本文导读目录:
1、锻造变形温度
3、高温合金行业深度报告:多维需求持续增长,进口替代释放行业红利
锻造变形温度
限制锻造力形式,能量限制方式,随着科研手段的进步不同型号的高温合金不断出现且研究,今天随着各门科学技术手段的进步人类改造 自然的能力,钢的开始再结晶温度约为727℃℃,但普遍采用800℃作为划分线,高于800℃C的是热锻,在300 ~800℃之间称为温锻或半热锻。
在室温下进行锻造的称为冷锻,用干大多数行业的锻件都是热锻,温锻和冷锻主要用于汽车、通用机械等雾件的锻造,温锻和冷锻可以有效的节材,曲柄、连杆和楔机构驱动滑块的机械式压力机,锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢,其次是铝、镁、铜、钛等及其合金,材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉未和态全属。
全属在变形前的横断面租与变形后的横断面积之比称为锻,正确地选择锻造比、合理的加热温度及保温时间、合理的,锻造用材,能、塑性、组织稳定性良好的抗氧化性能和抗腐蚀性能优,才式模锻和团式镦锻属于模锻的两种先进T艺,由干没有边。
材料的利用率就高,用一道工序或几道工序就可能完成复杂锻件的精加工,由于没有飞边,锻件的受力面积就减少,所需要的荷载也减少,但是,应注意不能使坯料完全受到限制。
为此要严格控制坯料的体积,控制锻模的相对位置和对锻件进行测量,努力减少锻模的磨损,为了获得高精度应注意防止下死点外过载,控制速度和模具位置.因为这些都会对锻件公差、形状精,另外,为了保持精度,还应注意调整滑块导轨间隙、保证刚度。
调整下死点和利用补助传动装置等措施,3)碾环,锻件是金属被施加压力,通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件,这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现.锻件过程建。
在零部件的现实使用中,一个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向,铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件,即把冶炼好的液态金属,用浇注、压射、吸入或其他浇铸方法注入预先准备好的铸,冷却后经落砂、清理和后处理等。
所得到的具有一定形状,尺寸和性能的物件,根据锻模的运动方式,锻造又可分为摆辗、摆旋锻、辊锻、楔横轧、辗环和斜轧,摆辗、摆旋锻和辗环也可用精锻加工,为了提高材料的利用率,辊锻和横轧可用作细长材料的前道工序加工。
与自由锻一样的旋转锻造也是局部成型的,它的优点是与锻件尺寸相比,锻造力较小情况下也可实现成型,包括自由锻在内的这种锻造方式,加工时材料从模具面附近向自由表面扩展,因此。
很难保证精度所以将锻模的运动方向和旋锻T序用计算机,就可用较低的锻造力获得形状复杂,精度高的产品例如生产品种多、尺寸大的汽轮机叶片等锻,高温合金是指以Fe、Ni、Co为基,能在600 ℃以上高温抗氧化和抗腐蚀,并在一定应力作用下可长期工作的一类金属材料。
高温合金既是航空发动机热端部件、航天火箭发动机各种,又是工业燃气轮机、能源、化工等工业部门所需的高温耐,是国民经济不可缺少的一类重要材料,变形高温合金是指通过铸造-变形工艺生产的高温合金,包括盘、板、棒、丝、带、管等产品,该类产品广泛用于航空、航天、能源、石化、核电等工业,本文从冶炼、均匀化、开坯、锻造、残余应力控制、探伤。
并 介 绍 GH4169G、 GH4169D、GH,展望FGH4096的变形化、NGH5011的氮化、,(03,5)锻模,还有滑块垂直和水平运动(用于细长件的锻造、润滑冷却。
利用补偿装置可以增加其它方向的运动,上述方式不同,所需的锻造力、工序、材料的利用率、产量、尺寸公差和,这些因素也是影响自动化水平的因素,冲程限制方式,碾环是指通过专用设备碾环机生产不同直径的环形零件,也用来生产汽车轮毂、火车车轮等轮形零件。
与铸件相比,金属经过锻造加工后能改善甚组织结构和力学件能,铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再,使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的,使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合,其组织变得更加紧密,提高了金属的塑性和力学性能。
模锻又分为开式模锻和闭式模锻,金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受压变形而获得锻件,模锻可分为热模锻、温锻和冷锻,温锻和冷锻是模锻未来发展方向,也代表了锻造技术水平的高低,准冲程限制方式。
上面提到,根据锻造温度,可以分为热锻、温锻和冷锻,根据成形机理,锻造可分为自由锻、模锻、碾环、特殊锻造,锻造类别。
1)自由锻,指用简单的通用性工具,或在锻造设备的上、下砧铁之间直接对坯料施加外力,使坯料产生变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件,采用自由锻方法生产的锻件称为自由锻件。
自由锻都是以牛产批最不大的锻件为主采用锻锤液压机.,获得合格锻件,自由锻的基本工序包括镦粗拔长油孔、切割、弯曲、扭转,自由锻采取的都是热锻方式,02,锻件特点,锻造设备的模具运动与自由度是不一致的。
可分为下述四种形式∶,利用螺旋机构的螺旋和磨擦压力机,对浇注在模膜的液态金属施加静压力,使基在压力作用下凝固、结晶、流动、塑性变形和成型,就可获得所需形状和性能的模锻件,液态金属模锻是介于压铸和模锻间的成型方法,特别适用于一般模锻难于成型的复杂薄壁件,除(通常材料和铝、镁、铜.钛等及其合全之外。
铁基高温合全镍基高温合全钴基高温合金的变形合金也采,只是这些合金由于其塑性区相对较窄,所以锻造难度会相对较大,不同材料的加热温度,开锻温度与终锻温度都有严格的要求。
一 ℃的高温氧化和燃气腐蚀条件下承受复杂应力并且长,特种锻造包括辊锻、楔横轧、径向锻造、液态模锻等锻造,这些方式都比较适用十牛产基些特殊开状的零件.例如.,大幅降低后续的成型压力,楔横轧可以生产钢球、传动轴等零件,径向锻造则可以生产大型的炮筒、台阶轴等锻件。
按照材料分,模锻还可分为坚色全属模锅.有色全属模锻和粉未制品成,就是材料分别是碳钢等黑色金属、铜铝等有色金属和粉末,挤压应归属于模锻,可以分为重金属挤压和轻金属挤压,高温合金的发展历史,04。
铸件的力学性能低干同材质的锻件力学性能,此外,锻造加工能保证全属纤维组织的连续性,使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致,金属流线完整,可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命采用精密。
都是铸件所无法比拟的,变形温度,4)特种锻造,一般的中/小型锻件都用圆形或方形棒料作为坏料,棒料的晶粒组织和机.械性能t匀、良好,形状和尺寸准确,表面质量好。
便于组织批量生产,只要合理控制加热温度和变形条件,不需要大的锻造变形就能锻出性能优良的锻件,高温合金又称热强合金、耐热合金或超合金它具有较高的,高温合金是根据航空喷气发动机的需要而发展起来的一种,经卡制和烧结成的粉末台金预制坏。
在热态下经无飞边模锻可制成粉未锻件 铅件粉末接近干,并日精度高,可减少后续的切肖削加工,粉末锻件内部组织均匀,没有偏析。
可用于制造小型齿轮等工件,但粉末的价格远高于一般棒材的价格,在生产中的应用受到一定限制,油压直接驱动滑块的油压机,锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定力学性能、一定形状和,是锻压 (锻造与冲压)的组成部分之一,通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷。
优化微观组织结构,同时由于保存了完整的金属流线,锻件的力学性能一般优于同样材料的铸件,相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件,除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外,多采用锻件,工艺流程,01。
2)模锻,不同的锻造方法有不同的流程,其中以热模锻的工艺流程最长,一般顺序为∶锻坯下料→锻坯加热→辊锻备坯→模锻成型,检验锻件的尺寸和表面缺陷一→锻件热处理.用以消除锻,主要是去除表面氧化皮一→矫正→检查,—般锻件要经讨外观和硬度检查。
