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高温合金概念及分类

 

        关于高温合金的范围，社会上可能有很多误解。很多人咨询的时候，说要找用在1300度，1400度这样条件下的合金。其实高温合金其实强调的不是温度有多高，温度比它高的有许多，比如陶瓷、难熔合金等等。但是，它最根本的特性在于，一定温度下，它所具有的高强度和高硬度。比如说室温下一块很硬的建筑用钢，上千兆帕，温度很高的时候楼可能会出现坍塌，原因就在于，一定温度下，钢会变得特别软。高温合金的好处是，到了600-1000度，甚至1000度以上的时候，它依然保持高硬度和高强度的特性来承受很高的载荷。所以说，俄罗斯的叫法更直观一些，叫热强合金，欧美叫超合金，而在我们中国，叫高温合金。

 

 

 

        实际上，它是一种比较狭义的说法，现在所谓的高温合金范围要更广一些。我们国内也把它叫做高端高温合金。既然有高端，那么什么是中端和低端高温合金呢？可能只需要某个单一的性能，比如抗高温氧化、耐腐蚀，但不需要那么高的强度，这就是耐蚀合金和耐热合金，现在用途也很广。其实从成分上和制造工艺上，它们跟航空航天用的这些高温合金还是很相似的。随着高温合金材料的发展，同样的领域出现了很多其他不同的材料，比如说金属间化合物，甚至一些难熔非金属材料。

 

 

 

        为什么高温合金能够在一定压强和温度下保持高强度和高硬度呢？原因在于合金内部的组织构成，这些内部组织依靠特殊的化学成分来实现。就在于高温合金的化学元素特别多。普通的钢有十种化学元素就算比较多了，而且这些元素含量都比较少，很多不会超过1%，但是高温合金不一样，它内部有超过30-40种元素，而且很多元素比重很高。这些元素在组织中起到的作用就是去强化金属的性能。还有一种强化方式，就是靠取向去强化，包括等轴，定向凝固，单晶叶片等，单晶叶片可以说是航空发动机里等级最高的叶片类型。

 

 

        这些元素在高温合金里边都会出现，当然不会同时出现，一般出现30种左右都是很正常的。比如说最常用的718合金，光化学成分表上要求的就是三十多种，可见其复杂程度。大家可能比较关注这些元素的一些生产商，比如说镍，铼，钌这些贵金属。

 

 

        按照工艺去分类，一是变形合金（国外叫做铸锻合金），先铸锭后加工，占比达到70%以上，第二种是铸造高温合金，直接浇筑成型。铸造高温合金又分为等轴、定向、单晶合金。第三种是粉末合金，一种特殊工艺，用在最尖端的部件，另外还有一些焊接用等辅助材料。按照产品去分，分为锻件、环件、棒、丝带、管等等。按应用分，涡轮盘、轴这些叫做盘轴类，还有燃烧室用的板材，叶片，这是按使用的部件去分。按照元素的集体去分，铁、钴、其中镍基占据80%左右。铁基是中国特色，世界上很少，中国过去是很缺镍，在70年代，掀起了一股以铁代镍的风潮。国内创造性的开创出一系列铁基高温合金。

 

1）铸造高温合金用途结构很复杂的部件，不能通过冷加工成型，只能使用液体浇铸起来，凝固起来，有一些可能会被3D打印替代。像这些形状复杂的机匣，空心叶片，涡轮，都是用铸造的方法制造的。

 

 

 

2）变形合金先铸成一些比较规则的圆柱体等形状，然后通过锻造、拉拔、轧制，变成你想要的形状。

 

 

 

       3）粉末合金主要是用在最高端发动机的涡轮盘上，为什么用粉末去做，因为它合金化成分会很高，高到一定程度后，冶炼热加工的难度太大了，没办法用正常铸锻的办法去生产。于是就有人发明了这种粉末合金办法，先做成细粉，然后再把粉烧结在一起，加工成型。粉末合金是很高级的合金，但因为难度要求非常大，应用范围也受到了限制。粉末之现在又火起来，跟3D打印有很大的关系，3D打印需要这样的粉，也可以说给粉末合金带来了新的市场契机。

 

 

 

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高温合金的发展历程

 

 

