1、1 敬请关注文后特别声明与免责条款 高温合金深度之一：需求篇高温合金深度之一：需求篇航空航空发动机和发动机和 燃气轮机为主体，燃气轮机为主体，需求快速增长需求快速增长 方正证券研究所证券研究报告方正证券研究所证券研究报告 行业深度报告 行业研究 国防军工行业国防军工行业 2021.12.07/推荐 重要数据：重要数据： 上市公司总家数上市公司总家数 93 总股本总股本( (亿亿股股) ) 960.53 销售收入销售收入( (亿元亿元) ) 3138.60 利润总额利润总额( (亿元亿元) ) 221.63 行业平均行业平均 PEPE 299.64 平均股价平均股价( (元元) ) 44.54

2、行业相对指数表现行业相对指数表现： -15% -7% 1% 9% 17% 2020/12 2021/3 2021/6 2021/9 国防军工沪深300 数据来源：wind 方正证券研究所 相关研究相关研究 方正军工周报 12 月第 1 周： “中国军工” 亮相埃及防务展，看好上游电子元器件企业 表现2021.12.05 方正军工周报 11 月第 4 周： 推动装备建设 再上大台阶， 上游元器件订单环比有望提升 2021.11.28 鸿远电子：军工高景气延续，公司自产业 务有望再提速2021.11.25 方正军工周报 11 月第 3 周： 东部战区列装 歼-10C， 我国军机持续更新换代 202

3、1.11.21 高温合金高温合金指能在指能在 600600以上的高温及一定应力作用下长期工作以上的高温及一定应力作用下长期工作 的一类金属材料的一类金属材料，包括镍基、铁基、钴基三类，以镍基高温合 金应用范围最广，需求量占比 80%。从制备工艺看，常用高温 合金包括变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。 变形高温合金变形高温合金的热加工塑性较好、高温强度优异，是下游应用 最为广泛的高温合金，其需求量约占高其需求量约占高温合金的温合金的 70%70%。其中， 高温合金 GH4169 对应于美国牌号 IN718，其年产量占据整个变 形高温合金总产量的 45%以上，其中美国 GE 公司所有发动机

4、产 品的关键旋转类零部件中该合金的使用达到了 70%。 铸造高温合金铸造高温合金相对于变形高温合金，合金化程度更高，用量少 而精，主要用于制备形状比较复杂的产品，其需求量约占高温其需求量约占高温 合金的合金的 2 20 0% %。按照凝固结晶组织不同，铸造高温合金分为等轴 晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金，其 使用性能和制备难度依次提高。 粉末高温合金粉末高温合金消除了偏析、改善了热加工性、提高了高温合金 的组织均匀性等指标，其需求量约占高温合金的其需求量约占高温合金的 1 10 0% %。目前， 粉末高温合金已成为高性能航空发动机涡轮盘的首选材料。 高温合金下游应用广泛，

5、以航空发动机高温合金下游应用广泛， 以航空发动机和燃气轮机应用为主体。和燃气轮机应用为主体。 在航空发动机领域，高温合金是制造其热端部件的关键材料在航空发动机领域，高温合金是制造其热端部件的关键材料， 发动机的性能在很大程度上取决于高温材料的性能。先进航空 发动机中，高温合金用量占比达发动机总重量的 40%到 60%。我 们估算， 2020 年航发动力对高温合金原材料的需求量为 2 万吨。 随着我国军机数量不断增长以及航空发动机国产化率不断提随着我国军机数量不断增长以及航空发动机国产化率不断提 升，我们预计，军用航空发动机对高温合金的需求将保持快速升，我们预计，军用航空发动机对高温合金的需求将

6、保持快速 增长；未来我国商用航空发动机增长；未来我国商用航空发动机成熟后，将对高温合金需求带成熟后，将对高温合金需求带 来进一步的增长。来进一步的增长。 燃气轮机与航空发动机燃气轮机与航空发动机结构结构相近，其涡轮盘、涡轮叶片、涡轮相近，其涡轮盘、涡轮叶片、涡轮 机匣等需要高温合金来制造。机匣等需要高温合金来制造。由于结构尺寸和工作环境不同， 燃气轮机用高温合金与航空发动机用高温合金各成体系，也有 交叉之处。燃气轮机产业水平将成为一个国家产业先进程度的 标志，在舰船动力、坦克动力和发电方面具有强烈的市场需求。 发达国家工业燃气轮机与航空发动机的销售额比例为 2：3，目 前我国发动机行业工业燃气