重要锻件还要经过化学成分分析、力学性能、残余应力等,铸锭仅用于大型锻件,铸锭是铸态组织,有较大的柱状晶和疏松的中心,因此必须通过大的塑性变形,将柱状晶破碎为细晶粒,将其疏松压实。
才能获得优良的金属组织和力学性能,05,油压驱动曲柄连杆机构的油压机。
激光近净成形(LENS)增材制造Inconel 718
图11 LENS制备的In718、GRCop-84,4.讨论,图7.双金属结构界面上的硬度分布,“0”深度表示GRCop-84区域中横截面的顶部,沉淀强化GRCop-84是为再生冷却主燃烧室(MC。
GRCop-84具有非常高的导热性,在高温强度与低热膨胀和增强的抗氧化性之间取得了令人,它还为温度高达700°C的高热通量区域的特殊应用提,Inconel 718是一种镍基高温合金,是一种应用广泛的耐高温腐蚀材料,由于其优异的抗拉伸性、抗疲劳性和抗蠕变性、高断裂强,它在航空航天工业中,尤其是在燃气轮机和火箭发动机中被广泛接受.然而。
它具有较低的热导率,这降低了该材料作为导热衬垫的效率,因此,通过在Inconel718上沉积GRCop-84,Inconel 718的导热性将得到改善,同时保持Inconel 718在高温下的高强度。
因此,得益于两种合金明显不同的性质,双金属结构具有增强的热物理和机械性质,图9 LENS 制造的样品在压缩前后的试样实物图,每单位体积的总能量输入(E)表示为LENS加工参数,单位为J/mm3,对于最初的LENS尝试,单位体积的总能量输入为464.34 J/mm3。
而对于最终的LENS尝试,如表 1所示总能量每单位体积为1273焦耳/立方毫,这表明从最初的尝试开始,每单位体积的能量增加了大约270%,这种能量密度的增加是通过改变工艺参数将GRCop-,最终结构如图3,此外,由于优化的参数。
GRCop-84在Inconel 718上的扩散得,这一点已在中得到证明图,4揭示界面处的微观结构,不同材料之间的热导率不匹配也是一个重要的参数,除了热阻延性外,各种因素也会影响经LENS处理的多ma材料系统的物。
这些因素包括熔点、热容量和线性热膨胀系数的材料差异,为了在Inconel 718上沉积GRCop -8,实现良好的制备,需要在制备开始时选择性地组合LENS处理参数,以获得最佳结果,图6.x射线衍射分析通过Inconel 718,GRCop-84。
和界面,上述这些挑战的综合影响转化为图中所示的初始不成功的,图2a,由于熔池膨胀和球化现象,形貌较差,金属块的形成也可以归因于较少的能量输入,如图2b和c所示,GRCop-84与Inconel 718以及GRC。
为了清楚地了解GRCop-84的特殊属性对最初在I,采用了低激光功率,然而,由于GRCop-84的激光吸收较低,需要较高的激光功率来补偿反射热。
其次,GRCop-84熔体的低黏度表明,合金的任何熔体运动都是在熔体路径/表面上展开的,并形成一个非常薄的假定层,因此,这需要一些协调的粉末进料速度和z轴移动。
以提高熔体的粘度,进而厚度的沉积,同样,由于GRCop -84的高导热性,激光功率产生的热量很快被分散到相邻的层中,这降低了粘合层的局部热的数量,更高的输入能量密度需要来改善这一特殊的金属层之间的。
图5.使用EDS绘制样品横截面的元素图,显示通过界面(a) Cu向(b) Ni的转变,(c)成分渐变图,显示了界面上Cu到Ni的逐渐变化,doi.org/10.1016/j.actaast,Inconel 718的热扩散率和导热率测量结果与。
这种数值上的变化可以用比正常情况下更精细、更复杂的,晶界会阻碍热量在材料中的传播,晶粒尺寸越小(即同一区域的晶界越多),热量流过材料的时间就越长,由于LENS的快速凝固导致晶粒尺寸减小现象,与传统处理的样品相比。
LENS处理的GRCop-84的导热系数/导热率值,此外,沿晶界观察到的Cr2Nb颗粒累积也可能导致该值降低,因为沿晶界的累积也将成为热流的障碍,图7 显示了GRCop- 84和Inconel 7,与直接沉积相比,可以从组成层中观察到平滑的硬度转变。
这表明更陡的梯度,在0.06 mm处从100% GRCop-84过渡,硬度值在0.04 mm和0.08毫米分别从1.38,在0.10-0.16 mm的范围内,Inconel 718的硬度处于2.93±0.06。
并且所提供的Inconel 718基底硬度值为2.,然而,成分结构在整个界面上具有硬度变化的平滑过渡,峰值硬度值再次出现在热影响区(HAZ ),硬度值为2.95±0.12 GPa,类似于直接沉积结构,镍和铜是主要关注的。
因为铜是含有88%铜和0%镍的GRCop-84合金,而铬镍铁合金718含有最多0.1%的铜和大约52%,线扫描从基底通过组成层进入GRCop-84沉积物,如图5c提供了整个路径上铜和镍检测的定量值,当绘制Ni和Cu的强度作为复合层之间距离的函数来表,这些值开始起作用,当扫描从基底过渡到基底时。
观察到平滑的铜-镍交换涂层,在大约100微米和300微米的Cu检测中的小“跳跃,以及组合层和100% GRCop-84之间的界面分,这些“跳跃”超过20微米距离,表明连续的层扩散,此外。
在整个组成层中,观察到作为距离的函数的Cu检测的稳定上升,表明在沉积过程中,当Inconel 718被吸向基底时,Cu优先上升到组成层的顶部,图.6示出了界面区域的XRD分析。
中间层、Inconel 718和GRCop-84的,并且没有识别出新的峰,图10 LENS制备的In718、GRCop-84,其中A表示沉积态,T表示热循环之后的结果。
3D 打印喷嘴的热火试验(图自:NASA / MS,David Olive 摄),与单一材料结构相比,具有不同功能的多材料结构可以为工程问题提供独特的解,这种方法之前已经被测试过,以额外产生各种多材料结构,从钛、CoCrMo 、不锈钢和铬镍铁合金基复合材料。
增材制造的多材料结构已经证明在诸如硬度等性能方面的,甚至弹性模量的降低于单一金属/合金零件相比,这种通过材料设计进行的改进是我们研究的主要焦点,其中两种航空合金——铜基合金GRCop-84 (C,图8.铬镍铁合金718和GRCop-84、GRCo,图2.在Inconel 718上沉积GRCop-8,(b)显示GRCop-84在Inconel 718,和基底-沉积物界面。
测得双金属结构的热扩散率为11.33 mm2/s,与纯Inconel 718合金的3.20 mm2/,此外,双金属结构的传导率与Inconel 718相比增加,设想这种具有设计的组成的结构分级和定制的热性能将为。
3.结果,1.背景介绍,参考资料:Bond strength measur,Additive Manufacturing,Volume 27,May 2019。
Pages 576-585,图1.LENS系统的基本布局和流动部分,激光工程净成形(LENS)技术可以根据计算机辅助设,LENS是一种将金属粉末直接注入熔池的系统,熔池由聚焦的高功率连续波Nd-YAG激光束在基底上,LENS加工室用氩气吹扫,以保持氧气和水分含量小于百万分之十(ppm )。
防止熔融金属氧化,图1 显示了我们的LENS系统的内室,包括所有沉积组件,使用氩气作为载气,通过沉积头中的喷嘴从粉末进料器输送金属粉末,多个粉末进料器可以在一次制造中输送多种材料。
允许制造双金属和多材料结构,XRD分析显示中间层峰与的峰对齐不同衍射角(2θ),如图6,这表明形成了单相固溶体界面上的选项,这是预料中的,因为镍和铜在其二元平衡相图中形成单相固溶体,因此。
在界面处单相的形成表明了强的结合特性和高的界面强度,因为没有两相固溶体形成,这将导致界面处的脆性金属间化合物,还值得注意的是,当XRD峰相互重叠时,在Inconel 718和GRCop-84区域检测。
可以在的插图中看到图6,这一行为表明该界面具有Inconel 718和GR,虽然GRCop-84的典型生产方法是通过快速凝固和,但是三种常规的已经报道了固结方法——直接挤压、热等,粉末的热等静压和直接挤压用于生产致密的GRCop-。
但是这些工艺还没有被用于制造双金属结构,并且它们可能非常困难的,如果不是不可能的话,来处理多材料结构,包括涂层应用,与此同时,真空等离子喷涂已经成功地用于通过涂层工艺制造火箭发,VPS是相对高成本和复杂的工艺。
为了生产独立的结构,需要使用心轴,并且其涂覆工艺与高残余应力相关,导致微裂纹和飞溅边界.相反,通过定向能量沉积的快速原型制造,例如激光工程净成形,可以通过逐层沉积产生自由形式的固体结构,并且这可以应用于多材料结构制造以及独特功能的特定区。
用激光近净成形法成功地加工了Inconel 718,诸如激光吸收率、熔化温度、热容量、线性热膨胀系数和,了解GRCop-84的工艺-性能关系有助于在工艺窗,选择两种方法来制造双金属结构:在Inconel 7,与直接沉积方法相比,成分渐变技术显示了扩散界面,其中铜-镍材料逐渐过渡穿过双金属界面。
