涡轮叶片;Ti3A1 和 TiAl 作航空发 动机环形件;Fe3Al 和 FeAl 可在煤的汽化、液化和燃烧装置中获得应用。高温金属 间化合物除了金属键外,还有一部分共价键,兼有金属的较好塑性和陶瓷的良好高 温强度,表现出一系列的优异性能,如高强度、高弹性模量、较低的蠕变速率、较高 的形变硬化率、稳定的组织结构、较小的密度和良好的抗氧化腐蚀性能等,使用温 度介于高温合金与高温结构陶瓷材料之间。高温金属间化合物种类很多,如铝化物、 硅化物等。


高熵合金设计理念的提出,突破了传统合金以一种或两种元素为主的设计理念,极大扩展了材料设计的成分空间。高熵合金是由五种或五种以上等量或大约等量金 属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多理想的性质。以往的合金中主要的金属 成分可能只有一至两种。已有研究表明,高熵合金具有许多特殊的物理、化学和力 学性能,如高的组织稳定性、优异的高低温力学性能、耐腐蚀、抗氧化、抗辐照等, 在航空航天、交通运输、核工业、国防安全等领域都具有广阔的应用前景。

1.5 提升返回比例及降低成本是开拓高温合金市场的关键

随着航空发动机和燃气轮机工业的快速发展,高温合金作为涡轮叶片、导向叶 片、涡轮盘等热端部件使用材料被广泛应用。在铸件加工中会产生大量高温合金废 料,即为高温合金返回料,高温合金返回料大体可以分为三类:浇道、冒口和报废 铸件。由于高温合金中含有大量贵金属元素,如:Ni、Cr、W、Mo、Nb、Hf 等,因此, 对高温合金返回料的回收重新利用,大大提高了材料利用率,降低了资源浪费,具 有非常重要的意义。

开展合金返回料的回收利用研究尤为重要,这也是时代发展的必然要求。高温 合金包含的重要战略物资元素(如镍、钴、铬等)的量是巨大的,随着航空航天、发 电和船舰用燃气轮机工业的科研创新,高温合金的使用量逐年攀升,随之产生的返 回料也会越积越多,而高温合金的利用率极低,其中精铸件的利用率约占 20%~30%, 形状复杂的零件只占 10%左右,导致资源的巨大浪费。若能保证材料的质量而将返回 料合金循环利用起来,可以很大程度上提高材料的利用率。


目前,国内外都在相关返回料的应用研究中取得了一定的进展。比如说美国采 用将废料返回熔炼的办法来处理返回料,在 1986 年回收的 2.5×107 Kg 高温合金中, 约 20%降级使用;英国已对 12 种高温合金,比如 MAR-M246、IN100、IN939 等合金的 返回料进行了回收处理并加以利用;法国针对涡轮叶片所使用的高温合金进行回收 利用,其返回料利用率达到 50%;俄罗斯采用真空熔铸的办法,开发了一套完整的铸 造回炉料的铸造工艺,该工艺生产的 80%返回料具有相当可观的持久强度;我国曾在 涡浆型发动机一、二级涡轮叶片中使用了 50%的 K3 返回料。

国内外高温合金的成本区别在于国内高温合金返回率低,根据中航上大专利显 示,GH141 合金废料率为 92%,根据中国航发成都发动机有限公司专利,K465 废料 率为 85%。

中航上大专利号 CN113337742A《高纯净返回料生产 GH141 的冶炼工艺》指 出,GH141 合金是一种沉淀硬化型难变形高温合金,在 870℃以下具有较高 的抗拉强度和持久强度,还具有良好的韧性、氧化性和耐腐蚀性,广泛应用 于 850℃以下要求高强度和 980℃以下要求抗氧化的航空发动机高温部件, 如叶片、盘、机匣和燃烧室零件等,国内生产 GH141 合金主要用于某发动机结构件,生产该合金时,所有配入的原料均使用经过处理的精料、纯金属 等,据可靠数据统计,GH4141 投入的原料经过冶炼、加工直至最终装机, 产品的利用率仅为6~8%,产生大约92%的材料废品,过程加工产生的料头、 车屑等材料因夹带杂质、油污等问题无法继续使用只能作为废品,造成了 极大的资源浪费。


中国航发成都发动机有限公司专利号 CN113249584A《一种航空发动机涡轮 叶片用合金返回料重利用方法》指出,随着发动机推重比的不断增大,高温 合金材料在航空发动机中的占比越来越高,尤其是航空发动机的核心部件, 如涡轮叶片、导向叶片等。K465 合金具有较高的屈服强度、较低的导热系 数、优异的高温抗氧化性能,使得其在航空发动机领域已得到了广泛的应用, 但是由于铸造工艺本身的特点,K465 高温合金的利用率很低,尤其是在结 构复杂的涡轮转子叶片上,其利用率在 15%左右,大量的 K465 合金都以料 头、浇道、冒口、报废零件和切屑等形式被浪费,通常将这些浪费的合金称 为高温合金返回料。K465 合金是一种耐热的铸造镍基高温合金,需要添加 大量的 Mo、W、Nb 等难熔元素进行熔炼制备,由于我国的 Ni、Co 矿产资源 相对匮乏,Ni、Co 等金属采购价格逐年攀高且受市场影响价格波动较大。 目前国内对 K465 高温金返炉料纯净化的重熔利用还没有进行过系统研究, 因此开展 K465 合金返回料的纯净化重熔利用研究,不但具有十分巨大的经 济价值,而且有助于实现稀贵金属资源的循环利用。

高温合金新料熔炼过程中的废料亦可返回重熔,根据大连理工专利披露,传统 的双联工艺制备的变形合金出成率不高于 60%,而铸造类单晶合金最终零件的重量 只有原材料的 30%左右。大连理工专利号 CN112760508A《一种电子束连续精炼高温 合金返回料的方法》指出,返回料的回收仍以真空感应高温精炼、浇铸过滤为主,返 回料提纯再利用的相关技术水平与国外发达国家相比尚存在较大的差距,尚未建立 返回料回收与利用的相关标准与规范。在杂质及夹杂物的控制上,我国返回料合金 锭的纯净度还达不到新料的水平,导致当前高温合金返回料的利用率偏低,造成资 源的严重浪费的技术问题。该专利主要采用电子束精炼的手段提纯高温合金返回料, 利用高温高真空的环境使熔体充分发生脱气反应,利用电子束精炼过程中的局部大 过热实现熔体内部小尺寸夹杂物的溶解,利用高能电子束的轰击作用实现熔体表面 大尺寸夹杂物的分解,并通过浇铸获得高纯的高温合金返回料锭坯。在此基础上, 通过重复送料、精炼、浇铸过程,实现高温合金返回料的连续精炼与提纯。