7、轮机的比例还很小。 此外，高温合金的下游应用领域还包括汽车涡轮增压器、核工 业、导弹以及石化冶金等领域。 展望未来，展望未来，航航空航天空航天需求需求放量与制造业转型升级放量与制造业转型升级是是推动高温合推动高温合 金需求金需求快速快速增长增长的主要因素的主要因素。仅考虑国内航空发动机、燃气轮 2 国防军工行业-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 机、冶金化工、汽车涡轮增压等需求，我国对高温合金的年需 求量就已超过 3 万吨。随着“十四五”我国航空发动机等军品 不断放量、燃气轮机国产化并批量生产等，国内高温合金需求 量有望保持较快增长。同时，高温合金产业发展也呈现材料国 产化率提升、

8、材料利用率提升以及返回料应用加强等方面的需 求。 风险提示：航空发动机增速不及预期；燃气轮机研发批产不及 预期；代替高温合金的新材料发展速度超出预期等。 gYjWaXmUbYdWyQyQuMxPbR8Q7NsQqQmOpOlOpOnPeRoOzQ7NrRxOxNsPrQvPmMqO 3 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 目录目录 1 高温合金分类与用途 . 5 1.1 变形高温合金：需求量最大，应用广泛. 5 1.2 铸造高温合金：合金化程度更高，用量少而精 . 6 1.3 粉末高温合金：主要用于高压涡轮盘等. 10 1.4 其他高温材料 . 10 2 高温合金下游应用广

9、泛，航空发动机、燃气轮机为主体 . 11 2.1 航空发动机：高温合金最主要的需求 . 12 2.1.1 航空发动机热端部件对高温合金的需求各不相同 . 12 2.1.2 航空发动机对高温合金材料的需求估算 . 16 2.2 燃气轮机：国产化任重道远，未来对高温合金需求有望快速提升 . 17 2.3 其他领域 . 18 2.3.1 汽车涡轮增压器 . 18 2.3.2 核工业 . 19 2.3.3 导弹 . 20 2.3.4 石化冶金 . 21 3 国内高温合金需求驱动因素：产业升级叠加国产替代 . 22 4 风险分析 . 23 4 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表

10、目录图表目录 图表 1： 高温合金种类及其市场份额 . 5 图表 2： 典型变形高温合金牌号及元素含量 . 6 图表 3： 我国主要铸造高温合金牌号及相应的研制单位 . 7 图表 4： 典型等轴晶高温合金牌号及用途 . 7 图表 5： 我国典型定向凝固高温合金牌号及用途. 8 图表 6： 全球 1-6 代铸造单晶高温合金主要产品 . 9 图表 7： 我国单晶高温合金牌号 . 10 图表 8： 粉末高温合金牌号 . 10 图表 9： 高温合金的应用领域 . 12 图表 10： 航空发动机材料结构演变 . 12 图表 11： 航空发动机中关键热端承力部件（左图红色部分）为高温合金 . 13 图表

11、12： 我国航空发动机燃烧室合金发展历程. 13 图表 13： 粉末高温合金在发动机中的应用 . 14 图表 14： 航空发动机环形锻件 . 15 图表 15： 涡喷发动机加力燃烧室示意图 . 15 图表 16： 航发动力近年航空发动机业务营收及毛利率 . 16 图表 17： 航发动力航空发动机业务营业成本及高温合金成本 . 16 图表 18： 一个 IGT 第一级叶轮锻件和一个典型航空发动机涡轮盘的尺寸比较 . 17 图表 19： K418 合金增压器涡轮外形 . 19 图表 20： 核电站蒸发器“U”形管. 19 图表 21： 小型弹用涡轮发动机代表产品 . 20 图表 22： 典型弹用涡

12、轮发动机结构 . 21 图表 23： 石化冶金中高温合金的应用 . 22 5 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 1 高温合金分类与用途高温合金分类与用途 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在 600以上的高温及一定应力 作用下长期工作的一类金属材料，其具有优异的高温强度、良好的抗 氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能，又被 称为“超合金” 。 高温合金按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基 高温合金。镍基高温合金的应用范围较广，需求量约占高温合金的镍基高温合金的应用范围较广，需求量约占高温合金的 80%。 高温合金按制备工艺可分为变形高温合金

13、、铸造高温合金和粉末冶金 高温合金，其中，变形高温合金约占高温合金总需求的变形高温合金约占高温合金总需求的 70%,铸造高铸造高 温合金约占温合金约占 20%，粉末高温合金约占，粉末高温合金约占 10%。 图表1： 高温合金种类及其市场份额 70% 20% 10% 变形高温合金变形高温合金铸造高温合金铸造高温合金粉末高温合金粉末高温合金 80.0% 14.3% 5.7% 镍基镍基铁基铁基钴基钴基 资料来源：隆达股份招股说明书，方正证券研究所 1.1 变形高温合金变形高温合金：需求量最大，应用广泛：需求量最大，应用广泛 变形高温合金的热加工塑性较好，可以在锻轧机械的外力作用下塑性 变形为特定形状

