航空发动机不可或缺的材料：高温合金
高温合金材料凭借优异的抗氧化和抗热腐蚀性能在航空发动机、汽车发动机、燃气轮机、核电、石油化工等多个领域广泛应用。
特性
所谓高温合金，即能在600℃以上高温及一定应力作用下长期工作的一类合金。高温合金材料相比于传统金属，在性能上具有高温高强；良好的抗氧化和抗热腐蚀性能；良好的抗疲劳性能、断裂韧性、良好的弹塑性。
分类
高温合金大体上有三种划分方式：根据基体元素种类、根据合金强化类型和根据材料成型方式。
高温合金分类
制备工艺
高温合金产品以非标准化为主，因此生产工艺较为复杂，但基本可以可分为三个步骤：熔炼、铸造和热加工，粉末冶金工业则将铸造工艺替代为热压。
各种高温合金的工艺生产流程
应用
高温合金凭借优异的抗氧化和抗热腐蚀性能在航空发动机、汽车发动机、燃气轮机、核电、石油化工等多个领域广泛应用。
在众多应用领域中，航空航天仍然占据最重要地位，占需求总量的55%，其次是电力行业，占比达20%。
航空发动机
高温合金从诞生起就应用于航空发动机，在现代航空发动机中，高温合金材料主要用于四大热端部件：燃烧室、导向室、涡轮叶片和涡轮盘，此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。
高温合金在航空发动机上的应用
不同机型对高温合金需求预测
高温合金材料的用量占发动机总重量的40-60%，在先进发动机中这一比例超过50%甚至更多。
民用航空发动机
2016 年7 月11 日，波音公司在范保罗航展首日发布最新版 《当前市场展望》，预测未来20 年全球需要39,620 架新飞机，该数字较去年预测增加4.1%。
2016-2035年全球民航飞机需求
由于不同机型的发动机所需的高温合金占比不同，根据测算，未来二十年全球民航各类型新机航空发动机，对高温合金的总需求为42.7 万吨。
民航不同机型对高温合金需求
2016-2035全球民航飞机高温合金需求
我国民航发动机市场也十分广阔，根据波音公司预测，到2032 年，中国新增的飞机数量超过5580架，预计我国民用航空对高温合金的需求量将超过3.8万吨。
到2032年我国民航对高温合金需求预测
军用航空发动机
根据美国国防部预测的数据，预计未来20年中国战斗机新增量将达到1430架、军用大飞机1500架、教练机500架，合计对高温合金需求量将达到5.7万吨。
另外，现有军机的维护和修理折算成发动机所需数量为2000台，对应的高温合金需求量达到1万吨左右。因此军用领域对高温合金的需求将达到6.7万吨。
未来20年我国军用机领域对高温合金需求预测
燃气轮机
燃气轮机是高温合金的另一个主要用途，其结构及原理与航空发动机类似。由于燃气轮机喷射到叶轮上的气体温度高达1300℃，因此叶轮需要用高温合金来制造。
燃气轮机结构示意图
燃气轮机的应用分为发电用燃气轮机领域和舰船用燃气轮机领域，主要以后者为主，在军用领域，有75%以上的海军主力舰艇采用燃机动力。
全球舰船用燃气轮机市场分布情况
对于全球燃气轮机高温合金市场而言，据罗罗公司2013年预测，未来二十年，作为舰船动力的燃气轮机的市场需求达到2700亿美元，相应的服务需求达1250亿美元，市场空间广阔。
我国目前大约只有10艘主力舰艇使用燃气机，国产舰船用燃气轮机的技术问题已经得到解决。我国海军有望形成3大近海舰队和若干航母编队的作战体系，预计将新增驱逐舰及护卫舰97艘左右，中小型舰艇200艘左右，预计对高温合金的需求量约为3.3万吨左右。
我国舰船燃气轮机对高温合金需求预测
汽车涡轮增压器
汽车废气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。目前，我国涡轮增压器生产厂家所采用的涡轮叶轮多为镍基高温合金涡轮叶轮，它和涡轮轴、压气机叶轮共同组成一个转子。
汽车涡轮增压器
