2022年高温合金行业专题研究报告

导语

2014-2020 年我国高温合金需求量呈现快速增长 趋势，产量与需求量的年复合增速在 17%左右。2020 年国内高温合金产量 3.3 万吨、 需求量约为 5.3 万吨，供需缺口达 2 万吨。

来源：首创证券 作者：曲小溪、黄怡文

1 高温合金：尖端工业材料 

高温合金又称耐热合金或超合金，是指以铁、镍、钴为基，能在 600℃以上的高温下抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变，并能在较高的机械应力作用下长期工作的一种合金材料。基于以上性能特点，高温合金目前是屹立于金字塔尖的尖端工业材料，既是航空发动机热端部件、航天火箭发动机各种高温部件的关键材料，又广泛运用于工业燃气轮机、能源、化工等工业部门。

高温合金按照基体元素种类可以分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金等，其中镍基高温合金的耐热性能相对更强一些，因此其应用最为广泛，在当今生产中所占的比例高达 80%；按照制造工艺划分可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末高温合金。

1.1 变形高温合金

变形高温合金是指通过铸造-变形工艺生产的高温合金，可以进行冷、热变形加工，具有良好的力学性能和较好的强韧性、较高的抗氧化性能，包括盘、板、棒、丝、带、管等产品，是高温合金中市场应用最广的一类，需求占比达到了 70%。 

目前国内主要型号有 GH4169、GH4738、GH128、GH4065、GH4068 等。其中，GH4169 拥有“变形高温合金之王”的美称，对标的是美国的 BO7718，在 650℃以下的屈服强度位居变形高温合金首位，是我国用量最大、应用范围最高的高温合金品种。变形高温合金主要牌号镍含量在 50%-60%之间，GH4169 镍含量约为 53%， GH4065 镍含量约为 55.5%，GH4738 镍含量约为 58.7%。

国内变形高温合金领域已经形成了由研发到制品的完整产业链，生产环节涉及毛料合金熔炼、精密锻造等。

1.2 铸造高温合金

铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。与变形高温合金相比合金化程度高，在热加工过程中变形困难，必须采用铸造工艺。除此之外一些形状复杂难以机械加工完成的复杂腔体、空心结构的部件，必须采用精密铸造工艺才能完成。 

铸造高温合金按照凝固结晶组织不同，可以分为等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金，其使用性能和制备难度依次提高。从普通铸造高温合金至单晶高温合金，承温能力提升了 500℃。采用定向凝固技术的镍基单晶高温合金发展尤为迅速，成为航空发动机叶片的首选材料。 

铸造高温合金主要牌号镍含量多在 60%以上，甚至超过 70%。DD402 镍含量约为 60%，K401 镍含量约为 68.9%，K403 镍含量约为 66.1%，K418 镍含量约为 73.9%。

等轴晶铸造高温合金可在-235~1050℃使用，具有制造成本低、中低温力学性能优异等优点，被广泛应用于制作航空发动机扩压器和机匣等大型复杂结构件、整铸涡轮、导向器、导向和涡轮叶片及航天火箭发动机涡轮泵等相关部件。K418 合金成分较简单，密度较低，在 900℃以下具有良好的蠕变强度、热疲劳性能和抗氧化性能，是航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片等高温部件的主要用材。

K438 是耐热腐蚀性能最好的铸造高温合金之一，成分和性能与国外广泛应用的 IN738 相当。除具有优异的耐热腐蚀性能外，还具有中等水平的高温强度和良好的组织稳定性，广泛用于 900℃以下工作的长寿命的舰船和地面工业燃气轮机的涡轮工作叶片和导向叶片，也可作航空发动机的涡轮零件。 

定向凝固合金使合金的结晶方向平行于零件的主应力轴，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界。其不仅具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性，而且具有比原合金约高 5 倍的热疲劳性能，在先进航空发动机、地面燃气轮机上获得广泛应用。我国于 60 年代中期开始研究高温合金的定向凝固技术，先后自制和仿制了近十个牌号的定向凝固合金。DZ3、DZ5 是在普通铸造高温合金的基础上采用定向凝固技术研制的，在拉伸塑形、 持久强度及热疲劳寿命上都有极大提升。

