高温合金——现代工业装备领域的关键材料

高温合金在军民工业领域运用广泛，是制造发动机以及燃气轮机热端部件的关 键材料。国防建设的需求以及国家的大力支持持续推动着高温合金产业的发展， 市场前景广阔。高温合金简介高温合金是指一般以铁、镍、钴为基，能在大约 600℃以上的高温下抗氧化或 腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类合金。铁基高温合金使用温度一 般只能达到 700℃左右，多应用于交通运输、石油化工、矿山冶金等领域;钴 基高温合金受限于钴元素的开采和使用，尚无法实现大范围的推广应用;镍基 高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，可以在高于 1000℃的恶劣 环境中保持较好的力学性能，因而广泛地用来制造高性能的航空发动机和各种 工业燃气轮机的最热端部件。在研发应用中，一般按制备工艺划分成铸造高温合金、变形高温合金和其他几 类新型高温合金。其中变形高温合金应用最为广泛，大致占比达 70%，铸造高 温合金和新型高温合金分别为 20%、10%。应用从航空航天向其他工业领域扩展高温合金材料具备优良的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳，最初因制造工艺复杂，量 产困难，主要应用于航空航天领域。随着技术的发展和产量的提升，逐渐被应 用到电力、机械、工业、汽车等领域。据 Roskill 统计，全球每年消费高温合金 材料约 30 万吨，其中约 55%用于航空航天领域，其次是电力领域，占 20%。

在航空航天领域，高温合金是制造航空航天发动机热端部件的关键材料。在液 体火箭发动机中，高温合金应用比例接近总重量的一半，逐渐呈现出复杂化、 薄壁化、复合化、多位一体、无余量的趋势。在先进的航空发动机中，关键的 热端承力部件均为高温合金，高温合金用量占发动机总重量的 40%-60%以上， 发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平。在民用工业领域，高温合金应用面不断扩大，特别是耐高温耐腐蚀合金在石油 化工、玻璃和玻纤以及机械制造等行业的应用有明显的进展。以工业燃气轮机 为例，其需求快速增长，除用于发电外，还用于舰船动力、天然气输送的加压 站等。此外，纳米材料系列、生物医学材料系列、电子工程用靶材系列等高温合金产品也在不断发展，以满足相关高温的腐蚀环境要求。政策支持下我国高温合金快速发展我国高温合金研发起步较国外发达国家晚，在国防建设需要以及国家的大力支 持下，经过几代人的努力，我国高温合金已完成了从仿制、改进到创新的转变， 合金的耐温性能从低到高，新型材料得以开发，生产工艺不断改进且产品质量 不断提高，并建立和完善了我国的高温合金体系。最新出版的《中国高温合金 手册》已包含 201 个合金牌号，可供航空、航天及其他工业部门选用。师昌绪院士将我国高温合金的发展分为三个阶段。第一阶段从 1956 年至 20 世 纪 70 年代初，是我国高温合金的创业和起始阶段，由苏联专家指导下炼出的第 一炉高温合金 GH3030 拉开序幕。1960 年后，国际形势要求我国必须独立自主 的研制和生产主要歼击机发动机所需的各种高温合金材料，该阶段主要成果是 仿制前苏联高温合金为主体的合金体系。第二阶段从 20 世纪 70 年代中到 90 年代中期，这是我国高温合金的提高阶段。材料研制全面引入欧美技术，参照国外的技术标准，在生产过程中建立严格的 质量管理体系，学习规范质量检测标准。这一阶段，研制成功了多种新型的高 温合金，生产工艺技术和产品质量控制达到了一个新的高度。第三阶段是从 20 世纪 90 年代中至今这段时间, 这是我国高温合金发展的新阶 段。该阶段，我国应用和开发出一批新工艺, 研制和生产了一系列高性能、高 档次的新合金。现在国内已形成了一批具有一定规模的母合金生产厂、锻件热 加工厂、精密铸件厂和研究机构。高温合金的升级对于航空航天及其他工业部分的发展都有着重要的意义。特别 是在航空航天领域，可以说一代材料一代新型发动机，材料是产业升级的基础。高温合金新材料及先进制备技术的研究，助力航空航天发动机向更高承温、更 高性能、更低重量、更高可靠性、更低成本、更易维护等方向发展。为了促进 高温合金行业的发展，近年来国家也出台了一系列支持政策。

