浅谈高温合金的“高温”之势

点击量:445 发布时间:2017-01-21 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
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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。
 
 
 
5
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。
 
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