最早在1906年的时候，美国纽约的一个火车站房顶，原来用的是不锈钢，后来老生锈，就用了一种蒙纳尔合金，到现在还在用，当时主要是耐腐蚀用。到了30年代的时候，有一种耐蚀合金，80%的镍和20%的铬，然后又加了一些少量的铝后，发现强度变得很高。从那时起，大家普遍认为高温合金开始出现。那时航空发动机主要还是以活塞式为主，暂时用不到高温合金。到了50-60年代的时候，活塞式向燃气涡轮发动机转变，为高温合金找到了很大的用途，是第一次大爆发的时点。一直持续到现在，航空发动机大部分都是由高温合金组成的。到了20世纪末，高温合金开始从航空航天向其他领域转移，是高温合金第二次大爆发的时点。

 

 

 

主要的领域包括航空航天、舰船、油气开采、战车、核能、汽车等等。下面具体地介绍一下吧。

 

 

 

1）首先是航空航天领域，这是发动机的一幅简图，蓝色靠前段的部分，温度要求相对低一些。以燃烧室为界，后端的部分，温度要求高一些。前段需要把空气压缩到很高的密度，所以压气机部分的温度也会很高，跟涡轮的温度差不多的。从选材上看，前面使用钛合金材料做的风扇是比较多的，轴有一部分是钢，为了节省成本。压气机中后端随着温度的提高，高温合金用的越来越多。燃烧室、涡轮等，基本上在用的都是高温合金。高温合金在航空发动机整机的重量大概在40%-60%，核心机比重更高。小的部件，像尾喷管、喉衬、机匣这些非转动件，也都是高温合金做成的。

 

 

 

航空发动机领域，主要是燃气涡轮发动机。民航客机主要用的是涡扇，可以理解在涡轮发动机前面装一个风扇，涵道非常大，实际上它的推力80%以上是依靠外涵道推动。很少看到民机喷火，因为它把热气排放已经减少到很小范围之内了。典型的军用发动机战斗机涵道就没有那么大。涵道大的好处在于可以省油，涵道比小的好处在于在短时间内达到很高的速度。但有一些轰炸机、运输机也希望有比较好的燃油性能，也会把涵道比做的比较大。还有一种叫涡桨，像我们熟悉美国的大力神，C130中型运输机，用的是涡桨发动机。这个螺旋桨跟二战时那种不是一回事，这种螺旋桨实际就是在涡轮发动机的前边没有加那个壳，加了一个螺旋桨，实际内部的构造是差不多的。还有一种涡轴直升机，核心机都一样，只不过没那么多的涡轮。所以说，目前先进的主流发动机只有一种，就是燃气涡轮。

 

2）航天领域，原理和航空发动机其实差异挺大。以氢氧发动机为例，它的燃烧室跟航空发动机不一样，做的非常大，所以它需要抵御燃料燃烧带来的很高的温度。涡轮的作用是像一个泵一样，带动液氢液氧燃料到燃烧室去。为了在很短时间内实现这个目的，自身需要承受很高的载荷。环境要求很特殊，叶片大约是600度环境下，中心的那根轴需要承受零下二百度的低温环境。高温合金很多材料在零下二百度下，不会像别的材料会变得很脆，具有很好的韧性。

 

 

 

3）燃气轮机领域，燃烧效率很高。大家曾开玩笑说，如果汽车上装了发动机，没油了，拿一瓶伏特加往里边一兑，就能带着汽车跑，实际上确实是这么回事，就在于它的燃烧效率很高。所以燃气轮机会成为一个清洁高效的能源选择，在美国非常成熟，很多是由成熟的航空发动机稍改装，就变成一个发电机组。现在很火的“两级专项”就是航空发动机和燃气轮机。燃气轮机主要是针对能源行业发电。

 

 

 

把煤发电方式的蒸汽提的很高，需要用高温合金。美国有一种方式把燃气轮机跟蒸汽机做成一个循环，使它的效率提高。国内一些钢厂，出于节能减排的考虑，引进国外的小型燃气轮机，应用在高炉尾气再循环使用。把尾气作为燃料再次发电，用作钢厂的其他用途。石油的炼化厂，包括中石油、中石化，为了提高能源利用效率，也会取用燃气轮机。再有就是海上钻井平台，西气东输等等。北京有四个发电的集团，也从国外引进了很多的燃气轮机。把燃气轮机装在船上，就能作为船的动力。