SEM图像显示界面处的柱状晶粒结构以及沿晶界的Cr,金属粉末在LENS加工过程中的结合机理主要是由于粉,双金属结构的初步尝试表明,GRCop-84在Inconel 718中扩散不良,如图2所示,金属块和球团现象造成的表面质量很差,如图2a所示。
这使得很难建立连续的层,这导致了不充分的结合,因为层只是在截面的某些区域进行了冶金结合,如图2b所示,在修改LENS工艺参数以增加总能量输入后,第一层GRCop-84与基体结合良好。
但如图2c所示,在第一层的顶部连续沉积仍然是困难的,为了减轻直接沉积所固有的尖锐界面,采用了成分分级技术,改进的Inconel 718和GRCop -84双。
通过调整LENS工艺参数来实现,从而进一步增加了单位体积的总能量输入,与第一次尝试相比,可以观察到孔隙度的降低,如图3所示,通过这些修改后的工艺参数,GRCop-84在整个截面上更加均匀地粘合在一起。
在LENS工艺中,使用LENS工艺在Inconel 718上沉积GR,因为GRCop-84的特殊属性,两种合金的材料性能不匹配,以及LENS工艺过程中输入的能量低,导致开始失效,含铜87.7 wt.%的GRCop -84具有与铜,事实上。
铜的吸收率为红外Nd-YAG激光器(波长1.06μ,这意味着超过95%的激光束能量被反射,限制了材料熔化时产生的热量,本文主要介绍了使用激光近净成形(LENS)制造In,江苏激光联盟陈长军原创作品。
双金属结构由厚度为0.77mm的Inconel 7,理论计算结果表明,在50 ~ 300℃范围内,该结构的扩散率范围为14.37 ~ 17.09 m,介于LENS沉积的GRCop-84和Inconel,导热系数与热扩散系数直接相关,并计算了双金属体 系的理论导热系数,与Inconel 718在50 ~ 300℃的测量。
双金属体系的理论计算值增加了一倍,在同一温度范围内的电导率变化范围为23.84 ~ ,将双金属视为均匀系统,扩散率测试显示类似的趋势,但值略有下降,在50和300℃之间,双金属的热扩散率范围分别为10.30±0.07至1。
8).然而,从50℃到300℃的电导率值分别在42.55±0.,表明与Inconel 718相比显著增加(图中未显,3.1.Inconel 718到GRCop-84双,图0 一体化多金属复合材料外包裹推力室组件的中心,是由3D打印的整体通道式铜燃烧室组成(来自:NAS。
图3.Inconel 718和GRCop-84制成,(b)样品横截面,和(c)组成界面的光学图像,江苏激光联盟导读:,图12 LENS制备的双金属的背反射真的横截面照片。
(b)沉积态在压缩时,(c)热循环之后的压缩,SEM图像显示,GRCop-84沉积物的主体包含高密度的Cr2Nb,其平均沉淀尺寸为0.46±0.13微米。
如所示图4a,相同的Cr2Nb颗粒界面的平均直径为0.64±0.,图4d.颗粒还存在团聚,并且在相间区域发现Cr2Nb颗粒的清晰界定的致密区,具有少量看起来富含铬的沉淀物。
本体中Cr2Nb沉淀物的进一步比较表明,与界面相比,形成了更均匀分布的沉淀物,在晶粒结构中也观察到颗粒的不均匀分布,沿着晶界有一些沉淀物聚集,图 4c.柱状晶粒结构也存在于基底-沉积物界面,显示出与传热方向相反的晶粒生长,图5a和b分别显示了界面上的Cu和Ni浓度。
图4.(a) LENS沉积的GRCop-84的SE,显示小的分散沉淀物,(b) GRCop-84-Inconel 718界,(c)晶界上的沉淀物积聚,以及(d)GRCop-84-Inconel 718。
https://doi.org/10.1016/j,https://doi.org/10.1016/j,End toend process evaluat,ActaAstronautica,如所示图7为硬度趋势在界面处移动,然后作为远离界面的距离的函数变得平滑。
在成分渐变和直接沉积试样的界面附近观察到硬度的轻微,然而,在直接沉积样品中增加更明显,界面区域硬度的增加是由于快速凝固过程(10exp(,在碳化物颗粒增强钛铝基复合材料中也观察到了类似的趋,以前在另外制造的Inconel 718和铜合金中也,从热扩散率测量得到的结果被表示为温度的函数。
如图8所示,在50 ~ 300℃范围内,Inconel718衬底的热扩散率为2.88±0.,这与文献中报告的商业可用的Inconel 718板,LENS沉积的GRCop-84在50°C ~ 30,这个值大约是商用轧制或挤压GRCop-84的一半。
后者在300°C[14]时的热扩散系数值为~ 85,这是由于由Nd:YAG激光施加的高热梯度产生的定向,当熔池在构建路径中凝固时,由于沿着构建方向的温度梯度,晶粒优先向热源生长,柱状晶粒垂直于与激光加热方向对齐的界面拉长,这在LENS和其他激光束熔化工艺中有大量报道,先前已经在Inconel 718中探索了通过激光操。
其中构建方向极大地影响了材料织构,有关LENS处理的更多详情,请参见参考文献,扫描速度、线间距、层厚、粉末流速和激光功率是影响构,需要仔细优化以制造高质量的零件。
对于双金属结构的透镜加工,使用Inconel 718粉末、GRCop-84粉,两种粉末都在合适的粒度范围为45-150微米(筛孔,选择了两种不同的方法:(1)直接GRCop-84在,对于组成梯度。
预混合粉末的重量百分比为50 wt .%铬镍铁合金,% GRCop-84,并在沉积100%GRCop-84之前沉积在Inco,改变初始LENS加工参数以制造不同高度的17.5平,界面附近较高的硬度值也可归因于颗粒堆积,如所示图4这种累积并不罕见,因为这种合金的常规制造导致了大量的沉淀。
大多数文献只报道了沉淀物的形成,没有可见的晶粒结构,这使得比较沉淀物的位置具有挑战性,然而,类似于我们的观察结果,以前曾报道过在铜基体中有细小分散的Cr2Nb32,此外。
在背散射成像中以黑色区域形式出现的富铬沉淀物的存在,据报道,由于Cr2Nb相的稳定性,在温度降至熔化温度以下后会立即发生沉淀,根据冷却速度。
可以控制沉淀物的尺寸,凝固速率越快,沉淀物形成的尺寸越小,因为该合金的缓慢冷却已经显示出颗粒尺寸从毫米级增长,因此,与常规工艺相比。
由快速凝固速率形成的细小Cr2Nb相将强化材料,双金属结构主要由两种材料组成,这两种材料或者以功能梯度材料的形式连接在一起,或者以界面明确的方式直接结合在一起,功能梯度材料在界面上包含梯度成分,一种材料缓慢转变为另一种材料.由于最终结构可能具有。
功能梯度材料与单一金属零件相比具有许多优点,LENS是一种定向能沉积(DED)增材制造系统,可按需生产FGM结构,利用这种能力,可以生产具有不同几何形状和功能的FGM和直接结合的,在本研究中,LENS用于加工Inconel 718和GRCop。
以测量基于不同界面成分的工艺-性能关系,研究了激光加工参数对界面微观结构、硬度和热性能的影,以评估LENS加工作为这些双金属结构可行制造方案的,有趣的是,无论是实验结果还是理论结果,双金属结构在50–300°C范围内的热扩散率都呈正。
这与Inconel 718在相同温度范围内的趋势非,这与GRCop-84沉积物的减少性质相反,如所示图8,这意味着作为温度函数的双金属的热行为仍受衬底材料支,但仍以较高的速率起作用,文章来源:Additive manufacturi,Additive Manufacturing,Volume 21。
May 2018,Pages 133-140,然而,对于给定的双金属样品,沉积在内锥718上的GRCop-84的厚度变化将影,因此可以说,在Inconel 718的恒定厚度上沉积的GRCo,双金属样品的有效 热扩散率/传导率将增加。
通过添加GRCop-84有效提高Inconel 7,理论和实验结果支持我们的假设,即使用基于激光的添加制造技术(如LENS)可以制造。
高温合金行业深度报告:多维需求持续增长,进口替代释放行业红利
……,中国电力企业联合会数据显示,截至 2019 年底,全国全口径发电装机容量 20.1 亿千瓦,同比增长 5.8%,其中。
气电 9022 万千瓦,占比为 4.49%,2019 年,全国新增气电装机容量为 629 万千瓦,按照单台燃气轮机 30 兆瓦计算,2019 年气电燃气轮机共需 210 台,高温合金材料用量约为 1.3 万吨。
市场规模约为 40 亿元,按 此计算,假设未来 20 年每年新增气电装机容量 600 万,未来 20 年气电燃气轮机共需 4000 台,高温合金材料用量约为 25 万吨,市场规模约为 750 亿元,2019 年。
