導讀：高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600°C以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料；具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。

    1、高溫合金分類及產(chǎn)業(yè)鏈介紹

    1.1高溫合金分類

    高溫合金可以按基體組織材料劃分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。研發(fā)應用中，現(xiàn)在一般按制備工藝劃分成鑄造高溫合金、變形高溫合金和其他幾類新型高溫合金（粉末冶金高溫合金、彌散強化高溫合金ODS等）。首先簡單介紹變形高溫合金和鑄造高溫合金。

    圖1 高溫合金分類

    1）變形高溫合金：

    變形高溫合金是指可以進行冷、熱變形加工，工作溫度范圍-253~1320°C，具有良好的力學性能和綜合的強韌性指標，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金。按其熱處理工藝可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。

    第一類：固溶強化型合金：使用溫度范圍為900~1300°C，最高抗氧化溫度達1320°C。例如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000°C拉伸強度為140MPa、延伸率為85%，1000°C、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天發(fā)動機燃燒室、機匣等部件。

    第二類：時效強化型合金：使用溫度為-253~950°C，一般用于制作航空、航天發(fā)動機的渦輪盤與葉片等結(jié)構(gòu)件。制作渦輪盤的合金工作溫度為-253~700°C,要求具有良好的高低溫強度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650°C的最高屈服強度達1000MPa；制作葉片的合金溫度可達950°C，例如：GH220合金，950°C的拉伸強度為490MPa，940°C、200MPa的持久壽命大于40小時。

    變形高溫合金主要為航天、航空、核能、石油民用工業(yè)提供結(jié)構(gòu)鍛件、餅材、環(huán)件、棒材、板材、管材、帶材和絲材。

    圖2 變形高溫合金工藝流程

    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。其具有更寬的成分范圍，由于可不必兼顧其變形加工性能，合金的設(shè)計可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調(diào)整成分使Y結(jié)構(gòu)含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。

    此外，相比變形高溫合金，它有更廣闊的應用領(lǐng)域。由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計、制造出具有任意復雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可以分為以下三類：

    第一類：在-253~650°C使用的等軸晶鑄造高溫合金：這類合金在很大的范圍溫度內(nèi)具有良好的綜合性能，特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動機上用量較大的K4169合金，其650°C拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650°C,620MPa應力下的持久壽命為200小時。已用于制作航空發(fā)動機中的擴壓器機匣及航天發(fā)動機中各種泵用復雜結(jié)構(gòu)等。

    第二類：在650~950°C使用的等軸晶鑄造高溫合金：這類合金在高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950°C時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950°C，200小時的持久強度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。

    第三類：在950~1100°C使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金：這類合金在此溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。例如DD402單晶合金，1100°C、130MPa的應力下持久壽命大于100小時。這是國內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機的一級渦輪葉片。

    隨著精密鑄造工藝技術(shù)的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現(xiàn)。細晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復雜薄壁結(jié)構(gòu)件的技術(shù)等都使鑄造高溫合金水平大大提高，應用范圍不斷提高。

    圖3 鑄造高溫合金工藝流程

    3）粉末冶金高溫合金：

    采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出高溫合金粉末的產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平較高的發(fā)動機的使用要求，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。

    圖4 粉末冶金高溫合金工藝流程

    4）氧化物彌散強化（ODS）合金：

    是采用獨特的機械合金化（MA）工藝，超細的（小于50nm）在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強化相均勻地分散于合金基體中，而形成的一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持，具有優(yōu)良的高溫蠕變性能、優(yōu)越的高溫抗氧化性能、抗破、硫腐蝕性能。

    5）金屬間化合物高溫材料：

    金屬間化合物高溫材料是近期研究開發(fā)的一類有重要應用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、合金設(shè)計、工藝流程的開發(fā)以及應用研究已經(jīng)成熟，尤其在Ti-Al、Ni-AI和Fe-AI系材料的制備加工技術(shù)、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的成就。

