高溫合金行業(yè)研究報告-軍民領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊行業(yè)需求缺口擴大1.高溫合金生產(chǎn)工藝復(fù)雜，屬于國家重點戰(zhàn)略支持行業(yè)1.1.高溫合金生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)壁壘較高高溫合金是指以鐵、鎳、鈷等金屬為基礎(chǔ)材料，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的高端金屬結(jié)構(gòu)材料。從所屬細分行業(yè)來看，高溫合金材料屬于新材料領(lǐng)域中的高端金屬結(jié)構(gòu)材料。高溫合金綜合性能優(yōu)越，具有優(yōu)秀的高溫強度及塑性，良好的抗氧化及抗熱腐蝕性能，優(yōu)異的抗蠕變性能、抗斷裂性能和良好的組織穩(wěn)定性。隨著工藝及材料的不斷進步，高溫合金產(chǎn)品不斷迭代，承溫能力不斷提高，綜合性能不斷增強，已經(jīng)從傳統(tǒng)的鑄造高溫合金、變形高溫合金，發(fā)展出粉末高溫合金、鈦鋁系金屬間化合物、氧化物彌散強化高溫合金、耐蝕高溫合金、粉末冶金及納米材料等一系列新型高溫合金材料。高溫合金可按照多種分類方法劃分類別，其中鎳基及變形高溫合金為主要應(yīng)用品類。高溫合金按合金基體元素可分為鐵基、鎳基和鈷基高溫合金，其中鎳基高溫合金應(yīng)用范圍最廣，占比達80%

；按制備工藝可分為變形高溫合金（牌號GH）、鑄造高溫合金(等軸晶--牌號K、定向柱晶--牌號DZ和單晶--牌號DD)、新型高溫合金（粉末高溫合金（牌號FGH）和金屬間化合物高溫合金（牌號JK））三大類；按強化方式可分為固溶強化、時效強化、氧化物彌散強化和晶界強化。高溫合金因具有較高的高溫強度，良好的抗氧化、抗腐蝕、抗疲勞等性能，已成為航空航天、電力、冶金、石油化工、核工業(yè)、玻璃制造等多個重要工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵特種材料。高溫合金生產(chǎn)制備工藝較為復(fù)雜，熔煉、鑄造、熱處理為主要流程工藝。生產(chǎn)流程及工藝的穩(wěn)定對高溫合金材料的力學(xué)性能產(chǎn)生直接影響。快速發(fā)展的經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)為各種新型高溫合金材料的研發(fā)和推廣提供了較大的發(fā)展空間，在對合金性能要求越來越高的情況下，必須要對各種工藝進行不斷的完善和優(yōu)化，保證各種工藝與高溫合金材料的變化相適應(yīng)。工藝的不斷完善引入可實現(xiàn)性能的不斷提升，發(fā)展新型的高溫合金，進而推動相關(guān)產(chǎn)品與行業(yè)的發(fā)展。熔煉工序：嚴格控制化學(xué)成分是保證高溫合金具備優(yōu)異性能的基礎(chǔ)，熔煉工序能有效消除大于臨界尺寸的夾雜物，降低氧、氮、及硫的含量，從源頭上提高高溫合金的純凈度，因此熔煉工序在高溫合金的制備工藝中處于首要位置。目前國際上高溫合金的熔煉方法主要有真空感應(yīng)爐（VIM）、真空自耗爐（VAR）、電渣重熔爐（ESR）。近年以粉末高溫合金為代表的新型高溫合金應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，粉末高溫合金的熔煉工藝成為前沿研究的技術(shù)，國際上俄羅斯粉末高溫合金采用VIM或VIM+VAR雙聯(lián)熔煉工藝，美國粉末高溫合金采用VIM+ESR+VAR三聯(lián)工藝，而國內(nèi)粉末高溫合金基本采用VIM單煉工藝，導(dǎo)致我國粉末高溫合金材料純凈度低于國外先進水平。