我国新下水军舰共 20 万吨,包括 7 艘 052D 型驱逐舰、2 艘 055 ,燃气轮机共需高温合金材料为 3125 吨,市场规模约为 9.38 亿元,4.3 航空发动机核心零部件实现进口替代,从下游应用领域分布来看,航空航天与能源类应用场景是主要需求来源,目前。
航空航天领域是高温合金 的第一大应用场景,需求份额占比为 55%,其次燃气轮机和石油化工领域等能源类引用场景需求占比,二者合计占到整体需求规模的 88%左右,工业和汽车领域需求占比分别为 7%和 3%,除了国内企业在产业链上游进行高温合金材料的国产替代。
部分国内企业开始进军产业链中游制造环节,产业链中游环节主要包括两机高温合金零部件加工制造,其中以涡轮叶片和涡轮盘为主,国内企业通过自主研 发,在铸造等轴晶叶片和定向单晶叶片、粉末冶金涡轮盘等领,并进入国外产业链,海外并购+自主研制,国产化提速。
2010 年以后,国内企业通过海外并购和自主研制的方式提升国产化水 ,上海电气入股国际燃气轮机巨头安萨尔多,获得 E、F 和 H 级燃机的专利在中国的使用权,实现了压气机、 燃烧室和透平的国产化,通过和安萨尔多设立合资公司。
逐步掌握后续维护环节和设计环节,“两机”专项成立 以后,国家依托三大燃机厂和国家电投成立了联合重燃,选择自主研制和设计路线发展,1.3 高温合金牌号命名规则。
获取报告请登录未来智库www.vzkoo.com,应流股份于 2018 年底发布非公开发行股票预案,计划募集资金 9.5 亿元,其中 6.65 亿元用于高温合金紧密 铸造项目,增强与国内外客户的持续合作,预计达产后每年可生产叶片 20 万片。
预计产值可达 12 亿元,目前 应流股份已经完成定向高温合金叶片研发和制造,承担某型号航空发动机高温合金叶片研制生产任务,并向 GE 进行单晶叶片供货,核工业:核工业中的各种金属零部件在工作时需要承受高。
并且需要较高的蠕变强度,高温合金能够满 足其要求,主要应用于燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格,高温气体炉热交换器等,燃气轮机国产化进入冲刺期,根据发改委和能源局联合发布的《依托能源工程推进燃气,要求到 2020 年。
结合引进技术消化吸收,突破重型燃气轮机设计技术、高温部件制造技术和运行维,解决燃气发电项目设备瓶颈,国内基本形成完整的重型燃气轮机产业体系,2019 年 7 月份,华能南通 电厂燃气轮机发电项目等 24 个项目列入,预计在 2022 年前完成技术装备攻 关和项目建设,依托本批示范项目。
我国燃气轮机产业长期以来依赖进口的关键核心技术将逐,在前苏联(俄罗斯),高温合金称为耐热合金,20 世纪 40 年代中期至 50 年代,前苏联在耐热钢的基础上 开发出铁-镍基、镍基和钴基,如∋H415、∋H395、∋H388、∋H435、。
前苏联镍基耐热合金成分特点是添加较多的钨和钼元素、,而美国合金常用钼元素、少用钨元素,60 年代后,前苏联又开发出∋H868、 ∋H57、 ∋ Π99,前苏联(俄罗斯)的高温合金可分为∋H 和∋ Π(变,第三。
在一些高端领域,比如单晶叶片等领域,我国技术水平落后于国际先进水平,无法研制出达到国际 主流水平的成熟产品,4.2.4.2 核电领域高温合金市场空间测算,当前我国各主要领域对于高温合金材料的需求量约为 4。
市场规模约为 127 亿元,其中军用飞机发 动机为 6000 吨,民用航空发动机为 3800 吨,舰船用燃气轮机为 3125 吨,发电和天然气运输领域需求合计为 25000 吨,汽车领域需求为 4900 吨,核电建设需求 1800 吨。
根据我们对各需求领域未来发展的预测,未来 20 年,上述各领域对高温合金的需求总量约为 107 万吨,市场规模约为 3030 亿元,两机专项破解资金约束。
在 2015 年政府工作报告中将 “航空发动机、燃,首次作为独立的方向列入七大新兴产业,并在“十三五”期间全面启动实施航空发动机及燃气轮机,突破两机关键技术,初步建立航空发动机及燃气轮机自主创新的基础研究、技,两机专项落地预计带来千亿规模发动机专项资金。
根据我们对未来 5-20 年航空发动机需求数量的测,未来 5 年我国航空发动机高温合金需求总量约为 3,平均每年约 6000 吨,未来 20 年需求总量约为 23 万吨,平均每年约为 1.15 万吨,按照每吨高温合金单价 30 万元计算,未来 5 年航空发动机高温合金市场规模为 88.9,未来 20 年市场规模为 693.51 亿元。
立即登录请点击:「链接」,英国国际镍公司生产了世界上第一个镍基金属高温合金,除此之外英国航空发动机公司罗尔斯罗伊斯也研 制了定,我国各型军机即将进入加速放量阶段,对于国产航空发动机的需求也将迅速攀升,管道用燃气轮机受益于国家管网大建设。
2009 年-2018 年我国天然气消费量年均复合,而油 气管道里程数年均复合增速仅为 6.55%,管道运输能力陷入瓶颈一定程度上限制了天然气行业发展,据此国家 提出:分步推进国有大型油气企业干线管网独,实现管输和销售分开,2019 年 12 月国家管网公司成立,未 来我国管网将迎来一段时间的大建设期,以 F100 系列发动机为例。
单台发动机总质量约为 1800kg,按照高温合金材料质量占比 50%、成材率 20% ,共需要高温合金材料约 4.5 吨,以 D30 发动机为例,单台发动机总质量约为 2700kg,按照高温合金材料 质量占比 50%、成材率 20%,共需要高温合金材料约 6.75 吨,以 T700 涡轴发动机为例。
单台发动机总质 量约为 250kg,按照高温合金材料质量占比 50%、成材率 20%计,共需要高温合金材料约 0.625 吨,粉末冶金高温合金采用雾化高温合金粉末,经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制,由于粉末颗粒细小,冷却速度快,因此具备成分均匀、无宏观偏析、晶粒细小、热加工 性。
合金的屈服强度和疲劳性能有较大提高,粉末冶金高温合金可以满足应力水平 较高的发动机使用,是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部,粉末制备是 生产中最重要的环节,粉末质量直接影响零件性能,主要采用氩气雾化(AA)、旋转电极(PREP)和溶,俄罗斯和我国采用 PREP 工艺,美国等国家采用 AA 工艺。
在汽车领域,高温合金材料主要用于汽车废气涡轮增压器,涡轮增压器的工作原理是通过发动机排出的废 气冲击涡,带动同轴的叶轮高速转动以将空气压缩后传递到气缸中,通常加装废气涡轮增压器后的发动 机功率及扭矩要增大,随着中国汽车保有量不断增大,严格的排放限制。
带有涡轮增压汽车发动机逐 渐成为市场主流,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,此外内燃机 的阀座、镶块、进气阀、密封弹簧、火花塞,氧化物弥散强化高温合金,采用独特的机械合金化(MA)工艺,在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相均 匀地分散于,形成一种特殊的高温合金。
其合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持,具有 优良的高温蠕变、高温抗氧化、抗碳及硫腐蚀性能,目前已实现商业化生产的主要有三种 ODS 合金包括,居高温合金抗氧化、抗碳、硫腐蚀之首位,可用于航空发动机燃烧室 内衬,MA754 合金在氧化气氛下使用温度可达 1250,已用于制作航空 发动机导向器蓖齿环和导向叶片,MA6000 合金在 1100℃拉伸强度为 222。
1100℃、 1000 小时持久强度为 127MP,可用于航空发动机叶片,1939 年,英国国际镍公司首先研制出一种低碳含钛的镍基金属 N,而后含铝和钛合金元素的 Nimonic80 合金问。
1942 年,Nimonic80 合金用作涡轮动机叶片材料,是应用最早的 Ni3(AL、Ti)强化的涡轮叶 片,此后,英国国际镍公司通过将不同合金元素加入到合金材料当中,形成了 Nimonic 系列高温合金材料。
包括 Nimonic80A(B、Zr)、 Nimo,并通过提高冶金技术等方式研制出 Nimonic93,在单晶高温合金方面,Rolls-Royce 研制出 SRR99、SRR,形成了 RR 系列,第二,我国的高温合金研制一直是以军品作为研究主导方向的。
研发侧重点在于军用,寿命等方面不满足 民用航空发动机所要求的维修周期长,船舶动力领域燃气轮机优势显著,在军舰动力方案选择上,燃气轮机的主要竞争对手是舰用柴油机和蒸汽 轮机。
由于燃气轮机具有功率密度大、启动速度快、噪声低频分,老牌海军比如美国海军、 英国海军和日本海上自卫队等,美国是生产高温合金的最主要国家,全年大约生产 5 万吨,其中 60%用于民用,在军用领域。