    1.2高溫合金產(chǎn)業(yè)鏈

    高溫合金的原料是銀、格等小金屬和錸等稀土金屬。由于技術(shù)復雜，高溫合金生產(chǎn)企業(yè)往往獨立完成從原料配比到成品零件生產(chǎn)的全過程；在軍工領(lǐng)域的終端用戶往往以合約訂購、外協(xié)加工為主要的采購方式。當然也有部分企業(yè)只生產(chǎn)母合金作為外銷產(chǎn)品。相對來說，由于高溫合金多數(shù)非標準化產(chǎn)品，產(chǎn)品類型隨著下游需求不同而異，所以高溫合金產(chǎn)業(yè)鏈相對較短，屬于以技術(shù)為核心的產(chǎn)業(yè)。

    圖5 鋼研高納高溫合金產(chǎn)品鏈

    2、高溫合金的應用領(lǐng)域：“發(fā)動機基石”軍民用全能

    2.1 應用概覽

    高溫合金材料最初主要應用于航空航天領(lǐng)域，由于其良好的耐高溫，耐腐蝕等性能，逐漸被應用到電力，船艦，汽車，冶金，玻璃制造，原子能等工業(yè)領(lǐng)域，從而大大的拓展了應用領(lǐng)域。隨著高溫合金的發(fā)展，新型高溫合金材料的出現(xiàn)，高溫合金的市場需求處于逐步擴大和增長的趨勢。

    據(jù)有色金屬咨詢公司Roskill統(tǒng)計，全球每年消費高溫合金材料約28萬噸，占鋼鐵總消費量的0.02%，市場規(guī)模達100億美元。目前，其最大的應用還是航空航天領(lǐng)域，占總使用量的55%，其次是電力領(lǐng)域（20%）和機械領(lǐng)域（10%）。

    圖6 高溫合金市場規(guī)模占比及細分行業(yè)消費統(tǒng)計

    2.2 工業(yè)皇冠上的明珠-航空發(fā)動機專用材料

    高溫合金材料屬于航空航天材料中重要成員，是制造航空航天發(fā)動機熱端部件的關(guān)鍵材料。在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金占發(fā)動機總重量的40%-60%以上。發(fā)動機的性能水平在很大程度上取決于高溫合金材料的性能水平，因此高溫材料有“先進發(fā)動機基石”的美譽。

    圖7 航空發(fā)動機簡圖

    早期飛機的動力為螺旋槳，而當代的飛機都是噴氣式飛機，噴氣式飛機的關(guān)鍵就是航空發(fā)動機。上圖是航空發(fā)動機簡單的工作原理：發(fā)動機首先吸入空氣，然后將空氣壓縮提高壓力，壓縮空氣進入燃燒室與燃料混合點燃，從而產(chǎn)生大量的高溫高速熱氣，最后高速氣體被噴出用以驅(qū)動飛機。其巧妙之處在于高速氣體排出時的部分能量被用作推動一組渦輪，而正是渦輪組在推動發(fā)動機前端的壓氣機。

    整個航空發(fā)動機由于其工作溫度的不同，以燃燒室前后為界線分為冷端和熱端兩塊。要提高發(fā)動機的工作效率，就要設(shè)法提高噴出氣體的能量，而直接辦法就是提高溫度。這對熱端部件的材料提出了極大要求。特別是渦輪部件，必須經(jīng)受住高溫氣體的沖擊。這些高溫氣體的溫度甚至可以超過1500攝氏度，這個數(shù)字比很多金屬的熔點還要高；不僅如此，渦輪每分鐘旋轉(zhuǎn)上萬次，承受著巨大的機械載荷。這些意味著需要找到在高溫下還能保持優(yōu)異機械性能的材料。

    最初的科學家在1929年找到一種鎳基合金，也就是世界上第一種高溫合金。1939年，德國搭載著Hes3B渦輪噴氣發(fā)動機的He-178成為了世界上第一款噴氣式飛機。由此，航空業(yè)進入噴氣飛行時代。此后，航空業(yè)的每一次飛躍也都離不開高溫材料的發(fā)展。

 

    目前，高溫合金主要應用于航空發(fā)動機的四大熱端部件：燃料室，導向器，渦輪葉片和渦輪盤。此外，還用于機匣，環(huán)件和尾噴口等部件。由于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)較為復雜，各部位溫度和受力情況等，差別較大，因此對材料的要求和選用就各不相同。具體來說，各個部分需要的高溫合金分別有如下這些要求：

