工业防磨抗蚀产业链及其中应用的熔敷增材制造技术

| 3DScienceValley · 2022/09/24

工业生产过程中，工业介质和应用环境都有可能造成材料的磨损和腐蚀，它的危害几乎遍及所有的行业，包括电力、钢铁、水泥、石油、化工、矿业、交通、机械、航空航天、信息、农业、海洋开发和基础设施等。由于磨损和腐蚀，使大量得之不易的有用材料变成废料，给自然环境带来了巨大的压力。除了材料、能源的消耗和设备的失效等直接损失外，磨损和腐蚀还可能进一步引起物料的污染和产品质量的下降、工艺流程的中断、停机停产、装置的泄漏、爆炸和人员伤亡以及大规模的环境污染等间接损失。尤其在垃圾焚烧、电力、钢铁、水泥、化工等行业中，垃圾焚烧炉、煤粉锅炉、循环流化床锅炉等工业窑炉高温受热面及输煤、输料、排灰、除尘等系统设备,由于长期处于高磨损、高腐蚀的恶劣环境中，不断受粉尘、物料、烟气的冲蚀，极易发生磨损及介质腐蚀，时常造成磨穿、泄漏等生产事故而被迫停机停炉，造成的损失巨大。

在此背景下，工业设备防磨抗蚀行业应运而生。防磨抗蚀是表面工程行业的一个分支，涉及的领域包括新材料学、表面工程技术、摩擦学、物理学、化学、界面力学和表面力学、材料失效与防护等学科，具有显著的行业交叉性、边缘性、多学科性等特点。从防磨抗蚀产业运用的技术及产品的功能来看，可以将其归为表面工程行业中的一个细分产业；从产业的构成来看，防磨抗蚀属于工业设备制造的一个重要组成部分。

防磨抗蚀装备为利用先进技术将防磨抗蚀材料熔敷在接触高磨损、强腐蚀环境的设备表面，可以赋予设备耐磨防腐的特性，保证设备在高温、高压、腐蚀和磨损环境下的长周期、安全、稳定经济运行，延长装备的使用寿命，助力行业用户降本增效、节能减排。

熔敷（或称熔覆、包覆）增材制造技术是当今主流的工业防磨抗蚀技术体系，行业企业中的堆焊技术是熔敷增材制造中的一个子集，也可归类到熔敷增材制造技术体系中。市场研究机构普华有策在《防磨抗蚀装备行业产业链分析及竞争格局、市场规模发展趋势》一文中对工业防磨抗蚀行业的产业链、熔覆增材制造技术及其与热喷涂技术的对比进行了分析。本期3D科学谷将分享该文,并与谷友们共同了解工业防磨抗蚀细分领域及其中应用的增材制造技术。

工业防磨抗蚀产业链

（1）上游产业相关性

上游产业主要是工业防磨抗蚀行业所必须的原材料和设备。原材料是指各种工业防磨抗蚀技术所需要的原材料，设备是指生产制造防磨抗蚀产品和服务所需要的设备。

（2）中游产业发展

工业防磨抗蚀行业，包括生产制造防磨抗蚀产品和提供服务的厂商以及相应技术体系。当前工业防磨抗蚀行业主要采用的技术体系包括热喷涂技术、熔敷增材制造技术、堆焊技术、微熔焊（重熔焊）技术、纳米喷涂技术等。由于堆焊技术原理类似于熔敷增材制造，因此可以归类到一个技术体系中，微熔焊（重熔焊）、纳米喷涂按照工艺标准与热喷涂相似，可归为热喷涂体系。

资料来源：普华有策

a.熔敷增材制造

熔敷增材制造技术是当今主流的工业防磨抗蚀技术体系，行业企业中的堆焊技术是熔敷增材制造中的一个子集，也可归类到熔敷增材制造技术体系中。熔敷增材制造是指利用热源手段将具有一定性能的合金材料，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，并熔敷于基体材料表面，形成高度冶金结合的熔敷层。该技术实质为堆焊技术与增材制造技术的结合，可以赋予基材防磨、抗蚀等特殊性能，或者对基材进行修复。