鑄造：高溫合金精密鑄造技術(shù)以熔模鑄造工藝為主，發(fā)展形成了等軸晶類型、定向柱晶與單晶類型的精密鑄造形式。目前高溫合金鑄件已經(jīng)開始向著復(fù)雜化、大型化、高精確度化的方向發(fā)展，對鑄造工藝、流程形成一定的挑戰(zhàn)，也促使熔模精密鑄造技術(shù)不斷進步，從真空冶煉技術(shù)發(fā)展到無余量鑄造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、單晶技術(shù)等方面。鑄造技術(shù)的提升與高溫合金原材料生產(chǎn)制造之間也存在直接的聯(lián)系，需要結(jié)合高溫合金材料特性、鑄件使用情況等，完善相應(yīng)的工藝技術(shù)模式與機制，控制材料的性能，保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性。目前在生產(chǎn)的過程中，高溫合金的成分參數(shù)與凝固參數(shù)控制存在難點，很容易在定向凝固生產(chǎn)或是單晶生產(chǎn)期間出現(xiàn)雀斑、熱裂和疏松等缺陷，嚴重影響產(chǎn)品的高溫性能。美國在研究的過程中使用高梯度定向凝固技術(shù)進行航空發(fā)動機葉片的生產(chǎn)，有效降低了雀斑缺陷問題的發(fā)生率，嚴格控制各個零件尺寸條件下的溫度梯度參數(shù)，形成一定的生產(chǎn)優(yōu)化、改良的作用。熱處理：隨著新高溫合金材料的應(yīng)用以及使用過程中對合金性能提出的高要求，熱處理工藝是必不可少的過程。高溫合金熱處理工藝是指高溫合金材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的方式，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。近年來對于高溫合金研究比較深入、系統(tǒng)的是固溶熱處理和時效熱處理。固溶熱處理是指在高于高溫合金組織內(nèi)析出相的全溶溫度，使合金中各種分布不均勻的析出相充分溶解至基體相中，從而實現(xiàn)強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除殘余應(yīng)力的作用，以便繼續(xù)加工成型，并為后續(xù)時效處理析出均勻分布的強化相做準備。時效熱處理是指在強化相析出的溫度區(qū)間內(nèi)加熱并保溫一定時間，使高溫合金的強化相均勻地沉淀析出，碳化物等均勻分布，從而實現(xiàn)硬化合金和提高其強度的作用。近年來高溫合金熱處理工藝不斷發(fā)展，其發(fā)展趨勢如下：1.2.國內(nèi)高溫合金起步較晚，目前已建立完備的產(chǎn)品體系國際上高溫合金的研制始于上世紀二三十年代，主要在英美俄等國家展開。目前，世界范圍內(nèi)僅有不超過50家企業(yè)具備生產(chǎn)高性能高溫合金的能力，主要集中在美英法德等歐美國家，整個行業(yè)頭部效應(yīng)明顯。國際知名的高端高溫合金生產(chǎn)國家和企業(yè)主要有美國的通用電氣公司、普拉特-惠特尼公司、佳能-穆斯克貢公司、漢因斯·司泰特公司、國際因科合金公司等，以及英國的國際鎳公司、日本的JFE鋼鐵株式會社、新日鐵住金株式會社、神戶制鋼等。這些企業(yè)經(jīng)過多年的技術(shù)積累，均已建立了完善的企業(yè)級的高溫合金工藝、性能體系、過程控制及選材標準，生產(chǎn)的高溫合金具有成本低、質(zhì)量高且穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。國內(nèi)高溫合金起步較晚，初期以仿制為主，目前已建立較為完備的產(chǎn)品體系。由于高溫合金主要運用于航空航天、核電等戰(zhàn)略核心領(lǐng)域，因此作為高精尖產(chǎn)品，國外廠商管控嚴格，很少出口銷售。