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管材作为工业领域的关键基础构件，广泛应用于航空航天、船舶、能源化工、汽车制造等高端装备领域，被誉为“工业动脉”。随着全球经济数字化转型与碳中和战略的推进，市场对高性能管材的需求日益增长，尤其在轻量化、高强度、耐腐蚀等方面提出更高要求。本文基于近期研究成果，系统综述不锈钢、铜合金等管材的市场现状、生产技术、模拟方法及未来挑战，以期为行业提供参考。

全球管材市场发展分析

全球管材市场总体概况

根据最新市场研究报告，预计2030年全球高端管材市场规模将以年均6.5%的增长率增长至2850亿美元。北美和欧洲市场占据全球40%以上的份额，而亚太地区特别是中国市场增长最为迅速，年增长率超过9%。

不锈钢管材市场分析

不锈钢凭借耐腐蚀、高强度等优势，成为全球关键基础材料，2022年，全球不锈钢市场规模约1306亿美元。中国主导全球的不锈钢产业，产量占比超62%，2025年前三季度产量达3046万吨，并保持大规模净出口态势，贸易顺差持续扩大，太钢、青山控股等企业引领行业发展。不锈钢广泛应用于建筑、交通、高端制造等领域(表1)，但在航空航天发动机高温合金、极精密特种带材等顶级应用领域，我国高端产品供给仍存在短板。

表1 应用领域细分

铜合金管材市场分析

2023年，全球铜管材市场(表2)规模达到280亿美元，其中，制冷空调领域占比45%，建筑给排水领域占比30%，工业应用领域占比25%。中国作为全球最大的铜管生产国，产量占全球65%以上。三辊行星旋轧(PSW)技术已成为铜管高效生产的核心工艺，韩国Lucky金属公司于1992年首次实现该技术的工业化应用，我国金龙精密铜管集团于1994年引入该技术。2023年中国铜管产量数据显示，主要企业产量分布为：湖南湘投金天1829吨、宝钛股份1346吨、西部材料1001吨、张家港华裕1030吨、常熟锐钛900吨。目前，高端产品如高齿薄壁管，仍需突破冷却控制技术瓶颈。

表2 区域市场特点

铝合金管材市场分析

全球铝管市场规模庞大且持续增长，2024年总值约1128.7亿元人民币，预计年复合增长率约5%。亚太地区是全球最大消费市场，占比约45%。铝管作为关键轻量化材料，主要应用于航空航天、汽车工业等领域。全球铝管市场呈现高集中度特征，由挪威海德鲁等少数跨国巨头主导，其中海德鲁占据约5%的市场份额，在高附加值领域优势显著。我国高端铝管产业格局多元(表3)：以中国铝业集团为首的央企发挥引领作用，南山铝业等地方企业凭借国际认证展现强大竞争力；西南铝、东轻等企业则通过自主研发设计，为国内航空航天及汽车工业的轻量化需求提供了坚实的材料支撑。

表3 相关企业主营业务

钛合金管材市场分析

钛合金管材凭借高比强度与耐腐蚀等特性，成为航空航天等领域的关键材料(表4)，全球市场规模约45亿美元，其中航空航天领域占比高达62%。全球高端钛合金市场约60%的份额由美国Timet、俄罗斯VSMPO-AVISMA及日本神户制钢主导。我国钛管年产量约1万吨，以宝钛股份等企业为主力，2023年出口量价齐升，贸易顺差显著。然而，如TA18等可实现大幅减重的高端管材仍依赖进口，国内在钛合金显微组织均匀性等核心工艺上存在短板。

表4 应用领域细分

其他合金管材市场分析

碳钢管材具有成本低、强度高等特点，主要应用于建筑与基础设施、汽车工业、油气运输等领域；高温合金管材服役环境常伴随极端高温、高压和强腐蚀，主要应用于航空航天、能源电力和高端化工等领域；镍基合金管材在核电、超临界电站等极端环境中应用广泛，市场规模约85亿美元；复合材料管材在航空航天和体育器材领域增长迅速，年增长率超过12%。

管材制备加工技术

金属管材制备工艺总体上可分为有缝管制备和无缝管制备两类技术范畴：有缝管制备是通过焊接的方式将板材或带材边缘连接，形成封闭截面，其核心在于焊接技术；无缝管制备则是通过热力学或机械方式使实心坯料直接成形为空心管材，其核心在于塑性变形技术。工艺选择取决于材料特性、产品要求及生产成本等多重因素。

焊管制备加工技术

有缝管材通过焊接成形(图1)，核心工艺是先将金属板材或带材卷曲成管状，再对其纵向接缝进行焊接密封，形成闭合管体。该工艺路线的经济性与高效性使其成为各大管材生产商的主流选择。具体焊接技术需根据材料特性适配：不锈钢管为保证焊缝耐蚀性，常采用惰性气体保护的钨极氩弧焊或高能束流的激光焊；碳钢及铜合金管广泛采用高效节能的高频感应焊；化学活性高的钛合金管必须在高纯度氩气或真空环境下进行焊接，以防污染；铝合金管则需特别注意选用合适焊丝与保护气体，避免产生热裂纹。尽管焊缝区的组织性能与母材存在差异，但凭借显著的效率与成本优势，焊接成形管材在建筑结构、流体输送、机械设备等众多领域仍占据主导地位。

