高温合金产业研究:产业升级和国内替代加速产业发展

(报告出品方/作者:方正证券,鲍学博)

1 高温合金分类与用途

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,其具有优异的高温强度、良好的抗 氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能,又被 称为“超合金”。 高温合金按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基 高温合金。镍基高温合金的应用范围较广,需求量约占高温合金的 80%。 高温合金按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金 高温合金,其中,变形高温合金约占高温合金总需求的 70%,铸造高 温合金约占 20%,粉末高温合金约占 10%。

1.1 变形高温合金:需求量最大,应用广泛

变形高温合金的热加工塑性较好,可以在锻轧机械的外力作用下塑性 变形为特定形状和尺寸的锻件和型材,在固溶、时效状态下的高温强 度优异,其需求量约占高温合金的 70%,在航空、航天、核工程、能 源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域应用广泛。 不同的变形高温合金牌号对应的化学成分存在差异,针对航空航天、 舰船、能源电力、燃气轮机、石油石化等不同用途,其所侧重的使用 性能也不同,主要的性能要求有高温热稳定性能、抗疲劳蠕变性能、 抗腐蚀性能、力学及机械加工性能等。

国内最为常用的变形高温合金 牌号包括 GH4169、GH4738、GH4720Li、GH4065、GH2674、GH4049 等。 GH4169 对应于美国著名的 IN718 合金,该合金具有较好的高温力学 性能、良好的热工艺和焊接性能,目前在航空发动机涡轮盘、叶片、 石油管道、核工业结构件等领域得到广泛应用,年产量占据整个变形 高温合金总产量的 45%以上,其中美国 GE 公司所有发动机产品的关 键旋转类零部件中该合金的使用达到了 70%。(报告来源:未来智库)

1.2 铸造高温合金:合金化程度更高,用量少而精

铸造高温合金是合金原材料经过精炼后形成成分精确的母合金,然后 再通过真空重熔浇铸成型的一种高温合金。相对变形高温合金,使用 温度和强度更高,合金化程度也更高,用量少而精,主要用于制备形 状比较复杂的产品。 铸造高温合金按照凝固结晶组织不同,还可以分为等轴晶铸造高温合 金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金,其使用性能和制备难度 依次提高。

北京航空材料研究院研制的铸造高温合金约占全国铸造高温合金总 牌号的一半,成为我国铸造高温合金系列的主体部分,其中 K401 合 金是在 1958 年由张祖谦等人在苏联专家格兹吉扬和我国著名铸造专 家荣科的指导下开始研制的我国第一个镍基铸造高温合金,用于当时 的 WP6 发动机制作涡轮导向叶片,开创了我国研究铸造高温合金的 历史。其他铸造高温合金研制单位还包括钢铁研究总院、中科院金属 所、上海钢铁研究所等。

等轴晶铸造高温合金指用传统的熔模铸造方法制备铸件的高温合金, 其晶粒组织为等轴晶,具有制造成本低、中低温力学性能优异等优 点,被广泛应用于航空、航天等领域,可在-235~1050℃使用,常 用于制作航空发动机扩压器和机匣等大型复杂结构件、整铸涡轮、导 向器、导向和涡轮叶片及航天火箭发动机涡轮泵等相关部件,结构复 杂化、尺寸精确化和薄壁轻量化是其发展趋势。

K418 合金是用量较大的铸造高温合金,已广泛应用于制作航空、地 面和海上燃气轮机涡轮工作叶片、导向叶片和整铸涡轮,航天弹用发 动机的整铸涡轮转子和导向器,以及柴油机和汽油机增压涡轮。 K4169 合金由变形高温合金 GH4169 发展而来,具有含铌、铁量高的 显著特点,在很宽的中低温度范围(-253~650℃)具有较高的强度、 塑性、优良的耐腐蚀性、耐辐射性以及良好的焊接性能。

