高溫合金，又稱超合金，是一種600高溫合金℃長期在一定應力條件下工作的金屬材料具有優異的高溫強度、耐氧化、耐熱腐蝕、疲勞、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金的材料特性使其成為航空發動機中不可替代的關鍵材料。在世界先進發動機開發中，高溫合金材料占發動機總量的40%~60%。因此，高溫合金材料又稱先進發動機基石。

　　高溫合金占航空發動機高溫合金需求的一半以上。隨著國內一批新型航空發動機的大規模生產，預計高溫合金需求將迅速增長。以殲10B、以殲15、殲16為代表的多款三代半戰斗機陸續進入列裝，WS-10發動機需求繼續增長。未來幾年，隨著國內大型運輸機20的投產，大涵道比發動機將進入量產階段；小涵道比中推和小型航空發動機也將逐步進入量產。國內航空發動機需求的增長將推動航空高溫合金需求進入快速增長期。

　　高溫合金在民用工業中的應用越來越廣泛。高溫合金在燃氣輪機、汽車渦輪增壓器、核電、石油石化等行業有著重要的應用。隨著工業化和國內高端設備制造業的發展，民用工業對高溫合金的需求將繼續推進。目前，民用高溫合金占總需求的20%，預計未來這一比例將繼續上升。

　　據估計，到2020年，中國對高溫合金的需求約為4萬噸，相應的市場空間為90.5億元：航空發動機、汽車廢氣渦輪增壓器和核電行業對高溫合金需求的增長將促進行業需求的爆發。目前，我國高溫合金產能約.26萬噸，實際產量約8000-9000噸。預計未來7年高溫合金需求復合增長率將超過20%。

　　一、高溫合金概述

　　(1)高溫合金簡介及分類

　　600種高溫合金℃在一定應力下長期工作的高溫和金屬。與傳統金屬和合金不同，高溫合金具有強度高、抗氧化、耐熱腐蝕、疲勞、斷裂韌性好、組織穩定性好、可靠性好等綜合性能，在西方也被稱為超合金（Superalloys）。

　　高溫合金材料是航空發動機的首選，在現代航空工業的發展中處于不可替代的地位。其規模的發展直接決定了航空設備的發展水平。此外，高溫合金也廣泛應用于航天發動機的熱端部件。隨著工業化的發展，民用高端設備行業對高溫合金材料的需求呈上升趨勢。高溫合金的耐高溫、耐磨、耐腐蝕性使其廣泛應用于柴油機和內燃機渦輪增壓、燃氣輪機、能源動力、石化、玻璃建材等民用行業。民用行業高溫合金的使用量增加到20%左右。

　　可根據材料成型方法、基體元素類型、合金強化類型等進行劃分：

　　1)根據材料成型方法，高溫合金可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金（包括普通精密鑄造合金、定向凝固合金、單晶合金等）、粉末冶金高溫合金（包括普通粉末冶金高溫合金和氧化物擴散強化高溫合金ODS）；

　　2)高溫合金可分為鐵基、鎳基、鈷基等。

　　3)高溫合金可分為固溶強化高溫合金和及時沉淀強化合金。

　　3)高溫合金可分為固溶強化高溫合金和及時沉淀強化合金。

　　(二)高溫合金材料技術難點和創新

　　高溫環境下各種材料的退化速度加快，在溫度和應力作用下容易發生組織不穩定、變形和裂紋生長、材料表面氧化腐蝕等。高溫合金的耐高溫性和耐腐蝕性主要取決于其化學成分和組織結構。

　　高溫合金材料成分非常復雜，含有鉻、鋁等活性元素，在氧化或熱腐蝕環境中表現為化學部門的穩定性，加工零件表面留下加工硬化和殘余應力，對材料的化學性能和機械性能產生非常不利的影響。由于合金化程度高，高溫合金材料容易產生成分偏析，對鑄造高溫合金和變形高溫合金的組織和性能有重大影響。高溫合金的這些特性決定了它不同于普通金屬材料的加工工藝。