    1）燃燒室用高溫合金

    燃燒室所受的機械應力較小，但熱應力較大，對材料的要求主要有：高溫抗氧化和抗燃氣腐蝕性能；足夠的瞬時和持久強度；良好的冷熱疲勞性能，良好的工藝塑性（持久，彎曲性能）和焊接性能；合金在工作溫度下長期組織穩(wěn)定。

    2）導向葉片用高溫合金

    導向葉片的第一級是渦輪發(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。但由于它是靜止的，所受的機械負荷并不大。通常由于應力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過燃引起的燒傷，使導向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導向葉片工作條件，要求材料具有如下性能：足夠的持久強度及良好的熱疲勞性能；有較高的抗氧化和抗腐蝕的能力；如用鑄造合金，則要求具有良好的鑄造性能。

    3）渦輪動葉片用高溫合金

    渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動機上最關(guān)鍵的構(gòu)件之一。雖然工作溫度比導向葉片要低些，但是受力大而復雜，工作條件惡劣，因此對渦輪葉片材料要求有：高的抗氧化和抗腐蝕能力；高的抗蠕變和持久斷裂的能力；良好的機械疲勞和熱疲勞性能以及良好的高溫和中溫綜合性能。

    4）渦輪盤用高溫合金

    渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產(chǎn)生很大的熱應力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應力更為復雜。為此對渦輪盤材料要求有：合金應具有高的屈服強度和蠕變強度；良好的冷熱和機械疲勞性能；線膨脹系數(shù)要小，無缺口敏感性，較高的低周疲勞性能。

    正因不同部件的材料要求各不相同，屬于典型的非標準產(chǎn)品，所以單單航空發(fā)動機一個領(lǐng)域就為高溫材料支撐起了足夠龐大的市場。目前，航空發(fā)動機成本中高溫合金占比達17%。

    圖8 航空發(fā)動機成本構(gòu)成比例

    航空航天產(chǎn)業(yè)屬于戰(zhàn)略性先導產(chǎn)業(yè)，世界航空航天市場總額已高達數(shù)千億美金，且以每年約10%的速度穩(wěn)步增長。我國航空領(lǐng)域市場前景十分廣闊，根據(jù)波音在2014年9月發(fā)布的《2014年中國航空市場展望》，中國未來20年飛機市場需求預計約為6020架，總價值達8700億美金。

 

    而除去民航市場，軍工領(lǐng)域各類戰(zhàn)斗機的發(fā)展對高溫合金的需求在數(shù)量上更為可觀、質(zhì)量上也更為高端。在中央軍委建設(shè)新時代強大空軍的背景下，出于對這一市場的重視，后文將專門分析介紹軍用航空發(fā)動機高溫合金。

    2.3 燃氣輪機

    燃氣輪機是除了航空發(fā)動機以外高溫合金的另一個主要用途。燃氣輪機裝置是一種以空氣及燃氣為介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，其結(jié)構(gòu)與飛機噴氣式發(fā)動機一致。它的基本原理和蒸汽輪機很相似，但不同在于工作介質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。

 

    壓氣機連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣渦輪中膨脹做功，推動渦輪葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后的高溫燃氣的做功能力顯著提高，因而燃氣渦輪在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。在此過程中，燃燒室和渦輪不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時，因溫度劇烈變化引起的熱沖擊，為確保有足夠工作效率的壽命，這兩大部件中工作條件最嚴苛的零件如火焰筒和葉片等，須用鎳基和鈷基合金等高溫材料制造。？

    較于傳統(tǒng)的柴油機，燃氣輪機在能源效率和動力性能上都更勝一籌，其未來廣闊的應用前景也帶動了高溫合金的需求。船艦用燃氣輪機是燃氣輪機最大的應用之一。目前而言，廣泛應用的船艦動力裝置主要有蒸汽動力裝置，柴油機動力裝置，核動力裝置，燃氣動力裝置以及聯(lián)和動力裝置。其中，前兩種動力裝置船艦用蒸汽輪機和船艦用柴油機由于發(fā)展得較早，系統(tǒng)較為成熟，是燃氣輪機在船艦應用領(lǐng)域最大的競爭對手。

    由于功率密度更大，啟動速度更快等優(yōu)點，燃氣輪機幾乎已經(jīng)成為各國軍艦動力系統(tǒng)幾乎唯一的選擇。老牌海軍強國如英美，日本等，早就對其作戰(zhàn)艦隊完成了艦隊動力燃氣機輪化。如美國的LM2500燃氣輪機就幾乎統(tǒng)一了美國海軍大中型作戰(zhàn)艦艇的動力系統(tǒng)，號稱驅(qū)動了半個地球的海軍。

