航空发动机用高温合金占高温合金需求量的一半以上。 随着一批国产新型航空发动机进入量产，高温合金需求预计将快速增长。 以歼10B、歼15、歼16为代表的多款三代、半代战斗机相继服役，WS-10发动机的需求持续增长。 未来几年，随着国产大型运输机运20的投产，大涵道比发动机将进入量产阶段； 小涵道比的中推力和小推力航空发动机也将逐步进入批量生产。 国产航空发动机需求的增长将带动航空用高温合金需求进入快速增长期。
高温合金也越来越多地应用于民用工业。 高温合金在燃气轮机、汽车涡轮增压器、核电、石油石化等行业有着重要的应用。 工业化的推进和国内高端装备制造的发展将持续带动民用工业对高温合金的需求。 目前民用高温合金占总需求量的20%，预计未来这一比例将继续增加。
根据我们的测算，我们认为，到2020年，我国高温合金需求量约为4万吨，对应市场空间为90.5亿元：航空航天发动机、汽车废气涡轮增压器、核电等高温合金需求增长产业将带动产业需求的爆发。 目前，我国高温合金产能约为1.26万吨，实际产量约为8000-9000吨。 预计未来七年高温合金需求复合增长率将超过20%。
1、高温合金概述
（一）高温合金介绍及分类
高温合金是一类能在600℃以上高温和一定应力下长期工作的金属。 高温合金区别于传统金属和合金的特点是：合金在高温工作环境下具有较高的强度，良好的抗氧化和热腐蚀能力，良好的疲劳性能、断裂韧性，在各种温度下保持良好的性能。 它具有结构稳定性、工作可靠性等综合性能，在西方又称高温合金。
高温合金材料是航空发动机的首选材料，在现代航空工业的发展中占有不可替代的地位。 其规模发展直接决定了航空装备的发展水平。 此外，高温合金还广泛应用于航空航天发动机的热端部件。 随着工业化的发展，民用高端装备行业对高温合金材料的需求不断上升。 高温合金的耐高温、耐磨、耐腐蚀特性使其广泛应用于柴油及内燃机涡轮增压、燃气轮机、能源电力、石油化工、玻璃建材等领域。 当其广泛应用于民用工业时，高温合金在民用工业中的使用量已增加到20%左右。
高温合金可根据材料形成方式、基体元素类型、合金强化类型等分为：
1）根据材料成形方法，高温合金可分为变形高温合金、铸造高温合金（包括普通精密铸造合金、定向凝固合金、单晶合金等）、粉末冶金高温合金-高温合金（包括普通粉末冶金高温合金和氧化物弥散强化高温合金ODS）；
2）根据基体元素类型，高温合金可分为铁基、镍基、钴基等；
3）根据合金强化类型，高温合金可分为固溶强化高温合金和时效沉淀强化合金。
（二）高温合金材料的技术难点与创新
高温环境下材料的各种降解速度都会加快。 使用过程中，在温度和应力的作用下，容易发生组织失稳、变形和裂纹扩展以及材料表面的氧化腐蚀。 高温合金的耐高温、耐腐蚀等性能主要取决于其化学成分和组织结构。
高温合金材料的成分比较复杂，含有铬、铝等活性元素。 它在氧化或热腐蚀环境中化学稳定。 同时，加工零件表面留下加工硬化、残余应力等缺陷，这是材料的化学劣化。 性能和机械性能受到相对不利的影响。 高温合金材料由于合金化程度高，容易出现成分偏析，对铸造高温合金和变形高温合金的组织和性能产生重大影响。 高温合金的这些特性决定了其不同于普通金属材料的加工工艺。
高温合金的发展是合金理论和生产工艺技术不断完善和创新的过程。 通过合金强化+工艺强化，不断提高合金的材料性能。 合金强化包括合金固溶强化、第二相强化剂晶界强化等； 工艺强化包括改善熔炼、凝固和结晶、热加工、热处理和表面处理以改善合金组织等。
高温合金的生产过程主要包括冶炼、铸造和热处理三个过程。 生产工艺对高温合金材料的力学性能有重大影响。 新工艺的推出往往使高温合金的性能产生飞跃，开发出一批新型高温合金，从而推动一代航空发动机和飞机的发展。 较旧的合金还可以改进工艺以提高材料性能。