　　高溫合金的發展是合金理論和生產技術不斷改進和創新的過程 加強工藝，不斷提高合金的材料性能。合金強化包括合金固溶強化、二相強化劑晶界強化等。工藝強化包括冶煉、凝固結晶、熱加工、熱處理和表面處理。

　　高溫合金的生產工藝主要包括熔煉、鑄造和熱處理。生產工藝對高溫合金材料的機械性能有很大影響。新工藝的引入往往使高溫合金的性能飛躍，開發了一批新的高溫合金，促進了一代航空發動機和航空飛機的發展。舊合金還可以改進工藝，提高材料性能。

　　例如，單晶渦輪葉片的應用顯著促進了航空發動機的進步。F-119渦輪轉子葉片采用航空發動機F第三代單晶高溫合金PWA1484，材料本身的最高工作溫度是1070℃渦輪轉子葉片的工作溫度提高到1621~16777，因為超冷卻葉片是通過計算流體動力學程序設計制造的℃（F100發動機為1400℃），可見工藝創新在材料開發中的重要地位。

　　高溫合金材料的制備工藝和工藝仍在不斷進步和創新。例如，冶煉過程采用真空感應 電渣重熔 采用先進的熔煉控制方法，通過定向凝固柱晶體合金和單晶合金技術提高材料的高溫強度，減少合金元素的分析，提高材料強度。此外，氧化金和金屬間化合物的高溫材料也在不斷發展和創新。

　　二、高溫合金的應用

　　研究表明，航空發動機高溫合金占高溫合金總需求的一半以上，廣泛應用于電力、汽車、機械等行業。

　　(一)航空發動機

　　航空發動機被稱為工業之花，是航空工業中技術含量最高、難度最大的部件之一。金屬結構材料作為飛機動力裝置，重量輕、強度高、韌性高、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕，幾乎是結構材料中最高的性能要求。

　　航空發動機的技術進步與高溫合金的發展密切相關。高溫合金是促進航空發動機發展的最關鍵的結構材料。軍用航空發動機通常可以用其推重比(推力/重量)綜合評估發動機水平。最直接、最有效的技術措施是提高渦輪機前的溫度。因此，高溫合金材料的性能和選擇是決定航空發動機性能的關鍵因素。隨著航空設備的不斷升級，對航空發動機推重的要求越來越高，發動機越來越依賴高性能高溫合金材料。

　　高溫合金材料占現代先進航空發動機總量的40%-60%。在航空發動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪板的四個熱部件，也用于底盤、環、力燃燒室和尾噴嘴。

　　軍用航空發動機通常根據其推重比的大小來判斷發動機的水平。最直接、最有效的技術措施是提高渦輪機前的溫度。

　　燃燒室

　　燃燒室的功能是將燃油的化學能釋放轉化為熱能，是動力機械能的發源地。燃燒室產生的溫度為1500~2000℃之間。剩余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，室壁通過室壁槽孔冷卻。燃燒筒合金材料的承載溫度可達800~900℃局部可達1100℃。

　　燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結構鋼；最大、最關鍵的是變形高溫合金。由于傳統的高溫合金板受合金熔點的限制，其極限使用溫度基本達到，難以進一步發展。為了進一步發展燃燒室的高溫合金材料，必須研究新的材料基礎和材料制備工藝。目前，碳/碳復合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強化合金、金屬間化合物、高溫高強度鈦合金是國際研究的新材料。

　　導向葉片

　　導向葉片是從燃燒室調節氣流方向的部件，是航空發動機受熱沖擊最大的部件之一。一般來說，導向葉片的溫度比同等條件下的渦輪葉片高100左右℃，但葉片承受的應力相對較低。

　　鑄造高溫合金已成為導葉的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發展，定向合金制造導向葉片的工藝也在試制中；此外，FWS10發動機渦輪導向器后齒環采用氧化物彌散強化高溫合金制造。

　　渦輪盤

　　四大熱端部件中渦輪盤質量最大。渦輪盤工作時，輪緣溫度達到550-750℃，而且輪心溫度只有3000℃整個部件溫差大，旋轉時承受重離心力，啟停時承受大應力和低疲勞周期。

