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1、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
2、电磁搅拌控制激光固态成形Inconel 718高温合金的组织和机械性能
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
3.2.3.2 发电及管道用燃气轮机高温合金市场规,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,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,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。
4.1 国内高温合金行业现状:供不应求,竞争格局良好,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,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,(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,立即登录请点击:「链接」,(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,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,4.2.4.1 汽车领域高温合金市场空间测算。
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,……,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,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,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,常见牌号的高温合金以及相关特性用途如下:,1.3.1 国外牌号命名规则,1.1 高端金属结构材料,耐高温耐腐蚀特性强,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,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,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。
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。
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:,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,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,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,1.2.2 按制备工艺分类。
3.2.1.1 航空发动机是高温合金的主要应用领域,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,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℃,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,4.2 两机国产化进度加速,上游高温合金供应商直接受益,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,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,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,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,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。
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,美国、英国、日本的高温合金主要生产企业:,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。
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%,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,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。
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,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,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 GH4037,4.2.4 汽车、核电领域潜在需求旺盛,2.2 我国已经形成独特高温合金研制发展体系,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。
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。
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,按基体元素。
高温合金可分为铁基高温合金(占 14.3%)、镍基,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,“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,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,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。
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,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,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,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,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,1.3.2 国内牌号命名规则,2.1 国外高温合金材料研制起步较早,5.2 西部超导:军用钛材龙头企业,高温合金业务蓄势待发。
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,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,2.3 国内高温合金产品仍存在较大进步空间,获取报告请登录未来智库www.vzkoo.com。
我国高温合金的发展可以分为三个阶段:,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,获取报告请登录未来智库www.vzkoo.com,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,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,1.3 高温合金牌号命名规则,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。
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,3.2.1.4 航空发动机高温合金市场需求测算,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,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,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。
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。
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,3.2.3 燃气轮机需求多维发力,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,1.2 高温合金分类,3.2.1 军用航空发动机将迎来换代需求,3.2.1.2 国防预算持续增加,装备建设支出占比有望提升,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。
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,按强化方式分为固溶强化型、时效强化型、氧化物弥散强。
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,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,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,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,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,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,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,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。
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,3.2.3.1 舰船燃气轮机高温合金市场规模测算,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,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,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,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。
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,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,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,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,1.2.1 按基体元素分类,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,1.2.3 按强化方式分类,3.2.2 民用航空发动机需求将稳步提升,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。
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,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,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,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,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。
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,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,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,3.2.1.3 航空装备是国防建设的重点序列,(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,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,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,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,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,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。
