高温合金在航空航天领域的应用及发展状况分析.docx

高温合金在航空航天领域的应用及发展状况分析一、 高温合金在航空航天领域的应用及发展状况高温合金最初的研制主要为了满足新型航空发动机的需求，但由于其良好的耐高温，耐腐蚀等性能，逐渐被应用到电力、船舰、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域根据《工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展》等资料，目前高温合金下游最大的应用领域为航空航天用发动机，占比超过50%在现代航空发动机中，高温合金材料用量占到发动机总质量的40%-60%，主要应用于四大热端部件，燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，此外还用于机匣、加力燃烧室和尾喷口等部件根据工作温度不同，航空发动机以燃烧室前后为界限，分为冷端和热端两部分提高喷出气体的能量是增加发动机工作效率的最主要方式，要求发动机工作温度提升，因此对热端部件，尤其是涡轮部件的材料提出了较高要求航空发动机热端部件工作温度超过1，000摄氏度，同时涡轮部件在高速旋转中承受较大机械载荷，因此需要高温合金材料在高温下保持优异机械性能涡轮盘，涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大涡轮盘是航空发动机上的重要转动部件，一般轮缘为550-750℃，轮心为300℃左右，因此盘件径向的热应力大，特别是盘件在正常高速转动时，由于盘件质量重达几十至几百千克，且带着叶片旋转，要承受极大的离心力作用，在启动与停车过程中又构成周期性的大应力低周疲劳。

用作涡轮盘的高温合金为屈服强度很高、细晶粒的变形高温合金和粉末高温合金在我国，涡轮盘中变形高温合金GH4169合金用量最大、应用范围最广用作涡轮盘的高温合金为屈服强度很高、晶粒细的变形高温合金和粉末高温合金；我国涡轮盘中变形高温合金GH4169用量最大、应用范围最广燃烧室，燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域，燃烧室内燃气温度可高达1，500-2，000℃，作为燃烧室壁的高温合金材料需承受800-900℃的高温，局部甚至高达1，100℃以上除需承受高温外，燃烧室材料还应能承受周期性点火启动导致的急剧热疲劳应力和燃气的冲击力用于制造燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢，其中用量最大、最为关键的是变形高温合金用于制造燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢，其中用量最大、最为关键的是变形高温合金民用航空方面，根据中国民用航空局2022年5月发布的《2021年民航行业发展统计公报》，截至2021年末，我国民航全行业运输飞机（包含客运飞机及货运飞机）期末在册架数为4，054架，同比增长3．87%根据中国商飞发布的《中国商飞市场预测年报（2021-2040）》，预计未来20年，全球将有超过41，429架新机交付，中国航空市场将接收50座级以上客机9，084架。

随着我国民航业及制造业的发展，及民航业飞机需求的提升，中国自主研发的民航飞机（如ARJ21、C919等）也有望批量生产并投入运营，高温合金、耐蚀合金等材料在国内民航领域的市场也将会逐步打开未来，随着CR929等新一代机型的逐步研发，民用航空市场有望成为高温合金材料需求的新增长点高温合金是火箭发动机核心部件燃烧室和涡轮泵的关键用材液体火箭发动机主要由燃烧室和喷管、涡轮泵和活门自动器三大部分组成，其中燃烧室和喷管容纳推进剂燃烧，产生3，000℃以上的高温和30-200个大气压的高压气体并高速从喷管喷出，形成强大的推力；涡轮泵的作用是对氧化剂和燃烧剂提高压力，以便注入燃烧室目前我国火箭基本实现国产化，但由于发展较晚、早期工业基础薄弱，在火箭发动机方面同发达国家的差距仍然明显：我国新一代运载火箭长征5号助推器采用8台液氧煤油火箭发动机YF100，其真空推力仅为美国宇宙神V型火箭引进的俄罗斯RD180型火箭发动机推力的1/3，是俄罗斯质子号RD253火箭发动机推力的70%；长征5号芯一级采用2台液氢液氧火箭发动机YF77，其真空推力仅为欧洲阿丽亚娜V火箭Vulcain2发动机推力的50%，也落后于日本LE7A火箭发动机。