供给不足，行业生态健康

我国高温合金产业发展较快，但技术与世界先进水平仍存在差距，并且国内生 产能力不足，高端品种尚未实现自主可控，供需缺口较大。高温合金新进入壁 垒高，产能增长以现有厂商扩产为主，增速较为缓慢。业内竞争格局良好，主 要厂商形成竞合关系。行业特性促使高温合金成为单价高、毛利高品种。国内供应存缺口，单价高、毛利高自 1956 年第一炉高温合金 GH3030 试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研 究、生产和应用已经经历了 60 多年的发展。60 年的时间里，我国高温合金从 无到有，从仿制到自主创新，取得了不凡的成绩。但目前来看，我国高温合金 仍存在供应缺口，且高端品种尚未实现自主可控。关于高温合金的产销量，市场没有统一计算口径。特钢协会数据显示 2019 年 会员企业高温合金钢产量为 8499 吨。前瞻产业研究院数据显示，2018 年我国 高温合金材料年生产量约 3.5 万吨左右，消费量达 5.9 万吨。中国产业信息网数据，2018 年我国高温合金产量约 2.2 万吨，市场需求量约 3.7 万吨。总体反 映出高温合金市场存在 40%左右的供给缺口。因高温合金产品具有很高技术含 量，要求一定的技术储备和研发实力，进入壁垒相对较高。高端产品产能增长 将主要依靠现有企业产能的扩张，但实际有效产量增长较小，市场缺口短期较 难填补。

同时，我国高温合金材料对进口的依赖度依旧较高。一是因技术相对落后，高 端产品未完全国产化。在技术水平上，我国与美国、俄罗斯等国仍有着较大差 距。比如在重型燃气轮机、深海石油等应用量大的产业，以及更高性能航空航 天发动机等领域，相关高温合金材料产品还没有完全实现国产化，产品依赖进 口。高温合金的特性及产业结构促使其价格及毛利始终保持较高水平。以抚顺特钢、 钢研高纳、图南股份为例，近三年其高温合金产品均价在 12-22 万元/吨水平， 毛利率保持在 30%左右，具体因产品结构、产品附加值高低、下游属于军品或 民品客户，原材料价格变动、成材率情况而不同。业内竞合关系为主，进入壁垒高高温合金行业生态健康，企业间主要为竞合关系。一方面因为行业总供给尚不 能满足国内需求，企业均以努力实现技术创新、扩大产能、满足市场需求为目 标共同发展。另一方面因为高温合金广泛应用于军工领域，自主可控要求下很 多对供应商设置了双流水制度。高温合金进入壁垒高，体现在技术壁垒、销售渠道、资金实力等方面。且新进 入者往往面临产品成材率低的问题，需要经历较长的时间探索，进行工艺改良， 通过经验总结，提升产品成材率。高进入壁垒将使行业未来一段时间内竞争格 局仍有望保持良好状态。高温合金材料具有很高的技术含量，特种冶炼、精密铸造等工序均需要技术沉 淀，尤其是航空航天类应用产品对质量可靠性、性能稳定性、产品外观尺寸精 确性等方面都有着非常苛刻的指标要求，加之后续工艺改良及成材率提升的行 业发展要求，都需要长期经验积累，高温合金对企业技术储备、研发实力和人 才培养要求很高。

在销售渠道方面，一是行业存在准入壁垒，高温合金应用于军品相关生产活动必须通过严格审查并取得军工资质;在民用航空发动机、核电装备等领域，也 存在相应的资质认证管理体系，生产厂家需要通过获得相关行业准入资质和认 证，才能进入市场。二是市场先入优势明显，高温合金主要应用于各种极端恶 劣环境下，故对下游客户而言，性能稳定性和质量可靠性是其最重要的考虑因 素，高温合金产品通过下游客户系统认证所需时间周期可长达 3-5 年，因此用 户在经过严格的试用程序而选定供应商后，一般不会再轻易更换，后入者打通 销售渠道难度大幅增加。在资金方面，高温合金企业前期需投入大量资金购置先进生产设备，且产品研 发周期较长，公司需持续投入支持新产品的迭代更新。未来三年有万吨产能增量因为高温合金领域新进入者壁垒较高，行业产能增量主要来源于现有企业扩产。近年来，随着下游需求的快速增长，高温合金供不应求，主流厂商纷纷扩建以 满足发动机、石化等领域的新增需求，在国家政策导向下国产替代进程加速。但因生产工艺复杂，产品牌号众多，且存在下游认证周期长等问题，实际产量 增速或小于产能增速。