例如，单晶涡轮叶片的应用极大地促进了航空航天发动机的进步。 F-22使用的F119航空发动机的涡轮转子叶片采用第三代单晶高温合金PWA1484制成。 材料本身的最高工作温度约为1070℃。 由于采用计算流体动力学程序设计和制造过冷叶片，涡轮转子叶片的工作温度提高到1621~1677℃（F100发动机为1400℃），可见工艺创新在材料开发中的重要地位。
高温合金材料制备技术和工艺仍在不断进步和创新。 例如，熔炼工艺采用真空感应+电渣重熔+真空骄傲熔炼三重工艺，真空耗材熔炼采用先进的熔炼控制方法； 通过定向凝固柱状合金和单晶合金工艺技术，提高材料的高温强度； 粉末冶金方法用于减少合金元素的偏析，提高材料强度。 此外，氧化物弥散强化高温合金和金属间化合物高温材料也在不断开发和创新。
2、高温合金的应用
研究表明，航空发动机用高温合金占高温合金总需求量的一半以上。 此外，还广泛应用于电力、汽车、机械等行业。
(1)航空发动机
航空发动机被誉为“工业之花”，是航空工业中技术含量最高、难度最大的零部件之一。 作为飞机动力装置，金属结构材料具有轻质、高强、高韧性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能尤为重要。 这几乎是结构材料中最高的性能要求。
航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关。 高温合金是推动航空发动机发展的最关键的结构材料。 军用飞机发动机通常可以通过其推重比（推力/重量）来综合评价。 提高推重比最直接、最有效的技术措施是提高涡轮前气体温度。 因此，高温合金材料的性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。 随着航空装备的不断升级，航空发动机的推重要求不断提高，发动机对高性能高温合金材料的依赖程度越来越高。
在现代先进航空发动机中，高温合金材料的用量占发动机总量的40%-60%。 在航空发动机中，高温合金主要应用于燃烧室、导流叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热部部件； 此外，它们还用于壳体、环、加力燃烧室和尾喷管等部件。
军用航空发动机通常用其推重比来综合判断发动机的水平。 提高推重比最直接、最有效的技术措施是提高涡轮前气体温度。
燃烧室
燃烧室的作用是将燃料的化学能释放成热能，是动力机械能的发源地。 燃烧室产生的气体温度在1500~2000℃之间。 剩余的压缩空气在燃烧室周围流动并穿过燃烧室壁上的槽以保持燃烧室壁冷却。 燃烧管的合金材料可耐800~900℃以上的温度，有的地方可达1100℃。
制造燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢； 其中，变形高温合金是最大、最关键的。 传统的高温合金板材由于受到合金熔点的限制，基本上已经达到了其最终使用温度，难以进一步发展。 为了进一步开发燃烧室用高温合金材料，必须研究新的材料基体和材料制备工艺。 目前国际上正在开发的新材料有碳/碳复合材料、高温陶瓷材料、氧化物弥散强化合金、金属间化合物、高温高强钛合金等。
导向叶片
导流叶片是调节从燃烧室出来的气体流动方向的部件。 它是飞机发动机上受热冲击最大的部件之一。 一般来说，同等条件下导流叶片的温度比涡轮叶片高100℃左右，但叶片所受的应力相对较低。
熔模铸造技术取得突破后，铸造高温合金已成为导向叶片的主要制造材料。 近年来，由于定向凝固技术的发展，采用定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中； 此外，FWS10发动机涡轮导流器后篦环的制造采用了氧化物弥散强化高温合金。
涡轮盘
涡轮盘在四个热端部件中质量最大。 涡轮盘工作时，轮缘温度达到550-750℃，而轮心温度只有300℃左右。 整个元件温差较大； 旋转时承受很大的离心力； 在启动和停车过程中，它能承受较大的压力和较低的疲劳周期。
