高温合金，又称超合金，是一种600高温合金℃长期在一定应力条件下工作的金属材料具有优异的高温强度、耐氧化、耐热腐蚀、疲劳、断裂韧性等综合性能。高温合金的材料特性使其成为航空发动机中不可替代的关键材料。在世界先进发动机开发中，高温合金材料占发动机总量的40%~60%。因此，高温合金材料又称先进发动机基石。

　　高温合金占航空发动机高温合金需求的一半以上。随着国内一批新型航空发动机的大规模生产，预计高温合金需求将迅速增长。以歼10B、以歼15、歼16为代表的多款三代半战斗机陆续进入列装，WS-10发动机需求继续增长。未来几年，随着国内大型运输机20的投产，大涵道比发动机将进入量产阶段；小涵道比中推和小型航空发动机也将逐步进入量产。国内航空发动机需求的增长将推动航空高温合金需求进入快速增长期。

　　高温合金在民用工业中的应用越来越广泛。高温合金在燃气轮机、汽车涡轮增压器、核电、石油石化等行业有着重要的应用。随着工业化和国内高端设备制造业的发展，民用工业对高温合金的需求将继续推进。目前，民用高温合金占总需求的20%，预计未来这一比例将继续上升。

　　据估计，到2020年，中国对高温合金的需求约为4万吨，相应的市场空间为90.5亿元：航空发动机、汽车废气涡轮增压器和核电行业对高温合金需求的增长将促进行业需求的爆发。目前，我国高温合金产能约.26万吨，实际产量约8000-9000吨。预计未来7年高温合金需求复合增长率将超过20%。

　　一、高温合金概述

　　(1)高温合金简介及分类

　　600种高温合金℃在一定应力下长期工作的高温和金属。与传统金属和合金不同，高温合金具有强度高、抗氧化、耐热腐蚀、疲劳、断裂韧性好、组织稳定性好、可靠性好等综合性能，在西方也被称为超合金（Superalloys）。

　　高温合金材料是航空发动机的首选，在现代航空工业的发展中处于不可替代的地位。其规模的发展直接决定了航空设备的发展水平。此外，高温合金也广泛应用于航天发动机的热端部件。随着工业化的发展，民用高端设备行业对高温合金材料的需求呈上升趋势。高温合金的耐高温、耐磨、耐腐蚀性使其广泛应用于柴油机和内燃机涡轮增压、燃气轮机、能源动力、石化、玻璃建材等民用行业。民用行业高温合金的使用量增加到20%左右。

　　可根据材料成型方法、基体元素类型、合金强化类型等进行划分：

　　1)根据材料成型方法，高温合金可分为变形高温合金、铸造高温合金（包括普通精密铸造合金、定向凝固合金、单晶合金等）、粉末冶金高温合金（包括普通粉末冶金高温合金和氧化物扩散强化高温合金ODS）；

　　2)高温合金可分为铁基、镍基、钴基等。

　　3)高温合金可分为固溶强化高温合金和及时沉淀强化合金。

　　3)高温合金可分为固溶强化高温合金和及时沉淀强化合金。

　　(二)高温合金材料技术难点和创新

　　高温环境下各种材料的退化速度加快，在温度和应力作用下容易发生组织不稳定、变形和裂纹生长、材料表面氧化腐蚀等。高温合金的耐高温性和耐腐蚀性主要取决于其化学成分和组织结构。

　　高温合金材料成分非常复杂，含有铬、铝等活性元素，在氧化或热腐蚀环境中表现为化学部门的稳定性，加工零件表面留下加工硬化和残余应力，对材料的化学性能和机械性能产生非常不利的影响。由于合金化程度高，高温合金材料容易产生成分偏析，对铸造高温合金和变形高温合金的组织和性能有重大影响。高温合金的这些特性决定了它不同于普通金属材料的加工工艺。

