1. 高溫合金-為高溫而生
傳統鋼鐵在 300 攝氏度以上會軟化，無法適應高溫環境。為了追求更高的能量轉化效率， 熱機動力領域需要的工作溫度越來越高。高溫合金因此孕育而生，在 600 攝氏度以上的高 溫環境中還可以穩定工作，並不斷進步。
1.1. 動力用高溫合金-理論效率只與溫度有關
熱機是目前人類幾乎最重要的動力來源。熱機可將燃料的化學能轉化成內能再轉化成機械 能。高溫合金可應用於汽輪機、渦輪機、噴氣發動機等熱機。
熱力學第二定律指出所有熱機的熱效率均有一個上限值。熱效率的上限和熱機輸入熱的溫 度（熱源溫度）及熱機的環境溫度（冷源溫度）有關。我們可以用卡諾循環來表示理想的 熱機循環熱效率。
在卡諾循環中，當吸熱量為 Q1,放熱量為 Q2時，循環所作淨功為 W0=Q1-Q2，根據卡諾循 環的熱熵曲線可得卡諾循環的熱效率為：η=1-T2/T1
由此可以看出，熱機的輸入熱源溫度越高，熱機工作效率越高。因此，動力領域對工作溫 度要求的提升將帶動相關材料的升級換代。
航空發動機渦輪入口溫度需要不斷提高。噴口溫度從 1300K 提升到 1610K 時，渦輪輸出效 率可從 46.40%提升到 51.60%。這要求高溫合金的升級換代，同時原來那些可以使用合金鋼 的零件，如壓氣機盤和葉片等，也需要使用高溫合金。
隨著航空發動的發展，高溫合金的製備工藝也經歷了變形高溫合金-鑄造高溫合金-定向凝 固柱晶合金-單晶高溫合金的升級，工作溫度也不斷提高。
煤電機組升級需要大量高溫合金。中國是世界上最大的燃煤國，目前火電機組有相當多的 部分為超高壓、高壓蒸汽參數機組。而發展超臨界和超超臨界機組是提高煤炭利用率，降 低環境汙染的有效而經濟的途徑之一。
由表 1 可見，隨著蒸汽溫度的不斷提高，機組效率不斷增大，供電耗煤不斷降低。現在國 內鍋爐過熱器或再熱器管材用高溫合金主要為 GH2984、Inconel 740、Inconel 617、Nimonic 263、Inconel 625 等。隨著對機組效率需求的提升，為提高蒸汽溫度，高溫合金在煤電領 域的需求量將逐漸提高。
核工業用高溫合金主要指反應堆用高溫合金。高溫合金主要用作水堆蒸汽發生器傳熱管， 元件格架和壓緊彈簧以及高溫氣冷堆和部分快堆的過熱器與再熱器傳熱管等零部件。
高溫合金也向其他領域擴散。動力領域對效率的追求不斷刺激高溫合金的進步，同時高溫 合金也向其他需要高溫環境的領域不斷擴散。
1.2. 化工領域-反應效率需要高溫環境
石油工業離不開高溫合金。石油化學工業的揮髮油的水蒸氣改質爐，其操作的工作溫度超 過 950°C；乙烯分解爐要在超過 1050°C 的條件下進行作業。這些反應爐設備需使用 Incoloy800 等高溫合金。
裂解爐管在 1000°C 以上高溫長時間工作，又處於腐蝕性介質氣氛下，目前世界各國主要 採用高鉻鎳合金並通過離心鑄造法生產。
冶金工業生產過程中的熱處理、加熱爐、軋鋼、煉鋼、測量等均離不開高溫過程，因此不 少冶金設備接觸高溫的部件就需要採用高溫合金。
對動力效率的追求，帶來高溫合金的不斷發展，也帶來高溫合金需求的不斷增加。
2. 高溫合金的分類與發展
高溫合金按合金的主要元素分為鐵基高溫合金、鎳基。鎳基高溫合金佔比最高 80%，鐵基 高溫合金佔 14.3%，鈷基高溫合金佔 5.7%。