    過去由于我國在燃氣輪機的關(guān)鍵技術(shù)上一直沒有取得突破，故基本都采取向發(fā)達國家進口燃氣輪機的方式制造船艦。近幾年，由于在關(guān)鍵技術(shù)上取得了關(guān)鍵突破，我國已經(jīng)具備自己研制艦用燃氣輪機的能力，如國產(chǎn)化的GT2500燃氣輪機就得到了軍方的肯定。關(guān)鍵技術(shù)的實質(zhì)性突破，為我國海軍以后逐步完全采用國產(chǎn)的燃氣輪機制造艦艇的夢想創(chuàng)造了條件。

    我們海軍致力于打造3大近海艦隊和若干航母艦隊的作戰(zhàn)體系，據(jù)有關(guān)部門預估，海軍每年將新增驅(qū)逐艦及護衛(wèi)艦30臺左右，中小型艦艇90臺左右，艦用燃氣輪機對高溫合金需求巨大。此外，除了作為船艦動力裝置，燃氣輪機在發(fā)電，油氣開采運輸，冶金等領(lǐng)域也存在著一定的應用前景。

    3、航天軍工大發(fā)展帶來廣闊應用前景

    3.1 高端高溫材料國產(chǎn)化是航空發(fā)動機國產(chǎn)的先決條件

    航天軍工領(lǐng)域的特殊性決定了它的前導性。目前，中國航天軍工領(lǐng)域的高端高溫合金已經(jīng)從創(chuàng)新研究階段發(fā)展到了接近全面大規(guī)模國產(chǎn)化的臨界階段，支撐我們得出這一判斷的理由來自需求和供給兩個方面。

    從需求層面看，進入二十一世紀以來，我國在航天軍工領(lǐng)域的大手筆不斷，大飛機項目（C919）、航母的入列（殲15艦載機）、新軍機（殲20隱身機、殲31隱身機、利劍無人機）等一系列動作，令國人振奮。但是振奮之余，一個現(xiàn)實是我們的飛機還不得不依賴于進口發(fā)動機。因此發(fā)展國產(chǎn)航空發(fā)動機解決我國航空產(chǎn)業(yè)的“心臟病”已經(jīng)成為國家層面的迫切任務(wù)。

    我國從上世紀60年代開始發(fā)展國產(chǎn)航空發(fā)動機，歷經(jīng)坎坷，已經(jīng)從最早的渦噴-5、渦噴-14發(fā)動機，發(fā)展到目前的渦扇10、渦扇15發(fā)動機，取得了巨大的進步。尤其是“太行”發(fā)動機的定型，實現(xiàn)了我國軍用航空發(fā)動機從第二代向第三代，從渦噴向渦扇、從中等推力向大推力的跨越的“三大跨越”，標志著我國已具備自主研制大推力軍用發(fā)動機的能力。雖然從各方面反饋的信息判斷，“太行”發(fā)動機在性能方面和國外同類產(chǎn)品仍有不小差距，但是從最初試飛時的“噴零件”到現(xiàn)在的穩(wěn)定量產(chǎn)，這一巨大進步還是不容質(zhì)疑的。有了這一基礎(chǔ)，在可預見的5到10年內(nèi)，國產(chǎn)發(fā)動機逐步走向前臺已經(jīng)成為大概率事件。

    但從下圖與國外發(fā)動機的對比中我們可以發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)渦扇發(fā)動機的推重比這一最重要指標依然不盡人意。以目前的技術(shù)而言，要提高推重比，必須提高燃氣溫度。這將嚴重依賴于材料。據(jù)預測，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)對推重比12-15發(fā)動機的貢獻將達50%以上，從未來發(fā)展來看，甚至可占67%。

