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  • 军工材料领域之高温合金

    作者:admin发表时间:2022-03-31

      高温合金,又称热强合金或超合金,是指在高温、应力条件 下仍能按设计要求正常工作的金属材料,其服役条件苛刻:

      因此除优异的承温能力、抗氧化性、抗热腐蚀、抗疲劳、断裂韧性/塑性等,还必须具备良好的组织稳定性和使用可靠性。

      高温合金研发最早起源于 20 世纪 20 年代,30 年代开始用于涡轮喷气 发动机,此后随着航空、航天发动机的升级换代,其工艺、成分、品 种、性能等也不断改进。

      高温合金的分类方法众多,如按基体元素、按制备工艺、 按强化方式、按使用性能等。

      按制备工艺又可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合 金,这也是目前使用最多的分类方法。

      按制造工艺划分,目前我国高温合金市场需求占比最高的是变形高温, 占整个高温合金市场需求的 70%以上;

      按合金基体元素来分,占比最大的是镍基高温合金,占比达到了 80% 以上。

      军用:高温合金一直是现代航空、航天发动机热端部件关键材料中不可替代的主角,没有高温合金就没有现代航空事业。

      民用:石油化工、电力、汽车、核能等多个工业行业,如工业用燃气、 蒸汽轮机、车用涡轮增压器、石油化工能源转换装置等,民用领域高 温合金的使用正在逐步替代传统的不锈钢

      从需求占比看,全球高温合金主要应用在航空航天市场,占总使用量 55%,其次是电力的 20%和机械的 10%。

      原材料占航空发动机成本约 50%,高温合金为原材料的主要构成,约 占材料成本的 36%。

      高温合金的高准入壁垒主要因其高难度的生产技术工艺,特别是对生产工 艺流程的管控。高温合金的制备工艺因品种而不同,大体步骤有三个:熔 炼、铸造、热加工,各个环节又有多种方法。粉末高温合金则主要通过粉 末法替代熔炼。

      1)成份配比,直接决定熔炼结果及后续工序,这也是开发新产品的重 要性所在。成分决定了组织特点,其要求三个:材料纯净度、晶粒细 化和均匀化、防治宏观偏析等。

      2)设备更为重要,设备对应的加工条件影响最终材料的微观结构,越 是尖端、先进材料越是如此,对设备的操作熟练度也很关键;高温合 金的生产设备众多,如真空感应炉、真空电弧炉、真空自耗炉、电渣 炉、水压机、精锻机等,国内外设备先进程度存在不小差距。

      在现代航空发动机中,高温合金占有极其特殊的重要地位。高温合金从诞生起就用于航空发动机,航空发动机内多数部件都需要在高温高压的恶劣 环境下长期工作,对性能、工艺要求极高,因此高温材料是必须的。

      在航空发动机内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,在高性能的航空发动机中,高温合金还用于压气机后端盘、转子叶片及机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等。

      如此复杂的工艺和高技术门槛,也决定了我国生产高温合金材料的企业数量非常有限。产量最高的为抚顺特钢,其次为钢研高纳、广大特材等。图南股份、西部超导等 公司由于涉及高温合金业务时间相对更短,产能、产量相对较低。

      抚顺特钢是国防科工局列入民口配套核心骨干单位名录的唯一特钢企业,被誉为 “中国特殊钢的摇篮”。我国第一颗、氢弹、人造卫星、导弹,各类中程远程运载 火箭,“神舟”系列载人飞船和“嫦娥”探月卫星,第一代国产战斗机到当代最先进的战斗机,甚至 2019 年国庆阅兵中展示的新式武器,核心关键的特钢材料均由抚钢提供。

      目前,公司形成了以“三高一特”(高温合金、超高强度钢、高档工模具钢、特种不 锈钢)为核心,拥有七大类重点品种的产品体系。公司拥有 5400 多个牌号的特殊钢材 料生产经验,产品被广泛应用于航空、航天、兵器、核电、交通运输等领域,覆盖六大 洲、30 多个国家和地区。公司素以生产“高、精、尖”和“奇、难、特”产品著称,高 端产品市场占有率达到 60%。除了高端产品以外,公司齿轮钢覆盖了国内主要汽车生产 企业,市场占有率为 10-25%;公司轴承钢市占率 18%左右,产量居全国特钢企业第二 位。

      公司目前拥有粗钢产能 100 万吨,钢材产能 60-70 万吨。其中高温合金产能 1 万吨、 合金结构钢产能 50 万吨、高强钢产能 1 万吨,不锈钢 10 产能万吨和合金工模具钢产能 10 万吨。此外,公司还投资超 5 亿元建设高温合金项目,预计未来产能将进一步扩张。

