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高溫合金的性能、應(yīng)用及市場分析
發(fā)布人：上海艾荔艾合金股份有限公司www.shailiai.cn
更新時間：2016-05-14
高溫合金，又稱超合金，高溫合金是一種能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金的材料特征使其成為航空發(fā)動機中不可替代的關(guān)鍵材料。在世界先進發(fā)動機研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動機總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽為“先進發(fā)動機基石”。
高溫合金，又稱超合金，高溫合金是一種能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金的材料特征使其成為航空發(fā)動機中不可替代的關(guān)鍵材料。在世界先進發(fā)動機研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動機總量的40%~60%。所以，高溫合金材料也被譽為“先進發(fā)動機基石”。
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航空發(fā)動機用高溫合金占高溫合金需求的一半以上。隨著國內(nèi)一批新型號航空發(fā)動機進入量產(chǎn)，高溫合金需求有望快速增長。以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機陸續(xù)進入列裝，WS-10發(fā)動機需求持續(xù)增長。未來幾年，隨著國產(chǎn)大型運輸機運20的投產(chǎn)，大涵道比發(fā)動機將進入量產(chǎn)階段；小涵道比中推、小推航空發(fā)動機也將逐步進入量產(chǎn)。國產(chǎn)航空發(fā)動機需求的增長將驅(qū)動航空用高溫合金需求進入快速增長期。
高溫合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。高溫合金在燃?xì)廨啓C、車用渦輪增壓器、核電、石油石化等行業(yè)有著重要的應(yīng)用。工業(yè)化的推進和國內(nèi)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展將持續(xù)拉動民用工業(yè)對高溫合金的需求，目前民用高溫合金占總需求的20%，未來這一比例有望持續(xù)提升。
? ? 我們根據(jù)測算認(rèn)為，到2020年，我國高溫合金需求約為4萬噸，對應(yīng)市場空間90.5億元：航空發(fā)動機、汽車廢氣渦輪增壓器、核電工業(yè)用高溫合金需求的增長將驅(qū)動行業(yè)需求的爆發(fā)。而目前，我國高溫合金產(chǎn)能約1.26萬噸，實際產(chǎn)量8000-9000噸左右。高溫合金未來7年的需求復(fù)合增長率有望超過20%。
一、高溫合金概覽
（一）高溫合金簡介及分類
高溫合金是在600℃以上的高溫及一定及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性，并在各種溫度下保持良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性等綜合性能，在西方也稱之為超合金（Superalloys）。
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高溫合金材料是航空發(fā)動機首選材料，在現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展中處于不可替代的位置，它的規(guī)模發(fā)展與否直接決定了航空裝備的發(fā)展水平。此外，高溫合金也廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動機的熱端部件。伴隨工業(yè)化發(fā)展，民用高端裝備工業(yè)對高溫合金材料的需求呈不斷上升趨勢，高溫合金的耐高溫耐磨耐腐蝕的特點使其在柴油機和內(nèi)燃機渦輪增壓、燃?xì)廨啓C、能源動力、石油化工、玻璃建材等民用工業(yè)中的有廣泛的應(yīng)用，民用工業(yè)的高溫合金使用量已經(jīng)提高到20%左右。
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高溫合金可以根據(jù)材料成型方式、基體元素種類、合金強化類型等來劃分：
1）根據(jù)材料成型方式，高溫合金可以分為變形高溫合金、鑄造高溫合金（包含普通精密鑄造合金、定向凝固合金、單晶合金等）、粉末冶金高溫合金（包含普通粉末冶金高溫合金和氧化物彌散強化高溫合金ODS）；
2）根據(jù)基體元素種類，高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等；
3）根據(jù)合金強化類型，高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。
（二）高溫合金材料技術(shù)難點與創(chuàng)新
高溫環(huán)境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發(fā)生組織不穩(wěn)定、在溫度和應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕等。高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)。
高溫合金材料成分十分復(fù)雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學(xué)部穩(wěn)定，同時機加工制成的零件表面留下加工硬化和殘余應(yīng)力等缺陷，為材料的化學(xué)性能和力學(xué)性能帶來十分不利的影響。由于合金化程度高，高溫合金材料極易產(chǎn)生成分偏析，這種偏析對鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織與性能都有重大影響。高溫合金的這些特點決定了它區(qū)別于普通金屬材料的加工工藝。
高溫合金的發(fā)展是合金理論與生產(chǎn)工藝技術(shù)不斷改善和革新的過程，通過合金強化+工藝強化來不斷結(jié)合提高合金的材料性能。合金強化包括合金固溶強化、第二相強化劑晶界強化等；工藝強化包括改善冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)改善合金組織結(jié)構(gòu)等。
高溫合金的生產(chǎn)工藝主要包含熔煉、鑄造、熱處理三個過程。生產(chǎn)工藝對高溫合金材料力學(xué)性能的影響重大，一項新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個飛躍，發(fā)展處一批新型高溫合金，進而推動一代航空發(fā)動機和航空飛機的發(fā)展。老型號的合金也可以改善工藝達(dá)到材料性能的提高。
例如，單晶渦輪葉片的應(yīng)用顯著地推進了航空發(fā)動機的進步。F-22用的航空發(fā)動機F119的渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用了第三代單晶高溫合金PWA1484，該材料本身的最高工作溫度為1070℃左右，由于采用了計算流體動力學(xué)程序設(shè)計制造了超級冷卻葉片，使渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工作溫度提高至1621～1677℃（F100發(fā)動機為1400℃），可見工藝創(chuàng)新在材料發(fā)展中的重要地位。
