(一)應(yīng)用領(lǐng)域:航空 、航天、航海發(fā)動(dòng)機(jī)主力用材,我國(guó)用于軍工占比高達(dá) 80%
高溫合金應(yīng)用廣泛,全球高溫合金航空航天需求超55%,我國(guó)軍用高溫合金占比達(dá)80%。高溫合金材料最初主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,之后逐漸應(yīng)用到電力工業(yè)、汽車工業(yè)、石油石化、玻璃建材等諸多工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),全球每年消費(fèi)高溫合金材料約 28 萬(wàn)噸,其中航空航天等軍工領(lǐng)域需求占55%,民用領(lǐng)域如電力、機(jī)械、汽車、石油石化等領(lǐng)域占 45%左右;而根據(jù)文棟等 2016 年發(fā)表在《工程技術(shù)》雜志的《高溫合金材料特性及加工技術(shù)進(jìn)展》一文,我國(guó)軍用高溫合金需求占比高達(dá) 80%,而民用高溫合金需求僅占 20%。民用高溫合金占比水平相比全球水平仍有提升空間。
全球高溫合金需求中航空航天占比為55%
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我國(guó)軍工用高溫合金需求占比達(dá)80%
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1、航空發(fā)動(dòng)機(jī):高溫合金占先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總重達(dá)40~60%
(1 )高溫合金是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主體材料
美國(guó)第三代戰(zhàn)斗機(jī)典型發(fā)動(dòng)機(jī)F110-GE-129重量為3980磅(即1805.29Kg);根據(jù)師昌緒2006年主編的《中國(guó)高溫合金50年》,先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總重50 %以上;因此可估算出單臺(tái)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金用量可達(dá)902.65Kg 以上。 目前主流航空發(fā)動(dòng)機(jī)中 高壓壓氣機(jī)葉片、高壓渦輪葉片、低壓渦輪葉片和尾噴口收斂調(diào)節(jié)片基本由高溫合金制造。
(2)高溫合金的性能決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能
軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)通?梢杂闷渫浦乇龋ㄍ浦乇=發(fā)動(dòng)機(jī)推力/ 發(fā)動(dòng)機(jī)自重)綜合地評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)的水平,而渦輪前燃?xì)鉁u溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比有最直接、最顯著的影響,也成為發(fā)動(dòng)機(jī)劃代最突出的判別依據(jù)之一。
高溫合金的性能決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能
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(3 )發(fā)動(dòng)機(jī)性能制約著我國(guó)武器裝備發(fā)展,高溫合金性能差距較大是主因
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是保證國(guó)家安全、彰顯強(qiáng)國(guó)地位的航空武器裝備的“心臟”。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)空軍先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和海軍大型艦艇燃?xì)廨啓C(jī)大量依賴于進(jìn)口,國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)與美國(guó)等發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)國(guó)存在代差。如目前我國(guó)主力三代戰(zhàn)機(jī)J-11B/D采用的國(guó)產(chǎn)“太行”渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)推重比為7~8,僅相當(dāng)于美國(guó)20世紀(jì)80年代用于FA18戰(zhàn)機(jī)上的F110發(fā)動(dòng)機(jī)。目前美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)F35主要采用F135型發(fā)動(dòng)機(jī),其推重比已達(dá)10~12,而我國(guó)推重比10的WS15發(fā)動(dòng)機(jī)尚未完成定型。
(4)預(yù)計(jì)未15 年我國(guó)新增航空用高溫合金原材料需求量達(dá)22215 噸 ,40%仍依賴進(jìn)口
對(duì)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫合金的需求進(jìn)行了測(cè)算。測(cè)算的基本假設(shè)有:先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)平均壽命約3000小時(shí);我國(guó)空軍平均每年訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)約200小時(shí)以上,且每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均配一臺(tái)備份發(fā)動(dòng)機(jī);現(xiàn)有及新增軍用飛機(jī)雙發(fā)和單發(fā)飛機(jī)數(shù)量比例為1:1;單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)重量為1.5噸,高溫合金用量占比為50%,高溫合金部件平均成材率30%。
根據(jù)英國(guó)《飛行國(guó)際》雜志發(fā)布的《世界空軍》報(bào)告,我國(guó)2016年軍用飛機(jī)數(shù)量達(dá)2955架,總量落后于美國(guó)和俄羅斯,居全球第三位;我國(guó)2016年軍用飛機(jī)數(shù)量相比2011年增加357架,計(jì)算可得復(fù)合年增長(zhǎng)率為2.75%。若保持該復(fù)合年增長(zhǎng)率,預(yù)計(jì)未來(lái)15年我國(guó)將新增軍用飛機(jī)數(shù)量達(dá)1484架;诂F(xiàn)有及新增軍用飛機(jī)單發(fā)和雙發(fā)數(shù)量比例為1:1的基本假設(shè)估計(jì),未來(lái)15年我國(guó)將新增軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量達(dá)8886臺(tái),新增高溫合金原材料需求量達(dá)22215噸。
2016 年我國(guó)軍用飛機(jī)數(shù)量排名全球第三
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2011~2016 年我國(guó)軍用飛機(jī)數(shù)量及增長(zhǎng)率
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2、火箭發(fā)動(dòng)機(jī):高溫合金為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和渦輪泵主材
(1 )火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和渦輪泵關(guān)鍵用材
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)器等三大部分組成。其中燃燒室和噴管容納推進(jìn)劑燃燒,產(chǎn)生3000℃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。燃燒室和渦輪泵兩大核心部件均采用高溫合金材料。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)
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(2)預(yù)計(jì)未來(lái)15 年我國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金需求達(dá)2880 噸,已實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化
對(duì)航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫合金的需求進(jìn)行了測(cè)算。根據(jù)顧明初1998年在中國(guó)航空學(xué)會(huì)重量工程專業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)發(fā)表的《液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量》一文,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件渦輪泵質(zhì)量占發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的20~26%(下文測(cè)算時(shí)取平均值23%),燃燒室質(zhì)量占發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的1.2~3.3%(下文測(cè)算時(shí)取平均值2.3%)。我國(guó)未來(lái)主力運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào)采用的YF-100液氧-煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)質(zhì)量為1.9噸,每枚火箭采用6臺(tái)YF-100火箭發(fā)動(dòng)機(jī),則每枚火箭渦輪泵及燃燒室總質(zhì)量,即每枚長(zhǎng)征七號(hào)火箭所用高溫合金部件質(zhì)量約為2.88噸。若假設(shè)高溫合金部件成材率為30%, 則每枚長(zhǎng)征七號(hào)所需高溫合金質(zhì)量為9.6 噸。
目前我國(guó)每年航天發(fā)射次數(shù)在15至25次左右。假設(shè)未來(lái)15年我國(guó)將保持年均20次的火箭發(fā)射頻率,且均采用主力運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào), 則未來(lái)15 年內(nèi)我國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金需求量達(dá)2880
我國(guó)近年航天發(fā)射次數(shù)在15~25 次左右
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我國(guó)航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金完全國(guó)產(chǎn),但水平與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大 。目前我國(guó)火箭的國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)99%到100%,基本實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。我國(guó)航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金已經(jīng)形成了較為完善的材料體系和產(chǎn)品系列,但相較于歐美及俄羅斯等航天強(qiáng)國(guó)的先進(jìn)水平還有較大差距。