定向凝固高温合金是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柱状晶高温合金(DS 或 DZ 合金)。定向凝 固工艺始于 20 世纪 60 年代中期,美国 P&W 公司发明了这一工艺并 用于生产镍基合金柱晶涡轮叶片,可提高叶片工作温度约 50℃。 我国定向凝固柱晶高温合金的研制始于 20 世纪 70 年代,目前已研制和生产了多种定向凝固柱晶合金,并在多种型号的发动机上使用。

定 向空心无余量复杂型腔的涡轮叶片已在先进航空发动机上使用。 按原有普通铸造合金成分,与定向凝固技术相结合而发展的合金,例 如 DZ3、DZ5 等,分别是在普通铸造高温合金 K403 和 K405 合金基 础上,采用定向凝固技术研制而成的定向凝固镍基铸造高温合金。DZ3 合金与普通铸造合金 K403 比,750~850℃的拉伸塑性提高 2~3 倍,持 久强度提高 60~130MPa,热疲劳寿命提高近 100 倍。

在使用过程中发现问题后调整成分研制而成的合金,如 DZ4 合金,是 在 DZ3 用于薄壁叶片在铸造过程中暴露出较严重热裂倾向后,根据合 金化原理和凝固理论,综合考虑合金强度、可铸性、组织稳定性、抗 腐蚀性等因素,重新研制的合金。 DZ22、DZ002、DZ125、DZ17G 等合金是仿制合金,其中 DZ22 合金 化学成分和力学性能水平与美国广泛应用于先进航空发动机的高强 度定向合金 PWA1422 大致相当,该合金已经投入批量生产。

DZ125 合金是仿美国第一代定向凝固高温合金 DS René125 合金,是当前性 能水平最高的定向凝固高温合金之一,合金具有良好中、高温综合性 能、优异的热疲劳性能。 DZ6 合金是我国新研制的第二代定向凝固高温合金,其拉伸性能、持久 性能达国外第一代单晶和第二代定向合金性能水平,合金有良好铸造性 能,可用于制造不同尺寸的定向空心涡轮叶片。

单晶高温合金是采用定向凝固和选晶(籽晶)技术制造的具有单一柱状 晶组织的铸造高温合金,柱晶和单晶高温合金的生产难度大,但可有 效提升发动机叶片的服役性能。单晶叶片配合有效的防护涂层,可使 航空发动机推重比达到 10。目前先进发动机涡轮叶片均采用单晶高温 合金。

我国也研制成功一系列单晶高温合金,并获得实际应用。其中,北京 航空材料研究院于 20 世纪 80 年代研制成功我国第一个用于航空发动 机的 DD3 单晶高温合金,该合金具有国外第一代单晶高温合金的性 能水平。随后,钢铁研究总院研制的 DD402 单晶叶片在某航空发动 机上得到了挂片试飞考核。中国科学院金属研究所研制了我国第一个 抗腐蚀单晶高温合金 DD8,用作舰艇发动机涡轮叶片材料。钢铁研究 总院研制的 DD407 单晶叶片通过了某航空发动机的试车考核/飞行考 核/设计定型技术鉴定。

另外,采用合金设计法与试验研究相结合研制的相当于国外第二代单 晶合金水平的 DD6 合金,也取得了可喜进展,已被选用作为先进航空发动机的高压涡轮叶片材料。 21 世纪初,北京航空材料研究院研制了第三代单晶高温合金 DD9 与 DD10,DD9 合金的力学性能与国外第三代单晶高温合金 CMSX-10 和 TMS-75 的力学性能相当,并开始探索第四代单晶高温合金。

1.3 粉末高温合金:主要用于高压涡轮盘等

粉末高温合金是一种新型高温合金,一般是将高合金化、难变形的高 温合金用各种方法制成粉末,然后采用热等静压或热挤压等方法进一 步制成坯料,最后制成涡轮盘等零件的工艺。粉末高温合金消除了偏 析,改善了热加工性,提高了高温合金的组织均匀性等指标。目前, 粉末高温合金已成为高性能航空发动机涡轮盘的首选材料。 我国粉末高温合金的研究起步于 20 世纪 70 年代后期,在后续的发展 过程中,根据国家型号需求,陆续开展了 FGH95 合金、FGH96 合金、 FGH97 合金、FGH98 合金和 FGH9l 合金的研制。