高返回料添加比的高温合金加工方式与通常高温合金加工方式几无差异,故亦 可以通过工艺改进进一步降低其成本。中国航发北京航空材料研究院专利号 CN111761007A《一种添加返回料的 GH4169 合金盘锻件制备方法》一文中指出,当前 国内 GH4169 盘锻件所用棒材均为矿冶新料经熔炼和锻造所制造,返回料的使用仅局 限于各冶金厂自身熔炼和锻造过程所产生的“废料”,使用比例非常低。高温合金返 回料中的碎屑料和块状料均是合格高温合金材料加工的边角余料,经过了多次的真 空提纯和精炼,纯净度水平要高于矿冶新料,如果能够实现同等级别相同材料的循 环利用,将有效提升高温合金材料的纯净度,且能显著降低原材料成本。这也是国 外相同合金 IN718 质量优、价格低的主要原因之一。为了提高返回料再生利用技术 成熟度,促进 GH4169 合金制造成熟度的提高,提升 GH4169 盘锻件整体质量,同时降低盘锻件的制造成本,航材院提出一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法, 该方法可以细化盘锻件的晶粒组织,提升锻件组织均匀性,同时缩短锻件制造周期, 降低锻件成本。(报告来源:未来智库)

2 需求端:源于内燃机,高耐温性扩展下游市场
高温合金的研制源于内燃机需求,随着近一个世纪的发展,其应用范围也逐渐 向化工、石油等领域渗透。

第二次世界大战期间,为了满足新型航空发动机的需要,高温合金的研究和使 用进入了蓬勃发展时期。40 年代初,英国首先在 80Ni-20Cr 合金中加入少量铝和钛, 形成 γ'相以进行强化,研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期, 美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要,开始用 Vitallium 钴基 合金制作叶片。伴随着高温合金性能不断提升及其他行业的发展,高温合金适用的 环境正不断扩宽。


2.1 内燃机不可或缺的伴侣

温度和压力对内燃机效率至关重要。从热力学第二定律出发可知,相同的压比 情况下,透平入口温度越高,内燃机效率越高;相同的透平入口温度,压比在一定范 围内与效率成正比。其中温度的影响最为显著,根据《Boyce》显示,温度每升高 100 ℉(55.5℃),功输出增加约 10%,效率提高约 0.5-1%。为了提高燃机输出效率,航 空航天发动机、燃气轮机的热端部件需承受 600℃~1200℃的高温以及复杂应力的 交互作用,材料要求非常苛刻,高温合金是这些装备的关键材料。镍基高温合金有 高的耐热强度、良好的塑性、优秀的抗高温氧化和燃气腐蚀能力,以及长期组织稳 定性等特性,被广泛用于制造各种高温部件。

高温合金与内燃机市场相辅相成,共同成长。过去很长一段时间里燃气轮机被认为是一种相对低效的能源转换方式。在 20 世纪 50 年代早期,它的效率低至 15%, 随着新的耐高温性能优异的高温合金技术的突破,汽轮机的温度得到了提高。根据 《Boyce》显示,新型燃气轮机的入口温度高达 1427℃,压力比达到 40:1,效率已 经突破了 45%。

严格从定义来看,航空发动机、汽车发动机及燃气轮机等均属于内燃机的范畴, 因而是高温合金的主要应用领域。

2.1.1 航空发动机:下游旺盛需求催生万吨空间


航空发动机性能的不断提高对飞机性能的改进一直起着决定性作用。飞机的种 类繁多,用途不同,对发动机的要求也各不相同。要成功地设计出高性能的现代飞 机,需要考虑飞机性能要求以及飞机与发动机的相互影响,进行飞机和发动机之间 的协调和匹配。开展飞机/发动机的匹配研究能够在飞机方案设计阶段为发动机的选 型提供指标支持,提出飞机对发动机的性能需求。同时,通过性能匹配与优化,使飞 机/发动机的性能达到最优。

飞机发动机的设计主要参数在于涡轮前温度、涵道比、总增压及风扇压比等指 标,最终影响飞机的推力、耗油量、成本及稳定性。

涡轮前温度对推力增加的作用最明显,温度越高越好,所以先进发动机设计 都采用很高的涡轮前温度,如美国 F119 发动机的涡轮前温度超过 2000K,基本接近 材料及冷却技术的极限。

为了获得较高的单位推力,同时兼顾耗油率的要求,还要选取较小的涵道比 和合适的总增压比,目前国外第四代发动机的涵道比选择在 0.3 左右、总增压比在 25~30 之间。

风扇压比提高对推力和耗油率都有利,但风扇压比增加到一定程度后推力增加 就不太明显,而且还要兼顾混合器外内涵气流的压力比值合适以保证内外涵能量分 配和混合损失都在可接受范围内。


对于飞机发动机而言,耐高温的材料需求是刚需,高温合金无疑是最佳材料, 可以说,航空发动机的发展史就是高温合金的发展史,两者互相成就。当前最先进 的战机中高温合金的用量已经超过 50%,主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮 盘四大热端部件,此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件,其未来用量 占比依然呈现不断增长的趋势,价值占比有望进一步提升。

当前情况下,我国航空发动机方面的需求主要由两个因素在推动:

军用航空发动机的自主可控点燃国内高温合金的需求

军用航空发动机技术一直处于禁运状态,自主研发新型号发动机及老旧型号国 产化替代是必然趋势,考虑到目前我国二代机占比依然超过 70%,大量搭载先进航空 发动机的三代机、四代机将快速放量,高温合金的需求量将激增。

根据以下假设,可测算未来五年军用飞机发动机高温合金的需求量为 1.25 万 吨:

关键假设 1:根据新浪军事网新闻,俄罗斯发动机寿命大约在 1200 小时左 右,我国发动机研制体系源于苏联,考虑到技术进展,可认为我国发动机寿 命稍有提高至 1500 小时,目前我军飞行训练强度逼近美国 300 小时/年, 可测算更换发动机的周期大约是 5 年;

关键假设 2:根据图南股份招股书披露,现有及新增军用飞机单发和双发数 量比例为 1:1,因此考虑更换、备用等因素,未来 5 年内,新增飞机每架发 动机需求数量为 5.5 台,存量飞机发动机每架需求数量为 1.5 台;


关键假设 3:根据图南股份招股书数据测算,现代发动机的高温合金平均用 量约为 2.5 吨/台。

关键假设 4:每一类飞机增量取其过去五年复合增速计算。

大飞机交付节点落地点燃商用高温合金的需求

2020 年 3 月 1 日,国产大飞机 C919 在全球的首个正式购机合同签署,东航将 成为全球首家运营 C919 大型客机的航空公司,按照双方签署的 C919 大型客机购机 合同,东航首批引进 5 架 C919 客机。2022 年 1 月 19 日,市政协委员、中国商飞副 总经理吴永良在上海两会期间接受采访时表示,国产 C919 项目预计将于 2022 年完 成交付。

根据以下假设,可测算出存量国产商用客机发动机对高温合金的需求量约为 1.3 万吨:

关键假设 1:根据图南股份招股书披露,平均每架民航飞机配备 3 台发动 机;

关键假设 2:根据图南股份招股书数据测算,现代发动机的高温合金平均用 量约为 2.5 吨/台。

2.1.2 汽车涡轮盘:五年内复合增速将达到 16%

涡轮增压器技术在汽车工业中的广泛应用已成为提高发动机效率、降低燃油消耗、 减少废气排放的有效手段。


涡轮增压器能够增加空气密度,增加气缸内的进气量,提高发动机热效率,从而提高发动机的输出效率。但是它还有不可忽略的缺点,其中最重要的一点为动力输 出反应滞后。特别值得强调的是,其不断变化的负载的涡轮增压器响应特性并不令 人满意,这是涡轮增压技术中常见的问题。为了提高加速性能并减少涡轮滞后带来 的影响,应减少旋转体的惯性矩(转动惯量),最有效的方法是减少旋转体的质量。 使用新的涡轮机制造材料,并降低涡轮质量是降低惯性矩并提高涡轮增压器响应特 性的重要手段。当涡轮机运转时,涡轮机具有较高的瞬时速度和工作环境温度,因 此对涡轮机材料有很高的性能要求。近年来,许多国家正在研究开发新材料,其中 镍基合金已成为制造涡轮增压器的主要材料之一。

由于目前铸造过程中形成的缺陷仍对涡轮增压器的工作安全性影响很大,“万 金油”变形高温合金 GH4169 逐渐成为研究热点,近年来在汽车领域已开始有所应 用,其效果可使增压器压比提高、转速提高及可靠性提高。中车大连机车研究所有 限公司曾在 2015 年申请一项名为“内燃机车用增压器涡轮盘与主轴联接结构”的专 利,指出 GH4169 高温合金可以成为内燃机涡轮盘的可靠材料,重庆市汽车动力系统 测试中心在 2019 年发文对汽车内燃机涡轮盘增压器用 GH4169 的高温氧化性能进行 研究,因而被誉为“高温合金万金油”的 GH4169 高温合金极有可能替代现在的 K213、 K418、K419 和 K4002 等铸造高温合金成为该领域的主打产品。

市场规模方面,由于中国的排放标准基本遵循欧洲标准,在“国六”之前采用 的均为 NEDC 工况(New European Driving Cycle),国六后同样与欧洲“欧六 c” 同步更改为 WLTC(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle)循环。该 类型的测试标准在平稳路况上考察时间占比较长,因此配备涡轮增压能够拥有较好 的减排效果,因而未来我国涡轮增压需求将提速提升。根据以下假设,可测算出 2025年汽车用高温合金的需求将接近 2 万吨,五年内复合增速将达到 16%:


关键假设 1:2020 年国内汽车产销量受疫情影响有所下滑,后续会有恢复性 增长;

关键假设 2:根据图南股份招股书数据,我国涡轮渗透率远不及西方国家,预 计 2025 年将接近海外平均水平 80%;

关键假设 3:根据图南股份招股书披露,2018 年每万辆高温合金平均用量约 为 3.5 吨/台,后续可根据渗透率估测出未来每年每万辆汽车涡轮增压器高温合金用 量。

2.1.3 工业燃气轮机:国产化替换已成为主旋律

与传统的柴油机、蒸汽轮机等动力装置相比,工业燃气轮机具有体积小、效率 高、污染低、功率范围广等优点,广泛用于工业发电、舰船、石油及天然气管路输 送、供热、矿井通风等领域的动力装置。欧美等工业强国都将燃气轮机的研制作为 重要的发展方向。工业燃气轮机的发展代表着国家重大装备制造业的总体水平,是 国家高新技术和科技实力的重要标志。

工业燃气轮机按功率等级划分大体分为微型、轻型、中型、重型4个等级。

微型燃机功率一般在 0.3MW以内,主要用于分布式能源;

轻型燃机功率一般为 0.3-20MW,主要用于分布式能源和一些轻型动力装置 (小型舰船等);

中型燃机功率在 20-100MW范围,主要用于大中型水面舰艇和地面长距离管 线增压;


重型燃机功率一般在 100MW 以上,主要与蒸汽轮机联合循环用于工业发电。

工业燃气轮机用高温合金具有更为良好的耐热腐蚀性能、长期组织稳定性、蠕 变寿命和铸造工艺性能。与航空发动机叶片材料相比,工业燃气轮机叶片的工作环 境要恶劣得多,其环境大多含硫、钠等杂质,易造成热腐蚀,对高温合金部件破坏作 用极大;燃机叶片寿命通常达几万乃至几十万小时,承受基本载荷的时间长;重型 燃气轮机叶片尺寸大、质量大。因此,航空发动机涡轮叶片和工业燃气轮机涡轮叶 片材料各自成体系,但也有交叉之处。