 

 

 

4）还有就是很多人不太了解的，除了航空航天领域外，高温合金应用领域最多的方向——油气开采。原来采油都在陆地上，采的也不太深，温度、压力要求相对没那么高。但随着浅井越来越少，我们需要去到很深的深海去挖。这些地方油的酸性，采掘的深度，温度环境，压力环境都大不一样，腐蚀性会成倍增加，原来腐蚀性材料将被高温合金材料取代。美国从70年代开始，逐渐将航空领域的高温合金转移到油气开采领域中应用。现在像苏伦贝谢、哈里伯顿这些大公司，每年采购高温合金的量非常高，国内中石油、中石化的差距还还大。国内没有办法采，只能通过外包，但外包解决不了海上争端问题，国内在这方面的材料基本是空白，全靠进口。

 

 

 

 这是一个海上的钻井示意图。海平面以下，所有用红字表的地方，美国全部用的是高温合金，蓝色部分其实也是用的耐蚀材料，可想而知，它的应用需求有多么大了。再就是地面以上，海以下，其实很多地方也是用高温合金去做的。

 

 

 

5）化工领域，主要是烟气脱硫。国内大家不理解为什么国外装置气体出来之后还要加热，实际上这么设计，是有自己理由的。有一种解释是气体从高温区排出来之后，湿度下降，更容易扩散，不容易形成雾霾。

 

 

 

6）核能领域，大家听说的最多是可能是690这种合金，实际上就是换热器。下面这些管子，非常庞大。这些管子也是用这种高温合金。汽车、玻璃制造、医用、模具等等这些领域也都有高温合金的应用。

 

 

 

关于高温合金发展的动力。从航空发动机的角度看，就是提高推重比。提高推重比意味着两件事情，第一：意味着燃烧效率要提高，意味着温度要提高，所以新合金要抗更高的温度；第二：重量要轻，意味着；1）找密度更低的材料，比如金属间化合物，为什么大家想用金属间化合物呢，因为它密度比高温合金低将近一半，2）把零部件做的很薄，这就要求材料的强度要提高。当然其他的要求有更稳定的组织，空军可能对材料寿命，要求工作1500个小时，民航客机要求工作到两万到三万小时。油气开采，需要有很高的耐蚀性。最后一个是要求有更低的成本。关于成本问题，过去国内可能不太注意这一点，但现在越来越受到关注。在美国，成本问题与前边的技术研发同等重要。美国开发一种新的合金，从一开始成分设计就把成本作为一个指标，中国也开始注意到这个问题。

 

 

 

这张图是世界上做高温合金最牛逼的一个公司：特殊金属公司。他开发的镍基一系列的金属，用途也是多种多样，不同颜色代表不同的用途。因此说，欧美国家的高温合金是成体系的。

 

我们国家从1956年开始，在抚顺特钢做的第一炉钢，叫高合3030，当时是给从苏联买回来的涡喷发动机维修用的。到了70年代，国内基本上是以苏联的高温合金体系去做的，主要以仿制为主。接近80年代的时候，发生了一些事情，我们从英国引进一台发动机，是中国第一次接触欧美体系的发动机，对中国意义重大。欧美一系列制备工艺和质量控制体系等均和俄罗斯有巨大的差异。中国从此开始仿制欧美体系的材料，研制管理方法，出了一系列的合金。从那以后，中国的发动机越来越多倾向于欧美发动机。目前国内使用的高温合金材料主要以仿制为主。从90年代中期到现在，核心成分的创新少一些，更多的是制备方法的创新。从高温合金角度去看，国外肯定不愿意把核心技术卖给我们。

 

 

 

这是国内涡轮盘变形合金等一些发展。

 

 

3

国内外市场规模

 

 

        第三部分是国内外市场市场规模的一些概况。当然版本非常多，整体全球的产量大概在30万吨左右，市场空间在100亿美元。

 

 

 

这是各应用领域在全球所占的比例，航空航天还是最主要的。

 

 

 

这是特殊金属公司在2008年发布，航空航天只占了30%，油气开采占得比较多。根据这两年跟他们的交流，他们航空航天跟油气开采这两块已经几乎持平了。

 

