自20世紀30年代以來，高溫合金行業始終圍繞航空發動機性能的提升而不斷推陳出新，目前鎳基合金牢牢占據核心地位。鈦鋁系金屬間化合物是目前應用最有潛力的材料之一，鎳基單晶合金的發展對于提高發動機推重比具有革命性意義，很大程度上決定了下一代航空發動機的發展。未來樹脂基、金屬基、陶瓷基復合材料等非金屬高溫材料將突破金屬能承受溫度的極限，是發展的趨勢，不過目前受制于成本等問題尚未推廣。

 　　從第一代到第四代機發動機的演進軌跡來看，高推重比，低油耗率，更高的耐久性是其演進趨勢。高溫合金材料用量占據發動機總重量的40%-60%，預測在未來航空發動機性能的提升中，新材料的貢獻率將為50%-70%，而材料和制造技術對發動機減重的貢獻將為70%-80%。因此，高溫合金材料是航空發動機產業持續發展的命門。

　　(一)高溫材料分類及其應用進展

　　1、高溫合金分類及其應用領域

 　　高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，能在600℃以上高溫環境下服役，并能承受苛刻的機械應力，因具有良好的抗氧化和抗熱腐蝕、優異的蠕變與疲勞抗力，良好的組織穩定性和使用可靠性，主要用于制造航空、艦艇和工業用燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤、高壓壓氣機盤和燃燒室等高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發動機、核反應堆、石油化工設備以及煤的轉化等能源轉換裝置。

 　　高溫合金按照適應溫度環境，分為760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料。按照中國金屬協會高溫材料分會對該類別高溫合金的分類，可細分為鑄造高溫合金、變形高溫合金、粉末高溫合金、氧化物彌散強化合金、鈦鋁系金屬間化合物高溫材料等五大類系。

　　(二)歷史源起：航空發動機皇冠上的明珠

　　1、高溫合金發展是基于航空發動機性能提升的需要

 　　從行業起源看，高溫合金行業伴隨航空發動機的發展而發展。自20世紀初第一臺采用鑄造渦輪工作葉片的航空發動機問世以來，高溫合金材料的就與航空發動機的發展結下不解之緣。英、德、美最早于20世紀30年代開始著手研究高溫合金，其后，受到第二次世界大戰、美蘇冷戰軍備競賽、兩伊戰爭等因素的催化，對發動機推重比等性能指標不斷提出新的要求，促使各國的科研工作者不斷推陳出新各種新型高溫合金材料。

 　　我國自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，到目前已有60年的發展歷程，逐漸形成“GH”系列的變形高溫合金和“K”系列的鑄造高溫合金，成為繼英、美、俄之后第四個擁有獨立的高溫合金技術體系的國家。70年代以來，美國采用新的生產工藝制造出定向結晶葉片和粉末冶金渦輪盤，研制出單晶葉片等高溫合金部件，以適應航空發動機渦輪進口溫度不斷提高的需要，引領該領域的發展趨勢。

 　　航空發動機被譽為“制造業皇冠上的明珠”、“工業之花”，是整個工業體系中含金量最高的工業品之一。航空發動機作為飛行器的動力裝置，具有結構復雜(一臺發動機就有數萬個零部件)、材料高端(耐高溫、抗腐蝕、抗氧化)、研制周期長(一般15年-30年)，價值高昂(歐美國家研制一款約投入20億美元左右)特點，是涵蓋工程熱物理學、化學、材料學、結構力學、信息科學、機械制造等等多個學科最頂尖技術基礎之上的綜合高技術產品。因航空發動機對于一國國家安全的重要地位，包括高溫合金先進材料在內的各項核心技術一直被美國壟斷。美國發布的《瓦森納協定》禁止兩類清單出口：一份是軍民兩用商品和技術清單，涵蓋了先進材料、材料處理、電子器件、計算機、電信與信息安全、傳感與激光、導航與航空電子儀器、船舶與海事設備、推進系統等9大類;另一份是軍品清單，涵蓋了各類武器彈藥、設備及作戰平臺等共22類。可以看出，航空發動機于一國的重要地位，高溫合金材料的研發意義不言而喻。