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高溫合金材料制備技術(shù)與工藝仍處于不斷的進步和創(chuàng)新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應(yīng)+電渣重熔+真空自豪熔煉三聯(lián)工藝，真空自耗熔煉采用了先進熔煉控制方法等；通過定向凝固柱晶合金和單晶合金工藝技術(shù)提高材料的高溫強度；采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強度等。此外，氧化物彌散強化高溫合金、金屬間化合物高溫材料也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新中。
二、高溫合金的應(yīng)用
有研究表明，航空發(fā)動機用高溫合金占高溫合金總需求一半以上，此外還廣泛應(yīng)用于電力、汽車、機械等行業(yè)中。
（一）航空發(fā)動機
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航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。
航空發(fā)動機的技術(shù)進步與高溫合金的發(fā)展密切相關(guān)，高溫合金是推動航空發(fā)動機發(fā)展的最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。軍用航空發(fā)動機通常可以用其推重比（推力/重量）綜合地評定發(fā)動機的水平。提高推重比最直接和最有效的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取Ｒ虼烁邷睾辖鸩牧系男阅芎瓦x擇是決定航空發(fā)動機性能的關(guān)鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級，對航空發(fā)動機推重的要求比不斷提高，發(fā)動機對高性能高溫合金材料的依賴越來越大。
在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(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。
軍用航空發(fā)動機通常以其推重比的大小來綜合判定發(fā)動機的水平。提高推重比最直接、最有效的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取?/span>
燃燒室
燃燒室的功用是把燃油的化學(xué)能釋放變?yōu)闊崮埽莿恿C械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達(dá)800~900℃以上，局部可達(dá)1100℃。
用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼；其中用量最大、最為關(guān)鍵的是變形高溫合金。由于傳統(tǒng)的高溫合金板材受限于合金的熔點的限制，現(xiàn)在基本已經(jīng)達(dá)到其極限使用溫度，難以進一步發(fā)展。要使燃燒室用高溫合金材料進一步發(fā)展，必須研究全新的材料基體和材料制備工藝。目前國際在研的新材料有碳/碳復(fù)合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強化合金、金屬間化合物、高溫高強鈦合金等。
導(dǎo)向葉片
導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃臃较虻牟考呛娇瞻l(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導(dǎo)向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應(yīng)力比較低。
在熔模精鑄技術(shù)突破后，鑄造高溫合金成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動機渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強化高溫合金。
渦輪盤
渦輪盤在四大熱端部件中所占質(zhì)量最大。渦輪盤工作時，輪緣溫度達(dá)550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個部件的溫差大；轉(zhuǎn)動時承受重大的離心力；啟動和停車過程中承受大應(yīng)力低疲勞周期。
用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中GH4169合金是用量最大、應(yīng)用范圍最廣的一個主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動機性能不斷提高，對渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細(xì)小、強度高、塑性好等優(yōu)點使其成為航空發(fā)動機上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進一步研制中。
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渦輪葉片
渦輪葉片是航空發(fā)動機上最關(guān)鍵的構(gòu)件，渦輪葉片的工作環(huán)境最惡劣，渦輪葉片在承受高溫同時要承受很大的離心應(yīng)力、振動應(yīng)力、熱應(yīng)力等。用于渦輪葉片制造的主材材料是鑄造高溫合金。近三十多年來鑄造工藝的發(fā)展，普通精鑄、定向和單晶鑄造葉片合金得到了廣泛應(yīng)用。單晶合金在國際上得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了五代單晶合金，成為高性能現(xiàn)金航空發(fā)動機高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀(jì)80年代開始單晶合金研制，根據(jù)專著《中國高溫合金50年》（師昌緒），第二代單晶合金已經(jīng)在先進發(fā)動機中進行使用。
（二）航天發(fā)動機
航天發(fā)動機中的特殊工作環(huán)境要求使其使用材料必須受高溫、高壓、高的溫度梯度變化、高動態(tài)載荷和特殊戒指的考驗，因此對材料的綜合性能和加工性能提出了很高的要求。高溫合金材料已經(jīng)占據(jù)了航天發(fā)動機相當(dāng)大的比重，在發(fā)動機中的應(yīng)用比比例接近總重量的一半，高溫合金材料技術(shù)的發(fā)展直接影響航天發(fā)動機研制水平。
航天發(fā)動機用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動機用高溫合金，但航天發(fā)動機材料除了承受高溫沖擊外，還有低溫（-100℃以下）環(huán)境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝限制，過去形狀極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件在航天發(fā)動機上一直沒有真正加以應(yīng)用。隨著工藝的進步，航天發(fā)動機上的許多關(guān)鍵熱部件都采用了無余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡化了發(fā)動機結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動機重量，減少了焊接部分，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低研制和生產(chǎn)成本，提高發(fā)動機可靠性。隨著航天發(fā)動機技術(shù)的進步，航天發(fā)動機用高溫合金逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化、薄壁化、復(fù)合化、多位一體、無余量的趨勢。典型的有渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、泵殼體等。