金属部件经常暴露在极端条件下：例如，用于航空航天以及海上石油钻井平台领域的轴类零件、煤机、纸辊、液压缸或汽车制动盘。因此，这些零件需要特殊涂层用于保护材料免受腐蚀和快速磨损。随着技术的进步，这些零件的修复市场需求也在不断增长。因此，需求的特点是需要更短的生产时间实现个性化和高性能组件的修复或制造，并且还需要满足巨大的价格压力。然而，传统工艺要么不够灵活、要么资源效率低或经济性不足以将高质量的薄金属层（冶金结合）应用于部件表面。

根据3D科学谷的市场观察，德国Fraunhofer ILT 研究所的科学家开发了一种替代涂层的增材制造工艺：极高速激光材料沉积 EHLA。EHLA 从2015年开始应用于工业领域，尤其是用于涂层制造。与传统方法相比，EHLA 在进给速率和沉积厚度方面有着突出的变现。他们开发的EHLA工艺将传统激光材料沉积中表面处理的进给速率从 0.5 米/分钟提高到 2米/分钟，可以将组件的涂层速度提高 100 到 250 倍，还可以施加明显更薄的层。虽然至少500微米的层是传统激光材料沉积的最新技术，但EHLA可以达到 25 微米。

b.热喷涂技术

热喷涂技术在国家标准 GB/T18719—2002《热喷涂术语、分类》中定义为：热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术是在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其具有：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等多种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的。特殊的工作表面为涂层，把制造涂层的工作方法称为热喷涂。热喷涂技术是表面工程技术的重要组成部分之一，约占表面工程技术的三分之一。

按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层，按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是机体不熔化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。在工业防磨抗蚀领域，现在市场上应用较多的热喷涂技术主要是电弧喷涂技术和超音速火焰(HVOF)喷涂技术。

c、熔敷增材制造技术与热喷涂的对比分析

根据普华有策，熔敷增材制造技术与热喷涂技术属于不同技术体系，但两种技术体系均可以应用到工业防磨抗蚀领域。熔敷增材制造技术具有技术先进性、防磨抗蚀防护周期长、市场接受度高、应用范围广等几方面的优势。

在防磨抗蚀行业领域，熔敷增材制造产品和服务的应用范围广度和深度相比热喷涂更具优势。由于热喷涂防磨抗蚀效果有限，在磨损和腐蚀比较严重、要求比较高的行业和环境中无法使用。防磨抗蚀熔敷增材制造产品和服务具有优异的防磨抗蚀性能，可以应用于更苛刻的磨损和腐蚀环境中，具有较低的替代风险。

d.下游应用行业发展现状

电力、节能环保、生物质能、能源化工、其他制造业等工业领域中锅炉、余热锅炉、化工设备均是能量转换、物理化学过程的核心主设备，但因为磨损和腐蚀问题，经常导致设备不能正常使用。工业防磨抗蚀技术可以针对这些行业痛点，提供耐磨损、防腐蚀的解决方案，保证设备能够长效、稳定运行。

根据3D科学谷的市场观察，激光熔覆增材制造技术在汽车刹车片防磨领域显示了其潜力。为满足欧盟新法规对刹车片磨损产生的超细颗粒的限制，亚琛增材制造中心-ACAM所孵化的技术WECODUR（基于激光熔覆增材制造工艺），通过增材制造-3D打印的方式实现低排放制动器，提高了耐腐蚀性并减轻了重量，从而减少了汽车生命周期中的二氧化碳排放。

