航空航天用高溫合金和鈦合金的分類及應用

高溫合金和鈦合金都能應用于高溫高強度領域，在航空航天領域都有著廣泛的應用，那么這兩種合金性能上有何區別呢，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℃以上一定應力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優異的高溫強度，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域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發動機、各種工業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、常規兵器、艇及海洋工程、核電及火力發電、化工與石化、冶金、建筑、交通、體育與生活用品等。此外鈦無毒、質輕、強度高且具有優良的生物相容性，是非常理想的醫用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。根據性能及用途，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用

高溫合金按照工藝結構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。目前國內應用最多、涵蓋范圍最廣的是變形高溫合金與鑄造高溫合金，兩者工藝的區別，導致了其性能、應用范圍也不同。

1.2. 鈦合金分類及應用

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

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、應用位置不同：鈦合金需求在機身結構件和發動機都有應用，包括機身關鍵結構件、，發動機結構件和轉動件等，另外先進發動機鈦合金葉片風扇和壓氣機占比達到40%；高溫合金則側重于發動機發動機結構設計和制造，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性；

2、耐用品VS耗材：鈦合金應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動件為主偏耗材屬性；

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

4、可被替代的難易程度不同：從材料性質看，高溫合金強度、韌性、耐高溫性和加工等綜合性能優于鈦合金，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。應用戰略地位的高度有所差異，高溫合金長期應用的戰略地位相對鞏固。

2. 高溫合金和鈦合金行業壁壘對比

2.1. 高溫合金成分及生產工藝復雜、壁壘更高

伴隨著航空航天事業的發展，目前我國已是世界上少數建立自己的高溫合金產業的國家，但與美國等高水平國家仍有一定的差距。主要體現在材料純凈度低、毛胚合格率低、工業化應用率低、高端產品供應不足甚至未實現國產化。

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，高溫合金對生產設備和工藝穩定性要求十分苛刻。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；二是生產設備要操作熟練，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構，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、高端設備較多的企業更有競爭力。

高溫合金由于其高難度的生產工藝流程而具有了很高的技術壁壘，不同類別產品對應不同制備工藝。以應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、結構較為簡單的產品，生產主要過程包括：先經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瓶頸主要體現在成分、設備及熱處理三個方面：

成份配比，直接決定熔煉結果及后續工序，這也是開發新產品的重要性所在。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。

設備更為重要，設備對應的加工條件影響最終材料的微觀結構，越是尖端、先進材料越是如此，對設備的操作熟練度也很關鍵；高溫合金的生產設備眾多，如真空感應爐、真空電弧爐、真空自耗爐、電渣爐、水壓機、精鍛機等，國內外設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“質量可靠性、性能穩定性、外觀尺寸精確性”等方面極其苛刻的要求使得行業具有較高的進入壁壘，具有強壟斷性和穩定性，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。

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

美國在高溫合金研發以及應用方面一直處于世界領先地位，年產量約為50000 噸，其中近 50%用于民用工業。歐盟國家中英、德、法是世界上主要的高溫合金生產和研發代表，英國是世界上最早研究和開發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域取得較大的突破，近年來，日本一直致力于研發新型的耐高溫合金，并成功開發出了在1200℃高溫下依然能保持足夠強度的新合金。

 經過50多年發展，我國已經形成了比較先進，具有一定規模的生產基地。結合產業鏈各個環節相關參與方來看，目前我國生產廠商集中在航空航天領域用量最大的變形高溫合金冶煉和鍛造環節，因此在大批量生產高溫合金母合金、板、棒、鍛材上有很大的優勢。

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。鈦材產業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，最終部分鈦合金產品價格與高溫合金價格相當，甚至略高一籌。