高溫合金深度研究報(bào)告
軍工材料專(zhuān)題:高溫合金深度研究報(bào)告投資要點(diǎn):高溫合金,又稱(chēng)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(zhǎng)期工作的金屬材料,具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)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(dòng)機(jī)中不可替代的關(guān)鍵材料。在世界先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中,高溫合金材料用量已占到發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。所以,高溫合金材料也被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)基石”。 ? ?航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金占高溫合金需求的一半以上。隨著國(guó)內(nèi)一批新型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入量產(chǎn),高溫合金需求有望快速增長(zhǎng)。以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機(jī)陸續(xù)進(jìn)入列裝,WS-10發(fā)動(dòng)機(jī)需求持續(xù)增長(zhǎng)。未來(lái)幾年,隨著國(guó)產(chǎn)大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)20的投產(chǎn),大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)將進(jìn)入量產(chǎn)階段;小涵道比中推、小推航空發(fā)動(dòng)機(jī)也將逐步進(jìn)入量產(chǎn)。國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求的增長(zhǎng)將驅(qū)動(dòng)航空用高溫合金需求進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。高溫合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。高溫合金在燃?xì)廨啓C(jī)、車(chē)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(jìn)和國(guó)內(nèi)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展將持續(xù)拉動(dòng)民用工業(yè)對(duì)高溫合金的需求,目前民用高溫合金占總需求的20%,未來(lái)這一比例有望持續(xù)提升。我們根據(jù)測(cè)算認(rèn)為,到2020年,我國(guó)高溫合金需求約為4萬(wàn)噸,對(duì)應(yīng)市場(chǎng)空間90.5億元:航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)廢氣渦輪增壓器、核電工業(yè)用高溫合金需求的增長(zhǎng)將驅(qū)動(dòng)行業(yè)需求的爆發(fā)。而目前,我國(guó)高溫合金產(chǎn)能約1.26萬(wàn)噸,實(shí)際產(chǎn)量8000-9000噸左右。高溫合金未來(lái)7年的需求復(fù)合增長(zhǎng)率有望超過(guò)20%。一、高溫合金概覽(一)高溫合金簡(jiǎn)介及分類(lèi)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(zhǎng)期工作的一類(lèi)金屬。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點(diǎn)在于:在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強(qiáng)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(chēng)之為超合金(Superalloys)。高溫合金材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)**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(dòng)機(jī)的熱端部件。伴隨工業(yè)化發(fā)展,民用高端裝備工業(yè)對(duì)高溫合金材料的需求呈不斷上升趨勢(shì),高溫合金的耐高溫耐磨耐腐蝕的特點(diǎn)使其在柴油機(jī)和內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓、燃?xì)廨啓C(jī)、能源動(dòng)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。高溫合金可以根據(jù)材料成型方式、基體元素種類(lèi)、合金強(qiáng)化類(lèi)型等來(lái)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(qiáng)化高溫合金ODS);2)根據(jù)基體元素種類(lèi),高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等;3)根據(jù)合金強(qiáng)化類(lèi)型,高溫合金可以分為固溶強(qiáng)化型高溫合金和時(shí)效沉淀強(qiáng)化合金。 (二)高溫合金材料技術(shù)難點(diǎn)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(guò)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(zhǎng)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(shí)機(jī)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(lái)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(duì)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(diǎn)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(guò)程,通過(guò)合金強(qiáng)化+工藝強(qiáng)化來(lái)不斷結(jié)合提高合金的材料性能。合金強(qiáng)化包括合金固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化劑晶界強(qiáng)化等;工藝強(qiáng)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(gè)過(guò)程。生產(chǎn)工藝對(duì)高溫合金材料力學(xué)性能的影響重大,一項(xiàng)新工藝的引入,往往使高溫合金的性能獲得一個(gè)飛躍,發(fā)展處一批新型高溫合金,進(jìn)而推動(dòng)一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空飛機(jī)的發(fā)展。