图1 焊接制备工艺

无缝管制备加工技术

⑴轧制工艺。

轧制工艺是无缝管材制备中，通过旋转轧辊使金属塑性变形以获得目标尺寸的核心工艺。其基本原理是：将经过穿孔的管坯送入由两个或三个特定孔型的轧辊构成的变形区，轧辊与内部芯棒协同作用，在径向和轴向对管坯施加周期性的压力(图2)。在此过程中，金属在轧辊的碾轧下，管壁厚度被压缩、直径减小，同时沿轴向延伸。

图2 轧制工艺制备无缝管

根据变形温度，轧制可分为热轧与冷轧：热轧通常在再结晶温度之上进行，旨在高效减径和初步定壁，常用于大口径管材的开坯；冷轧(以皮尔格轧制最为典型)则在室温下进行，通过多道次、小变形量的精密轧制，能显著提升管材的尺寸精度、表面光洁度及力学性能，是生产高精度、高性能薄壁无缝管的关键精整工序。

⑵挤压工艺。

挤压工艺(图3)是针对难变形合金的重要热成形方法。其工艺原理为：将加热的金属铸锭放入密闭的挤压筒中，在挤压杆施加的巨大单向压力作用下，使金属铸锭通过由模套和模芯组合构成的环形模孔发生塑性流动。金属在近似三向压应力状态下变形，从模孔中持续流出，形成与模孔截面形状一致的空心管材。该工艺的显著特点是金属在变形区内承受强烈的剪切与压缩，有助于破碎粗大的铸态组织，获得致密、流线均匀的微观结构。挤压工艺尤其适用于低塑性、高变形抗力的金属首次开坯成形，能够直接制备出复杂断面或大直径的管坯，为后续的冷加工提供高质量的中间产品。

图3 挤压工艺制备无缝管

⑶拉拔工艺。

拉拔(图4)是在常温或低温下对管材进行精整，以获得极高尺寸精度与优异表面质量的关键工艺。其制备原理是：将经过轧制或挤压的毛坯管端部加工成锥形，随后将其穿过截面尺寸逐渐减小的锥形拉拔模孔，同时在外端施加拉伸力。当拉伸应力超过管材的屈服强度时，管材发生塑性变形，外径与壁厚被缩减，长度相应增加。拉拔的本质是“拉伸—压缩”复合变形，以拉伸应力为主导。该工艺道次变形量虽小，但通过多道次连续拉拔，可实现对管材尺寸、圆度及表面粗糙度的精密控制，并能有效提高材料的强度和硬度。因此，拉拔是制造小直径、薄壁、高性能精密无缝管的决定性工序。

图4 拉拔工艺制备无缝管

管类零件成形制造技术

管路系统在航空航天、新能源汽车、能源化工及高端装备等领域应用广泛。传统加工方法难以满足现代工业对构件轻量化、整体化、精密化及个性化的要求。因此，弯曲成形、液压成形、旋压成形等先进管材塑性加工技术应运而生并快速发展。这些技术通过精确控制材料的塑性流动，在实现复杂三维形状的同时，能够改善或保持材料力学性能，减少连接件，实现结构减重与性能提升。

弯曲成形

管材弯曲成形(图5)是通过施加弯矩使管坯绕给定半径产生塑性变形，从而获得所需具有空间特征构件的工艺。其核心工艺目标在于精确控制弯曲过程中外侧壁厚的减薄与开裂、内侧壁厚的增厚与起皱以及截面畸变。主要工艺包括推弯、压弯、滚弯及绕弯等：推弯成形的优势在于能够成形大直径、小弯曲半径的管材零件，克服其他加工工艺无法加工小弯曲半径的短板；压弯成形的优势在于管材与模具接触面积小，且不发生相对滑动，对管坯表面质量影响最小，适合加工表面要求较高的零件；滚弯成形的优点在于能够成形异形截面的管材；绕弯成形工艺自动化程度高，可依据预设程序自动完成绕弯操作，不仅能提高生产效率，还能保证产品质量的稳定性和一致性。管材弯曲成形技术是制造航空航天、汽车工业和船舶运输等领域中具有空间复杂结构管件(图6)的先进方法。

图5 弯曲成形工艺

图6 不同特征的管材弯曲成形件

液压成形

液压成形采用液体作为传力介质，通过特殊工模具配合，一体化完成管材成形。相比于传统半管拼焊组合方式，该技术具有减轻构件重量、提高零件的强度与刚度(尤其是疲劳强度)、提高尺寸精度，降低零件成形工序和模具数量，降低生产成本等优势。常规液压成形技术无法完成具有复杂结构和大截面变化率等特征管类零件的成形，因此，中国科学院金属研究所在管材液压成形工艺基础上进一步开发研究了多种先进成形技术，其中包括脉动液压成形、液压柔性锻造、内外压复合成形等多项技术(图7)。