DZ22、DZ125、DZ17G 等是仿制合金，其中 DZ125 是当前性能水平最高的定向凝固高温合金之一，具有良好的中、高综合性能、优异的热疲劳性能，其性能水平达到甚至超过美国 PWA1422 合金。

单晶高温合金是在定向凝固合金基础上发展出来的完全消除晶界的合金类型，使合金热强性能提高了 30℃，主要用于制造航空发动机、燃气轮机热端涡轮叶片。自 20 世 纪 80 年代 PWA1480 单晶高温合金成功研制和应用以来，国外相继研发了不同代次的高强单晶合金，合金承温能力以 20~30 ℃/代的速率缓慢提升，当前的承温能力达到 1100℃。

国内单晶合金已经自主研制至第三代单晶合金 DD33、DD9 以及第四代单晶合金 DD91、DD15 等。20 世纪 80 年代初，航材院率先研制成功了第一代单晶高温合金 DD3，并在航空发动机涡轮叶片上成功应用，20 世纪 90 年代又研制出第二代单晶高温合金 DD6，该合金各项性能均达到或接近国外广泛应用的第二代单晶合金，DD15 合金为航材院研制第四代单晶高温合金，其持久性能优于美国的第四代单晶高温合金 EPM-102。

1.3 粉末高温合金

粉末高温合金是 20 世纪 60 年代出现的新一代高温合金，是以金属粉末作为原材料，经过后续热加工处理，得到具有较高抗拉强度和良好的抗疲劳性能的合金。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机使用要求，是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。随着航空事业的飞速发展，对粉末高温合金的性能要求及量的需求也越来越大，当前国际粉末高温合金研发已经进入第四代。

中国粉末高温合金的研究起步相对较晚，开始于 20 世纪 70 年代后期，国内最早开始研发粉末高温合金制品的是钢研高纳，此外还有北京科技大学、航材院等几家单位，目前主要型号有 FGH95、FGH96、FGH97、FGH98 等。

FGH95 是我国 20 世纪 80 年代初开始定型研制的第一种粉末高温合金，是在 650℃ 使用条件下强度水平最高的粉末冶金高温合金，可用来制造高推比新型发动机的高、低压涡轮盘、压气机盘、涡轮挡环等高温结构件。FGH96 强度较 FGH95 降低了 10%，但抗裂纹扩展能力较 FGH95 提高了一倍之多，使用温度为 750℃，是制备先进发动机涡轮盘等热端部件的关键材料。FGH97 合金具有高持久强度、高蠕变抗力、低裂纹扩展速率等优点，700℃是典型的工作温度范围，是制备先进发动机涡轮盘、轴、环类件等热端部件的关键材料。

粉末高温合金主要牌号镍含量多在 50%-60%之间，FGH95 镍含量为 62%，FGH96、 FGH97 镍含量为 55.7%，FGH98 镍含量为 52.4%。

2 高温合金市场需求

高温合金材料最初主要应用于航空航天领域，是航空发动机首选材料。随着技术的发展和产量的提升，高温合金耐高温耐腐蚀的特点使其在柴油机和内燃机涡轮增压、燃气轮机、能源动力、石油化工、玻璃建材等民用工业中逐步广泛应用。 

根据中国特钢企业协会统计数据，2014-2020 年我国高温合金需求量呈现快速增长趋势，产量与需求量的年复合增速在 17%左右。2020 年国内高温合金产量 3.3 万吨、需求量约为 5.3 万吨，供需缺口达 2 万吨。

军、民用航空发动机为主要需求来源，其他各领域需求也均旺盛。

根据图南股份招股书对十四五期间我国军机列装与更新需求及其他应用领域综合预测，预估十四五期间我国高温合金年平均需求量达 8.35 万吨。

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