老型號(hào)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(jìn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)步。F-22用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)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**工作溫度為1070℃左右,由于采用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)程序設(shè)計(jì)制造了超級(jí)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(dòng)機(jī)為1400℃),可見(jiàn)工藝創(chuàng)新在材料發(fā)展中的重要地位。高溫合金材料制備技術(shù)與工藝仍處于不斷的進(jìn)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(jìn)熔煉控制方法等;通過(guò)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(qiáng)度;采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強(qiáng)度等。此外,氧化物彌散強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(chē)、機(jī)械等行業(yè)中。(一)航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱(chēng)為“工業(yè)之花”,是航空工業(yè)中技術(shù)含量**、難度**的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī),特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、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**的性能要求。 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步與高溫合金的發(fā)展密切相關(guān),高溫合金是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的*為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)通??梢杂闷渫浦乇龋ㄍ屏?重量)綜合地評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。提高推重比*直接和*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(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級(jí),對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重的要求比不斷提高,發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高性能高溫合金材料的依賴(lài)越來(lái)越大。燃燒室燃燒室的功用是把燃油的化學(xué)能釋放變?yōu)闊崮?,是?dòng)力機(jī)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?chē)鲃?dòng),穿過(guò)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**、*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(diǎn)的限制,現(xiàn)在基本已經(jīng)達(dá)到其極限使用溫度,難以進(jìn)一步發(fā)展。要使燃燒室用高溫合金材料進(jìn)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(guó)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(qiáng)化合金、金屬間化合物、高溫高強(qiáng)鈦合金等。導(dǎo)向葉片導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來(lái)的燃?xì)饬鲃?dòng)方向的部件,是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊**的零件之一。一般來(lái)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(lái),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(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。渦輪盤(pán)渦輪盤(pán)在四大熱端部件中所占質(zhì)量**。渦輪盤(pán)工作時(shí),輪緣溫度達(dá)550-750℃,而輪心溫度只有300℃左右,整個(gè)部件的溫差大;轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受重大的離心力;啟動(dòng)和停車(chē)過(guò)程中承受大應(yīng)力低疲勞周期。用于渦輪盤(pán)制造的主要材料是變型高溫合金,其中G4169合金是用量**、應(yīng)用范圍*廣的一個(gè)主要品種。近年來(lái),隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高,對(duì)渦輪盤(pán)要求也越來(lái)越高,粉末渦輪盤(pán)組織均勻、晶粒細(xì)小、強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)使其成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)上理想的渦輪盤(pán)合金,但我國(guó)工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤(pán)夾雜物較多,正在進(jìn)一步研制中。渦輪葉片渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上*關(guān)鍵的構(gòu)件,渦輪葉片的工作環(huán)境*惡劣,渦輪葉片在承受高溫同時(shí)要承受很大的離心應(yīng)力、振動(dòng)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(lái)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(guó)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(dòng)機(jī)高溫渦輪工作葉片的主要材料;我國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始單晶合金研制,根據(jù)專(zhuān)著《中國(guó)高溫合金50年》(師昌緒),第二代單晶合金已經(jīng)在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行使用。