 

 

 这是2009年特殊金属公司统计的全世界主要高温合金厂商的产量。可以看到，排在前几名的基本上是美国企业。国内上钢五厂（国内叫宝钢特钢），抚顺特钢等都排在后边。那时2009年，还没有钢研高纳，只是原始的冶金厂的排序。但整体看，国内产量加起来还不如国外产量的十分之一。

 

 

 

根据我们前期的调研，目前国内高温合金的产量在2万吨左右。从需求上讲，中国市场上，有一半以上是进口的，所以行业替代进口，就至少有一半的空间去挖掘。这里边高端高温合金大概在1万吨左右。一半用在航空航天，一半用在民用等其他领域。

 

 

 

 

 

 

 

石油钻井这块，一流的国家是美国，二流的国家像新加坡、日本、韩国。亚洲其实是石油钻井的核心。尤其是总装，大部分在新加坡，新加坡希望就近能从中国采购这样的合金。他们也试定了一部分，但是由于去年他们国家经济形势不好，这个是就暂时搁置了。但说不好，他们国家经济好转后，这件事有可能马上就被重新推进。南海地区的石油资源非常丰富，是国家战略的重心浅滩，尚未发掘的要远远多于已经发掘的油田。

 

 

 

这是近期比较火的页岩气，它不是储存在泥沙底层，而是储存在岩石底层。为什么前一阵油价压得这么低，就跟美国页岩气开采关系非常大。中国页岩油和页岩气的储量是非常大的。页岩气的开采，跟海底开采用的东西是差不多的。因此，对于高温合金材料来说，油气开采领域是一个非常大的方向。

 

 

 

家用车而言，主要用的是铸造高温合金，考虑到汽车的数量，这个量也比较大，当然不排除未来新能源汽车起来后，这块就没有了也说不好。

 

 

 

原子能领域，中国的原子能整体比较发达的，三代核电站里，80%-90%都集中在中国，光690这一种合金的用量每年都是非常大的。现在据我所知，大部分是用的进口，这也是也是很大的需求方向。

 

 

 

其实高温合金的隐形意义超过了它的显性意义。第一、不用能重量来衡量高温合金的价值。比如像涡轮叶片一片很小，就值几千上万块钱，一个涡轮盘上一大圈，好几十个，因此不能完全用重量去考虑。第二、考虑到军事意义，别看涡轮片小，自己做不出来，飞机发动机飞不了，它的政治意义、军事意义就体现不出来。因此，高温合金材料撬动的领域非常大。也就是因为这个，国家有了“两机专项”。

 

 

 

“两机专项”即将出台，按照我的理解，目前主要还在讨论操作模式。为什么之前单独把中国航发从中航工业单独提出来，因为需要有一个企业作为载体去接“两机专项”这件事。还有一块是“新材料专项”，这是当时师昌绪院士当时牵头提出来的，不管是搞航空发动机也好、大飞机也好，材料不做好，前边都是白搭。现在中央报告里叫做新材料重大工程。把材料作为一个专项去研制，当时提了一百多种新材料，主要是新材料这个词太大了。最后确定了少数几个方向，包括高温合金。因此，高温合金放在新材料重大工程和“两机专项”这两个专项里去做，对于行业将会产生翻天覆地的变化。

 

        关于专项资金规模，大概有三千亿左右。其中国家投500-1000亿左右，地方政府、企业、社会民间等各个渠道凑一块，大概是三千亿左右的样子。为什么说现在这个专项比较接近了呢？中国航发现在有自己的牌子了，现在不确定的地方在于管理模式。总体来说，应该很近了，都说十三五专项把这几个事落实了，“十三五”就这五年，不可能一直拖下去。在新材料专项里边，十年以后的目标产值是从目前的两万吨提高到五万吨，和日本、德国处在一个水平，美国大概在20万吨的水平。

 

 

4

国内外的产业格局

 

 

        以美国为主，真正强的是特殊金属公司，现在被并进一个大型的集团PCC里边去了。PCC以前是做铝合金的，收购了特殊金属后又收购了一个大型锻造厂，形成一个大的集团PCC。

 

 

 