图7 管材液压成形新工艺

脉动液压成形是在传统线性单调加载基础上，通过电气和液压控制技术，使管内成形压力随时间呈周期性加卸载的波动变化。液压锻造成形工艺是在管内充入液体介质作为支撑内压，用左右冲头将管材两端密封，通过注入柔性液体调节内部压力，并配合刚性机构对工件局部实施加载，从而迫使管材发生屈服变形并贴合模具。内外压复合成形工艺通过在管材内外表面分别施加高压液体，实现单层管材或多层管材的同步或非同步变形，再通过合理控制内压与轴向补料量，使管坯贴合模具，最终得到所需复杂形状的零件。液压成形管件如图8所示。

图8 液压成形管件

旋压成形

旋压成形(图9)是一种以旋转模带动管坯，由局部接触的滚动体施加压力，使材料产生连续、渐进塑性变形的工艺。它主要分为以减薄壁厚为主的普通旋压和可同时实现变径的强力旋压成形。在该工艺的成形过程中，材料受三向压应力作用，能获得组织致密、性能优异的零件(图10)，尤其适用于难变形材料(如钛合金)的大直径薄壁回转体构件制造，在航空航天发动机机匣、导弹壳体及高压容器等领域具有不可替代的地位。

图9 管材旋压成形工艺

图10 具有变截面结构特征的旋压成形管件

其他

除上述主流技术外，多种特种成形工艺满足了特定场景需求。缩口与扩口工艺专门处理管端尺寸，以利于连接；电磁成形利用高能脉冲磁场实现金属的高速精密成形，能有效抑制回弹；热应力成形则通过加热降低难变形材料的抗力，实现复杂构件成形。这些工艺共同扩展了管材加工的边界，服务于从管道工程到尖端装备的广泛领域。

管材管件未来发展方向

未来管材技术将向智能化、精密化、绿色化方向加速转型。在智能制造方面，将实现从单一成形工艺向“设计—材料—工艺—检测”全链条智能化转型。这一转型旨在构建以数字孪生和人工智能为核心驱动的智能制造体系，通过贯通传统环节间的“数据孤岛”，实现行业根本性变革。设计端，基于算法实现“结构—材料”一体化正向设计与优化；工艺端，利用高保真有限元仿真技术与在线传感数据进行自适应闭环控制，确保成形精准稳定；检测端，借助机器视觉等技术实现质量在线预测与诊断。最终形成具备自我学习与决策能力的全链条数据闭环，显著提升研发效率、质量一致性与制造柔性。

在材料体系拓展方面，重点包括多材料适配工艺，以应对钛合金、锆合金等难变形材料的高效轧制需求；功能集成材料推动“结构—功能”一体化发展，推广可持续材料，如再生金属和高性能复合材料的广泛应用。

在标准化与数据共享领域，需建立“工艺—组织—性能”关联数据库，制定国际先进标准，并构建开放创新平台，促进技术成果转化。

新兴应用领域为管材产业带来广阔空间：新能源领域中，氢能储运管道需求旺盛；电子信息产业对半导体设备用超高纯管材要求严苛；生物医药领域推动植入医疗器械精密管材发展；节能环保领域则聚焦高效换热器用微通道管材创新。产业升级需求同样显著：航空航天轻量化趋势驱动新一代飞行器减重需求，能源效率提升催生超临界发电机组用耐高温管材市场，基础设施升级带动城市管网系统改造，消费升级则促进高端家电和消费品应用拓展。这些机遇要求管材制造技术持续创新，以匹配高端化、定制化市场趋势。

结束语

管材制造技术正经历深刻变革，精密化、智能化、绿色化成为主导方向。钛合金、铝合金、铜合金和高温合金等管材在航空航天、能源等高端领域应用广泛，但织构控制、冷却均匀性等核心挑战仍需突破。通过多学科交叉创新，融合材料科学、数字技术和先进工艺，有望实现管材高性能、低成本制造。未来重点在于攻克微观组织调控、工艺稳定性等难题，推动产业从经验驱动向数据驱动转型。

对企业而言，应加大研发投入，突破关键核心技术，推进智能制造升级，提升生产效率，加强产业链协同，构建创新生态，拓展高端应用领域，提升产品附加值。科研机构需加强基础理论研究，解决共性技术难题，推动产学研合作，加速成果转化，培养复合型人才支撑产业创新发展。政府部门应制定产业政策，引导行业健康发展，支持创新平台建设，促进技术交流，完善标准体系，提升国际竞争力，加强国际合作，融入全球创新网络。三方协同将助力管材产业构建可持续发展格局。

徐勇研究员，长期从事高性能金属复杂薄壁构件先进成形技术及装备的研究，主持重点研发基金委以及院地合作项目30 余项，发表论文60 余篇，授权发明专利15 项，出版专著2 部。