(二)航天發(fā)動(dòng)機(jī)航天發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)載荷和特殊戒指的考驗(yàn),因此對(duì)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(dòng)機(jī)相當(dāng)大的比重,在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)研制水平。航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金,但航天發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)去形狀極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件在航天發(fā)動(dòng)機(jī)上一直沒(méi)有真正加以應(yīng)用。隨著工藝的進(jìn)步,航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的許多關(guān)鍵熱部件都采用了無(wú)余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件,簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可靠性。隨著航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,航天發(fā)動(dòng)機(jī)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(wú)余量的趨勢(shì)。典型的有渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、泵殼體等。我國(guó)的“長(zhǎng)征”系列火箭以及“神舟”系列飛船,發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)、小型渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)定型,并開(kāi)始批量生產(chǎn),國(guó)內(nèi)對(duì)航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長(zhǎng),進(jìn)入一個(gè)新的增長(zhǎng)期。(三)民用工業(yè)高溫合金的應(yīng)用隨著工業(yè)化的推進(jìn),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(zhǎng)。高溫合金合金也是艦船、火車(chē)、汽車(chē)渦輪增壓器葉片及各類(lèi)工業(yè)燃機(jī)葉片的優(yōu)選材料;鐵路運(yùn)輸?shù)母咚倩?、造船業(yè)的高品質(zhì)要求(特別是出口造船)、艦艇動(dòng)力的**要求、工業(yè)燃機(jī)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(guó)內(nèi)民用工業(yè)高溫合金占高溫合金總需求的20%,而美國(guó)50%的高溫合金應(yīng)用于民用工業(yè)領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)是高溫合金的另一個(gè)主要用途。燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)機(jī),它的結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一致,也類(lèi)似蒸汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的基本原理與蒸汽輪機(jī)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(jī)屬于內(nèi)燃機(jī),所以也叫內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)。構(gòu)造有四大部分:空氣壓縮機(jī),燃燒室,葉輪系統(tǒng)及回?zé)嵫b置。燃?xì)廨啓C(jī)的需求增長(zhǎng)迅速,除用于發(fā)電外,還用于艦船動(dòng)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(jī)用高溫合金的使用壽命長(zhǎng)(10萬(wàn)小時(shí)),耐熱腐蝕、尺寸大,質(zhì)量要求很高。汽車(chē)廢氣渦輪增壓器汽車(chē)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(guó)渦輪增壓器生產(chǎn)廠(chǎng)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(jī)葉輪共同組成一個(gè)轉(zhuǎn)子。此外內(nèi)燃機(jī)的閥座、鑲塊、進(jìn)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(duì)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(dòng)機(jī)排出的廢氣的能量來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪,渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪,葉輪壓送由空氣濾清器管道送來(lái)的空氣,使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)機(jī)的輸出功率。一般而言,加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩要增大20%—60%。2008年中國(guó)汽車(chē)工業(yè)僅渦輪轉(zhuǎn)子對(duì)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(shí)需承受600-800℃的高溫,需要較高的蠕變強(qiáng)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(jī)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(chǎng)加熱爐的墊塊、線(xiàn)材連軋導(dǎo)板和高溫爐熱電偶保護(hù)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(chǎng)空間測(cè)算根據(jù)測(cè)算,我們認(rèn)為到2020年,國(guó)內(nèi)高溫合金需求約為39275噸,對(duì)應(yīng)市場(chǎng)空間90.5億元。(一)航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求假設(shè)1:在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金占總重量的40%-60%,在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中這一比例超過(guò)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(jìn)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(dòng)機(jī)重量的60%,占民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)和其他軍機(jī)重量的40%。