14、和尺寸的锻件和型材，在固溶、时效状态下的高温强 度优异，其需求量约占高温合金的 70%，在航空、航天、核工程、能 源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域应用广泛。 不同的变形高温合金牌号对应的化学成分存在差异，针对航空航天、 舰船、能源电力、燃气轮机、石油石化等不同用途，其所侧重的使用 性能也不同，主要的性能要求有高温热稳定性能、抗疲劳蠕变性能、 抗腐蚀性能、力学及机械加工性能等。国内最为常用的变形高温合金 牌号包括 GH4169、GH4738、GH4720Li、GH4065、GH2674、GH4049 等。 GH4169 对应于美国著名的 IN718 合金，该合金具有较好的高温力学 性能、良

15、好的热工艺和焊接性能，目前在航空发动机涡轮盘、叶片、 石油管道、核工业结构件等领域得到广泛应用，年产量占据整个变形 高温合金总产量的 45%以上，其中美国 GE 公司所有发动机产品的关 键旋转类零部件中该合金的使用达到了 70%。 GH4738 高温合金的国外牌号为 Waspaloy，该合金产生于 20 世纪 50 年代，使用温度可达到 815，该合金的组织稳定、综合性能良好、 具备良好的强韧性和耐蚀性，适合在高温条件下服役，在航空、化工 6 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 和石化装备中有着广泛的应用，特别适合于制造动力装置燃气轮机的 涡轮盘、环件及涡轮叶片。随着航空发

16、动机涡轮温度的提高，以 GH4169 高温合金作为主干材料的部分机匣环件难以承受过高的温 度，而 GH4738 高温合金作为可承受更高温度的高温合金材料成为机 匣环件的优先选择。 GH4720Li 合金作为一种高强镍基铸锻高温合金，在设计之初即考虑 将其用于制备发动机涡轮盘、叶片类锻件，与 GH4169 合金相比， GH4720Li 合金的长期服役温度可达 750，在 650-750时具有更高 的强度和优异的持久及蠕变性能。 图表2： 典型变形高温合金牌号及元素含量 资料来源： 高温合金材料学 ，方正证券研究所 1.2 铸造高温合金铸造高温合金：合金化程度更高，用量少而精合金化程度更高，用量少

17、而精 铸造高温合金是合金原材料经过精炼后形成成分精确的母合金，然后 再通过真空重熔浇铸成型的一种高温合金。相对变形高温合金，使用 温度和强度更高，合金化程度也更高，用量少而精，主要用于制备形 状比较复杂的产品。 铸造高温合金按照凝固结晶组织不同，还可以分为等轴晶铸造高温合 金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金，其使用性能和制备难度 依次提高。 北京航空材料研究院研制的铸造高温合金约占全国铸造高温合金总 牌号的一半，成为我国铸造高温合金系列的主体部分，其中 K401 合 金是在 1958 年由张祖谦等人在苏联专家格兹吉扬和我国著名铸造专 家荣科的指导下开始研制的我国第一个镍基铸造高温合金，用于

18、当时 的 WP6 发动机制作涡轮导向叶片，开创了我国研究铸造高温合金的 历史。其他铸造高温合金研制单位还包括钢铁研究总院、中科院金属 所、上海钢铁研究所等。 7 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表3： 我国主要铸造高温合金牌号及相应的研制单位 类型类型 合金牌号合金牌号 研制单位研制单位 等轴晶合金 K401、K403、K405、K406、K406C、K419、K825、K477、K4022 K418、K418B、K423、K423A、K424、K480、K213、K4169 K417、K417G、K438、K438G、K441、K491、K417L K409、K64

19、0 北京航空材料研究院 冶金部钢铁研究总院 中国科学院金属研究所 上海钢铁研究所 定向凝固合金 DZ4、DZ5、DZ22、DZ22B、DZ125 DZ17G、DZ40M、DZ38C、DZ125L 北京航空材料研究院 中国科学院金属研究所 单晶合金 DD3、DD4、DD6 DD402 DD8 北京航空材料研究院 冶金部钢铁研究总院 中国科学院金属研究所 资料来源： 航空发动机高温材料的研究现状及展望 ，方正证券研究所 等轴晶铸造高温合金等轴晶铸造高温合金指用传统的熔模铸造方法制备铸件的高温合金， 其晶粒组织为等轴晶，具有制造成本低、中低温力学性能优异等优 点，被广泛应用于航空、航天等领域，可在-