    圖9 世界軍用航空發(fā)動機推重比發(fā)展趨勢

    3.2單晶葉片

    核心技術(shù)在手，進口替代可期如前所述，高溫合金的起源就是為了滿足航空發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達80%左右。而在航空發(fā)動機需要用到高溫合金的各種部件中，最為復雜、要求最高的就是渦輪葉片，特別是前幾級渦輪葉片，其所處的溫度最高，環(huán)境最為惡劣，在這種環(huán)境下，對材料的抗蠕變性能要求特別高。目前國際上主流先進技術(shù)是單晶葉片，即只有一個晶粒的鑄造葉片，消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而改善了合金的物理性能；此外由于單晶葉片消除了全部晶界，不必加入晶界強化元素，使合金的初熔溫度相對升高，可以說是核心中的核心材料。

 

    但渦輪單晶葉片由于所處溫度高，內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)復雜，鑄造難度非常大。渦輪葉片內(nèi)部的流通結(jié)構(gòu)由蠟模精鑄，冷卻孔通過激光或者EDM加工（超精密加工）。渦輪葉片中空的設(shè)計以及冷卻氣孔都給制造帶來了很大的難度。以往國內(nèi)在這一塊的技術(shù)落后歐美很多，成品率極低；不僅僅是單晶葉片，其他很多高端高溫合金的部件也都依賴于進口。

    但自上世紀90年中期起，國內(nèi)在高溫合金新材料的開發(fā)上取得了長足的進步，鋼研院、航材院和沈陽金屬所等科研院所已經(jīng)開發(fā)和開始應用一批新工藝研制和生產(chǎn)了一系列高性能、高檔次的新型高溫合金材料。比如單晶高溫合金葉片（DD402、DD406）已經(jīng)達到第二代，第三代產(chǎn)品也在開發(fā)；粉末高溫合金渦輪盤材料（FGH95、FGH97）也形成了批量供貨能力；氧化物彌散強化ODS高溫合金和鈦鋁等金屬間化合物高溫合金材料從無到有，也都形成了一定的供貨能力。

    總體來看我們認為國內(nèi)高溫合金的發(fā)展基本和國內(nèi)航空航天發(fā)動機的發(fā)展水平相一致的。因此隨著未來國內(nèi)新軍機、新艦艇的逐步入列和成軍和國產(chǎn)發(fā)動機的逐步走向前臺，國產(chǎn)高檔高溫合金材料的發(fā)展正迎來重要的機遇和轉(zhuǎn)折點。

    市場調(diào)研公司Research and Markets之前也曾發(fā)布了一份中國高溫合金行業(yè)的市場調(diào)研報告。報告顯示，中國對高溫合金的供求缺口正在逐步擴大，而且高端高溫合金嚴重依賴進口。根據(jù)報告提供的數(shù)據(jù)顯示，2009年中國對高溫合金的需求大約是10000噸，而到2014年已猛增至20000噸。同一時期，國內(nèi)高溫合金產(chǎn)量增長幅度不大，僅從8000噸增長到13000噸。

    未來，高溫合金在中國快速增長將主要歸功于兩大因素。首先，隨著發(fā)動機技術(shù)的成熟，未來飛機發(fā)動機對高溫合金的需求將大幅增長。第二，汽車產(chǎn)量和銷量仍將繼續(xù)增長，進而帶來在其使用的高溫合金增長。再加上汽車發(fā)動機對高溫合金的需求將仍然保持快速增長。？

    3.3借鑒發(fā)達國家高溫合金發(fā)展歷史，我國高溫合金潛力巨大

    歐美國家對高溫合金的研發(fā)是從二十世紀三十年代開始的。一直到二戰(zhàn)結(jié)束后的一段時間里，高溫合金的性能主要是通過調(diào)整合金成分來提高的。例如英國早期研制了Ni3（Al、Ti）強化的Nimonic80合金，用作渦輪噴氣發(fā)動機渦輪葉片材料；美國則開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強化型鎳基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。

    從20世紀40年代末開始，制造工藝對高溫合金的發(fā)展起著極大的推進作用。40年代出現(xiàn)的真空熔煉技術(shù)可以去除合金中有害雜質(zhì)和氣體，精確控制合金成分，使高溫合金性能不斷提高。隨后，定向凝固、單晶生長、粉末冶金、機械合金化、陶瓷型芯、陶瓷過濾、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動了高溫合金的迅猛發(fā)展。其中定向凝固技術(shù)最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度接近初熔點的90%。因此，目前各國先進航空發(fā)動機葉片都采用定向、單晶合金制造渦輪葉片。第四代單晶高溫合金使用溫度已經(jīng)達到約1100°C。