 　　航空發動機分類與運行原理：航空發動機主要分為活塞式發動機和燃氣渦輪發動機，其中按照核心機出口燃氣的可用能量利用方式的不同，燃氣渦輪發動機又可分為：渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機。活塞式發動機在速度上受限(難以接近或超過音速)，功率更大、重量更輕、高速性能更好的渦輪發動機自20世紀40年代以來逐步取得市場主導地位。其運行原理為：空氣從渦扇發動機的進氣口流入，經過壓氣機壓縮后，在燃燒室與煤油混合燃燒，高溫高壓燃氣經由渦輪、噴管膨脹，最后高速從尾噴口噴出。渦扇發動機的推力一部分來自噴出燃氣所產生的反作用力;另一部分是渦輪驅動風扇，風扇旋轉驅動空氣，經由發動機外涵道噴出的反作用力。

 　　從發動機材料構成來看，高溫合金材料用量占據航空發動機總重量的40%-60%。高溫合金主要用于發動機的四大熱端部件：燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外，還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件，在發動機數萬個零部件構成中，應用領域十分廣泛。

　　2、高溫合金是提升航空發動機性能的關鍵

 　　推重比、耗油效率、使用壽命是航空發動機性能的三個關鍵指標。推重比表示發動機單位重量所產生的推力，推重比越大，發動機的性能越優良。根據經驗公式，在發動機渦輪和風扇設計水平相同的前提下，渦前溫度每提高100卡，推力增加15%。從前四代航空發動機性能指標的演進軌跡來看，提高推重比，降低耗油率，提高耐久性是航空發動機的內在發展要求，而提高渦前溫度，必須保證有足夠強大的高溫材料作為支撐，可以說，高溫材料和制造工藝直接影響著航空發動機推重比等關鍵性能指標。

 　　先進的材料和制造工藝是航空發動機實現減重、增效、改善性能的關鍵。最初的軍用發動機推重比僅為2~3，現在高性能的推重比發展到了15~20，與第三代發動機相比，第四代發動機的推重比增加20%，零部件數目減少40%-60%，零件的壽命增加150%，壽命循環成本至少降低25%，耐久性增加兩倍。預測在未來航空發動機性能的提升中，新材料的貢獻率將為50%-70%，而材料和制造技術對發動機減重的貢獻將為70%-80%。

　　(三)未來趨勢：單晶突破和非金屬材料的異軍突起

　　1、單晶對于提升發動機推重比等指標具有決定性意義

 　　單晶高溫合金的進展在一定程度上決定了下一代航空發動機的發展。在當代先進航空的眾多衡量指標中，高渦輪工作溫度是最顯著的標志，以此增加推力、提高發動機推重比，而影響發動機渦輪前溫度的首要因素是渦輪葉片和渦輪盤的耐溫水平。為了應對更高的渦輪前溫度需求，單晶高溫合金先后研制出了五代(包括在研)。

 　　鎳基單晶高溫合金是在等軸晶和定向晶柱高溫合金基礎上發展起來的一類先進發動機葉片材料。與其他高溫合金相比，鎳基單晶合金具有更為優異的綜合性能，成為高推重比航空發動機的關鍵材料，甚至可以說，沒有單晶高溫合金，就沒有高推重比的航空發動機。比如，采用第三代單晶合金作為葉片材料的推重比為10的F119發動機渦輪進口溫度為1677℃，比采用定向合金的推重比為8的F100發動機渦輪進口溫度(1370℃)提高了307℃。

 　　鎳基單晶高溫合金自自20世紀80年代以來開始發展，截止到目前，以美國為代表的發達國家，最新進展已經在研制第五代單晶合金材料，而我國鎳基單晶高溫合金研制從20世紀80年代初開始，現已發展到以DD22為代表的第四代合金材料，但是，合金性能和發達國家相比尚存在一定的差距。

　　2、發展趨勢：樹脂基、金屬基、陶瓷基復合材料和金屬間化合物

 　　隨著對渦前溫度要求的繼續提高，達到金屬材料使用溫度的極限，航空發動機所需要的材料由760℃，向1200℃乃至1500℃升級，表現在傳統以鎳、鈦、鋼三足鼎立時代逐漸向樹脂基、金屬基、陶瓷基復合材料和金屬間化合物過渡。陶瓷基復合材料、金屬間化合物、C/C復合材料由于密度小，強度大、耐高溫等優點，有利于減輕材料質量，滿足飛機性能提升的要求，成為最有潛力的高溫材料。但到目前為止，有兩個原因限制了這種材料的應用：一是在1200-1600℃高溫條件下，此類材料優勢無法匹敵鎳基合金材料，二是新型材料的成本相對較高。