需求放量，市场增长可期

我国高温合金需求增长迅速，供需缺口短期难以弥补。发动机领域，军用飞机 数量增加，发动机维护以及发动机国产替代工作的推进，高温合金需求量增长 明确。燃气轮机国产替代进程不断加速，在海军舰艇建设以及燃气轮机装配比 例提升，天然气管网大规模建设以及燃气发电项目增长下相关领域高温合金需 求前景巨大。汽车方面，国内汽车产量的提升以及国内涡轮增压车型占比持续 提升，高温合金消费量将持续上涨。此外，在航天、核电、石化冶金等领域， 高温合金需求也在不断增长，预计 2020-2025 年间，需求复合增速达 7.5%。航空发动机需求增长明确在先进航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的 40%-60%以上，主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件，此外还用于机匣、环 件、加力燃烧室和尾喷口等部件。发动机的性能水平在很大程度上取决于高温 合金材料的性能水平。高推重比、低油耗和高可靠性是航空发动机发展的主要 目标，为了提高发动机的推力和效率，要求尽可能提高发动机的涡轮进口温度， 数据显示，推重比为 10 的发动机涡轮进口温度已达 1580-1650℃。燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域，燃烧室内燃气温度可达 1500-2000℃，作为燃烧室壁的高温合金材料需承受 800-900℃的高温，局部甚 至高达 1100℃以上。除需承受高温外，燃烧室材料还应能承受周期性点火启动 导致的急剧热疲劳应力和燃气的冲击力。用于制造燃烧室的主要材料有高温合 金、不锈钢和结构钢，其中用量最大、最为关键的是变形高温合金。导向器也称为涡轮导向叶片，用来调整燃烧室出来的燃气流向，是涡轮发动机 上承受温度最高、热冲击最大的零部件，材料工作温度最高可达 1100℃以上， 但涡轮导向叶片承受的应力比较低，一般低于 70MPa。该零件往往由于受到较 大热应力而引起扭曲，温度剧变产生热疲劳裂纹以及局部温度过高导致烧伤而 报废，因此导向器材料大多采用精密铸造镍基高温合金。涡轮叶片是涡轮发动机中工作条件最恶劣也是最关键的部件，由于其处于温度 最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件。涡轮叶片在承受 高温的同时要承受很大的离心应力、振动应力、热应力等。其所承受温度低于 相应导向叶片 50-100℃，但在高速转动时，由于受到气动力和离心力的作用， 叶身部分所受应力高达 140MPa，叶根部分达 280-560MPa，涡轮叶片材料大 多也是精密铸造镍基高温合金。涡轮叶片其结构与材料的不断改进已成为航空 发动机性能提升的关键因素之一。涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大。涡轮盘是航空发动机上的重要转动部 件，工作温度不高，一般轮缘为 550-750℃，轮心为 300℃左右，因此盘件径 向的热应力大，特别是盘件在正常高速转动时，由于盘件质量重达几十至几百 千克，且带着叶片旋转，要承受极大的离心力作用，在启动与停车过程中又构 成周期性的大应力低周疲劳。用作涡轮盘的高温合金为屈服强度很高、细晶粒 的变形高温合金和粉末高温合金。在航空发动机领域，随着军机数量增加，发动机维护以及发动机国产替代工作 的推进，高温合金需求量有望迎来较快增长。装备费占比持续提升，军机数量稳步上涨。2019 年 7 月国务院新闻办公室发表 《新时代的中国国防》白皮书，内容显示我国军费中装备费的占比持续提升， 自 2012 年的 36%提升至 2017 年的 41%，军费增加用于加大武器装备建设投 入，淘汰更新部分落后装备，升级改造部分老旧装备，研发采购航空母舰、作 战飞机、导弹、主战坦克等新式武器装备，稳步提高武器装备现代化水平。2017年装备费增速有所放缓，后期随着军改基本完成，装备采购明显加速，军品订 单恢复正常状态。《World Air Forces 2021》数据显示，我国军机数量为 3260 架， 占世界军机总量的 6%，2011 年来，军机数量复合增长率约为 2.6%。