火箭发动机性能落后的主要原因之一是高温合金性能的差距：火箭发动机燃烧室需承受3，000-4，000℃高温、20MPa高压和2，500-5，000m/s高流速燃气冲刷，对高温合金材料要求极高；液体火箭发动机最核心的部件高性能涡轮泵则需承受超低温液氧和燃料的冲刷，且转速高、压力大、密封性要求更高我国航天事业发展离不开火箭发动机技术的追赶超越，势必将对国产高温合金原材料及制造工业提出更高要求随着我国航天技术的不断发展，对于卫星发射的需求不断提升，我国运载火箭的发射次数也逐年提升2021年中国航天共实施宇航发射任务55次，首次达到50+并再度位居世界第一未来随着我国工业基础逐渐升级，航天事业将有更大的发展空间，对火箭发动机的需求将进一步扩大，我国火箭发射的数量和质量将迎来广阔的发展空间，对高温合金的需求也将随之增长二、 中国高温合金市场发展现状在市场产量方面，2020年我国高温合金市场产量约为3．2万吨，与2019年同期相比增加了0．6万吨，同比增长23．1%，2021年全国高温合金市场产量继续增长，达到4万吨左右，同比上年末增加了0．8万吨，同比增长25%随着高温合金行业下游各应用领域的快速发展，整体市场的需求量也在不断上升，据北京研精毕智整理的市场数据显示，2020年我国高温合金市场需求量约为5．5万吨，较2019年的4．9万吨相比增加了0．6万吨，同比增长12．3%，2021年市场需求量增长至6．4万吨左右，与上年同期相比增加了0．9万吨，同比增长16．4%。

近些年我国航空航天领域取得了高速发展，在一定程度上推动了高温合金领域的发展，在国内市场规模方面，根据北京研精毕智调研统计，2020年我国高温合金市场规模约为190亿元，同比增长11．6%，2021年市场规模达220亿元左右，同比增长15．8%，预测到2025年我国高温合金市场规模将上升至300亿元以上，市场增长潜力巨大高温合金作为重要的高性能材料之一，其生产工艺相对复杂，近几年我国高温合金行业专利技术申请数量呈现逐年增长的趋势，2016-2020年，由580项增长至1060项左右，年平均增长率约为20．7%，到2021年行业专利技术申请数量上升至1430项左右，同比增长34．9%从我国高温合金市场结构来看，变形高温合金的市场占比最高，2021年占整体市场的比重约为75%，其次是铸造高温合金和粉末高温合金细分市场分别占比19%和6%三、 特种合金材料行业行业进入壁垒耐蚀软磁合金在我国研发生产起步较晚，国家软磁合金标准GB/T14986-94版耐蚀软磁合金仅公布实施了1J36、1J116、1J117三个牌号产品电磁阀用软磁材料过去主要依靠从日本、德国、意大利等国进口耐蚀软磁合金和耐热钢材料下游企业对品质要求严苛，生产工艺复杂，工序较多，专业设备使用量大、生产人员多、过程控制难度大，生产具有多规格、多品种、小批量、定制化的特征。

从而要求企业在生产上进行精细化、柔性化生产管理，具有比较高的品质管理控制能力准入门槛耐蚀软磁合金和耐热钢均不需要特别许可经营，但高技术含量与高安全因素要求决定了该两个细分行业均具有较高的市场进入门槛和严格的供应商筛选标准：新供应商一般需经过客户接洽，现场考察，样品开发选送，抽样检测，小批量试生产，批量生产一系列过程，筛选供应商耗时较长，为保证产品生产的稳定性一般不会轻易更换厂家因此行业进入较早且具有品质优势的企业会占据较为明显的先发优势，形成市场先入壁垒耐蚀软磁合金属于技术密集型和资金密集型行业，对资金有着较高要求耐蚀软磁合金生产周期长、牌号多，制造中需要投入大量生产设备和检测设备，并备用一定量的安全原材料储存耐蚀软磁合金所需原材料纯铁、铬、镍等均属于资源类金属原材料，一般为现款现货采购随着技术进步和产品要求的提高，需要新建厂房、改进生产工艺，加大研发投入，持续投入资金购买先进的生产和检测设备等对资金持续投入提出更高的要求因此，本细分行业的进入具有较高的资金壁垒特种合金材料行业是国民经济的重要产业组成部分，关系国计民生的方方面面，特种合金材料制造工业，在国民经济中占有不可或缺的地位耐蚀软磁合金材料广泛应用在空调制冷、小家电、流体控制、汽车及气动控制等五大领域，上述领域与经济生活息息相关。