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,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,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。
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,4.2.4.2 核电领域高温合金市场空间测算,“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,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。
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:,4.3 航空发动机核心零部件实现进口替代,(报告观点属于原作者,仅供参考,报告来源:中信建投)。
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,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,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。
电磁搅拌控制激光固态成形Inconel 718高温合金的组织和机械性能
图6也显示了EMS对LSFedInconel 71,各试样的硬度随电磁场强度的增加而增加,当磁场强度为0、30、50和80 mT时,试样的平均硬度值分别为277、290、326和32,材料的硬度与其显微组织有关,Laves相在Inconel 718高温合金中是一,该相的存在可以提高材料的硬度。
然而,Laves相的形成消耗了大量的均一元素,如Nb和Ti,这不利于γ基体的强化,在沉积状态下,γ枝晶主要通过合金元素的固溶强化得到强化,如图3所示。
EMS降低了Laves相的尺寸和数量,使得更多的合金元素分布在γ枝晶中,从而提高了γ基体的硬度,(1)电磁搅拌对LSFedInconel 718高,Laves相的形态由条状转变为球状。
数量减少,对EMS制备的LSFed Inconel 718高,结果如图5所示,在没有EMS的情况下,两道道焊道重叠区域的残余应力绝对值高达500 MP。
远高于内道焊区的残余应力绝对值,随着电磁场强度的增加,重叠区域的残余应力增加速度相对较慢,内道区域的残余应力增加速度较快,如电磁场强度为50 mT时,前者为450 MPa。
后者为300 MPa,这两个区域的残余应力差相应减小,同时,不添加EMS时,N + 1孔道的残余应力小于N孔道的残余应力,如图5a所示,这意味着低密度凝固过程中的热积累会影响组织的均匀性。
加入EMS后,这种趋势减弱,如图5b所示,进一步提高电磁场强度50 c太如图5所示,通过N + 1的残余应力是略高于通过N还应该指出,样品的平均残余应力水平与EMS沉积高于样本没有EM,当磁场强度为0 ~ 80 mT时。
沉积试样的平均残余应力分别为223、270、330,本实验中使用的不同样品的电磁场强度分别为0、30、,LSF的详细示意图如图1所示,工艺参数如下:激光功率P=1800W,扫描速度v=9mm/s。
光斑直径D0=3mm,相邻焊道重叠η=40%,Z方向增量ΔZ=0.3mm,保护气体流量(Ar)fgas=6L/min,沉积了几个试块,用于微观结构观察和机械性能测试(见图2)。
图4 不同电磁场强度下EMS- LSFed Inc,(a) 0 mT,(b) 30 mT,(c) 50 mT,(d) 80 mT。
为了比较不同试样的断裂机理,利用SEM观察了断裂形貌,结果如图8所示,添加或不添加EMS的沉积试样的断口表面均呈现典型的,如图8a所示,韧窝中有破碎和剥落的颗粒,在韧窝周围形成微裂纹。
从颗粒的形状、分布和数量等方面确定其为分布在枝晶间,Laves相是脆性的,在外界载荷下很难变形,应力集中发生在Laves与γ基体的界面上,当应力水平足够高时,界面会形成微裂纹,部分Laves粒子会断裂释放应力,因此。
Laves相的存在不利于材料的拉伸性能,尤其是延性,在LSF过程中应用EMS后,酒窝中Laves相颗粒数量减少,酒窝形状更加规则。
如图8b所示,来源:Control of microstruct,Optics &Laser Technology,4,结论。
3.结果与讨论,激光固相成形Inconel718高温合金工件中粗大,为提高合金的组织和机械性能,采用电磁搅拌(EMS)技术改变合金熔池的凝固过程,结果表明:EMS不能完全消除外延生长的柱状晶,但液态金属的强对流可以有效地影响固液界面生长模式。
合金元素在固液界面前缘的偏析受到抑制,整体过冷度相应降低,对比不同工艺参数下形成的试样的显微组织,发现随着磁场强度的增加,枝晶间形成的γ+Laves共晶相的尺寸和数量减小,合金元素分布更加均匀,残余应力分布更加均匀。
有利于再结晶后晶粒的细化,机械性能测试结果表明,使用EMS后,抗拉强度提高了100 MPa,延伸率提高了22%,合金的室温高周疲劳性能也从沉积态的4.09 × 1。
热处理态的5.45 × 104循环提高到12.73,图7 不同电磁场强度热处理后的LSFed Inco,(a) 0 mT,(b) 30 mT,(c) 50 mT,(d) 80 mT。
图10 LSFed Inconel 718高温合金,(a)和(b)处于沉积状态,(c)和(d)经过热处理,(a)和(c)在没有EMS的情况下制备,(b)和(d)在有EMS的情况下制备,电磁强度为50 mT,3.5。
LSFed Inconel 718高温合金试样的,在聚变反应堆的运行过程中,分流器将受到高通量等离子体和中子辐照的循环头负荷,结果表明,W材料的熔融再结晶开裂和塑性/蠕变变形可能导致转炉,虽然导流器材料最重要的机械性能之一是疲劳性能,但关于W材料的疲劳寿命实验数据非常有限。
上图为掺k W棒与常规热轧纯W板的低周疲劳寿命,在高应变条件下,再结晶k掺杂W棒材(900°C,0.33 h)的疲劳寿命与纯W棒材相似,而在低应变条件下,k掺杂W棒材的疲劳寿命较长,再结晶k掺杂W棒材的疲劳寿命比纯再结晶W棒材的疲劳。