据 cnii报道，2015年我国新售乘用车中涡轮增压的配置率在31%左右，预计到2020年，我国乘用车涡轮增压比例将高达47%。涡轮增压汽车将从2015年的750万辆增至到2025年2300万辆，期间累计高温合金总需求10.6万吨，市值超200亿元。
2015-2025年我国汽车涡轮增压器高温合金需求预测
核电领域
核电用高温合金包括：燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格架，高温气体炉热交换器等，均是其他材料难以代替的。
根据钢研高纳2009 年招股说明书，2010-2020 十年间我国核电装机容量新增2300千瓦，在建1800万千瓦。对应高温合金需求6000吨，数值24亿元。
其他领域
高温合金材料在玻璃制造、冶金、医疗器械等领域也有着广泛的用途。
国内外高温合金厂商概况
国外领先厂家
目前，每年全球对高温合金材料的消费将近28万吨，市场规模达到100亿美元。全球范围内能够生产航空航天用高温合金的企业不超过50家，主要集中在美、俄、英、法、德、日等国。
国内主要厂商
我国高温合金的研发起步于20世纪60年代，形成独有的合金体系，并且取得了明显的进步，到目前已经成立了众多的生产和科研单位，并已具备变形高温合金、铸造高温合金的生产基地与高端高温合金材料的生产研发基地。
内容来源：材料基
单晶高温合金能让战机发动机多牛？
一、单晶高温合金在战机发动机中的应用实例
单晶高温合金因其卓越的性能，成为制造战机发动机涡轮叶片的理想材料。在众多先进战机发动机中，都能发现其身影。例如，某型先进的涡扇发动机，其涡轮叶片就采用了单晶高温合金。这种发动机为战机提供了强大的动力，使战机具备了出色的超音速巡航能力和短距起降性能。
在这款发动机中，单晶高温合金涡轮叶片的设计经过了精心的优化。叶片的形状采用了先进的空气动力学设计，以提高进气效率和减少气流阻力。同时，叶片表面还采用了特殊的涂层处理，以进一步提高其耐高温和耐腐蚀性能。在实际运行中，这些叶片能够在极端的工作条件下稳定运行，为发动机提供了可靠的动力输出。
在另一款备受瞩目的战机发动机中，单晶高温合金制成的涡轮叶片能够承受更高的涡轮前温度，从而显著提高了发动机的推力和燃油效率。该发动机装备的战机在作战半径和载弹量方面都有了显著提升，增强了战机的综合作战能力。
这款发动机的单晶高温合金涡轮叶片采用了更为复杂的内部冷却结构。通过在叶片内部设计精细的冷却通道，使得冷却空气能够更有效地带走叶片表面的热量，从而进一步提高了叶片的耐高温性能。此外，叶片的制造工艺也采用了先进的精密铸造技术，确保了叶片的高精度和高质量。
二、单晶高温合金的独特优势
单晶高温合金的厉害之处在于其超越传统高温合金的性能。
首先，其耐温性能大幅提升。相比传统高温合金，单晶高温合金能够在更高的温度下保持稳定的性能。以具体数据为例，传统高温合金在 1100℃左右时性能开始明显下降，而单晶高温合金能够在 1200℃甚至更高的温度下依然保持良好的强度和韧性。这使得发动机能够在更高的温度下工作，提高热效率，增加推力。
单晶高温合金的耐温性能提升主要得益于其独特的晶体结构。传统高温合金通常为多晶结构，晶界处容易成为性能薄弱点，在高温下容易发生晶界滑移和裂纹扩展。而单晶高温合金消除了晶界，使得原子排列更加有序，从而提高了材料的高温稳定性。例如，在一项对比实验中，将传统高温合金和单晶高温合金同时置于 1200℃的环境下持续加热 100 小时，传统高温合金的强度下降了 30%，而单晶高温合金的强度仅下降了 10%。
其次，抗蠕变性能出众。在长时间高温和应力作用下，材料容易发生蠕变变形，影响发动机的性能和寿命。单晶高温合金的抗蠕变性能比传统高温合金高出数倍。例如，在一项持续 1000 小时的高温蠕变实验中，传统高温合金的蠕变变形量达到了 5%，而单晶高温合金的蠕变变形量仅为 1%左右。