　　高温合金的发展是合金理论和生产技术不断改进和创新的过程 加强工艺，不断提高合金的材料性能。合金强化包括合金固溶强化、二相强化剂晶界强化等。工艺强化包括冶炼、凝固结晶、热加工、热处理和表面处理。

　　高温合金的生产工艺主要包括熔炼、铸造和热处理。生产工艺对高温合金材料的机械性能有很大影响。新工艺的引入往往使高温合金的性能飞跃，开发了一批新的高温合金，促进了一代航空发动机和航空飞机的发展。旧合金还可以改进工艺，提高材料性能。

　　例如，单晶涡轮叶片的应用显著促进了航空发动机的进步。F-119涡轮转子叶片采用航空发动机F第三代单晶高温合金PWA1484，材料本身的最高工作温度是1070℃涡轮转子叶片的工作温度提高到1621~16777，因为超冷却叶片是通过计算流体动力学程序设计制造的℃（F100发动机为1400℃），可见工艺创新在材料开发中的重要地位。

　　高温合金材料的制备工艺和工艺仍在不断进步和创新。例如，冶炼过程采用真空感应 电渣重熔 采用先进的熔炼控制方法，通过定向凝固柱晶体合金和单晶合金技术提高材料的高温强度，减少合金元素的分析，提高材料强度。此外，氧化金和金属间化合物的高温材料也在不断发展和创新。

　　二、高温合金的应用

　　研究表明，航空发动机高温合金占高温合金总需求的一半以上，广泛应用于电力、汽车、机械等行业。

　　(一)航空发动机

　　航空发动机被称为工业之花，是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。金属结构材料作为飞机动力装置，重量轻、强度高、韧性高、耐高温、耐氧化、耐腐蚀，几乎是结构材料中最高的性能要求。

　　航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关。高温合金是促进航空发动机发展的最关键的结构材料。军用航空发动机通常可以用其推重比(推力/重量)综合评估发动机水平。最直接、最有效的技术措施是提高涡轮机前的温度。因此，高温合金材料的性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。随着航空设备的不断升级，对航空发动机推重的要求越来越高，发动机越来越依赖高性能高温合金材料。

　　高温合金材料占现代先进航空发动机总量的40%-60%。在航空发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮板的四个热部件，也用于底盘、环、力燃烧室和尾喷嘴。

　　军用航空发动机通常根据其推重比的大小来判断发动机的水平。最直接、最有效的技术措施是提高涡轮机前的温度。

　　燃烧室

　　燃烧室的功能是将燃油的化学能释放转化为热能，是动力机械能的发源地。燃烧室产生的温度为1500~2000℃之间。剩余的压缩空气在燃烧室周围流动，室壁通过室壁槽孔冷却。燃烧筒合金材料的承载温度可达800~900℃局部可达1100℃。

　　燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢；最大、最关键的是变形高温合金。由于传统的高温合金板受合金熔点的限制，其极限使用温度基本达到，难以进一步发展。为了进一步发展燃烧室的高温合金材料，必须研究新的材料基础和材料制备工艺。目前，碳/碳复合材料、高温陶瓷材料、氧化物弥散强化合金、金属间化合物、高温高强度钛合金是国际研究的新材料。

　　导向叶片

　　导向叶片是从燃烧室调节气流方向的部件，是航空发动机受热冲击最大的部件之一。一般来说，导向叶片的温度比同等条件下的涡轮叶片高100左右℃，但叶片承受的应力相对较低。

　　铸造高温合金已成为导叶的主要制造材料。近年来，由于定向凝固工艺的发展，定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中；此外，FWS10发动机涡轮导向器后齿环采用氧化物弥散强化高温合金制造。

　　涡轮盘

　　四大热端部件中涡轮盘质量最大。涡轮盘工作时，轮缘温度达到550-750℃，而且轮心温度只有3000℃整个部件温差大，旋转时承受重离心力，启停时承受大应力和低疲劳周期。