我國的“長征”系列火箭以及“神舟”系列飛船，發(fā)動機的核心部分都采用了高溫合金材料。目前，航天領(lǐng)域使用的液氧煤油和液氧液氫航天運載發(fā)動機、小型渦噴渦扇發(fā)動機已經(jīng)定型，并開始批量生產(chǎn)，國內(nèi)對航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長，進入一個新的增長期。
（三）民用工業(yè)高溫合金的應(yīng)用
隨著工業(yè)化的推進，工業(yè)向高端、大型化發(fā)展，高溫合金在民用工業(yè)中的需求也日益增長。高溫合金合金也是艦船、火車、汽車渦輪增壓器葉片及各類工業(yè)燃機葉片的優(yōu)選材料；鐵路運輸?shù)母咚倩⒃齑瑯I(yè)的高品質(zhì)要求（特別是出口造船）、艦艇動力的高效要求、工業(yè)燃機應(yīng)用的高速發(fā)展等急需高性能的高溫合金母合金。目前，國內(nèi)民用工業(yè)高溫合金占高溫合金總需求的20%，而美國50%的高溫合金應(yīng)用于民用工業(yè)領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C
燃?xì)廨啓C是高溫合金的另一個主要用途。燃?xì)廨啓C裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，它的結(jié)構(gòu)與飛機噴氣式發(fā)動機一致，也類似蒸汽輪機。燃?xì)廨啓C的基本原理與蒸汽輪機很相似，不同處在于工質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃?xì)廨啓C屬于內(nèi)燃機，所以也叫內(nèi)燃?xì)廨啓C。構(gòu)造有四大部分：空氣壓縮機，燃燒室，葉輪系統(tǒng)及回?zé)嵫b置。
燃?xì)廨啓C的需求增長迅速，除用于發(fā)電外，還用于艦船動力、天然氣疏松的加氣站等。與航空用高溫合金葉片相比，燃?xì)廨啓C用高溫合金的使用壽命長（10萬小時），耐熱腐蝕、尺寸大，質(zhì)量要求很高。
汽車廢氣渦輪增壓器
汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，我國渦輪增壓器生產(chǎn)廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機葉輪共同組成一個轉(zhuǎn)子。此外內(nèi)燃機的閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。
渦輪增壓系統(tǒng)對燃油效率和性能提升均有明顯效果。渦輪增壓是利用發(fā)動機排出的廢氣的能量來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率及扭矩要增大20%—60%。2008年中國汽車工業(yè)僅渦輪轉(zhuǎn)子對高溫母合金的需求就在1,900噸以上。
核電與其它領(lǐng)域的高溫合金應(yīng)用
核電工業(yè)使用的高溫合金包括：燃料元件包殼材料、結(jié)構(gòu)材料和燃料棒定位格架，高溫氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以代替的。例如，燃料元件包殼管的管壁在工作時需承受600-800℃的高溫，需要較高的蠕變強度，因此大量采用高溫合金材料。
高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域也有著廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應(yīng)用的高溫合金零件多達(dá)十幾種，如：生產(chǎn)玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產(chǎn)用的轉(zhuǎn)向輥拉管機大軸、端頭和通氣管、玻璃爐窯的料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業(yè)的軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導(dǎo)板和高溫爐熱電偶保護套管等。醫(yī)療器械領(lǐng)域的人工關(guān)節(jié)等。
三、高溫合金的市場空間測算
根據(jù)測算，我們認(rèn)為到2020年，國內(nèi)高溫合金需求約為39275噸，對應(yīng)市場空間90.5億元。
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（一）航空發(fā)動機需求
假設(shè)1：在航空發(fā)動機中高溫合金占總重量的40%-60%，在先進發(fā)動機中這一比例超過50%甚至更多。我們判斷，隨著航空工業(yè)的繼續(xù)發(fā)展和高溫合金材料科技的進步，這一比例還將繼續(xù)提升。我們假設(shè)高溫合金占軍用航空發(fā)動機重量的60%，占民用航空發(fā)動機和其他軍機重量的40%。
假設(shè)2：通過與已有國內(nèi)外相似型號飛機發(fā)動機規(guī)格對比，我們假設(shè)軍用戰(zhàn)斗機發(fā)動機重量約1.7噸，軍用運輸機、民用大飛機發(fā)動機重量約4噸，其他飛機航空發(fā)動機重量約1噸。
假設(shè)3：高溫合金的材料性能、加工難度要高于普通合金和鋼材，其材料成型率遠(yuǎn)低于一般特鋼。我們估計，1）在鑄造和軋制過程中材料成型率70-80%左右；2）母合金進行加工時，廢品率80%左右，全流程材料利用率15%-20%，我們假設(shè)高溫合金全流程材料利用率為20%。
綜上，我們預(yù)計每臺戰(zhàn)斗機航空發(fā)動機平均使用高溫合金5.1噸，軍用運輸機航空發(fā)動機用高溫合金12噸，其他軍用航空發(fā)動機高溫合金2噸；民用大飛機航空發(fā)動機用高溫合金8噸。
根據(jù)測算，未來20年我國軍用航空發(fā)動機高溫合金需求為17.75萬噸，民用大中型飛機發(fā)動機高溫合金需求為7.36萬噸。此外，低空開放將有望打開我國通用航空發(fā)展的瓶頸，未來20年通用航空保有量超過20000架，以平均1臺發(fā)動機測算，通用航空發(fā)動機高溫合金需求為5萬噸。
綜上，我們預(yù)測未來20年航空發(fā)動機高溫合金需求為30.11萬噸，平均每年市場空間1.51萬噸。
（二）燃?xì)廨啓C需求
軍事應(yīng)用占世界船用燃?xì)廨啓C市場絕大多數(shù)份額。在軍用領(lǐng)域，有75%以上的海軍主力艦艇采用燃機動力；在民用市場，燃機主要應(yīng)用于高速客船中。
我國海軍目前船用燃機裝艦率較低。已服役主力艦艇中僅有10艘驅(qū)逐艦裝備有船用燃機。分別是2艘052型驅(qū)逐艦（裝備LM2500），2艘052B型驅(qū)逐艦、6艘052C型驅(qū)逐艦（裝備UGT-25000及QC280）。其動力配置方式均為柴燃交替動力（CODOG），每艦配備有2臺燃機和2臺柴油機。
隨著中國多型船用燃機相繼研制成功，中短期內(nèi)燃機普及有望提速。我們認(rèn)為，燃機普及將以30MW級船用燃機為核心，輔以4MW級小功率船用燃機。其中，30MW級燃機主要用于大型的驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦等；4MW級燃機主要用于氣墊登陸艇和導(dǎo)彈快艇。
參考LM2500燃?xì)廨啓C重量，我們假設(shè)國產(chǎn)燃?xì)廨啓C重20噸，高溫合金占重量30%，成材率20%，單臺國產(chǎn)燃?xì)廨啓C用高溫合金30噸。
