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2018.9.18-20

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    高温合金:军民两用明珠材料,未来中国需要35万吨

    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;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。

    1、高温合金分类及产业链介绍

    1.1高温合金分类

    高温合金可以按基体组织材料划分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。研发应用中,现在一般按制备工艺划分成铸造高温合金、变形高温合金和其他几类新型高温合金(粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金ODS等)。首先简单介绍变形高温合金和铸造高温合金。

     

    图1 高温合金分类

     

    1)变形高温合金:

    变形高温合金是指可以进行冷、热变形加工,工作温度范围-253~1320°C,具有良好的力学性能和综合的强韧性指标,具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。

    第一类:固溶强化型合金:使用温度范围为900~1300°C,最高抗氧化温度达1320°C。例如GH128合金,室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa;1000°C拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000°C、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。

    第二类:时效强化型合金:使用温度为-253~950°C,一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。制作涡轮盘的合金工作温度为-253~700°C,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。例如:GH4169合金,在650°C的最高屈服强度达1000MPa;制作叶片的合金温度可达950°C,例如:GH220合金,950°C的拉伸强度为490MPa,940°C、200MPa的持久寿命大于40小时。

    变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。

    图2 变形高温合金工艺流程

     

    2)铸造高温合金:

    铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。其具有更宽的成分范围,由于可不必兼顾其变形加工性能,合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。如对于镍基高温合金,可通过调整成分使Y结构含量达60%或更高,从而在高达合金熔点85%的温度下,合金仍能保持优良性能。

    此外,相比变形高温合金,它有更广阔的应用领域。由于铸造方法具有的特殊优点,可根据零件的使用需要,设计、制造出具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。根据铸造合金的使用温度,可以分为以下三类:

    第一类:在-253~650°C使用的等轴晶铸造高温合金:这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能,特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金,其650°C拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑性15%;650°C,620MPa应力下的持久寿命为200小时。已用于制作航空发动机中的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构等。

    第二类:在650~950°C使用的等轴晶铸造高温合金:这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金,950°C时,拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%;950°C,200小时的持久强度极限大于230MPa。这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。

    第三类:在950~1100°C使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金:这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DD402单晶合金,1100°C、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。这是国内使用温度最高的涡轮叶片材料,适用于制作新型高性能发动机的一级涡轮叶片。

    随着精密铸造工艺技术的不断提高,新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术、复杂薄壁结构件的技术等都使铸造高温合金水平大大提高,应用范围不断提高。

    图3 铸造高温合金工艺流程

     

    3)粉末冶金高温合金:

    采用雾化高温合金粉末,经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。采用粉末冶金工艺,由于粉末颗粒细小,冷却速度快,从而成分均匀,无宏观偏析,而且晶粒细小,热加工性能好,金属利用率高,成本低,尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机的使用要求,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选择材料。

    图4 粉末冶金高温合金工艺流程

     

    4)氧化物弥散强化(ODS)合金:

    是采用独特的机械合金化(MA)工艺,超细的(小于50nm)在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中,而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持,具有优良的高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能、抗破、硫腐蚀性能。

    5)金属间化合物高温材料:

    金属间化合物高温材料是近期研究开发的一类有重要应用前景的、轻比重高温材料。十几年来,对金属间化合物的基础性研究、合金设计、工艺流程的开发以及应用研究已经成熟,尤其在Ti-Al、Ni-AI和Fe-AI系材料的制备加工技术、韧化和强化、力学性能以及应用研究方面取得了令人瞩目的成就。

    1.2高温合金产业链

    高温合金的原料是银、格等小金属和铼等稀土金属。由于技术复杂,高温合金生产企业往往独立完成从原料配比到成品零件生产的全过程;在军工领域的终端用户往往以合约订购、外协加工为主要的采购方式。当然也有部分企业只生产母合金作为外销产品。相对来说,由于高温合金多数非标准化产品,产品类型随着下游需求不同而异,所以高温合金产业链相对较短,属于以技术为核心的产业。