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景 目标的建议》在谈到军队建设目标时，首次提出“确保二〇二七年实现建军百 年奋斗目标”，这是对既往建军目标与时俱进的充实和具体化，充分体现了党中 央立足国家发展和安全战略全局，奋力推进强军事业的战略意志和坚定决心。随着军用飞机数量的增长，对应航空发动机应用高温合金也有望迎来较快增长。此外，考虑到发动机实验、备货需求以及高温端使用寿命有限，存量发动机因 飞行训练带来更换和大修需求，预期 2020-2025 年间，军用航空发动机领域高 温合金需求复合增速有望达到 6.5%。在民用航空领域，市场空间巨大，但全球市场已发展较为成熟，生产公司主要 包括 CFM、RR、GE、P&W 等欧美企业，竞争格局相对稳定。国内民用航空发动机起步较晚，随着 CJ1000 商用大涵道比航空发动机关键部 件的不断攻克，作为 C919 的国产替代发动机，未来有望成为国内民用航发批 量应用的起点，形成高温合金新的增长点。燃气轮机发展前景巨大燃气轮机作为动力装置具有体积小、效率高、污染低、功率范围广等优点，广 泛用于工业发电、舰船、石油及天然气管路输送、供热、矿井通风等领域。工 业燃气轮机按功率等级划分大体分为微型、轻型、中型、重型 4 个等级。燃气轮机的效率和可靠性很大程度上取决于热端部件的技术水平，高温合金主 要用于涡轮叶片、燃烧室和涡轮轮盘三大核心部件。以重型燃气轮机为例，目 前形成了以美国 GE、德国西门子、日本三菱重工为主的三大巨头高度垄断的局面，主流机型涡轮进口温度均在 1350℃以上，热端部件的材料几乎均选用高 温合金。燃气轮机涡轮叶片长时间连续工作在高温、易腐蚀和复杂应力下，与航空发动 机涡轮叶片相比，对耐久性、抗腐蚀性要求更高。由于高度的合金化使得高温 合金塑性降低难于锻压加工，同时，气冷技术需要的内腔形状复杂的叶片只有 采用铸造技术才能做到，涡轮叶片材料由锻造合金向铸造合金发展。燃烧室是燃气轮机承受温度最高的部件，燃烧室材料应具有足够的高温机械强 度、良好的抗热疲劳和抗氧化性、较高的高温高周疲劳强度及蠕变强度。从工 艺看，燃烧室材料还需具有非常好的成形性能及焊接性能，焊后热处理开裂的 倾向性要小。为了满足以上工况和工艺要求，燃烧室材料通常采用镍基高温合金。燃气轮机涡轮轮盘直径是航空发动机的 3-6 倍。涡轮轮盘轮缘长期工作在 550- 600℃，而轮盘中心工作温度则降至 450℃以下。不同部位的温差造成了轮盘的 径向热应力非常大，轮盘外缘榫齿在燃气轮机起停过程中会承受较高的低周疲 劳载荷作用。故涡轮轮盘的材料在使用温度下应具有更高的抗拉强度和屈服强 度，为此，除了合金钢和耐热钢，涡轮轮盘在选材上也应考虑选择具有良好综 合性能的变形高温合金。在军用领域，海军舰艇建设以及燃气轮机装配比例的提升将带来高温合金的增 量。美、英、苏、德、日等国在 20 世纪 70 年代以后建造的水面舰艇的主动 力绝大部分采用全燃气轮机动力装置或柴油机-燃气轮机联合动力装置。40MW 级燃气轮机用于万吨级驱逐舰、两栖攻击舰后续舰的综合电力推进系统原动机;20MW 级燃气轮机用于万吨级驱逐舰及其后续舰、6000 吨级驱逐舰、3000 吨 级护卫舰的机械推进主机或综合电力系统电站原动机;10MW 级燃气轮机用于 气垫登陆艇等特种和小型水面舰艇的综合电力系统电站原动机。我国燃气轮机 技术相对落后。当前，我国国产舰船用燃气轮机已经完成国产化批产阶段，有 望在我国未来大型护卫舰、大型驱逐舰和新型两栖登陆舰等水面舰艇上广泛引 用。在民用领域，由于我国“西气东输”、“北气南下”和沿海经济发达地区能源结构 调整，以及分布式能源发展的需要，国内燃气轮机作为中大功率天然气管道增 压中途中最广泛的驱动机，市场需求旺盛，随着国产替代进程的加速，高温合金需求有望迎来快速爆发。2017 年国家发改委及国家能源局印发《中长期油气 管网规划》提出到 2020 年全国油气管网规模达到 16.9 万公里，其中天然气管 道 10.4 万公里;到 2025 年规模达到 24 万公里，其中天然气管道 16.3 万公里 的发展目标，则未来 5 年复合增速达到 9.4%。2015 年底，全国天然气管网为 6.4 万公里，2018 年底，干线管道总里程达 7.6 万公里，复合增速 5.9%，慢于 规划目标。2019 年底，国家管网集团正式成立，从事油气干线管网及储气调峰 等基础设施的投资建设和运营，预期随着我国天然气用量的快速攀升，天然气 管网建设速度将稳步提升。我们假设未来五年我国天然气主干管网建设速度每年提高 1.4%，在 2025 年实 现天然气管道 16.3 万公里的发展目标。从新疆轮南气田到上海市区，全长 4000km，沿线约 40 个增压站。假设平均每 100 公里需要 1 个增压站，每个增 压站平均装备 1 台燃气轮机，燃气轮机单体重量 25 吨，其中高温合金用量占比 40%，成材率30%，则对应 2025年高温合金需求达 7333吨，复合增速达25.7%。重型燃气轮机市场的增量来源于天然气供应的增长，燃气发电项目增长带动高 温合金需求。燃气发电具有能源转换效率高、污染物排放少、启停迅速、运行 灵活等特点。2019 年 9 月，国家能源局印发《国家能源局关于将华能南通电厂 燃气轮机发电项目等 24 个项目列入第一批燃气轮机创新发展示范项目的复函》，明确就 22 个燃气轮机型号和 2 个运维服务项目开展示范，示范项目聚焦长期制 约我国燃气轮机产业发展的热部件等关键核心技术装备，预期随着各项技术的 突破，我国重型燃气轮机国产化率有望稳步提高。据东方电气集团募集说明书， 近几年，我国市场每年将新增 15 个大型天然气发电项目，相当于新增 30 台燃 气轮机。三菱重工 M701F 燃气轮机主体重 415 吨，假设大型燃气轮机单机重 量 400 吨，其中高温合金用量占比 20%，则重型燃气轮机对应年高温合金用量 约 2400 吨。

