首页 > 最新动态 > 高温合金——航空发动机实现性能突破的关键材料
最新动态
高温合金——航空发动机实现性能突破的关键材料
2024-10-0281

高温合金是指以第三主族元素（铁、钴、镍）为基，加入大量强化元素，能在 600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度以及良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗疲劳性能，在高温下具有良好的组织稳定性和使用可靠性，因此，也被称为热强合金、耐热合金或超合金。
经过数十年发展，我国在高温合金的研究和生产上取得了巨大的进步，基本形成了牌号齐全的高温合金体系，并形成了一定的产能规模。其在航空航天、燃气轮机、汽车等领域均为核心应用材料。


一、高温合金的概况

高温合金特点

高温合金又称为耐热合金和超合金，是指在600℃以上及应力作用下，具有长时间抗蠕变能力、高强度、耐腐蚀的金属材料。

相比普通金属，高温合金在复杂工作环境下的性能优异：1）高温强度；2）抗氧化性；3）抗热腐蚀；4）抗疲劳性；5）断裂韧性；6）内部组织稳定，使用可靠。

图：高温合金优异性能高；来源：新材料在线


二、高温合金的分类

按照组成元素划分


高温合金的组成元素主要包括铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）、钛（Ti）、铝（Al）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）等，其中最常见有铁基、镍基、钴基三种。

铁基高温合金：中等温度（600-800℃）条件下使用的高温合金。铁基合金成分简单，成本低廉，应用广泛。

镍基高温合金：以镍为基体，在中高温（650-1000℃）条件下使用的高温合金。在所有高温合金中，镍基高温合金的高温强度最大，应用范围最广泛。相比铁基合金，组织更稳定，有害相少，抗氧化和抗腐蚀能力更强。

钴基高温合金：在高温（730-1100℃）条件下使用的奥氏体高温合金，含钴量40%-65%。耐高温能力强，但钴是贵金属，成本相对较高，限制钴基合金的推广。

按照加工方式划分


主要可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金三大类。

变形高温合金：是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253～1320℃，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗腐蚀性能的一类合金。

铸造高温合金：以铸造方法直接制备零部件的高温合金材料。根据合金基体成分，可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钴基铸造高温合金3种类型。按结晶方式，又可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4种类型。

粉末冶金高温合金：用粉末冶金工艺制取的高温合金。与传统的铸锻高温合金相比，具有组织均匀，无宏观偏析，屈服强度高，耐疲劳性好等优点。

按照强化方式划分


主要包括固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型四大类。


图：高温合金分类；来源：新材料在线


三、高温合金的应用领域

高温合金的应用领域


基于其在高温工作环境下的突出性能，高温合金被广泛应用于航空、航天发动机、舰船和工业用燃气轮机的核心热端部件。除军事用途外，高温合金还在电力、石油化工、汽车、冶金、玻璃制造等民用领域发挥着不可替代的作用。

图：高温合金应用领域；来源：新材料在线、中航证券金融研究所

图：高温合金在各领域的分布图；来源：中商情报网、中国产业信息网

航发实现性能突破的关键要素


推重比、涡轮前温度、燃油消耗率是衡量航空发动机性能的主要指标，也是航空发动机分代的重要依据。航空发动机的发展趋势就是不断提高推重比和涡轮前温度，同时降低燃油消耗率。其中，提高涡轮前温度有助于提升航空发动机的推重比，涡轮进口温度每提高100℃，航空发动机的推重比能够提高10%左右。从第一代航空发动机发展至目前的第五代发动机，涡轮前温度已经由最初的1200-1300K提高到了1850-2000K。随着涡轮前温度的逐步提高，燃烧室所用材料的耐高温要求也日益苛刻。据航空材料学报报道，自20世纪60年代中期至80年代中期，涡轮进口温度平均每年提高15℃，其中材料所做出的贡献在7℃左右。因此，高端高温合金材料成为了制约航空发动机发展的关键因素之一。

资料来源：公开信息，中航证券金融研究所搜集整理

燃气轮机关键部件的核心原材料


燃气轮机的基本结构与航空燃气涡轮发动机类似，也是由压气机、燃烧室和涡轮(又称燃气透平)等组成，主要的区别在于燃气轮机是将燃气发生器的可用功输出为转子的扭矩。燃气轮机按照体量及功率大小可分为重型燃气轮机及轻型燃气轮机。重型燃气轮机主要用于发电领域，轻型燃气轮机可用于舰船及机车、坦克等特种车辆的动力。燃气轮机按涡轮前温度还可以大致分类为：900℃的A级、1000℃的B级、1100℃的C级、1200℃级的D型(如：M701D)，1300℃级的E型，1400℃级的F型(如：M501F/M701F)，采用回收型蒸汽冷却燃烧器、进口温度1500℃级的G 型以及在此基础上还开发出1500℃级的H 型(如：M701H)。