单晶高温合金的抗蠕变性能优势源于其微观结构的均匀性和稳定性。由于不存在晶界，减少了位错滑移和扩散的通道，从而有效地抑制了蠕变变形的发生。同时，合金中的强化相分布更加均匀，能够更好地抵抗高温下的应力作用。
再者，单晶高温合金还具有更好的抗氧化和抗腐蚀性能。在发动机内部复杂的化学环境中，其能够有效地抵抗氧化和腐蚀，延长叶片的使用寿命。
发动机内部的高温燃气中含有各种腐蚀性成分，如氧气、硫化物等。传统高温合金在这种环境下容易形成氧化皮和腐蚀坑，导致材料性能下降。而单晶高温合金表面能够形成一层更加致密和稳定的氧化膜，阻止腐蚀性介质的侵入。例如，在模拟发动机内部腐蚀环境的实验中，经过 500 小时的暴露，传统高温合金表面出现了明显的腐蚀坑和剥落现象，而单晶高温合金表面的氧化膜依然完整，腐蚀程度较轻。
三、单晶高温合金战机发动机的性能详解
为了更清晰地了解单晶高温合金在战机发动机中的作用，我们通过具体性能数据来进行分析。
以某型采用单晶高温合金涡轮叶片的发动机为例，其涡轮前温度达到了 1700℃，相比采用传统高温合金叶片的同类型发动机提高了约 150℃。这一温度的提升使得发动机的热效率提高了 8%，推力增加了 12%，燃油消耗率降低了 7%。
在抗疲劳性能方面，经过 10 万次的循环加载实验，单晶高温合金叶片的疲劳寿命比传统高温合金叶片延长了 30%以上。这意味着发动机在长期运行中的可靠性得到了显著提高，减少了维护和更换叶片的频率，降低了使用成本。
此外，由于单晶高温合金的使用，发动机的整体重量也有所减轻。以一组涡轮叶片为例，采用单晶高温合金制造的叶片比传统高温合金叶片轻约 15%，这对于提高战机的机动性和飞行性能具有重要意义。
在实际飞行测试中，装备了采用单晶高温合金涡轮叶片发动机的战机表现出了卓越的性能。在超音速飞行时，发动机的推力稳定，加速性能优异。在长时间的飞行任务中，发动机的可靠性和燃油经济性也得到了充分验证。
例如，在一次长途奔袭任务中，装备该发动机的战机相比装备传统发动机的同类型战机，在相同的燃油载荷下，航程增加了约 20%，大大提高了战机的作战半径和战略投送能力。
四、单晶高温合金在战机发动机领域的最新进展
根据全网最新报道，单晶高温合金在战机发动机领域的研究和应用不断取得新的突破。
科研人员正在致力于进一步提高单晶高温合金的性能。通过优化合金成分和微观结构，研发出具有更高耐温性能和抗蠕变性能的新型单晶高温合金。例如，一种新型单晶高温合金在实验室条件下能够承受 1300℃的高温而不发生明显性能下降，有望在未来的战机发动机中得到应用。
在合金成分优化方面，研究人员通过添加微量的稀土元素和其他特殊元素，改善了单晶高温合金的晶体结构和性能。例如，添加适量的钇元素可以细化晶体结构，提高合金的强度和韧性。同时，通过调整合金中各元素的比例，如增加铼、钌等元素的含量，可以进一步提高合金的耐高温性能。
制造工艺也在不断改进和创新。先进的铸造技术和热处理工艺能够更好地控制单晶高温合金的晶体生长和微观组织，提高叶片的质量和性能一致性。同时，增材制造技术（3D 打印）在单晶高温合金叶片制造中的应用研究也在逐步开展，为制造更复杂形状和更高性能的叶片提供了可能。
先进的定向凝固铸造技术可以使单晶高温合金的晶体生长方向更加一致，减少缺陷和偏析。热处理工艺的优化则可以进一步调整合金的微观结构，提高其性能。例如，采用多级热处理工艺，可以使合金中的强化相分布更加均匀，从而提高材料的综合性能。
此外，与其他先进技术的结合也是当前的研究热点。例如，将单晶高温合金与热障涂层技术相结合，能够进一步提高叶片的耐高温性能和使用寿命。
热障涂层可以有效地降低叶片表面的温度，减少高温对叶片基体材料的影响。目前，新型的热障涂层材料如陶瓷基复合材料正在研发中，与单晶高温合金结合后，有望使发动机的涡轮前温度再提高 50 - 100℃。
