導(dǎo)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(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料；具有較高的高溫強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)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(jìn)行冷、熱變形加工，工作溫度范圍-253~1320°C，具有良好的力學(xué)性能和綜合的強(qiáng)韌性指標(biāo)，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(qiáng)化型合金和時(shí)效強(qiáng)化型合金。

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

    第二類：時(shí)效強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(qiáng)度和抗疲勞性能。例如：GH4169合金，在650°C的最高屈服強(qiáng)度達(dá)1000MPa；制作葉片的合金溫度可達(dá)950°C，例如：GH220合金，950°C的拉伸強(qiáng)度為490MPa，940°C、200MPa的持久壽命大于40小時(shí)。

    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(jì)可以集中考慮優(yōu)化其使用性能。如對(duì)于鎳基高溫合金，可通過調(diào)整成分使Y結(jié)構(gòu)含量達(dá)60%或更高，從而在高達(dá)合金熔點(diǎn)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(yīng)用領(lǐng)域。由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計(jì)、制造出具有任意復(fù)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(qiáng)度和塑性均不下降。如在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)上用量較大的K4169合金，其650°C拉伸強(qiáng)度為1000MPa、屈服強(qiáng)度850MPa、拉伸塑性15%；650°C,620MPa應(yīng)力下的持久壽命為200小時(shí)。已用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的擴(kuò)壓器機(jī)匣及航天發(fā)動(dòng)機(jī)中各種泵用復(fù)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(xué)性能及抗熱腐蝕性能。例如K419合金，950°C時(shí)，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950°C，200小時(shí)的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。這類合金適于用做航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)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(yīng)力下持久壽命大于100小時(shí)。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(dòng)機(jī)的一級(jí)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(xì)晶鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、復(fù)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(yīng)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(xì)小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細(xì)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(qiáng)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(yīng)力水平較高的發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、壓氣機(jī)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(qiáng)化（ODS）合金：

    是采用獨(dú)特的機(jī)械合金化（MA）工藝，超細(xì)的（小于50nm）在高溫下具有超穩(wěn)定的氧化物彌散強(qiáng)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(qiáng)度在接近合金本身熔點(diǎn)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(yīng)用前景的、輕比重高溫材料。十幾年來，對(duì)金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、合金設(shè)計(jì)、工藝流程的開發(fā)以及應(yīng)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(qiáng)化、力學(xué)性能以及應(yīng)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(fù)雜，高溫合金生產(chǎn)企業(yè)往往獨(dú)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(dāng)然也有部分企業(yè)只生產(chǎn)母合金作為外銷產(chǎn)品。相對(duì)來說，由于高溫合金多數(shù)非標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(yīng)用領(lǐng)域：“發(fā)動(dòng)機(jī)基石”軍民用全能

    2.1 應(yīng)用概覽

    高溫合金材料最初主要應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(kuò)大和增長的趨勢。

    據(jù)有色金屬咨詢公司Roskill統(tǒng)計(jì)，全球每年消費(fèi)高溫合金材料約28萬噸，占鋼鐵總消費(fèi)量的0.02%，市場規(guī)模達(dá)100億美元。目前，其最大的應(yīng)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(jī)械領(lǐng)域（10%）。

    圖6 高溫合金市場規(guī)模占比及細(xì)分行業(yè)消費(fèi)統(tǒng)計(jì)

    2.2 工業(yè)皇冠上的明珠-航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)熱端部件的關(guān)鍵材料。在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金占發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的40%-60%以上。發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)基石”的美譽(yù)。

    圖7 航空發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖

    早期飛機(jī)的動(dòng)力為螺旋槳，而當(dāng)代的飛機(jī)都是噴氣式飛機(jī)，噴氣式飛機(jī)的關(guān)鍵就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)。上圖是航空發(fā)動(dòng)機(jī)簡單的工作原理：發(fā)動(dòng)機(jī)首先吸入空氣，然后將空氣壓縮提高壓力，壓縮空氣進(jìn)入燃燒室與燃料混合點(diǎn)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(dòng)飛機(jī)。其巧妙之處在于高速氣體排出時(shí)的部分能量被用作推動(dòng)一組渦輪，而正是渦輪組在推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前端的壓氣機(jī)。

