镍及镍合金的应用及展望

2021-06-15郑博龙

有色金属加工 2021年3期

杨哲，李桂，郑博龙

(宝钛集团有限公司，陕西宝鸡721014)

1 镍及镍合金介绍

镍及镍合金是一类重要的战略性材料，具有优良的性能，如极其优良的耐腐蚀性、热强性、优异的工艺性能，以及特殊的电磁学、记忆性等功能类性能，其加工材是一种高附加值的产品，是国内外研究的热点金属之一。镍合金是在纯镍的技术上通过添加合金元素制备的一类合金，根据镍含量又分为两类：以镍为基(Ni含量≥50%)，并含有其它合金元素合金称为镍基合金；当Ni含量为30%～50%，且Fe+Ni≥60%，则称为铁镍基合金。镍合金按照使用用途又可以分为高温合金、耐蚀合金、记忆合金、耐磨合金和精密合金。镍合金具有优异的耐腐蚀性、高温强度、抗氧化性，一些特殊合金还具有记忆性、优良的电磁学等特殊功能性等，因而被广泛应用于军工宇航、航天航海、电工电子、石油化工、新能源等工业领域[1-4]。

镍及镍合金在很多介质中表现出优异的耐腐蚀性，不同的类型可以在还原性/氧化性酸、碱、盐、氯离子等介质中起到不可代替的作用，是目前最为完整、全能的耐蚀合金类材料体系。按照耐腐蚀性其主要分类及用途为，Ni 用于强碱，Ni-Cu 用于还原性酸，Ni-Mo 用于还原性酸，Ni-Fe-Cr 用于氧化性酸，Ni-Cr-Si 用于超级氧化性酸，Ni-Cr-Mo 用于强碱及所有酸[5]。典型镍基合金牌号按用途分类的性能及应用见表1[6]。

表1 镍及镍合金的主要品质、性能及应用

2 国内镍合金现状

2.1 基本状况

镍及镍合金产业链包括镍及镍合金冶炼、加工、装备制造和其它应用四个环节，参与方包括：镍及镍合金冶炼企业、镍及镍合金加工企业，各环节生产设备制造商，以及装备制造、金属制品、化工等需求行业企业。按照目前镍及镍合金产业企业的分工模式，金属镍及镍合金产业链可以将以上几个阶段分为上、中、下游[7-10]：

(1)上游：电解镍生产。人工或机械开采有利用价值的天然镍矿资源，将原矿石经过焙烧得到氧化物，还原成粗镍，然后进行电解得到电解镍。国内主要企业：金川公司。

(2)中游：镍及镍合金熔炼与加工。主要以电解镍和其它金属为原料，经过感应熔炼、电渣重熔、真空自耗熔炼等工序生产镍及镍合金铸锭。具有熔炼、锻造、轧制等设备，对镍及镍合金铸锭进行锻造、轧制、挤压、拉拔等加工，得到板材、棒材、管材、锻件等镍及镍合金产品。国内主要企业：抚顺特钢、长城特钢、上海宝钢、宝钛集团有限公司、北京钢研、中航上大，方大特钢，以及江苏、上海等地企业等。

(3)下游：镍及镍合金深加工(镍及镍合金制品及构件)。用镍及镍合金材，加工生产零件和设备。国内主要企业：抚顺特钢、宝钛集团有限公司、上海中州等。

2.2 镍及镍合金生产能力

我国目前纯镍产品的生产企业主要是宝钛集团有限公司、重庆材料研究院、宝鸡海吉钛镍有限公司、秦皇岛核诚镍业有限公司等，其中宝钛集团有限公司生产量最大。表2是相关企业的产品和产量调研数据。

表2 国内主要纯镍生产企业概况

镍基耐蚀、高温合金的主要生产厂家有抚顺特钢、长城特钢、上海宝钢等。宝钛集团有限公司等处于产业发展阶段。精密合金主要是北京北冶功能材料和陕西精密合金、常州中钢精密等企业生产。宝钛集团可以生产少量牌号的镍基低膨胀合金如4J36、弹性合金3J68、软磁合金1J50等。钛镍记忆合金主要是北京有研和西安赛特等企业生产。

国内技术水平同国际先进水平仍有较大差距，很多牌号及成品规格不能生产，需要依赖进口。主要表现在：(1)抚顺特钢、长城特钢等传统特钢企业的装备以熔炼炉为主，后部加工手段欠缺；(2)宝钛集团有限公司等企业加工手段齐全，优势是加工技术，而镍合金熔炼技术为刚起步，仅自产少量的几个牌号；(3)江苏、上海等地民营企业规模较小，装备也是以熔炼为主，而且熔炼铸锭单重较小。镍合金牌号生产能力和产品结构很分散，各自擅长部分产品牌号，普遍加工手段欠缺，可生产的产品规格小，质量体系也不完善，品质良莠不齐。

装备制造领域所需的镍基合金中厚板、大型锻件等国内企业不能满足，需要采购进口材料。电工电子、彩电、电器、医疗卫生等所需的精密合金、记忆合金精密带材、丝杆材等高质量要求的产品更是主要依赖进口，根据公布的数据，该类产品年进口额达数亿美元[11]。