未來15年，我們認(rèn)為海軍將形成3大近海防御艦隊+若干支航母編隊+若干只兩棲攻擊/登陸編隊為主體的作戰(zhàn)體系。考慮到燃機應(yīng)用情況，常規(guī)/核動力航母、兩棲攻擊/船塢登陸艦將其作為主要動力源的可能性較小，應(yīng)用燃機的新型艦艇很可能主要配備在航母編隊和兩棲攻擊/登陸編隊中，且以驅(qū)逐艦和護衛(wèi)艦為主，近海防御艦隊則僅配備新型隱身導(dǎo)彈艇。
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按照未來15年將建設(shè)5個航母編隊（2常+3核）、3個兩棲攻擊/登陸編隊和3個近海防御艦隊規(guī)模的假設(shè)，再考慮到燃機的更新與維護，我們估算未來15年30MW級燃機需求600臺，4MW級燃機需求1476臺。通過測算，未來15年燃?xì)廨啓C高溫合金需求達(dá)6.23萬噸，平均每年4152噸。
（三）汽車廢氣增壓渦輪
高溫合金在汽車中主要應(yīng)用于渦輪增壓器的制造，其次包括排氣閥、燒嘴、熱發(fā)生器等零件也會用到高溫合金。
渦輪增壓系統(tǒng)對燃油效率和性能提升均有明顯效果。渦輪增壓是利用發(fā)動機排出的廢氣的能量來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率及扭矩要增大20%—60%。
廢氣增壓器渦輪生產(chǎn)在國外已有60多年的歷史。目前，國外的重型柴油機增壓器配置率100%，中小型柴油機也在不斷地增大其配置比例，如英、美、法等國家已達(dá)80%左右。
國內(nèi)渦輪增壓器配置率將持續(xù)提升，尤其是汽油機渦輪增壓器配置率提升空間巨大。面對與日俱增的環(huán)保和能源壓力，內(nèi)燃機節(jié)能減排是大勢所趨。渦輪增壓是內(nèi)燃機節(jié)能減排的有效手段，其中汽油機節(jié)油效果5-10%，柴油機節(jié)油效果10-20%左右。2012年我國內(nèi)燃機渦輪增壓器綜合配置率為6.7%；其中車用柴油機配置率為62%，未來的增長點主要來自于輕卡裝配率提升；而車用汽油機配置率僅5%左右，未來提升空間巨大。
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依據(jù)鋼研高納招股說明書推算出我國目前每萬輛汽車對高溫合金的需求為2.04噸，隨著渦輪增壓器配置率的提升，每萬量汽車的高溫合金使用量將持續(xù)提高。
我們假設(shè)2013年每萬輛汽車高溫合金2噸，今后20年每年復(fù)合增長5%；到2020年汽車產(chǎn)量復(fù)合增速5%，2020年-2030年汽車產(chǎn)量復(fù)合增速3%。依據(jù)測算，2020年汽車用高溫合金需求為8715噸，2030年為1.9萬噸。
（四）核工業(yè)
核電中應(yīng)用高溫合金的主要部分包括燃料元件包殼管、燃料元件定位架、高溫氣體爐熱交換器等。每座60萬千瓦的核電站需用蒸發(fā)器“U”形傳熱管100噸。此外，還有大量的反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼精密管和控制棒、核燃料包套管等。這樣僅一座60萬千瓦的核電站堆芯約需要各類核級用管600多噸。
國產(chǎn)核電裝備的應(yīng)用，也將帶動核電裝備零部件供應(yīng)市場。依據(jù)媒體報道的中廣核集團董事長賀禹的講話，我國目前在運和在建核電規(guī)模總計4875萬千瓦，在建核電機組數(shù)量位居世界第一。
根據(jù)我國修改后的核電發(fā)展目標(biāo)，2015年核電機組裝機規(guī)模達(dá)到40GW建成，2020年核電裝機目標(biāo)為58GW運營+30GW在建，那么未來7年國內(nèi)必須新開工40GW，對應(yīng)35-40座100萬千瓦機組。
我們假設(shè)1座100萬千瓦機組需要各類高溫合金1000噸，則未來7年核電工業(yè)對高溫合金總需求約35000噸-40000噸，平均每年5000噸-5700噸。
（五）航天、核工業(yè)及其他行業(yè)
考慮到航天發(fā)動機每年發(fā)射次數(shù)較少且需求穩(wěn)定，我們估計每年航天發(fā)動機對高溫合金需求量在400-600噸左右。
此外，假設(shè)航空發(fā)動機、航天、燃?xì)廨啓C、汽車、核工業(yè)占高溫合金總需求的85%，則其他行業(yè)每年對高溫合金需求約為5900噸。
四、國內(nèi)外高溫合金市場情況
（一）國外高溫合金行業(yè)發(fā)展
目前，全球每年消費高溫合金材料近28萬噸，市場規(guī)模達(dá)100億美元。全球范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)不超過50家，主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和中國。發(fā)達(dá)國家一般將涉及航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的高溫合金產(chǎn)品作為戰(zhàn)略軍事物資，很少出口。
美國在高溫合金研發(fā)以及應(yīng)用方面一直處于世界領(lǐng)先地位，年產(chǎn)量約為5萬噸，其中近50%用于民用工業(yè)。美國有很多獨立的高溫合金公司，能夠生產(chǎn)航空發(fā)動機所用高溫合金的公司有通用電氣公司，普特拉—惠特尼公司，還有其他的生產(chǎn)特鋼和高溫合金的公司如漢因斯-斯泰特公司，佳能—穆斯克貢公司，因科國際公司等。這些公司都先后發(fā)展了公司自己的高溫合金牌號。
歐盟國家中英、德、法是世界上主要的高溫合金生產(chǎn)和研發(fā)代表。英國是世界上最早研究和開發(fā)高溫合金的國家之一。英國的鑄造合金技術(shù)世界領(lǐng)先，代表性的是國際鎳公司的Nimocast合金，后來該國的飛機發(fā)動機制造商羅爾斯羅伊斯控股公司又研制了定向凝固和單晶合金SRR99、SRR2000和SRR2060等，其研制的高溫合金主要用在航空發(fā)動機制造方面。
日本在鎳基單晶高溫合金、鎳基超塑性高溫合金和氧化物晶粒彌散強化高溫合金方面取得較大的成功。近年來，致力于開發(fā)新型的耐高溫合金，并成功開發(fā)出在1200℃高溫下依然能保持足夠強度的新合金。日本主要的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)是IHIcorporation，JFE、新日鐵和神戶制鋼公司。
（二）國內(nèi)高溫合金行業(yè)格局
經(jīng)過50多年發(fā)展，我國已經(jīng)形成了比較先進，具有一定規(guī)模的生產(chǎn)基地。我們把國內(nèi)從事高溫合金的廠家分為四類：
1、特鋼生產(chǎn)廠：東北特殊鋼鐵接團撫順特殊鋼公司（簡稱撫順特鋼），寶鋼股份公司特殊鋼事業(yè)部（簡稱寶鋼特鋼）和攀鋼集團長城特殊鋼公司（簡稱攀長鋼）；
2、研究單位：鋼鐵研究總院，北京航空材料研究院，中國科學(xué)院金屬研究所，東北大學(xué)，北京科技大學(xué)等。
3、發(fā)動機公司精密鑄件廠：中航工業(yè)旗下各航空發(fā)動機公司的精密鑄造廠：黎明、西航、黎陽、南方、貴航等。
4、鍛件熱加工廠：西南鋁業(yè)公司，第二重型機械集團萬航模鍛廠，中航重機股份有限公司宏遠(yuǎn)航空鍛鑄公司和安大航空鍛造公司。
目前，國內(nèi)規(guī)模較大的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)有撫順特鋼和鋼研高納。此外，寶鋼特鋼、攀長鋼、中科院金屬所、北京航材院也具備一定的產(chǎn)能。
在航空航天產(chǎn)業(yè)中，用量最大的變型高溫合金，主要由撫順特鋼、寶鋼特鋼、攀長鋼等公司完成。特鋼企業(yè)生產(chǎn)的變型高溫合金，適用于大批量、通用性、結(jié)構(gòu)較為簡單的產(chǎn)品。鋼研高納在上市后也擴大了變形高溫合金產(chǎn)能，募投項目達(dá)產(chǎn)后也具備了相當(dāng)?shù)淖冃透邷睾辖甬a(chǎn)能。