生产航空发 动机厂家通用电气(GE)、普拉特—惠拉,在民用领域,美国从事高温合金材料研发 生产的企业有特殊金属公司,从 20 世纪 70 年代中至 90 年代中期,是我国高温合金制造工艺的提高阶段,在前期自主研制出一系列高 温合金材料的基础上,通过增加如大型真空冶炼设备、快锻机、精锻机等以及先。
进一步改进生产 工艺,同时建立质量管理系统和更严格的质量管理程序,不仅研制成功一系列新型号变形合金和铸造合金,更 为重要的是使我国高温合金的生产工艺技术和产品质,以 GH4169 镍基变形高温合金为例。
GH4169 基体为 Ni-Gr 固溶体,含 Ni 质量分数在 50%以上,可以承受 650℃左右高温,与美国牌号 Inconel718 相似,合金由 γ 基体相、δ 相、碳化物和强化相 γ'和。
GH4169 合金的化学元素与基体结构显示了其强大,屈服强度与抗拉强度都优于 45 钢数倍,塑性也要比 45 钢好,稳定的晶格结构和大量强化因子构造了其优良的力学性能,按照民航机队数量年均 10%的增长速度计算。
当前民航发动机高温合金需求量约为 3800 吨,市场规模约 为 11.5 亿元,通常情况下,天然气管线每 100-200 公司里设有一个压气站,每个压气站平均装备 2 台燃气轮机。
据此计 算,天然气管线所用燃气轮机市场在 2019-2020 ,市场规模约为 35 亿 元,未来 20 年共需高温合金材料 12.5 万吨,市场规模约为 375 亿元,与国外以制造商各自形成体系标准不同。
我国高温合金形成了统一的国家标准,以合金成型方式、基体元 素和强化方式的顺序构建了完,其中,合金成形方式有变形高温合金、铸造高温合金(包括等轴,在这些不同合金系列之下,再分铁基、镍基、钴基及铬基合金,在相同基体 之下。
又分固溶强化和时效强化类型等,我国航空发动机长期存在两大难题,第一个问题是研发体制约束,在 2016 年之前航空发动机的研制工作主 要由中,发动机研制长期依附于战机的发展,研制一代战机需要 10 年左右,研制一代航空发动机需 要 15-20 年时间。
研发周期存在错配,导致发动机滞后于战机的研制进度,第二个问题是资金约束,国外研制 一代航空发动机的研制经费通常为 30 亿,以美国在 1988-2005 年实施的“综合高性能,两者共花费 87 亿美元。
而在 两机专项实施前,20 年间我国航发预研投入不到 10 亿美元,航空航天领域:在现代航空发动机中,高温合金材料用量约占到发动机总质量的 40%-60,主要用于燃烧 室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热,以及发动机机匣、环形件、尾喷口等工作温度较高的部位,航天发动机与航空发动机类似。
但航天发动机材料不仅对高温高压下的性能有较高要求,同时要求在低温、较 高温度梯度变化的环境下进行稳定,以液体发动机为例,高温合金材料主要用于推力室做喷注器面板、涡 轮泵弯,时效沉淀强化高温合金,是合金工件经固溶处理、冷塑性变形后,在高温或室温放置保持其性能的一种热 处理工艺,例如 GH4169 合金。
在 650℃的最高屈服强度达 1000 MPa,制作叶片的合金温度可达 950℃,根据钢研高纳招股说明书数据,每万辆汽车至少需要高温合金材料 2 吨,2019 年我国汽车产量为 2572.1 万辆(含,需要高温合金材料约 4900 吨,按照每吨 20 万元计算。
市场规模约为 10 亿 元,考虑到未来汽车数量和我国装配率的提高,假设未来年均增长率为 5%,未来 20 年我国汽车市场对高温合 金材料的需求总,市场规模约为 324 亿元,参照我们对于军机未来需求量的预测,假设我国航空发动机的装备比为 1.5,每 5 年存量战机需更换全新 发动机次数平均为 1。
假设 5 年内全部老战机需要进行 1 次换发,据此测算,未来 5 年战斗机及教练机发动 机需求为 4374,运输机发动机需求为 1200 台,直升机发动机需求为 3000 台,未来 20 年战斗机及教练机需 求为 30246 ,运输机发动机需求为 12000 台。
直升机发动机需求为 22500 台,高温合金的研制在国际上主要在德国、英国、美国、日本,高温合金国际发展体 系的呈现出一大特点,高温合金适用的工作温度范围越来越高,从早期不到 800℃到如今工作温度达到 1700℃,伴随着工作温度的不断提升是新技术、新工艺的不断迭代,从变形高温合金、铸造高温合金到粉末冶金高温合 金,特别是定向凝固等技术的推广促进了航空发动机性能的不。
天然气发电成本高,在我国占比低,全球生产的天然气中,燃气发电消费独占半壁江山,每年约 50%的天 然气被用于发电,与此相对应的各主要国家天然气发电装机也在总装机容量,其中美国为 39.3%、 日本为 29%、英国为 ,而我国仅在 3%左右。
天然气发电比起煤炭发电来说更加清洁环保,但是天然气发电成本较高,高温合金材料目前仍然依赖进口,国产替代需求迫在眉睫,目前我国高温合金从业企业数量少,整体技术 水平较国外龙头企业仍有较大差距,整体产能和实际有效产能较小,尤其在高端航空航天领域高温合金的产能与实际需求存在。
根据我们对行业主要企业产能情况的数据汇总,12 家企业高温合金理论产能共计约 2 万吨,根据广大特材招股说明书数据预计,目前高温合金 50%的市场需求依赖进口,考虑到目前我国高温合 金有效产能与需求之间的缺口。
预计实际对进口的依赖程度更大,常见牌号的高温合金以及相关特性用途如下:,3.2.3.1 舰船燃气轮机高温合金市场规模测算,根据《中国核电中长期发展规划》,到 2020 年,全国在运核电规划装机容量达到 5800 万千瓦。
在建 3000 万千瓦,截至 2019 年末,我国共有 47 台运行核电机组,总装机容量为 4875.12 万千瓦,2020 年需投入运行 925 万千瓦。
根据钢研高纳招股说明书,每座 60 万千瓦核电站约需高温合金材料 600 ,以此计算,需在 2020 年 建设完成的 925 万千瓦的核,共需高温合金材料 9200 吨,考虑到核电站建设周期约为 5 年,平均每年 高温合金需求量约为 1800 吨,按照每吨 20 万元计算。
市场规模约为 3.7 亿元,假设未来 20 年核电在建机组数 量维持在 10 ,每座装机容量为 100 万千瓦,平均每年需求量约为 2000 吨,市场规模总计约为 80 亿元,核电工业使用的高温合金主要包括燃料元件包壳材料、结,高温气体炉热交换器 等,2011 年受福岛核事故影响。
全球核电在运装机容量出现下滑,2013 年后恢复增长,当前中国是全球核电在 建机组容量第一、在运机组容量,根据国际原子能机构估计,未来 20 年核电使用将维持增长。
装机容量增 长将主要来自中国、俄罗斯等国家,因此我们认为,三代半战机将成为填补我国战机空缺的主力,在大型飞机方面,轰 6K 在短时间内仍将是 我国战略战术轰炸的主力,而运 20 将逐渐担负起部队大部分战略、战术运输任,同时还将作为基础改 装平台衍生出加油机、预警机、电,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,高 温合金具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲性能、断裂韧性等综合性能,高温合金的 最大特点不是其绝对熔点很高,而是在高温下仍然具有良好的特性,我国高温合金的发展可以分为三个阶段:。
(3)钴基高温合金是以钴为基体,钴含量大约占 60%,同时合金需要加入 Cr、Ni 等元素来提升高温合金,但钴资源产量比较少,加工比较困难,通常只用于高温条件( 600-1000℃) 和较长,例如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室热端部件和,1.2 高温合金分类。
高温合金加工难度高,材料的加工表面完整性对于性能的发挥具有非常重要的作,而高温合金微观强化 项硬度高,加工硬化程度严重,并且具有高抗剪切应力和低导热率、切削区域的切削力和,因此在加工过程中经常出现加工表面质量低、刀具破损严,5.1 钢研高纳:新力通并表增厚业绩表现。
高温合金龙头持续增长可期,3.2.3.2 发电及管道用燃气轮机高温合金市场规,按基体元素,高温合金可分为铁基高温合金(占 14.3%)、镍基,燃气轮机装置是一种以空气及燃气为介质的旋转式热力发,结构与航空发动机一致,燃气轮机主要由 压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成,机组启动成功后。
压气机连续不断从外界大气中吸入大气并增压,喷入 燃烧室的燃料与空气混合后点火燃烧,高温高压燃气在涡轮中膨胀做功,2/3 左右被用来带动压气机,其余通过 机组的传输轴带动外界的各种负荷,如发电机、压缩机、螺旋桨、泵等。
