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2020年我国高温合金下游市场应用结构及分领域具体应用分析

发布时间:2020-02-01  来源:立鼎产业研究网  点击量: 1437 

——主要应用领域介绍

高温合金在材料工业中主要是为航空航天产业服务,需求占比约为55%,其次为电力和机械,需求占比分别为20%10%,另外工业领域占比7%,汽车、石油和其他领域占比分别为3%3%2%。伴随着航空航天产业的发展,我国已经建立起自己的高温合金体系,从而形成了一定的产业规模。高温合金由于其优良的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等性能,已经逐步应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域,从而大大扩展了对高温合金的需求。

高温合金应用领域


资料来源:新材料在线

高温合金各领域消费占比


资料来源:Roskill

——航空航天领域

高温合金从诞生起就用于航空发动机,在现代航空发动机中,高温合金材料的用量占发动机总重量的40%60%,主要用于四大热端部件: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。航空航天产业属于战略性先导产业。世界航空航天市场总额已高达数千亿美元,并且正以每年10%左右的速度稳步增长。

先进航空发动机中关键的热端承力部件(图中红色部分均为高温合金)


资料来源:钢研高纳

燃烧室:燃烧室的作用在于把燃油的化学能释放变为热能,是动力机械能源的发源地。燃烧室内产生的燃气温度在1500~2000℃之间。其余的压缩空气在燃烧室周围流动,穿过室壁的槽孔使室壁保持冷却。燃烧筒合金材料承受温度可达800~900℃以上,局部可达1100℃。用于制造燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢;其中用量最大、最为关键的是变形高温合金。

导向叶片:导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件,是航空发动机上受热冲击最大的零件之一。一般来讲,导向叶片的温度比同样条件下的涡轮叶片温度高约100℃,但叶片承受的应力比较低。在熔模精铸技术突破后,铸造高温合金成为了导向叶片的主要制造材料。

涡轮盘:涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大。涡轮盘工作时,轮缘温度达550-750℃,而轮心温度只有300℃左右,整个部件的温差大;转动时承受重大的离心力;启动和停车过程中承受大应力低疲劳周期。用于涡轮盘制造的主要材料是变型高温合金。

涡轮叶片:涡轮叶片是航空发动机上最关键的构件,涡轮叶片的工作环境最恶劣,涡轮叶片在承受高温同时要承受很大的离心应力、振动应力、热应力等。用于涡轮叶片制造的主材材料是铸造高温合金。

——汽车废气增压器涡轮领域

汽车废气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。废气增压器涡轮生产在国外已有60 多年的历史。目前,国外的重型柴油机增压器配置率100%,中小型柴油机也在不断地增大其配置比例,如英、美、法等国家已达80%左右。废气涡轮增压器具有减少有害排放、降低噪声污染、提高机械效率、提升功率等优点。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合金涡轮叶轮,它和涡轮轴、压气机叶轮共同组成一个转子。

——燃气轮机领域

燃气轮机是高温合金的另一个主要用途,属于内燃机,又称内燃气轮机。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动机,结构与飞机喷气式发动机一致,其基本原理与蒸汽轮机很相似,不同处在于工质不是蒸汽而是燃料燃烧后的烟气。由四大部分:空气压缩机,燃烧室,叶轮系统及回热装置构成。燃气轮机不需连杆、曲柄、飞轮、锅炉等,因此体积小、重量轻,功率大到100000200000 千瓦,效率高达60%,广泛用于船舶动力、发电等。燃气轮机喷射到叶轮上的气体温度高达1300℃,因此叶轮需要用高温合金来制造。

轻型燃气轮机结构图


资料来源:公开资料

废气涡轮增压器涡轮转子结构图


资料来源:公开资料

——原子能工业领域

原子能工业使用的高温合金包括:燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格架,高温气体炉热交换器等,均是其他材料难以代替的。我国要陆续建成10 60 万千瓦的核电站。每座60 万千瓦的核电站需用蒸发器“U”形传热管100 吨。此外,还有大量的堆内构件用不锈钢精密管和控制棒、核燃料包套管等。这样仅一座60 万千瓦的核电站堆芯约需要各类核级用管600 多吨。

根据2012 10 月国务院通过《核电中长期发展规划(20112020 年)》,2015 年将完成原规划当中的在运4000 万千瓦核电装机的目标,在建核电装机规模有所上调,将略超过2000 万千瓦;到2020 年中国核电装机将达到在运5800 万千瓦,在建3000 万千瓦。

20194 月,国家能源局副局长刘宝华在一论坛表示,要认真谋划核电工作,研究制定新一轮核电中长期发展规划,推动核电高质量发展。持续提升三代核电技术,积极开展小堆、四代堆等新一代核电技术的研发示范。要完善核电科技创新体系,加大基础性、原创性核电技术研发创新力度。随着核电发电设备逐步实现国产化,将带动对国产高温合金的需求。核电用高温合金市场将是公司未来着力进入的目标市场。

——其他领域

高温合金材料在玻璃制造、冶金、医疗器械等领域也有着广泛的用途。在玻璃工业中应用的高温合金零件多达十几种,如:生产玻璃棉的离心头和火焰喷吹坩埚,平板玻璃生产用的转向辊拉管机大轴、端头和通气管、玻璃炉窑的料道、闸板、马弗套、料碗和电极棒等。冶金工业的轧钢厂加热炉的垫块、线材连轧导板和高温炉热电偶保护套管等。医疗器械领域的人工关节等。

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