    整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)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(gè)數(shù)字比很多金屬的熔點(diǎn)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(jī)械載荷。這些意味著需要找到在高溫下還能保持優(yōu)異機(jī)械性能的材料。

    最初的科學(xué)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(dòng)機(jī)的He-178成為了世界上第一款噴氣式飛機(jī)。由此，航空業(yè)進(jìn)入噴氣飛行時(shí)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(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的四大熱端部件：燃料室，導(dǎo)向器，渦輪葉片和渦輪盤。此外，還用于機(jī)匣，環(huán)件和尾噴口等部件。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部位溫度和受力情況等，差別較大，因此對(duì)材料的要求和選用就各不相同。具體來說，各個(gè)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(jī)械應(yīng)力較小，但熱應(yīng)力較大，對(duì)材料的要求主要有：高溫抗氧化和抗燃?xì)飧g性能；足夠的瞬時(shí)和持久強(qiáng)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(dǎo)向葉片用高溫合金

    導(dǎo)向葉片的第一級(jí)是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一。但由于它是靜止的，所受的機(jī)械負(fù)荷并不大。通常由于應(yīng)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(dǎo)向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導(dǎo)向葉片工作條件，要求材料具有如下性能：足夠的持久強(qiáng)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(dòng)葉片用高溫合金

    渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件之一。雖然工作溫度比導(dǎo)向葉片要低些，但是受力大而復(fù)雜，工作條件惡劣，因此對(duì)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(jī)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(yīng)力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應(yīng)力更為復(fù)雜。為此對(duì)渦輪盤材料要求有：合金應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度；良好的冷熱和機(jī)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，所以單單航空發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)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(dòng)機(jī)成本中高溫合金占比達(dá)17%。

    圖8 航空發(fā)動(dòng)機(jī)成本構(gòu)成比例

    航空航天產(chǎn)業(yè)屬于戰(zhàn)略性先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，世界航空航天市場總額已高達(dá)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(jī)市場需求預(yù)計(jì)約為6020架，總價(jià)值達(dá)8700億美金。

 

    而除去民航市場，軍工領(lǐng)域各類戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展對(duì)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(shí)代強(qiáng)大空軍的背景下，出于對(duì)這一市場的重視，后文將專門分析介紹軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金。

    2.3 燃?xì)廨啓C(jī)

    燃?xì)廨啓C(jī)是除了航空發(fā)動(dòng)機(jī)以外高溫合金的另一個(gè)主要用途。燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一致。它的基本原理和蒸汽輪機(jī)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(jī)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)猓S即流入燃?xì)鉁u輪中膨脹做功，推動(dòng)渦輪葉輪帶著壓氣機(jī)葉輪一起旋轉(zhuǎn)；加熱后的高溫燃?xì)獾淖龉δ芰︼@著提高，因而燃?xì)鉁u輪在帶動(dòng)壓氣機(jī)的同時(shí)，尚有余功作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出機(jī)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?xì)廨啓C(jī)在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)，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(yán)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(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)在能源效率和動(dòng)力性能上都更勝一籌，其未來廣闊的應(yīng)用前景也帶動(dòng)了高溫合金的需求。船艦用燃?xì)廨啓C(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)最大的應(yīng)用之一。目前而言，廣泛應(yīng)用的船艦動(dòng)力裝置主要有蒸汽動(dòng)力裝置，柴油機(jī)動(dòng)力裝置，核動(dòng)力裝置，燃?xì)鈩?dòng)力裝置以及聯(lián)和動(dòng)力裝置。其中，前兩種動(dòng)力裝置船艦用蒸汽輪機(jī)和船艦用柴油機(jī)由于發(fā)展得較早，系統(tǒng)較為成熟，是燃?xì)廨啓C(jī)在船艦應(yīng)用領(lǐng)域最大的競爭對(duì)手。