　　渦輪盤制造的主要材料是變形高溫合金G4169合金是應用最廣泛的主要品種。近年來，隨著航空發動機性能的不斷提高，對渦輪板的要求也越來越高。粉末渦輪板組織均勻、晶粒小、強度高、塑性好，成為航空發動機上理想的渦輪板合金。但中國工藝生產的粉末渦輪板夾雜物較多，正在進一步發展。

　　渦輪葉片

　　渦輪葉片是航空發動機中最關鍵的部件，其工作環境最差。渦輪葉片在高溫下應承受大離心應力、振動應力、熱應力等。制造渦輪葉片的主要材料是鑄造高溫合金。近30年來，隨著鑄造工藝的發展，普通精鑄、定向、單晶鑄造葉片合金得到了廣泛的應用。單晶合金在世界上發展迅速，發展了五代單晶合金，成為高性能現金航空發動機高溫渦輪工作葉片的主要材料；中國于20世紀80年代開發了先進發動機中使用的單晶合金。

　　(二)航天發動機

　　航天發動機中的特殊工作環境要求使材料必須經過高溫、高壓、高溫梯度變化、高動態載荷和特殊戒指試驗，對材料的綜合性能和加工性能提出了較高的要求。航天發動機中高溫合金材料占比較大，發動機中的應用比例接近總重量的一半。高溫合金材料技術的發展直接影響航天發動機的發展水平。

　　原則上，高溫合金可用于航空發動機，但除高溫沖擊外，航空發動機材料還具有低溫(-100℃以下)環境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝的限制，過去形狀極其復雜的結構件并沒有真正應用于航天發動機。隨著工藝的進步，航天發動機上的許多關鍵熱部件采用高溫合金精密鑄造，簡化發動機結構，減輕發動機重量，減少焊接部件，縮短開發生產周期，降低開發生產成本，提高發動機可靠性。隨著航天發動機技術的進步，航天發動機逐漸呈現出復雜、薄壁、復合、多位一體、無余量的趨勢。典型的有渦輪轉子、導向器、泵殼等。

　　我國長征系列火箭和神舟系列飛船，發動機核心部分采用高溫合金材料。目前，液氧煤油、液氧液氫航天運輸發動機和小型渦噴渦扇發動機已定型并開始大規模生產。我國對航天高溫合金母合金和精鑄件的需求也在增加，進入了新的增長期。

　　(三)民用工業高溫合金的應用

　　隨著工業化的推進，民用工業對高溫合金的需求也在增加。高溫合金合金也是船舶、火車、汽車渦輪增壓器葉片和各種工業燃機葉片的首選材料；鐵路運輸、造船（特別是出口造船）、船舶動力、工業燃機應用快速發展等高性能高溫合金的高質量要求。目前國內民用工業高溫合金占高溫合金總需求的20%，而美國民用工業高溫合金占50%。燃氣輪機

　　燃氣輪機是高溫合金的另一個主要用途。燃氣輪機裝置是一種旋轉熱發動機，其結構與飛機噴氣發動機相同，與蒸汽輪機相似。燃氣輪機的基本原理與蒸汽輪機非常相似，區別在于工作質量不是蒸汽，而是燃料燃燒后的煙氣。燃氣輪機屬于內燃機，因此又稱內燃氣輪機。空氣壓縮機、燃燒室、葉輪系統和回熱裝置分為四部分。

　　除發電外，燃氣輪機的需求迅速增長，還用于船舶動力和天然氣疏松的加氣站。與航空高溫合金葉片相比，燃氣輪機

　　高溫合金使用壽命長(10萬小時)，耐熱腐蝕，尺寸大，質量要求高。

　　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用領域。目前，我國渦輪增壓器制造商使用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，與渦輪軸和壓縮機葉輪形成轉子。此外，內燃機閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓均可采用鐵基或鎳基高溫合金。

