要点：
高温合金，又称超合金，高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金的材料特征使其成为航空发动机中不可替代的关键材料。在世界先进发动机研制中，高温合金材料用量已占到发动机总量的40%~60%。所以，高温合金材料也被誉为“先进发动机基石”。
航空发动机用高温合金占高温合金需求的一半以上。随着国内一批新型号航空发动机进入量产，高温合金需求有望快速增长。以歼10B、歼15、歼16为代表的多款三代半战斗机陆续进入列装，WS-10发动机需求持续增长。未来几年，随着国产大型运输机运20的投产，大涵道比发动机将进入量产阶段；小涵道比中推、小推航空发动机也将逐步进入量产。国产航空发动机需求的增长将驱动航空用高温合金需求进入快速增长期。
高温合金在民用工业中的应用也越来越广泛。高温合金在燃气轮机、车用涡轮增压器、核电、石油石化等行业有着重要的应用。工业化的推进和国内高端装备制造业的发展将持续拉动民用工业对高温合金的需求，目前民用高温合金占总需求的20%，未来这一比例有望持续提升。
我们根据测算认为，到2020年，我国高温合金需求约为4万吨，对应市场空间90.5亿元：航空发动机、汽车废气涡轮增压器、核电工业用高温合金需求的增长将驱动行业需求的爆发。而目前，我国高温合金产能约1.26万吨，实际产量8000-9000吨左右。高温合金未来7年的需求复合增长率有望超过20%。
图1：高温合金行业供需估算
一、高温合金概览
（一）高温合金简介及分类
高温合金是在600℃以上的高温及一定及一定应力作用下长期工作的一类金属。高温合金区别于传统金属、合金的特点在于：在高温工作环境下合金具有较高的强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性，并在各种温度下保持良好的组织稳定性和使用可靠性等综合性能，在西方也称之为超合金（Superalloys）。
高温合金材料是航空发动机首选材料，在现代航空工业的发展中处于不可替代的位置，它的规模发展与否直接决定了航空装备的发展水平。此外，高温合金也广泛应用于航天发动机的热端部件。伴随工业化发展，民用高端装备工业对高温合金材料的需求呈不断上升趋势，高温合金的耐高温耐磨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的有广泛的应用，民用工业的高温合金使用量已经提高到20%左右。
图2：高温合金行业分析及应用
图3：高温合金的应用
高温合金可以根据材料成型方式、基体元素种类、合金强化类型等来划分：
1）根据材料成型方式，高温合金可以分为变形高温合金、铸造高温合金（包含普通精密铸造合金、定向凝固合金、单晶合金等）、粉末冶金高温合金（包含普通粉末冶金高温合金和氧化物弥散强化高温合金ODS）；2）根据基体元素种类，高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等；3）根据合金强化类型，高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。
图4：高温合金的分类
（二）高温合金材料技术难点与创新
高温环境下材料的各种退化速度都被加速，在使用过程中易发生组织不稳定、在温度和应力作用下产生变形和裂纹长大、材料表面的氧化腐蚀等。高温合金所具有的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于它的化学组成和组织结构。
高温合金材料成分十分复杂，含有铬、铝等活泼元素，在氧化或热腐蚀环境中表现为化学部稳定，同时机加工制成的零件表面留下加工硬化和残余应力等缺陷，为材料的化学性能和力学性能带来十分不利的影响。由于合金化程度高，高温合金材料极易产生成分偏析，这种偏析对铸造高温合金和变形高温合金的组织与性能都有重大影响。高温合金的这些特点决定了它区别于普通金属材料的加工工艺。
高温合金的发展是合金理论与生产工艺技术不断改善和革新的过程，通过合金强化+工艺强化来不断结合提高合金的材料性能。合金强化包括合金固溶强化、第二相强化剂晶界强化等；工艺强化包括改善冶炼、凝固结晶、热加工、热处理及表面处理等环节改善合金组织结构等。
图5：高温合金的典型工艺
高温合金的生产工艺主要包含熔炼、铸造、热处理三个过程。生产工艺对高温合金材料力学性能的影响重大，一项新工艺的引入，往往使高温合金的性能获得一个飞跃，发展处一批新型高温合金，进而推动一代航空发动机和航空飞机的发展。老型号的合金也可以改善工艺达到材料性能的提高。
例如，单晶涡轮叶片的应用显着地推进了航空发动机的进步。F-22用的航空发动机F119的涡轮转子叶片选用了第三代单晶高温合金PWA1484，该材料本身的最高工作温度为1070℃左右，由于采用了计算流体动力学程序设计制造了超级冷却叶片，使涡轮转子叶片的工作温度提高至1621～1677℃（F100发动机为1400℃），可见工艺创新在材料发展中的重要地位。
图6：美国、英国与航材院涡轮叶片用高温合金的发展
图7：世界高温合金（涡轮盘、叶片）的发展趋势和我国主要高温合金的研制
高温合金材料制备技术与工艺仍处于不断的进步和创新中。比如，冶炼工艺采用了真空感应+电渣重熔+真空自豪熔炼三联工艺，真空自耗熔炼采用了先进熔炼控制方法等；通过定向凝固柱晶合金和单晶合金工艺技术提高材料的高温强度；采用粉末冶金方法减少合金元素的偏析和提高材料强度等。此外，氧化物弥散强化高温合金、金属间化合物高温材料也在不断发展和创新中。
图8 ：高温合金的前沿技术、工艺
二、高温合金的应用
有研究表明，航空发动机用高温合金占高温合金总需求一半以上，此外还广泛应用于电力、汽车、机械等行业中。
图9：高温合金的需求分类 图10： 涡轮叶片
（一）航空发动机
航空发动机被称为“工业之花”，是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机，特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能，这几乎是结构材料中最高的性能要求。
航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关，高温合金是推动航空发动机发展的最为关键的结构材料。军用航空发动机通常可以用其推重比（推力/重量）综合地评定发动机的水平。提高推重比最直接和最有效的技术措施是提高涡轮前的燃气温度。因此高温合金材料的性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。随着航空装备的不断升级，对航空发动机推重的要求比不断提高，发动机对高性能高温合金材料的依赖越来越大。
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