3 宝钛集团镍及镍合金产业

3.1 基本情况

宝钛集团有限公司是我国最大的钛及钛合金等有色金属生产企业，金属种类含钛、镍、锆、铪、钨、钼、钽、铌，在国内外具有举足轻重的地位。公司具备完整的熔炼、锻造、轧制、挤压、拉拔、装备制造、深加工一体化的完整产业链。公司近年来将镍及镍合金产业作为发展方向，进行了资源整合。目前具备2.5t真空感应炉、5t电渣重熔炉、10t真空自耗炉、万吨水压机、3300mm热轧机、25m热处理炉加淬火机，1200mm热冷轧机、1380mm和350mm带材轧机以及丝棒材、管材生产线，同时预备再上1800mm轧机，构建起了完整的板带生产线、复合材生产线以及棒材、丝杆、管材生产线。

3.2 所取得的成果

宝钛集团有限公司具有多年生产经验，具有钛镍技术研究中心、博士后科研工作站、院士工作站，以及国内一流的检测手段，并与国内高校和科研院所有着长期的合作关系，拥有一大批具有较高学历和丰富实践经验，长期致力于稀有金属产品的研究及成果转化的科研人员。

目前公司通过与相关企业、研究院所等合作、采取客户带料加工等方式，即由客户提供板坯，我方进行加工技术开发的方式。目前已经开发了近30个牌号的中厚板加工技术，先后生产了国内最大的N10276板材，国内最大的核电用高温合金(厚度80mm，宽度3100mm，长度大于3500mm)，以及采用叠轧工艺生产国内最大的宽幅Incoloy镍合金薄板[12]。

在自主研发镍合金熔炼技术方面，也已经开发了多个牌号的大规格铸锭(单重大于3t)熔炼技术，包括纯镍、Inconel 600、Inconel 625、Monel 400、Hateslloy 276等。公司主导制定GB/T2054、GB/T5235、GB/T2072等多项镍及镍合金国家标准。相关镍合金产品技术申报多项国家发明专利，具备良好的镍及镍合金产业发展前景[13-16]。一些产品实物见图1和图2。

(a)纯镍；(b)镍铜N04400；(c)哈氏合金C276

(a)镍合金板坯；(b)镍合金锻件；(c)核聚变用镍合金-陶瓷复合线圈；(d)哈氏合金C276板式换热器用板片；(e)镍基高温合金铸件；(f)镍合金中厚板；(g)中国最大镍塔

3.3 发展需求

3.3.1 化工行业需求

纯镍一般用于化工设备耐蚀结构件、精密仪器、电子管和无线电设备零件等领域，高纯镍N4在电解、电镀等行业有量大需求，主要为宽幅的中厚板。超纯镍则应用在电池等领域。厚度为0.5mm～0.6mm纯镍及N10276冷轧薄板在板式换热器制造方面有大量需求。铁镍基耐蚀合金N08020、N08028板材等在油气传输管道制备有广泛应用。N08825与管线钢复合材料管道在石油行业有大量的需求。镍基耐蚀合金N06600、N04400、N06625、N10276耐腐蚀性优良，市场需求量大，以往大量均靠进口，现在逐步开始国产化。装备制造为了节约成本，减少焊缝，提高安全性，这一类行业主要需求宽幅中厚板，厚度大于6mm，宽度大于1800mm，长度5000mm以上。

3.3.2 电工电子领域需求

电子电工用镍合金功能材料是镍合金应用的重要方面，主要应用于家电、IT制造、信息产品和电工产品制造等。如彩电制造用镍合金带材需求很大，国产化不足10%，这为镍基精密合金发展提供了机遇。但是需要很高的技术能力和装备实力。

3.3.3 核电新能源领域需求

镍基高温合金具备良好耐高温、耐蚀性能或某种特定的环境适应性。2018年，中国共有7台核电机组正式投入商业运行。虽然核电行业每年新增量有较大的起伏，但从长期来看，仍维持增长的趋势。在核电装备制造业中，高温合金材料因具有耐高温、耐高强度等优异特性，具有难以替代的作用，主要应用于承担核反应工作的核岛内。核电装备中主要使用高温合金的部件包括燃料机组、控制棒、压力容器、蒸发器、高温气体炉热交换器等，这些部件在工作时需要承受 600℃～800℃的高温，需要较高的蠕变强度，必须采用高温合金材料。

3.3.4 航空航天领域的需求

目前我国航空航天领域急需的镍基高温合金与国外有很大差距。国产大飞机项目、航空项目以及军用飞机等的发动机所用涡轮机叶片急需高性能的高温合金。高温合金经过几代的发展，目前国外的先进航空发动机都采用了单晶高温合金制造单晶涡轮叶片，该技术难度很大，国产的叶片制造时存在很多缺陷。国内单晶高温合金材料与叶片制造研究薄弱，航空航天用高温合金制造技术已成为制约我国相关产业发展的关键。

3.3.4 医学领域的需求

钛镍形状记忆合金广泛应用于人体心脏支架、牙科矫正等领域。国内钛镍记忆合金主要生产单位集中在北京和西安。随着我国医疗器械行业研发投入的逐步加深，医疗器械产品的技术创新和材料应用得到飞速发展，对形状记忆合金等高技术材料的需求规模呈现明显的上升趋势，我国医疗领域对形状记忆合金的需求规模达到了50亿元。同时航空航天、汽车、机器人等新兴产业对于形状记忆合金的需求规模也表现出快速增长的趋势。