涡轮盘制造所用的主要材料是改性高温合金，其中G4169合金是用量最大、应用范围最广的主要品种。 近年来，随着航空发动机性能的不断提高，对涡轮盘的要求也越来越高。 粉末涡轮盘具有结构均匀、晶粒细小、强度高、塑性好等优点，使其成为航空发动机理想的涡轮盘合金。 但我国工艺生产的粉末涡轮盘夹杂物较多，正在进一步开发中。
涡轮叶片
涡轮叶片是航空发动机最关键的部件。 涡轮叶片的工作环境极其恶劣。 涡轮叶片在承受高温的同时，必须承受较高的离心应力、振动应力、热应力等。 涡轮叶片制造所用的主要材料是铸造高温合金。 随着近三十年来铸造技术的发展，普通精密铸造、定向和单晶铸造叶片合金已得到广泛应用。 国际上单晶合金发展迅速，已研制出五代单晶合金，成为高性能航空发动机和高温涡轮叶片的主要材料。 我国于20世纪80年代开始单晶合金的研制。 据史昌旭专着《中国高温“合金50年”》介绍，第二代单晶合金已应用于先进发动机。
(2)航空航天发动机
航空发动机特殊的工作环境，要求所用材料必须承受高温、高压、高温梯度变化、高动载荷和特殊环。 因此，对材料的综合性能和加工性能提出了很高的要求。 高温合金材料在航空发动机中已占相当大的比例，其在发动机中的应用比例接近总重量的一半。 高温合金材料技术的发展直接影响航空航天发动机的发展水平。
原则上，航天发动机用高温合金都可以用于航天发动机。 然而，航空发动机材料除了要承受高温冲击外，还具有低温（-100℃以下）环境要求。 由于高温合金精密铸造工艺的限制，形状极其复杂的结构件过去并未真正应用于航空发动机上。 随着技术的进步，航空航天发动机上许多关键热件均采用无余量整体高温合金精密铸件，简化了发动机结构，减轻了发动机重量，减少了焊接件数量，缩短了研制生产周期循环，降低了开发和生产成本，提高了发动机的可靠性。 随着航空发动机技术的进步，航空发动机所用高温合金逐渐呈现出复杂化、薄壁化、复合化、多重集成化、无余量的趋势。 典型例子包括涡轮转子、导轨、泵壳等。
我国的“长征”系列火箭和“神舟”系列飞船在其发动机核心部件中均采用高温合金材料。 目前，应用于航天领域的液氧煤油、液氧液氢航天发射发动机和小型涡喷涡扇发动机已定型并开始批量生产。 国内对航空航天用高温合金中间合金和精密铸件的需求也在不断增长。 进入新的增长时期。
(3)高温合金在民用和工业领域的应用
随着工业化的推进和产业高端化、规模化的发展，民用工业对高温合金的需求也日益增长。 高温合金也是船舶、火车、汽车涡轮增压器叶片和各种工业燃气轮机叶片的首选材料； 铁路运输的提速、造船业（特别是出口造船）的高质量要求、船舶动力的高效率要求、工业燃气轮机应用的快速发展等都迫切需要高性能高温合金中间合金。 目前，国内民用工业用高温合金占高温合金总需求量的20%，而美国50%的高温合金用于民用工业。 高温合金可以从上海博虎集团定制。
燃气轮机是高温合金的另一个主要用途。 燃气轮机装置是以空气和燃气为介质的旋转式热机。 其结构与飞机喷气发动机一致，与蒸汽轮机相似。 燃气轮机的基本原理与蒸汽轮机非常相似。 不同的是，工质不是蒸汽，而是燃料燃烧后的烟气。 燃气轮机属于内燃机，因此也称为内燃式燃气轮机。 其结构有空气压缩机、燃烧室、叶轮系统和热回收装置四部分组成。
对燃气轮机的需求正在快速增长。 除用于发电外，还用于船舶动力和散装天然气加气站。 与航空用高温合金叶片相比，燃气轮机用高温合金叶片使用寿命长（10万小时）、耐热腐蚀、尺寸大、质量要求高。
汽车废气涡轮增压器
汽车尾气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。 目前，我国涡轮增压器厂家使用的涡轮叶轮多为镍基高温合金涡轮叶轮，它与涡轮轴、压气机叶轮一起构成转子。 此外，内燃机的气门座、嵌件、进气门、密封弹簧、火花塞、螺栓等均可采用铁基或镍基高温合金制造。