FGH95 的最高使用温度为 650℃,主要用于制备发动机的涡轮盘挡板 以及直升机用涡轮盘和导流盘等小尺寸盘件,FGH95 是我国第一个获 得应用的粉末高温合金。FGH96 的强度比 FGH95 合金略低,但裂纹 扩展速率更低,使用温度为 750℃,是制备先进发动机涡轮盘等热端 部件的关键材料。FGH97 合金具有高持久强度、高蠕变抗力、低裂纹 扩展速率等优点,使用温度为 750℃,是制备先进发动机涡轮盘、轴、 环类件等热端部件的关键材料。

针对国内发动机需求,国内开展了第三代粉末高温合金的研制工作, 研制的合金包括钢铁研究总院的 FGH98 合金、北京科技大学与钢铁 研究总院合作研制的 FGH98I、北京航空材料研究院的 FGH99 合金。 与美国相比,国内第三代粉末高温合金研制工作尚属于起步阶段。

1.4 其他高温材料

金属间化合物是指金属元素之间或金属元素与类金属元素之间,通过共价键形成的化合物,具有优异的耐高温、抗氧化、耐磨损性能。与 陶瓷材料相比,虽然其耐温性不如陶瓷材料,但具有比陶瓷材料更加 优异的导热性能。金属间化合物种类很多,目前研究应用较多的有 Ti-Al 系、Ni-Al 系、Fe-Al 系、Ni-Si 系等,其中以 Ti-Al 系金属间化 合物的应用研究最为广泛。 ODS 高温合金是采用独特的机械合金化(MA)工艺,使高温下超稳 定的超细氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中,而形成的一种 特殊高温合金。

ODS 高温合金使用温度在 1000~1350℃,可用于制造 航空航天发动机关键部件,也可用于制造火力发电系统、煤转化系统 (煤气化炉)、工业燃气轮机和工业锅炉、玻璃制造、工业加热炉、 汽车柴油发动机、核反应堆等方面的关键材料。由于 ODS 高温合金 具有良好的高温性能,已成为制作先进航空发动机的一种重要材料, 固溶强化型 ODS 合金可以用于燃烧室、加力燃烧室等高温低应力部 件,其中有些还可用做导向叶片,沉淀强化型 ODS 合金可用做涡轮 叶片和导向叶片,用做低应力部件时,ODS 合金可工作在 1300℃以 上,用做高应力部件时,最高工作温度可达 1200℃。

连续纤维增强陶瓷基复合材料,这种材料通过陶瓷或碳纤维增强,能 够使裂纹在基体开裂过程中发生偏转,或者通过纤维拔出、断裂等方 式来消耗形变能,从而提高材料的塑韧性。目前处于研发或应用的连 续纤维增强陶瓷基复合材料主要有碳纤维/碳化硅基(C/SiC)、碳纤维/ 氮化硅基(C/Si3N4)、碳化硅纤维/碳化硅基(SiC/SiC)、碳化硅纤维/氧 化铝基(SiC/Al2O3)、碳纤维/氧化铝基(C/Al2O3)等。 碳/碳复合材料是一种新型的高温材料,在高温下具有优良的力学性 能。特别是其力学性能随温度升高而升高。

将碳/碳复合材料应用于航 空发动机将产生以下几个效应:1)发动机减重,提高发动机推重比/ 功重比;2)提高热端部件工作温度,提高发动机热效率;3)减少冷空 气的使用,提高发动机效率。近年来,碳/碳复合材料已经逐步地应用 于航空发动机部件:美国 LTV 公司已经生产出碳/碳复合材料整体涡 轮叶盘,并已经完成了地面超转试验。美国 F100 航空发动机的喷嘴 和加力燃烧室喷管是用碳/碳复合材料制造的。此外,俄罗斯、德国、 法国也已经制造出碳/碳复合材料的涡轮转子外环、喷油杆等部件。