燃气轮机具有体积小、重量轻、热效高、污染低、耗水少等优点，在船舶、电力、石化、冶金等领域的应用日趋广泛。燃气轮机的关键部件如涡轮工作叶片和涡轮导向叶片，由于特殊复杂的工作环境，对组成材料的整体性能要求极高。与航空发动机相比，燃气轮机要求高温合金除了良好的蠕变强度、疲劳强度和良好的塑性等共性外，还得具备独特的物理化学特性：

极强的抗热腐蚀性，因为发电或舰用燃气轮机工作环境较航空发动机恶劣，热端关键零件涡轮叶片或导向叶片要经受严重的热腐蚀；

组织稳定性好，工作寿命长。军机发动机的寿命通常约几千小时，民航发动机的寿命也仅为上万小时，而工业用燃气轮机则要求几万至几十万小时的寿命。 

因此，高温合金是加工生产力学性能优异、组织稳定的涡轮工作叶片和导向叶片的核心原材料，直接决定了燃气轮机能否在复杂工作环境下长久高效运行。

制造汽车增压涡轮的重要材料


涡轮增压技术能显著提高汽车的扭矩和功率，同时提升发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放因此在汽车工业中逐渐得到推广。但是经过涡轮增压以后，发动机在工作时候的压力和温度都大幅提升，由于转速高，叶片上还受到多种交变应力的作用，因此要求涡轮材料具有较好的高温力学性能、屈服点和长期组织稳定性以及良好的铸造性能。铸造高温合金因具有足够的强度、热稳定性和良好的抗疲劳性等优点，被大量用于制作汽车增压器涡轮。

四、高温合金的市场需求

“两机专项”加速推进，潜在需求提升


“两机专项”主要是航空发动机和燃气轮机两个重大专项，两机的基本原理相同。航空发动机专项方面，将重点聚焦涡扇、涡喷发动机领域，同时兼顾有一定市场需求的涡轴、涡桨和活塞发动机领域，主要研发大涵道比大型涡扇发动机、中小型涡扇/涡喷射发动机、中大功率涡轴发动机等重点产品；燃气轮机专项的主要目标为，2020年实现F级300MW燃机自主研制，2030年实现H级400MW燃机自主研制。2016年8月，航发集团正式成立，标志着两机专项的全面启动。2017年4月17日，工信部在京召开了“两机”基础研究专业组成立大会，“两机专项”开始加速推进。“两机专项”的全面实施将推动我国航空发动机和燃气轮机实现国产化替代。作为决定两机发展关键要素之一的高温合金将受益于专项的实施实现重大突破，潜在的市场空间巨大。

航空发动机领域
我国航空发动机起步较晚，而且长期以来缺乏长远的规划，加上国外的技术封锁，使得我国航空发动机研制进展缓慢，与世界先进水平大约有30年的巨大差距。军机发动机方面，我国现役最先进的WS10及其改进型的性能指标仅仅与美国普惠的F100和通用电气的F110相当，这两款配套美国F-15/F-16战斗机的发动机上世纪70年代即已服役。由于中国大部分发动机技术是转化自前苏联，因此相比美国普惠和通用电气的航空发动机，在寿命上和稳定性上存在显著不足，通常飞行几百小时就得大修，这与材料的加工工艺和性能有直接关系。民航发动机方面，中国才刚刚起步，我国完全自主研制的大型商用干线飞机C919采用的是由美国通用电气和法国赛峰公司合作研发的最新一代LEAP发动机。因此，无论在军用还是民用航空发动机领域，中国都还远远落后于世界一流水平。

发动机是飞机发展的“瓶颈”，而材料及其加工工艺又是直接制约发动机研发的屏障。推重比10以上的先进军用发动机和现代民用大涵道比发动机，有60%～70%的技术要依赖于先进材料和先进工艺。我国在钛合金材料、高温合金材料等金属材料以及陶瓷基复合材料等非金属材料方面与欧美等先进国家均有较大差距，因此先进的材料及其加工工艺是持续提升我国航空发动机水平的前提条件。“两机专项”的一个重点任务是提升高温合金和钛合金等高端材料的性能及加工工艺。我国自主航空发动机的研制定型和列装服役则将打开高温合金等高端材料的市场天花板。

