高溫合金分類、各領(lǐng)域應(yīng)用及需求情況如何？

航空航天領(lǐng)域加速發(fā)展，拉動(dòng)高溫合金需求。

1.優(yōu)異的耐熱先進(jìn)材料，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

高溫合金是以鐵、鎳、鈷為基體元素，能在 600℃以上的高溫環(huán)境下抗氧化、抗腐蝕、抗蠕變，并能在較高的機(jī)械應(yīng)力作用下長期工作的合金材料，又稱熱強(qiáng)合金、耐熱合金、超合金，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和能源領(lǐng)域。

按照制造工藝，高溫合金可劃分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末高溫合金等，其中變形高溫合金的熱加工塑性較好，可以在鍛軋機(jī)械的外力作用下塑性變形為特定形狀和尺寸的鍛件和型材，在固溶、時(shí)效狀態(tài)下的高溫強(qiáng)度優(yōu)異，其需求量約占高溫合金的 70%。 按照基體元素種類，高溫合金可劃分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金等，其中鎳基高溫合金的應(yīng)用范圍較廣，需求量約占高溫合金的80%。此外，還可以按照合金強(qiáng)化類型分為固溶強(qiáng)化高溫合金和沉淀強(qiáng)化高溫合金；可按照合金使用特性分為抗熱腐蝕高溫合金、低膨脹高溫合金和高屈服強(qiáng)度高溫合金；可按照合金用途分為渦輪葉片用高溫合金、渦輪導(dǎo)向葉片用高溫合金和燃燒室用高溫合金等。

目前，高溫合金主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和各種工業(yè)用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù) Roskill 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，高溫合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用占比 55%，其次是電力領(lǐng)域，應(yīng)用占比為 20%。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能提出很高要求，特別是金屬結(jié)構(gòu)材料需要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能。而高溫合金作為在 600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料，滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求，至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。

高溫合金第一大應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天領(lǐng)域，高溫合金用量約占發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的40%-60%，主要用于燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件，此外還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。隨著我國發(fā)展自主航空航天產(chǎn)業(yè)，研制國產(chǎn)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)不斷取得突破，可預(yù)見高端和新型高溫合金的市場空間廣闊。

1.1 軍機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)材料價(jià)值凸顯，列裝增量和維修存量市場潛力大

當(dāng)今世界安全局勢(shì)動(dòng)蕩，地區(qū)沖突頻發(fā)，不確定性和不穩(wěn)定性上升，根據(jù)國防需求和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，近年來我國國防支出規(guī)模增速保持穩(wěn)定，占財(cái)政總支出的比例有所提升。國防支出由 2012 年的 0.67 萬億元增長到2022 年的1.48萬億元，2022 年占財(cái)政總支出的 5.7%，10 年 CAGR 為 8.2%。2021 年，在財(cái)政總支出同比增速趨近于零的情況下，同年國防支出保持了適度穩(wěn)定的增速。2023 年全國一般公共預(yù)算安排國防支出 1.58 萬億元，比上年執(zhí)行數(shù)增長7.2%，2024 年全國一般公共預(yù)算安排國防支出 1.69 萬億元，比上年執(zhí)行數(shù)增長 7.2%，保持國防支出合理穩(wěn)定增長。根據(jù)《新時(shí)代的中國國防》白皮書，近年來增加的國防支出其中一個(gè)主要用途是在于加大武器裝備建設(shè)投入，淘汰更新部分落后裝備，升級(jí)改造部分老舊裝備，研發(fā)采購航空母艦、作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈、主戰(zhàn)坦克等新式武器裝備，穩(wěn)步提高武器裝備現(xiàn)代化水平。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，空中力量是左右戰(zhàn)局的關(guān)鍵因素之一。軍用戰(zhàn)斗機(jī)作為空中力量的重要組成部分，具備卓越機(jī)動(dòng)性、強(qiáng)大的打擊能力和遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力，在空中作戰(zhàn)和戰(zhàn)略威懾中發(fā)揮著不可替代的作用。軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)由于用途不同，各組成部分價(jià)值有差異，但動(dòng)力系統(tǒng)價(jià)值占比相對(duì)穩(wěn)定。在軍用飛機(jī)上，動(dòng)力系統(tǒng)占整機(jī)價(jià)值比最高達(dá)25%，機(jī)體結(jié)構(gòu)占比約為19% ；而民用飛機(jī)，機(jī)體結(jié)構(gòu)最高達(dá)到36%，動(dòng)力系統(tǒng)次之占比 22%。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本主要由原材料成本和勞動(dòng)力成本組成，分別占比在 40%-60%，25%-35%。發(fā)動(dòng)機(jī)使用的原材料主要是高溫合金、鈦合金和其他材料，高溫合金價(jià)值占比約 35%，鈦合金價(jià)值占比約30%，其他材料包括鋁合金、鋼等占剩下的 35%。