燃气轮机可以看作由燃气发生器和动 力涡轮两大部分组,用来带动压气机和附件的称为燃气发生器涡轮,用来带动减速器、螺旋桨或其他外负荷 —专做功率输出,目前陆航部队已经基本成型,我国自主研发的直 20 作为执行突击运输、战场通信,预 计将以空前规模装备陆航部队,参考美军编制。
我国陆航部队未来 20 年直升机装备空间约为 20,短期来 看,未来 5 年直升机装备缺口数量为 500 架,供需缺口长期存在,企业高毛利长期维持,根据中国产业信息网数据,2018 年我国高温合金市场需求量约 3.74 万。
产量约 2.18 万吨,供需缺口在 15000 吨以上,由于高温合金高门槛特性,未来行业供需缺口主要是 依靠现有企业产能扩张实现,行业竞争格局稳定,得益于良好的竞争格局,企业高毛利长期保持。
以抚顺特钢 为例,高温合金板块长期保持在 40%以上,万泽股份于 2014 年成立万泽中南研究院,引进国内外高温合金领域人才,开始进行高温合金产品研究工 作。
2016 年公司通过非公开发行募资新建年产超纯高温,并于今年年初再次通过非公开发行募资新建年产超纯高温,500 片、涡轮盘 200 对、地面燃气轮机叶片 ,本 次募投项目完成后,公司将拥有高温合金母合金和粉末产能超过 800 吨,具备航空发动机和地面燃气轮机叶片、 发动机涡轮盘等,汽车领域:高温合金主要用于汽车涡轮增压器的涡轮叶轮,同时汽车内燃机的阀座、镶块、进气阀、密封 弹簧、火。
第一,高温合金产品成本较高,高温合金零部件生产流程复杂落后,成材率低,高温合金行业门槛高,行业龙头优势明显。
高温合金材料领域技术含量很高,目前具有完整高温合金体系 的国家只有美、英、俄、中,能够生产航空航天用高温合金的企业全世界也不超过 5,不仅仅是生产工 艺要求高,长期资金投入、认证时间长和客户黏性也是该行业门槛高,高温合金行业无论是军品还 是民品,审核严格、时间跨度长、耗时费力,为该行业构筑了天然的进入壁垒。
高温合金有一半是用在航空航 天领域,特别是军用品方面,由于处于战略安全和保密性的要求,国产龙头厂商的领先优势有望得到保持,1.3.2 国内牌号命名规则,变形高温合金是航空发动机中使用最多的,以 GH4169 合金为例。
是目前应用范围最广的主要高温合金品 种,在航空发动机的燃烧室、涡轮盘等部位可使用变形高温合,随着其他合金产品的日益成熟,变形高温合金的使用量可能逐渐减少,但在未来数十年中仍然会是占主导地位,燃气轮机国产化起步晚、限制多。
重型燃机轮机依据涡轮前温度和压比可分为不同级别,目前广泛使用的 是 E 级,F 级和 H/J 级,此前我国通过市场换技术,以三大电气为承接单位。
分别引进了德日美的燃机轮机技术,实现了 F 级燃机在国内的组装,但仅局限在整机组装能力,没有掌握研制设计和生产核心技术,无法自主生产 压气机、燃烧室和透平三大部件,维护维修环节也被外方控制,3.2.1.3 航空装备是国防建设的重点序列,(2)镍基高温合金的含镍量在一半以上。
适用于 600℃以上的工作条件,采用固溶、时效的加工过程,可 以使抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升,从目前的应用情况来看,在高温工作条件下,使用镍基高温合金 的范围超过其他两类高温合金。
同时镍基高温合金也是我国产量最大的高温合金,大部分涡轮发动机的涡轮叶 片及燃烧室,甚至涡轮增压器也使用镍基合金作为制备材料,国外高温合金牌号是按照厂家注册商标来命名,国外主要厂家高温合金牌号如下:,从 1956 年开始,我国高温合金研究生产经历了 60 多年的发展,目前已经形成了比较完整的高温合金体系。
但是和美国、英国、日本等国高温合金在很多方面依旧存,主要体现在以下几个方面:,我国目前从事高温合金研究生产的主要企业分为两类,形成了错位竞争的格局:第一类是特钢企业,主要 是抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢,主要生产批量较大的合金板材、棒材和锻件。
这类产品用量最大,结构简 单,另一类是科研院所转型企业,主要是钢研高纳、中国航发北京航空研究院(北京航发院,主要生产较小批量、结构复杂的高端产品,根据国家发改委和能源局印发的《中长期油气管网规划》,到 2020 年全国油气管网规模要达到 16.9 ,其中天然气管道 10.4 万公里。
到 2025 年,油气管网规模达到 24 万公里,其中天然气管道里程 16.3 公里,截至 2018 年底,中国建成运行的长输天然气管线总里程 7.6 万公里,2019-2020 年仍需建设 2.8 万公里,我们预计。
未来 20 年我国天然气管道建设将达到 15 万公,我国国防预算在经历了近 10 年的高速增长后,在 2014 年增速开始呈现逐年下降趋势,2017 年 7%的同比 增速创近十年新低,2018 年国防预算增速出现近年来首次回升,同比增速上升至 8.1%,2019 年中央一般公共 预算中央本级支出 353。
增长 6.5%,国防支出预算 11899 亿元(约合 1776.1,同比增长约 7.5%,国防预算总量保持逐年上升态势,增速较 2018 年虽有所回落,但年增速整体变动仍保持稳定上升态势,近年来全球高温合金市场稳步增长,根据前瞻产业研究院数据显示。
2012 年至 2018 年全球高温合金市场 规模,年均市场规模约为 108 亿美元,2018 年全球高温合金市场规模为 121.63 ,同比增 长 4.8%,预计 2024 年全球高温合金市场规模将达到 17,我们认为。
航空航天领域是高温合金的主要 需求来源,当前我国国防建设正处于关键时期,高温合金市场需求将远超全球市场整体增速,我国高温合金行业形成错位竞争,我国目前从事高温合金研究生产的主要企业分为两类。
第一类是特钢企 业,主要是抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢,主要生产批量较大的合金板材、棒材和锻件,这类产品用量最大,结构简单。
另一类是科研院所转型企业,主要是钢研高纳、航材院、中科院金属研究所,主要生产较小批量、 结构复杂的高端产品,这两类厂家之间形成了错位竞争的格局,目前国内企业间属于竞争合作关系,直接竞争 较少,同时存在上下游合作,以实现技术创新、扩大产能以满足市场需求为主要发展目。
1.3.1 国外牌号命名规则,“两机”需求占到高温合金需求的 85%,目前高温合金最主要应用领域是航空航天发动机,占到整体下游 需求的55%,另有35%应用于燃气轮机,在现代航空发动机中,高温合金材料用量占到发动机总质量的40%-60%。
主要应用于四大热端部件,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,美国、英国、日本的高温合金主要生产企业:,石油化工:在石油和天然气深井开采中,钻具处于高温酸性环境中,同时由于二氧化碳、二氧化硫和 泥沙等存在。
须采用耐腐蚀耐磨高温合金,同时高温合金在石化领域广泛用于多种阀门、液体分流器,4.2 两机国产化进度加速,上游高温合金供应商直接受益,各类燃气轮机(船舶、电力等):与航空发动机类似。
在船舶、电力用燃气轮机中,高温合金也广泛应用于 热端部件,从 20 世纪 90 年代中至今,是我国高温合金的创新发展阶段,随着新型航空发动机的研制生产。
对于高温 合金材料提出了进一步要求,高温合金的生产工艺也实现重大突破,在此阶段建立和完善了旋转电极制粉工艺 粉末高温合金,研制出粉末涡轮盘材料 FGH4095 和 FGH4,采用机械合金化工艺技术,研制出氧化物 弥散强化高温合金 MGH4754 和,研制出第一代 、 第二代单晶高温合金 DD402、,新型定向凝固柱晶合金 DZ4125。
DZ4125L,DZ604M,DZ417G,低膨胀系数合金 GH2907、GH2909 以及耐,高温合金是高端金属结构材料,高温合金的国产化长期是相关应用领域的“卡脖子”难题。
2012 年发布的 《新材料产业“十二五”发展规划,就把包括高温合金在内的高端金属结构材料列为新材料产,固溶强化高温合金,添加一些合金元素到基高温合金中,形成单相奥氏体组织,溶质原子使固溶体基体点 阵发生畸变,使固溶体中滑移阻力增加而强化。
溶质原子可以降低合金系的层错能,提高位错分解的倾向,导 致交滑移难于进行,达到高温合金强化的目的,除了主要金属成分之外,高温合金对于微量元素也有要求。
同样以 GH4169 镍基变形高温合金为例,要求 B、Mg、Mn、Si、P、S、Cu、Ca、B,(1)铁基高温合金又可称作耐热合金钢,铁基高温合金的基体是 Fe 元素,加入少量的 Ni、Cr 等合金元素,按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐,(报告观点属于原作者,仅供参考。
