來源：首創(chuàng)證券 作者：曲小溪、黃怡文

1 高溫合金：尖端工業(yè)材料 

高溫合金又稱耐熱合金或超合金，是指以鐵、鎳、鈷為基，能在 600℃以上的高溫下抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變，并能在較高的機械應力作用下長期工作的一種合金材料?；谝陨闲阅芴攸c，高溫合金目前是屹立于金字塔尖的尖端工業(yè)材料，既是航空發(fā)動機熱端部件、航天火箭發(fā)動機各種高溫部件的關鍵材料，又廣泛運用于工業(yè)燃氣輪機、能源、化工等工業(yè)部門。

高溫合金按照基體元素種類可以分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金等，其中鎳基高溫合金的耐熱性能相對更強一些，因此其應用最為廣泛，在當今生產中所占的比例高達 80%；按照制造工藝劃分可以分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末高溫合金。

1.1 變形高溫合金

變形高溫合金是指通過鑄造-變形工藝生產的高溫合金，可以進行冷、熱變形加工，具有良好的力學性能和較好的強韌性、較高的抗氧化性能，包括盤、板、棒、絲、帶、管等產品，是高溫合金中市場應用最廣的一類，需求占比達到了 70%。 

目前國內主要型號有 GH4169、GH4738、GH128、GH4065、GH4068 等。其中，GH4169 擁有“變形高溫合金之王”的美稱，對標的是美國的 BO7718，在 650℃以下的屈服強度位居變形高溫合金首位，是我國用量最大、應用范圍最高的高溫合金品種。變形高溫合金主要牌號鎳含量在 50%-60%之間，GH4169 鎳含量約為 53%， GH4065 鎳含量約為 55.5%，GH4738 鎳含量約為 58.7%。

國內變形高溫合金領域已經形成了由研發(fā)到制品的完整產業(yè)鏈，生產環(huán)節(jié)涉及毛料合金熔煉、精密鍛造等。

1.2 鑄造高溫合金

鑄造高溫合金是指可以或只能用鑄造方法成型零件的一類高溫合金。與變形高溫合金相比合金化程度高，在熱加工過程中變形困難，必須采用鑄造工藝。除此之外一些形狀復雜難以機械加工完成的復雜腔體、空心結構的部件，必須采用精密鑄造工藝才能完成。 

鑄造高溫合金按照凝固結晶組織不同，可以分為等軸晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和單晶高溫合金，其使用性能和制備難度依次提高。從普通鑄造高溫合金至單晶高溫合金，承溫能力提升了 500℃。采用定向凝固技術的鎳基單晶高溫合金發(fā)展尤為迅速，成為航空發(fā)動機葉片的首選材料。 

鑄造高溫合金主要牌號鎳含量多在 60%以上，甚至超過 70%。DD402 鎳含量約為 60%，K401 鎳含量約為 68.9%，K403 鎳含量約為 66.1%，K418 鎳含量約為 73.9%。

等軸晶鑄造高溫合金可在-235~1050℃使用，具有制造成本低、中低溫力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛應用于制作航空發(fā)動機擴壓器和機匣等大型復雜結構件、整鑄渦輪、導向器、導向和渦輪葉片及航天火箭發(fā)動機渦輪泵等相關部件。K418 合金成分較簡單，密度較低，在 900℃以下具有良好的蠕變強度、熱疲勞性能和抗氧化性能，是航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機渦輪葉片等高溫部件的主要用材。

K438 是耐熱腐蝕性能最好的鑄造高溫合金之一，成分和性能與國外廣泛應用的 IN738 相當。除具有優(yōu)異的耐熱腐蝕性能外，還具有中等水平的高溫強度和良好的組織穩(wěn)定性，廣泛用于 900℃以下工作的長壽命的艦船和地面工業(yè)燃氣輪機的渦輪工作葉片和導向葉片，也可作航空發(fā)動機的渦輪零件。 

定向凝固合金使合金的結晶方向平行于零件的主應力軸，基本消除了垂直于應力軸的橫向晶界。其不僅具有良好的中、高溫蠕變斷裂強度和塑性，而且具有比原合金約高 5 倍的熱疲勞性能，在先進航空發(fā)動機、地面燃氣輪機上獲得廣泛應用。我國于 60 年代中期開始研究高溫合金的定向凝固技術，先后自制和仿制了近十個牌號的定向凝固合金。DZ3、DZ5 是在普通鑄造高溫合金的基礎上采用定向凝固技術研制的，在拉伸塑形、 持久強度及熱疲勞壽命上都有極大提升。