據(jù) World Air Forces 報(bào)告，2023 年我國現(xiàn)役軍用飛機(jī)數(shù)量達(dá)3,304 架，占全球軍用飛機(jī)總數(shù)的 6%左右，數(shù)量落后于美國（25%）和俄羅斯（8%）。未來我國軍用飛機(jī)的數(shù)量還有繼續(xù)增長的空間，且伴隨武器裝備的更新?lián)Q代，軍用飛機(jī)的列裝增量市場將帶動(dòng)高溫合金需求增長。另據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)院數(shù)據(jù)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期要經(jīng)歷研發(fā)、采購、使用維護(hù)三個(gè)階段，在全壽命周期費(fèi)用占比分別為10%、40%、50%。使用維護(hù)階段的費(fèi)用占比最高，更新發(fā)動(dòng)機(jī)零部件又占維護(hù)階段費(fèi)用的50%，發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)和零部件的更新將進(jìn)一步拉動(dòng)高溫合金在軍用飛機(jī)存量市場的需求。

1.2 民航業(yè)復(fù)蘇機(jī)隊(duì)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，國產(chǎn)飛機(jī)研制加快搶占市場份額

2012 年-2019 年間，民航業(yè)完成旅客周轉(zhuǎn)量的同比增速保持在10%-15%之間，受新冠疫情沖擊，2020 年全行業(yè)完成旅客周轉(zhuǎn)量同比驟降46%，并在2022年同比再次大幅下降 40%至 3914 億人公里。與此類似，全行業(yè)完成貨郵周轉(zhuǎn)量在2020年和2022 年同比均下降約 9%，2022 年全行業(yè)完成貨郵周轉(zhuǎn)量回落至254 億噸公里。

在旅客周轉(zhuǎn)量和貨郵周轉(zhuǎn)量下行的背景下，民航運(yùn)輸機(jī)數(shù)量繼續(xù)保持增長。截至 2022 年底，我國共有運(yùn)輸航空公司 66 家，比上年底凈增1 家；境內(nèi)運(yùn)輸機(jī)場（不含香港、澳門和臺(tái)灣 地區(qū)）254 個(gè)，比上年底凈增6 個(gè)；民航全行業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)期末在冊(cè)架數(shù) 4165 架，比上年底增加 111 架。進(jìn)入 2023 年以來，民航當(dāng)月旅客周轉(zhuǎn)量和貨郵周轉(zhuǎn)量均快速持續(xù)回升，目前已恢復(fù)至疫情之前水平，伴隨經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，我們預(yù)計(jì)民航運(yùn)輸機(jī)數(shù)量規(guī)模將加快擴(kuò)大，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及高溫合金的需求也將隨之增長。

2023 年 10 月 1 日，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部、中國民用航空局等4 部門聯(lián)合印發(fā)《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023—2035 年）》，綱要提出，到2035年，建成具有完整性、先進(jìn)性、安全性的綠色航空制造體系，新能源航空器成為發(fā)展主流，國產(chǎn)民用大飛機(jī)安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性達(dá)到世界一流水平，以無人化、電動(dòng)化、智能化為技術(shù)特征的新型通用航空裝備實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)模化應(yīng)用。根據(jù)中國商飛公司發(fā)布《中國商飛公司市場預(yù)測年報(bào)（2022-2041）》，未來二十年，中國航空運(yùn)輸市場將接收噴氣客機(jī) 9,284 架，其中支線客機(jī)958 架，單通道客機(jī)6,288架，雙通道客機(jī) 2,038 架。到 2041 年，中國的機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)到10,007 架，占全球客機(jī)機(jī)隊(duì) 21.1%。中國航空市場將成為全球最大的單一航空市場。目前國內(nèi)的民航客機(jī)主要依靠進(jìn)口，民航機(jī)隊(duì)基本被波音與空客壟斷。以我國三大國有民用航空運(yùn)營集團(tuán)中國國航、南方航空和中國東航的機(jī)隊(duì)構(gòu)成來看，截至2023 年末，三大航空公司共有飛機(jī)數(shù)量 2595 架，其中空客系列飛機(jī)1309架，占比50%；波音系列飛機(jī) 1202 架，占比 46%；中國商飛系列飛機(jī)僅74 架，占比3%。根據(jù)三大航空公司公布的年度引進(jìn)計(jì)劃，2024 年合計(jì)計(jì)劃引進(jìn)183 架飛機(jī)，其中中國商飛系列（ARJ21 和 C919）40 架，占比達(dá)到 22%。隨著國產(chǎn)飛機(jī)的進(jìn)一步成熟，國產(chǎn)飛機(jī)的引進(jìn)占比還有巨大空間，近期三大航空公司已分別和商飛公司簽訂協(xié)議，分別購買 100 架C919 大飛機(jī)，計(jì)劃于2024-2031年分批交付，按照南方航空最新公告，C919 飛機(jī)（基本型）單架售價(jià)高達(dá)0.99億美元。目前中國商飛 C919 總訂單數(shù)已接近 1500 架（包含確認(rèn)訂單和意向訂單），訂單數(shù)日益增長也推動(dòng) C919 產(chǎn)能逐步擴(kuò)大，中國商飛計(jì)劃在3-5 年內(nèi)，投入幾百億元用于擴(kuò)大產(chǎn)能，未來五年內(nèi)，C919 年產(chǎn)能有望達(dá)到150 架。