报告来源:中信建投),强劲经济和客流需求是民用航空主要驱动力,欧美属于成熟航空市场,未来全球航空市场主要看亚太地区,中国作为亚太地区经济领头羊,强劲的经济有力推动了民用航空的发展,中国商飞《2019-2038 年民用飞机市场 预测。
未来二十年中国航空市场将接收 50 座以上客机 9,市场价值约 1.4 万亿美元(以 2018 年目录,折合人民币约 10 万亿元,其中 50 座级以上涡扇支线客机交付 958 架,120 座级以上单通 道喷气客机交付 6119 架,250 座级以上双通道喷气客机交付 2128 架。
1.2.3 按强化方式分类,高温合金具有耐高温、耐腐蚀的特性,在高温环境下,材料会加速退化,使用过程中易发生组织不稳定、 在温度和应力作用下产,而高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀 等性能主要取决于,航发集团成立破解体制约束。
2016 年 8 月,中国航空发动机集团成立,中航工业所属从事航空发动机及相 关业务的企事业单位,包含 22 个发动机厂所、621 所(北京航空材料,总资产 1100 亿,“飞发分离”能够扫除体制制约因素。
首先将发动机独立于整机制造之外,具有更大 的灵活性,其次可以全面整合航发资源,加强交流互助,减少重复建设的成本,最后可以仿效海外巨头实现多 业经营。
不仅可以研制航空发动机,还可以应用航空发动机技术研制和生产船舶用的了燃气轮,形成产业协 同效用,铸造高温合金根据使用温度,可以分为以下三类,第一类:在-253-650℃使用的等轴晶铸造高温合,在 很大的范围温度内具有良好的综合性能。
特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降,第二类:在 650-950℃使 用的等轴晶铸造高温,高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能,第三类:在 950-1100℃使用的定向凝固 柱晶,在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀,“美国禁运事件”呼吁一颗“中国心”。
2020 年 2 月 16 日,《华尔街日报》报道称,美国政府正考虑取消 CFM (GE 子公司)向中国,而 LEAP-1C 发动机正是我国 C919 选用,如果美 国取消了 LEAP-1C 发动机的出口,中国 C919 短期内将面临无发动机可用的窘境,并且短时间内很难找到替代方 案。
必将极大影响飞机的交付进度,虽然出于技术和商业因素,禁运可能性不大,但这件事引起了国内很大的 震动,使得民众和政府对于航空发动机领域更加重视。
呼吁一个成熟可用的民用航空发动机,从 2015 年开始,我国出台一系列专项政策,航空发动机和燃气轮机发展滞后的难题逐步解决,尤其是航 空发动机的国产化难题有望逐步破解,而随着航空发动机和燃气轮机国产化程度进一步提高,成熟型号产品将 逐步放量。
作为两机产业链上游的高温合金制造商将直接受益,其他领域:高温合金在玻璃制造、冶金、医疗器械等领域,例如在生产玻璃棉的火焰坩埚钳、 生产平板玻璃的辊拉,轧钢厂加热炉的垫块、线材连轧导板等,医疗器 械领域的人工关节等,3.2.1.1 航空发动机是高温合金的主要应用领域,我国海军经历了近 20 年的现代化进程。
现已经初步形成了现代化海上力量,海上舰船数量已达到世界一流 水平,海军装备正遵循由量到质、由近及远两大趋势发展,即淘汰落后舰艇,批量装备现代化大吨位驱逐、护 卫舰。
同时迅速建立现代化远洋海军作战力量,目前我国海军已经处于建国以来的第四次造舰高峰,近年 056 系列轻型护卫舰与 052 系列驱逐舰,大量替代原有 053 型护卫舰与导弹艇负责近海防御,而随着辽宁舰航母编队远海训练次数的不断增多,航母舰队中各型配套军舰也已开始逐步服役,负责航母补给的 901 型大型综合补给舰已正式服役,055 型大型导弹驱逐舰也于 18 年 9 月开始。
于 2019 年 4 月参加了海军成立 70 周年,我国高温合金下游需求以军品为主,高温合金行业主要应用于航空航天领域,我国在军用航空发动机领域 虽然整体滞后于飞机的发展,部分仍依赖从俄罗斯进口,但是随着一些重点型号航空发动机的逐渐批量交付,我国军用航空发动机的可靠性等问题逐步得到解决。
军用领域逐步摆脱依赖进口的局面,相对于此,我国在民 用航空发动机领域起步很晚,目前还没有比较成熟的产品,2.1 国外高温合金材料研制起步较早。
获取报告请登录未来智库www.vzkoo.com,我国空中战力与世界一流水平相比仍有较为明显的差距,新型号列装需求强烈,根据 world airforce2019 统 计,目前我国空军二代歼击机及强击机(J-7、J-8、Q。
三代机(J-10、J-11、J-15)数量 仅有 ,从战机代系结构上看,二代与三代战机数量大致相等,另有 40%左右的二代机及早期三代机已面 临退役,急需新型战机填补数量空缺,国产四代机歼 20 已经正式服役并具备执行作战任务,若仍以 原有三代机与之搭配,则无法完全将隐身战机的战术作用最大化。
同时面对我国周边持续紧张的国际形势,在 执行警戒、巡航、驱离等任务时,以三代机为主的空中力量与周边国家相比优势已不明显,根据不同座级民航客机所需发动机数量、对应发动机质量,假设未来 20 年内全部民航飞机平均换发 1 次,按照高温合金材料质量占比 50%、成材率 20%计,未来 20 年我国民航客机发动机所需高温合金总量约。
按照每吨高温合金 30 万元单价计算,未来 20 年整体市场规模为 661.45 亿元,3.2.2 民用航空发动机需求将稳步提升,目前燃气轮机广泛应用于发电、船舶动力、机车动力、管,全世界 1/5 发电量来自于燃气轮 机,燃气轮机循环热效率可以到达 60%。
远远超过一般火电站使用的超临界燃煤系统的 40%,在船舶动力方面,欧美舰艇燃气轮机装配率在 50%以上,2.3 国内高温合金产品仍存在较大进步空间,3.2.3 燃气轮机需求多维发力,3.2 高温合金国内需求空间广阔。
短期或将进入集中放量时期,日本主要高温合金生产企业是 JFE 株式会社、新日,日本公司参与 航空发动机的研制,在单晶合金方面全球领先,其中 NIMS 与 IHI 利用第 4 代 Ni ,成功达到 1650 度涡轮进气温度的世界最高记录,金属间化合物是新型的轻比重高温材料,目前对金属间化合物的基础性研究和开发应用研究已经成。
尤其在 Ti-Al、Ni-Al 和 Fe-Al 系,Ti3Al 基合金(TAC-1),TiAl 基合金(TAC-2)以及 Ti2AlNb,可以使结构件减重 35~50%,Ni3Al 基合金。
MX-246 具有很好的耐腐 蚀、耐磨损和耐气蚀性,展示出极好的应用前景,Fe3Al 基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀性能,在中温(小于 600℃)有较高强度,成本低,是一种可以部分取代不锈钢的新材料,我国国防开支与自身建设需求相比还有较大差距,未来仍将保持长期稳定增长。
“确保到 2020 年基本实现 机械化,信息化建设取得重大进展,战略能力有大的提升,力争到 2035 年基本实现国防和军队现代化,到本世 纪中叶把人民军队全面建成世界一流军队”是十,《新时代的中国国防》指 出,中国是世界上唯一尚未实现完全统一的大国,是世界上周边安全形势最复杂的国家之一。
维护国家主权、 领土完整、海洋权益等面临严峻挑战,中国军队处于向信息化转型阶段,顺应世界新军事革命发展趋势、推进 中国特色军事变革,中国国防开支与维护国家主权、安全、发展利益的保障需,与履行 大国国际责任义务的保障需求相比,与自身建设发展的保障需求相比。
还有较大差距,炼石航空构建完整航空产业链,自 2013 年开始陆续投资设立成都航宇超合金技术,构建了从“铼元素→高温合金→单 晶叶片→航空零部件,目前成都航宇拥有年产 80 吨高温合金生 产线和 ,研制出多款高温合金母材,目前已具备单晶叶片、等轴晶叶片,成功研制多 款单晶涡轮叶片。
包括具有复杂气冷通道的空心单晶叶片的生产能力,承接预研、在研、在役重点机型复杂单 晶叶片的研发任,1.2.2 按制备工艺分类,4.1 国内高温合金行业现状:供不应求,竞争格局良好,3.2.1 军用航空发动机将迎来换代需求。
4.2.4.1 汽车领域高温合金市场空间测算,目前工业燃气轮机热端部件燃烧室、连接导管、导向叶片,这一点与航空发动机类似,后续有一系列政策出台支持高温合金研发与生产,其中《中国制造 2025》提出大力推进新材料产业发,将包含高端金属结构材料在内的六大新材料作为发展重点,明确力争在 2025 年以前使我国新材料产业进入世,我国高温合金经历了仿制、仿创结合到独创的发展过程。
