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、高溫合金分類及產業鏈介紹

    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。研發應用中，現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、航天發動機的渦輪盤與葉片等結構件。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、石油民用工業提供結構鍛件、餅材、環件、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，合金的設計可以集中考慮優化其使用性能。如對于鎳基高溫合金，可通過調整成分使Y結構含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優良性能。

    此外，相比變形高溫合金，它有更廣闊的應用領域。由于鑄造方法具有的特殊優點，可根據零件的使用需要，設計、制造出具有任意復雜結構和形狀的高溫合金鑄件。根據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。已用于制作航空發動機中的擴壓器機匣及航天發動機中各種泵用復雜結構等。

    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具有優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。這是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發動機的一級渦輪葉片。

    隨著精密鑄造工藝技術的不斷提高，新的特殊工藝也不斷出現。細晶鑄造技術、定向凝固技術、復雜薄壁結構件的技術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，經熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經鍛造成型的生產工藝制造出高溫合金粉末的產品。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動機的使用要求，是高推重比發動機渦輪盤、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，具有優良的高溫蠕變性能、優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性研究、合金設計、工藝流程的開發以及應用研究已經成熟，尤其在Ti-Al、Ni-AI和Fe-AI系材料的制備加工技術、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高溫合金產業鏈

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

    圖5 鋼研高納高溫合金產品鏈

    2、高溫合金的應用領域：“發動機基石”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，原子能等工業領域，從而大大的拓展了應用領域。隨著高溫合金的發展，新型高溫合金材料的出現，高溫合金的市場需求處于逐步擴大和增長的趨勢。

    據有色金屬咨詢公司Roskill統計，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%，市場規模達100億美元。目前，其最大的應用還是航空航天領域，占總使用量的55%，其次是電力領域（20%）和機械領域（10%）。

    圖6 高溫合金市場規模占比及細分行業消費統計

    2.2 工業皇冠上的明珠-航空發動機專用材料

    高溫合金材料屬于航空航天材料中重要成員，是制造航空航天發動機熱端部件的關鍵材料。在先進的航空發動機中，高溫合金占發動機總重量的40%-60%以上。發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“先進發動機基石”的美譽。

    圖7 航空發動機簡圖

    早期飛機的動力為螺旋槳，而當代的飛機都是噴氣式飛機，噴氣式飛機的關鍵就是航空發動機。上圖是航空發動機簡單的工作原理：發動機首先吸入空氣，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，從而產生大量的高溫高速熱氣，最后高速氣體被噴出用以驅動飛機。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動機前端的壓氣機。

    整個航空發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。要提高發動機的工作效率，就要設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，這個數字比很多金屬的熔點還要高；不僅如此，渦輪每分鐘旋轉上萬次，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渦輪噴氣發動機的He-178成為了世界上第一款噴氣式飛機。由此，航空業進入噴氣飛行時代。此后，航空業的每一次飛躍也都離不開高溫材料的發展。

 

    目前，高溫合金主要應用于航空發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，環件和尾噴口等部件。由于航空發動機結構較為復雜，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定。

    2）導向葉片用高溫合金

    導向葉片的第一級是渦輪發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常出現故障。根據導向葉片工作條件，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動機上最關鍵的構件之一。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品，所以單單航空發動機一個領域就為高溫材料支撐起了足夠龐大的市場。目前，航空發動機成本中高溫合金占比達17%。

    圖8 航空發動機成本構成比例

    航空航天產業屬于戰略性先導產業，世界航空航天市場總額已高達數千億美金，且以每年約10%的速度穩步增長。我國航空領域市場前景十分廣闊，根據波音在2014年9月發布的《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，軍工領域各類戰斗機的發展對高溫合金的需求在數量上更為可觀、質量上也更為高端。在中央軍委建設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動機高溫合金。

    2.3 燃氣輪機

    燃氣輪機是除了航空發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的旋轉式熱力發動機，其結構與飛機噴氣式發動機一致。它的基本原理和蒸汽輪機很相似，但不同在于工作介質不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。

 

    壓氣機連續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；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展得較早，系統較為成熟，是燃氣輪機在船艦應用領域最大的競爭對手。

    由于功率密度更大，啟動速度更快等優點，燃氣輪機幾乎已經成為各國軍艦動力系統幾乎唯一的選擇。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燃氣輪機就幾乎統一了美國海軍大中型作戰艦艇的動力系統，號稱驅動了半個地球的海軍。