      只是母公司曾经污点比较多,当年被爆出多次债务违约,搞得抚顺特钢差点退市,后来71岁“钢铁沙皇”45亿接盘抚顺特钢,才算是把抚顺特钢救活了。

      公司是国内高端和新型高温材料领域的领先企业,由钢铁研究总院高温材料研究所 转型而来, 2009 年成功登陆深圳证券交易所创业板。公司控股股东为中国钢研科技集团有限公司,是隶属国务院国资委的重点大型科技企业, 拥有 5000 余项科研成果,股东背景实力雄厚。

      公司主要生产高温合金材料及制品, 拥有以军品母合金、航天弹用发动机高温合金结构件和涡轴发动机用单晶叶片为特色的 产品线% 以上牌号,年产高品质高温合金母合金 2000 吨,各类高温合金精铸件 15000 件。2018 年公司收购青岛新力通后,可生产用于石化、冶金、 玻璃、热处理等领域的裂解炉炉管和转化炉炉管、连续退火线(连续镀锌线)炉辊和辐 射管、玻璃输送辊和耐高温耐磨铸件,产品体系再度完善。

      1)高端产品占据市场主位:公司最早开 发和生产粉末高温合金制品、ODS 合金和 Ti-Al 系金属间化合物等产品的厂商,生产的 高温母合金约占市场三分之一的份额,航天弹用发动机用关键铸造高温合金精铸件产品 的市占率超过 90%。在新型高温合金方面,2018 年 GH4169 系列合金产品市场占有率稳 居第一,2019 年完成 170 公斤 Ti2AlNb 棒料制粉工作。

      2)核心技术打造护城河:公司具有约 60 年的高温合金技术储备,拥有研究成果 300 余项,2019 年新增 21 项专利。公司研发掌握了铸造高温合金的热控制凝固、真空离心 铸造、多场耦合成形控制技术,突破了大型复杂薄壁机匣铸件、中小型复杂异形结构件、 尾喷口结构件及条件片等关键技术。

      3)建设青岛产业基地,提高交付能力:2020 年,公司将联合子公司河北德凯在青 岛投资建设平度产业基地,包括青岛高温材料研究院的建设以及高温合金精铸件和铝镁 钛轻质合金精铸件项目建设。该项目预计两年后建成,并有望在投产两年内实现批产。青岛产业基地将拥有年产 187.5 吨铝镁钛航空熔模铸件和年产航空高温合金精密铸件 950 台 /套的生产能力,预计新增销售收入合计 61644 万元,同时为公司开拓国际宇航 业务提供交付能力方面的保障。

      公司是江浙地区具有代表性的民营高端制造企业。主营高端不锈钢及特种合金管道, 建有世界先进的不锈钢、耐蚀合金、钛合金、高温合金无缝管生产线,致力于为高端制 造(油气、能源、核电、化工)等提供高性能原材料,产销量多年位居国内首位。在超 级双相不锈钢、大型换热器用焊管、海水淡化用钢、核电 U690 管等尖端产品上实现进 口替代。

      公司多个新项目投产在即,业绩增量可观。由于订单饱满,公司自 2018 年开始扩 厂产能。预期收益 3 亿元的募投项目(年产 5500KM 核电半导体医药仪器仪表等领域用 精密管材项目、年产 1000 吨航空航天材料及制品项目、工业自动化与智能制造项目) 即将进入投产期;预期利润 6201 万元的年产 5000 吨特种合金管道预制件及管维服务项 目已经开始建设;此外今年公司参股兄弟公司永兴材料 10%股权,相应投资收益预计在 4000 万元/年。预计上述项目将支持公司未来三年业绩持续增长。

      Inconel 690 是一种主要用于压水堆核电站蒸汽发生器传热管材料的合金,是蒸汽发生 器的核心技术。公司近年深入推进、高温合金及镍基合金等高端产品开发,目前已具备核电 蒸发器用镍基高温合金 inConel690 的加工能力。公司已成为世界上第三甲能生产核电蒸汽 发生器用 800U 型传热管生产的企业;公司核电用管的总产能为 500 吨,除去其它核二、三 级材料,690U 型管的年产能在 250 吨左右。

      至此,我们已经将军工新材料的三大领域:高端钛合金、军工碳纤维、高温合金,全部介绍完毕,其中涉及一些专业术语,可能比较难理解,不过对于未来军工的发展而言,新材料的空间十分广阔,值得重点关注。

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