行业竞争格局

从行业整体竞争格局来看，防磨抗蚀行业竞争激烈，但行业参与者主要以中小企业为主，以科能熔敷、恒大高新、博盈特焊为代表的规模化企业较少。一方面，由于该行业市场需求与下游行业发展息息相关，下游行业的全国性分布也催生了更多的本地化需求，地方中小企业也从中受益；另一方面，由于该行业业务开展需要持续性的资金投入，而且业务订单一般都通过招投标方式获取，受制于资金规模限制，行业内企业普遍只能在重点覆盖区域参与招投标获取订单，这导致区域性中小规模企业较多。未来，随着头部企业资金规模的积累，业务将会进一步拓展，头部企业区域覆盖能力将会进一步增强，行业集中度有望提高。

行业壁垒

（1）技术壁垒

工业防磨抗蚀行业作为一个新兴的边缘性、综合性、复合型产业，涉及的领域包括新材料学、表面工程技术、摩擦学、物理学、化学、界面力学和表面力学、材料失效与防护等学科，具有较高的技术壁垒。熔敷增材制造产品及熔敷工程服务均具有较高的科技含量，从研发小试、中试、技术鉴定到最终产业化生产均需要大量的投入和长期的技术积累。同时，产业的技术创新步伐不断加快，产品升级换代压力很大，需要接受新技术、新材料、新工艺的不断挑战。只有不断提高产品质量和满足客户不断提高的定制化要求，才能保持产品的市场竞争力。大量企业因无法解决技术瓶颈，短期内难以进入相关主流市场。

（2）经验壁垒

对于需要现场作业的熔敷工程项目，往往都是大型特种工业设备，是客户生产环节的核心设备，客户对熔敷工程服务效率和效果极其重视。因此，客户在选择供应商时，倾向于选择具有成熟的整体技术解决方案能力的熔敷工程服务商，要求其具有一定数量的大型项目工艺规划、设计、生产、交付经验，具有持续开展同类型项目的经验，且过往项目不存在重大质量问题。对于行业新进入者而言，项目经验需要长期的积累沉淀，短期内难以形成熔敷工程服务经验。

（3）人才壁垒

该行业属于技术密集型产业，横跨光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科，行业内企业需要大批掌握金属熔敷处理工艺、金属材料加工技术和自动化熔敷智能装备等领域的高素质、高技能专业技术人才，同时企业生产经营也需要大批能深入挖掘客户需求、具备丰富的项目管理经验与市场营销经验的销售管理人才。

该行业企业的业务发展需要大量的上述专业技术人才队伍作为支撑，专业人才队伍的建设是企业长期积累的结果，其随着企业技术的钻研与创新、产品的开发与升级、设备的运行与改进等过程得到不断积累与提升，并逐步形成企业自身的核心人才优势。短期内，该行业的新进入者无法建立完备的人才团队，人才壁垒对行业新进入者构成了一定的障碍。

（4）品牌壁垒

熔敷（熔覆）增材制造产品在锅炉、压力容器等设备上的使用周期较长，用户对产品做出评价至少需要一个大修期。一旦客户选用的熔敷产品出现质量问题，达不到预定使用周期，用户只能被迫停产检修，这将给用户造成巨大的经济损失。因此，下游客户在选择供应商时非常慎重，供应商的品牌和行业知名度是极为重要的考虑因素。此外，由于行业的特殊性，下游客户在选择金属熔敷供应商的时候会有一系列严格的筛选标准，会对供应商的认证资质、规模、内部管理、业内口碑等方面进行严格考核，有实力的企业往往能够跟下游客户形成高粘性。对于行业新进入者而言，品牌塑造是一个长期积累的过程，短期内难以建立品牌优势。

（5）资质壁垒

由于目前该行业主要针对压力容器、锅炉等特种工业设备进行熔敷处理，对施工作业具有一定的要求，国家对从事该业务的企业设置了一定的门槛，企业和从业人员需获得相关资质才可从业，如特种设备安装改造维修许可证（压力容器）、特种设备制造许可证（A 级锅炉部件）、特种设备制造许可证（锅炉安装改造）、特种设备生产许可证（锅炉制造 A）等，对于刚进入的企业很难在短期内获得诸多资质。

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