　　涡轮盘制造的主要材料是变形高温合金G4169合金是应用最广泛的主要品种。近年来，随着航空发动机性能的不断提高，对涡轮板的要求也越来越高。粉末涡轮板组织均匀、晶粒小、强度高、塑性好，成为航空发动机上理想的涡轮板合金。但中国工艺生产的粉末涡轮板夹杂物较多，正在进一步发展。

　　涡轮叶片

　　涡轮叶片是航空发动机中最关键的部件，其工作环境最差。涡轮叶片在高温下应承受大离心应力、振动应力、热应力等。制造涡轮叶片的主要材料是铸造高温合金。近30年来，随着铸造工艺的发展，普通精铸、定向、单晶铸造叶片合金得到了广泛的应用。单晶合金在世界上发展迅速，发展了五代单晶合金，成为高性能现金航空发动机高温涡轮工作叶片的主要材料；中国于20世纪80年代开发了先进发动机中使用的单晶合金。

　　(二)航天发动机

　　航天发动机中的特殊工作环境要求使材料必须经过高温、高压、高温梯度变化、高动态载荷和特殊戒指试验，对材料的综合性能和加工性能提出了较高的要求。航天发动机中高温合金材料占比较大，发动机中的应用比例接近总重量的一半。高温合金材料技术的发展直接影响航天发动机的发展水平。

　　原则上，高温合金可用于航空发动机，但除高温冲击外，航空发动机材料还具有低温(-100℃以下)环境要求。由于高温合金精密铸造工艺的限制，过去形状极其复杂的结构件并没有真正应用于航天发动机。随着工艺的进步，航天发动机上的许多关键热部件采用高温合金精密铸造，简化发动机结构，减轻发动机重量，减少焊接部件，缩短开发生产周期，降低开发生产成本，提高发动机可靠性。随着航天发动机技术的进步，航天发动机逐渐呈现出复杂、薄壁、复合、多位一体、无余量的趋势。典型的有涡轮转子、导向器、泵壳等。

　　我国长征系列火箭和神舟系列飞船，发动机核心部分采用高温合金材料。目前，液氧煤油、液氧液氢航天运输发动机和小型涡喷涡扇发动机已定型并开始大规模生产。我国对航天高温合金母合金和精铸件的需求也在增加，进入了新的增长期。

　　(三)民用工业高温合金的应用

　　随着工业化的推进，民用工业对高温合金的需求也在增加。高温合金合金也是船舶、火车、汽车涡轮增压器叶片和各种工业燃机叶片的首选材料；铁路运输、造船（特别是出口造船）、船舶动力、工业燃机应用快速发展等高性能高温合金的高质量要求。目前国内民用工业高温合金占高温合金总需求的20%，而美国民用工业高温合金占50%。燃气轮机

　　燃气轮机是高温合金的另一个主要用途。燃气轮机装置是一种旋转热发动机，其结构与飞机喷气发动机相同，与蒸汽轮机相似。燃气轮机的基本原理与蒸汽轮机非常相似，区别在于工作质量不是蒸汽，而是燃料燃烧后的烟气。燃气轮机属于内燃机，因此又称内燃气轮机。空气压缩机、燃烧室、叶轮系统和回热装置分为四部分。

　　除发电外，燃气轮机的需求迅速增长，还用于船舶动力和天然气疏松的加气站。与航空高温合金叶片相比，燃气轮机

　　高温合金使用寿命长(10万小时)，耐热腐蚀，尺寸大，质量要求高。

　　汽车废气涡轮增压器

　　汽车废气增压器涡轮也是高温合金材料的重要应用领域。目前，我国涡轮增压器制造商使用的涡轮叶轮多为镍基高温合金涡轮叶轮，与涡轮轴和压缩机叶轮形成转子。此外，内燃机阀座、镶块、进气阀、密封弹簧、火花塞、螺栓均可采用铁基或镍基高温合金。