《财富》(Fortune)商业观察(Business Insights)最新报告摘要显示,全球工业燃气轮机市场预计将每年增长,到 2026 年将达到 102.3 亿美元,预计未来七 年将以每年约 1.4%的速度增长。燃气轮机对于涡轮叶片的需求包括新增与更新两部 分。新增需求方面,一台燃气轮机涡轮工作叶片共分为 3 级,每级拥有涡轮工作叶 片数量约 92 片,合计 276 片。导向叶片同样分为 3 级,合计 108 片。以重型燃气轮 机的Ⅰ级涡轮为例,海外供应商涡轮工作叶片的单片成本(单晶)约为 40 万元,售 价达到 100 万元/片左右。更新需求方面,一台燃气轮机中,各级叶片的平均使用时 间为 1.5 万小时~2.4 万小时,一般情况下正常使用 2 年后进入替换周期。平均来说, 一台燃气轮机每年需要的涡轮工作叶片备件约 110 片、导向叶片备件约 60 片。通常 情况下,每千瓦燃气轮机发电装置的投资额约为 3000 元。

轻重型燃气轮机当前国产化零部件价值不到 70%,F 级、E 级燃气轮机热端部件 均依赖进口。尽管我国现已具备轻型燃机(功率 5 万千瓦以下)自主化能力,但重燃 (功率 5 万千瓦以上)仍基本依赖进口,技术基本被美国 GE、日本三菱、德国西门子 等国际厂家垄断,国内市场存在被“卡脖子”的风险。作为动力机械领域“皇冠上 的明珠”,国家非常重视燃气轮机的国产化。为加快推进燃气轮机产业创新发展, 国家发展改革委和国家能源局联合印发《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若 干意见》,并组织了第一批燃气轮机创新发展示范项目,力争在 2022 年前完成技术 装备攻关和项目建设,我国燃气轮机产业长期以来依赖进口的关键核心技术将逐步实现国产化。


2.2 碳中和催生核电近万吨需求

高温合金主要用于核电站反应堆、水堆蒸汽发生器传热管,元件价格和压紧弹簧 价值约占核电设备投资的 8%,100 万千瓦机组约需要 140-150 吨。核电站的核心是 反应堆,由堆芯、反射层、控制棒、堆容器和屏蔽层组成。商业发电最多的是压水堆 核电站,反应堆内的自持核裂变反应放出的能量以热能形式被一回路循环水带出, 冷却剂流出反应堆后进入蒸汽发生器内数以千计的传热管,通过他们把一回路水带 出的热量传给二回路水,使其沸腾产生蒸汽送入汽轮机中,随之通过膨胀做功驱动 汽轮机叶片高速旋转进而带动发电机发电。一般而言,蒸汽发生器及过热器中的温 度在 340-450℃,且为高浓度碱性水蒸汽,因而对材料的屈服强度及耐蚀性提出了极 高的要求。

自 1954 年第一座核电站—前苏联奥布灵斯克核电站建成,在过去的 60 年里, 国际上已经成功开发出了三代核电站。第二代核电技术广泛商业化,现运行的核电 站大多为此技术。能够满足美国“先进轻水堆型用户要”和“欧洲用户对轻水堆型核 电站的要求”的核电站为第三代核电技术,其效率及安全性进一步提高,其中代表 性的为美国 AP1000、法国 EPR。2001 年,美、英、日、法等 10 个国家签署协议,正式 成立了“第四代核能系统国际论坛(GIF)”,决定联合开发新一代核能系统。第四代核 能系统的先进性指标将超越前三代,预计在 2030 年前后可达到工业应用水平。我国 已引进美国第三代 AP1000 核电技术,并建设浙江三门核电站;清华大学核研院成功 研发了第四代高温气冷堆,并联合华能集团、中核建集团建设了荣成石岛湾核电站。 随着核电技术的发展,核电站的安全性和发电效率不断提升,一回路和蒸汽发生器 内的过热度不断提高。第三代 AP1000 一回路水可达 360℃/17.2MPa,第四代超临界 水冷堆和高温气冷堆蒸发器内将达到 560℃/24MPa。一回路水进入蒸发器内传热管, 将热量传递给二回路水产生蒸汽,最终带动汽轮机高速旋转发电。蒸发器的安全工 作是核电站正常运转的保证。


国外反应堆蒸发器选材经历了三个阶段:第一代核电技术主要选用 304 或 316不锈钢管;第二代核电技术选用了铁镍基合金 Incoloy 800(0Cr21Ni33AlTi)和镍基 合 金 Inconel 600(0Cr15Ni75) ; 第 三 代 核 电 技 术 选 用 了 镍 基 合 金 Inconel 690(00Cr29Ni60)德国多数核电站及我国秦山核电站采用了 Incoloy 800 合金,法国 多数核电站、我国大亚湾核电站、秦山二期、岭澳核电站及大部分在建的核电站均 采用了 Inconel 690 合金。这些合金在服役期间都出现了应力腐蚀问题,第四代核 电技术更苛刻的服役条件,也对蒸发器材料提出了更高的要求。

预计 2021 年核电高温合金的需求量在 2000 吨左右。为保证我国能源的长期稳 定供应、保障国家能源安全,核能是必不可少的替代能源。随着我国治理雾霾力度 加大,核电作为高效率清洁能源,其发展迎来契机。新华社 2021 年 3 月 13 日受权 发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲 要》(以下简称“十四五”规划),针对核电定调:“安全稳妥推动沿海核电建设”。 “现代能源体系建设工程”专栏对未来五年核电发展的技术选型、核燃料循环等进 一步指明方向:建设华龙一号、国和一号、高温气冷堆示范工程,积极有序推动沿海 三代核电建设。推动模块式小型堆、60 万千瓦级商用高温气冷堆、海上浮动式核动 力平台等先进堆型示范。根据中国核能行业协会数据,截至 2021 年底,我国在建核 电机组 16 台,总装机容量 1750.779 万千瓦。

