自20世纪30年代以来，高温合金行业始终围绕航空发动机性能的提升而不断推陈出新，目前镍基合金牢牢占据核心地位。钛铝系金属间化合物是目前应用最有潜力的材料之一，镍基单晶合金的发展对于提高发动机推重比具有革命性意义，很大程度上决定了下一代航空发动机的发展。未来树脂基、金属基、陶瓷基复合材料等非金属高温材料将突破金属能承受温度的极限，是发展的趋势，不过目前受制于成本等问题尚未推广。

　　从第一代到第四代机发动机的演进轨迹来看，高推重比，低油耗率，更高的耐久性是其演进趋势。高温合金材料用量占据发动机总重量的40%-60%，预测在未来航空发动机性能的提升中，新材料的贡献率将为50%-70%，而材料和制造技术对发动机减重的贡献将为70%-80%。因此，高温合金材料是航空发动机产业持续发展的命门。

　　(一)高温材料分类及其应用进展

　　1、高温合金分类及其应用领域

　　高温合金是指以铁、钴、镍为基，能在600℃以上高温环境下服役，并能承受苛刻的机械应力，因具有良好的抗氧化和抗热腐蚀、优异的蠕变与疲劳抗力，良好的组织稳定性和使用可靠性，主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。

　　高温合金按照适应温度环境，分为760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料。按照中国金属协会高温材料分会对该类别高温合金的分类，可细分为铸造高温合金、变形高温合金、粉末高温合金、氧化物弥散强化合金、钛铝系金属间化合物高温材料等五大类系。

　　(二)历史源起：航空发动机皇冠上的明珠

　　1、高温合金发展是基于航空发动机性能提升的需要

　　从行业起源看，高温合金行业伴随航空发动机的发展而发展。自20世纪初第一台采用铸造涡轮工作叶片的航空发动机问世以来，高温合金材料的就与航空发动机的发展结下不解之缘。英、德、美最早于20世纪30年代开始着手研究高温合金，其后，受到第二次世界大战、美苏冷战军备竞赛、两伊战争等因素的催化，对发动机推重比等性能指标不断提出新的要求，促使各国的科研工作者不断推陈出新各种新型高温合金材料。

　　我国自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，到目前已有60年的发展历程，逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金，成为继英、美、俄之后第四个拥有独立的高温合金技术体系的国家。70年代以来，美国采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要，引领该领域的发展趋势。

　　航空发动机被誉为“制造业皇冠上的明珠”、“工业之花”，是整个工业体系中含金量最高的工业品之一。航空发动机作为飞行器的动力装置，具有结构复杂(一台发动机就有数万个零部件)、材料高端(耐高温、抗腐蚀、抗氧化)、研制周期长(一般15年-30年)，价值高昂(欧美国家研制一款约投入20亿美元左右)特点，是涵盖工程热物理学、化学、材料学、结构力学、信息科学、机械制造等等多个学科最顶尖技术基础之上的综合高技术产品。因航空发动机对于一国国家安全的重要地位，包括高温合金先进材料在内的各项核心技术一直被美国垄断。美国发布的《瓦森纳协定》禁止两类清单出口：一份是军民两用商品和技术清单，涵盖了先进材料、材料处理、电子器件、计算机、电信与信息安全、传感与激光、导航与航空电子仪器、船舶与海事设备、推进系统等9大类;另一份是军品清单，涵盖了各类武器弹药、设备及作战平台等共22类。可以看出，航空发动机于一国的重要地位，高温合金材料的研发意义不言而喻。

　　航空发动机分类与运行原理：航空发动机主要分为活塞式发动机和燃气涡轮发动机，其中按照核心机出口燃气的可用能量利用方式的不同，燃气涡轮发动机又可分为：涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。活塞式发动机在速度上受限(难以接近或超过音速)，功率更大、重量更轻、高速性能更好的涡轮发动机自20世纪40年代以来逐步取得市场主导地位。其运行原理为：空气从涡扇发动机的进气口流入，经过压气机压缩后，在燃烧室与煤油混合燃烧，高温高压燃气经由涡轮、喷管膨胀，最后高速从尾喷口喷出。涡扇发动机的推力一部分来自喷出燃气所产生的反作用力;另一部分是涡轮驱动风扇，风扇旋转驱动空气，经由发动机外涵道喷出的反作用力。