國內(nèi)高溫合金行業(yè)從20世紀50年代末仿制前蘇聯(lián)高溫合金體系開始，經(jīng)過60余年的發(fā)展，經(jīng)歷了由仿制到仿創(chuàng)結(jié)合再到獨創(chuàng)的發(fā)展歷程，形成了我國獨特、系統(tǒng)、完整的高溫合金體系，是國際上公認的四大較完整的高溫合金體系之一。為保障我國航空航天用發(fā)動機、戰(zhàn)略導(dǎo)彈等武器裝備的順利研制，為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了特殊貢獻。我國高溫合金在研制與性能方面，與發(fā)達國家仍有差距，國家陸續(xù)出臺鼓勵政策，支持高溫合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展。與國外發(fā)達國家的差距主要表現(xiàn)在兩個層面，首先是總體規(guī)劃層面，具體表現(xiàn)在基礎(chǔ)研究、技術(shù)流程研究、需求引導(dǎo)等方面。其次是生產(chǎn)流程控制及產(chǎn)品技術(shù)層面，具體表現(xiàn)為技術(shù)水平落后國外導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。在此背景下，國家高度重視高溫合金行業(yè)發(fā)展，陸續(xù)出臺一系列支持政策，鼓勵相關(guān)企業(yè)做大做強。尤其是隨著“兩機”專項的持續(xù)推進，所涉及的高溫合金材料領(lǐng)域受到鼓勵政策及專項資金的持續(xù)投入。2.高溫合金下游應(yīng)用前景廣泛，需求高速增長高溫合金全球市場持續(xù)成長，中國成為主要增量市場。據(jù)最新發(fā)布的全球航空航天材料工業(yè)市場分析報告，2020年全球高溫合金市場規(guī)模達573億元，預(yù)計到2025年，全球航空航天材料的市場規(guī)模將達到265億美元。而根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國高溫合金市場規(guī)模達169.8億元，2020年我國高溫合金市場規(guī)模達187億元，同比增長10.18%，預(yù)計2025年我國高溫合金市場規(guī)模將達到856億元。我國已經(jīng)成為全球高溫合金市場增長最快的地區(qū)。高溫合金第一大應(yīng)用場景是航空航天領(lǐng)域，需求份額占比為55%。高溫合金材料是航天航空發(fā)動機的重要制造原材料，主要應(yīng)用于發(fā)動機的燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片、渦輪盤、尾噴口及機匣等部件。其次，高溫合金具備耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，也被廣泛應(yīng)用于燃氣輪機、石油化工、工業(yè)和汽車領(lǐng)域等場景。我國高溫合金市場中，變形高溫合金和鎳基高溫合金占比最大，根據(jù)制造工藝，變形高溫合金約占整個高溫合金市場70%左右，其次是鑄造高溫合金（20%）和粉末高溫合金（10%）；