目前具備鑄造高溫合金精鑄件的廠家分為兩類，一類是鋼研高納、中科院金屬所和北京航材院三家公司；另一類是黎明、西航、南方、成發(fā)等專業(yè)發(fā)動機廠自行生產(chǎn)精鑄件。三家單位主要承接航天航空發(fā)動機廠對外委托的精鑄件業(yè)務(wù)。目前三家單位在鑄造高溫合金的材料制備、生產(chǎn)技術(shù)上均有各自特點，其中鋼研高納產(chǎn)能大于其余兩家。
根據(jù)鋼研高納、撫順特鋼年報及相關(guān)公司網(wǎng)站信息，我們估算目前我國高溫合金總產(chǎn)能約為1.26萬噸，實際產(chǎn)量約8000-9000噸左右。
五、高溫合金涉及的A股相關(guān)上市公司
主要涉及的A股上市公司包括：鋼研高納、撫順特鋼、寶鋼股份、煉石有色、航空動力以及新三板上市公司中科三耐。
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?航空發(fā)動機用高溫合金占高溫合金需求的一半以上。隨著國內(nèi)一批新型號航空發(fā)動機進入量產(chǎn)，高溫合金需求有望快速增長。以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機陸續(xù)進入列裝，WS-10發(fā)動機需求持續(xù)增長。未來幾年，隨著國產(chǎn)大型運輸機運20的投產(chǎn)，大涵道比發(fā)動機將進入量產(chǎn)階段；小涵道比中推、小推航空發(fā)動機也將逐步進入量產(chǎn)。國產(chǎn)航空發(fā)動機需求的增長將驅(qū)動航空用高溫合金需求進入快速增長期。
高溫合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。高溫合金在燃?xì)廨啓C、車用渦輪增壓器、核電、石油石化等行業(yè)有著重要的應(yīng)用。工業(yè)化的推進和國內(nèi)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展將持續(xù)拉動民用工業(yè)對高溫合金的需求，目前民用高溫合金占總需求的20%，未來這一比例有望持續(xù)提升。
? ? 我們根據(jù)測算認(rèn)為，到2020年，我國高溫合金需求約為4萬噸，對應(yīng)市場空間90.5億元：航空發(fā)動機、汽車廢氣渦輪增壓器、核電工業(yè)用高溫合金需求的增長將驅(qū)動行業(yè)需求的爆發(fā)。而目前，我國高溫合金產(chǎn)能約1.26萬噸，實際產(chǎn)量8000-9000噸左右。高溫合金未來7年的需求復(fù)合增長率有望超過20%。
一、高溫合金概覽
（一）高溫合金簡介及分類
高溫合金是在600℃以上的高溫及一定及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性，并在各種溫度下保持良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性等綜合性能，在西方也稱之為超合金（Superalloys）。
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??高溫合金材料是航空發(fā)動機首選材料，在現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展中處于不可替代的位置，它的規(guī)模發(fā)展與否直接決定了航空裝備的發(fā)展水平。此外，高溫合金也廣泛應(yīng)用于航天發(fā)動機的熱端部件。伴隨工業(yè)化發(fā)展，民用高端裝備工業(yè)對高溫合金材料的需求呈不斷上升趨勢，高溫合金的耐高溫耐磨耐腐蝕的特點使其在柴油機和內(nèi)燃機渦輪增壓、燃?xì)廨啓C、能源動力、石油化工、玻璃建材等民用工業(yè)中的有廣泛的應(yīng)用，民用工業(yè)的高溫合金使用量已經(jīng)提高到20%左右。
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?高溫合金可以根據(jù)材料成型方式、基體元素種類、合金強化類型等來劃分：
1）根據(jù)材料成型方式，高溫合金可以分為變形高溫合金、鑄造高溫合金（包含普通精密鑄造合金、定向凝固合金、單晶合金等）、粉末冶金高溫合金（包含普通粉末冶金高溫合金和氧化物彌散強化高溫合金ODS）；
2）根據(jù)基體元素種類，高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等；
3）根據(jù)合金強化類型，高溫合金可以分為固溶強化型高溫合金和時效沉淀強化合金。
（二）高溫合金材料技術(shù)難點與創(chuàng)新
高溫環(huán)境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發(fā)生組織不穩(wěn)定、在溫度和應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕等。高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)。
高溫合金材料成分十分復(fù)雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學(xué)部穩(wěn)定，同時機加工制成的零件表面留下加工硬化和殘余應(yīng)力等缺陷，為材料的化學(xué)性能和力學(xué)性能帶來十分不利的影響。由于合金化程度高，高溫合金材料極易產(chǎn)生成分偏析，這種偏析對鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織與性能都有重大影響。高溫合金的這些特點決定了它區(qū)別于普通金屬材料的加工工藝。
高溫合金的發(fā)展是合金理論與生產(chǎn)工藝技術(shù)不斷改善和革新的過程，通過合金強化+工藝強化來不斷結(jié)合提高合金的材料性能。合金強化包括合金固溶強化、第二相強化劑晶界強化等；工藝強化包括改善冶煉、凝固結(jié)晶、熱加工、熱處理及表面處理等環(huán)節(jié)改善合金組織結(jié)構(gòu)等。
高溫合金的生產(chǎn)工藝主要包含熔煉、鑄造、熱處理三個過程。生產(chǎn)工藝對高溫合金材料力學(xué)性能的影響重大，一項新工藝的引入，往往使高溫合金的性能獲得一個飛躍，發(fā)展處一批新型高溫合金，進而推動一代航空發(fā)動機和航空飛機的發(fā)展。老型號的合金也可以改善工藝達(dá)到材料性能的提高。
例如，單晶渦輪葉片的應(yīng)用顯著地推進了航空發(fā)動機的進步。F-22用的航空發(fā)動機F119的渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用了第三代單晶高溫合金PWA1484，該材料本身的最高工作溫度為1070℃左右，由于采用了計算流體動力學(xué)程序設(shè)計制造了超級冷卻葉片，使渦輪轉(zhuǎn)子葉片的工作溫度提高至1621～1677℃（F100發(fā)動機為1400℃），可見工藝創(chuàng)新在材料發(fā)展中的重要地位。
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?高溫合金材料制備技術(shù)與工藝仍處于不斷的進步和創(chuàng)新中。比如，冶煉工藝采用了真空感應(yīng)+電渣重熔+真空自豪熔煉三聯(lián)工藝，真空自耗熔煉采用了先進熔煉控制方法等；通過定向凝固柱晶合金和單晶合金工藝技術(shù)提高材料的高溫強度；采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強度等。此外，氧化物彌散強化高溫合金、金屬間化合物高溫材料也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新中。
二、高溫合金的應(yīng)用
有研究表明，航空發(fā)動機用高溫合金占高溫合金總需求一半以上，此外還廣泛應(yīng)用于電力、汽車、機械等行業(yè)中。