涡轮增压系统对燃油效率和性能有显着影响。 涡轮增压利用发动机排出的废气的能量来驱动涡轮室内的涡轮。 涡轮依次驱动同轴叶轮。 叶轮对空气过滤管送来的空气加压，将其压入气缸。 当发动机转速增加时，废气排出速度和涡轮转速也同时增加。 叶轮将更多的空气压缩到气缸中。 空气的压力和密度增加，可以燃烧更多的燃料。 相应增加燃油量可以提高发动机的效率。 输出功率。 一般来说，安装废气涡轮增压器后发动机的功率和扭矩会增加20%-60%。 2008年，我国汽车工业仅涡轮转子用高温中间合金的需求量就超过1900吨。
高温合金在核电等领域的应用
核电工业中使用的高温合金包括：燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位栅格、高温煤气炉热交换器等，是其他材料难以替代的。 例如，燃料元件包壳管的管壁在运行过程中需要承受600-800℃的高温，并要求较高的蠕变强度。 因此，大量使用高温合金材料。
高温合金材料还广泛应用于玻璃制造、冶金、医疗器械等领域。 玻璃行业使用的高温合金零件有十几种类型，如：生产玻璃棉的离心头和火焰吹制坩埚，生产平板玻璃的转向辊拉管机的大轴、端部和通气管等。 、玻璃熔炉窑炉料道、闸门、马弗盖、料碗和电极棒等。在冶金工业中可用作轧机加热炉的垫板、连续线材轧制的导向板、热电偶保护套用于高温炉等医疗器械领域的人工关节等
3、高温合金市场空间测算
根据测算，我们认为到2020年，国内高温合金需求量约为39275吨，对应市场空间为90.5亿元。
(1)航空发动机需求
假设1：在航空航天发动机中，高温合金占总重量的40%-60%，在先进发动机中这一比例超过50%甚至更多。 我们判断，随着航空工业的持续发展和高温合金材料技术的进步，这一比例将不断增加。 我们假设高温合金占军用航空发动机重量的60%，占民用航空发动机和其他军用飞机重量的40%。
假设2：通过对比国内外同类飞机发动机的规格，假设军用战斗机发动机重量约为1.7吨，军用运输机和大型民用飞机发动机重量约为4吨，其他飞机发动机重量约为4吨航空发动机重约1吨。
假设3：高温合金的材料性能和加工难度高于普通合金和钢，其材料成形率远低于普通特殊钢。 我们预计1）铸轧过程中材料成形率约为70-80%； 2）中间合金加工时，废品率约为80%，整个过程的材料利用率为15%-20%。 我们假设高温合金整个工艺的材料利用率为20%。
综上，我们测算每架战斗机发动机平均使用高温合金5.1吨，军用运输机航空发动机使用高温合金12吨，其他军用航空发动机使用高温合金2吨，民用大型飞机航空发动机使用8吨高温合金。
据测算，未来20年我国军用飞机发动机高温合金需求量为17.75万吨，民用大中型飞机发动机高温合金需求量为7.36万吨。 此外，低空开放有望打通我国通用航空发展瓶颈。 未来20年，通用航空飞机数量将超过2万架。 按平均一台发动机计算，通用航空发动机对高温合金的需求量将达到5万吨。
综上，我们预测未来20年航空发动机高温合金需求量为30.11万吨，年均市场空间为1.51万吨。
(2)燃气轮机需求
军事应用占据了世界船用燃气轮机市场的绝大多数。 在军事领域，75%以上的海军主力舰艇采用燃气轮机提供动力； 在民用市场，燃气轮机主要应用于高速客船。
目前中国海军船用燃气轮机装机率较低。 现役主力舰艇中只有10艘配备了船用燃气轮机。 分别是2艘052型驱逐舰（装备LM2500）、2艘052B型驱逐舰、6艘052C型驱逐舰（装备UGT-25000和QC280）。 其动力配置为交流柴油动力（CODOG），每艘船配备2台燃气轮机和2台柴油机。
随着我国多型号船用燃气轮机的研制成功，内燃机的普及有望在中短期内加速。 我们认为燃气轮机的普及将以30MW船用燃气轮机为主，4MW小功率船用燃气轮机为辅。 其中，30MW燃气轮机主要应用于大型驱逐舰、护卫舰等； 4MW燃气轮机主要应用于气垫登陆艇和导弹快艇。
参考LM2500燃气轮机重量，假设国产燃气轮机重20吨，高温合金占重量的30%，成品率20%，单台使用高温合金国产燃气轮机为30吨。