    由于功率密度更大，啟動(dòng)速度更快等優(yōu)點(diǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)幾乎已經(jīng)成為各國軍艦動(dòng)力系統(tǒng)幾乎唯一的選擇。老牌海軍強(qiáng)國如英美，日本等，早就對(duì)其作戰(zhàn)艦隊(duì)完成了艦隊(duì)動(dòng)力燃?xì)鈾C(jī)輪化。如美國的LM2500燃?xì)廨啓C(jī)就幾乎統(tǒng)一了美國海軍大中型作戰(zhàn)艦艇的動(dòng)力系統(tǒng)，號(hào)稱驅(qū)動(dòng)了半個(gè)地球的海軍。

    過去由于我國在燃?xì)廨啓C(jī)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(dá)國家進(jìn)口燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)的能力，如國產(chǎn)化的GT2500燃?xì)廨啓C(jī)就得到了軍方的肯定。關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)質(zhì)性突破，為我國海軍以后逐步完全采用國產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)和若干航母艦隊(duì)的作戰(zhàn)體系，據(jù)有關(guān)部門預(yù)估，海軍每年將新增驅(qū)逐艦及護(hù)衛(wèi)艦30臺(tái)左右，中小型艦艇90臺(tái)左右，艦用燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)高溫合金需求巨大。此外，除了作為船艦動(dòng)力裝置，燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電，油氣開采運(yùn)輸，冶金等領(lǐng)域也存在著一定的應(yīng)用前景。

    3、航天軍工大發(fā)展帶來廣闊應(yīng)用前景

    3.1 高端高溫材料國產(chǎn)化是航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)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(gè)方面。

    從需求層面看，進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國在航天軍工領(lǐng)域的大手筆不斷，大飛機(jī)項(xiàng)目（C919）、航母的入列（殲15艦載機(jī)）、新軍機(jī)（殲20隱身機(jī)、殲31隱身機(jī)、利劍無人機(jī)）等一系列動(dòng)作，令國人振奮。但是振奮之余，一個(gè)現(xiàn)實(shí)是我們的飛機(jī)還不得不依賴于進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)。因此發(fā)展國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)60年代開始發(fā)展國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，歷經(jīng)坎坷，已經(jīng)從最早的渦噴-5、渦噴-14發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)展到目前的渦扇10、渦扇15發(fā)動(dòng)機(jī)，取得了巨大的進(jìn)步。尤其是“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)的定型，實(shí)現(xiàn)了我國軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)志著我國已具備自主研制大推力軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。雖然從各方面反饋的信息判斷，“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)的“噴零件”到現(xiàn)在的穩(wěn)定量產(chǎn)，這一巨大進(jìn)步還是不容質(zhì)疑的。有了這一基礎(chǔ)，在可預(yù)見的5到10年內(nèi)，國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)逐步走向前臺(tái)已經(jīng)成為大概率事件。

    但從下圖與國外發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比中我們可以發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比這一最重要指標(biāo)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?xì)鉁囟取＿@將嚴(yán)重依賴于材料。據(jù)預(yù)測，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)對(duì)推重比12-15發(fā)動(dòng)機(jī)的貢獻(xiàn)將達(dá)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(dòng)機(jī)推重比發(fā)展趨勢

    3.2單晶葉片

    核心技術(shù)在手，進(jìn)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(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)80%左右。而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要用到高溫合金的各種部件中，最為復(fù)雜、要求最高的就是渦輪葉片，特別是前幾級(jí)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(duì)材料的抗蠕變性能要求特別高。目前國際上主流先進(jìn)技術(shù)是單晶葉片，即只有一個(gè)晶粒的鑄造葉片，消除了對(duì)空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)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(qiáng)化元素，使合金的初熔溫度相對(duì)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(fù)雜，鑄造難度非常大。渦輪葉片內(nèi)部的流通結(jié)構(gòu)由蠟?zāi)＞T，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(jì)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(jìn)口。

    但自上世紀(jì)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(jìn)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(yīng)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(dá)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(qiáng)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(rèn)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(dòng)機(jī)的發(fā)展水平相一致的。因此隨著未來國內(nèi)新軍機(jī)、新艦艇的逐步入列和成軍和國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的逐步走向前臺(tái)，國產(chǎn)高檔高溫合金材料的發(fā)展正迎來重要的機(jī)遇和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