（一）航空發(fā)動機
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?航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。
航空發(fā)動機的技術(shù)進步與高溫合金的發(fā)展密切相關(guān)，高溫合金是推動航空發(fā)動機發(fā)展的最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。軍用航空發(fā)動機通常可以用其推重比（推力/重量）綜合地評定發(fā)動機的水平。提高推重比最直接和最有效的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取Ｒ虼烁邷睾辖鸩牧系男阅芎瓦x擇是決定航空發(fā)動機性能的關(guān)鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級，對航空發(fā)動機推重的要求比不斷提高，發(fā)動機對高性能高溫合金材料的依賴越來越大。
在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(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。
軍用航空發(fā)動機通常以其推重比的大小來綜合判定發(fā)動機的水平。提高推重比最直接、最有效的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取?/span>
燃燒室
燃燒室的功用是把燃油的化學(xué)能釋放變?yōu)闊崮埽莿恿C械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達(dá)800~900℃以上，局部可達(dá)1100℃。
用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼；其中用量最大、最為關(guān)鍵的是變形高溫合金。由于傳統(tǒng)的高溫合金板材受限于合金的熔點的限制，現(xiàn)在基本已經(jīng)達(dá)到其極限使用溫度，難以進一步發(fā)展。要使燃燒室用高溫合金材料進一步發(fā)展，必須研究全新的材料基體和材料制備工藝。目前國際在研的新材料有碳/碳復(fù)合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強化合金、金屬間化合物、高溫高強鈦合金等。
導(dǎo)向葉片
導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃臃较虻牟考呛娇瞻l(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導(dǎo)向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應(yīng)力比較低。
在熔模精鑄技術(shù)突破后，鑄造高溫合金成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動機渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強化高溫合金。
渦輪盤
渦輪盤在四大熱端部件中所占質(zhì)量最大。渦輪盤工作時，輪緣溫度達(dá)550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個部件的溫差大；轉(zhuǎn)動時承受重大的離心力；啟動和停車過程中承受大應(yīng)力低疲勞周期。
用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中GH4169合金是用量最大、應(yīng)用范圍最廣的一個主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動機性能不斷提高，對渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細(xì)小、強度高、塑性好等優(yōu)點使其成為航空發(fā)動機上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進一步研制中。
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?渦輪葉片
渦輪葉片是航空發(fā)動機上最關(guān)鍵的構(gòu)件，渦輪葉片的工作環(huán)境最惡劣，渦輪葉片在承受高溫同時要承受很大的離心應(yīng)力、振動應(yīng)力、熱應(yīng)力等。用于渦輪葉片制造的主材材料是鑄造高溫合金。近三十多年來鑄造工藝的發(fā)展，普通精鑄、定向和單晶鑄造葉片合金得到了廣泛應(yīng)用。單晶合金在國際上得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了五代單晶合金，成為高性能現(xiàn)金航空發(fā)動機高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀(jì)80年代開始單晶合金研制，根據(jù)專著《中國高溫合金50年》（師昌緒），第二代單晶合金已經(jīng)在先進發(fā)動機中進行使用。
（二）航天發(fā)動機
航天發(fā)動機中的特殊工作環(huán)境要求使其使用材料必須受高溫、高壓、高的溫度梯度變化、高動態(tài)載荷和特殊戒指的考驗，因此對材料的綜合性能和加工性能提出了很高的要求。高溫合金材料已經(jīng)占據(jù)了航天發(fā)動機相當(dāng)大的比重，在發(fā)動機中的應(yīng)用比比例接近總重量的一半，高溫合金材料技術(shù)的發(fā)展直接影響航天發(fā)動機研制水平。
航天發(fā)動機用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動機用高溫合金，但航天發(fā)動機材料除了承受高溫沖擊外，還有低溫（-100℃以下）環(huán)境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝限制，過去形狀極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件在航天發(fā)動機上一直沒有真正加以應(yīng)用。隨著工藝的進步，航天發(fā)動機上的許多關(guān)鍵熱部件都采用了無余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡化了發(fā)動機結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動機重量，減少了焊接部分，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低研制和生產(chǎn)成本，提高發(fā)動機可靠性。隨著航天發(fā)動機技術(shù)的進步，航天發(fā)動機用高溫合金逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化、薄壁化、復(fù)合化、多位一體、無余量的趨勢。典型的有渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、泵殼體等。
我國的“長征”系列火箭以及“神舟”系列飛船，發(fā)動機的核心部分都采用了高溫合金材料。目前，航天領(lǐng)域使用的液氧煤油和液氧液氫航天運載發(fā)動機、小型渦噴渦扇發(fā)動機已經(jīng)定型，并開始批量生產(chǎn)，國內(nèi)對航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長，進入一個新的增長期。
（三）民用工業(yè)高溫合金的應(yīng)用