　　涡轮增压系统对提高燃油效率和性能有明显影响。涡轮增压是利用发动机排放的废气能量驱动涡轮室内涡轮，涡轮驱动同轴叶轮。叶轮压力输送空气滤清器管道输送的空气，使其进入气缸。当发动机转速增加，废气排放速度与涡轮转速同步增加时，叶轮将更多的空气压缩到气缸中。随着空气压力和密度的增加，燃料可以燃烧更多的燃料，相应的燃料量可以增加发动机的输出功率。一般来说，废气涡轮增压器安装后的动机功率和扭矩应增加20%—60%。2008年，中国汽车工业仅涡轮转子对高温母合金的需求超过1900吨。

　　高温合金在核电等领域的应用

　　核电行业使用的高温合金包括：燃料元件外壳材料、结构材料和燃料棒定位框架、高温气体炉热交换器等，其他材料难以替代。例如，燃料元件壳管的管壁需要600-800℃高温需要较高的蠕变强度，因此高温合金材料应用广泛。

　　玻璃制造、冶金、医疗器械等领域也广泛使用高温合金材料。玻璃行业使用的高温合金零件有十几种，如生产玻璃棉离心头和火焰坩埚、转向辊管机大轴、端头和通风管、玻璃窑料道、闸板、马弗套、料碗和电极棒等。冶金工业轧钢厂加热炉垫块、线材连续轧制导板、高温炉热电偶保护套等。医疗器械领域的人工关节等。

　　三、高温合金市场空间计算

　　据估计，到2020年，国内高温合金需求约为39275吨，对应市场空间90.5亿元。

　　(1)航空发动机需求

　　假设1:高温合金占航空发动机总重量的40%-60%，占先进发动机的50%以上。根据我们的判断，断发展和高温合金材料技术的进步，这一比例将继续上升。假设高温合金占军用航空发动机重量的60%，占民用航空发动机和其他军用机械重量的40%。

　　假设2:假设军用战斗机发动机重量约1.7吨，军用运输机重量约4吨，其他飞机重量约1吨。

　　假设3：高温合金的材料性能和加工难度高于普通合金和钢材，材料成型率远低于普通特种钢材。据估计，1)在铸造和轧制过程中，材料成型率约为70-80%；2)母合金加工时，废品率约为80%，材料利用率约为15%-20%。假设高温合金的材料利用率为20%。

　　综上所述，我们预计每台战斗机航空发动机平均使用5.1吨高温合金、12吨军用运输机航空发动机和2吨其他军用航空发动机；8吨大型民用飞机航空发动机。

　　未来20年，我国军用航空发动机高温合金需求为17.75万吨，民用大中型飞机高温合金需求为7.36万吨。此外，低空开放预计将打开中国通用航空发展的瓶颈。未来20年，通用航空拥有量将超过2万架。一般航空发动机的高温合金需求为5万吨，按平均1台发动机计算。

　　综上所述，预计未来20年航空发动机高温合金需求将达到30.11万吨，年平均市场空间将达到1.51万吨。

　　(二)燃气轮机需求

　　军事应用占世界船用燃气轮机市场的绝大多数份额。在军事领域，75%以上的海军主要舰艇使用燃机动力；在民用市场，燃机主要用于高速客船。

　　目前，中国海军船用燃机装船率较低。船用燃机只有10艘主要服役舰艇。它们是2艘052型驱逐舰(装备)LM2500），2艘052BC型驱逐舰6艘052型驱逐舰(装备)UGT-25000及QC280）。其动力配置为柴燃交替动力（CODOG），每艘船配备2台燃机和2台柴油机。

　　随着我国多型船用燃机的成功发展，预计中短期内燃机的普及将加快。我们认为燃机的普及将是30MW以船用燃机为核心，辅以4MW小功率船用燃机。其中，30MW主要用于大型驱逐舰、护卫舰等MW主要用于气垫登陆艇和导弹快艇。