    图5 钢研高纳高温合金产品链

    2、高温合金的应用领域:“发动机基石”军民用全能

    2.1 应用概览

    高温合金材料最初主要应用于航空航天领域,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,从而大大的拓展了应用领域。随着高温合金的发展,新型高温合金材料的出现,高温合金的市场需求处于逐步扩大和增长的趋势。

    据有色金属咨询公司Roskill统计,全球每年消费高温合金材料约28万吨,占钢铁总消费量的0.02%,市场规模达100亿美元。目前,其最大的应用还是航空航天领域,占总使用量的55%,其次是电力领域(20%)和机械领域(10%)。

    图6 高温合金市场规模占比及细分行业消费统计

     

    2.2 工业皇冠上的明珠-航空发动机专用材料

    高温合金材料属于航空航天材料中重要成员,是制造航空航天发动机热端部件的关键材料。在先进的航空发动机中,高温合金占发动机总重量的40%-60%以上。发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平,因此高温材料有“先进发动机基石”的美誉。

    图7 航空发动机简图

    早期飞机的动力为螺旋桨,而当代的飞机都是喷气式飞机,喷气式飞机的关键就是航空发动机。上图是航空发动机简单的工作原理:发动机首先吸入空气,然后将空气压缩提高压力,压缩空气进入燃烧室与燃料混合点燃,从而产生大量的高温高速热气,最后高速气体被喷出用以驱动飞机。其巧妙之处在于高速气体排出时的部分能量被用作推动一组涡轮,而正是涡轮组在推动发动机前端的压气机。

    整个航空发动机由于其工作温度的不同,以燃烧室前后为界线分为冷端和热端两块。要提高发动机的工作效率,就要设法提高喷出气体的能量,而直接办法就是提高温度。这对热端部件的材料提出了极大要求。特别是涡轮部件,必须经受住高温气体的冲击。这些高温气体的温度甚至可以超过1500摄氏度,这个数字比很多金属的熔点还要高;不仅如此,涡轮每分钟旋转上万次,承受着巨大的机械载荷。这些意味着需要找到在高温下还能保持优异机械性能的材料。

    最初的科学家在1929年找到一种镍基合金,也就是世界上第一种高温合金。1939年,德国搭载着Hes3B涡轮喷气发动机的He-178成为了世界上第一款喷气式飞机。由此,航空业进入喷气飞行时代。此后,航空业的每一次飞跃也都离不开高温材料的发展。

    目前,高温合金主要应用于航空发动机的四大热端部件:燃料室,导向器,涡轮叶片和涡轮盘。此外,还用于机匣,环件和尾喷口等部件。由于航空发动机结构较为复杂,各部位温度和受力情况等,差别较大,因此对材料的要求和选用就各不相同。具体来说,各个部分需要的高温合金分别有如下这些要求:

    1)燃烧室用高温合金

    燃烧室所受的机械应力较小,但热应力较大,对材料的要求主要有:高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能;足够的瞬时和持久强度;良好的冷热疲劳性能,良好的工艺塑性(持久,弯曲性能)和焊接性能;合金在工作温度下长期组织稳定。

    2)导向叶片用高温合金

    导向叶片的第一级是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。但由于它是静止的,所受的机械负荷并不大。通常由于应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的裂纹以及过燃引起的烧伤,使导向叶片在工作中经常出现故障。根据导向叶片工作条件,要求材料具有如下性能:足够的持久强度及良好的热疲劳性能;有较高的抗氧化和抗腐蚀的能力;如用铸造合金,则要求具有良好的铸造性能。

    3)涡轮动叶片用高温合金

    涡轮工作叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一。虽然工作温度比导向叶片要低些,但是受力大而复杂,工作条件恶劣,因此对涡轮叶片材料要求有:高的抗氧化和抗腐蚀能力;高的抗蠕变和持久断裂的能力;良好的机械疲劳和热疲劳性能以及良好的高温和中温综合性能。

