高溫合金行業深度研究報告：金屬新材料優質賽道

1 高溫合金：環境條件中的最佳金屬新材料

長期以來，金屬材料一直是最重要的結構材料和功能材料之一，其力、熱、電 磁、光、聲等指標決(jue) 定了應用領域。按照化學成分，金屬材料可分為(wei) 純金屬材料和 合金材料，前者主要由一種金屬元素組成，後者由一種基體(ti) 元素和一種以上的金屬 元素和/或非金屬元素所組成。由於(yu) 合金材料中其他元素的加入，基體(ti) 金屬的性能往 往會(hui) 得到大幅改善，因而金屬新材料多以合金的形式應用。

結構材料：製造構造整體(ti) 、實現運動和傳(chuan) 遞動力的結構件，一般以力學性能 指標來評價(jia) ，偶爾會(hui) 提出抗腐蝕、抗氧化等物化性能等要求。

功能材料：利用其對外部環境的敏感反應來實現信息處理和功能轉換，一 般以熱、電磁、光、聲等物理指標來評價(jia) ，偶爾提出一定的力學性能要求。

從(cong) 金屬材料被製成零部件服役的流程來看，主要分為(wei) 采礦、冶煉、加工等環節。 零部件的全壽命過程較長，任何一個(ge) 流程都不能作為(wei) 金屬零部件的絕對主導因素， 上遊的流程勢必會(hui) 對下遊流程產(chan) 生一定的影響，因而對於(yu) 金屬材料而言，產(chan) 業(ye) 鏈聯 動效果較強，每一環節都可能誕生一批實力的優(you) 質公司。

相比於(yu) 常用的鋁合金、鈦合金及鎂合金，高溫合金更適應更高的溫度（600℃） 和腐蝕嚴(yan) 重的服役環境。高溫合金種類繁多，不同類型的合金特點各異，應用領域 也大相徑庭。按核心基體(ti) 元素的劃分標準，高溫合金可分為(wei) 鐵基高溫合金、鎳基高 溫合金和鈷基高溫合金等。我國由於(yu) 鎳、鈷等資源相對貧乏，50 年代便開始鐵基合 金的研究，但鐵基合金使用溫度較低，應用領域受到限製。鈷基合金具有優(you) 異的抗 熱腐蝕性、抗熱疲勞性，以及良好的鑄造和焊接性，適合作為(wei) 導向器的材料，但鈷資 源被剛果（金）壟斷，資源的稀缺造成其價(jia) 格昂貴，鈷基合金生產(chan) 和使用受成本限 製。相較而言，鎳基合金使用溫度較高、價(jia) 格相對較低，具有顯著的性價(jia) 比優(you) 勢，目前鎳基合金占據高溫合金市場近 80%的份額。

1.1 變形高溫合金：先用於(yu) 航空發動機的高溫合金類型

變形高溫合金是先用於(yu) 航空發動機的高溫合金，目前已是用量大、品種多的一類高溫材料。變形高溫合金是經過鍛造、軋製、墩粗和冷拔等塑性變形工藝 和熱處理支撐的一類高溫材料，以渦輪盤為(wei) 主要應用領域，按照渦輪盤使用溫度， 變形高溫合金大致可劃分為(wei) 五代。

合金成分設計、熔煉、加工及熱處理等工藝成為(wei) 提升變形高溫合金性能的核心 戰場。

合金成分方麵，傳(chuan) 統“試驗-修正”實驗方式已不合適，數值模擬快速發展 變形高溫合金合金化程度較低，因而發展初期合金成分設計十分關(guan) 鍵，目前高 溫合金中的元素共有十多種，可分為(wei) 三類：第一類，優(you) 先形成塑性性能好的奧氏體(ti) 的元素，包括 Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W、V 等；第二類，進入基體(ti) 形成γ'相強化相的 元素，包括 Al、Ti、Nb、Ta 等；第三類，原子直徑大小不固定，常偏聚在晶界導致 晶界偏析的元素，有 Pb、Sn 等。合金成分設計的原則主要在於(yu) 控製有害相析出、促 進有利相生成，以保證高溫合金的高溫強度。隨著高溫合金的發展，各元素優(you) 化性 能的理論及數據庫都日趨完善，相關(guan) 模型相繼建立，如電子空穴理論與(yu) 相計算、d 電 子合金理論與(yu) 新相機算、多元線性回歸及人工神經網絡等，為(wei) 計算機輔助設計變形 高溫合金成分打下了堅實的基礎，同時減少了實際實驗次數以降低合金成本。

熔煉工藝方麵，三聯法漸成主流方法

通常合金化程度較高的變形高溫合金采用真空感應爐熔煉成電極棒後，再經電 渣重熔去除真空感應熔煉電極中的夾雜物，以改善純淨度，為(wei) 後續真空自耗爐提供 致密、無缺陷的電極，以提高重熔過程的穩定性，降低合金的宏觀偏析。目前該法已 逐漸成為(wei) 高合金化變形合金擴大錠型、消除低倍缺陷和提高質量的主要措施。