　　参考LM假设国产燃气轮机重20吨，高温合金占30%，成品率20%，单台国产燃气轮机高温合金30吨。

　　未来15年，我们认为海军将形成三支近海防御舰队 几个航母编队 多个作战系统以两栖攻击/登陆编队为主体。考虑到燃机的应用，传统/核动力航母、两栖攻击/码头登陆舰不太可能作为主要动力源。使用燃机的新舰艇可能主要配备航空母舰编队和两栖攻击/登陆编队，主要是驱逐舰和护卫舰，而近海防御舰队只配备新的隐形导弹舰。

　　未来15年将建设5个航母编队(2常) 考虑到燃机的更新和维护，我们估计未来15年将有3个两栖攻击/登陆编队和3个近海防御舰队MW需要600台级燃机，4台MW需要1476台燃气轮机。未来15年，燃气轮机高温合金需求将达到6.23万吨，平均每年4152吨。

　　(3)汽车废气增压涡轮

　　汽车涡轮增压器的制造主要采用高温合金，其次是排气阀、烧嘴、热发生器等部件。

　　涡轮增压系统对提高燃油效率和性能有明显影响。涡轮增压是利用发动机排放的废气能量促进涡轮室内涡轮，涡轮驱动同轴叶轮，叶轮压力通过空气过滤管输送的空气进入气缸。当发动机转速增加时，废气排放速度也与涡轮转速同步增加。叶轮将更多的空气压缩到气缸中，增加空气压力和密度可以燃烧更多的燃料，燃料量可以增加发动机的输出功率。一般来说，废气涡轮增压器的发动机功率和扭矩增加了20%—60%。

　　废气增压器涡轮机在国外生产已有60多年的历史。目前，国外重型柴油机增压器配置率为100%，英国、美国、法国等国家的配置率也在增加。

　　特别是汽油涡轮增压器，国内涡轮增压器的配置率将继续提高。面对日益增长的环保和能源压力，内燃机节能减排是大势所趋。涡轮增压是内燃机节能减排的有效手段，其中汽油机节油效果为5-10%，柴油机节油效果约为10-20%。2012年，我国内燃机涡轮增压器综合配置率为6.7%；其中，汽车柴油机配置率为62%，未来增长点主要来自轻型卡车装配率的提高；汽车汽油机配置率仅为5%左右，未来有很大的改进空间。

　　根据钢铁研究高纳招股说明书，目前我国每万辆车对高温合金的需求为2.04吨。随着涡轮增压器配置率的提高，每万辆车的高温合金使用量将继续增加。

　　假设2013年每万辆高温合金2吨，未来20年复合增长5%；到2020年，汽车产量复合增长5%，2020-2030年，汽车产量复合增长3%。据估计，2020年汽车高温合金需求为8715吨，2030年为1.9万吨。

　　(四)核工业

　　核电中高温合金的应用主要包括燃料元件壳管、燃料元件定位架、高温气体炉热交换器等。每个60万千瓦的核电站需要蒸发器U100吨形状的传热管。此外，还有大量的反应堆组件，如不锈钢精密管、控制棒、核燃料包装套管等。只有60万千瓦的核电站堆芯需要600多吨各种核级管道。

　　国内核电设备的应用也将促进核电设备零部件的供应市场。据媒体报道，中广核集团董事长何宇表示，中国目前在建核电总规模4875万千瓦，在建核电机组数量居世界第一。

　　根据中国修订后的核电发展目标，2015年核电机组装机规模达到40台GW2020年核电装机目标为58GW运营 30GW未来7年，中国将开工40年GW，对应35-40座100万千瓦机组。