假設(shè)2:通過(guò)與已有國(guó)內(nèi)外相似型號(hào)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格對(duì)比,我們假設(shè)軍用戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重量約1.7噸,軍用運(yùn)輸機(jī)、民用大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重量約4噸,其他飛機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì),1)在鑄造和軋制過(guò)程中材料成型率70-80%左右;2)母合金進(jìn)行加工時(shí),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(jì)每臺(tái)戰(zhàn)斗機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)平均使用高溫合金5.1噸,軍用運(yùn)輸機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金12噸,其他軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金2噸;民用大飛機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金8噸。根據(jù)測(cè)算,未來(lái)20年我國(guó)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金需求為17.75萬(wàn)噸,民用大中型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金需求為7.36萬(wàn)噸。此外,低空開(kāi)放將有望打開(kāi)我國(guó)通用航空發(fā)展的瓶頸,未來(lái)20年通用航空保有量超過(guò)20000架,以平均1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)算,通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金需求為5萬(wàn)噸。綜上,我們預(yù)測(cè)未來(lái)20年航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金需求為30.11萬(wàn)噸,平均每年市場(chǎng)空間1.51萬(wàn)噸。(二)燃?xì)廨啓C(jī)需求軍事應(yīng)用占世界船用燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)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(jī)動(dòng)力;在民用市場(chǎng),燃機(jī)主要應(yīng)用于高速客船中。我國(guó)海軍目前船用燃機(jī)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(jī)。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(dòng)力配置方式均為柴燃交替動(dòng)力(CODOG),每艦配備有2臺(tái)燃機(jī)和2臺(tái)柴油機(jī)。隨著中國(guó)多型船用燃機(jī)相繼研制成功,中短期內(nèi)燃機(jī)普及有望提速。我們認(rèn)為,燃機(jī)普及將以30MW級(jí)船用燃機(jī)為核心,輔以4MW級(jí)小功率船用燃機(jī)。其中,30MW級(jí)燃機(jī)主要用于大型的驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等;4MW級(jí)燃機(jī)主要用于氣墊登陸艇和導(dǎo)彈快艇。參考LM2500燃?xì)廨啓C(jī)重量,我們假設(shè)國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)重20噸,高溫合金占重量30%,成材率20%,單臺(tái)國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金30噸。未來(lái)15年,我們認(rèn)為海軍將形成3大近海防御艦隊(duì)+若干支航母編隊(duì)+若干只兩棲攻擊/登陸編隊(duì)為主體的作戰(zhàn)體系??紤]到燃機(jī)應(yīng)用情況,常規(guī)/核動(dòng)力航母、兩棲攻擊/船塢登陸艦將其作為主要?jiǎng)恿υ吹目赡苄暂^小,應(yīng)用燃機(jī)的新型艦艇很可能主要配備在航母編隊(duì)和兩棲攻擊/登陸編隊(duì)中,且以驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦為主,近海防御艦隊(duì)則僅配備新型隱身導(dǎo)彈艇。按照未來(lái)15年將建設(shè)5個(gè)航母編隊(duì)(2常+3核)、3個(gè)兩棲攻擊/登陸編隊(duì)和3個(gè)近海防御艦隊(duì)規(guī)模的假設(shè),再考慮到燃機(jī)的更新與維護(hù),我們估算未來(lái)15年30MW級(jí)燃機(jī)需求600臺(tái),4MW級(jí)燃機(jī)需求1476臺(tái)。通過(guò)測(cè)算,未來(lái)15年燃?xì)廨啓C(jī)高溫合金需求達(dá)6.23萬(wàn)噸,平均每年4152噸。(三)汽車(chē)廢氣增壓渦輪高溫合金在汽車(chē)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(huì)用到高溫合金。渦輪增壓系統(tǒng)對(duì)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(dòng)機(jī)排出的廢氣的能量來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪,渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪,葉輪壓送由空氣濾清器管道送來(lái)的空氣,使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)機(jī)的輸出功率。一般而言,加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)功率及扭矩要增大20%—60%。廢氣增壓器渦輪生產(chǎn)在國(guó)外已有60多年的歷史。目前,國(guó)外的重型柴油機(jī)增壓器配置率100%,中小型柴油機(jī)也在不斷地增大其配置比例,如英、美、法等國(guó)家已達(dá)80%左右。國(guó)內(nèi)渦輪增壓器配置率將持續(xù)提升,尤其是汽油機(jī)渦輪增壓器配置率提升空間巨大。面對(duì)與日俱增的環(huán)保和能源壓力,內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排是大勢(shì)所趨。渦輪增壓是內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的有效手段,其中汽油機(jī)節(jié)油效果5-10%,柴油機(jī)節(jié)油效果10-20%左右。2012年我國(guó)內(nèi)燃機(jī)渦輪增壓器綜合配置率為6.7%;其中車(chē)用柴油機(jī)配置率為62%,未來(lái)的增長(zhǎng)點(diǎn)主要來(lái)自于輕卡裝配率提升;而車(chē)用汽油機(jī)配置率僅5%左右,未來(lái)提升空間巨大。