20、2351050使用，常 用于制作航空发动机扩压器和机匣等大型复杂结构件、整铸涡轮、导 向器、导向和涡轮叶片及航天火箭发动机涡轮泵等相关部件，结构复结构复 杂化、尺寸精确化和薄壁轻量化是其发展趋势杂化、尺寸精确化和薄壁轻量化是其发展趋势。 K418 合金是用量合金是用量较大较大的铸造高温合金的铸造高温合金，已广泛应用于制作航空、地 面和海上燃气轮机涡轮工作叶片、导向叶片和整铸涡轮，航天弹用发 动机的整铸涡轮转子和导向器，以及柴油机和汽油机增压涡轮。 K4169 合金由变形高温合金 GH4169 发展而来，具有含铌、铁量高的 显著特点，在很宽的中低温度范围（-253650）具有较高的强度、 塑性、

21、优良的耐腐蚀性、耐辐射性以及良好的焊接性能。 图表4： 典型等轴晶高温合金牌号及用途 牌号牌号 用途用途 K4169 该合金已用于制作航空发动机的整铸扩压器机匣和承力环。此外，航天大推力发动机采用该合金制作泵体机匣 等铸件，已批量生产。与本合金类似的 Inconel718C 合金在国外广泛用作各种航空发动机机匣和航天发动机的涡 轮泵壳体等大型结构铸件。 K491 K491 合金是低碳高硼铸造高温合金，有良好的组织稳定性和良好的铸造工艺性能，适合制作 850以下的涡轮 增压器叶片及其他高温零件。该合金用作涡轮增压器叶片，已生产数十万片，装增压器数千台。 K477 K477 是以美国 Rene77

22、 合金为基础研制的镍基铸造高温合金，含有较多的铬和钴。合金具有强度和塑性高、组 织稳定、铸造工艺性能好等特点。适合于制作 900以下工作的航空燃气涡轮外环等高温零件。用该合金生产的 某航空发动机铸造涡轮外环，已投入生产。 K438 耐热腐蚀性能最好的铸造镍基高温合金之一，成分和性能与国外广泛应用的 IN738 相当。广泛用干 900以下工 作的长寿命的舰船和地面工业燃气轮机的涡轮工作叶片和导向叶片，也可作航空发动机的涡轮零件。该合金已 通过国家鉴定，并在几家工厂正式投产，制造了几万片涡轮叶片，投入使用。航空发动机改为舰用和陆用时， 亦选用该合金制作涡轮工作叶片和导向叶片。 资料来源： 中国航空

23、材料手册（第2卷） ，方正证券研究所 定向凝固高温合金定向凝固高温合金是通过定向凝固技术制备出晶界平行于主应力轴 从而消除有害横向晶界的柱状晶高温合金（DS 或 DZ 合金） 。定向凝 固工艺始于 20 世纪 60 年代中期，美国 P&W 公司发明了这一工艺并 用于生产镍基合金柱晶涡轮叶片，可提高叶片工作温度约 50。 我国定向凝固柱晶高温合金的研制始于 20 世纪 70 年代，目前已研制 8 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 和生产了多种定向凝固柱晶合金，并在多种型号的发动机上使用。定 向空心无余量复杂型腔的涡轮叶片已在先进航空发动机上使用。 按原有普通铸造合金成分，与

24、定向凝固技术相结合而发展的合金，例 如 DZ3、DZ5 等，分别是在普通铸造高温合金 K403 和 K405 合金基 础上， 采用定向凝固技术研制而成的定向凝固镍基铸造高温合金。 DZ3 合金与普通铸造合金 K403 比， 750850的拉伸塑性提高 23 倍， 持 久强度提高 60130MPa，热疲劳寿命提高近 100 倍。 在使用过程中发现问题后调整成分研制而成的合金， 如 DZ4 合金， 是 在 DZ3 用于薄壁叶片在铸造过程中暴露出较严重热裂倾向后， 根据合 金化原理和凝固理论，综合考虑合金强度、可铸性、组织稳定性、抗 腐蚀性等因素，重新研制的合金。 DZ22、DZ002、DZ125、

25、DZ17G 等合金是仿制合金，其中 DZ22 合金 化学成分和力学性能水平与美国广泛应用于先进航空发动机的高强 度定向合金 PWA1422 大致相当，该合金已经投入批量生产。DZ125 合金是仿美国第一代定向凝固高温合金 DS Ren 125 合金，是当前性 能水平最高的定向凝固高温合金之一，合金具有良好中、高温综合性 能、优异的热疲劳性能。 DZ6 合金是我国新研制的第二代定向凝固高温合金，其拉伸性能、持久 性能达国外第一代单晶和第二代定向合金性能水平，合金有良好铸造性 能，可用于制造不同尺寸的定向空心涡轮叶片。 图表5： 我国典型定向凝固高温合金牌号及用途 牌号牌号 用途用途 DZ4 我国