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

    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體系，據有關部門預估，海軍每年將新增驅逐艦及護衛艦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，燃氣輪機在發電，油氣開采運輸，冶金等領域也存在著一定的應用前景。

    3、航天軍工大發展帶來廣闊應用前景

    3.1 高端高溫材料國產化是航空發動機國產的先決條件

    航天軍工領域的特殊性決定了它的前導性。目前，中國航天軍工領域的高端高溫合金已經從創新研究階段發展到了接近全面大規模國產化的臨界階段，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，一個現實是我們的飛機還不得不依賴于進口發動機。因此發展國產航空發動機解決我國航空產業的“心臟病”已經成為國家層面的迫切任務。

    我國從上世紀60年代開始發展國產航空發動機，歷經坎坷，已經從最早的渦噴-5、渦噴-14發動機，發展到目前的渦扇10、渦扇15發動機，取得了巨大的進步。尤其是“太行”發動機的定型，實現了我國軍用航空發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動機的能力。雖然從各方面反饋的信息判斷，“太行”發動機在性能方面和國外同類產品仍有不小差距，但是從最初試飛時的“噴零件”到現在的穩定量產，這一巨大進步還是不容質疑的。有了這一基礎，在可預見的5到10年內，國產發動機逐步走向前臺已經成為大概率事件。

    但從下圖與國外發動機的對比中我們可以發現，國產渦扇發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。據預測，新材料、新工藝和新結構對推重比12-15發動機的貢獻將達50%以上，從未來發展來看，甚至可占67%。

    圖9 世界軍用航空發動機推重比發展趨勢

    3.2單晶葉片

    核心技術在手，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動機對材料的苛刻要求而研制的。目前，在先進的航空發動機中，高溫合金用量所占比例已高達80%左右。而在航空發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，環境最為惡劣，在這種環境下，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，內部冷卻結構復雜，鑄造難度非常大。渦輪葉片內部的流通結構由蠟模精鑄，冷卻孔通過激光或者EDM加工（超精密加工）。渦輪葉片中空的設計以及冷卻氣孔都給制造帶來了很大的難度。以往國內在這一塊的技術落后歐美很多，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，國內在高溫合金新材料的開發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開發和開始應用一批新工藝研制和生產了一系列高性能、高檔次的新型高溫合金材料。比如單晶高溫合金葉片（DD402、DD406）已經達到第二代，第三代產品也在開發；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高溫合金的發展基本和國內航空航天發動機的發展水平相一致的。因此隨著未來國內新軍機、新艦艇的逐步入列和成軍和國產發動機的逐步走向前臺，國產高檔高溫合金材料的發展正迎來重要的機遇和轉折點。

    市場調研公司Research and Markets之前也曾發布了一份中國高溫合金行業的市場調研報告。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。根據報告提供的數據顯示，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，國內高溫合金產量增長幅度不大，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，隨著發動機技術的成熟，未來飛機發動機對高溫合金的需求將大幅增長。第二，汽車產量和銷量仍將繼續增長，進而帶來在其使用的高溫合金增長。再加上汽車發動機對高溫合金的需求將仍然保持快速增長。？

    3.3借鑒發達國家高溫合金發展歷史，我國高溫合金潛力巨大

    歐美國家對高溫合金的研發是從二十世紀三十年代開始的。一直到二戰結束后的一段時間里，高溫合金的性能主要是通過調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，用作渦輪噴氣發動機渦輪葉片材料；美國則開發了含鋁、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展起著極大的推進作用。40年代出現的真空熔煉技術可以去除合金中有害雜質和氣體，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展。其中定向凝固技術最為突出，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達到約1100°C。

    圖10 過去60年高溫合金性能發展狀況

    中國高溫合金的研發起步于20世紀50年代，1956年在蘇聯專家指導下煉出GH3030。經過幾代材料人的努力，現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動機的熱端關鍵部件。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；環形件用合金GH903、GH907、GH909。

 

    近年來，為適應高推重比發動機的需要，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，現在我國的高溫合金已基本形成自己的體系和研制生產基地，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基地。

    目前年生產能力達1萬多噸，可生產棒、盤、板、絲、帶、環、管材及精密鑄件，一定程度上講，航空和其他工業部門使用的各種高溫合金均可在國內生產供應。據統計，幾十年來我國共生產各類高溫合金6萬多噸，保證了5萬多臺航空發動機的生產和發展需要。