3.3. LSFedInconel 718高温合金,结果表明,LSFed试样中再结晶晶粒组织的分布与残余应力的大,高的残余应力增强了再结晶过程,使晶粒更加细小,从图8中还可以看出。
随着磁场强度的增加,小于150 μm的小晶粒比例增加,而在较大的晶粒中则呈现相反的趋势,而80mt更高的磁场强度会导致大颗粒和小颗粒在整个,这可能是由于使用过大的电磁场强度时产生的乱流。
具体原因还需要进一步分析,为了观察沉积态LSFedInconel 718高温,从试块上切下垂直于激光扫描方向的小截面,用砂纸打磨和抛光,并用10ml CH5(OH)+10ml HCl+5,所使用的热处理工艺如下:在1100°C下固溶处理1,空气冷却至室温,然后在980°C下时效1 h。
空气冷却至室温,然后在720°C下时效8 h,炉内连续冷却至620°C,在620°C下保持8 h,最后空气冷却至室温,通过MR5000光学显微镜(OM)观察微观结构,图8 不同电磁场强度热处理后的LSFed Inco,至于热处理样品如图7所示b。
lsf样品制作的抗拉强度电磁场强度0,30、50和80吨增加到1359,1388,1362和1352 MPa,分别高于as-deposited样品和伪造的材料在。
拉伸强度的提高主要是由于时效过程中γ″相和γ′相的,众所周知,γ -″相和γ′相等析出相强化相的形成对合金元素的,1100℃固溶处理足以实现合金元素的均匀化,这有利于拉伸强度的提高,这意味着EMS引起的Laves形状和数量的改变。
可以降低Laves周围发生应力集中和微裂纹形成的概,图8c和d为热处理后试样的断口,在热处理后的断口中,有EMS和没有EMS沉积的试样没有明显的区别,这也表明热处理后的试样具有几乎相同的拉伸性能,由此可以得出。
EMS对Inconel 718高温合金1100℃高,使用维氏显微压痕法测量残余应力,Suresh等人首次报告了该方法,Carlsson等人将其应用于金属材料,测量维氏显微硬度压痕的实际面积,并与标称面积进行比较,通过拟合公式计算残余应力。
试样的拉伸试验在INSTRON 3382通用材料试,拉伸速度为2 mm/min,试样的高周疲劳性能在INSTRON 8802液压疲,试验条件如下:应力比R=−1、光滑的疲劳试样,载荷频率f=10 Hz,最大应力Fmax=750 MPa,对于拉伸和疲劳试验,在每种条件下测试三个样品。
并计算拉伸强度、伸长率和疲劳寿命周期的平均值,以确保结果的准确性,拉伸和疲劳试验后,使用TESCAN VEGA II-LMH扫描电子显,500oC时接收和再结晶k掺杂W棒轴向疲劳寿命,也绘制了Schmunk等人在815℃和1232℃沿。
EMS应用于LSF工艺时,Laves相的形貌发生了明显的变化,如图3所示,对应的高倍扫描电镜图像如图4所示,可以看出,加入EMS后。
Laves相的形貌由未采用电磁搅拌时的连续长条状转,如图3c所示,在磁场强度为80 mT时变为粒状,如图3d所示,在枝晶间形成Laves相的原因是Nb、Al、Ti等。
EMS通过对液态金属的剧烈搅拌,使合金元素重新分布到远离固液界面的液态金属中,从而减轻合金的偏析,Laves相的持续生长受到抑制,其形态也发生相应的变化,用Image Pro Plus软件对Laves相的,结果表明,EMS处理后Laves相的体积分数明显降低。
表1 Inconel 718高温合金粉末化学成分(,图5 不同电磁场强度下制备的LSFed Incon,(a) 0 mT,(b) 30 mT,(c) 50 mT。
(d) 80 mT,LSFed Inconel 718高温合金试样在室,对于沉积态试样,施加0 mT和50 mT电磁场时,疲劳寿命周期分别为4.09 × 104和8.21 ,应用EMS后,疲劳寿命提高了一倍。
疲劳寿命的提高与显微组织有关,其中,熔覆试样中Laves相的形态和数量对试样的疲劳性能,一方面,较大的Laves相条带脆性较大,在循环荷载作用下容易产生裂纹,形成疲劳裂纹源,从而减少Laves相。
延长疲劳寿命,另一方面,在适当的时效温度下,Laves相的减少会向基体释放更多的合金元素,从而形成更多的强化相。
这些都有利于沉积态LSFed样品的疲劳性能,热处理后,当磁场强度为0 mT和50 mT时,疲劳寿命分别增加到5.45 × 104和12.73,可见,热处理可以有效提高LSFed试样的疲劳性能(见图1,激光固体成形(Laser solid formin,LSF)是一种以激光束为热源。
在重建程序的控制下逐层熔化粉末并形成金属结构的增材,与传统的材料制造工艺如铸造、锻造、焊接等不同,LSF可以自由、快速地制造复杂的结构,而且所制造的材料结构致密,机械性能优异。
以LSFed Inconel 718高温合金试样为,证明其拉伸性能优于工程应用的锻造标准,然而,LSFed Inconel 718高温合金试样在热,且柱状晶粒分布不均匀,导致其疲劳性能偏低。
不能满足航空航天行业的实际应用,因此,近年来LSF技术在高温合金组织制造中的应用受到了限,至于不同样本的平均残余应力值,它可以看到,两个相邻的重叠区域的残余应力传递接近不同的样本,而每个传递的内部地区平均值增加随着电磁场强度的增加,这表明。
EMS显著提高了孔道内区域的残余应力水平,但对相邻孔道重叠区域的影响不显著,众所周知,电磁场只能通过剧烈的搅拌来影响熔池中的液态金属,从而实现液态金属的剧烈对流,从而使熔池中的温度场和合金元素分布发生相应的变化。
而相邻孔道交叠区域则经历了双重淬火过程,这一过程几乎不受电磁场的影响,(2)辅助电磁场的电磁搅拌作用使残余应力分布更加均,有利于再结晶后晶粒的细化,图3 不同电磁场强度下制备的LSFed Incon。
(a) 0 mT,(b) 30 mT,(c) 50 mT,(d) 80 mT,电磁场对液态金属的搅动也会影响温度场,进而影响沉积态样品的残余应力分布,因为搅拌和液态金属的流动,整个熔池的温度很容易和快速得到重新分配。
和温度梯度的液体和固体界面将会扩大,导致快速凝固速度和较高的残余应力在内部通过地区,同时,两道道交叠区域的热循环也发生了变化,冷却速率降低。
导致该区域的残余应力减小,两道道交叠区域的残余应力差异变小,磁场强度越大,搅拌效果越强,两者的差值越小,3.4. LSFedInconel 718高温合金。
当磁场强度为30、50和80 mT时,Laves相体积分数由未施加EMS时的5.49%变,同时Laves相体积分数的降低意味着更多的合金元素,EDS分析显示,随着电磁场强度的增加,Nb和Ti在内枝晶区含量增加,这两种元素是γ″和γ′析出强化相形成的最重要元素。
如图5所示,而Mo和Mn的含量略有下降,Al的含量不受影响,对应于Nb的增加和Ti innerdendrite,他们的内容interdendritric地区减少,导致更少的Nb和Ti的共晶反应剩余物和γ阶段。
因此导致洗涤阶段的数量减少,以及形态学的改变,疲劳试样的断口形貌如图9所示,结果表明,在50 mT的电磁强度下。