军用航空发动机领域的国内市场需求


经过多年的发展，中国空军从无到有，已经发展成为全球重要的空军力量之一。从军机保有量来考量，中国已经成为世界前三的空军力量，数量仅次于美国和俄罗斯。从军机性能和战斗力来考量，中国空军总体实力仍然落后于美国，现役飞机中超过一半是老式的落后机型，尤其是战斗机、运输机和直升机，不论是数量还是质量上都不能跟美国相提并论。在中国加强国防建设，尤其是加快海空军实力建设的背景下，新式战机的国产化替代将带来巨大的市场空间。

在先进的航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的40%－60%以上。高温合金由于强度高，加工硬化严重，因此材料加工成关键零部件的成材率相对较低。假设高温合金成材率为20%，测算所得的未来15年的高温合金总需求将达到约70000吨，年均需求约4650吨。根据中国金属学会高温材料分会的估计，目前在航空航天、发电领域高温合金需求量3000吨左右，且每年呈15%以上的速度增长。

民用航空发动机领域的国内市场需求


在民机市场，波音和空客两大航空业巨头分别对未来20年新机需求做了预测。根据波音公司2016年发布的针对中国市场的最新《当前市场展望》报告，预测未来20年中国将需要6810架新飞机，总价值达1.025万亿美元。在全球范围，则需求39620架新飞机，总价值5.9万亿美元。根据空客公司在2016珠海航展上发布最新全球市场预测，未来20年中国将需要约6000架新客机与货机，价值9450亿美元，全球则需要33000多架新飞机。综合两家的预测数据，中国未来20年新机需求预计将达到6500架左右，全球则有望达到35000架。由于超大型客机占比较少，在此暂不考虑超大型客机配4个发动机的情况，因此，预计未来20年对全球对民航发动机的需求将达到70000台，国内市场达到13000台。目前，波音采用的推力32000磅的LEAP-1A自身重量达到7000磅（合计3175.147千克），采用的推力29000磅的LEAP-1B自重6130磅（合计2780.521千克）。假定发动机重量为3吨，高温合金占比50%，成材率25%，未来20年全球高温合金需求将达到42万吨。虽然民航发动机需求的增长将扩大高温合金的市场空间，但由于中国在民航发动机领域目前尚处于起步阶段，因此对国内高温合金市场的刺激力度有限。

图：民航发动机外观；来源：公开信息

燃气轮机领域的市场需求


燃气轮机根据结构形式划分，可以分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机以及微型燃气轮机。

重型燃气轮机：零部件较厚重，要求寿命长，单位功率的质量为2～5千克/千瓦。

轻型燃气轮机：零部件结构紧凑，质量轻，单位功率的质量小于2千克/千瓦。

微型燃气轮机：将燃气轮机与发电机设计成整体，体积很小，质量很轻。

图：燃气轮机的分类；来源：两机动力控制

图：燃气轮机设计和结构特点；来源：北极星电力网

在国内市场，燃气轮机应用主要集中于发电和舰船两大领域。
在发电领域，由于我国天然气资源进入大规模开发利用阶段，燃气轮机发电正处于加速发展期。根据高端装备发展研究中心的统计，国内燃气轮机电厂运营主体分为四类：第一类是以华能、华电、中电投等为代表的国有大型发电央企;第二类是地方政府出资控股的省属电力投资集团及能源集团，如浙能集团、申能集团、京能集团等;第三类是国内钢铁厂自备电厂，应用气进行高炉煤气联合循环发电;第四类是石油天然气生产企业，如中海油等。

图：国内燃气发电企业类型；来源：两机动力控制

虽然国内燃气发电发展速度很快，但绝大部分燃气轮机仍然只能依靠进口或者通过与外商合作的方式获得。国外燃机供应商主要有通用电气(GE)、西门子(Siemens)、三菱重工(MHI)以及Alstom(现被GE收购)。国内燃机供应商则主要包括上海电气、东方电气、哈尔滨电气外加南京汽轮机电机四家，其中上海电气与西门子合作，东方电气结对三菱，哈电与南汽与GE合作。因此，GE的燃气轮机几乎占据了国内燃机市场的半壁江山，其次为MHI和西门子。

我国在自主研制燃气轮机方面还处于起步阶段，不论技术还是产量在市场是都处于弱势。国内能自主研发燃气轮机发电机组的企业包括沈阳黎明航空发动机集团、哈尔滨东安发动机、中航世新燃气轮机股份有限公司、中航动科南方燃机等公司。主要产品包括QD128、QD70、QD185和QD168系列轻型燃气轮机，以及R0110重型燃气轮机。目前，已经为国内外的电厂提供高炉煤气联合循环项目以及天然气分布式能源项目提供燃气轮机产品。随着“两机专项”的实施，自主研发的燃气轮机有望迎来突破。