　　渦輪增壓系統對提高燃油效率和性能有明顯影響。渦輪增壓是利用發動機排放的廢氣能量驅動渦輪室內渦輪，渦輪驅動同軸葉輪。葉輪壓力輸送空氣濾清器管道輸送的空氣，使其進入氣缸。當發動機轉速增加，廢氣排放速度與渦輪轉速同步增加時，葉輪將更多的空氣壓縮到氣缸中。隨著空氣壓力和密度的增加，燃料可以燃燒更多的燃料，相應的燃料量可以增加發動機的輸出功率。一般來說，廢氣渦輪增壓器安裝后的動機功率和扭矩應增加20%—60%。2008年，中國汽車工業僅渦輪轉子對高溫母合金的需求超過1900噸。

　　高溫合金在核電等領域的應用

　　核電行業使用的高溫合金包括：燃料元件外殼材料、結構材料和燃料棒定位框架、高溫氣體爐熱交換器等，其他材料難以替代。例如，燃料元件殼管的管壁需要600-800℃高溫需要較高的蠕變強度，因此高溫合金材料應用廣泛。

　　玻璃制造、冶金、醫療器械等領域也廣泛使用高溫合金材料。玻璃行業使用的高溫合金零件有十幾種，如生產玻璃棉離心頭和火焰坩堝、轉向輥管機大軸、端頭和通風管、玻璃窯料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業軋鋼廠加熱爐墊塊、線材連續軋制導板、高溫爐熱電偶保護套等。醫療器械領域的人工關節等。

　　三、高溫合金市場空間計算

　　據估計，到2020年，國內高溫合金需求約為39275噸，對應市場空間90.5億元。

　　(1)航空發動機需求

　　假設1:高溫合金占航空發動機總重量的40%-60%，占先進發動機的50%以上。根據我們的判斷，斷發展和高溫合金材料技術的進步，這一比例將繼續上升。假設高溫合金占軍用航空發動機重量的60%，占民用航空發動機和其他軍用機械重量的40%。

　　假設2:假設軍用戰斗機發動機重量約1.7噸，軍用運輸機重量約4噸，其他飛機重量約1噸。

　　假設3：高溫合金的材料性能和加工難度高于普通合金和鋼材，材料成型率遠低于普通特種鋼材。據估計，1)在鑄造和軋制過程中，材料成型率約為70-80%；2)母合金加工時，廢品率約為80%，材料利用率約為15%-20%。假設高溫合金的材料利用率為20%。

　　綜上所述，我們預計每臺戰斗機航空發動機平均使用5.1噸高溫合金、12噸軍用運輸機航空發動機和2噸其他軍用航空發動機；8噸大型民用飛機航空發動機。

　　未來20年，我國軍用航空發動機高溫合金需求為17.75萬噸，民用大中型飛機高溫合金需求為7.36萬噸。此外，低空開放預計將打開中國通用航空發展的瓶頸。未來20年，通用航空擁有量將超過2萬架。一般航空發動機的高溫合金需求為5萬噸，按平均1臺發動機計算。

　　綜上所述，預計未來20年航空發動機高溫合金需求將達到30.11萬噸，年平均市場空間將達到1.51萬噸。

　　(二)燃氣輪機需求

　　軍事應用占世界船用燃氣輪機市場的絕大多數份額。在軍事領域，75%以上的海軍主要艦艇使用燃機動力；在民用市場，燃機主要用于高速客船。

　　目前，中國海軍船用燃機裝船率較低。船用燃機只有10艘主要服役艦艇。它們是2艘052型驅逐艦(裝備)LM2500），2艘052BC型驅逐艦6艘052型驅逐艦(裝備)UGT-25000及QC280）。其動力配置為柴燃交替動力（CODOG），每艘船配備2臺燃機和2臺柴油機。

　　隨著我國多型船用燃機的成功發展，預計中短期內燃機的普及將加快。我們認為燃機的普及將是30MW以船用燃機為核心，輔以4MW小功率船用燃機。其中，30MW主要用于大型驅逐艦、護衛艦等MW主要用于氣墊登陸艇和導彈快艇。

