航空航天用高溫合金和鈦合金的分類及應(yīng)用

高溫合金和鈦合金都能應(yīng)用于高溫高強度領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，那么這兩種合金性能上有何區(qū)別呢，本文進行一個簡單的對比。

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃~1500℃以上一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金”，是廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來分，高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達到750~780℃，對于在更高溫度下使用的耐熱部件，則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。鎳基高溫合金在整個高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃氣輪機最熱端部件，其材料特性是1、耐高溫、耐腐蝕2、加工難度高。本文的高溫合金指鎳基高溫合金。

鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬。鈦具有密度小比強度高，導熱系數(shù)低、耐高溫低溫性能好、耐腐蝕能力強等特點，其中最為突出的兩大優(yōu)點是比強度高和耐腐蝕性強，這決定了鈦在海陸空和外層空間都有廣泛的用途，具體包括航空航天、常規(guī)兵器、艇及海洋工程、核電及火力發(fā)電、化工與石化、冶金、建筑、交通、體育與生活用品等。此外鈦無毒、質(zhì)輕、強度高且具有優(yōu)良的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。根據(jù)性能及用途，鈦合金又分為耐蝕鈦合金、耐熱鈦合金、高強度鈦合金、低溫鈦合金、粉末鈦合金、功能鈦合金等。

1.1. 高溫合金分類及主要應(yīng)用

高溫合金按照工藝結(jié)構(gòu)可分為變形高溫合金（占70%）、鑄造高溫合金（占20%）和新型高溫合金（粉末高溫合金、彌散強化高溫合金ODS）；按照基體元素可分為鎳基（占80%）、鎳-鐵基（占14%）、鈷基（占6%）高溫合金；根據(jù)合金強化類型可分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。目前國內(nèi)應(yīng)用最多、涵蓋范圍最廣的是變形高溫合金與鑄造高溫合金，兩者工藝的區(qū)別，導致了其性能、應(yīng)用范圍也不同。

1.2. 鈦合金分類及應(yīng)用

鈦合金根據(jù)形態(tài)大致可分為板材、棒材、管材、鍛件、絲材、鑄件及其他種類，其中、板材、棒材、管材三者產(chǎn)量共占我國鈦材產(chǎn)量約 85%。鈦及鈦合金從熔煉到最終產(chǎn)品一般需要海綿鈦制備、鈦材制備和鈦材應(yīng)用三步，其中前兩步技術(shù)復雜，制備難度大，是鈦應(yīng)用的難點和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，海綿鈦和鈦材的質(zhì)量直接決定鈦制品的質(zhì)量。

1.3. 高溫合金與鈦合金對比

作為航空航天高端金屬材料，受益于軍工現(xiàn)代化升級，兩者需求均較為靚麗，但彼此之間依然存在著一些差異：

1、應(yīng)用位置不同：鈦合金需求在機身結(jié)構(gòu)件和發(fā)動機都有應(yīng)用，包括機身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、，發(fā)動機結(jié)構(gòu)件和轉(zhuǎn)動件等，另外先進發(fā)動機鈦合金葉片風扇和壓氣機占比達到40%；高溫合金則側(cè)重于發(fā)動機發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造，工藝極其復雜，，導致其需求周期往往略偏滯后，同時發(fā)動機維修價值較高，且壽命短于機身，維修和更換的需求疊加會放大高溫合金需求景氣的持續(xù)性；

2、耐用品VS耗材：鈦合金應(yīng)用以冷端承載靜止件為主，偏耐用品屬性，，而高溫合金以高溫轉(zhuǎn)動件為主偏耗材屬性；

3、國產(chǎn)化程度不同：目前國內(nèi)航空鈦合金基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，而高溫合金設(shè)備工藝仍存在進一步改進空間，尚未完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，為進口替代留下充足空間，尤其是變形高溫合金國產(chǎn)化率提升空間相對顯著；

4、可被替代的難易程度不同：從材料性質(zhì)看，高溫合金強度、韌性、耐高溫性和加工等綜合性能優(yōu)于鈦合金，可替代性弱。而近年碳纖維等復合材料快速崛起，或可部分替代鈦合金。應(yīng)用戰(zhàn)略地位的高度有所差異，高溫合金長期應(yīng)用的戰(zhàn)略地位相對鞏固。

2. 高溫合金和鈦合金行業(yè)壁壘對比

2.1. 高溫合金成分及生產(chǎn)工藝復雜、壁壘更高

伴隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，目前我國已是世界上少數(shù)建立自己的高溫合金產(chǎn)業(yè)的國家，但與美國等高水平國家仍有一定的差距。主要體現(xiàn)在材料純凈度低、毛胚合格率低、工業(yè)化應(yīng)用率低、高端產(chǎn)品供應(yīng)不足甚至未實現(xiàn)國產(chǎn)化。