根據(jù)合金基體元素，鎳基高溫合金占比達80%左右，鎳-鐵高溫合金和鈷基高溫合金占比分別約為14%和6%。2.1.國內(nèi)軍用航空發(fā)動機快速發(fā)展，顯著刺激高溫合金需求高溫合金材料的誕生與使用主要源于航空發(fā)動機材料的不斷探索。航空發(fā)動機作為現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)的明珠，代表著世界制造行業(yè)的最高水平，而高溫合金則是航空發(fā)動機最重要的制造原材料。在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料使用量占發(fā)動機總量的40%-60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。軍用航空燃氣渦輪發(fā)動機通常可以用其推重比（推重比=發(fā)動機推力/發(fā)動機自重）來綜合評定發(fā)動機的性能，而渦輪前燃氣渦溫度對發(fā)動機推重比有最直接、最顯著的影響，也成為發(fā)動機代際最突出的判別依據(jù)之一。我國軍用航空發(fā)動機內(nèi)生需求規(guī)模巨大，將帶動高溫合金需求快速增長?？哲娊ㄔO(shè)和發(fā)展對保護國家安全具有舉足輕重的戰(zhàn)略意義，同時也強有力地刺激了我國高端軍事裝備尤其是高性能軍用飛機的需求。但是長期以來，我國空軍先進戰(zhàn)機的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機和海軍大型艦艇燃氣輪機大量依賴進口，其中生產(chǎn)原材料高溫合金是制約國內(nèi)軍用航空發(fā)動機發(fā)展的重要因素。在下游軍機需求帶動下，軍用航空發(fā)動機需求將持續(xù)高增長，對上游高溫合金材料的需求也將實現(xiàn)高速增長。據(jù)《WorldAirForce2021》統(tǒng)計，2020年我國軍隊現(xiàn)役裝備的飛機總量為3425架，其中包括戰(zhàn)斗機2380架，運輸機123架次，戰(zhàn)斗直升機496架，訓(xùn)練機和直升共計約400架。軍用航發(fā)存在大量換裝需求。目前我國軍機數(shù)量距離美國仍有較大差距，而且以二代、三代戰(zhàn)斗機為主力，四代機占比僅為1%，而美軍現(xiàn)役已無二代戰(zhàn)斗機，其三、四代機型占比分別為87%和13%，因此未來我國軍機升級換裝需求迫切?！禬orldAirForce2021》預(yù)計，2026年我國各類軍機需求量達1760架，軍機規(guī)模由3187架增至4947架，復(fù)合增速達9.2%。假設(shè)我國空軍到2030年將完全淘汰560架殲-7、殲-8戰(zhàn)機，同時換裝成更加先進的第三/四代戰(zhàn)斗機。因為我國2020年現(xiàn)役戰(zhàn)斗機中雙發(fā)重型戰(zhàn)斗機的占全部戰(zhàn)斗機的比例約為55%，而三/四代戰(zhàn)斗機中的比例為74%，鑒于我國空軍將進行“空天一體、攻防兼?zhèn)洹睉?zhàn)略轉(zhuǎn)型，假定用于替換二代戰(zhàn)機的新機型中雙發(fā)動機配置的重型戰(zhàn)斗機與單發(fā)動機配置的輕型戰(zhàn)斗機的比例為8：2，預(yù)計制造這批戰(zhàn)機將產(chǎn)生約1008臺發(fā)動機需求，假設(shè)每年換裝數(shù)量相等，則每年產(chǎn)生約101臺發(fā)動機需求。軍用航發(fā)擴編需求同樣龐大。長期來看，我國空軍戰(zhàn)機需要量質(zhì)同升，預(yù)測未來我國將進行大規(guī)模新機型擴編。根據(jù)《WorldAirForce2021》預(yù)計未來5年我國軍機復(fù)合增長率為9.2%，我們假定2021-2030年空軍戰(zhàn)斗機增速為10%，則2025年我國主力戰(zhàn)機數(shù)量預(yù)測增加至2759架，新增戰(zhàn)斗機數(shù)量為379架。若新增的379架戰(zhàn)斗機中雙發(fā)重型戰(zhàn)斗機占比80%，單發(fā)輕型戰(zhàn)斗機占比20%，則新增戰(zhàn)機將會帶來682臺發(fā)動機需求。