　　參考LM假設國產燃氣輪機重20噸，高溫合金占30%，成品率20%，單臺國產燃氣輪機高溫合金30噸。

　　未來15年，我們認為海軍將形成三支近海防御艦隊 幾個航母編隊 多個作戰系統以兩棲攻擊/登陸編隊為主體。考慮到燃機的應用，傳統/核動力航母、兩棲攻擊/碼頭登陸艦不太可能作為主要動力源。使用燃機的新艦艇可能主要配備航空母艦編隊和兩棲攻擊/登陸編隊，主要是驅逐艦和護衛艦，而近海防御艦隊只配備新的隱形導彈艦。

　　未來15年將建設5個航母編隊(2常) 考慮到燃機的更新和維護，我們估計未來15年將有3個兩棲攻擊/登陸編隊和3個近海防御艦隊MW需要600臺級燃機，4臺MW需要1476臺燃氣輪機。未來15年，燃氣輪機高溫合金需求將達到6.23萬噸，平均每年4152噸。

　　(3)汽車廢氣增壓渦輪

　　汽車渦輪增壓器的制造主要采用高溫合金，其次是排氣閥、燒嘴、熱發生器等部件。

　　渦輪增壓系統對提高燃油效率和性能有明顯影響。渦輪增壓是利用發動機排放的廢氣能量促進渦輪室內渦輪，渦輪驅動同軸葉輪，葉輪壓力通過空氣過濾管輸送的空氣進入氣缸。當發動機轉速增加時，廢氣排放速度也與渦輪轉速同步增加。葉輪將更多的空氣壓縮到氣缸中，增加空氣壓力和密度可以燃燒更多的燃料，燃料量可以增加發動機的輸出功率。一般來說，廢氣渦輪增壓器的發動機功率和扭矩增加了20%—60%。

　　廢氣增壓器渦輪機在國外生產已有60多年的歷史。目前，國外重型柴油機增壓器配置率為100%，英國、美國、法國等國家的配置率也在增加。

　　特別是汽油渦輪增壓器，國內渦輪增壓器的配置率將繼續提高。面對日益增長的環保和能源壓力，內燃機節能減排是大勢所趨。渦輪增壓是內燃機節能減排的有效手段，其中汽油機節油效果為5-10%，柴油機節油效果約為10-20%。2012年，我國內燃機渦輪增壓器綜合配置率為6.7%；其中，汽車柴油機配置率為62%，未來增長點主要來自輕型卡車裝配率的提高；汽車汽油機配置率僅為5%左右，未來有很大的改進空間。

　　根據鋼鐵研究高納招股說明書，目前我國每萬輛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高，每萬輛車的高溫合金使用量將繼續增加。

　　假設2013年每萬輛高溫合金2噸，未來20年復合增長5%；到2020年，汽車產量復合增長5%，2020-2030年，汽車產量復合增長3%。據估計，2020年汽車高溫合金需求為8715噸，2030年為1.9萬噸。

　　(四)核工業

　　核電中高溫合金的應用主要包括燃料元件殼管、燃料元件定位架、高溫氣體爐熱交換器等。每個60萬千瓦的核電站需要蒸發器U100噸形狀的傳熱管。此外，還有大量的反應堆組件，如不銹鋼精密管、控制棒、核燃料包裝套管等。只有60萬千瓦的核電站堆芯需要600多噸各種核級管道。

　　國內核電設備的應用也將促進核電設備零部件的供應市場。據媒體報道，中廣核集團董事長何宇表示，中國目前在建核電總規模4875萬千瓦，在建核電機組數量居世界第一。

　　根據中國修訂后的核電發展目標，2015年核電機組裝機規模達到40臺GW2020年核電裝機目標為58GW運營 30GW未來7年，中國將開工40年GW，對應35-40座100萬千瓦機組。