2 高温合金下游应用广泛,航空发动机、燃气轮机为主体

高温合金材料最初主要应用于航空航天领域,由于其有优良的耐高 温、耐腐蚀等性能,逐渐被应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原 子能等工业领域,从而大大的拓展了高温合金材料的应用领域。随着 高温合金材料的发展,新型高温合金材料的出现,高温合金的市场需 求处于逐步扩大和增长状态。 当前,全球每年高温合金需求约 28 万吨,被广泛应用于航空航天、 舰船、兵器、核电、超超临界火力发电、工业燃气轮机及石化等领域, 其中航空航天领域用量最大,占总需求量的 55%,其次是工业燃气轮 机(20%)和舰船(10%)等。

2.1 航空发动机:高温合金最主要的需求

2.1.1 航空发动机热端部件对高温合金的需求各不相同

高温合金材料属于航空航天材料中的重要成员,是制造航空航天发动 机的重要材料。发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料 的性能水平。高温合金是制造航空航天发动机热端部件的关键材料, 在先进的航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的 40%~60%。高温合金主要用于航空发动机四大热端部件:燃烧室、导向器、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。(报告来源:未来智库)

(1)燃烧室:以变形高温合金为主

燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域,燃烧室内燃气温度可高达 1500-2000℃,作为燃烧室壁的高温合金材料需承受800-900℃的高温, 局部甚至高达 1100℃以上。除需承受高温外,燃烧室材料还应能承受 周期性点火启动导致的急剧热疲劳应力和燃气的冲击力。用于制造燃 烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢,其中用量最大、最为 关键的是变形高温合金。

(2)涡轮叶片和导向叶片:定向晶、单晶铸造高温合金为主

涡轮叶片是涡轮发动机中工作条件最恶劣也是最关键的部件,在承受 高温的同时要承受很大的离心应力、振动应力、热应力等。涡轮导向 叶片用来调整燃烧室出来的燃气流向,是涡轮发动机上承受温度最 高、热冲击最大的零部件。涡轮叶片和导向叶片一般采用定向晶、单 晶高温合金。 相比于民用航空发动机,军用航空发动机涡轮级数更少,例如 PW 公 司提供给 F-22 战机的 F119 发动机,仅有 1 级高压涡轮和 1 级低压涡 轮。以每级各需要 100 片涡轮叶片和导向叶片估算,单台航空发动机 所需涡轮叶片和导向叶片共约 400 片。

(3)涡轮盘与高压压气机盘:变形高温合金、粉末高温合金并存

涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大。涡轮盘是航空发动机上的重要转动部件,工作温度一般轮缘为 550-750℃,轮心为 300℃左右, 径向的热应力较大,此外,盘件质量重达几十至上百千克,且带着叶 片旋转,要承受极大的离心力作用,在启动与停车过程中又构成周期 性的大应力低周疲劳。

用作涡轮盘的高温合金为屈服强度很高、细晶粒的变形高温合金和粉 末高温合金。涡轮盘常用变形高温合金包括 GH4133A、GH4133B、 GH4169 等。 随着镍基高温合金成分日趋复杂、零件尺寸不断增大,传统的高合金 化镍基高温合金涡轮盘材料合金中偏析严重,组织不均匀,热工艺性 能恶化,常规铸造和变形工艺都无法满足新型发动机对盘件的需要, 利用粉末冶金技术生产高温合金,可以使合金晶粒细小、偏析轻、成 分均匀、性能大幅提高。