    雖然經過多年的發展，無論是研制還是生產，我國的高溫合金產業都形成了一定的規模和水平，但與發達國家相比，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構的完整性研究，故在應用上受到限制。

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

    （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量。尤其是航空發動機鑄造渦輪葉片等復雜形狀熱端關鍵部件精鑄件毛坯合格率比較低。例如，發達國家的空心定向和單晶的合格率可達到70%?90%，而國內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，影響了工程化和產業化的進程。

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

    3.4產業現狀：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，能夠生產航空航天用高溫合金的企業也不超過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，整個行業具有較為明顯的寡頭特征。

 

    國內從事高溫合金生產的單位分為兩類，一類是特鋼企業，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的專業生產廠家鋼研高納。另外，西南鋁業、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。

    撫順特鋼、長城特鋼、寶鋼特鋼等主要生產大批量、通用性、結構較為簡單的產品，航空航天領域中用量最大的變形高溫合金主要由其生產，而鋼研高納、航材院等主要生產小批量、結構復雜的高端產品，兩者直接存在競爭的領域有限。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域，競爭的參與者除鋼研高納外，主要是航材院，在航空發動機基本上形成雙寡頭格局。

    在潛在競爭者方面，高溫合金行業的高壁壘特性使妄圖進入這個行業的企業望而卻步。可以預見，在未來中短期內，該領域國內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內這幾家企業將迎來發展機遇。

    4、發展空間展望：前途光明，爆發可期

    高溫合金市場需求多年來一直處于逐步擴大和增長狀態，隨著中國制造業高端化的進程，歐美發達國家高溫合金的市場現狀值得我們參考。根據有色金屬專業咨詢公司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域才剛剛起步，隨著大飛機國產化、新一輪核電建設等一系列工程的啟動，可以預見，在今后的一段時期，中國的高溫合金產業將迎來又一輪大發展。

    目前，中國高溫合金市場缺口較大，特別是高端領域，主要依賴于進口。將撫順特鋼等特鋼鋼廠、航材院等科研機構和鋼研高納等專業廠商的產能加在一起，大約1.2萬噸的產能，主要還是供給軍方和一些低端民市場。國內對高溫合金的需求持續增長，而高溫合金的準入門檻高，研發周期長，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的產業政策，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民用航空發動機領域需求超過10萬噸

    由于中國航空工業的基礎相對薄弱，目前國內的民航客機發動機主要依靠進口。但隨著C919大飛機項目的穩步推進，技術上的很多問題將得到解決，據中國商飛副總經理、大飛機項目總設計師吳光輝介紹，預計未來C919年產能力最終將會達到150架，20年內總量會達到2300架，高溫合金在國內民航領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，在制造中大概保持20%左右的最終成材率，每架發動機消耗約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，中國民航局數據顯示，截至2014年底，民航全行業運輸飛機期末在冊架數2370架。僅按照保有飛機在今后二十年平均更換維修2臺發動機，每臺維修需5噸高溫合金計算，民航維護市場領域的高溫合金需求就達到2.37萬噸。此外，隨著中國經濟的發展，通用航空領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是現有需求的一部分，因此估計新增需求約為10萬噸。

    4.2軍用航空發動機領域需求超過11萬噸

    近年來，中國空軍無論是戰斗機還是軍用大飛機（運輸機、加油機等）的研發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斗機3000架左右，新增軍用大飛機400架左右，按照每架戰斗機平均裝備2臺發動機、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，按照新增戰斗機維護2次，新增大飛機維護1次來說，相當新增戰斗機發動機需求增加了2倍，新增軍用大飛機發動機需求增加了1倍。

    此外，據美國國防部《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有各類作戰飛機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/渦扇航空發動機的現役軍機約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，軍用航空領域的高溫合金需求應當在11.6萬噸左右。

    4.3燃氣輪機領域需求在12萬噸左右

    在建設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，但根據中國海軍網站信息，今后海軍每年將新增驅逐艦及護衛艦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，數量更為巨大。

    當然，除了軍艦以外，燃氣輪機在民用領域也有廣泛應用，國際上看在發電、石油、冶金等領域都有燃氣輪機的身影。但國內企業從成本等多方面考慮，可能短期內還不會大規模應用，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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