26、目前性能水平最高的定向凝固镍基高温合金之一，具有良好的综合性能和可铸性，可铸成壁厚小至 0.5mm 的带有复杂内腔的无余量定向凝固叶片。 适合于制作在 1000以下工作的燃气涡轮转子叶片和 1050以下工作 的导向叶片以及其他高温零件。 DZ17G 在 K417G 合金基础上发展的一种密度较低的定向凝固镍基高温合金，其中温强度高、蠕变性能好、塑性较高、 组织稳定而且价格较低。适用于制作 980以下工作的长寿命燃气涡轮转子叶片长寿命燃气涡轮转子叶片和导向叶片导向叶片及其他高温用零件。 用该合金生产的航空发动机低压一、二级定向凝固涡轮叶片低压一、二级定向凝固涡轮叶片，已通过台架试车，并投入批量生产

27、。 DZ22 我国性能水平最高的定向凝固镍基高温合金之一，可铸成壁厚小至 0.5mm 的带有复杂内腔的无余量定向凝固叶 片，合金成本较高，适合于制作在 1000以下工作的燃气涡轮转子叶片和 1050以下工作的导向叶片以及其他 高温零件。已用该合金制成多种发动机的涡轮叶片，并成功地进行台架试车和试飞；已成批生产某航空发动机 涡轮转子叶片。 DZ125 我国目前性能水平最高的定向凝固镍基铸造高温合金之一，可铸成壁厚小至 0.6mm 的带有复杂内腔的无余量定 向凝固叶片，合金成本较高，适合于制作在 1000以下工作的燃气涡轮转子叶片和 1050以下工作的导向叶片 以及其他高温零件，已用该合金批量生产

28、某发动机的高压涡轮叶片某发动机的高压涡轮叶片，并已进行台架试车和试飞考核。 资料来源： 中国航空材料手册（第2卷） ，方正证券研究所 单晶高温合金单晶高温合金是采用定向凝固和选晶(籽晶)技术制造的具有单一柱状 晶组织的铸造高温合金，柱晶和单晶高温合金的生产难度大，但可有 效提升发动机叶片的服役性能。单晶叶片配合有效的防护涂层，可使 航空发动机推重比达到 10。 目前先进发动机涡轮叶片均采用单晶高温 合金。 9 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表6： 全球 1-6 代铸造单晶高温合金主要产品 类别 合金名称 国别 主要元素含量/质量分数 Co Cr Mo W Ti Al

29、 Ta Re Ru Ni 第一代 PWA1480 美国 5.0 10.0 - 4.0 1.5 5.0 12.0 - - Bal. ReneN4 美国 8.0 9.0 2.0 6.0 3.7 4.2 4.0 - - AM1 法国 6.0 8.0 2.0 6.0 1.2 5.2 9.0 - - AM3 法国 6.0 8.0 2.0 5.0 2.0 6.0 4.0 - - SRR99 英国 5.0 8.0 - 10.0 2.2 5.5 3.0 - - RR2000 英国 10.0 15.0 3.0 - 4.0 5.5 - - - CMSX-2 美国 4.6 8.0 0.6 8.0 1.0 5.6 9

30、.0 - - CMSX-3 美国 5.0 8.0 0.6 8.0 1.0 5.6 6.0 - - CMSX-6 美国 6.0 10.0 3.0 - 4.7 4.8 2.0 - - DD3 中国 5.0 9.5 3.8 5.2 2.1 5.9 - - - DD8 中国 8.5 16.0 - 6.0 3.8 2.1 - - - 第二代 PWA1484 美国 10.0 5.0 2.0 6.0 - 5.6 9.0 3.0 - Bal. ReneN5 英国 8.0 7.0 2.0 5.0 - 6.2 7.0 3.0 - CMSX-4 美国 9.0 6.5 0.6 6.0 1.0 5.6 6.5 3.0

31、- SC180 美国 10.0 5.0 2.0 5.0 1.0 5.2 8.5 3.0 - MC2 法国 5.0 8.0 2.0 8.0 1.5 5.0 6.0 - - 第三代 ReneN6 美国 12.5 4.2 1.4 6.0 - 5.8 7.2 5.4 - Bal. CMSX-10 美国 3.0 2.0 0.4 5.0 0.2 5.7 8.0 6.0 - TMS-75 日本 12.0 3.0 2.0 6.0 - 6.0 6.0 5.0 - 第四代 TMS-138 日本 5.8 3.2 2.9 5.9 - 5.8 5.6 5.0 2.0 Bal. MC-NG 法国 - 4.0 5.0 1.