特别是随着高温合金成分日趋复杂、零件尺 寸不断增大,粉末冶金高温合金显示出更大的优越性,是先进航空发 动机高压涡轮盘等关键热端部件的优选材料。 普惠公司于 1972 年将 IN100 粉末高温合金制备的压气机盘和涡轮盘 等 11 个部件用于 F-100 发动机,装备在 F-15 和 F-16 战斗机上,从此 粉末高温合金进入了实际应用阶段。粉末涡轮盘的使用是先进航空发 动机的重要标志。

涡轮盘用高温合金占发动机总质量的 5%到 20%,以单个航空发动机 重量 1500kg、涡轮盘用变形高温合金占比 10%计算,涡轮盘重量为 150kg。假设在生产制造过程中,变形高温合金材料利用率为 10%, 则单台航空发动机用于制造涡轮盘的变形高温合金棒材需求达 1500kg。

(4)涡轮机匣、环件等结构件:变形和铸造高温合金并存

涡轮机匣是航空发动机的承力构件,具有传递相邻部件负荷、构成燃 气通道和固定导向叶片的作用。用作机匣的主要有变形高温合金 GH738、GH4169、铸造高温合金 K4169 等。

航空发动机的压气机机匣、涡轮机匣、结合环、安装边、封严环和环 状火焰筒等环形锻件主要采用价格昂贵的高温合金和钛合金制造,按 价值计算,航空发动机环形锻件约占航空发动机价值的 6%。涡轮后机匣、预旋喷嘴、发动机燃烧室浮动壁瓦块、前置扩压器机匣 和涡轮级间机匣等整体精铸技术已经成为航空发动机结构件制造技 术的主流路线。目前,大型复杂薄壁高温合金精密铸件已成功应用于 CFM56 系、JT90D、PW4000、RB211、EJ200 等多类军、民用航空发 动机。

(5)加力燃烧室:变形高温合金为主,向金属间化合物等新材料演变

加力燃烧室是航空发动机的重要部件,能大幅增加发动机推力,涡喷 发动机采用加力燃烧室,推力增大比可达 40%~50%;涡扇发动机采 用加力燃烧室,推力增大比可达 60%~70%甚至更高,采用加力燃烧 室能大幅增大发动机的单位迎面推力和推重比,全面改善飞机的机动 性并扩大飞行包线,提高歼击机的制空能力。因此,加力燃烧室在军 用飞机的发展中占有重要地位。

加力燃烧室尤其是喷管部分占发动机总重量的大约 1/5。作为加力燃 烧室机匣和筒体的主要材料为镍基高温合金,以变形高温合金为主, 未来有望向更低密度的金属间化合物Ti3Al、Ni3Al以及C-C复合材料、 陶瓷材料等发展。

2.1.2 航空发动机对高温合金材料的需求估算

航空发动机的成本主要由原材料成本、劳动力成本两部分组成,占比 分别为 40%-60%、25%-35%,航空发动机使用的原材料主要是高温合 金、钛合金等,其中高温合金价值占比约为 35%。高温合金占航空发 动机成本的 14%-21%。

2020 年,航发动力的航空发动机业务营业收入为 261.63 亿元,毛利 率为 14.81%,则其航空发动机成本为 222.88 亿元,假设高温合金占 营业成本的 18%,则航发动力对高温合金的需求为 40.12 亿元,按照 高温合金 20 万/吨的价格计算,我们估算,2020 年航发动力对高温合 金原材料的需求量为 2 万吨。

随着我国军机数量不断增长以及航空发动机国产化率不断提升,我们 预计,军用航空发动机对高温合金的需求将保持快速增长;未来我国 商用航空发动机成熟后,将对高温合金需求带来进一步的增长。

2.2 燃气轮机:国产化任重道远,未来对高温合金需求有望快速提升

燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置,具有热效率 高、经济性好、机动性好、可靠性高、寿命长等一系列优点。燃气轮 机可分为三类:1)微型燃气轮机,主要替代柴油机用于机车和坦克; 2)轻型燃气轮机,功率在 1MW 以上、50MW 以下,应用于循环发电、 石油和天然气的管道运输,钢厂的焦炉废气再次燃烧,以及舰船等, 欧美舰艇燃气轮机装配率在 50%以上;3)重型燃气轮机,功率在 50MW 以上,主要用于大型舰船和区域发电。 燃气轮机的结构与航空发动机相近,其涡轮盘、涡轮叶片、涡轮机匣 等需要高温合金来制造。

