一文读懂高温合金
高温合金材料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。
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。
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。
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%。
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
不同机型对高温合金需求预测
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。
民用航空发动机
2016 年7 月11 日，波音公司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
我国民航发动机市场也十分广阔，根据波音公司预测，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
民用航空发动机
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，据罗罗公司2013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
国外领先厂
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。
来源：材料科学与工程
什么是高温合金？
本期内容：
高温合金是一类能够在高温下保持优异机械性能、抗氧化性和抗腐蚀性的合金材料，广泛应用于航空航天、能源、石油化工和汽车等领域。这些合金主要由镍、铁和钴等金属元素组成，通常添加铬、钼、钨、铝、钛和铌等元素以增强其性能。
一、分类高温合金主要分为以下三类：
1. 镍基高温合金
特点：在高温下具有优异的强度、抗氧化性和抗腐蚀性。广泛用于航空发动机涡轮叶片和燃气轮机部件。
常见合金：Inconel、Hastelloy、Nimonic。
2. 铁基高温合金
特点：成本较低，适合中等温度范围的应用。主要用于制造工业燃气轮机和化工设备。
常见合金：Incoloy、A-286。
3. 钴基高温合金
特点：在高温下具有优异的抗疲劳性和抗氧化性，常用于制造航空发动机和燃气轮机的高温部件。
常见合金：Haynes、Stellite。
二、组成元素及作用1. 镍（Ni）：提供高温强度和抗氧化性。
2. 铁（Fe）：主要用于铁基高温合金，提供基体强度。
3. 钴（Co）：增强高温强度和抗腐蚀性。
4. 铬（Cr）：提高抗氧化性和抗腐蚀性。
5. 钼（Mo）和钨（W）：提高高温强度和硬度。
6. 铝（Al）和钛（Ti）：通过形成γ'相（Ni3(Al,Ti)）增强合金的沉淀硬化效果。
7. 铌（Nb）：形成强化相，提高高温强度。
三、性能特点1. 高温强度：超级合金可承受极热，保持其他金属会变弱的强度和稳定性，使其成为航空航天和发电的理想选择。
2. 抗氧化性：在高温环境中具备良好的抗氧化能力，防止材料表面形成氧化层。
3. 抗腐蚀性：这些材料具有出色的抗氧化和腐蚀性能，确保在恶劣的化学或海洋环境中的使用寿命和可靠性。
4. 抗疲劳性：它们具有高抗拉强度、屈服强度和疲劳强度，这意味着它们可以承受严重的磨损而不会失效。
5. 热稳定性：在高温下能够保持结构和性能的稳定。
6. 良好的表面稳定性：高温合金在高机械应力和高热循环下仍能保持其表面完整性，从而减少维护需求。
四、应用01航空航天
发动机涡轮叶片：需要材料在高温高压下具有高强度和抗氧化性。
燃气轮机部件：要求材料在高温下具有优异的抗疲劳性和抗腐蚀性。
02能源
燃气轮机：用于发电设备中，需要材料在高温下长期稳定运行。
核反应堆：高温合金用于核反应堆的结构部件，要求高温强度和抗辐射性能。
03石油化工
化工设备：如换热器、反应器和管道，要求材料在高温和腐蚀性介质中稳定运行。
04汽车
涡轮增压器：高温合金用于制造汽车发动机的涡轮增压器部件，要求高温强度和耐久性。
05化工加工
超级合金可抵抗反应容器、泵和阀门中的化学降解，并承受恶劣的物质和温度。
五、加工和制造01铸造
单晶铸造：用于制造高温涡轮叶片，具有优异的高温性能。
定向凝固铸造：控制晶粒的生长方向，提高材料的高温强度和抗疲劳性。
02锻造
用于制造高温合金锻件，具有优异的力学性能和致密性。
03粉末冶金
通过粉末冶金技术制造复杂形状的高温合金零件，具有均匀的组织和优异的性能。
04机械加工
高温合金的加工难度较大，需要使用合适的刀具材料和加工参数，以保证加工质量。
高温合金是关键工业领域不可或缺的材料，具有优异的高温强度、抗氧化性、抗腐蚀性和抗疲劳性能。根据具体应用需求，选择合适的高温合金种类和加工工艺，可以显著提高设备和部件的性能和寿命。
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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/公司
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