高溫合金行業深度研究報告：金屬新材料優質賽道

1 高溫合金：環境條件中的最佳金屬新材料

長期以來，金屬材料一直是最重要的結構材料和功能材料之一，其力、熱、電 磁、光、聲等指標決定了應用領域。按照化學成分，金屬材料可分為純金屬材料和 合金材料，前者主要由一種金屬元素組成，后者由一種基體元素和一種以上的金屬 元素和/或非金屬元素所組成。由于合金材料中其他元素的加入，基體金屬的性能往 往會得到大幅改善，因而金屬新材料多以合金的形式應用。

結構材料：制造構造整體、實現運動和傳遞動力的結構件，一般以力學性能 指標來評價，偶爾會提出抗腐蝕、抗氧化等物化性能等要求。

功能材料：利用其對外部環境的敏感反應來實現信息處理和功能轉換，一 般以熱、電磁、光、聲等物理指標來評價，偶爾提出一定的力學性能要求。

從金屬材料被制成零部件服役的流程來看，主要分為采礦、冶煉、加工等環節。 零部件的全壽命過程較長，任何一個流程都不能作為金屬零部件的絕對主導因素， 上游的流程勢必會對下游流程產生一定的影響，因而對于金屬材料而言，產業鏈聯 動效果較強，每一環節都可能誕生一批實力的優質公司。

相比于常用的鋁合金、鈦合金及鎂合金，高溫合金更適應更高的溫度（600℃） 和腐蝕嚴重的服役環境。高溫合金種類繁多，不同類型的合金特點各異，應用領域 也大相徑庭。按核心基體元素的劃分標準，高溫合金可分為鐵基高溫合金、鎳基高 溫合金和鈷基高溫合金等。我國由于鎳、鈷等資源相對貧乏，50 年代便開始鐵基合 金的研究，但鐵基合金使用溫度較低，應用領域受到限制。鈷基合金具有優異的抗 熱腐蝕性、抗熱疲勞性，以及良好的鑄造和焊接性，適合作為導向器的材料，但鈷資 源被剛果（金）壟斷，資源的稀缺造成其價格昂貴，鈷基合金生產和使用受成本限 制。相較而言，鎳基合金使用溫度較高、價格相對較低，具有顯著的性價比優勢，目前鎳基合金占據高溫合金市場近 80%的份額。

1.1 變形高溫合金：先用于航空發動機的高溫合金類型

變形高溫合金是先用于航空發動機的高溫合金，目前已是用量大、品種多的一類高溫材料。變形高溫合金是經過鍛造、軋制、墩粗和冷拔等塑性變形工藝 和熱處理支撐的一類高溫材料，以渦輪盤為主要應用領域，按照渦輪盤使用溫度， 變形高溫合金大致可劃分為五代。

合金成分設計、熔煉、加工及熱處理等工藝成為提升變形高溫合金性能的核心 戰場。

合金成分方面，傳統“試驗-修正”實驗方式已不合適，數值模擬快速發展 變形高溫合金合金化程度較低，因而發展初期合金成分設計十分關鍵，目前高 溫合金中的元素共有十多種，可分為三類：第一類，優先形成塑性性能好的奧氏體 的元素，包括 Ni、Co、Fe、Cr、Mo、W、V 等；第二類，進入基體形成γ'相強化相的 元素，包括 Al、Ti、Nb、Ta 等；第三類，原子直徑大小不固定，常偏聚在晶界導致 晶界偏析的元素，有 Pb、Sn 等。合金成分設計的原則主要在于控制有害相析出、促 進有利相生成，以保證高溫合金的高溫強度。隨著高溫合金的發展，各元素優化性 能的理論及數據庫都日趨完善，相關模型相繼建立，如電子空穴理論與相計算、d 電 子合金理論與新相機算、多元線性回歸及人工神經網絡等，為計算機輔助設計變形 高溫合金成分打下了堅實的基礎，同時減少了實際實驗次數以降低合金成本。

熔煉工藝方面，三聯法漸成主流方法

通常合金化程度較高的變形高溫合金采用真空感應爐熔煉成電極棒后，再經電 渣重熔去除真空感應熔煉電極中的夾雜物，以改善純凈度，為后續真空自耗爐提供 致密、無缺陷的電極，以提高重熔過程的穩定性，降低合金的宏觀偏析。目前該法已 逐漸成為高合金化變形合金擴大錠型、消除低倍缺陷和提高質量的主要措施。