    4)涡轮盘用高温合金

    涡轮盘在工作中受热不均,盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度,产生很大的热应力。榫齿部位承受最大的离心力,所受的应力更为复杂。为此对涡轮盘材料要求有:合金应具有高的屈服强度和蠕变强度;良好的冷热和机械疲劳性能;线膨胀系数要小,无缺口敏感性,较高的低周疲劳性能。

    正因不同部件的材料要求各不相同,属于典型的非标准产品,所以单单航空发动机一个领域就为高温材料支撑起了足够庞大的市场。目前,航空发动机成本中高温合金占比达17%。

    图8 航空发动机成本构成比例

    航空航天产业属于战略性先导产业,世界航空航天市场总额已高达数千亿美金,且以每年约10%的速度稳步增长。我国航空领域市场前景十分广阔,根据波音在2014年9月发布的《2014年中国航空市场展望》,中国未来20年飞机市场需求预计约为6020架,总价值达8700亿美金。

     

    而除去民航市场,军工领域各类战斗机的发展对高温合金的需求在数量上更为可观、质量上也更为高端。在中央军委建设新时代强大空军的背景下,出于对这一市场的重视,后文将专门分析介绍军用航空发动机高温合金。

    2.3 燃气轮机

    燃气轮机是除了航空发动机以外高温合金的另一个主要用途。燃气轮机装置是一种以空气及燃气为介质的旋转式热力发动机,其结构与飞机喷气式发动机一致。它的基本原理和蒸汽轮机很相似,但不同在于工作介质不是蒸汽而是燃料燃烧后的烟气。

     

     

    压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气涡轮中膨胀做功,推动涡轮叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的做功能力显著提高,因而燃气涡轮在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。在此过程中,燃烧室和涡轮不仅工作温度高,而且还承受燃气轮机在起动和停机时,因温度剧烈变化引起的热冲击,为确保有足够工作效率的寿命,这两大部件中工作条件最严苛的零件如火焰筒和叶片等,须用镍基和钴基合金等高温材料制造。 

    较于传统的柴油机,燃气轮机在能源效率和动力性能上都更胜一筹,其未来广阔的应用前景也带动了高温合金的需求。船舰用燃气轮机是燃气轮机最大的应用之一。目前而言,广泛应用的船舰动力装置主要有蒸汽动力装置,柴油机动力装置,核动力装置,燃气动力装置以及联和动力装置。其中,前两种动力装置船舰用蒸汽轮机和船舰用柴油机由于发展得较早,系统较为成熟,是燃气轮机在船舰应用领域最大的竞争对手。

    由于功率密度更大,启动速度更快等优点,燃气轮机几乎已经成为各国军舰动力系统几乎唯一的选择。老牌海军强国如英美,日本等,早就对其作战舰队完成了舰队动力燃气机轮化。如美国的LM2500燃气轮机就几乎统一了美国海军大中型作战舰艇的动力系统,号称驱动了半个地球的海军。

    过去由于我国在燃气轮机的关键技术上一直没有取得突破,故基本都采取向发达国家进口燃气轮机的方式制造船舰。近几年,由于在关键技术上取得了关键突破,我国已经具备自己研制舰用燃气轮机的能力,如国产化的GT2500燃气轮机就得到了军方的肯定。关键技术的实质性突破,为我国海军以后逐步完全采用国产的燃气轮机制造舰艇的梦想创造了条件。

    我们海军致力于打造3大近海舰队和若干航母舰队的作战体系,据有关部门预估,海军每年将新增驱逐舰及护卫舰30台左右,中小型舰艇90台左右,舰用燃气轮机对高温合金需求巨大。此外,除了作为船舰动力装置,燃气轮机在发电,油气开采运输,冶金等领域也存在着一定的应用前景。