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)戰(zhàn)機擴編速度維持不變，則從2026-2030年間，我國主力戰(zhàn)斗機規(guī)模將達到3199架，總計會帶來792臺發(fā)動機需求。預(yù)計2020-2030年，我國戰(zhàn)機擴編數(shù)量總計819架，新增發(fā)動機需求為1474臺。軍用航發(fā)存在持續(xù)增長的維護需求。目前我國空軍戰(zhàn)機的國產(chǎn)發(fā)動機主要為WS10（工作壽命約1200小時）、WS-10B，（工作壽命約2000小時）。假設(shè)我國戰(zhàn)斗機日常訓(xùn)練升空時長6小時，來估計出各型號戰(zhàn)斗機平均每年需耗費的航發(fā)臺數(shù)，同時考慮到前文中假設(shè)的換裝戰(zhàn)斗機與擴編戰(zhàn)斗機中雙發(fā)動機配置的重型戰(zhàn)斗機與單發(fā)動機配置的輕型戰(zhàn)斗機的比例為8：2，計算出2021年我國空軍主力戰(zhàn)機每年消耗約3602臺發(fā)動機，同時假設(shè)我國其他型號軍機發(fā)動機平均一年一換，將產(chǎn)生維護需求約2482臺發(fā)動機，則2021年產(chǎn)生的維護需求約為6084臺發(fā)動機。最后，考慮到未來更大的訓(xùn)練強度帶來更高的發(fā)動機更換頻率，假設(shè)維護需求的增速為5%。則預(yù)計到2025年，中國軍用航發(fā)年維護需求將達到7395臺/年，到2030年中國軍用航發(fā)年維護需求將達到9910臺/年。我國軍機航空發(fā)動機需求主要由換裝需求、擴編需求和維護需求構(gòu)成。2020年，中國軍隊現(xiàn)役裝備的飛機總量為3425架，預(yù)計每年換裝發(fā)動機需求為約101臺，到2030年發(fā)動機換裝需求為1008臺。預(yù)計2020-2030年，我國戰(zhàn)機擴編數(shù)量總計819架，新增發(fā)動機需求為1474臺。預(yù)計到2030年中國軍用航發(fā)年維護需求將達到9910臺/年。最終可以預(yù)測得出2021-2030年我國軍機航空發(fā)動機需求總量為79006臺。高溫合金材料在不同機型發(fā)動機中的占比略有區(qū)別，平均占發(fā)動機總質(zhì)量的40%-60%（在先進發(fā)動機中占比高于50%），我們假設(shè)在軍用航空發(fā)動機中高溫合金重量平均占比為50%，高溫合金部件加工成材率為30%，同時按照WS-10發(fā)動機質(zhì)量1.7噸測算，預(yù)計制造一臺軍用航空發(fā)動機的高溫合金用量約為2.83噸。據(jù)此粗略估計得到，我國軍用航空發(fā)動機高溫合金需求將在2025年達到1.94萬噸/年，在2030年達到2.83萬噸/年，預(yù)計2021-2030年之間我國將產(chǎn)生總計24.1萬噸軍用航發(fā)高溫合金需求。圖片上傳中......2.2.其他軍用及民用領(lǐng)域?qū)Ω邷睾辖鹦枨蟾咚僭鲩L（1）民航換發(fā)需求及國產(chǎn)大飛機發(fā)動機量產(chǎn)，帶來高溫合金需求。國內(nèi)民航客機、民航運輸機及其配裝的發(fā)動機主要依賴國外進口，但在國際關(guān)系逐漸緊張、國外技術(shù)封鎖、進口替代的大背景下，我國自主研發(fā)的商用飛機及配套發(fā)動機正逐步試飛安裝。尤其是隨著我國自主研制的C919、CR929大飛機項目的持續(xù)推進，對國產(chǎn)民航發(fā)動機需求進一步提升，中國商飛研發(fā)的長江2000發(fā)動機及長江1000發(fā)動機已經(jīng)逐步實現(xiàn)整機裝配及試飛。未來10年我國將成為世界上商業(yè)飛機落地最多的國家。根據(jù)中國民航局歷年公報，截至2020年底，我國各航空公司運輸飛機共計3903架，其中客運飛機3717架，貨運飛機186架。