依據(jù)鋼研高納招股說(shuō)明書(shū)推算出我國(guó)目前每萬(wàn)輛汽車(chē)對(duì)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(wàn)量汽車(chē)的高溫合金使用量將持續(xù)提高。我們假設(shè)2013年每萬(wàn)輛汽車(chē)高溫合金2噸,今后20年每年復(fù)合增長(zhǎng)5%;到2020年汽車(chē)產(chǎn)量復(fù)合增速5%,2020年-2030年汽車(chē)產(chǎn)量復(fù)合增速3%。依據(jù)測(cè)算,2020年汽車(chē)用高溫合金需求為8715噸,2030年為1.9萬(wàn)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(wàn)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(wàn)千瓦的核電站堆芯約需要各類(lèi)核級(jí)用管600多噸。國(guó)產(chǎn)核電裝備的應(yīng)用,也將帶動(dòng)核電裝備零部件供應(yīng)市場(chǎng)。依據(jù)媒體報(bào)道的中廣核集團(tuán)董事長(zhǎng)賀禹的講話(huà),我國(guó)目前在運(yùn)和在建核電規(guī)??傆?jì)4875萬(wàn)千瓦,在建核電機(jī)組數(shù)量位居****。根據(jù)我國(guó)修改后的核電發(fā)展目標(biāo),2015年核電機(jī)組裝機(jī)規(guī)模達(dá)到40GW建成,2020年核電裝機(jī)目標(biāo)為58GW運(yùn)營(yíng)+30GW在建,那么未來(lái)7年國(guó)內(nèi)必須新開(kāi)工40GW,對(duì)應(yīng)35-40座100萬(wàn)千瓦機(jī)組。我們假設(shè)1座100萬(wàn)千瓦機(jī)組需要各類(lèi)高溫合金1000噸,則未來(lái)7年核電工業(yè)對(duì)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(dòng)機(jī)每年發(fā)射次數(shù)較少且需求穩(wěn)定,我們估計(jì)每年航天發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫合金需求量在400-600噸左右。此外,假設(shè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天、燃?xì)廨啓C(jī)、汽車(chē)、核工業(yè)占高溫合金總需求的85%,則其他行業(yè)每年對(duì)高溫合金需求約為5900噸。四、國(guó)內(nèi)外高溫合金市場(chǎng)情況(一)國(guó)外高溫合金行業(yè)發(fā)展目前,全球每年消費(fèi)高溫合金材料近28萬(wàn)噸,市場(chǎng)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(guò)50家,主要集中在美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)。發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)在高溫合金研發(fā)以及應(yīng)用方面一直處于****地位,年產(chǎn)量約為5萬(wàn)噸,其中近50%用于民用工業(yè)。美國(guó)有很多獨(dú)立的高溫合金公司,能夠生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)際公司等。這些公司都先后發(fā)展了公司自己的高溫合**號(hào)。歐盟國(guó)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(guó)是世界上*早研究和開(kāi)發(fā)高溫合金的國(guó)家之一。英國(guó)的鑄造合金技術(shù)****,代表性的是國(guó)際鎳公司的Nimocast合金,后來(lái)該國(guó)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(qiáng)化高溫合金方面取得較大的成功。近年來(lái),致力于開(kāi)發(fā)新型的耐高溫合金,并成功開(kāi)發(fā)出在1200℃高溫下依然能保持足夠強(qiáng)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(hù)制鋼公司。(二)國(guó)內(nèi)高溫合金行業(yè)格局經(jīng)過(guò)50多年發(fā)展,我國(guó)已經(jīng)形成了比較先進(jìn),具有一定規(guī)模的生產(chǎn)基地。我們把國(guó)內(nèi)從事高溫合金的廠(chǎng)家分為四類(lèi):1、特鋼生產(chǎn)廠(chǎng):東北特殊鋼鐵接團(tuán)撫順特殊鋼公司(簡(jiǎn)稱(chēng)撫順特鋼),寶鋼股份公司特殊鋼事業(yè)部(簡(jiǎn)稱(chēng)寶鋼特鋼)和攀鋼集團(tuán)長(zhǎng)城特殊鋼公司(簡(jiǎn)稱(chēng)攀長(zhǎng)鋼);2、研究單位:鋼鐵研究總院,北京航空材料研究院,中國(guó)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(dòng)機(jī)公司精密鑄件廠(chǎng):中航工業(yè)旗下各航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的精密鑄造廠(chǎng):黎明、西航、黎陽(yáng)、南方、貴航等。4、鍛件熱加工廠(chǎng):西南鋁業(yè)公司,第二重型機(jī)械集團(tuán)萬(wàn)航模鍛廠(chǎng),中航重機(jī)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(guó)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(zhǎng)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**的變型高溫合金,主要由撫順特鋼、寶鋼特鋼、攀長(zhǎng)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(jiǎn)單的產(chǎn)品。鋼研高納在上市后也擴(kuò)大了變形高溫合金產(chǎn)能,募投項(xiàng)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(chǎng)家分為兩類(lèi),一類(lèi)是鋼研高納、中科院金屬所和北京航材院三家公司;另一類(lèi)是黎明、西航、南方、成發(fā)等專(zhuān)業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)自行生產(chǎn)精鑄件。三家單位主要承接航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)對(duì)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(diǎn),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(bào)及相關(guān)公司網(wǎng)站信息,我們估算目前我國(guó)高溫合金總產(chǎn)能約為1.26萬(wàn)噸,實(shí)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(dòng)力以及新三板上市公司中科三耐。