楊興杰
高溫合金最初的研制主要為了滿足新型航空發(fā)動機的需求，但由于其良好的耐高溫，耐腐蝕等性能，逐漸被應(yīng)用到電力、船艦、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)《工業(yè)燃?xì)廨啓C渦輪葉片用鑄造高溫合金研究及應(yīng)用進(jìn)展》等資料，目前高溫合金下游最大的應(yīng)用領(lǐng)域為航空航天用發(fā)動機，占比超過50%。
在現(xiàn)代航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占到發(fā)動機總質(zhì)量的40%-60%，主要應(yīng)用于四大熱端部件，燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外還用于機匣、加力燃燒室和尾噴口等部件。根據(jù)工作溫度不同，航空發(fā)動機以燃燒室前后為界限，分為冷端和熱端兩部分。提高噴出氣體的能量是增加發(fā)動機工作效率的最主要方式，要求發(fā)動機工作溫度提升，因此對熱端部件，尤其是渦輪部件的材料提出了較高要求。航空發(fā)動機熱端部件工作溫度超過1,000攝氏度，同時渦輪部件在高速旋轉(zhuǎn)中承受較大機械載荷，因此需要高溫合金材料在高溫下保持優(yōu)異機械性能。
高溫合金在航空領(lǐng)域發(fā)展前景尚好，軍用航空方面，根據(jù)《WorldAirForces2024》數(shù)據(jù)顯示，截至2023年末，世界各國擁有的各類軍用飛機（各類飛機和直升機）總數(shù)在53,401架左右，美國擁有全世界最強大的空中力量，截至2023年末，美國軍用飛機總數(shù)達(dá)13,209架，占世界軍用飛機總數(shù)的24.74%；俄羅斯擁有4,255架各類飛機和直升機，占世界軍用飛機總數(shù)的7.97%；我國擁有軍用飛機總數(shù)為3,304架，占世界軍用飛機總數(shù)的6.19%。
圖表：2023年各國擁有軍用飛機數(shù)量
數(shù)據(jù)來源：《World Air Forces 2024》?
我國軍用飛機數(shù)量雖然總數(shù)排名靠前，但絕對數(shù)量上同世界頂尖水平相比仍有一定差距。隨著我國周邊國家安全問題的復(fù)雜化以及我國新形勢下軍事戰(zhàn)略方針和改革強軍戰(zhàn)略要求，為國防工業(yè)提供重要軍工裝備的國家使命日益重要。為了滿足國防建設(shè)對航空武器裝備現(xiàn)代化提出的迫切要求，預(yù)計“十四五”期間我國軍用航空裝備市場總體上保持增長態(tài)勢，下游軍用航空市場發(fā)展空間的增長將帶動上游高溫合金等材料的需求增加。同時，未來5-10年內(nèi)基于存量發(fā)動機數(shù)量的增加，還會迎來后續(xù)的換發(fā)和維修高峰期，高溫合金在軍用航空領(lǐng)域的需求穩(wěn)定性將得到雙重保障。
民用航空方面，根據(jù)中國民用航空局2023年5月發(fā)布的《2022年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，截至2022年末，我國民航全行業(yè)運輸飛機（包含客運飛機及貨運飛機）期末在冊架數(shù)為4,165架，同比增長2.74%。根據(jù)中國商飛發(fā)布的《中國商飛公司市場預(yù)測年報（2021-2040）》，預(yù)計未來20年，全球?qū)⒂谐^41,429架新機交付，中國航空市場將接收50座級以上客機9,084架。隨著我國民航業(yè)及制造業(yè)的發(fā)展，及民航業(yè)飛機需求的提升，中國自主研發(fā)的民航飛機（如ARJ21、C919等）也有望批量生產(chǎn)并投入運營，高溫合金、耐蝕合金等材料在國內(nèi)民航領(lǐng)域的市場也將會逐步打開。未來，隨著CR929等新一代機型的逐步研發(fā)，民用航空市場有望成為高溫合金材料需求的新增長點。
2.航天領(lǐng)域
高溫合金是火箭發(fā)動機核心部件燃燒室和渦輪泵的關(guān)鍵用材。液體火箭發(fā)動機主要由燃燒室和噴管、渦輪泵和活門自動器三大部分組成，其中燃燒室和噴管容納推進(jìn)劑燃燒，產(chǎn)生3,000℃以上的高溫和30-200個大氣壓的高壓氣體并高速從噴管噴出，形成強大的推力；渦輪泵的作用是對氧化劑和燃燒劑提高壓力，以便注入燃燒室。
目前我國火箭基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但由于發(fā)展較晚、早期工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，在火箭發(fā)動機方面同發(fā)達(dá)國家的差距仍然明顯：我國新一代運載火箭長征5號助推器采用8臺液氧煤油火箭發(fā)動機YF100，其真空推力僅為美國宇宙神V型火箭引進(jìn)的俄羅斯RD180型火箭發(fā)動機推力的1/3，是俄羅斯質(zhì)子號RD253火箭發(fā)動機推力的70%；長征5號芯一級采用2臺液氫液氧火箭發(fā)動機YF77，其真空推力僅為歐洲阿麗亞娜V火箭Vulcain2發(fā)動機推力的50%，也落后于日本LE7A火箭發(fā)動機。
火箭發(fā)動機性能落后的主要原因之一是高溫合金性能的差距：火箭發(fā)動機燃燒室需承受3,000-4,000℃高溫、20MPa高壓和2,500-5,000m/s高流速燃?xì)鉀_刷，對高溫合金材料要求極高；液體火箭發(fā)動機最核心的部件——高性能渦輪泵則需承受超低溫液氧和燃料的沖刷，且轉(zhuǎn)速高、壓力大、密封性要求更高。我國航天事業(yè)發(fā)展離不開火箭發(fā)動機技術(shù)的追趕超越，勢必將對國產(chǎn)高溫合金原材料及制造工業(yè)提出更高要求。隨著我國航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對于衛(wèi)星發(fā)射的需求不斷提升，我國運載火箭的發(fā)射次數(shù)也逐年提升。2021年中國航天共實施宇航發(fā)射任務(wù)55次，首次達(dá)到“50+”并再度位居世界第一。2022年中國航天全年完成發(fā)射任務(wù)64次，占世界總發(fā)射任務(wù)34%，再創(chuàng)歷史新高。2023年中國航天全年完成發(fā)射任務(wù)67次，占世界總發(fā)射任務(wù)30%。
圖表：中國航天宇航發(fā)射任務(wù)次數(shù)
數(shù)據(jù)來源：Gunter’s Space Page: Orbital Launches of 2012-2021、Russian Space Web: The 2022 spacelaunch score、Space Stats
未來隨著我國工業(yè)基礎(chǔ)逐漸升級，航天事業(yè)將有更大的發(fā)展空間，對火箭發(fā)動機的需求將進(jìn)一步擴大，我國火箭發(fā)射的數(shù)量和質(zhì)量將迎來廣闊的發(fā)展空間，對高溫合金的需求也將隨之增長。
想了解更多高溫合金發(fā)展趨勢和發(fā)展前景等相關(guān)內(nèi)容，可關(guān)注中研網(wǎng)《2024-2029年中國高溫合金市場深度調(diào)查研究報告》。
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