高温合金在航空航天领域的应用及发展状况
能源yjbzj220132024/9/25
高温合金最初的研制主要为了满足新型航空发动机的需求，但由于其良好的耐高温，耐腐蚀等性能，逐渐被应用到电力、船舰、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域。根据《工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展》等资料，目前高温合金下游最大的应用领域为航空航天用发动机，占比超过50%。
在现代航空发动机中，高温合金材料用量占到发动机总质量的40%-60%，主要应用于四大热端部件，燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，此外还用于机匣、加力燃烧室和尾喷口等部件。根据工作温度不同，航空发动机以燃烧室前后为界限，分为冷端和热端两部分。提高喷出气体的能量是增加发动机工作效率的最主要方式，要求发动机工作温度提升，因此对热端部件，尤其是涡轮部件的材料提出了较高要求。航空发动机热端部件工作温度超过1,000摄氏度，同时涡轮部件在高速旋转中承受较大机械载荷，因此需要高温合金材料在高温下保持优异机械性能。
高温合金在航空领域发展前景尚好，军用航空方面，根据《WorldAirForces2024》数据显示，截至2023年末，世界各国拥有的各类军用飞机（各类飞机和直升机）总数在53,401架左右，美国拥有全世界最强大的空中力量，截至2023年末，美国军用飞机总数达13,209架，占世界军用飞机总数的24.74%；俄罗斯拥有4,255架各类飞机和直升机，占世界军用飞机总数的7.97%；我国拥有军用飞机总数为3,304架，占世界军用飞机总数的6.19%。
图表：2023年各国拥有军用飞机数量
数据来源：《World Air Forces 2024》
我国军用飞机数量虽然总数排名靠前，但绝对数量上同世界顶尖水平相比仍有一定差距。随着我国周边国家安全问题的复杂化以及我国新形势下军事战略方针和改革强军战略要求，为国防工业提供重要军工装备的国家使命日益重要。为了满足国防建设对航空武器装备现代化提出的迫切要求，预计“十四五”期间我国军用航空装备市场总体上保持增长态势，下游军用航空市场发展空间的增长将带动上游高温合金等材料的需求增加。同时，未来5-10年内基于存量发动机数量的增加，还会迎来后续的换发和维修高峰期，高温合金在军用航空领域的需求稳定性将得到双重保障。
民用航空方面，根据中国民用航空局2023年5月发布的《2022年民航行业发展统计公报》，截至2022年末，我国民航全行业运输飞机（包含客运飞机及货运飞机）期末在册架数为4,165架，同比增长2.74%。根据中国商飞发布的《中国商飞公司市场预测年报（2021-2040）》，预计未来20年，全球将有超过41,429架新机交付，中国航空市场将接收50座级以上客机9,084架。随着我国民航业及制造业的发展，及民航业飞机需求的提升，中国自主研发的民航飞机（如ARJ21、C919等）也有望批量生产并投入运营，高温合金、耐蚀合金等材料在国内民航领域的市场也将会逐步打开。未来，随着CR929等新一代机型的逐步研发，民用航空市场有望成为高温合金材料需求的新增长点。
2.航天领域
高温合金是火箭发动机核心部件燃烧室和涡轮泵的关键用材。液体火箭发动机主要由燃烧室和喷管、涡轮泵和活门自动器三大部分组成，其中燃烧室和喷管容纳推进剂燃烧，产生3,000℃以上的高温和30-200个大气压的高压气体并高速从喷管喷出，形成强大的推力；涡轮泵的作用是对氧化剂和燃烧剂提高压力，以便注入燃烧室。
目前我国火箭基本实现国产化，但由于发展较晚、早期工业基础薄弱，在火箭发动机方面同发达国家的差距仍然明显：我国新一代运载火箭长征5号助推器采用8台液氧煤油火箭发动机YF100，其真空推力仅为美国宇宙神V型火箭引进的俄罗斯RD180型火箭发动机推力的1/3，是俄罗斯质子号RD253火箭发动机推力的70%；长征5号芯一级采用2台液氢液氧火箭发动机YF77，其真空推力仅为欧洲阿丽亚娜V火箭Vulcain2发动机推力的50%，也落后于日本LE7A火箭发动机。
火箭发动机性能落后的主要原因之一是高温合金性能的差距：火箭发动机燃烧室需承受3,000-4,000℃高温、20MPa高压和2,500-5,000m/s高流速燃气冲刷，对高温合金材料要求极高；液体火箭发动机最核心的部件——高性能涡轮泵则需承受超低温液氧和燃料的冲刷，且转速高、压力大、密封性要求更高。我国航天事业发展离不开火箭发动机技术的追赶超越，势必将对国产高温合金原材料及制造工业提出更高要求。随着我国航天技术的不断发展，对于卫星发射的需求不断提升，我国运载火箭的发射次数也逐年提升。2021年中国航天共实施宇航发射任务55次，首次达到“50+”并再度位居世界第一。2022年中国航天全年完成发射任务64次，占世界总发射任务34%，再创历史新高。2023年中国航天全年完成发射任务67次，占世界总发射任务30%。
图表：中国航天宇航发射任务次数
数据来源：Gunter’s Space Page: Orbital Launches of 2012-2021、Russian Space Web: The 2022 spacelaunch score、Space Stats
未来随着我国工业基础逐渐升级，航天事业将有更大的发展空间，对火箭发动机的需求将进一步扩大，我国火箭发射的数量和质量将迎来广阔的发展空间，对高温合金的需求也将随之增长。
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