碳中和概念的出炉,无疑加速了核电的发展,预计未来十年核电高温合金的增 量空间在七千吨左右。中国已承诺在 2030 年前实现碳达峰,可再生能源(风电、光 伏)总装机容量达到 12 亿千瓦;非化石能源占一次能源消费比重达到 25%。另两种 非化石能源是水电和核电。因主要河流梯级选址有限和生态顾虑,水电规模扩张已 经放缓,因此核电将是达到 25%目标的关键之一。国际电力网预测,到 2030 年,核 电发电量预计将占一次能源需求的 4%,总装机容量接近 1 亿千瓦,因而未来核电高 温合金的增量空间预计在七千吨左右。


2.3 化工新能源有望开辟新战场

由于石化设施设备对安全可靠性要求较高,且大多运行在高温、高压和高腐蚀等恶劣工况下,对工作在该环境下的不锈钢管相关性能有着较为严苛的要求。因此, 耐高温、耐高压、耐高腐蚀的高温合金是石化设施设备中重要的基础部件,尤其在 油气开采及炼油厂的烟气轮机中。

油气井:深井环境中条件恶劣,长期处于低 PH 值的酸性环境,每升溶液中最 高可含有 300g 氯化物。除此之外,深井空气中还可能会存在硫化氢、二氧化碳等, 最大气体分压可达 14MPa,在 0-218℃环境中许多材料都无法适用,目前应用最多的 依然是镍基高温合金。

烟气轮机:炼油厂催化裂化装置能量回收系统的核心机组,其中的烟气具有 98-196kPa 的压力及 650-750℃的温度,目前海外多用镍基合金,国内也常用钴基合 金及铁基合金。

我国石油目前进口缺口依然巨大,高品质油气开采正日益转向超深油气、页岩 油气、深水油气、煤层气等领域,高温合金的需求有望持续提升。2020 年 12 月,中 国石化集团经济技术研究院有限公司及伍德麦肯兹咨询公司发布了《2021 中国能源 化工产业发展报告》,指出“十四五”期间国内勘探开发投资持续加码,确保近 2 亿 吨的石油产量和 5%左右的国产气增速。石油和天然气开采业作为能源工业,是我国 重要的基础产业和支柱产业,在国民经济中具有极其重要的地位。其中 2021 年中国石油和天然气开采业单位数为 145 个,比 2020 年增加 20 个,行业营业收入为 9112.3 亿元,同比增长 36.5%,预计高温合金的需求将持续增长。


炼化装备升级转型关键期或将成为高温合金未来主战场。中国炼化行业将瞄准转型升级、高质量发展。一是加快炼油结构调整。以先进产能淘汰落后产能;提升炼 化一体化、合并减油增化,利用多产低碳烯烃和化工原料;与新能源汽车产业融合 发展,将加油站转变为“油气电氢”综合能源补给站。二是实现化工差异化、高端 化发展。优化烯烃产业链结构、提高芳烃产业链竞争力、突破高端材料技术瓶颈;拓 展化工原料多元化渠道,提升价值链空间。三是要重视技术创新,包括重油加工转 化技术、高端化工材料生产技术、塑料循环利用技术、炼化企业数字化技术(包括原 油分子信息库、智慧供应链、物流能量管理与优化、设备运行优化系统和智慧加油 站等)。近五年原油加工量稳步提升,2020 年达到 6.7 亿吨,四年复合增速达到 6.2%, 伴随炼油设备更新换代,高温合金的需求有望释放。(报告来源:未来智库)

3 供给端:中游寥若晨星,返回件领域格局未定
美国和英国等国从 20 世纪 30 年代后期就开始研究高温合金。在第二次世纪大 战期间为了满足新型航空发动机的需要,高温合金的研究和使用进入了高速发展。

40 年代初,英国研制出首例具有高温强度的镍基合金,并且美国在同一时期研 制出钴基合金以满足活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需求。在多年的发展下, 为适应航空发动机和其它领域对材料的耐热温度不断提高的需要,多种新型生产工 艺和高温合金种类被研制出来。目前,从全球范围来看,美国、英国、俄罗斯、日本 和中国等国家具备完整的高温合金研发和生产体系。


美国在高温合金研发以及制造方面一直居于世界领先地位,拥有多家具备独立 研发生产能力的高温合金企业,包括能够生产航空发动机用高温合金的通用电气和 普特拉-惠特尼公司。另外,英国的高温合金铸造技术也居世界一流水平,美国航空 发动机公司罗尔斯罗伊斯也研制出定向凝固合金和单晶合金。日本高温合金企业也 拥有先进的研发能力和技术水平,包括 JEF 钢铁株式会社和新日铁住金等在内的日 本企业在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高温合金和氧化物晶粒弥散强化高温合金 方面取得较大成绩,并且仍致力于研发新型高温合金。

我国的高温合金的研发生产起步较晚,从 1956 年开始仿制到目前的独创研发已经历经了六十多年。从 1956 年至 20 世纪 70 年代初,我国高温合金发展处于创业和 起始阶段,在本时期我国主要仿制前苏联高温合金为主体的合金系列,包括 GH4033、 GH4037、GH4049、K401 和 K403 等。此外,我国还针对缺少镍铬资源的情况研制出铁 镍基高温合金来进行替代。从 20 世纪 70 年代中至 90 年代中期,我国高温合金行业 进入提高阶段。本阶段,我国在仿制欧美发动机的过程中引进一系列欧美体系的合 金和技术,按照国外的技术标准进行研发和生产,并且参照国外的技术规范加强质 量控制和检测流程。研发成果方面,我国研制出包括高性能变形高温合金、定向凝 固合金和单晶合金在内的新合金类型。从 20 世纪 90 年代中至今是我国高温合金的 新发展阶段。这段时期,我国独立开发并应用新的生产工艺,并且研制和生产具备 高新能的高温合金,包括氧化物弥散强化高温合金、粉末高温合金、单晶高温合金 等。


3.1 国内高温合金新料各企业正独领风骚

国内现从事高温合金材料及高温合金精密铸件生产的企业数量有限,主要是基 于国家在计划经济时期规划的高温合金生产基地和研发基地,以及一些原航空工业 配套高温合金铸件的专业铸造单位。一类是以抚顺特钢、 宝钢特钢、长城特钢等特 钢企业为主的大型钢铁厂变形高温合金生产基地;另一类是以钢研总院、中科院金 属所、北京航材院为代表的研究、生产基地,如钢研高纳、中科三耐等。