32、0 0.5 6.0 5.0 4.0 4.0 PWA1497 美国 16.5 2.0 2.0 6.0 - 5.55 8.25 5.95 3.0 第五代 TMS-162 日本 5.8 3.0 3.9 5.8 - 5.8 5.6 4.9 6.0 Bal. TMS-196 日本 5.6 4.6 2.4 5.0 - 5.6 5.6 6.4 5.0 第六代 TMS-238 日本 6.54 4.6 1.1 4.0 - 5.9 7.6 6.4 5.0 Bal. 资料来源： 铼在镍基单晶高温合金中的作用 ，方正证券研究所 我国也研制成功一系列单晶高温合金，并获得实际应用。其中，北京 航空材料研究院于 20 世纪

33、 80 年代研制成功我国第一个用于航空发动 机的 DD3 单晶高温合金，该合金具有国外第一代单晶高温合金的性该合金具有国外第一代单晶高温合金的性 能水平能水平。随后，钢铁研究总院研制的 DD402 单晶叶片在某航空发动 机上得到了挂片试飞考核。中国科学院金属研究所研制了我国第一个 抗腐蚀单晶高温合金 DD8，用作舰艇发动机涡轮叶片材料，用作舰艇发动机涡轮叶片材料。钢铁研究 总院研制的 DD407 单晶叶片通过了某航空发动机的试车考核/飞行考 核/设计定型技术鉴定。 另外，采用合金设计法与试验研究相结合研制的相当于国外第二代单 晶合金水平的 DD6 合金，也取得了可喜进展，已被选用作为先进航 1

34、0 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 空发动机的高压涡轮叶片材料。 21 世纪初，北京航空材料研究院研制了第三代单晶高温合金 DD9 与 DD10，DD9 合金的力学性能与国外第三代单晶高温合金 CMSX-10 和 TMS-75 的力学性能相当，并开始探索第四代单晶高温合金。 图表7： 我国单晶高温合金牌号 类别类别 牌号牌号 第一代单晶高温合金 DD3、DD8、DD402、DD407 第二代单晶高温合金 DD5、DD6 第三代单晶高温合金 DD9、DD10 资料来源： 航空材料技术 ，方正证券研究所 1.3 粉末高温合金粉末高温合金：主要用于高压涡轮盘等：主要用于高压涡

35、轮盘等 粉末高温合金是一种新型高温合金，一般是将高合金化、难变形的高 温合金用各种方法制成粉末，然后采用热等静压或热挤压等方法进一 步制成坯料，最后制成涡轮盘等零件的工艺。粉末高温合金消除了偏 析，改善了热加工性，提高了高温合金的组织均匀性等指标。目前， 粉末高温合金已成为高性能航空发动机涡轮盘的首选材料。 我国粉末高温合金的研究起步于 20 世纪 70 年代后期，在后续的发展 过程中，根据国家型号需求，陆续开展了 FGH95 合金、FGH96 合金、 FGH97 合金、FGH98 合金和 FGH9l 合金的研制。 FGH95 的最高使用温度为 650，主要用于制备发动机的涡轮盘挡板 以及直升

36、机用涡轮盘和导流盘等小尺寸盘件， FGH95 是我国第一个获 得应用的粉末高温合金。FGH96 的强度比 FGH95 合金略低，但裂纹 扩展速率更低，使用温度为 750，是制备先进发动机涡轮盘等热端 部件的关键材料。FGH97 合金具有高持久强度、高蠕变抗力、低裂纹 扩展速率等优点，使用温度为 750，是制备先进发动机涡轮盘、轴、 环类件等热端部件的关键材料。 针对国内发动机需求，国内开展了第三代粉末高温合金的研制工作， 研制的合金包括钢铁研究总院的 FGH98 合金、北京科技大学与钢铁 研究总院合作研制的 FGH98I、北京航空材料研究院的 FGH99 合金。 与美国相比，国内第三代粉末高温

37、合金研制工作尚属于起步阶段。 图表8： 粉末高温合金牌号 牌号牌号 特点特点 FGH95 第一代粉末冶金高温合金，在 650使用条件下强度水平最 高的粉末冶金高温合金 FGH96 使用温度为 750，强度较 FGH95 略低，但抗裂纹扩展能力 较 FGH95 提高 FGH97 一种镍基 相沉淀强化型粉末冶金高温合金，使用温度为 750 资料来源： 粉末高温合金研究进展 ，方正证券研究所 1.4 其他高温其他高温材料材料 金属间化合物金属间化合物是指金属元素之间或金属元素与类金属元素之间，通过 11 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 共价键形成的化合物，具有优异的耐高温、抗