未来15年，我们认为海军将形成以3支近海防御舰队+若干航母编队+若干两栖攻击/登陆编队为主的作战体系。 考虑到燃气轮机的应用，常规/核动力航母和两栖攻击/船坞登陆舰将其作为主要动力源的可能性较小。 使用燃气轮机的新舰艇很可能主要装备在航母编队和两栖攻击/登陆编队中。 该舰队主要装备驱逐舰和护卫舰，而近海防御舰队仅装备新型隐形导弹艇。
基于未来15年建成5个航母编队（2个常驻+3个核）、3个两栖攻击/登陆编队和3个近海防御舰队的假设，并考虑到燃气轮机的更新和维护，我们预计未来15年30MW燃气轮机需求量为600台，4MW燃气轮机需求量为1476台。 据测算，未来15年燃气轮机高温合金需求量将达到6.23万吨，平均每年4152吨。
(3)汽车尾气增压涡轮
高温合金主要用于制造汽车涡轮增压器，也用于排气阀、燃烧器、发热器等零件。
涡轮增压系统对燃油效率和性能有显着影响。 涡轮增压利用发动机排出的废气的能量来驱动涡轮室内的涡轮。 涡轮依次驱动同轴叶轮。 叶轮对空气过滤管送来的空气加压，将其压入气缸。 当发动机转速增加时，废气排出速度和涡轮转速也同时增加。 叶轮将更多的空气压缩到气缸中。 空气的压力和密度增加，可以燃烧更多的燃料。 相应增加燃油量可以提高发动机的效率。 输出功率。 一般来说，安装废气涡轮增压器后发动机的功率和扭矩会增加20%-60%。
废气增压器涡轮的生产在国外已有60多年的历史。 目前，国外重型柴油机的增压器配置率为100%，中小型柴油机的配置比例也在不断提高。 英国、美国、法国等国家已达到80%左右。
国内涡轮增压器配置率将不断提高，特别是汽油机涡轮增压器配置率。 还有巨大的改进空间。 面对日益增大的环保和能源压力，内燃机节能减排已是大势所趋。 涡轮增压是内燃机节能减排的有效手段。 汽油机的节油效果为5-10%，柴油机的节油效果约为10-20%。 2012年，我国内燃机涡轮增压器综合配置率为6.7%； 其中，车用柴油机配置率为62%。 未来增长点主要来自轻卡装配率的提升； 而车用汽油机的配置率仅为5%左右，未来还会增加。 空间很大。
根据Gangyan Gaona的招股说明书，据估计，我国目前对10,000辆汽车高温合金的需求为2.04吨。 随着涡轮增压器配置速率的提高，每10,000辆汽车的高温合金使用将继续增加。
我们假设2013年每10,000辆汽车将有2吨高温合金，未来20年的复合增长率为5％。 到2020年，汽车生产的复合增长率将为5％，从2020年到2030年，汽车生产的复合增长率将为3％。根据估计，2020年对汽车高温合金的需求将为8,715吨2030年和19,000吨。
（4）核工业
核能中使用的高温合金的主要部分包括燃料元件包层管，燃料元件定位框架，高温燃气炉热交换器等。每一个600,000 kilowatt核电站都需要100吨蒸发器“ U”形状 - 传热管。 此外，反应堆内部组件，核燃料套件套管等中使用了大量不锈钢精密管和控制棒。这样，只有一个600,000千瓦的核电站的核心需要600吨以上各种核级管。
国内生产的核电设备的应用也将推动核电力设备零件供应市场。 根据媒体报道的中国通用核电集团主席He Yu的讲话，我的国家目前在运营和建设中总共有4875万千瓦的核电，以及正在建设中的核电单位的数量世界上的第一个。
根据我国家修订的核电开发目标，2015年，核电力组装能力的规模达到了40GW，并完成了。 在2020年，核能安装的能力目标为58GW，正在运行 + 30GW。 在接下来的七年中，必须在中国开始40GW，相当于35-40千万千瓦。 单元。
我们假设一个100万千瓦的单元需要1,000吨各种高温合金。 在接下来的七年中，核电行业对高温合金的总需求约为35,000吨-40,000吨，平均每年为5,000吨-5,700吨。
（5）航空航天，核工业和其他行业
考虑到航空航天发动机每年发射的数量很少并且需求稳定，我们估计对航空航天发动机高温合金的年度需求约为400-600吨。
此外，假设航空航天，航空航天，燃气轮机，汽车和核工业占超级合金总需求的85％，那么其他行业的年度超合金需求约为5,900吨。