形成为了我国独特的高温合金体系,我国研制的 高温合金已达到 200 多种,在 2005 年纳入国标的就有 177 中,构成了高温合金体系的基础,在 1980 年之前,我国高温合金就形成了自己的基础体系,目前这个体系更加完整和系统。
3.2.1.4 航空发动机高温合金市场需求测算,根据工作温度不同,航空发动机以燃烧室前后为界限,分为冷端和热端两部分,提高喷出气体的能量是增 加发动机工作效率的最主要方。
要求发动机工作温度提升,因此对热端部件,尤其是涡轮部件的材料提高了较高要求,航空发动机热端部件工作温度超过 1000 摄氏度,同时涡轮部件在高速旋转中承受较大机械载荷,因 此需要高温合金材料在高温下保持优异机械性能,2.2 我国已经形成独特高温合金研制发展体系。
汽车涡轮增压器具有降低噪声、减少有害气体排放、提高,国外的重型柴油机增压器装配率 100%,中小型柴油机也在不断地增大其装配比例,英、美、法等国家装配比例已达 80%左右,相较之下,我国 50%的装配率仍有一定提升的空间,按强化方式分为固溶强化型、时效强化型、氧化物弥散强,国防预算持续增加是国防工业发展的客观需求。
国防建设要与经济建设协调发展,与国家安全和发展利益 相适应,根据国防需要和国民经济发展水平调整国防预算规模是各,无论从国防预算占国内生产 总值、国家财政支出的比重,还是从人均数额看,中国的国防投入水平都低于世界主要国家。
近年来中国适 度加大国防投入,其中相当一部分是为了弥补过去投入的不足,主要用于更新武装装备、改善军人的生活待遇 和基层部,当前装备费占比日益提升,训练维持费也有望持续增加,在军队变得更加精悍的条 件下,与武器装备采购相关的装备费、训练维持费占比仍有提升,高温合金产业链:在高温合金产业链上游。
根据材料制备工艺主要分为变形高温合金、铸造高温合金,由于不同制备工艺的高温合金在材料特性上有所差异,其制造加工方式与工作应用环境也有所不 同,以航空发动机使用的高温合金为例,变形高温合金主要采用锻造、铸造高温合金主要采用铸造。
再经过机加、热处理等加工手段,形成最终下游应用所需形态产品,天然气价格中枢中长期下降,天然气发电最大劣势有望逐步消除,随着进口和国产天然气供应逐步增加,国内燃气价格贵的问题正在逐渐改善。
以中俄东线天然气管道为例,该条线于 2019 年 12 月初通气投产,根据 规划,该项目在国内的管道全长 5111 公里,途径黑龙江、吉林、内蒙古、辽宁、河北、天津、山东、,是中国东北方向首条陆上天然气跨境战略通道。
管道满负荷运行后,每年供气能力将高达 380 亿 立方米,国产气方面,我国国产气增量连续两年超百亿立方米,根据《中国天然气发展报告》显示,我国未来 通过加大四川盆地天然气、鄂尔多斯盆地致密。
以及海上天然气和非常 规天然气开发,天然气价格中枢有望进一步下降,我们预计,未来 20 年我国海军将围绕 10 艘航空母舰打造,建造舰船预计总数量为 360 艘。
暂不考虑燃气轮机更新需求,仅新下水舰船装备燃气轮机数量为 780 台,参考 LM2500 与 GT25000 燃气轮机约,假设 50%重量使用高温合金材料,成材率为 20%,共需高温合金材料 4.9 万吨,按照每吨 30 万元 计算,市场空间总计约为 146.25 亿元。
高温合金材料最初主要应用于航空航天领域,由于其有着优良的耐高温、耐腐蚀等性能,逐渐被应用到电 力、船舶、汽车、冶金、玻璃制造、原,从而大大的拓展了高温合金材料的应用领域,3.2.1.2 国防预算持续增加,装备建设支出占比有望提升。
按制备工艺分为变形高温合金(占 70%)、铸造高温,占 20%)和新型高温合金(粉末冶金高温合金、金属,与国外不同,我国高温合金牌号是国家统一标准,采用字母加阿拉伯数字相结合的方法表示。
根据特殊需 要,可以在牌号后加英文字母表示原合金的改型合金,如表示某种特定工艺或特定化学成分,晶界强化高温合金,利用晶界对位错运动的阻碍作用。
晶粒越细小、晶界越多,阻碍作用越大,强化的效 果越好,晶界可以把塑性变形限定在一定范围内,使塑性变形均匀化,因此细化晶粒可以提高钢的塑性。
晶界 又是裂纹扩展的阻碍,所以晶粒细化可以改善韧性,晶界强化是唯一能在提高强度的同时,不损害其韧性的方 法,4.2.4 汽车、核电领域潜在需求旺盛。
3.1 全球高温合金市场稳步发展,中国是未来主要需求增长来源,1941 年后美国开始大力发展航空发动机,高温合金材料的应用随之展开,1942 年。
HastelloyB 镍基合金先 后用于通用电气公,1944 年开发出钴基合金 HS23 用于西屋公司,1950 年后,由于钴资源缺乏,美国开始发展镍基高温合金并应用于制作涡轮叶片。
PW 公司、GE 公司和特 殊金属公司分别开发出 ,在这些合金基础上形成了 Inconel、Mar—M,60 年代以后,以采用定向凝固工艺制造出的单晶高温合金叶片使航空发,PW 公司研制的 PWA1480 单晶合金叶片,先后在 PW2037、PW1130、F100、JT,单晶空心精铸叶片于 1982 年投入使用。
目前美国的单晶高温合金叶片材料主要出自 PW 公司,分别以 PWA 系列、Rene-N 系列和 GMS,高温合金材料最初主要用于航空航天领域,但由于其具备良好的耐高温、耐腐蚀等性能,被广泛应用于船 舶、电力、冶金、汽车、核工业等工业,同时随着新型高温合金材料的不断发展,下游应用场景和市场需 求也处于不断扩张的趋势。
从 1956 年至 20 世纪 70 年代初是我国,在苏联专家的指导下制造出 GH3030 高温 合金,而此后为了生产出歼击机发动机所需高温合金材料,通过仿制前苏联高温合金,研制生产出 GH4033、 GH4037、GH40,同时针对我国缺少 Ni、Cr 资源的情况。
研制出铁镍基高温合金,代替当时用量较大的 GH4033 和 GH4037,1.2.1 按基体元素分类,各类政策上的大力推进也促使我国航发产业进入快速成长,中航发集团的成立意味着我国航发产业飞发 分离体系的,航空发动机发将不再以满足战机需求为最终目的。
航空发动机将成为独立军工产品进行 研发生产,作为军用飞机的先导产品,航空发动机当前的产业地位已与飞机整机齐平,航空发动机的研发将有 能力自主掌控资源投入与研发方,各型号预研工作将大规模展开。
一型航发,代系发展的预研体系有望逐步 建成,切实做到“动力先行”,同时航空发动机研发资金桎梏已经基本消除,两机专项落地带来千亿规模发动机 专项资金,若以 30 亿美元的平均研发经费计算。
此次下拨的专项资金足以维持 4 至 5 款航空发动,在高强度的资金支持下,未来几年我国航空发动机研发有望取得突破式进展,我国当前已经意识到航空发动机 对于装备发展的重要性,航空发动机已被提升至战略装备层面。
后续 其他形式的资金支持政策有望持续出台,1.1 高端金属结构材料,耐高温耐腐蚀特性强,预计 2020 年我国国防预算将实现稳定较快增长,随着实战化练兵的不断深入,军方对于武器装备采购与维 护的需求将不断扩大,客观上对于国防预算增长提出了硬性要求,国防支出作为政府财政支出的一项。
其增长与国家经济增长率密切相关,我国经济在经历了 30 多年的高速增长期后,增速将逐步放缓,GDP 增速已开始 逐年递减,但逐年增长态势较为确定,我国国防预算占 GDP 比重相对固定,GDP 的稳定增长必将带动国防预 算绝对额保持稳步。
此外,美国在国防预算上持续大力投入将直接导致全球国防支出,因此,我们认为在军方需求提升的内部因素与世界国防支出快速,未来几年 我国国防预算支出或将继续保持稳定较快增长,2020 年增速有望维持在 7.5%-8.0%范围,5.2 西部超导:军用钛材龙头企业,高温合金业务蓄势待发。
从近年来军费开支结构看,装备费占比日益提升,训练维持费也有望持续增加,我们预计,在军队人员总 体规模缩小 30 万至 200 万、,与武器装备采购相关的装备费、训练维持费占比仍有 提,我国高温合金市场供不应求,2019 年。
我国重点优特钢企业高温合金铸锭产量约为 1.91 ,同比增长 32.95%,钢材产量约为 0.85 万吨,同比增长 50.13%,我国高温合金业务供给出现快速增长的情况,但目前我国 高温合金整体市场需求约为 4 万吨,供不应求的问题依然显著。
由于技术壁垒高、认证周期长、资金需求大等 因素,我国高温合金的产量增长缓慢,成材率较低,产业链中游环节国产化将大幅降低成本,以燃气轮机单晶叶片为例,进口产品价格约为每片 40 万元,实现 国产化后产品价格仅为 10 万元左右,而一级涡轮叶片数量为 96 片。
对于燃气轮机制造成本下降将产生重大影 响,考虑到燃气轮机后期维护更换叶片费用,成本下降作用将十分明显。
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