在舰船领域，我国与欧美等军事强国存在巨大的差距。当前，国外现代大、中型水面舰艇和高性能舰船都基本采用燃气轮机作为主要动力装置。据1981～2008年国外舰船动力装置统计，3/4的水面舰船采用了燃气轮机(含柴-燃联合)。相比之下，我国军舰动力燃气轮机化率远低于老牌海军强国。目前主力护卫舰采用柴油机动力，主力驱逐舰逐渐采用柴燃混合动力，其中052型驱逐舰112、113号装备了美制LM2500燃气轮机，052B、052C型驱逐舰168、169、170、171号装备了乌克兰制的GT25000或国内仿制型号，最新服役的052D驱逐舰采用其国产化型号QC280。

相比柴油机和蒸汽轮机，燃气轮机无疑更符合军舰对动力系统性能的要求，主要是由于燃气轮机成功率大、噪音低、起速快等优异特性。

1）功率密度极大。通常情况下，同等功率的燃机体积是柴油机的1/3-1/5，是蒸汽轮机的1/5-1/10左右。这是由燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构决定的。燃气轮机体积小、功率大，非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。

2）启动速度快。虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的，但是由于整个转子十分轻巧，在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源于活塞的往复，加速较慢，蒸汽轮机更是“反应迟钝”，而启动速度对于军舰的作战性能有着直接的影响。

3）噪声低频分量低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中，产生的噪声更多是高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声，恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点，导致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适合给反潜军舰作动力系统。

从美日欧等海军老牌强国的发展路径来看，舰艇以燃气轮机作为动力是未来军舰升级换代下的必然趋势。近年来，我国加快了海军现代化装备的更新，各类新型舰船如下饺子一样下水服役，在不断提升我海军实力的同时，也给相关产业链带来了新的发展机遇，尤其是上游高端材料和零部件的供应商直接受益。高温合金作为生产燃气轮机必不可少的关键材料，需求也在同步上涨。

汽车等其他领域的市场需求

随着人们对于汽车动力的追求，对于环境保护的重视，小排量涡轮增压汽车逐渐受到追捧。目前，现代柴油机上使用废气涡轮增压器已经非常普遍，在汽油机上的应用也在加速推广，市面上带“T”的车型逐渐增多，涡轮增压器市场持续扩大。根据中国产业研究报告的统计，我国中重型载货车与客车采用涡轮增压技术已接近100%，轻型载货、载客车采用涡轮增压技术接近80%的水平，随着中小型增压器在乘用车、工程机械、部分船机等领域应用比例的提升，涡轮增压器的年需求量可达200万台以上，带动的高温合金的需求稳步提升。

未来随着两机专项的实施以及涡轮增压汽车市场的持续增长，高温合金的国内市场将呈现出持续稳健增长的趋势。

五、高温合金的供给现状

体系齐全、供需缺口较大

经过数十年发展，我国在高温合金的研究和生产上取得了巨大的进步，基本形成了牌号齐全的高温合金体系，并形成了一定的产能规模。但跟美国、俄罗斯等国相比，在高温合金技术水平与生产规模方面仍存在较大差距。

国内从事高温合金的厂家主要有两大类：
第一类是特钢生产厂家，如抚顺特钢、宝钢特钢和攀长钢，高温合金只是作为其特钢业务的很小一部分，在人才储备和研发能力上相对较弱，产品相对单一；

第二类是科研单位及其下属企业：如钢铁研究总院（钢研高纳）、北京航空材料研究院、中国科学院沈阳金属所（中科三耐），研发能力强，产品种类齐全，技术领先，但是其特殊的科研属性使得产能规模相对较小。

目前，国际市场上每年消费高温合金材料近30万吨，我国每年需求达2万吨以上，市场规模超过80亿。我国高温合金的主要生产厂家的产能合计大约有1.28万吨，实际产量大约只有1万吨，其中抚顺特钢和钢研高纳占据了其中的大头。未来，随着两机专项的实施带来的大量的新增需求，我国的高温合金消费量将快速提升。由于高温合金尤其是需要精细加工的高端高温合金的技术门槛较高，扩充产能的周期长，难度大，因此短期内产量难以跟上需求的增长，供需缺口将进一步扩大。

来源：国家新材料产业资源共享

编辑：朱光明  校对：孙超  审核：吕东显 
媒体合作: 13501198334

点我访问原文链接