    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(bào)告。報(bào)告顯示，中國對(duì)高溫合金的供求缺口正在逐步擴(kuò)大，而且高端高溫合金嚴(yán)重依賴進(jìn)口。根據(jù)報(bào)告提供的數(shù)據(jù)顯示，2009年中國對(duì)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(shí)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?dú)w功于兩大因素。首先，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的成熟，未來飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(jìn)而帶來在其使用的高溫合金增長。再加上汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫合金的需求將仍然保持快速增長。？

    3.3借鑒發(fā)達(dá)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(duì)高溫合金的研發(fā)是從二十世紀(jì)三十年代開始的。一直到二戰(zhàn)結(jié)束后的一段時(shí)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(qiáng)化的Nimonic80合金，用作渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料；美國則開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強(qiáng)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(jì)40年代末開始，制造工藝對(duì)高溫合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)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(jī)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(dòng)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(diǎn)的90%。因此，目前各國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)到約1100°C。

    圖10 過去60年高溫合金性能發(fā)展?fàn)顩r

    中國高溫合金的研發(fā)起步于20世紀(jì)50年代，1956年在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)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(hào)和品種很多，變形高溫合金有50多個(gè)牌號(hào)，鑄造高溫合金有40多個(gè)牌號(hào)。它們廣泛用作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端關(guān)鍵部件。如：渦輪盤、渦輪工作葉片、渦輪導(dǎo)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(dá)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(yīng)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，我國研制的定向凝固合金、單晶合金、粉末合金、機(jī)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(dá)世界較先進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dá)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(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dá)國家相比，還存在如下一些差距：

    （1）研制、仿制多，應(yīng)用少。在變形高溫合金50多個(gè)牌號(hào)，鑄造高溫合金40多個(gè)牌號(hào)中，獲得應(yīng)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(yīng)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(dòng)大，對(duì)雜質(zhì)和氣體含量的要求不夠嚴(yán)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(yán)，影響鑄件、棒、餅坯等材料的冶金質(zhì)量。尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造渦輪葉片等復(fù)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(dá)國家的空心定向和單晶的合格率可達(dá)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(jìn)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(jìn)口產(chǎn)品。但隨著我國科技實(shí)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(dāng)一部分產(chǎn)品可以替代進(jìn)口。可以預(yù)期整個(gè)行業(yè)也會(huì)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(gè)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(tuán)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(dòng)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(fù)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(duì)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(dòng)機(jī)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(jìn)入這個(gè)行業(yè)的企業(yè)望而卻步。可以預(yù)見，在未來中短期內(nèi)，該領(lǐng)域國內(nèi)市場的供應(yīng)格局不會(huì)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(jī)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(kuò)大和增長狀態(tài)，隨著中國制造業(yè)高端化的進(jìn)程，歐美發(fā)達(dá)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(dāng)前很多高溫合金的下游應(yīng)用領(lǐng)域才剛剛起步，隨著大飛機(jī)國產(chǎn)化、新一輪核電建設(shè)等一系列工程的啟動(dòng)，可以預(yù)見，在今后的一段時(shí)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(jìn)口。將撫順特鋼等特鋼鋼廠、航材院等科研機(jī)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(duì)高溫合金的需求持續(xù)增長，而高溫合金的準(zhǔn)入門檻高，研發(fā)周期長，因此我們預(yù)計(jì)市場缺口還將進(jìn)一步擴(kuò)大。

    綜合我們在前文對(duì)市場前景的估計(jì)和國家相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，對(duì)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(dòng)機(jī)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(duì)薄弱，目前國內(nèi)的民航客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要依靠進(jìn)口。但隨著C919大飛機(jī)項(xiàng)目的穩(wěn)步推進(jìn)，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(jī)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師吳光輝介紹，預(yù)計(jì)未來C919年產(chǎn)能力最終將會(huì)達(dá)到150架，20年內(nèi)總量會(huì)達(dá)到2300架，高溫合金在國內(nèi)民航領(lǐng)域的市場將會(huì)進(jìn)一步打開。