    圖10 過去60年高溫合金性能發(fā)展狀況

    中國高溫合金的研發(fā)起步于20世紀50年代，1956年在蘇聯(lián)專家指導下煉出GH3030。經(jīng)過幾代材料人的努力，現(xiàn)在已形成自己的高溫合金體系。目前我國高溫合金牌號和品種很多，變形高溫合金有50多個牌號，鑄造高溫合金有40多個牌號。它們廣泛用作燃氣渦輪發(fā)動機的熱端關(guān)鍵部件。如：渦輪盤、渦輪工作葉片、渦輪導向葉片、燃燒室和加力燃燒室等零部件材料。在我國研制（包括仿制）的高溫合金中，有些已達到國外同類合金水平。例如葉片用合金GH5188、K417G、K403、DZ4、DZ22、DZ125、IC6、DD3等；渦輪盤用合金GH901、GH4133B、GH710、K418B、K6C等；燃燒室用合金GH1140、GH4099、GH1015等；環(huán)形件用合金GH903、GH907、GH909。

 

    近年來，為適應高推重比發(fā)動機的需要，我國研制的定向凝固合金、單晶合金、粉末合金、機械合金化合金和金屬間化合物為基的合金，取得了不少成果，已達世界較先進水平。總體來看，現(xiàn)在我國的高溫合金已基本形成自己的體系和研制生產(chǎn)基地，主要形成了以撫鋼、寶鋼特鋼等為主體的變形高溫合金基地和以航空發(fā)動機制造公司精密鑄造廠為主體的鑄造廠為主體的鑄造高溫合金生產(chǎn)基地。

    目前年生產(chǎn)能力達1萬多噸，可生產(chǎn)棒、盤、板、絲、帶、環(huán)、管材及精密鑄件，一定程度上講，航空和其他工業(yè)部門使用的各種高溫合金均可在國內(nèi)生產(chǎn)供應。據(jù)統(tǒng)計，幾十年來我國共生產(chǎn)各類高溫合金6萬多噸，保證了5萬多臺航空發(fā)動機的生產(chǎn)和發(fā)展需要。

    雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，無論是研制還是生產(chǎn)，我國的高溫合金產(chǎn)業(yè)都形成了一定的規(guī)模和水平，但與發(fā)達國家相比，還存在如下一些差距：

    （1）研制、仿制多，應用少。在變形高溫合金50多個牌號，鑄造高溫合金40多個牌號中，獲得應用的不足70%；且在這70%中僅有15種變形合金和5種鑄造合金做過材料結(jié)構(gòu)的完整性研究，故在應用上受到限制。

    （2）材料的冶金質(zhì)量水平低。主要表現(xiàn)在材料的純凈度低，合金成分波動大，對雜質(zhì)和氣體含量的要求不夠嚴格，影響到性能及其穩(wěn)定。

    （3）在鑄造和壓力加工等工藝中控制不嚴，影響鑄件、棒、餅坯等材料的冶金質(zhì)量。尤其是航空發(fā)動機鑄造渦輪葉片等復雜形狀熱端關(guān)鍵部件精鑄件毛坯合格率比較低。例如，發(fā)達國家的空心定向和單晶的合格率可達到70%?90%，而國內(nèi)的同類葉片鑄件毛坯合格率一般為30%?40%，有些葉片的合格率甚至不到10%，這大大提高了制造成本，影響了工程化和產(chǎn)業(yè)化的進程。

    這些差距使得國內(nèi)廠商主要還集中在中低端產(chǎn)品的制造上，高端的高溫合金產(chǎn)品市場，依然依賴于進口產(chǎn)品。但隨著我國科技實力的發(fā)展，以鋼研高納為代表的一部分企業(yè)，已經(jīng)在科研創(chuàng)新和生產(chǎn)工藝上取得了突破，有相當一部分產(chǎn)品可以替代進口。可以預期整個行業(yè)也會向著高端化的方向發(fā)展。

    3.4產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：體系全，壁壘高

    縱觀全球，目前具有完整高溫合金體系的國家只有美、英、俄、中四國，能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)也不超過50家，以特殊金屬公司、漢因斯-斯泰特公司（Haynes-Stellite Company）、國際因科公司、豪邁特公司、卡彭特公司等為代表，主要集中在美、英、德、日等國，整個行業(yè)具有較為明顯的寡頭特征。