供给端上市公司方面,高技术难度及严格的准入资质为高温合金构建了两道坚 实的壁垒。西部超导位于高温合金铸锻领域。由于军工体系的高准入标准,目前从 事变形高温合金的企业主要有 ST 抚钢、钢研高纳、图南股份及西部超导,从事铸造 高温合金的企业有钢研高纳、图南股份、应流股份、炼石航空及万泽股份,从事粉末 高温合金的企业有钢研高纳及西部超导。

高温合金的市场目前主要定位于航空航天等军工领域,而武器装备科研生产及 材料配套流程时间周期较长,定型后基本不会更换材料及设计方案,严格的准入资 质有助于加高端高温合金行业壁垒。

军用航空材料的开发通过参与军工配套项目的形式进行,一般而言,从资质认 证、参与预研到正式实现规模生产和批量供应,需要至少 6-7 年时间。此外,军工 企业在进行供应商筛选时,优先考虑可控:质量可控,供应可控,然后才考虑性能指 标(满足设计要求前提下择优)因素。

质量可靠性,航空航天军工产品由于要实现长达数十年的服役周期,质量 管控极为严格,使用单位对原材料的可靠性极为重视。


供应稳定性,军品研制过程的关键是技术状态控制,装备结束研制阶段后 会进行设计定型,定型方案中会细化到具体原材料的型号和供应商。因此, 已经设计定型的武器装备大多会一直使用选定的原材料和对应的供应商, 直至新项目立项或该型号停产。

性能先进性,航空航天及军工领域的指标通常由设计单位给出,由于装备 研制的特点,对先进技术使用有比例限制,因此量产型号通常优先考虑技 术成熟度而不是技术先进性。定型后的武器装备在没有新的研制项目时不 会随意更换性能更好的原料。

变形高温合金领域,抚钢、钢研高纳、图南股份及西部超导技术路线各不 相同,每家企业均开发独特工艺来提升产品性能。西部超导更多基于钛合 金的熔炼经验,建立起了数字化熔炼体系,以更快的完成合金成分设计及 锻造工艺改进,可大幅提高生产效率、降低容错率,一定程度上可降低成 本。考虑到项目投产后产能逐步释放,西部超导有望成为国内仅次于抚钢 的第二大变形高温合金供应商。

铸造高温合金领域,钢研高钠、图南股份、万泽股份、应流股份均有相关 产品,但各家技术路线差异巨大。

钢研高纳承接了多家主机厂和设计所多种新产品的研发任务。在某大尺寸型号 单晶合金及涡轮叶片上突破核心制备工艺,具备批量交付生产能力。此外,子公司 河北德凯作为公司轻质合金熔模铸件的研发生产基地,拥有 AS9100D 体系、CNAS 认 证,建立了独立的质量体系,布局近乎全部的在研及批产航空发动机型号,为开拓 国际市场提供了保障。


图南股份建立了完善的大型复杂薄壁件的精密铸造体系,形成了先进的近净型 熔模精密铸造技术,在国内率先实现直径大于 1000mm、壁厚小于 2mm 的大型高温合 金精铸件批量生产,铸件尺寸精度高、加工余量小、壁厚薄,形成了为航空发动机制 造企业稳定供货的能力。

应流股份高温合金叶片精密铸造项目通过全资子公司安徽应流集团霍山铸造有 限公司实施,项目建成后将形成年产 20 万件高温合金叶片,主要应用于航空发动机和燃气轮机领域,产品包括等轴晶叶片、定向单晶叶片、钛铝叶片等。项目总投资额 117680 万元,项目建设周期 2 年。公司已经取得 AS9100 国际宇航资质,关键工序通 过 NADCAP 国际认证,并已获得国内航空发动机高温合金叶片等部件承制单位资格。

万泽股份已建立超高纯度高温合金熔炼核心技术体系,主要生产镍基高温母合 金,该产品主要作为母材应用于镍基高温合金材料及构件的生产中。

粉末高温合金领域,目前粉末高温合金的企业有钢研高纳和西部超导,西 部超导的制粉设备及涡轮盘设备均为自主研发,并成功打破了国外垄断, 成为国内拥有该类型设备制造能力的企业。凭借着 IPO 项目产能的逐步释 放,西部超导有望冲击该领域龙头地位。除此之外,万泽股份也在深圳建立 材料研究院,主要涉及粉末高温合金设计及母合金熔炼、高纯度低氧含量 粉末制备以及热等静压包套设计、热等静压工艺设计优化、等温锻造等成 型过程工艺路线设计、模拟工作;粉末高温合金构件服役状态模拟及失效 分析;粉末高温合金热处理制度设计及优化;粉末高温合金构件寿命预测 及损伤容限设计;粉末盘件延寿等,目前已具备小批量粉末冶金盘件制备 生产能力。


3.2 国内高温合金返回料企业将逐鹿中原

随着航空发动机及和燃气轮机工业的不断发展,高温合金的使用量越来越多, 因此会产生大量返回料。为提高材料利用率、降低生产成本,返回料已被应用于高 温合金母合金的生产。高温合金返回料大体可以分为三类:浇道、冒口和报废铸件。

钢研高纳在专利号 111534713 B 指出,定向高温合金 DZ4125,由于含有高含量的钴、 钨、钽、铪等贵金属元素,新料母合金价格昂贵,达到 75 万元/吨,如果以含镍量 60%回收,返回料的价格仅为 5 万元/吨左右。目前返回料一般作为废品处理,一般 仅能回收其中的镍元素,其它贵金属元素都浪费了,而且还会给下游产品(如不锈 钢)的质量带来很大的不利影响。因此高温合金返回料的回收重新利用,大大提高 了材料利用率,降低了资源浪费,具有非常重要的意义。