    國際上以CFM-56等為代表的主流民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)消耗約8噸高溫合金。按照波音公司對(duì)中國航空市場未來20年新增6020架大中型飛機(jī)的預(yù)測，以平均每架飛機(jī)用2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，將會(huì)新增高溫合金需求10萬噸左右。

    同時(shí)，中國民航局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2014年底，民航全行業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)期末在冊架數(shù)2370架。僅按照保有飛機(jī)在今后二十年平均更換維修2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)維修需5噸高溫合金計(jì)算，民航維護(hù)市場領(lǐng)域的高溫合金需求就達(dá)到2.37萬噸。此外，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，通用航空領(lǐng)域也將有越來越多的噴氣式飛機(jī)，雖然這塊市場相對(duì)較小，但僅按照每年50架、每架1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、每臺(tái)5噸的保守計(jì)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(yīng)當(dāng)在12.5萬噸以上，當(dāng)然，考慮到其中老民航飛機(jī)維護(hù)已經(jīng)是現(xiàn)有需求的一部分，因此估計(jì)新增需求約為10萬噸。

    4.2軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域需求超過11萬噸

    近年來，中國空軍無論是戰(zhàn)斗機(jī)還是軍用大飛機(jī)（運(yùn)輸機(jī)、加油機(jī)等）的研發(fā)裝配都邁上了新臺(tái)階。按照《航空知識(shí)》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(jī)3000架左右，新增軍用大飛機(jī)400架左右，按照每架戰(zhàn)斗機(jī)平均裝備2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、每臺(tái)消耗4噸高溫合金，每架軍用大飛機(jī)平均裝備4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、每臺(tái)消耗10噸高溫合金計(jì)算，就需要4萬噸左右高溫合金。軍機(jī)維護(hù)相對(duì)比較頻繁，按照新增戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)2次，新增大飛機(jī)維護(hù)1次來說，相當(dāng)新增戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)需求增加了2倍，新增軍用大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)需求增加了1倍。

    此外，據(jù)美國國防部《中國軍力報(bào)告》和中國《解放軍報(bào)》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(jī)3200架左右，排除一些老式飛機(jī)和螺旋槳飛機(jī)等，需要使用渦輪/渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)役軍機(jī)約2500架。當(dāng)然，這些飛機(jī)中很多將在中國空軍的換代潮中被淘汰，但僅按每架維護(hù)1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，消耗5噸高溫合金的保守估計(jì)，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(yīng)當(dāng)在11.6萬噸左右。

    4.3燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域需求在12萬噸左右

    在建設(shè)強(qiáng)大中國空軍的同時(shí)，中國海軍的力量也在與日俱增，遼寧號(hào)航母的建成只是中國海軍夢的起點(diǎn)，國家正致力于打造融合3大近海艦隊(duì)和若干航母艦隊(duì)的作戰(zhàn)體系。雖然目前中國海軍艦艇以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)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(hù)衛(wèi)艦30艘左右，中小型艦艇90艘左右，新增的艦艇肯定會(huì)緊跟國際形勢，更多配備燃?xì)廨啓C(jī)，因此保守假設(shè)其中至少50%的比例會(huì)以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力。

    平均看來，每臺(tái)大型艦船需要2臺(tái)大功率燃?xì)廨啓C(jī)（LM2500級(jí)），中小型艦船需4臺(tái)小功率燃?xì)廨啓C(jī)（LM2500級(jí)）。雖然數(shù)量上沒有飛機(jī)多，但燃?xì)廨啓C(jī)重量一般較大。以大功率燃?xì)廨啓C(jī)重20噸，高溫合金占重量30%，成材率20%計(jì)算，就要用高溫合金30噸；小型輪機(jī)也需要10噸左右。加上維護(hù)時(shí)的消耗，數(shù)量更為巨大。

    當(dāng)然，除了軍艦以外，燃?xì)廨啓C(jī)在民用領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，國際上看在發(fā)電、石油、冶金等領(lǐng)域都有燃?xì)廨啓C(jī)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(huì)大規(guī)模應(yīng)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?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的高溫合金新增需求應(yīng)當(dāng)在12萬噸左右。

 

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責(zé)任編輯：王元

 

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