而根據(jù)波音公司預(yù)測，2020-2032年我國將新增民用飛機達5580架，其中支線客機240架、單通道飛機3900架、寬體客機1470架。目前國內(nèi)自主研發(fā)的ARJ支線客機已經(jīng)進入市場運營，而首款單通道大型干線客機C919正在逐步落地量產(chǎn)。假設(shè)支線客機國產(chǎn)替代率達到30%，單通道飛機國產(chǎn)替代率達到10%，寬體客機國產(chǎn)替代率為5%。假設(shè)支線客機配備2臺發(fā)動機，單通道飛機和寬體客機分別配備4臺發(fā)動機。支線客機發(fā)動機平均總量為1.8t，單通道飛機發(fā)動機平均重量為2.5t，高溫合金占比達50%，成材率30%。預(yù)計到2030年新增商業(yè)飛機發(fā)動機將帶動高溫合金需求8847噸。（2）高溫合金為火箭發(fā)動機燃燒室和渦輪泵主材。高溫合金是火箭發(fā)動機核心部件燃燒室和渦輪泵的關(guān)鍵用材。液體火箭發(fā)動機主要由燃燒室和噴管、渦輪泵和活門自動器等三大部分組成。其中燃燒室和噴管容納推進劑燃燒，產(chǎn)生3000℃以上的高溫和30~200個大氣壓的高壓氣體并高速從噴管噴出，形成強大的推力；渦輪泵的作用是對氧化劑和燃燒劑提高壓力，以便注入燃燒室。燃燒室和渦輪泵兩大核心部件均采用高溫合金材料。預(yù)計未來10年我國火箭發(fā)動機對高溫合金的需求達3840噸。根據(jù)顧明初1998年在中國航空學(xué)會重量工程專業(yè)學(xué)術(shù)會發(fā)表的《液體火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量》一文，火箭發(fā)動機核心部件渦輪泵質(zhì)量占發(fā)動機質(zhì)量的20~26%（下文測算時取平均值23%），燃燒室質(zhì)量占發(fā)動機質(zhì)量的1.2~3.3%（下文測算時取平均值2.3%）。我國未來主力運載火箭長征七號采用的YF-100液氧-煤油火箭發(fā)動機單臺質(zhì)量為1.9噸，每枚火箭采用6臺YF-100火箭發(fā)動機，則每枚火箭渦輪泵及燃燒室總質(zhì)量，即每枚長征七號火箭所用高溫合金部件質(zhì)量約為2.88噸。若假設(shè)高溫合金部件成材率為30%，則每枚長征七號所需高溫合金質(zhì)量為9.6噸。目前我國每年航天發(fā)射次數(shù)在40次左右。假設(shè)未來10年我國將保持年均40次的火箭發(fā)射頻率，且均采用主力運載火箭長征七號，則預(yù)計未來10年內(nèi)我國火箭發(fā)動機用高溫合金需求量達3840噸。（3）燃氣輪機國產(chǎn)化帶來高溫合金材料需求的大幅增長。燃氣輪機與航空發(fā)動機同屬與高端技術(shù)核心裝備，在國防安全、能源安全及工業(yè)應(yīng)用等方面具有重要地位，國家高度重視燃氣輪機的發(fā)展，目前主流燃機輪機技術(shù)被發(fā)達國家壟斷，國內(nèi)在引進烏克蘭UGT-25000燃氣輪機的基礎(chǔ)上，研制出了國內(nèi)首臺中等功率的燃氣輪機QC280，目前已經(jīng)進入國產(chǎn)化批產(chǎn)階段，后續(xù)將廣泛引用于大型護衛(wèi)艦、大型驅(qū)逐艦和新型兩棲登陸艦等水面艦艇。由于燃氣輪機主要用于地面發(fā)電機組和船舶動力領(lǐng)域，工作環(huán)境需要承受高硫燃氣和海水鹽分的腐蝕，工作壽命要求達到50,000-100,000小時。渦輪盤在工作時轉(zhuǎn)數(shù)接近10,000轉(zhuǎn)/分鐘，要求材料耐用溫度達到600℃以上，因此設(shè)備部件材料必須使用具有耐高溫、較高蠕變強度的高溫合金材料，目前國內(nèi)外主要采用鎳基高溫合金進行制造。艦船用燃氣輪機帶動高溫合金需求。據(jù)統(tǒng)計，我國2