根据江苏美特林科特殊合金股份有限公司专利披露,目前,国际上著名的高温 合金冶炼厂均大规模使用返回料,如 Special Metal、ATI、卡朋特公司、RollsRoyce 等对常用的高温合金返回料的利用比例高达 85%以上,平均为 60%左右。在国内高 温合金返回料处理和利用领域,抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢等可以利用内部产 生的块状返回料,尚没有大规模将返回料用于真空级别的冶炼中,平均返回料的使 用比例低于 20%。

以“返回料”为搜索关键词,知网显示一共 41 件涉及高温合金返回料专利。目前高温合金返回料技术正处于各大企业专利布局的起步阶段,各企业专注领域依然 有较大差异,各领域尚未出现绝对的龙头企业,因而各企业均有可能在各细分领域 中逐步布局并成长为龙头企业。


技术领域方面,熔炼过程备受关注,一共有 29 件专利涉及此领域;

时间上,2020 年及 2021 年(截止至 2021 年 10 月 17 日)是高温合金返回 料专利申请井喷的两年,2019 年前国内总计仅有 16 件专利,2020 年及 2021 年一共有 25 件专利;

合金种类上,GH4169 牌号所涉及专利最多,一共有 5 件专利涉及,其次是 K452 合金及 K418 合金,分别有 4 件专利涉及;

数量上,沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司拥有专利数量最多,已 申请 8 项专利,上市公司中抚顺特钢及钢研高纳均有 2 件,未上市公司中 航上大则拥有 3 件。

4 高温合金公司分析
4.1 抚顺特钢:老牌钢企涅槃重生

公司以特殊钢和合金材料的研发制造为主营业务,主要产品为高温合金、不锈 钢、工模具钢、合金结构钢等。1956年,公司成功冶炼出我国第一炉高温合金GH3030, 由此拉开了我国高温合金产业从无到有,从低级到高级,从仿制到独立创新的序幕。 2021 年公司实现营业收入 74.14 亿元,同比增长 18.21%,实现净利润 7.83 亿元, 同比增长 42.02%。

抚顺特钢研发费用及研发费用占比稳步增加,至 2021 年抚顺特钢研发费用支出 达 3.09 亿元,占总营收 4.17%,研发人员数量 896 人,占员工总人数的 13%。2021 年,公司继续深入推进新产品研发及产品质量攻关工作,获批国家课题 6 项,在研 科研课题共计 56 项,其中国防科工局课题 33 项,科技部课题 13 项,中科院课题 1 项,工信部课题 1 项,产学研及省、市级课题 8 项。

公司是中国最早的特殊钢企业之一,是我国东北地区唯一的特殊钢行业上市公司。公司具备雄厚的技术基础,拥有先进的冶金装备,长期承担国家大量特殊钢新 材料的研发任务。公司有高温合金、超高强度钢、特种冶炼不锈钢、高档工模具钢、 高档汽车钢、高速工具钢、钛合金、减速机、增速机行业用钢等各类产品 5400 多个 牌号特殊钢新材料的生产经验,以“高、精、尖、奇、难、缺、特、新”的产品发展 理念促进中国合金材料的发展,保证国家战略安全。公司的四大主打产品高温合金、 超高强度钢、特冶不锈钢、高档工模具钢在国内特钢行业具有一定的优势。公司产 品广泛服务于航空航天、国防军工、能源电力、石油化工、交通运输、机械机电、环 保节能等领域,是国内重要的特殊钢新材料供应商之一。

4.2 钢研高纳:铸造高温合金龙头

公司前身为北京钢研高纳科技有限责任公司,成立于 2002 年 11 月 8 日,2004 年经国务院国资委批准,由有限责任公司整体改制为股份有限公司。2009 年 12 月公 司成功登陆深圳证券交易所创业板,成为创业板第二批上市企业之一。

4.3 西部超导:高温合金新锐企业

公司主要从事高端钛合金材料、超导产品和高性能高温合金材料的研发、生产 和销售。公司是我国高端钛合金棒丝材、锻坯主要研发生产基地之一;是目前国内 唯一的低温超导线材生产企业,是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体 的全流程生产企业;也是我国高性能高温合金材料重点研发生产企业之一。

公司主要产品有三类,第一类是高端钛合金材料,包括棒材、丝材和锻坯等;第 二类是超导产品,包括铌钛锭棒、铌钛超导线材、铌三锡超导线材和超导磁体等;第 三类是高性能高温合金材料,包括变形高温合金、铸造和粉末高温合金母合金等。 公司产品以“国际先进、国内空白、解决急需”为定位,始终服务国家战略,补上了 我国新型战机、大飞机、直升机、航空发动机、舰船制造所需关键材料的“短板”。

4.4 图南股份:民营最红“中国芯”

公司主营业务为高温合金、特种不锈钢等高性能合金材料及其制品的研发、生 产和销售。公司拥有先进的特种冶炼、精密铸造、制管等装备,建立了特种熔炼、锻 造、热轧、轧拔、铸造的全产业链生产流程,自主生产高温合金、精密合金、特种不 锈钢等高性能特种合金材料,并通过冷、热加工工艺,形成了棒材、丝材、管材、铸 件等较完整的产品结构,是国内少数能同时批量化生产变形高温合金、铸造高温合 金(母合金、精密铸件)产品的企业之一。

4.5 应流股份:两机业务奠定未来

公司是专用设备零部件生产领域内的领先企业,主要产品为泵及阀门零件、机 械装备构件,应用在航空航天、核电、油气、资源及国防军工等高端装备领域。公司 专注于高端装备核心零部件的研发、制造和销售,制造技术、生产装备达到国内领 先水平,产品出口以欧美为主的 30 多个国家、近百家客户,其中包括通用电气、西 门子、卡特彼勒、斯伦贝谢等十余家世界 500 强企业和艾默生等众多全国行业龙头。 近年来,公司贯彻“瞄前沿、补短板、重创新、上高端”发展理念,围绕国家重大装 备迫切需求,推进“产业链延伸、价值链延伸”,加大技术创新,加快转型升级,在 高端部件、核能材料和航空科技领域迈出坚实步伐。

2020 年公司实现营业收入 18.33 亿元,同比下降 1.47%;实现归属母公司股东 的净利润 2.02 亿元,同比增长 54.28%。2020 年研发费用达 2.24 亿元,同比下降了 6.79%,主要原因在于公司在维持新产品开发节奏的同时,整体的技术和工艺水平有 所提升,节约了一部分研发费用。