變形工藝方麵，相比鑄造及機加工，鍛造加工出的合金綜合性能好

高溫合金的變形工藝是合金在外力作用下，通過塑性變形，形成具有一定形狀、 尺寸及力學性能的型材、毛坯和零件的加工方法，可分為(wei) 冷加工和熱加工，個(ge) 別采 用溫加工。冷加工方麵主要指絲(si) 材拉絲(si) 、管材冷拉冷拔及薄板的冷軋，熱加工則包 括鍛造、焊接等，主要可以細化晶粒、均勻組織及消除鑄造缺陷，可大幅改善高溫合 金的力學性能，其中鍛造熱加工工藝是變形高溫合金的主要手段。

隨著下遊應用環境的愈發嚴(yan) 苛，變形高溫合金的強度要求愈發嚴(yan) 格，因而添加 的元素總量隨之提高，組織結構愈發複雜，造成了零件加工變形抗力的提升，給鍛 造工藝帶來了極大的困難。

熱處理工藝方麵，正確的工藝可使合金最大限度發揮作用

化學成分和組織結構是決(jue) 定合金性能的關(guan) 鍵所在，合金成分、熔煉工藝及變形 工藝確定後，合金性能往往依然無法滿足需求，熱處理工藝是最後的補足手段。然 而合理的熱處理工藝必然需要對合金的組成、相的穩定性及性能要求擁有深入的了 解，尤其是鎳基高溫合金不易在加熱過程控製（調整）晶粒大小，因而熱處理工藝是 構建變形高溫合金護城河的關(guan) 鍵所在。

1.2 鑄造高溫合金：被廣泛應用於(yu) 燃氣輪機渦輪葉片部位

同成分的鑄造高溫合金要比變形高溫合金使用溫度提高 10-30℃。鑄造高溫合 金由合金錠重熔後直接澆注或定向凝固成零件，因其可通過精密鑄造或者定向凝固 工藝科直接成型，因而無需考慮鍛造變形性能，合金元素總量要顯著高於(yu) 變形合金， 持久強度、抗拉強度及使用溫度均有大幅提高。按照凝固方法可分為(wei) 等軸晶鑄造高 溫合金、定向凝固高溫合金及單晶高溫合金三類。

1943 年美國在渦輪噴氣發動機選用鑄造高溫合金 HS-21 替代變形高溫 合金 Hastelloy-B，開創了鑄造高溫合金的先例；

20 世紀 50 年代，真空熔煉技術出現，合金中有害雜質和氣體(ti) 去除，合金成 分得到精確控製，IN100、BI900 等紛紛出現；

20 世紀 60 年代，定向凝固技術的發展，促進了定向柱狀晶和單晶高溫合金 的蓬勃發展，航空發動機的使用溫度達到 1700℃以上。

隨著工業(ye) 的發展，內(nei) 燃機葉片需要滿足更高的工作溫度和強度要求，以及葉片 結構複雜程度的增加，致使通過鍛造成型的變形高溫合金已無法滿足要求，鑄造高 溫合金孕育而生。與(yu) 航空發動機渦輪葉片相比，燃氣輪機渦輪葉片的材料對耐久性、 抗腐蝕性要求更高，使得航空發動機渦輪葉片材料不能直接用於(yu) 燃氣輪機渦輪葉片。 燃氣輪機渦輪葉片長時間連續工作在高溫、易腐蝕和複雜應力下，工作環境十分惡 劣，因此，隻能通過高度的合金化不斷增強合金的高溫綜合性能。

燃氣輪機葉片材料及其成形技術研究和產(chan) 業(ye) 化已有 60 多年的曆史，20 世紀 40— 50 年代，渦輪葉片以變形鈷（Co）基和鎳（Ni）基高溫合金為(wei) 主要用材；50 年代中 期，隨著真空冶煉技術的商業(ye) 化，開始研究鑄造鎳基合金；60 年代，精密鑄造技術 成熟，使得複雜葉片型麵及冷卻通道設計變為(wei) 可能，通過添加合金元素改善材料的 組織結構，提高了鑄造高溫合金的高溫強度，使燃氣輪機的入口溫度大幅度提高； 70 年代，定向凝固柱晶高溫合金開始用於(yu) 航空發動機葉片；到了 90 年代後期，定向 凝固柱晶和單晶高溫合金開始用於(yu) 重型燃氣輪機動葉片。通過定向凝固技術，將渦 輪葉片的組織由傳(chuan) 統的等軸晶改進為(wei) 定向柱晶，能夠大大提高渦輪葉片的高溫性能。 尤其是單晶葉片，在定向凝固的過程中消除了葉片晶界，極大地提高了其高溫蠕變 性能，且高溫組織穩定，綜合性能好。目前，大尺寸單晶空心高溫合金葉片材料及無 餘(yu) 量精密鑄造技術是重型燃氣輪機葉片製造技術的標誌。