高温合金行业专题报告：航空发动机国产化时代

导读：高温合金行业专题报告：航空发动机国产化时代，高温合金崛起。

一、高温合金是航空发动机的核心材料

高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在 600°C 以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。相比于传统金属，其特点是具有较高的高温强度、良好的抗高温氧化性和抗热腐蚀性，同时具备良好的抗疲劳性能、塑韧性等综合性能。航空发动机、燃气轮机等产生极大热能的工作环境是高温合金的主要应用场景：以国产主力涡扇发动机 WS-10 为例，其涡轮前燃气温度达到约 1100K，几乎是普通钢材的熔点温度。

1.1 高温合金是航空发动机性能突破的关键要素

航空发动机结构可分为冷端部件和热端部件。其中热端部件主要包括燃烧室、导向器（导向叶片）、涡轮叶片（工作叶片）和涡轮盘，高温合金是航空发动机热端部件的关键材料。在现代航空发动机中，高温合金材料的用量占发动机总重量的 40%~60%。以美国第三代战斗机 F110 发动机总重 1.8 吨为例，高温合金用量在 0.9 吨左右。

高温合金是航空发动机性能突破的关键要素。航空发动机性能主要取决于涡轮前温度、推重比、燃油消耗率等主要指标，其也是航空发动机分代的重要依据。航空发动机的发展趋势是不断提高推重比和涡轮前温度，同时降低燃油消耗率。在其它条件不变的前提下，涡轮进口温度每提高 100K，航空发动机的推重比能够提高 10%左右。从全球来看，从第一代航空发动机发展至目前的第五代发动机，涡轮前温度已经由 1200-1300K 提高到了1850-2000K，推重比从 3-4 提高到了 12-13。涡轮前温度的提高很大程度上得益于耐高温材料的发展。据航空材料学报报道，自 20 世纪 60 年代中期至 80 年代中期，涡轮进口温度平均每年提高 15K，其中材料所做出的贡献在 7K 左右。因此，高温合金材料成为了制约航空发动机发展的关键要素之一。

按生产工艺，高温合金通常可分为变形高温合金、铸造高温合金（包括等轴晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金）、新型高温合金三大类。不同生产工艺的高温合金性能特点不同，分别应用于发动机不同部位。变形高温合金是经过锻造、轧制、镦粗和冷拔等塑性变形工艺和热处理制造的高温合金，承温能力相对较低，主要应用于航空发动机前端压气机盘，部分应用于燃气涡轮盘、涡轮叶片、导向叶片、主燃烧室等，应用范围较广，用量占比 70%以上。

2) 铸造高温合金

铸造高温合金可细分为等轴晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金三大类，其中，等轴晶高温合金采用传统的熔模铸造方法，承温能力相对较低，主要应用于机匣、低压涡轮后几级叶片，应用范围较广，占比全部铸件零部件 60-70%，但产品附加利润低；定向凝固柱晶高温合金采用定向凝固技术制造，承温能力相对较高，主要应用于低压涡轮前几级的工作叶片，以及部分发动机高压涡轮的一、二级工作叶片，应用范围仅限于工作叶片，产品附加利润较高；单晶高温合金采用定向凝固和选晶技术制造，承温能力最高，主要应用于先进发动机高压涡轮叶片和低压涡轮前两级叶片，应用范围仅限于工作叶片，产品附加利润最高。

3) 新型高温合金

新型高温合金指通过新型制造工艺生产的高温合金材料，主要包括粉末高温合金和弥散强化高温合金（ODS），其中，粉末高温合金是将高温合金雾化成粉末，再经热等静压成型或热等静压加锻造成型的生产工艺制造出高温合金产品，具有金属利用率高、成本低等特点，承温能力相对较高，目前主要应用于涡轮盘和涡轮叶片，是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的优良材料；弥散强化高温合金（ODS）采用类似粉末冶金工艺制成，承温能力较高，主要应用于火焰筒、导向叶片及涡轮叶片。

二、高温合金需求主要来源于航空航天领域

1.1 高温合金下游应用领域主要为航空发动机

高温合金下游应用广泛，目前主要应用于航空航天领域。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》，目前高温合金下游最大的应用领域为航空航天用发动机，占比约 55%，其次为能源发电用燃气轮机，占比约 20%。

文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0422/958.html