汽车用高温合金持续上涨车用高温合金主要应用于汽车涡轮增压器。涡轮增压技术是提高发动机效率、 降低油耗、减少废气排放的重要手段。增压涡轮是增压器的核心部件，其耐受 温度和使用寿命决定了整个增压器的工作温度和稳定性。随着增压器的转速提 高、体积减小，其使用温度逐渐升高，目前排气温度已达 1000℃以上，世界各国普遍将增压涡轮材料由耐热钢升级为铸造镍基高温合金，国内广泛应用 K213、 K418、K419、K4002 等牌号合金。随着国内汽车产量的提升以及国内涡轮增压车型占比持续提升，高温合金消费 量将持续上涨。汽车产量方面，2020 年，疫情的爆发加速了汽车产业产销量触 底的过程。随着相关刺激政策的推出，行业消费情绪回暖，汽车产销量稳步提 升。4 月，在 2019 年相对低基数作用下，汽车单月产销量恢复正增长，并保持 较快增速。1-11 月，汽车累积产量 2237.2 万辆，同比小幅下降 3%。从长期来 看，我国汽车行业发展空间巨大，从千人拥有量数据来看，2019 年我国汽车千 人拥有量为 173，在世界银行发布的全球 20 个主要国家千人汽车拥有量中排名 第 17 位，数量远低于美国的 837、澳大利亚的 747、意大利的 695 等。涡轮增 压车型渗透率方面，据盖世汽车研究院，随着近年市场规模的增长，中国乘用车涡轮增压器渗透率不断提高，2016 年到达 32%，预计 2020 年渗透率将达到 48%。在节能减排的发展趋势下，未来渗透率有望继续提升。我们假设未来五年我国汽车产量年增速为 2%，涡轮增压器渗透率每年提升 1%。据图南股份招股说明书，每万辆汽车涡轮增压器高温合金用量约为 3.5 吨，则 对应 2025 年高温合金需求量达 5182 吨，复合增速达 4.0%。核电建设稳步推进在核电装备制造业中，高温合金材料主要应用于承担核反应工作的核岛内。核电装备中主要使用高温合金的部件包括燃料机组、控制棒驱动机构、压力容器、 蒸发器以及堆内构件、燃料棒定位格架、高温气体炉热交换器等。核电核准稳步推进，有望带动核电电源建设投资增长，进而拉动高温合金消费。日本福岛核事故发生后，2016-2018 年我国核电核准进入停滞状态，直到 2019 年 7 月山东荣成、福建漳州和广东太平岭核电项目核准开工，标志着核电审批 正式重启。2020 年 9 月国务院常务会议核准海南昌江核电二期工程和浙江三澳 核电一期工程，并指出积极稳妥推进核电项目建设，是扩大有效投资、增强能 源支撑、减少温室气体排放的重要举措。据图南股份招股说明书，一座 100 万千瓦的核电机组消耗 500 吨高温合金。2020 年 6 月，中国核能行业协会发布《中国核能发展报告(2020)》提出，“十四五” 及中长期，核电建设有望按照每年 6-8 台持续稳步推进，预计 2020 年底，我国 在运核电机组总装机容量达 5200 万千瓦，在建核电机组装机容量 1900 万千瓦 以上;到 2025 年，在运核电装机达到 7000 万千瓦，在建 3000 万千瓦。假设 未来每年新增 500 万千瓦核电机组，则预计带来的年高温合金需求量为 2500 吨 。