lssf合金在沉积态和热处理态下的断口形貌不同,沉积态试样的断口形貌比热处理态试样的断口形貌光滑,疲劳裂纹扩展速度快,疲劳寿命较低,热处理后试样的粗断口也与试样中存在更细的晶粒相对应,研究人员报道了晶粒尺寸对金属材料[17]、[18],在沈阳航空航天大学建立的激光金属沉积系统上。
对Inconel 718高温合金样品进行了激光表面,该系统由5kW DL-HL-T5000B快速横流C,为了实现对熔池的电磁搅拌效果,采用了电磁搅拌装置,该装置主要由两对永磁体、一个铝制转盘和一个步进电机。
通过调节磁铁之间的间隙可以实现不同的磁场强度,通过改变电机转速可以获得不同的频率,基板固定在工作台上,不随转盘和磁铁旋转,在LSF工艺之前,在磁铁方向不变的情况下。
使用HT201高斯计在两块磁铁(LSFed Inc,由于磁体远高于沉积样品,因此在LSF过程中,磁场强度被认为均匀分布在熔池中,实验中使用的磁场频率为50 Hz,并保持与所有样品相同,3.1。
LSFed Inconel 718高温合金试样的显,图2 试样用于室温拉伸试验(a)和疲劳试验(b),(4)在不允许高温固溶处理的激光修复部件中,电磁搅拌可用于强化材料,如上图。
在两种不相混电解质溶液(ITIES)的界面上的半导,由于盐浓度的不同,该纳米粒子非常薄(nm量级),并且在没有离子流过界面的情况下对电压也很稳定,纳米粒子的表面张力和极化率加深了电势阱。
当粒子的尺寸大致在一个或几个纳米量级时,溶剂化作用的平衡将纳米粒子推向水相,而电场则将其推向有机相,图6 不同电磁场强度下制备的LSFed Incon,(a) 0 mT,(b) 30 mT,(c) 50 mT。
(d) 80 mT,江苏激光联盟导读:,EMS对LSFed Inconel 718高温合金,沉积态LSFedInconel 718合金(无EM,如图3a所示,这种粗大的柱状晶粒结构被认为是激光增材制造材料的典,在高温合金、钛合金等多种激光增材制造材料中都存在,定向凝固组织也导致了材料的各向异性。
对于电磁沉积的样品,其枝晶结构与沉积时相同,表明电磁沉积并没有改变磁场特性下的枝晶结构,测量了枝晶的初臂间距,结果表明,随着磁场强度的增加。
初臂间距增大,证明了枝晶臂间距与温度梯度成正比,与过冷度成反比,随着EMS对熔池的搅拌,强烈的对流可以将富集的合金元素从枝晶间区移开,降低本构过冷度,同时还可以增大液固界面前的温度梯度,这些都有利于增大主臂空间。
上述结果表明,随着电磁场强度的增加,电磁场对液态金属搅拌作用的增强,对液态金属组织的改变有有益的效果,本文探讨了电磁搅拌控制激光固态成形Inconel ,图9 lssfed Inconel 718高温合金,图1电磁搅拌辅助激光固体成形装置设计方案,江苏激光联盟陈长军原创作品。
(3)通过对合金组织的改性,提高了合金的拉伸性能和高周疲劳性能,高温后固溶处理会使强化效果减弱,表2 研究了LSFed Inconel 718高温,3.2. LSFedInconel 718高温合金,LSFedInconel 718高温合金残余应力分,图7为热处理后不同电磁场强度的LSFedIncon,图8为不同尺寸范围的晶粒尺寸统计数据。
如图7所示,热处理后样品均发生了静态再结晶,晶粒较沉积态晶粒细化,在30 ~ 80 mT的电磁场强度范围内,晶粒结构明显变细,但在80 mT的电磁场强度较大时,也会形成一些较大尺寸的晶粒。
如图8所示,再结晶样品中存在较多粒径大于350 μm的晶粒,doi.org/10.1016/j.optlast,图11 lssfed Inconel 718高温合,(左)两种不混溶的电解质溶液之间的界面卡通,纳米粒子吸附在界面上(实际上纳米粒子比离子大得多),这三条曲线对应的零场吸收峰分别为490、560和6,1。
介绍,需要指出的是,不同磁场强度沉积的试样在热处理后抗拉强度与塑性的差,如图6所示,说明电磁搅拌对热处理后的试样的影响并不显著。
对于大多数修复问题,不允许进行更高温度的固溶处理,这种处理将保留沉积样品的典型特征,EMS可以用于增强激光修复零件的材料,因为不允许更高的温度固溶处理,2,实验的程序。
电磁搅拌(EMS)通过改变液态金属在熔池中的凝固行,成功地应用于焊接过程中,以减少冶金缺陷和变形,Kern等人研究了激光焊接中磁搅拌的影响,他们发现磁流体动机械机制的利用使熔体流动“层叠化”,在熔池液态金属的凝固行为LSF具有类似的特征与焊接,所以电磁搅拌和激光固体形成的组合能给一个新的解决方。
Qin 等研究了磁场搅拌对钛合金激光金属沉积的影响,发现旋转磁场增强了熔池中的对流,提高了熔池的冷却速度,使熔池的显微组织更精细,机械性能更好,Yu 等报道了电磁搅拌在激光熔覆钢基WC/Co层上。
结果表明:在电磁场的搅拌作用下,熔覆层无气孔和裂纹,为了改善LSFed Inconel 718高温合金,Yu等在LSF处理中加入旋转磁场,发现电磁搅拌能有效影响枝晶间区γ+Laves共晶相。
提高LSFed材料的显微硬度,参考文献:W.D,Huang,Laser solid forming,Northwestern Polytechnica,Xi’an (2007),F.C,Liu。
X.Lin,W.W,Zhao,X.M,Zhao,J,Chen,W.D。
Huang,Effect of solutiontreatme,Rare Metal Mater,Eng.,39 (2010),pp,1519-1524,采用等离子体旋转电极工艺(PREP)制备了尺寸约为。
粉末的化学成分见表1,基板由304不锈钢板切割而成,尺寸为150 mm × 60 mm × 6 mm,在LSF工艺前,先用砂纸打磨基材表面。
然后用丙酮清洗,图9为不同电磁场强度下,LSFed Inconel 718高温合金在沉积状,对于沉积态试样(图9a),EMS可以同时有效提高拉伸强度和塑性。
在磁场强度为30、50、80 mT时,拉伸强度分别为1023、1048、1072 MPa,相应样品的伸长率分别为12%、25%、34%和32,结果表明,在沉积状态下。
EMS同时提高了材料的强度和塑性,材料的强化是由于γ枝晶基体的固溶强化,因为EMS可以有效地增强熔池中液态金属的对流,增加固液界面的温度梯度,降低凝固的本构过冷倾向,这些都将导致γ枝晶中合金元素含量的增加和抗拉强度的,材料的延性与Laves相的形态和数量有关。
在外界荷载[15]作用下,Laves相的脆性往往会导致材料在变形过程中出现应,因此,在较高的磁场强度下,当EMS使Laves相的尺寸和数量减小时,沉积试样的伸长率相应增大,本文将电磁搅拌引入Inconel718高温合金的L,对熔敷态和热处理态试样的组织、拉伸性能和高周疲劳性。
目的是优化LSFed Inconel 718高温合。
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