叶片材料方面,燃气轮机叶片的工作环境在某些方面较航空发动机叶 片更为恶劣,燃气含硫、钠等杂质,造成热腐蚀,对高温合金部件破 坏作用大;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,燃气轮机用高 温合金需要具有更好的耐热腐蚀性能、长期组织稳定性、蠕变寿命和 铸造工艺性能。

对于涡轮盘,重型燃气轮机涡轮盘尺寸远大于航空发动机涡轮盘,对 于材料成型性能和耐高温性能的匹配要求更高。例如,采用 GH4698 等仅能制造直径达 1200mm,重量不超过 2t 的轮盘锻件,而采用 GH2674 和 In706 合金虽然可以制造直径达 2200mm、重量 7t 的大型 轮盘锻件,但缺点是使用温度低、长期稳定性差。因此,燃气轮机用 高温合金与航空发动机用高温合金材料各自成体系,也有交叉之处。

国内从事燃气轮机研制生产的单位主要包括:东方汽轮机有限公司、 上海汽轮机有限公司、杭州汽轮机股份有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限公司、西安航空发动机(集团)有限公司、沈阳黎明航空发动机(集 团)有限公司等。

目前我国燃气轮机整体水平与国际先进水平相差很大,尚未形成严格 意义上的燃气轮机产业,远未具备先进燃气轮机自主开发和制造的能 力,总体水平落后 20~30 年。 在重型燃气轮机方面,与国外相比,我国主要差距是没有掌握核心设 计技术、热端部件制造维修技术和控制技术。从核心技术自主研发综 合能力角度看,全行业整体大大落后于国际先进水平。

2003 年至 2013 年,通过三次打捆招标以及后续招标,东方、哈尔滨、南京、上海等 动力设备制造企业分别引进三菱、GE、西门子公司的 F/E 级重型燃 机部分制造技术,进行本地化制造,经过国产化四个阶段和合资热部 件企业,完成重型燃机的整机生产。 在航改型燃气轮机方面,我国目前形成批量生产的只有 1993 年从乌 克兰引进的舰用燃气轮机 GT25000,1998 年开始以 QC280 型号进行 国产化,在 2003 年装备 052B“武汉”驱逐舰试用,目前 QC280 已交 付 70 多台,返厂修理周期为 5000h,而欧美同功率级别的燃气轮机返 厂维修周期达到 25000h,两者差距较大,该型燃气轮机的稳定性也远 不如欧美的产品。(报告来源:未来智库)

根据航发集团“三轻一重”燃气轮机产品发展规划,用于常规分布式 发电的 7MW 级 QD70 轻型燃气轮机预计可在 2025 年前实现批产; 15MW 级 QD185 燃气轮机预计在 2025 年实现工业型小批量生产,船 用型完成研制;可用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)电站的 100MW 以上的 R0110 重型燃气轮机预计在 2025 年实现小批量生产; 用于管道增压/发电用的 30MW 级 QJ/QD280 燃气轮机预计在 2025 年 前实现批产。

21 世纪,发电设备和重要军事设备动力以燃气轮机及其联合循环为 主,未来舰船动力和坦克动力均采用燃气轮机将是趋势,燃气轮机产 业水平将成为一个国家产业先进程度的标志。发达国家工业燃气轮机 与航空发动机的销售额比例为 2:3,目前我国发动机行业工业燃气轮 机的比例还很小。

2.3 其他领域

2.3.1 汽车涡轮增压器

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。汽车涡轮增压器的工作温度约 600℃,是高温合金的应用 领域之一。 国外涡轮增压技术已趋于成熟,在军事、农业、民用等领域取得了极 大进步。国外用于增压涡轮的材料主要包括 Inconel713C、GMR235、 MARM247、MAR-M246、X40 等。