    3、航天军工大发展带来广阔应用前景

    3.1 高端高温材料国产化是航空发动机国产的先决条件

    航天军工领域的特殊性决定了它的前导性。目前,中国航天军工领域的高端高温合金已经从创新研究阶段发展到了接近全面大规模国产化的临界阶段,支撑我们得出这一判断的理由来自需求和供给两个方面。

    从需求层面看,进入二十一世纪以来,我国在航天军工领域的大手笔不断,大飞机项目(C919)、航母的入列(歼15舰载机)、新军机(歼20隐身机、歼31隐身机、利剑无人机)等一系列动作,令国人振奋。但是振奋之余,一个现实是我们的飞机还不得不依赖于进口发动机。因此发展国产航空发动机解决我国航空产业的“心脏病”已经成为国家层面的迫切任务。

    我国从上世纪60年代开始发展国产航空发动机,历经坎坷,已经从最早的涡喷-5、涡喷-14发动机,发展到目前的涡扇10、涡扇15发动机,取得了巨大的进步。尤其是“太行”发动机的定型,实现了我国军用航空发动机从第二代向第三代,从涡喷向涡扇、从中等推力向大推力的跨越的“三大跨越”,标志着我国已具备自主研制大推力军用发动机的能力。虽然从各方面反馈的信息判断,“太行”发动机在性能方面和国外同类产品仍有不小差距,但是从最初试飞时的“喷零件”到现在的稳定量产,这一巨大进步还是不容质疑的。有了这一基础,在可预见的5到10年内,国产发动机逐步走向前台已经成为大概率事件。

    但从下图与国外发动机的对比中我们可以发现,国产涡扇发动机的推重比这一最重要指标依然不尽人意。以目前的技术而言,要提高推重比,必须提高燃气温度。这将严重依赖于材料。据预测,新材料、新工艺和新结构对推重比12-15发动机的贡献将达50%以上,从未来发展来看,甚至可占67%。

    图9 世界军用航空发动机推重比发展趋势

    3.2单晶叶片

    核心技术在手,进口替代可期如前所述,高温合金的起源就是为了满足航空发动机对材料的苛刻要求而研制的。目前,在先进的航空发动机中,高温合金用量所占比例已高达80%左右。而在航空发动机需要用到高温合金的各种部件中,最为复杂、要求最高的就是涡轮叶片,特别是前几级涡轮叶片,其所处的温度最高,环境最为恶劣,在这种环境下,对材料的抗蠕变性能要求特别高。目前国际上主流先进技术是单晶叶片,即只有一个晶粒的铸造叶片,消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界,使全部晶界平行于应力轴方向,从而改善了合金的物理性能;此外由于单晶叶片消除了全部晶界,不必加入晶界强化元素,使合金的初熔温度相对升高,可以说是核心中的核心材料。

    但涡轮单晶叶片由于所处温度高,内部冷却结构复杂,铸造难度非常大。涡轮叶片内部的流通结构由蜡模精铸,冷却孔通过激光或者EDM加工(超精密加工)。涡轮叶片中空的设计以及冷却气孔都给制造带来了很大的难度。以往国内在这一块的技术落后欧美很多,成品率极低;不仅仅是单晶叶片,其他很多高端高温合金的部件也都依赖于进口。

    但自上世纪90年中期起,国内在高温合金新材料的开发上取得了长足的进步,钢研院、航材院和沈阳金属所等科研院所已经开发和开始应用一批新工艺研制和生产了一系列高性能、高档次的新型高温合金材料。比如单晶高温合金叶片(DD402、DD406)已经达到第二代,第三代产品也在开发;粉末高温合金涡轮盘材料(FGH95、FGH97)也形成了批量供货能力;氧化物弥散强化ODS高温合金和钛铝等金属间化合物高温合金材料从无到有,也都形成了一定的供货能力。

    总体来看我们认为国内高温合金的发展基本和国内航空航天发动机的发展水平相一致的。因此随着未来国内新军机、新舰艇的逐步入列和成军和国产发动机的逐步走向前台,国产高档高温合金材料的发展正迎来重要的机遇和转折点。