如果未来国内经济增速放缓、市场需求下降，宏观经济波动可能对耐蚀软磁合金产品的发展造成一定的影响四、 特种合金材料行业产业链高温合金是指以铁镍钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性高温合金产业链上游原材料主要有铁、钴、镍等，其中游从材料成型方式来看，主要包括铸造高温合金、变形高温合金、新型高温合金，基于高温合金的相关性能特点，且高温合金的合金化程度较高，又被称为超合金，被广泛应用于航空航天、核电、汽车工业、燃气轮机、石油化工等领域按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金，由此可见铁、镍、钴是高温合金主要的原材料，但我国镍、钴资源短缺，已探明的钴矿储量占全球的比重不到2%，镍资源占全球的比重约4%从近几年的储量来看，铁矿、镍矿、钴矿整体均处于下降状态，在2020年下降幅度明显，主要受到新冠疫情的影响，开采程度有所下降2021年中国铁矿储量为161．2亿吨，镍矿储量为422万吨、钴矿储量为13．9万吨。

高温合金主要应用于航空航天领域和能源领域，其中，航空航天占比超过50%作为飞机动力装置的航空发动机，是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一，特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能，这几乎是结构材料中最高的性能要求而高温合金作为在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，满足现代航空发动机对材料的苛刻要求，至今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上我国发展自主航空航天产业研制先进发动机，将带来市场对高端和新型高温合金的需求增加据统计，我国航空发动机营业收入在2017-2021年间上升趋势明显，虽然在疫情影响下，2020年增长速度有所下降，但不影响营业收入增长的趋势，2021年航空航天发动机营业收入将达到266．1亿元，较2020年上升3．74个百分点随着经济发展的快速发展，为中国的航空产业提供了广阔的发展空间，而中国强大的工业力量，也为中国的航天事业提供了充足的保障；据统计，在2017-2021年我国民航运输飞机和飞机均处于增长状态，到2021年中国民航运输飞机达到了4054驾，飞机达到了3285驾。

国内飞机数量的不断增加，导致航空发动机叶片行业市场空间不断扩大，航空发动机是飞机制造的核心部件，在工作的过程中，叶片受离心力、动气力、热应力等因素影响，占据发动机35%以上的工作量，由此可见，叶片是其重要的组成部分，其性能将直接影响到发动机的可靠性；而高温合金是制造叶片的主要材料，航空发动机叶片强劲发展将带动高温合金需求增长五、 特种合金材料行业发展趋势19世纪80年代美国贝塞麦发明炼钢用转炉，标志着世界钢铁时代的开启世界钢铁行业随着上百年的发展，钢铁行业的主要生产国先后由美国转变为日本，现在转变到中国全球钢铁行业粗钢产量也由整个19世纪的2600万吨增长到2020年1年的产量近20亿吨世界钢铁行业由初创期、成长期逐步走向了成熟期我国钢铁行业起步较晚，1890年张之洞创办的汉阳钢铁厂是中国钢铁行业的前身新中国成立后，我国钢铁行业有了长足发展2020年中国粗钢产量首次突破10亿吨中国粗钢产量已经占到世界粗钢总产量的一半以上世界各国对特殊钢尚无统一的概念和定义，要在特殊钢和普通钢间划分明确的界线更难一般认为特殊钢。