高温合金分类及市场空间如何？

高温合金主要按基体元素种类以及制造工艺方式进行分类。

按基体元素划分：根据《高 温合金材料学》（郭建亭，【科学】，2008 年 4 月 1 日出版），高温合金按合金的主要元素分 为铁基、镍基、钴基高温合金。2）按制造工艺方式划分：高温合金可分为变形高温合金、 铸造高温合金和新型高温合金，其中变形高温合金合金化程度较低，强化相数量较少，因 而热加工塑性较好，可连续生产，根据中研网，2024 年变形高温市场占比达 70%。铸造高 温合金是通过真空重熔直接浇铸成型的高温合金，其特点可以通过铸造工艺直接成型，主 要用于制造形状比较复杂的产品，缺点是不适合进行热加工。此外，高温合金不断发展和 演变，已发展出粉末高温合金、金属间化合物等新型高温合金。

航空发动机工作过程中的热力学循环为布雷顿循环。就喷气式发动机而言，初始状态 1 表 示大气气体状态，气体经由进气道被吸入压气机压缩的过程是 1-2 的等熵压缩过程，理想 情况下在这个阶段，空气的总熵不变，气体受压缩作用使得温度上升。气体从点 2 到点 3 是在燃烧室中进行等压加热。经过燃烧室加热后高温气体经过涡轮等熵膨胀（对应 3-4 的 循环阶段），在这个过程中推动涡轮做功，自身内能下降温度降低。分析布雷顿热力学循环 可以看出，3 点的温度越高，气体在涡轮前内能越高，在经过涡轮时膨胀做功也越多，进 而推动发动机产生更大的推力。这一点的温度也叫涡轮前温度，是航空发动机的重要设计 参数，目前喷气发动机普遍能到 1400K 以上，一些战斗机搭载的发动机涡轮前温度能到 2000K 左右，对发动机热端材料及冷却系统设计提出了巨大挑战。因此，动力领域对工作 温度要求的提升将带动相关材料的升级换代。

军机的换代伴随着高温合金的升级。第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金，核心 材料工作温度 650°C，到第四代的涡扇发动机，核心材料工作温度已经达到了 1200°C， 采用了单晶高温合金。历代军机的换代一直伴随着发动机核心材料——高温合金的升级。 高温合金的升级需要研发的支持。在航空工业的发展需求牵引下，中国高温合金先后研制 出了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世，不 断地推动航空工业向前发展。

我国空军目前正在向战略空军转型，2021-2030 年带来军机需求规模约 1.95 万亿元。当前 我国军用飞机正处于更新换代的关键时期，未来 10 年现有绝大部分老旧机型将退役，歼-10、 歼-11、歼-15、歼-16 和歼-20 等将成为空中装备主力，新一代先进机型也将有一定规模列 装，运输机、轰炸机、预警机及无人机等军机也将有较大幅度的数量增长及更新换代需要。 假设 2021-2030 年二代机全部替换为三代机，且战斗规模按机种结构达到美国的 1/2，我们 预计未来十年中国军机将有 1.95 万亿元的市场空间。结合前瞻产业研究院对 2021-2030 年 中国军机需求规模及市场空间预测情况，2030 年市场规模将达到 19508 亿元。

据前瞻产业研究院发布的研究数据，发动机占军用飞机成本的 25%，综合以上数据，我们 预测 2021-2030 年新装发动机市场规模达到 4877 亿元，年均 487.7 亿元。

按发动机生命周期费用拆分：研发、整机制造、运营维修分别占 10%、40%和 50%。航空 发动机全寿命周期要经历研发制造、采购、使用维护三个阶段。研发阶段分为设计、试验、 发动机制造、管理等环节。在全寿命周期中，研发制造、采购、维护的比例分别为 10%、 40%、50%左右。一台民用大涵道发动机使用寿命约 25 年，平均每 5 年进行一次大修，发 动机维修即对发动机部件进行检测、修理、排故、翻修及改装等，在全寿命周期中维修费 用约占 50%，与发动机本身的价值相当。考虑到“全面聚焦备战打仗”背景下训练量所增加， 以及军用航空发动机本身性能要求较高，工作环境较恶劣，因此我们预估军用航发使用寿 命约 4~5 年，使用寿命内维修 2 次。