    市场调研公司Research and Markets之前也曾发布了一份中国高温合金行业的市场调研报告。报告显示,中国对高温合金的供求缺口正在逐步扩大,而且高端高温合金严重依赖进口。根据报告提供的数据显示,2009年中国对高温合金的需求大约是10000吨,而到2014年已猛增至20000吨。同一时期,国内高温合金产量增长幅度不大,仅从8000吨增长到13000吨。

    未来,高温合金在中国快速增长将主要归功于两大因素。首先,随着发动机技术的成熟,未来飞机发动机对高温合金的需求将大幅增长。第二,汽车产量和销量仍将继续增长,进而带来在其使用的高温合金增长。再加上汽车发动机对高温合金的需求将仍然保持快速增长。 

    3.3借鉴发达国家高温合金发展历史,我国高温合金潜力巨大

    欧美国家对高温合金的研发是从二十世纪三十年代开始的。一直到二战结束后的一段时间里,高温合金的性能主要是通过调整合金成分来提高的。例如英国早期研制了Ni3(Al、Ti)强化的Nimonic80合金,用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料;美国则开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金,如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。

    从20世纪40年代末开始,制造工艺对高温合金的发展起着极大的推进作用。40年代出现的真空熔炼技术可以去除合金中有害杂质和气体,精确控制合金成分,使高温合金性能不断提高。随后,定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功,推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出,采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金,其使用温度接近初熔点的90%。因此,目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。第四代单晶高温合金使用温度已经达到约1100°C。

     

    图10 过去60年高温合金性能发展状况

    中国高温合金的研发起步于20世纪50年代,1956年在苏联专家指导下炼出GH3030。经过几代材料人的努力,现在已形成自己的高温合金体系。目前我国高温合金牌号和品种很多,变形高温合金有50多个牌号,铸造高温合金有40多个牌号。它们广泛用作燃气涡轮发动机的热端关键部件。如:涡轮盘、涡轮工作叶片、涡轮导向叶片、燃烧室和加力燃烧室等零部件材料。在我国研制(包括仿制)的高温合金中,有些已达到国外同类合金水平。例如叶片用合金GH5188、K417G、K403、DZ4、DZ22、DZ125、IC6、DD3等;涡轮盘用合金GH901、GH4133B、GH710、K418B、K6C等;燃烧室用合金GH1140、GH4099、GH1015等;环形件用合金GH903、GH907、GH909。

    近年来,为适应高推重比发动机的需要,我国研制的定向凝固合金、单晶合金、粉末合金、机械合金化合金和金属间化合物为基的合金,取得了不少成果,已达世界较先进水平。总体来看,现在我国的高温合金已基本形成自己的体系和研制生产基地,主要形成了以抚钢、宝钢特钢等为主体的变形高温合金基地和以航空发动机制造公司精密铸造厂为主体的铸造厂为主体的铸造高温合金生产基地。

    目前年生产能力达1万多吨,可生产棒、盘、板、丝、带、环、管材及精密铸件,一定程度上讲,航空和其他工业部门使用的各种高温合金均可在国内生产供应。据统计,几十年来我国共生产各类高温合金6万多吨,保证了5万多台航空发动机的生产和发展需要。

    虽然经过多年的发展,无论是研制还是生产,我国的高温合金产业都形成了一定的规模和水平,但与发达国家相比,还存在如下一些差距:

    (1)研制、仿制多,应用少。在变形高温合金50多个牌号,铸造高温合金40多个牌号中,获得应用的不足70%;且在这70%中仅有15种变形合金和5种铸造合金做过材料结构的完整性研究,故在应用上受到限制。

    (2)材料的冶金质量水平低。主要表现在材料的纯净度低,合金成分波动大,对杂质和气体含量的要求不够严格,影响到性能及其稳定。

    (3)在铸造和压力加工等工艺中控制不严,影响铸件、棒、饼坯等材料的冶金质量。尤其是航空发动机铸造涡轮叶片等复杂形状热端关键部件精铸件毛坯合格率比较低。例如,发达国家的空心定向和单晶的合格率可达到70%〜90%,而国内的同类叶片铸件毛坯合格率一般为30%〜40%,有些叶片的合格率甚至不到10%,这大大提高了制造成本,影响了工程化和产业化的进程。