国内增压器涡轮毛坯主要是以精密铸造为主的镍基高温合金。我国广 泛使用的涡轮材料是自行研制的 K213、K418、K419 和 K4002 等铸造高温合金。铸造高温合金由于其具有足够的热强度、热稳定性、良好 的机械抗疲劳性和热疲劳性能而被广泛应用于汽车涡轮增压器的制 造。

2020 年,国内汽车产量达 2522.5 万辆,根据每万辆汽车涡轮增压器 高温合金用量约为 3.5 吨计算,2020 年汽车领域的高温合金用量达到 8829 吨。

2.3.2 核工业

核工业使用的高温合金可以分为堆内使用和堆外使用两类。堆内使用 材料需考虑其辐照性能,结构材料多采用耐辐照性能更好的锆合金, 包括燃料元件包壳材料、燃料棒定位格架条带等,格架条带弹簧虽采 用镍基高温合金但整体用量不大。 堆外蒸发器“U”形管材料为镍基高温合金 GH690。1400MW 功率的 CAP1400 机组蒸发器“U”形管重量约 130 吨。

根据国家能源局信息,“十四五”期间,我国将建成华龙一号、国和 一号、高温气冷堆示范工程项目,积极有序推进沿海三代核电建设。 核电运行装机容量达到 7000 万千瓦。根据中国核能行业协会数据, 截至 2021 年 9 月 30 日,我国运行核电机组 52 台(不含中国台湾地区), 装机容量为 53486MW。据此推算,“十四五”期间核电站新增装机容 量需求 16514MW,按每台 1400MW 机组需 130 吨“U”形管计算,共需“U”形管约 1533 吨。

2.3.3 导弹

涡轮发动机可用于先进巡航、反舰和空地导弹上,一般具有低成本、小 尺寸、短寿命的特点,以涡轮喷气和涡轮风扇作为主发动机的导弹具有 明显优势,相比固体火箭发动机,可显著提升导弹射程。美国、法国、 俄罗斯、乌克兰、以色列、土耳其、日本、韩国、印度和伊朗等国十分 重视小型弹用涡轮发动机的研制,相继推出了多种型号并投入使用。

中国航空发动机集团有限公司四川燃气涡轮研究院、中国航天科工集团 第三研究院、中国科学院工程热物理研究所和原总参第六十研究所等机 构具备研发小型涡轮发动机的能力。在 2010 年第八届珠海航展上,中国 航天科工集团第三研究院展示了 CTJ-1 和 CTJ-2 两种国产反舰导弹用涡 轮喷气发动机的相关信息。宣传资料显示,CTJ-1 发动机,推力级别为 110daN,主要由 1 级离心压气机、折流环形燃烧室和 1 级轴流涡轮组成, 具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高的特点,已用于 C705 反舰导 弹;CTJ-2 发动机,推力级别为 400daN,采用 3 级轴流压气机、直流环 形燃烧室和 1 级轴流涡轮,结构简单、推重比大、抗进气畸变能力强, 已在 C802 系列反舰导弹上成功应用。

2.3.4 石化冶金

继高温合金在民用工业的一些领域,如柴油机增压涡轮、烟气轮机叶 片和盘、冶金轧钢加热炉垫块、内燃机排气阀座等方面得到应用后, 近年来,高温合金应用面不断扩大,特别是耐高温耐腐蚀合金在石油 化工、玻璃和玻纤以及机械制造等行业的应用有明显的进展。 高温合金主要应用于石化、冶金、玻璃、热处理等行业所用的裂解炉 炉管和转化炉炉管、连续退火线炉辊和辐射管、玻璃输送辊、耐高温 耐磨铸件等产品,其使用温度可达 1000℃以上。