综上所述，单晶高温合金在战机发动机领域展现出了巨大的潜力和优势。随着技术的不断进步，其将为战机发动机的性能提升和发展做出更大的贡献。未来，我们可以期待看到更加先进、高效、可靠的战机发动机问世，为航空领域带来新的突破和变革。
高温合金：航空发动机关键材料，龙头厂商强者恒强
高温合金是航空发动机关键战略物资。当前航空发动机性能提升和国产化需求迫切，进一步拉动了上游核心材料需求。
航空发动机材料的升级换代是提高发动机推重比的根本途径，高温合金材料是决定航空发动机性能的关键瓶颈。
当前我国航空发动机和燃气轮机市场国产替代空间广阔，高温合金行业有望迎来广阔的发展空间并继续高速增长的态势。
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高温合金产业链梳理航空发动机是飞机的动力装置，对其金属结构材料要求严苛。优质合格的材料需要具备轻质、高强、高韧，还必须具备耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多重性能。
高温合金是 “先进金属材料”的细分领域， 能在600°C以上的高温及一定应力条件下长期稳定工作，是航空发动机热端部件中不可替代的关键材料。
在航发产业链中，高温合金处于中上游。高温合金的产业链包括上游原材料及设备供应商、中游高温合金材料和制品生产商，以及下游应用终端。
高温合金上游通过将镍、钴、钼、铼等金属原料熔炼为高温合金然后交付给锻造或铸造厂。
中游的高温合金生产商和零部件制造商是产业链的核心，通过冶炼工艺制造出高温合金，并进一步生产出涡轮叶片、涡轮盘等关键零部件。
下游目前在国内高温合金主要应用于航空航天发动机的制造，也应用在燃气轮机及汽车涡轮盘等领域。
高温合金产业链图示：
资料来源：中国银河、行行查
高温合金市场竞争和龙头梳理由于技术壁垒较高，目前全球范围内只有美国、俄罗斯、中国、德国、法国、日本等国家具备生产航空航天用高温合金的能力。
国际上以ATI、SMC等为代表的高温合金生产企业，正在持续提高高温合金的质量和稳定性以及降低生产成本。
当前国内企业主要需要面临攻克冶金及杂质问题、改善材料均匀性并降低高成本等挑战。
从国内的市场竞争格局来看，我国已有十余家从事高温合金研发及制备的企业和研究所，形成了相对完善的高温合金生产体系。
值得一提的是，这些企业间更多的是竞争与合作，直接竞争相对较少同时也在上下游展开合作。
我国高温合金格局已形成了比较先进且具有一定规模的生产基地。
主要参与者包括兼具高温合金材料研发与生产能力的科研单位，如钢研高纳、北京航材院和中科院金属所等；还有以抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢为代表的特钢厂；此外，W部超导、图南股份、隆达股份、应流股份等多数为民营背景。
代表厂商中，钢研高纳具备生产国内80%以上牌号高温合金的技术和能力，产品涵盖所有高温合金的细分领域。是我国高温合金领域技术水平最为先进、生产种类最为齐全的企业之一，多个细分产品占据市场主导地位。
航材股份自上世纪60年代起开始从事高温合金熔炼技术研究，负责研发和生产航空发动机热端部件所用的各类铸造高温母合金以及大型等温锻造模具用高温母合金，产品覆盖国内全部批产的航空发动机高温母合金。
图南股份是国内少数能同时批量化生产变形高温合金、铸造高温合金产品的企业之一。#高温合金##航空##飞机##有色金属##财经##低空经济##飞行汽车##无人机##军工#
国内高温合金部分代表厂商梳理：
资料来源：公开整理
结语航空发动机的发展对我国航空工业及国防安全具有重要意义，加速高温合金材料的国产化成为行业的首要任务。近年来，我国持续加速推动低空经济，以及通用航空业的发展。长远来看，我国民用航空市场将带动年均约41.55亿美元的高温合金需求。
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