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(dòng)機(jī)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(jī)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?yàn)楹娇蘸教煊冒l(fā)動(dòng)機(jī)，占比超過50%。
在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占到發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作效率的最主要方式，要求發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度提升，因此對(duì)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(dòng)機(jī)熱端部件工作溫度超過1,000攝氏度，同時(shí)渦輪部件在高速旋轉(zhuǎn)中承受較大機(jī)械載荷，因此需要高溫合金材料在高溫下保持優(yōu)異機(jī)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(guó)擁有的各類軍用飛機(jī)（各類飛機(jī)和直升機(jī)）總數(shù)在53,401架左右，美國(guó)擁有全世界最強(qiáng)大的空中力量，截至2023年末，美國(guó)軍用飛機(jī)總數(shù)達(dá)13,209架，占世界軍用飛機(jī)總數(shù)的24.74%；俄羅斯擁有4,255架各類飛機(jī)和直升機(jī)，占世界軍用飛機(jī)總數(shù)的7.97%；我國(guó)擁有軍用飛機(jī)總數(shù)為3,304架，占世界軍用飛機(jī)總數(shù)的6.19%。
圖表：2023年各國(guó)擁有軍用飛機(jī)數(shù)量
數(shù)據(jù)來源：《World Air Forces 2024》?
我國(guó)軍用飛機(jī)數(shù)量雖然總數(shù)排名靠前，但絕對(duì)數(shù)量上同世界頂尖水平相比仍有一定差距。隨著我國(guó)周邊國(guó)家安全問題的復(fù)雜化以及我國(guó)新形勢(shì)下軍事戰(zhàn)略方針和改革強(qiáng)軍戰(zhàn)略要求，為國(guó)防工業(yè)提供重要軍工裝備的國(guó)家使命日益重要。為了滿足國(guó)防建設(shè)對(duì)航空武器裝備現(xiàn)代化提出的迫切要求，預(yù)計(jì)“十四五”期間我國(guó)軍用航空裝備市場(chǎng)總體上保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，下游軍用航空市場(chǎng)發(fā)展空間的增長(zhǎng)將帶動(dòng)上游高溫合金等材料的需求增加。同時(shí)，未來5-10年內(nèi)基于存量發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量的增加，還會(huì)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(guó)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(jì)公報(bào)》，截至2022年末，我國(guó)民航全行業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)（包含客運(yùn)飛機(jī)及貨運(yùn)飛機(jī)）期末在冊(cè)架數(shù)為4,165架，同比增長(zhǎng)2.74%。根據(jù)中國(guó)商飛發(fā)布的《中國(guó)商飛公司市場(chǎng)預(yù)測(cè)年報(bào)（2021-2040）》，預(yù)計(jì)未來20年，全球?qū)⒂谐^41,429架新機(jī)交付，中國(guó)航空市場(chǎng)將接收50座級(jí)以上客機(jī)9,084架。隨著我國(guó)民航業(yè)及制造業(yè)的發(fā)展，及民航業(yè)飛機(jī)需求的提升，中國(guó)自主研發(fā)的民航飛機(jī)（如ARJ21、C919等）也有望批量生產(chǎn)并投入運(yùn)營(yíng)，高溫合金、耐蝕合金等材料在國(guó)內(nèi)民航領(lǐng)域的市場(chǎng)也將會(huì)逐步打開。未來，隨著CR929等新一代機(jī)型的逐步研發(fā)，民用航空市場(chǎng)有望成為高溫合金材料需求的新增長(zhǎng)點(diǎn)。
2.航天領(lǐng)域
高溫合金是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件燃燒室和渦輪泵的關(guān)鍵用材。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要由燃燒室和噴管、渦輪泵和活門自動(dòng)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(gè)大氣壓的高壓氣體并高速?gòu)膰姽車姵?，形成?qiáng)大的推力；渦輪泵的作用是對(duì)氧化劑和燃燒劑提高壓力，以便注入燃燒室。
目前我國(guó)火箭基本實(shí)現(xiàn)國(guó)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(dòng)機(jī)方面同發(fā)達(dá)國(guó)家的差距仍然明顯：我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征5號(hào)助推器采用8臺(tái)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)YF100，其真空推力僅為美國(guó)宇宙神V型火箭引進(jìn)的俄羅斯RD180型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的1/3，是俄羅斯質(zhì)子號(hào)RD253火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的70%；長(zhǎng)征5號(hào)芯一級(jí)采用2臺(tái)液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)YF77，其真空推力僅為歐洲阿麗亞娜V火箭Vulcain2發(fā)動(dòng)機(jī)推力的50%，也落后于日本LE7A火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)高溫合金材料要求極高；液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)航天事業(yè)發(fā)展離不開火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的追趕超越，勢(shì)必將對(duì)國(guó)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(guó)航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于衛(wèi)星發(fā)射的需求不斷提升，我國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)射次數(shù)也逐年提升。2021年中國(guó)航天共實(shí)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)工業(yè)基礎(chǔ)逐漸升級(jí)，航天事業(yè)將有更大的發(fā)展空間，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，我國(guó)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(duì)高溫合金的需求也將隨之增長(zhǎng)。
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