38、氧化、耐磨损性能。与 陶瓷材料相比，虽然其耐温性不如陶瓷材料，但具有比陶瓷材料更加 优异的导热性能。金属间化合物种类很多，目前研究应用较多的有 Ti-Al 系、Ni-Al 系、Fe-Al 系、Ni-Si 系等，其中以 Ti-Al 系金属间化 合物的应用研究最为广泛。 ODS 高温合金高温合金是采用独特的机械合金化（MA）工艺，使高温下超稳 定的超细氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中，而形成的一种 特殊高温合金。ODS 高温合金使用温度在 10001350，可用于制造 航空航天发动机关键部件，也可用于制造火力发电系统、煤转化系统 （煤气化炉） 、工业燃气轮机和工业锅炉、玻璃制造、工业加热炉、

39、 汽车柴油发动机、核反应堆等方面的关键材料。由于 ODS 高温合金 具有良好的高温性能，已成为制作先进航空发动机的一种重要材料， 固溶强化型 ODS 合金可以用于燃烧室、加力燃烧室等高温低应力部 件，其中有些还可用做导向叶片，沉淀强化型 ODS 合金可用做涡轮 叶片和导向叶片，用做低应力部件时，ODS 合金可工作在 1300以 上，用做高应力部件时，最高工作温度可达 1200。 连续纤维增强陶瓷基复合材料连续纤维增强陶瓷基复合材料，这种材料通过陶瓷或碳纤维增强，能 够使裂纹在基体开裂过程中发生偏转，或者通过纤维拔出、断裂等方 式来消耗形变能，从而提高材料的塑韧性。目前处于研发或应用的连 续纤维

40、增强陶瓷基复合材料主要有碳纤维/碳化硅基(C/SiC)、碳纤维/ 氮化硅基(C/Si3N4)、碳化硅纤维/碳化硅基(SiC/SiC)、碳化硅纤维/氧 化铝基(SiC/Al2O3)、碳纤维/氧化铝基(C/Al2O3)等。 碳碳/碳复合材料碳复合材料是一种新型的高温材料，在高温下具有优良的力学性 能。特别是其力学性能随温度升高而升高。将碳/碳复合材料应用于航 空发动机将产生以下几个效应：1)发动机减重，提高发动机推重比/ 功重比；2)提高热端部件工作温度，提高发动机热效率；3)减少冷空 气的使用，提高发动机效率。近年来，碳/碳复合材料已经逐步地应用 于航空发动机部件：美国 LTV 公司已经生产出碳

41、/碳复合材料整体涡 轮叶盘，并已经完成了地面超转试验。美国 F100 航空发动机的喷嘴 和加力燃烧室喷管是用碳/碳复合材料制造的。此外，俄罗斯、德国、 法国也已经制造出碳/碳复合材料的涡轮转子外环、喷油杆等部件。 2 高温合金高温合金下游应用广泛下游应用广泛，航空，航空发动机发动机、燃气轮机、燃气轮机为为主体主体 高温合金材料最初主要应用于航空航天领域，由于其有优良的耐高 温、耐腐蚀等性能，逐渐被应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原 子能等工业领域，从而大大的拓展了高温合金材料的应用领域。随着 高温合金材料的发展，新型高温合金材料的出现，高温合金的市场需 求处于逐步扩大和增长状态。 当前，全球

42、每年高温合金需求约 28 万吨，被广泛应用于航空航天、 舰船、兵器、核电、超超临界火力发电、工业燃气轮机及石化等领域， 其中航空航天领域用量最大，占总需求量的 55，其次是工业燃气轮 机（20%）和舰船（10%）等。 12 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表9： 高温合金的应用领域 资料来源：钢研高纳招股说明书，方正证券研究所 2.1 航空发动机航空发动机：高温合金最主要的需求：高温合金最主要的需求 2.1.1 航空发动机航空发动机热端部件热端部件对对高温合金高温合金的需求的需求各不相同各不相同 高温合金材料属于航空航天材料中的重要成员，是制造航空航天发动 机的重要材

43、料。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。高温合金是制造航空航天发动机热端部件的关键材料， 在先进的航空发动机中， 高温合金用量占发动机总重量的高温合金用量占发动机总重量的 40%60%。 图表10： 航空发动机材料结构演变 资料来源： 航空材料技术 ，方正证券研究所 高温合金高温合金主要用于主要用于航空发动机航空发动机四大热端部件：四大热端部件：燃烧室、导向器、涡轮燃烧室、导向器、涡轮 叶片和涡轮盘叶片和涡轮盘，此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部 件。 13 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表11： 航