公司全资子公司安徽应流集团霍山铸造有限公司成立于 2003 年 6 月 10 日,注 册资本 180,000 万元,经营范围:研发、生产、销售航空发动机和燃气轮机零部件,核电设备零部件,先进火电设备零部件,油气钻采和炼油化工装备零部件,海洋工 程装备和高技术船舶零部件,工程矿山设备零部件,机车车辆和动车组零部件;泵、 阀门、仪表和其他通用机械零部件;关键智能基础零部件;高性能高温合金、高品质 钛合金,金属基复合材料及制品,金属粉末材料及粉末冶金制品,金属粉体材料及 增材制造零部件;碳钢、合金钢、不锈钢及特殊钢、铁基高温合金、镍基高温合金、 钴基合金、钛及钛合金、铝基铝合金铸锻件制造、加工及技术开发;铸造用原辅材 料、金属材料和非金属材料批发;生产性废旧金属批发;复合屏蔽材料(包括柔性屏 蔽材料)生产、销售。


4.6 万泽股份:院厂结合快速突破

万泽股份专注高温合金材料和核心部件的研发制造,致力于研发、生产具有自 主知识产权和国际竞争力的精密铸造叶片、高温合金粉末盘件、高温母合金及其合 金粉末等。(1)已建立超高纯度高温合金熔炼核心技术体系,主要生产镍基高温母 合金;该产品主要作为母材应用于材料及其构件的生产中,如粉末冶金制粉、高温 合金铸造等;(2)已建立超高纯度粉末冶金制粉核心技术体系,主要是将镍基高温 母合金进行液态金属雾化,来完成高温合金粉末的制备,主要用于制造发动机的涡 轮盘、压气机盘、鼓筒轴、封严盘、封严环、导风轮以及挡板等高温承力转动部件; (3)已掌握精密铸造叶片核心技术,并成功使用自主研发的镍基高温母合金试制出 高品质的等轴、定向及单晶涡轮叶片,相关产品已应用于航空发动机、燃气轮机航 天动力、机车动力等产业;(4)已掌握高温合金粉末涡轮盘件、篦齿盘等构件制备 的核心工艺及其参数控制技术,成功研制并交付第二代高温合金粉末盘件并通过装 机长试考核。

4.7 中航上大:守正创新强军富民

中航上大高温合金材料股份有限公司成立于 2003 年 9 月,总资产 20 亿元,占 地 466 亩,位于河北省清河经济开发区,是我国军工和高端装备制造业关键性基础 材料的重要生产研发基地,是一家央企参股的混合所有制企业。中航上大实行全面 质量管理,军工生产资质齐全,已通过 ISO 9001 质量管理体系认证、ISO 14001 环 境管理体系认证、ISO 45001 职业健康安全管理体系认证、AS 9100 航空航天质量管 理体系认证、美国石油协会(API)质量管理体系认证、英国劳氏质量管理体系认证、 欧盟 AD2000-W0 和 TUV SUD PED 2014/68/EU 认证等。中航上大以材料兴国为崇高使 命,以强军富民为精神寄托,以守正创新为立身之本,以精准严谨为行为准则,致力 于成为国家关键战略材料保障基地和全球高端装备制造核心材料顶级供应商,全力 推动我国高端装备制造业高质量发展。

中航上大拥有国际先进的特种冶炼能力,主要生产设备包括三联真空冶炼工艺 生产线、30 吨超高功率电炉/30 吨电炉/AOD/LF/VOD 精炼生产线、60MN/25MN 快锻生 产线、450/320 高温合金径向压延生产线、冷拔生产线等,可年产高温合金、耐蚀合 金、超高强度钢、精密合金、特种不锈钢、高档工模具钢等材料 12 万吨,广泛应用 于航空、航天、船舶、兵器、核电、石油、化工、汽车、电子、海洋工程等领域。

4.8 江苏奇纳:致力于特种母合金

江苏奇纳新材料科技有限公司是一家专业从事高温合金母合金、高温合金丝线 材等特种金属材料生产和研发的国家高新技术企业。公司联合东北大学、上海交通 大学、中科院金属所等科研院所,加大科研力度,为航天军工、能源电力、增材制 造、医疗器械、石油化工等行业用户提供优质的高温合金合金母材和丝线材等产品。 公司总投资 15000 万元,公司员工 80 余人,公司通过 IS09001 质量管理体系认证, 武器装备质量管理体系认证,航空质量体系认证,是全国“创新创业大赛”优秀奖企 业、江苏省瞪羚企业、江苏省军民融合示范企业。公司建有江苏省高温合金材料工 程研究中心,江苏省增材制造高温合金材料工程技术研究中心,是国家核电材料发 展联盟理事单位、江苏省增材制造协会常务理事单位,拥有授权专利 32 项,其中发 明专利 10 项。公司拥有国家级引进人才 1 名,江苏省双创人才 2 名。公司先后承担 国家重点攻目、省重点研发、省军民融合示范、市科技成果转化等多个项目,已完成 两轮股权融资。

根据公司微信公共号披露,公司拥有美国进口 Consarc-1000KG 真空熔炼炉、 Consarc-3000KG 真空熔炼炉,具备高频加热/工频搅拌等功能,保证了材料的均匀性, 减少高温合金的成分偏析,精炼真空度低于 1Pa,极大地减少了材料的杂质和含气 量。此外,公司建有江苏省高温合金材料工程研究中心,江苏省增材制造高温合金材料工程技术研究中心,拥有的成分分析设备包括 ICP、美国 leco 公司的碳硫仪、 氧氮分析仪,同时建有化学成分分析室,力学性能分析设备包括疲劳测试仪、高温 蠕变设备以及微观金相分析设备。

近年来,公司非常重视科研创新,年均研发费用占比超过 10%。公司目前主要开 展超高纯净高温合金熔炼技术,高温合金真空连续铸造技术,返回料/返回粉循环利 用技术、高温合金电磁增塑拉拔技术。在高温合金、3D 打印金属、生物医用合金、 电热合金等领域开发系列产品,为多家上市公司提供优质的特种金属材料。

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