　　假设1100万千瓦机组需要1000吨各种高温合金，未来7年核电行业总需求约为3.5万吨-4万吨，平均每年5万吨-5700吨。

　　(五)航天、核工业等行业

　　考虑到航天发动机年发射次数少，需求稳定，我们估计每年航天发动机对高温合金的需求约为400-600吨。

　　此外，假设航空发动机、航空航天、燃气轮机、汽车和核工业占高温合金总需求的85%，其他行业对高温合金的年需求约为5900吨。

　　四、国内外高温合金市场

　　(一)发展国外高温合金产业

　　目前，全球高温合金材料年消费近28万吨，市场规模达到100亿美元。世界上能生产航空航天高温合金的企业不超过50家，主要集中在美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本和中国。发达国家一般以航空航天应用领域的高温合金产品为战略军事物资，很少出口。

　　美国在高温合金的研发和应用方面一直处于世界领先地位，年产量约5万吨，其中近50%用于民用工业。包括普特拉在内的美国有许多独立的高温合金公司，可以生产航空发动机使用的高温合金—惠特尼公司生产特钢和高温合金，如汉因斯-斯泰特和佳能—因科国际公司等穆斯克贡公司。这些公司开发了自己的高温合金牌号。

　　中英、德、法是世界高温合金生产研发的主要代表。英国是世界上最早开发高温合金的国家之一。以国际镍公司为代表的英国铸造合金技术世界领先Nimocast该国飞机发动机制造商罗尔斯罗伊斯控股公司后来开发了定向凝固和单晶合金SRR99、SRR2000和SRR高温合金主要用于航空发动机制造。

　　日本在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高温合金和氧化物晶粒扩散强化高温合金方面取得了巨大成功。近年来，我们致力于开发1200种新型耐高温合金℃新合金在高温下仍能保持足够的强度。日本的主要高温合金制造商是IHIcorporation，JFE、新日铁和神户制钢公司。

　　(二)国内高温合金产业格局

　　中国经过50多年的发展，形成了一定规模的先进生产基地。我们将国内高温合金制造商分为四类：

　　1.特钢厂:东北特钢集团抚顺特钢公司(以下简称抚顺特钢)、宝钢特钢事业部(以下简称宝钢特钢)、攀钢集团长城特钢公司(以下简称攀钢)；

　　2.研究单位：钢铁研究所、北京航空材料研究所、中国科学院金属研究所、东北大学、北京科技大学等。

　　3.发动机公司精密铸造厂:中航工业航空发动机公司精密铸造厂:黎明、西航、黎阳、南方、贵航等。

　　4.锻件热加工厂:西南铝业公司、第二重型机械集团万航模锻厂、中航重机有限公司宏远航空锻造公司、安达航空锻造公司。

　　目前，抚顺特钢和钢铁研究高纳是国内大型高温合金生产企业。此外，宝钢特钢、攀长钢、中国科学院金属研究所、北京航空材料研究所也具有一定的生产能力。

　　抚顺特钢、宝钢特钢、攀长钢等公司主要完成航空航天行业用量最大的变型高温合金。变形高温合金适用于大批量、通用、结构简单的产品。上市后，钢铁研究高纳还扩大了变形高温合金的生产能力，募集项目也具有相当大的变形高温合金生产能力。

　　目前，铸造高温合金精密铸件的制造商分为三家公司：钢铁研究所、中国科学院金属研究所和北京航空材料研究所；黎明、西航、南方、成发等专业发动机厂生产精密铸件。三个订单

　　该职位主要承担航空航天发动机厂委托的精铸业务。目前，三个单位在铸造高温合金的材料制备和生产技术上都有自己的特点，其中钢铁研究高纳的生产能力大于其他两个。

　　根据钢研高纳、抚顺特钢年报及相关公司网站信息，我国高温合金总产能约1.26万吨，实际产量约8000-9000吨。

　　与a股相关的上市公司涉及高温合金

　　A股票上市公司主要包括:钢研高纳、抚顺特钢、宝钢、炼石有色、航空动力、新三板上市公司中科三耐。

　　来源:中国腐蚀防护网