浅析高温合金行业现状及方向

摘要：高温合金是一种具有多种优异性能的合金材料，广泛应用在航空航天发动机领域，本文从高温合金分类、应用领域、市场容量、市场格局和主流发展趋势等方面阐述高温合金的发展。

高温合金通常是指能在600℃以上的高温下及一定的应力作用下长期工作，具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变等性能的一类合金材料，其特性不是强调耐受高温度，而关键在于使用温度下所具有的高强度、高硬度和高稳定性。高温合金通常含有30-40种元素以上，但多以铁、钴、镍为基础元素。近年来，高温合金材料能较大提升航空航天用发动机的性能，因此市场容量稳健增长。

高温合金的分类

高温合金按基础元素、成型工艺和强化方式大体可分为三类（括号内为合金材料应用范围的占比）。按合金所包含的基础元素为维度进行划分：分为铁基高温合金（占14.3%）、钴基高温合金（占5.7%）和镍基高温合金（占80%）；按合金制造工艺为维度进行划分：分为变形高温合金（占70%）、铸造高温合金（占20%）和新型高温合金（粉末高温合金）；按合金强化方式为维度进行划分：分为固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和晶界强化型。

表1 各类高温合金的分类及特性

（根据公开资料整理）

高温合金的应用领域

高温合金军工应用占比八成，航空航天是主要需求力量。高温合金因兼具高温和高强度等突出性能，故广泛应用于军用航空、航天发动机、舰船和工业用燃气轮机的核心热端部件。

高温合金是先进航空发动机的主体材料。涡轮风扇发动机（涡扇发动机）是目前航空发动机的主要类型，高温合金主要应用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热端零部件以及机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件，其中压气机叶片和涡轮盘主要使用变形高温合金，涡轮叶片主要使用铸造高温合金。航空发动机中高温合金的使用量占比在50%以上。

高温合金是舰船燃气轮机重要的结构材料。燃气轮机的结构形式与飞机的喷气式发动机相类似，其构造主要由空气压缩机（压气机）、燃烧室、叶轮系统（涡轮机）及回热装置。高温合金主要应用在燃烧室和涡轮叶片上，且与航空高温合金叶片相比，燃气轮机用高温合金的性能要求更严苛。

高温合金在航天发动机中占据较大比重。航天发动机主要由固体火箭发动机和液体火箭发动机构成，液体火箭发动机是弹道导弹、运载火箭和航天器的主要动力装置，具有比固体火箭发动机易控制、可重复运动等优势，因此应用较广泛。液体火箭发动机主要由燃烧室和喷管、涡轮泵、活门自动器等三大部分组成，燃烧室和涡轮泵因所处工作环境温度较高，故需要采用高温合金材料。

高温合金市场容量

从全球范围看，据Roskill数据统计，2012年全球高温合金总消费量约为28万吨，占钢铁总消费量的0.02%，占比很小，但市场规模约达100亿美元。高温合金均价约1.6万美元/吨，高端产品价格可达两倍以上，远高于不锈钢和粗钢的价格。

从国内范围看，2013年高温合金的供给量约1万吨，需求量约3万吨，截止2016年，供给量约2万吨；在2009年国内高端高温合金的需求量约3000吨，假设每年按15%的速度增长，2018年高端高温合金的市场需求将达1万吨以上。

国内高温合金的市场格局

高温合金市场格局主要分为科研单位和材料生产商两类。主要科研单位10家；母合金生产商9家，其中5家公司上市；锻件热加工厂9家，4家上市公司；高温合金生产商9家，5家上市公司；其下游即军工分系统及总装环节应用，涉及航空、航天、航海等领域。如下图所示，钢研高纳与万泽股份同时具有研发、生产和销售部分（万泽股份科研单位为万泽中南研究院）。钢研高纳、炼石有色、万泽股份、中科三耐等四家上市公司涵盖从母合金生产到高温合金零部件制造整个完整产业链，炼石有色还包括分系统与总装环节。抚顺特钢主要从事母合金生产，应流股份主要从事高温合金零部件铸造。

图1 国内高温合金市场格局

（根据公开资料整理，注：加粗字体代表已上市公司，母合金生产商

宝钢特钢未上市，其母公司宝钢股份已上市）

镍基单晶高温合金是主流发展趋势

近年来，为提高航空发动机的高推重比，一直着重于研发新型材料来提高涡轮前温度，涡轮前温度每提高100卡，推力将增加15%，因此材料的性能直接影响发动机的性能。镍基单晶高温合金因耐温能力更强，因此广受关注。将单晶高温合金按代数进行划分，国外一些国家已经发展至第五代，而国内目前正着手于第三代单晶高温合金的研制（歼20将成为我国第一个使用第三代单晶高温合金发动机的机型），相比世界水平较为落后，未来将是我国攻克的重点。

结语

随着航空航天领域的发展，高温合金的需求稳健增长，其中镍基单晶高温合金将会是主流的发展的趋势，尽管目前军用领域的占比较大，但高温合金领域难题的不断攻克，未来民用领域的应用热潮将会值得期待。