 　　陶瓷基復合材料(CMC)對于兩機熱部件性能提升具里程碑意義。其具有耐高溫、密度低，有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不發生災難性的損毀等特點。采用ZrC、TaC、ZrB2等對CMC-SiC進行超高溫基體改性和涂層改性，以發展更長壽命、更高溫度和結構功能一體化的新型超高溫結構材料是目前最新的研發趨勢。國內從20世紀90年代開始大量研究CMC-SiC及EBC涂層，建立了具有自主知識產權的工藝技術路線和設備體系，目前材料性能已接近或達到國際先進水平。

 　　在最新實踐方面，GE近日建首個碳化硅材料工廠，預計航空發動機上CMC需求將飛速增長。根據GE2013年年度報告的披露，其最新推出的機型GE9X——波音777X系列唯一選型發動機。該發動機采用了GE的一項獨特發明，一種陶瓷復合材料(CMC)的新材料，這種新材料在2200oF的溫度下可保持強度不變，這一參數比金屬整整高出500oF，而重量只有金屬的三分之一。在新材料及制造工藝提升的幫助下，該款發動機的燃油效率較舊機型相比提高20%，是目前世界上最大且燃油效率最高的飛機發動機。

 　　2016年6月，GE航空集團宣布在阿拉巴州新建兩個大規模工業生產的碳化硅材料工廠，以用于陶瓷基復合材料部件(CMC)的制造。GE預測航空發動機和燃氣輪機對CMC未來的需求將增長10倍。每臺LEAP發動機需要至少18個CMC渦輪部件，以確保渦輪葉片的效率。GE正在研發的GE9X發動機的燃燒器和高壓渦輪部分也采用了CMC部件，該引擎將作為波音777X雙通道飛機的動力，目前GE9X發動機的訂單已經超過700臺，將在2020年進入商業服役。

 　　碳/碳復合材料耐高溫(1800~2000℃)和低密度(1.9g/cm3)，可能使發動機大幅度減重。國內從20世紀70年代開始該研究，現研發的材料性能與國外同類產品相當，目前主要考慮解決 C/C 抗氧化的問題。

　　(四)投資屬性：長期供不應求、高壁壘、寡頭壟斷

　　1、行業長期處于供不應求局面

 　　國內高溫合金行業長期處于供不應求局面，且缺口有增大趨勢。根據中國金屬學會高溫材料分會的預測，我國高溫材料年需求量超過2萬多噸，市場容量超過80億，而我國高溫合金材料的年產量約1萬噸，長期處于供不應求的局面。有機構預期未來10年全球高溫合金需求每年保持15%的速度增長，10年后全球高溫材料需求量將超過40萬噸，市場容量超過1600億元。

　　2、高技術壁壘造就企業天然屏障

 　　高溫合金行業具有強壟斷性和穩定性，行業龍頭將長期享受行業壁壘帶來的紅利。其行業壁壘主要體現在技術壁壘、市場準入壁壘、質量標準壁壘、累驗曲線等門檻兒，使得新進入者面臨較高的進入成本和時間成本。由于行業特殊屬性的存在，無論從國外經驗還是從下表5國內高溫合金細分市場和主要參與者上，可以看出該行業呈現寡頭壟斷屬性，每個國家僅有1-2家寡頭廠商。

　　3、寡頭壟斷是行業基本競爭格局

 　　就全球范圍來看，從事高溫合金材料的廠家不超過50家，主要分布在以美、英、德、法、俄、日本等國家，其中美國的通用電氣和普惠兩家實力最為強大，從航空發動機的市場占有率來看，通用、普惠、羅羅、MTU四家所占的份額高達84%，呈現出明顯的寡頭壟斷格局。具體到某個國家來看，每個國家內部也只有1-2家廠商占據寡頭壟斷地位。世界上航空發動機與單晶葉片制造技術水平最高的是美國的GE公司和英國的Rolls-Royce公司(羅羅公司)。

 　　從國內來看，鋼研高納是國內高溫合金材料領域的龍頭，研發人員數量和成果占有絕對優勢。撫順特鋼、中科院金屬所、航材院、應流股份、煉石有色等在各領域各有所長。

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