由于高溫合金的成分較復雜，包含鎳、鐵、鈷、鉻等二三十種合金元素，相比于成分較為簡單的鈦合金，高溫合金對生產(chǎn)設(shè)備和工藝穩(wěn)定性要求十分苛刻。主要包括三個方面：一是原料配比要精確，各種金屬含量不同導致產(chǎn)品性能差異，包括原料純凈度，晶粒的細度和均勻度；二是生產(chǎn)設(shè)備要操作熟練，特別是真空冶煉和電渣重熔工段，工藝條件會影響材料的微觀結(jié)構(gòu)，對高端材料要求更高；三是后部的熱處理工序和無損探傷。因此，科研實力雄厚、高端設(shè)備較多的企業(yè)更有競爭力。

高溫合金由于其高難度的生產(chǎn)工藝流程而具有了很高的技術(shù)壁壘，不同類別產(chǎn)品對應(yīng)不同制備工藝。以應(yīng)用范圍最廣的變形高溫合金為例，其適用于大批量、通用性強、結(jié)構(gòu)較為簡單的產(chǎn)品，生產(chǎn)主要過程包括：先經(jīng)過真空冶煉等工藝澆鑄成合金鑄錠，通過鍛造、軋制等熱變形制成餅坯、棒、板、管等材料，最后模鍛成渦輪盤和葉片等毛坯，經(jīng)熱處理后加工成渦輪盤、葉片等零件。

綜合來看高溫合金的技術(shù)瓶頸主要體現(xiàn)在成分、設(shè)備及熱處理三個方面：

成份配比，直接決定熔煉結(jié)果及后續(xù)工序，這也是開發(fā)新產(chǎn)品的重要性所在。成分決定了組織特點，其要求三個：材料純凈度、晶粒細化和均勻化、防治宏觀偏析等。

設(shè)備更為重要，設(shè)備對應(yīng)的加工條件影響最終材料的微觀結(jié)構(gòu)，越是尖端、先進材料越是如此，對設(shè)備的操作熟練度也很關(guān)鍵；高溫合金的生產(chǎn)設(shè)備眾多，如真空感應(yīng)爐、真空電弧爐、真空自耗爐、電渣爐、水壓機、精鍛機等，國內(nèi)外設(shè)備先進程度存在不小差距。

后部工序：熱處理工藝及無損探傷等，是所有金屬材料的共性。

此外，由于高溫合金材料及制品的“質(zhì)量可靠性、性能穩(wěn)定性、外觀尺寸精確性”等方面極其苛刻的要求使得行業(yè)具有較高的進入壁壘，具有強壟斷性和穩(wěn)定性，新進入者面臨較高的認證門檻、進入成本、資本壁壘和時間成本。

高溫合金行業(yè)需要依托強大的生產(chǎn)和研發(fā)技術(shù)方能保障企業(yè)的正常運行，同時該行業(yè)無論軍品和民品均涉及到產(chǎn)品認證問題，特別是軍品的認證，周期長，審核嚴，可以說為該行業(yè)構(gòu)筑了天然的進入壁壘，國內(nèi)外能夠形成較為完善產(chǎn)業(yè)鏈的國家也僅有美國、英國、德國、法國、俄羅斯和日本等少數(shù)國家，從事高溫合金的企業(yè)全球范圍內(nèi)也僅有 50 家左右。

美國在高溫合金研發(fā)以及應(yīng)用方面一直處于世界領(lǐng)先地位，年產(chǎn)量約為50000 噸，其中近 50%用于民用工業(yè)。歐盟國家中英、德、法是世界上主要的高溫合金生產(chǎn)和研發(fā)代表，英國是世界上最早研究和開發(fā)高溫合金的國家之一。日本則在鎳基單晶高溫合金、鎳基超塑性高溫合金和氧化物晶粒彌散強化高溫合金領(lǐng)域取得較大的突破，近年來，日本一直致力于研發(fā)新型的耐高溫合金，并成功開發(fā)出了在1200℃高溫下依然能保持足夠強度的新合金。

 經(jīng)過50多年發(fā)展，我國已經(jīng)形成了比較先進，具有一定規(guī)模的生產(chǎn)基地。結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)相關(guān)參與方來看，目前我國生產(chǎn)廠商集中在航空航天領(lǐng)域用量最大的變形高溫合金冶煉和鍛造環(huán)節(jié)，因此在大批量生產(chǎn)高溫合金母合金、板、棒、鍛材上有很大的優(yōu)勢。

2.2. 鈦合金加工壁壘高于冶煉近乎雙寡頭競爭

鈦合金的制備工藝較高溫合金簡單，難點集中在海綿鈦和鈦材的制備。鈦材產(chǎn)業(yè)鏈的核心壁壘不在于上游資源和中游冶煉，而是在于鈦材的加工能力，尤其是高端鈦材的研發(fā)能力和制造工藝。鈦合金加工壁壘高筑，導致綜合壁壘亦較高，催生近乎雙寡頭競爭格局。盡管原料金屬鈦價遠低于鎳，但是基于鈦合金后端加工工藝復雜，最終部分鈦合金產(chǎn)品價格與高溫合金價格相當，甚至略高一籌。