國產(chǎn)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，以 C919 為例，當(dāng)前仍采用CFM國際公司的LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)，中國商飛公司在研的 CJ-1000A 發(fā)動(dòng)機(jī)是我國第一款商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，是目前裝配國產(chǎn)大飛機(jī)動(dòng)力的替代選項(xiàng)，CJ-1000A 產(chǎn)品研制開創(chuàng)中國商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展先河，“1000”代表發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)在10000~1999kgf，“A”是第一型產(chǎn)品代號(hào)。2023 年 3 月，CJ-1000A 發(fā)動(dòng)機(jī)首次裝備在運(yùn)20 上，開始了最后階段的測試飛行，標(biāo)志著 C919 客機(jī)向著 100%國產(chǎn)化的目標(biāo)更邁進(jìn)一步。

1.3 高溫合金是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵用材，商業(yè)航天將進(jìn)入發(fā)展新階段

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就是利用沖量原理，自帶推進(jìn)劑、不依賴外界空氣的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，將推進(jìn)劑貯箱或運(yùn)載工具內(nèi)的反應(yīng)物（推進(jìn)劑）變成高速射流，由于牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律而產(chǎn)生推力。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可用于航天器推進(jìn)，也可用于導(dǎo)彈等在大氣層內(nèi)飛行。大部分火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都是內(nèi)燃機(jī)，也有非燃燒形式的發(fā)動(dòng)機(jī)。 目前主流的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種：液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。藥柱是由推進(jìn)劑與少量添加劑制成的中空?qǐng)A柱體，置于燃燒室中。在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，燃燒室須承受3000℃左右的高溫和 100bar 以上的高壓。而液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成。推力室是將液體推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成推進(jìn)力的重要組件，由推進(jìn)劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成。推進(jìn)劑通過噴注器注入燃燒室，經(jīng)霧化、蒸發(fā)、混合和燃燒等過程生成燃燒產(chǎn)物，以高速從噴管中沖出而產(chǎn)生推力。燃燒室內(nèi)壓力可達(dá) 200 大氣壓（約 202.65 bar）、溫度 3000—4000℃。

高溫合金是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件燃燒室和渦輪泵的關(guān)鍵用材。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室需承受高溫（3000-4000℃）、高壓（20MPa）和高流速（2500-5000m/s）燃?xì)鉀_刷；高性能渦輪泵需承受超低溫液氧和燃料的沖刷，且轉(zhuǎn)速高、壓力大、密封性要求高，對(duì)高溫合金材料要求極高。 2023 年 4 月，航天科技集團(tuán)六院發(fā)布了三款為商業(yè)航天量身定做的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，YF-102、YF-102V、YF-209 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)三款發(fā)動(dòng)機(jī)將有力促進(jìn)我國商業(yè)航天發(fā)展，并提升我國低成本大規(guī)模進(jìn)入空間的能力。10 月20 日，航天科技集團(tuán)第四研究院主辦的商業(yè)航天固體發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品推介會(huì)，推出6 款高可靠性、經(jīng)濟(jì)性、具備國際先進(jìn)水平的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)志著中國航天固體動(dòng)力將加速進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展的新時(shí)期。

2.高溫合金需求持續(xù)增長，國產(chǎn)替代空間仍存

近年來，伴隨著我國航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，軍用飛機(jī)規(guī)模擴(kuò)大和更新?lián)Q代，國產(chǎn)民用飛機(jī)走向世界舞臺(tái)，國產(chǎn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)不斷取得技術(shù)突破，研制進(jìn)度不斷加快，國內(nèi)高溫合金需求將迎來快速增長期。按照對(duì)重點(diǎn)優(yōu)特鋼企業(yè)統(tǒng)計(jì)口徑，2022年重點(diǎn)企業(yè)高溫合金粗鋼產(chǎn)量 2.62 萬噸，同比增長17%；高溫合金鋼材產(chǎn)量1.16萬噸，同比增長 20%。

根據(jù)觀知海內(nèi)咨詢預(yù)計(jì)，2022 年我國高溫合金的供給產(chǎn)量約為4.2萬噸，同比增長 10.53%，而對(duì)高溫合金的需求達(dá)到 7 萬噸，同比增長12.9%。據(jù)此計(jì)算，國內(nèi)高溫合金缺口較大達(dá) 2.8 萬噸，存在一定的進(jìn)口依存度，且供給增速低于需求增速，缺口有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。