    这些差距使得国内厂商主要还集中在中低端产品的制造上,高端的高温合金产品市场,依然依赖于进口产品。但随着我国科技实力的发展,以钢研高纳为代表的一部分企业,已经在科研创新和生产工艺上取得了突破,有相当一部分产品可以替代进口。可以预期整个行业也会向着高端化的方向发展。

    3.4产业现状:体系全,壁垒高

    纵观全球,目前具有完整高温合金体系的国家只有美、英、俄、中四国,能够生产航空航天用高温合金的企业也不超过50家,以特殊金属公司、汉因斯-斯泰特公司(Haynes-Stellite Company)、国际因科公司、豪迈特公司、卡彭特公司等为代表,主要集中在美、英、德、日等国,整个行业具有较为明显的寡头特征。

    国内从事高温合金生产的单位分为两类,一类是特钢企业,如抚顺特钢、长城特钢、宝钢特钢等;另一类则是研究院所,如航空材料研究院、中科院沈阳金属研究所,还有钢铁研究总院系统的专业生产厂家钢研高纳。另外,西南铝业、二重集团等在高温合金制造过程中提供锻件热加工等外协支持,航空动力、沈阳黎明、贵州黎阳等公司下属的车间也从事高温合金精铸件的生产。

    抚顺特钢、长城特钢、宝钢特钢等主要生产大批量、通用性、结构较为简单的产品,航空航天领域中用量最大的变形高温合金主要由其生产,而钢研高纳、航材院等主要生产小批量、结构复杂的高端产品,两者直接存在竞争的领域有限。并且三家钢企的主要品是特钢,高温合金仅占其收入比例相对较小。

     

    在高温合金的高端领域,竞争的参与者除钢研高纳外,主要是航材院,在航空发动机基本上形成双寡头格局。

    在潜在竞争者方面,高温合金行业的高壁垒特性使妄图进入这个行业的企业望而却步。可以预见,在未来中短期内,该领域国内市场的供应格局不会有太大变化,而旺盛的需求增长意味着行业内这几家企业将迎来发展机遇。

    4、发展空间展望:前途光明,爆发可期

    高温合金市场需求多年来一直处于逐步扩大和增长状态,随着中国制造业高端化的进程,欧美发达国家高温合金的市场现状值得我们参考。根据有色金属专业咨询公司Roskill的测算,在美国这样的成熟市场,高温合金需求仍然保持在20%以上的增长。中国当前很多高温合金的下游应用领域才刚刚起步,随着大飞机国产化、新一轮核电建设等一系列工程的启动,可以预见,在今后的一段时期,中国的高温合金产业将迎来又一轮大发展。

    目前,中国高温合金市场缺口较大,特别是高端领域,主要依赖于进口。将抚顺特钢等特钢钢厂、航材院等科研机构和钢研高纳等专业厂商的产能加在一起,大约1.2万吨的产能,主要还是供给军方和一些低端民市场。国内对高温合金的需求持续增长,而高温合金的准入门槛高,研发周期长,因此我们预计市场缺口还将进一步扩大。

    综合我们在前文对市场前景的估计和国家相关的产业政策,对未来高温合金的市场空间、特别是新增需求作一些估算。

    4.1民用航空发动机领域需求超过10万吨

    由于中国航空工业的基础相对薄弱,目前国内的民航客机发动机主要依靠进口。但随着C919大飞机项目的稳步推进,技术上的很多问题将得到解决,据中国商飞副总经理、大飞机项目总设计师吴光辉介绍,预计未来C919年产能力最终将会达到150架,20年内总量会达到2300架,高温合金在国内民航领域的市场将会进一步打开。