这是PPC全球的布局。这种跨国公司产业链布局非常完善，紧固件、锻造什么都做。但是它不做发动机，制作材料，这个在国外的划分是非常明确的，飞机、发动机、材料都是独立的一块。

 

 

 

 这是一些特种合金的主要生产商。比如，美国战斗机用的单晶叶片、机匣等都是从他那里订购的。GE、普惠、罗罗等这些公司是做发动机的，他们不生产材料，但是设计材料。这种公司更懂得材料的应用，所以跟材料生产商一起去研制。研制出的合金专利归我，但是由于质量无法去控制，我自己不生产。我需要别的厂商去生产，我来控制它的质量。

 

 

 

 这是国内科研的情况。高温合金手册，可以说有将近80%-90%的牌号都是由钢研院去做的。钢研院原来属于冶金部顶层的研究院，把国内外有相关背景的人全都集中在一起，所以实力非常强大。后边随着转制，冶金部没有了，钢研院就变成了中国钢研科技集团。现在是央企，也是一个集团，高纳公司实际上就是从原来的高温所等演化而来的。科研单位还有一个比较强的是621所，是中航工业自己的材料研究院。钢研院和航材院有各自不同的优势方向。再就是中科院金属所，是科研为主。全国最早高温合金系的是北科大和东北大学，后来，北航、清华、上海交大陆陆续续出现了。

 

 

 

生产商方面，钢研高纳也在里边，因为目前它也确实在供货，而且供货量很大，铸造合金全套的生产线都是自己的。钢研高纳目前是一个产品的出口。这种管理模式在国外也是得到认可的，保证全程质量技术的一个把控。抚钢是国内冶金厂的老大，钢研高纳跟抚钢在生产上是上下游的关系，在科研上，是合作伙伴的关系。攀长钢属于鞍钢集团，有他特殊的历史，国内有很多管材，只有他自己才能做。这些都属于老牌的企业。锻造行业里，西南铝是二铝集团，属于中铝集团，最早生产出中国第一台三万吨水压机，到现在为止，他也是主要的锻造商。二重，有世界上最大的八万吨的水压机，也是全球最大的水压机。无锡透平叶片厂，是个国企，属于上海电气，它有个35000的螺旋压力机，是从欧洲进口的。下游的应用厂商，包括沈阳黎明、中航动力等。

 

 

 

就这两年，做高温合金的企业一下多了起来，看过钢铁企业去年的一个财报，利润最高排名第一的就是中信特钢。盈利了将近20个亿，这是在钢铁行业这么萎靡的情况下，很夸张的一个事情。大冶钢厂是国内最早搞高温合金的钢厂，最早可追溯到张之洞那会儿汉阳钢铁厂那会儿。建国时期它的特种冶炼也比抚钢早，但是后来被中信集团收购了，有了强有力的背景，现在它有开始想进军高温合金。

 

 

 

锻造这块，昆山属于江苏永钢集团，属于民营企业，他有一个三万吨的压机。三角公司在陕西西安建立一个45000吨的压机，这些压机在世界上都是排前几名的。现在叫三角防务，据说在新三板上上市。浙江久立是做管材很厉害的一个企业。

 

还有一些围绕着这些行业提供技术服务型的企业，比如翔博、锐博。锐博发明了一种固体再生技术方法，使得车削料不用变成液体，有点类似于通过高速运动使两者焊接在一些，把机械能转化为界面能，让原始界面消失。这种方法使得成本下降非常大，因为中间所有的工序都没有了。

 

 

 

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国内外差距

 

 

从差距上来看，国外在研制的时候材料是走在前面的，一个新材料可能会研制十多年，成熟以后才会有围绕这个材料出现新的发动机，才会有新得飞机围绕这个发动机。这是一个正向符合科学论证的规律。但是在国内，因为大部分是仿制的，是先有的飞机，再有的发动机。国内都说搞材料生产，总是最后一个得到任务。因为他是到最后才解剖得到材料的类型。这种类型材料可能国内都没有听说过，要用一年的时间做出来，发动机必须先有它，才能加工，加工完我才能组装，试车，试车完才能用，所以中国搞材料的人最惨，最后一个得到任务，最先交出东西，所以这就造成国内材料比国外的成熟度低。