44、空发动机中关键热端承力部件（左图红色部分）为高温合金 资料来源：钢研高纳招股说明书，方正证券研究所 （1）燃烧室）燃烧室：以变形高温合金为：以变形高温合金为主主 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高达 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。关键的是变形高温

45、合金。 图表12： 我国航空发动机燃烧室合金发展历程 资料来源： 中国变形高温合金研制进展 ，方正证券研究所 （2）涡轮叶片和导向叶片）涡轮叶片和导向叶片：定向晶、定向晶、单晶单晶铸造铸造高温合金为主高温合金为主 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，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。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。涡轮叶片和导向叶片一般采用定向晶、单涡轮叶片和导向叶片一般采用定向晶、单 晶高温合金晶高温合金。 相比于民用航空发动机，军用航空发动机涡轮级数更少，例如 PW 公 司提供给 F-

46、22 战机的 F119 发动机，仅有 1 级高压涡轮和 1 级低压涡 轮。以每级各需要 100 片涡轮叶片和导向叶片估算，单台航空发动机 所需涡轮叶片和导向叶片共约 400 片。 （3）涡轮盘）涡轮盘与高压压气机盘与高压压气机盘：变形高温合金：变形高温合金、粉末高温合金并存、粉末高温合金并存 涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大。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 14 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 要转动部件，工作温度一般轮缘为 550-750，轮心为 300左右， 径向的热应力较大，此外，盘件质量重达几十至上百千克，且带着叶 片旋转，要承受

47、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 末高温合金末高温合金。涡轮盘常用变形高温合金包括 GH4133A、GH4133B、 GH4169 等。 随着镍基高温合金成分日趋复杂、零件尺寸不断增大，传统的高合金 化镍基高温合金涡轮盘材料合金中偏析严重，组织不均匀，热工艺性 能恶化，常规铸造和变形工艺都无法满足新型发动机对盘件的需要， 利用粉末冶金技术生产高温合金，可以使合金晶粒细小、偏析轻、成 分均匀、性能大幅提高。特别是随着高温合金成分日趋复杂

48、、零件尺特别是随着高温合金成分日趋复杂、零件尺 寸不断增大，粉末冶金高温合金显示出更大的优越性，是先进航空发寸不断增大，粉末冶金高温合金显示出更大的优越性，是先进航空发 动机高压涡轮盘等关键热端部件的优选材料动机高压涡轮盘等关键热端部件的优选材料。 普惠公司于 1972 年将 IN100 粉末高温合金制备的压气机盘和涡轮盘 等 11 个部件用于 F-100 发动机，装备在 F-15 和 F-16 战斗机上，从此 粉末高温合金进入了实际应用阶段。粉末涡轮盘的使用是先进航空发 动机的重要标志。 图表13： 粉末高温合金在发动机中的应用 材料牌号材料牌号 发动机型号发动机型号 零件名称零件名称 使用

49、温度使用温度 IN100 F100-PW-100 F119-PW-100 9、11、13 级压气机盘，压气机隔环，涡轮盘，涡轮隔环 6、7、8、9 级整体叶盘 - Rene95 F101-GE-100 F110-GE-100 F110-GE-129 F404-GE-400 T700-GE-700 4-9 级高压压气机盘，压气机轴，高低压涡轮盘 高压涡轮盘 压气机盘 高压压气机盘，高低压涡轮盘 涡轮盘 650 Rene88DT F110-GE-129 CF6-80E CFM56-5C2 GE90 压气机盘、涡轮盘 高压涡轮盘 高压涡轮盘 压气机 9 级盘、高压涡轮盘 750 U720 GE90

50、T800，T406 10 级压气机盘 - ME3 GP7200 涡轮盘等 732 资料来源： 先进航空发动机涡轮盘用FGH98合金组织与性能研究 ，方正证券研究所 涡轮盘用高温合金占发动机总质量的 5%到 20%，以单个航空发动机 重量 1500kg、涡轮盘用变形高温合金占比 10%计算，涡轮盘重量为 150kg。假设在生产制造过程中，变形高温合金材料利用率为 10%， 则单台航空发动机用于制造涡轮盘的变形高温合金棒材需求达 1500kg。 （4）涡轮机匣）涡轮机匣、环件等结构件、环件等结构件：变形和铸造高温合金并存：变形和铸造高温合金并存 涡轮机匣是航空发动机的承力构件，具有传递相邻部件负荷