　　从发动机材料构成来看，高温合金材料用量占据航空发动机总重量的40%-60%。高温合金主要用于发动机的四大热端部件：燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件，在发动机数万个零部件构成中，应用领域十分广泛。

　　2、高温合金是提升航空发动机性能的关键

　　推重比、耗油效率、使用寿命是航空发动机性能的三个关键指标。推重比表示发动机单位重量所产生的推力，推重比越大，发动机的性能越优良。根据经验公式，在发动机涡轮和风扇设计水平相同的前提下，涡前温度每提高100卡，推力增加15%。从前四代航空发动机性能指标的演进轨迹来看，提高推重比，降低耗油率，提高耐久性是航空发动机的内在发展要求，而提高涡前温度，必须保证有足够强大的高温材料作为支撑，可以说，高温材料和制造工艺直接影响着航空发动机推重比等关键性能指标。

　　先进的材料和制造工艺是航空发动机实现减重、增效、改善性能的关键。最初的军用发动机推重比仅为2~3，现在高性能的推重比发展到了15~20，与第三代发动机相比，第四代发动机的推重比增加20%，零部件数目减少40%-60%，零件的寿命增加150%，寿命循环成本至少降低25%，耐久性增加两倍。预测在未来航空发动机性能的提升中，新材料的贡献率将为50%-70%，而材料和制造技术对发动机减重的贡献将为70%-80%。

　　(三)未来趋势：单晶突破和非金属材料的异军突起

　　1、单晶对于提升发动机推重比等指标具有决定性意义

　　单晶高温合金的进展在一定程度上决定了下一代航空发动机的发展。在当代先进航空的众多衡量指标中，高涡轮工作温度是最显著的标志，以此增加推力、提高发动机推重比，而影响发动机涡轮前温度的首要因素是涡轮叶片和涡轮盘的耐温水平。为了应对更高的涡轮前温度需求，单晶高温合金先后研制出了五代(包括在研)。

　　镍基单晶高温合金是在等轴晶和定向晶柱高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。与其他高温合金相比，镍基单晶合金具有更为优异的综合性能，成为高推重比航空发动机的关键材料，甚至可以说，没有单晶高温合金，就没有高推重比的航空发动机。比如，采用第三代单晶合金作为叶片材料的推重比为10的F119发动机涡轮进口温度为1677℃，比采用定向合金的推重比为8的F100发动机涡轮进口温度(1370℃)提高了307℃。

　　镍基单晶高温合金自自20世纪80年代以来开始发展，截止到目前，以美国为代表的发达国家，最新进展已经在研制第五代单晶合金材料，而我国镍基单晶高温合金研制从20世纪80年代初开始，现已发展到以DD22为代表的第四代合金材料，但是，合金性能和发达国家相比尚存在一定的差距。

　　2、发展趋势：树脂基、金属基、陶瓷基复合材料和金属间化合物

　　随着对涡前温度要求的继续提高，达到金属材料使用温度的极限，航空发动机所需要的材料由760℃，向1200℃乃至1500℃升级，表现在传统以镍、钛、钢三足鼎立时代逐渐向树脂基、金属基、陶瓷基复合材料和金属间化合物过渡。陶瓷基复合材料、金属间化合物、C/C复合材料由于密度小，强度大、耐高温等优点，有利于减轻材料质量，满足飞机性能提升的要求，成为最有潜力的高温材料。但到目前为止，有两个原因限制了这种材料的应用：一是在1200-1600℃高温条件下，此类材料优势无法匹敌镍基合金材料，二是新型材料的成本相对较高。

