100大潜力新材料——高温合金
上榜理由
航空发动机必不可少的材料，进口替代市场前景广阔
高温合金是航空发动机必不可少的材料，在世界先进航空发动机研制中，高温合金用量已占到发动机总量的40%-60%，我国高温合金行业长期处于供不应求的状态，年市场缺口近1万吨，军用航空发动机高温合金约有40%依赖进口，进口替代市场前景广阔。
材料简介
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。
高温合金中，铁基高温合集使用温度较低，在750~780℃之间，而镍基和钴基合金的使用耐热温度较高，其中镍基高温合金在航空航天领域应用广泛。
应用领域
飞机涡轮叶片、导向叶片、燃气轮机、涡轮盘以及燃烧室…
发展历程
1936年，英、德、美等国开始研究高温合金
1941年，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，研制成具有较高的高温强度的镍基合金
1942年，美国使用Vitallium钴基合金制作涡轮增压器叶片
1956年，A-286和Incoloy901等牌号铁基高温合金相继诞生
1956年，国内开始仿制前苏联高温合金为主体的合金系列
1975年，国内试制欧美型号的发动机，提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制
1996年至今，国内应用和开发了一批新工艺，研制和生产了一系列高性能、高档次的新合金
行业发展目标
《中国制造2025》中提出，高温合金的发展要突破低成本规模化生产技术，要突破第四代粉末、单晶、点阵材料等新一代高温合金关键技术，打通先进高温合金制备工艺流程；国产高代次涡轮盘和单晶叶片等高温合金产品形成稳定供应能力，满足航空发动机与燃气轮机重大专项对高温合金材料的需求。
市场规模预测
据Allied Market Research的统计及预测数据显示，2019年全球高温合金的市场规模为62亿美元，预计到2027年将增长至92亿美元，2020-2027年的复合年增长率为8.7％。
主要研究单位/Co
国内：钢研高纳、抚顺特钢、宝钢特钢、中国航发、万航模锻、万泽股份、图南股份、钢铁研究总院高温材料研究所、北京航空材料研究院、中科院金属所、北京航空航天大学、北京科技大学、W北工业大学…
国外：美国GE、PW、Haynes Stellite、Inco Alloys International、Cannon-Muskegon、Westinghouse、Cabot、Martin Marietta、Standard Pressed Steel、Whittaker、Special Metal、Universal-Cyclops Steel、Howmet、Pratt & Whitney、俄罗斯United Aircraft Company、加拿大Mond Nickel Company…
以上排名不分先后，部分名称为简称
应用案例
航空航天：飞机引擎、航天推力发动机、涡轮叶片…
发动机
图片来源：图虫创意
发动机燃烧室
图片来源：图虫创意
涡轮叶片
图片来源：图虫创意
能源领域：天然气开采管路…
天然气开采
图片来源：图虫创意
高温合金在哪些领域用得最多？
高温合金凭借优异的抗氧化和抗热腐蚀性能在航空发动机、汽车发动机、燃气轮机、核电、石油化工等多个领域广泛应用。
尖端工业材料高温合金
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>>>>特性
所谓高温合金，即能在600℃以上高温及一定应力作用下长期工作的一类合金。高温合金材料相比于传统金属，在性能上具有高温高强；良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；良好的抗疲劳性能、断裂韧性、良好的弹塑性。
高温合金性能特点
>>>>分类
高温合金大体上有三种划分方式：根据基体元素种类、根据合金强化类型和根据材料成型方式。
高温合金分类
>>>>制备工艺
高温合金产品以非标准化为主，因此生产工艺较为复杂，但基本可以可分为三个步骤：熔炼、铸造和热加工，粉末冶金工业则将铸造工艺替代为热压。
各种高温合金的工艺生产流程
>>>>应用
高温合金凭借优异的抗氧化和抗热腐蚀性能在航空发动机、汽车发动机、燃气轮机、核电、石油化工等多个领域广泛应用。
高温合金下游应用领域
在众多应用领域中，航空航天仍然占据最重要地位，占需求总量的55%，其次是电力行业，占比达20%。
高温合金应用领域市场占比
高温合金市场需求预测
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>>>>航空发动机
高温合金从诞生起就应用于航空发动机，在现代航空发动机中，高温合金材料主要用于四大热端部件：燃烧室、导向室、涡轮叶片和涡轮盘，此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。