 

    國內(nèi)從事高溫合金生產(chǎn)的單位分為兩類，一類是特鋼企業(yè)，如撫順特鋼、長城特鋼、寶鋼特鋼等；另一類則是研究院所，如航空材料研究院、中科院沈陽金屬研究所，還有鋼鐵研究總院系統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)廠家鋼研高納。另外，西南鋁業(yè)、二重集團等在高溫合金制造過程中提供鍛件熱加工等外協(xié)支持，航空動力、沈陽黎明、貴州黎陽等公司下屬的車間也從事高溫合金精鑄件的生產(chǎn)。

    撫順特鋼、長城特鋼、寶鋼特鋼等主要生產(chǎn)大批量、通用性、結(jié)構(gòu)較為簡單的產(chǎn)品，航空航天領(lǐng)域中用量最大的變形高溫合金主要由其生產(chǎn)，而鋼研高納、航材院等主要生產(chǎn)小批量、結(jié)構(gòu)復雜的高端產(chǎn)品，兩者直接存在競爭的領(lǐng)域有限。并且三家鋼企的主要品是特鋼，高溫合金僅占其收入比例相對較小。

 

    在高溫合金的高端領(lǐng)域，競爭的參與者除鋼研高納外，主要是航材院，在航空發(fā)動機基本上形成雙寡頭格局。

    在潛在競爭者方面，高溫合金行業(yè)的高壁壘特性使妄圖進入這個行業(yè)的企業(yè)望而卻步。可以預見，在未來中短期內(nèi)，該領(lǐng)域國內(nèi)市場的供應格局不會有太大變化，而旺盛的需求增長意味著行業(yè)內(nèi)這幾家企業(yè)將迎來發(fā)展機遇。

    4、發(fā)展空間展望：前途光明，爆發(fā)可期

    高溫合金市場需求多年來一直處于逐步擴大和增長狀態(tài)，隨著中國制造業(yè)高端化的進程，歐美發(fā)達國家高溫合金的市場現(xiàn)狀值得我們參考。根據(jù)有色金屬專業(yè)咨詢公司Roskill的測算，在美國這樣的成熟市場，高溫合金需求仍然保持在20%以上的增長。中國當前很多高溫合金的下游應用領(lǐng)域才剛剛起步，隨著大飛機國產(chǎn)化、新一輪核電建設(shè)等一系列工程的啟動，可以預見，在今后的一段時期，中國的高溫合金產(chǎn)業(yè)將迎來又一輪大發(fā)展。

    目前，中國高溫合金市場缺口較大，特別是高端領(lǐng)域，主要依賴于進口。將撫順特鋼等特鋼鋼廠、航材院等科研機構(gòu)和鋼研高納等專業(yè)廠商的產(chǎn)能加在一起，大約1.2萬噸的產(chǎn)能，主要還是供給軍方和一些低端民市場。國內(nèi)對高溫合金的需求持續(xù)增長，而高溫合金的準入門檻高，研發(fā)周期長，因此我們預計市場缺口還將進一步擴大。

    綜合我們在前文對市場前景的估計和國家相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，對未來高溫合金的市場空間、特別是新增需求作一些估算。

    4.1民用航空發(fā)動機領(lǐng)域需求超過10萬噸

    由于中國航空工業(yè)的基礎(chǔ)相對薄弱，目前國內(nèi)的民航客機發(fā)動機主要依靠進口。但隨著C919大飛機項目的穩(wěn)步推進，技術(shù)上的很多問題將得到解決，據(jù)中國商飛副總經(jīng)理、大飛機項目總設(shè)計師吳光輝介紹，預計未來C919年產(chǎn)能力最終將會達到150架，20年內(nèi)總量會達到2300架，高溫合金在國內(nèi)民航領(lǐng)域的市場將會進一步打開。

    國際上以CFM-56等為代表的主流民用航空發(fā)動機自重在4噸左右，其中高溫合金大約需要40%。以目前的技術(shù)，在制造中大概保持20%左右的最終成材率，每架發(fā)動機消耗約8噸高溫合金。按照波音公司對中國航空市場未來20年新增6020架大中型飛機的預測，以平均每架飛機用2臺發(fā)動機，將會新增高溫合金需求10萬噸左右。