美国军用飞机保有量是我国的 4 倍以上，我国军用飞机总量提升空间大。结合《World Airforces 2021》，按照目前我国军用飞机构成测算，截至 2020 年航空发动机保有量为 9600 台，对标美国的军用飞机 1.3 万台保有量水平，航空发动机保有量须达到 3.8 万台。

我国战斗机实际数量或略高于《World Airforces 2021》保有量数据，结合华泰军工组已发 布报告《航空发动机：国之重器，万里鹏程》（2022.9.15 发布），我们预计到 2030 年，三 代机与四代机的保有量预计在 3000 架左右，其中单发三代半机约 2000 架，双发四代机约 1000 架。根据中国产业信息网预测，2019 年军用飞机整机采购成本和生命周期内维修成 本的比例接近 1:1，我们假设：①目前存量飞机截止 2030 年平均换发 2 次且每次换发周期 中经历 2 次维修，共 4 次大修；②考虑到存量飞机旧机型占比较高，多数战机服役期满后 直接报废无须换发维修，我们假设存量飞机仅 30%需要大修；③至 2030 年增量飞机平均 换发 0.5 次：以 5 年换发 1 次计算，2025 年及之前列装的飞机到 2030 年需换发 1 次， 2025-2030 年列装的飞机到 2030 年无需换发，假设新增飞机按匀速增加，则平均换发次数 为 1/2*1+1/2*0=0.5 次, 每次换发周期中经历 2 次维修，平均约 1 次大修；④各类型飞机单 价参考国外同类型单价，发动机占军用飞机成本的 25%；⑤发动机采购费和维护保养费按 照 1:1 预估；⑥考虑换发发动机来自于备发，因此不再单独考虑备发数。

据此测算，从 2021~2030 中国军用航空发动机维修市场总规模为 7307.64 亿元，结合上文 对 2021-2030 年新装发动机市场规模 4877 亿元的预测，2021-2030 年我国军用航发市场 合计约 12184.64 亿元。 2021 年，我国主要航空主机厂中，沈飞、西飞、陕飞、洪都、中航直升机、成飞、贵飞也 总收入在 1469.50 亿元左右，考虑到西飞、沈飞、成飞之间有一定的互相配套关系，此外 各主机厂还有一部分维修业务，故在总收入的基础上乘以 80%，则航空装备采购费用在 1175.60 亿左右。根据前瞻产业研究院发布的研究数据，发动机占军用飞机成本的 25%， 则对应我国 2021 年航空发动机的市场达到 293.90 亿元。根据上文预测 2021-2030 年中国 军用航空发动机维修市场总规模为 12184.64 亿元，则对应 2022-2030 年我国军用航发市 场规模复合增速约为 29.45%。

据前瞻产业研究院发布的研究数据，发动机占军用飞机成本的 25%，材料成本占发动机成 本的 50%，而高温合金占材料成本约 35%。据此测算，从 2021~2030 年我国军用航发用 高温合金年均市场达 213.23 亿元。

高温合金整个行业具有较为明显的寡头特征，复杂的工艺决定了其成材率低、生产周期长， 具有较高的技术壁垒。同时，该行业无论是军品还是民品均涉及到产品认证问题，为该行 业构筑了天然的进入壁垒。通常研究所以及各高校的研究团队在研发出新的高温合金后， 研究团队会偕同冶金厂熔炼合金锭试验件，合金锭经锻造厂检验合格后，将被制成锻件， 锻件由零部件厂检验合格后，将进行加工变成零部件去检验。以上各检验环节由研究所主 导，待各环节检验合格后，该牌号的高温合金才可以纳入军品体系。

高温合金产业链呈现上游母合金供给以抚顺特钢为主、下游零部件需求以航发应用为主的 两端集中的格局。国内高温合金产业链包括上游母合金冶炼、中游零部件毛坯件成形（包 括重熔铸造、锻造、粉末冶金等工艺）以及下游成品零部件加工、零部件组装和设备总装。 产业链中游，根据毛坯件成形工艺不同，分为铸造、锻造、粉末冶金以及其他高温合金热 加工。产业链下游企业从事成品零部件加工、零部件组装和设备总装业务。国内航发高温 合金成品零部件加工市场壁垒高，以中国航发集团下属主机厂为主。