高温合金在航空发动机上的应用
高温合金材料的用量占发动机总重量的40-60%，在先进发动机中这一比例超过50%甚至更多。
不同机型对高温合金需求预测
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民用航空发动机
2016 年7 月11 日，波音Co在范保罗航展首日发布最新版 《当前市场展望》，预测未来20 年全球需要39,620 架新飞机，该数字较去年预测增加4.1%。
2016-2035年全球民航飞机需求
由于不同机型的发动机所需的高温合金占比不同，根据测算，未来二十年全球民航各类型新机航空发动机，对高温合金的总需求为42.7 万吨。
民航不同机型对高温合金需求
2016-2035全球民航飞机高温合金需求
而我国民航发动机市场也十分广阔，根据波音Co预测，到2032 年，中国新增的飞机数量超过5580架，预计我国民用航空对高温合金的需求量将超过3.8万吨。
到2032年我国民航对高温合金需求预测
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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
>>>>燃气轮机
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。
燃气轮机结构示意图
燃气轮机的应用分为发电用燃气轮机领域和舰船用燃气轮机领域，主要以后者为主，在军用领域，有75%以上的海军主力舰艇采用燃机动力。
全球舰船用燃气轮机市场分布情况
对于全球燃气轮机高温合金市场而言，据罗罗Co2013年预测，未来二十年，作为舰船动力的燃气轮机的市场需求达到2700亿美元，相应的服务需求达1250亿美元，市场空间广阔。
我国目前大约只有10艘主力舰艇使用燃气机，国产舰船用燃气轮机的技术问题已经得到解决。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
>>>>汽车涡轮增压器
汽车废气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。目前，我国涡轮增压器生产厂家所采用的涡轮叶轮多为镍基高温合金涡轮叶轮，它和涡轮轴、压气机叶轮共同组成一个转子。
汽车涡轮增压器
据 cnii报道，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
>>>>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，数值24亿元。
>>>>其他领域
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。
国内外高温合金厂商概况
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>>>>国外领先厂商
目前，每年全球对高温合金材料的消费将近28万吨，市场规模达到100亿美元。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、俄、英、法、德、日等国。
国外主要高温合金生产企业
>>>>国内主要高温合金厂商
我国高温合金的研发起步于20世纪60年代，形成独有的合金体系，并且取得了明显的进步，到目前已经成立了众多的生产和科研单位，并已具备变形高温合金、铸造高温合金的生产基地与高端高温合金材料的生产研发基地。
能耐得住1100℃的高温合金，却扛不住这几把刀
高温合金作为能在760℃~1500℃及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，不仅具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，还具有良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，是汽车、机车、轮船、石化、航空、航天等驱动装置热端部件的关键材料。
因其应用的特殊性，所以其工作环境处于高温、高腐蚀、高磨损的恶劣工作环境。
而高温合金的性能、规模及加工精度直接冲击性能航空发动机、舰船、火车、汽车涡轮增压器叶片及各类工业燃机叶片等的质量。所以客户对产品质量的可靠性、使用的安全性等均存在较为苛刻的要求。要实现优质、高效的加工，一定离不开优质的刀具。今天，就给大家介绍几款加工高温合金的刀具，助力大家切出完美的高温合金。
高温合金加工利器高温合金被广泛地用来制造航空喷气发动机的最热端部件，它能承受高达1100℃的高温，所以人们称高温合金为发动机的心脏。涡轮盘是航空发动机涡轮、燃烧室和压气机3大关键部件的核心零件，其性能直接决定发动机的整体性能，它在燃烧室内受到高温高压气体推动，将气体的热能转化为转子部件的机械能，从而驱动发动机高效工作，所以用于气体密封的封严齿就尤为的重要，由于封严齿齿厚薄、宽度窄、表面质量要求高，给加工带来了极大的困难与挑战。