    同時，中國民航局數(shù)據(jù)顯示，截至2014年底，民航全行業(yè)運輸飛機期末在冊架數(shù)2370架。僅按照保有飛機在今后二十年平均更換維修2臺發(fā)動機，每臺維修需5噸高溫合金計算，民航維護市場領(lǐng)域的高溫合金需求就達到2.37萬噸。此外，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，通用航空領(lǐng)域也將有越來越多的噴氣式飛機，雖然這塊市場相對較小，但僅按照每年50架、每架1臺發(fā)動機、每臺5噸的保守計算，也需要5000噸左右高溫合金。

    綜上所述，今后20年，民用航空領(lǐng)域的高溫合金需求應當在12.5萬噸以上，當然，考慮到其中老民航飛機維護已經(jīng)是現(xiàn)有需求的一部分，因此估計新增需求約為10萬噸。

    4.2軍用航空發(fā)動機領(lǐng)域需求超過11萬噸

    近年來，中國空軍無論是戰(zhàn)斗機還是軍用大飛機（運輸機、加油機等）的研發(fā)裝配都邁上了新臺階。按照《航空知識》的測算和招商證券的研究，未來20年中國空軍將新增戰(zhàn)斗機3000架左右，新增軍用大飛機400架左右，按照每架戰(zhàn)斗機平均裝備2臺發(fā)動機、每臺消耗4噸高溫合金，每架軍用大飛機平均裝備4臺發(fā)動機、每臺消耗10噸高溫合金計算，就需要4萬噸左右高溫合金。軍機維護相對比較頻繁，按照新增戰(zhàn)斗機維護2次，新增大飛機維護1次來說，相當新增戰(zhàn)斗機發(fā)動機需求增加了2倍，新增軍用大飛機發(fā)動機需求增加了1倍。

    此外，據(jù)美國國防部《中國軍力報告》和中國《解放軍報》等軍媒消息，大致可以估算中國海陸空三軍現(xiàn)有各類作戰(zhàn)飛機3200架左右，排除一些老式飛機和螺旋槳飛機等，需要使用渦輪/渦扇航空發(fā)動機的現(xiàn)役軍機約2500架。當然，這些飛機中很多將在中國空軍的換代潮中被淘汰，但僅按每架維護1臺發(fā)動機，消耗5噸高溫合金的保守估計，仍需要高溫合金1.25萬噸。

 

    綜上所述，今后20年，軍用航空領(lǐng)域的高溫合金需求應當在11.6萬噸左右。

    4.3燃氣輪機領(lǐng)域需求在12萬噸左右

    在建設(shè)強大中國空軍的同時，中國海軍的力量也在與日俱增，遼寧號航母的建成只是中國海軍夢的起點，國家正致力于打造融合3大近海艦隊和若干航母艦隊的作戰(zhàn)體系。雖然目前中國海軍艦艇以燃氣輪機為動力的比例還很低，但根據(jù)中國海軍網(wǎng)站信息，今后海軍每年將新增驅(qū)逐艦及護衛(wèi)艦30艘左右，中小型艦艇90艘左右，新增的艦艇肯定會緊跟國際形勢，更多配備燃氣輪機，因此保守假設(shè)其中至少50%的比例會以燃氣輪機為動力。

    平均看來，每臺大型艦船需要2臺大功率燃氣輪機（LM2500級），中小型艦船需4臺小功率燃氣輪機（LM2500級）。雖然數(shù)量上沒有飛機多，但燃氣輪機重量一般較大。以大功率燃氣輪機重20噸，高溫合金占重量30%，成材率20%計算，就要用高溫合金30噸；小型輪機也需要10噸左右。加上維護時的消耗，數(shù)量更為巨大。

    當然，除了軍艦以外，燃氣輪機在民用領(lǐng)域也有廣泛應用，國際上看在發(fā)電、石油、冶金等領(lǐng)域都有燃氣輪機的身影。但國內(nèi)企業(yè)從成本等多方面考慮，可能短期內(nèi)還不會大規(guī)模應用，但即使民用市場僅有軍用市場的10%，也將有10000噸左右需求。

    綜上所述，今后20年，燃氣輪機領(lǐng)域的高溫合金新增需求應當在12萬噸左右。

 

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責任編輯：王元

 

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