隨著工業(yè)化的推進，工業(yè)向高端、大型化發(fā)展，高溫合金在民用工業(yè)中的需求也日益增長。高溫合金合金也是艦船、火車、汽車渦輪增壓器葉片及各類工業(yè)燃機葉片的優(yōu)選材料；鐵路運輸?shù)母咚倩⒃齑瑯I(yè)的高品質(zhì)要求（特別是出口造船）、艦艇動力的高效要求、工業(yè)燃機應(yīng)用的高速發(fā)展等急需高性能的高溫合金母合金。目前，國內(nèi)民用工業(yè)高溫合金占高溫合金總需求的20%，而美國50%的高溫合金應(yīng)用于民用工業(yè)領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C
燃?xì)廨啓C是高溫合金的另一個主要用途。燃?xì)廨啓C裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，它的結(jié)構(gòu)與飛機噴氣式發(fā)動機一致，也類似蒸汽輪機。燃?xì)廨啓C的基本原理與蒸汽輪機很相似，不同處在于工質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃?xì)廨啓C屬于內(nèi)燃機，所以也叫內(nèi)燃?xì)廨啓C。構(gòu)造有四大部分：空氣壓縮機，燃燒室，葉輪系統(tǒng)及回?zé)嵫b置。
燃?xì)廨啓C的需求增長迅速，除用于發(fā)電外，還用于艦船動力、天然氣疏松的加氣站等。與航空用高溫合金葉片相比，燃?xì)廨啓C用高溫合金的使用壽命長（10萬小時），耐熱腐蝕、尺寸大，質(zhì)量要求很高。
汽車廢氣渦輪增壓器
汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，我國渦輪增壓器生產(chǎn)廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機葉輪共同組成一個轉(zhuǎn)子。此外內(nèi)燃機的閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。
渦輪增壓系統(tǒng)對燃油效率和性能提升均有明顯效果。渦輪增壓是利用發(fā)動機排出的廢氣的能量來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率及扭矩要增大20%—60%。2008年中國汽車工業(yè)僅渦輪轉(zhuǎn)子對高溫母合金的需求就在1,900噸以上。
核電與其它領(lǐng)域的高溫合金應(yīng)用
核電工業(yè)使用的高溫合金包括：燃料元件包殼材料、結(jié)構(gòu)材料和燃料棒定位格架，高溫氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以代替的。例如，燃料元件包殼管的管壁在工作時需承受600-800℃的高溫，需要較高的蠕變強度，因此大量采用高溫合金材料。
高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域也有著廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應(yīng)用的高溫合金零件多達(dá)十幾種，如：生產(chǎn)玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產(chǎn)用的轉(zhuǎn)向輥拉管機大軸、端頭和通氣管、玻璃爐窯的料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業(yè)的軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導(dǎo)板和高溫爐熱電偶保護套管等。醫(yī)療器械領(lǐng)域的人工關(guān)節(jié)等。
三、高溫合金的市場空間測算
根據(jù)測算，我們認(rèn)為到2020年，國內(nèi)高溫合金需求約為39275噸，對應(yīng)市場空間90.5億元。
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?（一）航空發(fā)動機需求
假設(shè)1：在航空發(fā)動機中高溫合金占總重量的40%-60%，在先進發(fā)動機中這一比例超過50%甚至更多。我們判斷，隨著航空工業(yè)的繼續(xù)發(fā)展和高溫合金材料科技的進步，這一比例還將繼續(xù)提升。我們假設(shè)高溫合金占軍用航空發(fā)動機重量的60%，占民用航空發(fā)動機和其他軍機重量的40%。
假設(shè)2：通過與已有國內(nèi)外相似型號飛機發(fā)動機規(guī)格對比，我們假設(shè)軍用戰(zhàn)斗機發(fā)動機重量約1.7噸，軍用運輸機、民用大飛機發(fā)動機重量約4噸，其他飛機航空發(fā)動機重量約1噸。
假設(shè)3：高溫合金的材料性能、加工難度要高于普通合金和鋼材，其材料成型率遠(yuǎn)低于一般特鋼。我們估計，1）在鑄造和軋制過程中材料成型率70-80%左右；2）母合金進行加工時，廢品率80%左右，全流程材料利用率15%-20%，我們假設(shè)高溫合金全流程材料利用率為20%。
綜上，我們預(yù)計每臺戰(zhàn)斗機航空發(fā)動機平均使用高溫合金5.1噸，軍用運輸機航空發(fā)動機用高溫合金12噸，其他軍用航空發(fā)動機高溫合金2噸；民用大飛機航空發(fā)動機用高溫合金8噸。
根據(jù)測算，未來20年我國軍用航空發(fā)動機高溫合金需求為17.75萬噸，民用大中型飛機發(fā)動機高溫合金需求為7.36萬噸。此外，低空開放將有望打開我國通用航空發(fā)展的瓶頸，未來20年通用航空保有量超過20000架，以平均1臺發(fā)動機測算，通用航空發(fā)動機高溫合金需求為5萬噸。
綜上，我們預(yù)測未來20年航空發(fā)動機高溫合金需求為30.11萬噸，平均每年市場空間1.51萬噸。
（二）燃?xì)廨啓C需求
軍事應(yīng)用占世界船用燃?xì)廨啓C市場絕大多數(shù)份額。在軍用領(lǐng)域，有75%以上的海軍主力艦艇采用燃機動力；在民用市場，燃機主要應(yīng)用于高速客船中。
我國海軍目前船用燃機裝艦率較低。已服役主力艦艇中僅有10艘驅(qū)逐艦裝備有船用燃機。分別是2艘052型驅(qū)逐艦（裝備LM2500），2艘052B型驅(qū)逐艦、6艘052C型驅(qū)逐艦（裝備UGT-25000及QC280）。其動力配置方式均為柴燃交替動力（CODOG），每艦配備有2臺燃機和2臺柴油機。
隨著中國多型船用燃機相繼研制成功，中短期內(nèi)燃機普及有望提速。我們認(rèn)為，燃機普及將以30MW級船用燃機為核心，輔以4MW級小功率船用燃機。其中，30MW級燃機主要用于大型的驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦等；4MW級燃機主要用于氣墊登陸艇和導(dǎo)彈快艇。
參考LM2500燃?xì)廨啓C重量，我們假設(shè)國產(chǎn)燃?xì)廨啓C重20噸，高溫合金占重量30%，成材率20%，單臺國產(chǎn)燃?xì)廨啓C用高溫合金30噸。
未來15年，我們認(rèn)為海軍將形成3大近海防御艦隊+若干支航母編隊+若干只兩棲攻擊/登陸編隊為主體的作戰(zhàn)體系。考慮到燃機應(yīng)用情況，常規(guī)/核動力航母、兩棲攻擊/船塢登陸艦將其作為主要動力源的可能性較小，應(yīng)用燃機的新型艦艇很可能主要配備在航母編隊和兩棲攻擊/登陸編隊中，且以驅(qū)逐艦和護衛(wèi)艦為主，近海防御艦隊則僅配備新型隱身導(dǎo)彈艇。
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?按照未來15年將建設(shè)5個航母編隊（2常+3核）、3個兩棲攻擊/登陸編隊和3個近海防御艦隊規(guī)模的假設(shè)，再考慮到燃機的更新與維護，我們估算未來15年30MW級燃機需求600臺，4MW級燃機需求1476臺。通過測算，未來15年燃?xì)廨啓C高溫合金需求達(dá)6.23萬噸，平均每年4152噸。
（三）汽車廢氣增壓渦輪