专用于封严齿高效安全加工的利器：CoroCut 1-2封严齿切槽刀
特点和益处专为高温合金材料封严齿加工而设计的CoroCut 1-2硬质合金和CBN镶尖刀片能够满足在航空发动机涡轮盘上加工小封严齿以及具有挑战性的槽特征的需求，从而为客户提供实现强大加工所需的额外空间。
CoroCut 1-2是一项能够确保稳定的切屑控制和加工安全性的强大的解决方案
由山特维克可乐满与燃气轮机制造商合作开发而成
经过验证的槽型和材质能够实现安全可靠的加工，并确保被认可的表面完整性和出色的表面质量。
专利CoroCut导轨接口可确保安装安全性
采用高精度冷却的CoroTurnSL70刀板能够提供稳定的通用解决方案和良好的切屑控制
周边精磨硬质合金刀片可确保锋利的切削刃和精度
CBN材质可确保出色的表面质量、高速加工和长时间连续切削
摆线车摆线车是山特维克可乐满独有的一项专利加工策略，在该策略中，刀具从两侧切入工件，从而实现切屑控制并按照更精确的几何尺寸进行加工。这种方法利用刀片的整条前刃线，并不断地改变刀片与材料之间的接触点，使用非线性刀具路径仿形切削能够实现优化的切屑控制、均匀的切削磨损，并避免产生内在应力。
益处比扎槽或坡走车工序更高的生产率
更高的安全性和更长的刀具寿命
更少的走刀次数
连续生产有保证、受控且可预测的刀片磨损
山高MS2050高温合金铣削材质
镍基高温合金在航空航天应用极为广泛，飞机发动机中超过50%的重量是镍基合金制造的。由于高温合金材料具有高强度、加工硬化和粘附硬化特性，导致在Max切削深度处产生沟槽磨损，并使切削刃处于极为恶劣的磨蚀性环境中，因此对刀具及加工策略具有较为严苛的要求。
MS2050是一种高性能的铣削材质，具有良好的耐化学和机械磨损性能。通过避免刀片和工件材料之间的反应、并提高刀片的韧性，MS2050可延长加工高温合金时的刀具寿命，从而提高生产率。
独特的新涂层可有效避免化学反应该涂层由山高F40M涂层和银色的NbN（氮化铌）新表层所组成。镍是最常见的磨损因素，通常会降低刀具寿命，而该表层不与工件材料发生化学反应。此外，切屑流向控制也得到了很大的改善。涂层还可以很好应对使用冷却液带来的温度变化。由于该涂层能在高温下正常工作，因此可以提高切削速度，从而提高生产率。
MS2050的基体可以承受在切削区域
产生的高机械载荷该基体由细颗粒的碳化钨和高含量的钴组成，与F40M相比，该材质具有更高的韧性。结合高温耐磨涂层，MS2050是山高在大多数工况下铣削高温合金的首选材料。
与F40M相比，MS2050铣削材质更硬、更耐磨，允许在加工时提高速度及进给量，同时提供可预测和改善的刀具寿命。
MS2050 – 涂层和基体材质PVD 微晶镀层 (粉末颗粒尺寸 1,2μm)
涂层总厚度3μm
NbN氮化铌镀层
– 银白色表面涂层
– 避免高温下与工件材料间的化学反应
高韧性基体
– 新的基体构成
– 与F40M相比韧性和耐磨性均有改善
加工案例机床：DMG DMU125P 五轴加工中心
主轴：BT50 / 内冷
工件：航空发动机机匣
材料：Inconel718 (S3)
1、粗铣机匣凸台面、环带面刀体：R220.29I-0080-06.7A (Dc80; Z7)
刀片：RPHT1204M0T-6-M13, MS2050
刀柄：E3416 5525 2755
加工参数：
Vc=35m/min; fz=0.17mm/齿; ap=1.5mm; ae=80mm
S139; F166
结果：
金属去除率 Q = 19.9cm3/min
刀片寿命 T = 50 min
2、精铣外形面
铣刀：R220.69-0080-12-7AN (Dc80; Z7)
刀片：XOEX120408ZZR-M07, MS2050
XOEX120408R-M07, MS2050
刀柄：E3416 5525 2755
加工参数：
Vc=32m/min; fz=0.22mm/齿; ap=0.5mm; ae=80mm
S127; F196
结果：
金属去除率 Q=7.8cm3/min
刀片寿命 T=40min
欧士机陶瓷铣刀
近年来，高温合金被广泛应用在航空航天、动力能源技术上，但是高温合金熔点高、热传导率低、加工硬化严重的特点使得它的切削工具选择条件颇为苛刻。欧士机针对加工材料的特点推出陶瓷铣刀（Ceramic End Mill）来解决切削难题。
本款铣刀采用了即使在高温环境下也能高速加工的陶瓷材料，是一款超越硬质合金的高效铣刀。分为外周刃型和底刃型。
加工案例外周刃型（CM-RMS）
OSG的CM-RMS寿命明显较高，并且OSG的CM-RMS积屑少，仍能够继续使用。
底刃型（CM-CRE）
OSG的CM-CRE不受加工机械的Max转速限制，可达到最佳的切削速度，同时金属去除率也极高。
强不强，大家怎么看？