石化冶金行业用高温合金一般价格较低,毛利率也相对较低。钢研高 纳控股子公司新力通 2016 年所销售裂解管、转化管均价在 9.75 万/吨、 6.30 万/吨,整体毛利率为 35.42%;图南股份为化工领域提供的 GH2132 棒材类等变形高温合金产品 2019 年销售单价为 8.97 万/吨, 低于其变形高温合金综合单价 14.26 万/吨,毛利率为 12.05%,低于公 司变形高温合金整体 24.41%的毛利率。

仅考虑乙烯裂解炉管需求,“十四五”对高温合金需求预计在 4.41 万 吨。“十三五”期间,中国乙烯产能从 2200 万吨/年增加 60%至 3518 万吨/年。2020 年,恒力石化、宝来石化、中化泉州等大乙烯项目先 后投产,中国乙烯产能大幅提高,总产能较 2019 年增长 21%。“十四 五”期间,国内新增乙烯产能约高达 3832 万吨/年,新建产能较“十 三五”高出 191%。一般一台 10 万吨产能的乙烯裂解炉中裂解炉管为 60 吨左右,据此估算,“十四五”新建乙烯产能所需裂解炉管为 22992 吨。根据乙烯生产设备的运行周期,每 5-6 年左右需进行一次大修, 预计“十四五”期间,共有 21108 吨存量乙烯设备存在备件需求,合 计达 44100 吨。

3 国内高温合金需求驱动因素:产业升级叠加国产替代

航空航天放量与制造业转型升级推动高温合金需求较快增长。综合第 二章的分析,仅考虑国内航空发动机、燃气轮机、冶金化工、汽车涡轮增压等需求,我国对高温合金的年需求量就已超过 3 万吨。随着“十 四五”我国航空发动机等军品不断放量、燃气轮机国产化并批量生产 等,国内高温合金需求量有望保持较快增长。

高温合金材料国产化率有望提升。目前我国高温合金生产企业数量有 限,生产能力与需求之间存在较大缺口,尤其是在燃气轮机等领域的 高温合金主要还依赖进口。另外,我国高温合金生产水平与美国、俄 罗斯等国有着较大差距,在高端产品供应上无法满足应用需求。

国内高温合金材料利用率亟待提升。国外薄壁类环件零件用毛坯的成形 采用精密轧制加胀形技术,锻件形状与零件非常接近,材料利用率很高。 而国内环件零件用毛坯大部分采用矩形截面的轧环,材料利用率很低, 特别是机匣类零件材料利用率不足 10%,目前虽有部分锻件已采用异形 截面的轧环,但无论从形状相近程度还是余量上均与国外存在着很大的 差距。国外已经采用环件轧制方法来生产薄壁环件,环件精确辗轧技术 具有精化程度高、整体成形等优点,如美国 IN718 合金高筒薄壁环材料 利用率达 25%~30%。高温合金材料利用率的提升将有助于缓解国内高 温合金供需关系。

高温合金返回料的应用亟待加强。高温合金精铸件的收率通常为 20%~30%,某些形状复杂的零件甚至只有 10%,即 70%以上的高温合金 产品是以料头、浇道、冒口、切屑和报废零件等形式存在,统称为高温 合金返回料。根据再利用方式,镍基高温合金返回料分为 4 类:1)原 级使用返回料,经熔炼后和新料一样用于制备零件;2)搭配使用返回 料,以一定比例和新料混合熔炼合金;3)降级使用返回料,降低成分 或性能要求以制备低级别合金;4)通过湿法或火法冶金提取返回料中 有价金属元素。早在 20 世纪 90 年代,美国已经能将高温合金返回料 的 70%实现同级使用,20%降级使用,剩余 10%用于提取有价金属元 素。我国的高温合金返回料降级使用率较高,造成了严重的资源浪费。 鉴于镍基高温合金返回料的高回收价值及其含有的众多稀有金属,加 强其回收再利用对缓解我国镍资源短缺具有重要意义。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。未来智库 – 官方网站

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