DZ22、DZ125、DZ17G 等是仿制合金，其中 DZ125 是當前性能水平最高的定向凝固高溫合金之一，具有良好的中、高綜合性能、優(yōu)異的熱疲勞性能，其性能水平達到甚至超過美國 PWA1422 合金。

單晶高溫合金是在定向凝固合金基礎上發(fā)展出來的完全消除晶界的合金類型，使合金熱強性能提高了 30℃，主要用于制造航空發(fā)動機、燃氣輪機熱端渦輪葉片。自 20 世 紀 80 年代 PWA1480 單晶高溫合金成功研制和應用以來，國外相繼研發(fā)了不同代次的高強單晶合金，合金承溫能力以 20~30 ℃/代的速率緩慢提升，當前的承溫能力達到 1100℃。

國內單晶合金已經自主研制至第三代單晶合金 DD33、DD9 以及第四代單晶合金 DD91、DD15 等。20 世紀 80 年代初，航材院率先研制成功了第一代單晶高溫合金 DD3，并在航空發(fā)動機渦輪葉片上成功應用，20 世紀 90 年代又研制出第二代單晶高溫合金 DD6，該合金各項性能均達到或接近國外廣泛應用的第二代單晶合金，DD15 合金為航材院研制第四代單晶高溫合金，其持久性能優(yōu)于美國的第四代單晶高溫合金 EPM-102。

1.3 粉末高溫合金

粉末高溫合金是 20 世紀 60 年代出現的新一代高溫合金，是以金屬粉末作為原材料，經過后續(xù)熱加工處理，得到具有較高抗拉強度和良好的抗疲勞性能的合金。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發(fā)動機使用要求，是高推重比發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。隨著航空事業(yè)的飛速發(fā)展，對粉末高溫合金的性能要求及量的需求也越來越大，當前國際粉末高溫合金研發(fā)已經進入第四代。

中國粉末高溫合金的研究起步相對較晚，開始于 20 世紀 70 年代后期，國內最早開始研發(fā)粉末高溫合金制品的是鋼研高納，此外還有北京科技大學、航材院等幾家單位，目前主要型號有 FGH95、FGH96、FGH97、FGH98 等。

FGH95 是我國 20 世紀 80 年代初開始定型研制的第一種粉末高溫合金，是在 650℃ 使用條件下強度水平最高的粉末冶金高溫合金，可用來制造高推比新型發(fā)動機的高、低壓渦輪盤、壓氣機盤、渦輪擋環(huán)等高溫結構件。FGH96 強度較 FGH95 降低了 10%，但抗裂紋擴展能力較 FGH95 提高了一倍之多，使用溫度為 750℃，是制備先進發(fā)動機渦輪盤等熱端部件的關鍵材料。FGH97 合金具有高持久強度、高蠕變抗力、低裂紋擴展速率等優(yōu)點，700℃是典型的工作溫度范圍，是制備先進發(fā)動機渦輪盤、軸、環(huán)類件等熱端部件的關鍵材料。

粉末高溫合金主要牌號鎳含量多在 50%-60%之間，FGH95 鎳含量為 62%，FGH96、 FGH97 鎳含量為 55.7%，FGH98 鎳含量為 52.4%。

2 高溫合金市場需求

高溫合金材料最初主要應用于航空航天領域，是航空發(fā)動機首選材料。隨著技術的發(fā)展和產量的提升，高溫合金耐高溫耐腐蝕的特點使其在柴油機和內燃機渦輪增壓、燃氣輪機、能源動力、石油化工、玻璃建材等民用工業(yè)中逐步廣泛應用。 

根據中國特鋼企業(yè)協會統(tǒng)計數據，2014-2020 年我國高溫合金需求量呈現快速增長趨勢，產量與需求量的年復合增速在 17%左右。2020 年國內高溫合金產量 3.3 萬噸、需求量約為 5.3 萬噸，供需缺口達 2 萬噸。

軍、民用航空發(fā)動機為主要需求來源，其他各領域需求也均旺盛。

根據圖南股份招股書對十四五期間我國軍機列裝與更新需求及其他應用領域綜合預測，預估十四五期間我國高溫合金年平均需求量達 8.35 萬噸。