變形工藝方面，相比鑄造及機加工，鍛造加工出的合金綜合性能好

高溫合金的變形工藝是合金在外力作用下，通過塑性變形，形成具有一定形狀、 尺寸及力學性能的型材、毛坯和零件的加工方法，可分為冷加工和熱加工，個別采 用溫加工。冷加工方面主要指絲材拉絲、管材冷拉冷拔及薄板的冷軋，熱加工則包 括鍛造、焊接等，主要可以細化晶粒、均勻組織及消除鑄造缺陷，可大幅改善高溫合 金的力學性能，其中鍛造熱加工工藝是變形高溫合金的主要手段。

隨著下游應用環境的愈發嚴苛，變形高溫合金的強度要求愈發嚴格，因而添加 的元素總量隨之提高，組織結構愈發復雜，造成了零件加工變形抗力的提升，給鍛 造工藝帶來了極大的困難。

熱處理工藝方面，正確的工藝可使合金最大限度發揮作用

化學成分和組織結構是決定合金性能的關鍵所在，合金成分、熔煉工藝及變形 工藝確定后，合金性能往往依然無法滿足需求，熱處理工藝是最后的補足手段。然 而合理的熱處理工藝必然需要對合金的組成、相的穩定性及性能要求擁有深入的了 解，尤其是鎳基高溫合金不易在加熱過程控制（調整）晶粒大小，因而熱處理工藝是 構建變形高溫合金護城河的關鍵所在。

1.2 鑄造高溫合金：被廣泛應用于燃氣輪機渦輪葉片部位

同成分的鑄造高溫合金要比變形高溫合金使用溫度提高 10-30℃。鑄造高溫合 金由合金錠重熔后直接澆注或定向凝固成零件，因其可通過精密鑄造或者定向凝固 工藝科直接成型，因而無需考慮鍛造變形性能，合金元素總量要顯著高于變形合金， 持久強度、抗拉強度及使用溫度均有大幅提高。按照凝固方法可分為等軸晶鑄造高 溫合金、定向凝固高溫合金及單晶高溫合金三類。

1943 年美國在渦輪噴氣發動機選用鑄造高溫合金 HS-21 替代變形高溫 合金 Hastelloy-B，開創了鑄造高溫合金的先例；

20 世紀 50 年代，真空熔煉技術出現，合金中有害雜質和氣體去除，合金成 分得到精確控制，IN100、BI900 等紛紛出現；

20 世紀 60 年代，定向凝固技術的發展，促進了定向柱狀晶和單晶高溫合金 的蓬勃發展，航空發動機的使用溫度達到 1700℃以上。

隨著工業的發展，內燃機葉片需要滿足更高的工作溫度和強度要求，以及葉片 結構復雜程度的增加，致使通過鍛造成型的變形高溫合金已無法滿足要求，鑄造高 溫合金孕育而生。與航空發動機渦輪葉片相比，燃氣輪機渦輪葉片的材料對耐久性、 抗腐蝕性要求更高，使得航空發動機渦輪葉片材料不能直接用于燃氣輪機渦輪葉片。 燃氣輪機渦輪葉片長時間連續工作在高溫、易腐蝕和復雜應力下，工作環境十分惡 劣，因此，只能通過高度的合金化不斷增強合金的高溫綜合性能。

燃氣輪機葉片材料及其成形技術研究和產業化已有 60 多年的歷史，20 世紀 40— 50 年代，渦輪葉片以變形鈷（Co）基和鎳（Ni）基高溫合金為主要用材；50 年代中 期，隨著真空冶煉技術的商業化，開始研究鑄造鎳基合金；60 年代，精密鑄造技術 成熟，使得復雜葉片型面及冷卻通道設計變為可能，通過添加合金元素改善材料的 組織結構，提高了鑄造高溫合金的高溫強度，使燃氣輪機的入口溫度大幅度提高； 70 年代，定向凝固柱晶高溫合金開始用于航空發動機葉片；到了 90 年代后期，定向 凝固柱晶和單晶高溫合金開始用于重型燃氣輪機動葉片。通過定向凝固技術，將渦 輪葉片的組織由傳統的等軸晶改進為定向柱晶，能夠大大提高渦輪葉片的高溫性能。 尤其是單晶葉片，在定向凝固的過程中消除了葉片晶界，極大地提高了其高溫蠕變 性能，且高溫組織穩定，綜合性能好。目前，大尺寸單晶空心高溫合金葉片材料及無 余量精密鑄造技術是重型燃氣輪機葉片制造技術的標志。