　　假設1100萬千瓦機組需要1000噸各種高溫合金，未來7年核電行業總需求約為3.5萬噸-4萬噸，平均每年5萬噸-5700噸。

　　(五)航天、核工業等行業

　　考慮到航天發動機年發射次數少，需求穩定，我們估計每年航天發動機對高溫合金的需求約為400-600噸。

　　此外，假設航空發動機、航空航天、燃氣輪機、汽車和核工業占高溫合金總需求的85%，其他行業對高溫合金的年需求約為5900噸。

　　四、國內外高溫合金市場

　　(一)發展國外高溫合金產業

　　目前，全球高溫合金材料年消費近28萬噸，市場規模達到100億美元。世界上能生產航空航天高溫合金的企業不超過50家，主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和中國。發達國家一般以航空航天應用領域的高溫合金產品為戰略軍事物資，很少出口。

　　美國在高溫合金的研發和應用方面一直處于世界領先地位，年產量約5萬噸，其中近50%用于民用工業。包括普特拉在內的美國有許多獨立的高溫合金公司，可以生產航空發動機使用的高溫合金—惠特尼公司生產特鋼和高溫合金，如漢因斯-斯泰特和佳能—因科國際公司等穆斯克貢公司。這些公司開發了自己的高溫合金牌號。

　　中英、德、法是世界高溫合金生產研發的主要代表。英國是世界上最早開發高溫合金的國家之一。以國際鎳公司為代表的英國鑄造合金技術世界領先Nimocast該國飛機發動機制造商羅爾斯羅伊斯控股公司后來開發了定向凝固和單晶合金SRR99、SRR2000和SRR高溫合金主要用于航空發動機制造。

　　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擴散強化高溫合金方面取得了巨大成功。近年來，我們致力于開發1200種新型耐高溫合金℃新合金在高溫下仍能保持足夠的強度。日本的主要高溫合金制造商是IHIcorporation，JFE、新日鐵和神戶制鋼公司。

　　(二)國內高溫合金產業格局

　　中國經過50多年的發展，形成了一定規模的先進生產基地。我們將國內高溫合金制造商分為四類：

　　1.特鋼廠:東北特鋼集團撫順特鋼公司(以下簡稱撫順特鋼)、寶鋼特鋼事業部(以下簡稱寶鋼特鋼)、攀鋼集團長城特鋼公司(以下簡稱攀鋼)；

　　2.研究單位：鋼鐵研究所、北京航空材料研究所、中國科學院金屬研究所、東北大學、北京科技大學等。

　　3.發動機公司精密鑄造廠:中航工業航空發動機公司精密鑄造廠:黎明、西航、黎陽、南方、貴航等。

　　4.鍛件熱加工廠:西南鋁業公司、第二重型機械集團萬航模鍛廠、中航重機有限公司宏遠航空鍛造公司、安達航空鍛造公司。

　　目前，撫順特鋼和鋼鐵研究高納是國內大型高溫合金生產企業。此外，寶鋼特鋼、攀長鋼、中國科學院金屬研究所、北京航空材料研究所也具有一定的生產能力。

　　撫順特鋼、寶鋼特鋼、攀長鋼等公司主要完成航空航天行業用量最大的變型高溫合金。變形高溫合金適用于大批量、通用、結構簡單的產品。上市后，鋼鐵研究高納還擴大了變形高溫合金的生產能力，募集項目也具有相當大的變形高溫合金生產能力。

　　目前，鑄造高溫合金精密鑄件的制造商分為三家公司：鋼鐵研究所、中國科學院金屬研究所和北京航空材料研究所；黎明、西航、南方、成發等專業發動機廠生產精密鑄件。三個訂單

　　該職位主要承擔航空航天發動機廠委托的精鑄業務。目前，三個單位在鑄造高溫合金的材料制備和生產技術上都有自己的特點，其中鋼鐵研究高納的生產能力大于其他兩個。

　　根據鋼研高納、撫順特鋼年報及相關公司網站信息，我國高溫合金總產能約1.26萬噸，實際產量約8000-9000噸。

　　與a股相關的上市公司涉及高溫合金

　　A股票上市公司主要包括:鋼研高納、撫順特鋼、寶鋼、煉石有色、航空動力、新三板上市公司中科三耐。

　　來源:中國腐蝕防護網