　　陶瓷基复合材料(CMC)对于两机热部件性能提升具里程碑意义。其具有耐高温、密度低，有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不发生灾难性的损毁等特点。采用ZrC、TaC、ZrB2等对CMC-SiC进行超高温基体改性和涂层改性，以发展更长寿命、更高温度和结构功能一体化的新型超高温结构材料是目前最新的研发趋势。国内从20世纪90年代开始大量研究CMC-SiC及EBC涂层，建立了具有自主知识产权的工艺技术路线和设备体系，目前材料性能已接近或达到国际先进水平。

　　在最新实践方面，GE近日建首个碳化硅材料工厂，预计航空发动机上CMC需求将飞速增长。根据GE2013年年度报告的披露，其最新推出的机型GE9X——波音777X系列唯一选型发动机。该发动机采用了GE的一项独特发明，一种陶瓷复合材料(CMC)的新材料，这种新材料在2200oF的温度下可保持强度不变，这一参数比金属整整高出500oF，而重量只有金属的三分之一。在新材料及制造工艺提升的帮助下，该款发动机的燃油效率较旧机型相比提高20%，是目前世界上最大且燃油效率最高的飞机发动机。

　　2016年6月，GE航空集团宣布在阿拉巴州新建两个大规模工业生产的碳化硅材料工厂，以用于陶瓷基复合材料部件(CMC)的制造。GE预测航空发动机和燃气轮机对CMC未来的需求将增长10倍。每台LEAP发动机需要至少18个CMC涡轮部件，以确保涡轮叶片的效率。GE正在研发的GE9X发动机的燃烧器和高压涡轮部分也采用了CMC部件，该引擎将作为波音777X双通道飞机的动力，目前GE9X发动机的订单已经超过700台，将在2020年进入商业服役。

　　碳/碳复合材料耐高温(1800~2000℃)和低密度(1.9g/cm3)，可能使发动机大幅度减重。国内从20世纪70年代开始该研究，现研发的材料性能与国外同类产品相当，目前主要考虑解决 C/C 抗氧化的问题。

　　(四)投资属性：长期供不应求、高壁垒、寡头垄断

　　1、行业长期处于供不应求局面

　　国内高温合金行业长期处于供不应求局面，且缺口有增大趋势。根据中国金属学会高温材料分会的预测，我国高温材料年需求量超过2万多吨，市场容量超过80亿，而我国高温合金材料的年产量约1万吨，长期处于供不应求的局面。有机构预期未来10年全球高温合金需求每年保持15%的速度增长，10年后全球高温材料需求量将超过40万吨，市场容量超过1600亿元。

　　2、高技术壁垒造就企业天然屏障

　　高温合金行业具有强垄断性和稳定性，行业龙头将长期享受行业壁垒带来的红利。其行业壁垒主要体现在技术壁垒、市场准入壁垒、质量标准壁垒、累验曲线等门槛儿，使得新进入者面临较高的进入成本和时间成本。由于行业特殊属性的存在，无论从国外经验还是从下表5国内高温合金细分市场和主要参与者上，可以看出该行业呈现寡头垄断属性，每个国家仅有1-2家寡头厂商。

　　3、寡头垄断是行业基本竞争格局

　　就全球范围来看，从事高温合金材料的厂家不超过50家，主要分布在以美、英、德、法、俄、日本等国家，其中美国的通用电气和普惠两家实力最为强大，从航空发动机的市场占有率来看，通用、普惠、罗罗、MTU四家所占的份额高达84%，呈现出明显的寡头垄断格局。具体到某个国家来看，每个国家内部也只有1-2家厂商占据寡头垄断地位。世界上航空发动机与单晶叶片制造技术水平最高的是美国的GE公司和英国的Rolls-Royce公司(罗罗公司)。

　　从国内来看，钢研高纳是国内高温合金材料领域的龙头，研发人员数量和成果占有绝对优势。抚顺特钢、中科院金属所、航材院、应流股份、炼石有色等在各领域各有所长。

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