    国际上以CFM-56等为代表的主流民用航空发动机自重在4吨左右,其中高温合金大约需要40%。以目前的技术,在制造中大概保持20%左右的最终成材率,每架发动机消耗约8吨高温合金。按照波音公司对中国航空市场未来20年新增6020架大中型飞机的预测,以平均每架飞机用2台发动机,将会新增高温合金需求10万吨左右。

    同时,中国民航局数据显示,截至2014年底,民航全行业运输飞机期末在册架数2370架。仅按照保有飞机在今后二十年平均更换维修2台发动机,每台维修需5吨高温合金计算,民航维护市场领域的高温合金需求就达到2.37万吨。此外,随着中国经济的发展,通用航空领域也将有越来越多的喷气式飞机,虽然这块市场相对较小,但仅按照每年50架、每架1台发动机、每台5吨的保守计算,也需要5000吨左右高温合金。

    综上所述,今后20年,民用航空领域的高温合金需求应当在12.5万吨以上,当然,考虑到其中老民航飞机维护已经是现有需求的一部分,因此估计新增需求约为10万吨。

    4.2军用航空发动机领域需求超过11万吨

    近年来,中国空军无论是战斗机还是军用大飞机(运输机、加油机等)的研发装配都迈上了新台阶。按照《航空知识》的测算和招商证券的研究,未来20年中国空军将新增战斗机3000架左右,新增军用大飞机400架左右,按照每架战斗机平均装备2台发动机、每台消耗4吨高温合金,每架军用大飞机平均装备4台发动机、每台消耗10吨高温合金计算,就需要4万吨左右高温合金。军机维护相对比较频繁,按照新增战斗机维护2次,新增大飞机维护1次来说,相当新增战斗机发动机需求增加了2倍,新增军用大飞机发动机需求增加了1倍。

    此外,据美国国防部《中国军力报告》和中国《解放军报》等军媒消息,大致可以估算中国海陆空三军现有各类作战飞机3200架左右,排除一些老式飞机和螺旋桨飞机等,需要使用涡轮/涡扇航空发动机的现役军机约2500架。当然,这些飞机中很多将在中国空军的换代潮中被淘汰,但仅按每架维护1台发动机,消耗5吨高温合金的保守估计,仍需要高温合金1.25万吨。

    综上所述,今后20年,军用航空领域的高温合金需求应当在11.6万吨左右。

    4.3燃气轮机领域需求在12万吨左右

    在建设强大中国空军的同时,中国海军的力量也在与日俱增,辽宁号航母的建成只是中国海军梦的起点,国家正致力于打造融合3大近海舰队和若干航母舰队的作战体系。虽然目前中国海军舰艇以燃气轮机为动力的比例还很低,但根据中国海军网站信息,今后海军每年将新增驱逐舰及护卫舰30艘左右,中小型舰艇90艘左右,新增的舰艇肯定会紧跟国际形势,更多配备燃气轮机,因此保守假设其中至少50%的比例会以燃气轮机为动力。

    平均看来,每台大型舰船需要2台大功率燃气轮机(LM2500级),中小型舰船需4台小功率燃气轮机(LM2500级)。虽然数量上没有飞机多,但燃气轮机重量一般较大。以大功率燃气轮机重20吨,高温合金占重量30%,成材率20%计算,就要用高温合金30吨;小型轮机也需要10吨左右。加上维护时的消耗,数量更为巨大。

    当然,除了军舰以外,燃气轮机在民用领域也有广泛应用,国际上看在发电、石油、冶金等领域都有燃气轮机的身影。但国内企业从成本等多方面考虑,可能短期内还不会大规模应用,但即使民用市场仅有军用市场的10%,也将有10000吨左右需求。

    综上所述,今后20年,燃气轮机领域的高温合金新增需求应当在12万吨左右。

    招商证券,《高温合金:现代工业皇冠上的明珠材料》节选

     
     

                                                                                                                 来源:两机动力控制

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