高溫合金在汽車中主要應(yīng)用于渦輪增壓器的制造，其次包括排氣閥、燒嘴、熱發(fā)生器等零件也會用到高溫合金。
渦輪增壓系統(tǒng)對燃油效率和性能提升均有明顯效果。渦輪增壓是利用發(fā)動機排出的廢氣的能量來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率及扭矩要增大20%—60%。
廢氣增壓器渦輪生產(chǎn)在國外已有60多年的歷史。目前，國外的重型柴油機增壓器配置率100%，中小型柴油機也在不斷地增大其配置比例，如英、美、法等國家已達(dá)80%左右。
國內(nèi)渦輪增壓器配置率將持續(xù)提升，尤其是汽油機渦輪增壓器配置率提升空間巨大。面對與日俱增的環(huán)保和能源壓力，內(nèi)燃機節(jié)能減排是大勢所趨。渦輪增壓是內(nèi)燃機節(jié)能減排的有效手段，其中汽油機節(jié)油效果5-10%，柴油機節(jié)油效果10-20%左右。2012年我國內(nèi)燃機渦輪增壓器綜合配置率為6.7%；其中車用柴油機配置率為62%，未來的增長點主要來自于輕卡裝配率提升；而車用汽油機配置率僅5%左右，未來提升空間巨大。
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?依據(jù)鋼研高納招股說明書推算出我國目前每萬輛汽車對高溫合金的需求為2.04噸，隨著渦輪增壓器配置率的提升，每萬量汽車的高溫合金使用量將持續(xù)提高。
我們假設(shè)2013年每萬輛汽車高溫合金2噸，今后20年每年復(fù)合增長5%；到2020年汽車產(chǎn)量復(fù)合增速5%，2020年-2030年汽車產(chǎn)量復(fù)合增速3%。依據(jù)測算，2020年汽車用高溫合金需求為8715噸，2030年為1.9萬噸。
（四）核工業(yè)
核電中應(yīng)用高溫合金的主要部分包括燃料元件包殼管、燃料元件定位架、高溫氣體爐熱交換器等。每座60萬千瓦的核電站需用蒸發(fā)器“U”形傳熱管100噸。此外，還有大量的反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼精密管和控制棒、核燃料包套管等。這樣僅一座60萬千瓦的核電站堆芯約需要各類核級用管600多噸。
國產(chǎn)核電裝備的應(yīng)用，也將帶動核電裝備零部件供應(yīng)市場。依據(jù)媒體報道的中廣核集團董事長賀禹的講話，我國目前在運和在建核電規(guī)模總計4875萬千瓦，在建核電機組數(shù)量位居世界第一。
根據(jù)我國修改后的核電發(fā)展目標(biāo)，2015年核電機組裝機規(guī)模達(dá)到40GW建成，2020年核電裝機目標(biāo)為58GW運營+30GW在建，那么未來7年國內(nèi)必須新開工40GW，對應(yīng)35-40座100萬千瓦機組。
我們假設(shè)1座100萬千瓦機組需要各類高溫合金1000噸，則未來7年核電工業(yè)對高溫合金總需求約35000噸-40000噸，平均每年5000噸-5700噸。
（五）航天、核工業(yè)及其他行業(yè)
考慮到航天發(fā)動機每年發(fā)射次數(shù)較少且需求穩(wěn)定，我們估計每年航天發(fā)動機對高溫合金需求量在400-600噸左右。
此外，假設(shè)航空發(fā)動機、航天、燃?xì)廨啓C、汽車、核工業(yè)占高溫合金總需求的85%，則其他行業(yè)每年對高溫合金需求約為5900噸。
四、國內(nèi)外高溫合金市場情況
（一）國外高溫合金行業(yè)發(fā)展
目前，全球每年消費高溫合金材料近28萬噸，市場規(guī)模達(dá)100億美元。全球范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)航空航天用高溫合金的企業(yè)不超過50家，主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和中國。發(fā)達(dá)國家一般將涉及航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的高溫合金產(chǎn)品作為戰(zhàn)略軍事物資，很少出口。
美國在高溫合金研發(fā)以及應(yīng)用方面一直處于世界領(lǐng)先地位，年產(chǎn)量約為5萬噸，其中近50%用于民用工業(yè)。美國有很多獨立的高溫合金公司，能夠生產(chǎn)航空發(fā)動機所用高溫合金的公司有通用電氣公司，普特拉—惠特尼公司，還有其他的生產(chǎn)特鋼和高溫合金的公司如漢因斯-斯泰特公司，佳能—穆斯克貢公司，因科國際公司等。這些公司都先后發(fā)展了公司自己的高溫合金牌號。
歐盟國家中英、德、法是世界上主要的高溫合金生產(chǎn)和研發(fā)代表。英國是世界上最早研究和開發(fā)高溫合金的國家之一。英國的鑄造合金技術(shù)世界領(lǐng)先，代表性的是國際鎳公司的Nimocast合金，后來該國的飛機發(fā)動機制造商羅爾斯羅伊斯控股公司又研制了定向凝固和單晶合金SRR99、SRR2000和SRR2060等，其研制的高溫合金主要用在航空發(fā)動機制造方面。
日本在鎳基單晶高溫合金、鎳基超塑性高溫合金和氧化物晶粒彌散強化高溫合金方面取得較大的成功。近年來，致力于開發(fā)新型的耐高溫合金，并成功開發(fā)出在1200℃高溫下依然能保持足夠強度的新合金。日本主要的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)是IHIcorporation，JFE、新日鐵和神戶制鋼公司。
（二）國內(nèi)高溫合金行業(yè)格局
經(jīng)過50多年發(fā)展，我國已經(jīng)形成了比較先進，具有一定規(guī)模的生產(chǎn)基地。我們把國內(nèi)從事高溫合金的廠家分為四類：
1、特鋼生產(chǎn)廠：東北特殊鋼鐵接團撫順特殊鋼公司（簡稱撫順特鋼），寶鋼股份公司特殊鋼事業(yè)部（簡稱寶鋼特鋼）和攀鋼集團長城特殊鋼公司（簡稱攀長鋼）；
2、研究單位：鋼鐵研究總院，北京航空材料研究院，中國科學(xué)院金屬研究所，東北大學(xué)，北京科技大學(xué)等。
3、發(fā)動機公司精密鑄件廠：中航工業(yè)旗下各航空發(fā)動機公司的精密鑄造廠：黎明、西航、黎陽、南方、貴航等。
4、鍛件熱加工廠：西南鋁業(yè)公司，第二重型機械集團萬航模鍛廠，中航重機股份有限公司宏遠(yuǎn)航空鍛鑄公司和安大航空鍛造公司。
目前，國內(nèi)規(guī)模較大的高溫合金生產(chǎn)企業(yè)有撫順特鋼和鋼研高納。此外，寶鋼特鋼、攀長鋼、中科院金屬所、北京航材院也具備一定的產(chǎn)能。
在航空航天產(chǎn)業(yè)中，用量最大的變型高溫合金，主要由撫順特鋼、寶鋼特鋼、攀長鋼等公司完成。特鋼企業(yè)生產(chǎn)的變型高溫合金，適用于大批量、通用性、結(jié)構(gòu)較為簡單的產(chǎn)品。鋼研高納在上市后也擴大了變形高溫合金產(chǎn)能，募投項目達(dá)產(chǎn)后也具備了相當(dāng)?shù)淖冃透邷睾辖甬a(chǎn)能。
目前具備鑄造高溫合金精鑄件的廠家分為兩類，一類是鋼研高納、中科院金屬所和北京航材院三家公司；另一類是黎明、西航、南方、成發(fā)等專業(yè)發(fā)動機廠自行生產(chǎn)精鑄件。三家單位主要承接航天航空發(fā)動機廠對外委托的精鑄件業(yè)務(wù)。目前三家單位在鑄造高溫合金的材料制備、生產(chǎn)技術(shù)上均有各自特點，其中鋼研高納產(chǎn)能大于其余兩家。
根據(jù)鋼研高納、撫順特鋼年報及相關(guān)公司網(wǎng)站信息，我們估算目前我國高溫合金總產(chǎn)能約為1.26萬噸，實際產(chǎn)量約8000-9000噸左右。
五、高溫合金涉及的A股相關(guān)上市公司
主要涉及的A股上市公司包括：鋼研高納、撫順特鋼、寶鋼股份、煉石有色、航空動力以及新三板上市公司中科三耐。
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