2.1. 鐵基高溫合金：我國高溫合金體系的一大特色
中國正式生產的鐵基高溫合金達 20 多種，約佔我國高溫合金牌號總數的 17%。
由於我國資源缺鎳少鈷，又有國外的封鎖，鐵基高溫合金的研製、生產和應用成為六七十 年代的一道絢麗的風景線。根據黃乾堯的《高溫合金-特殊鋼叢書》，至 70 年代初，我國 研製生產的鐵基高溫合金牌號達 33 個，其中我國獨創的達 18 種之多。大量應用至今的有 GH1140、GH2135、GH35A 和 K213 等 4 種合金。
鐵基高溫合金使用溫度較低（600~850℃），一般用於發動機中工作溫度較低的部位，如 渦輪盤、機匣和軸等零件。但鐵基高溫合金中溫力學性能良好，與同類鎳基合金相當或更 優，加之價格便宜，熱加工變形容易，所以鐵基合金至今仍作為渦輪盤和渦輪葉片等材料 在中溫領域廣泛使用。
2.2. 鎳基高溫合金：變形/鑄造/新型合金逐代升級
鎳基高溫合金一般在 600℃以上承受一定應力的條件下工作，它不但有良好的高溫抗氧化 和抗腐蝕能力，而且有較高的高溫強度、蠕變強度和持久強度，以及良好的抗疲勞性能。 主要用於航天航空領域高溫條件下工作的結構部件，如航空發動機的工作葉片、渦輪盤、 燃燒室等。
鎳基高溫合金按製造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、新型高溫合金。
2.2.1. 鎳基變形高溫合金
變形高溫合金指的是在成形階段需要傳統變形加工的高溫合金。
變形高溫合金加工容易，可以連續生產。由於變形高溫合金合金化程度較低，強化相數量 較少，因而熱加工塑性較好，可連續生產。
鎳基變形高溫合金在發動機中主要用於渦輪盤和渦輪葉片，溫度範圍一般在 650°C-1000° C。
2.2.2. 鎳基鑄造高溫合金
隨著使用溫度和強度的提高，高溫合金的合金化程度越來越高，熱加工成形越來越困難， 必須採用鑄造工藝進行生產。另外，採用冷卻技術的空心葉片的內部腔，只能採用 精密鑄造工藝才能生產。
鎳基鑄造高溫合金在發動機中主要用於渦輪導向葉片，工作溫度可達 1100°C 以上，也 可用於渦輪葉片，其所承溫度低於相應導向葉片 50-100°C。
2.2.3. 新型高溫合金-粉末冶金高溫合金
隨著耐熱合金工作溫度越來越高，合金中的強化元素也越來越多，成分也越複雜，導致一 些合金只能在鑄態上使用，不能夠熱加工變形。並且合金元素的增多使鎳基合金凝固後成 分偏析也嚴重，造成組織和性能的不均勻。
採用粉末冶金工藝生產高溫合金，就能解決上述問題。因為粉末顆粒小，制粉時冷卻速度 快，消除了偏析，改善了熱加工性，把本來只能鑄造的合金變成可熱加工的形變高溫合金， 屈服強度和疲勞性能都有提高，粉末高溫合金為生產更高強度的合金產生了新的途徑。
粉末高溫合金主要用於製造高推比先進航空發動機的渦輪盤，也用於生產先進航空發動機 的壓氣機盤，渦輪軸和渦輪擋板等高溫熱端零部件。
2.2.4. 新型高溫合金-單晶高溫合金
採用定向凝固工藝消除所有晶界的高溫合金稱為單晶高溫合金。金屬是由一個一個晶體組 成。晶界是金屬內部各種畸變,缺陷和雜質聚集的地帶，晶界在常溫下強度高於晶體內部， 但高溫時易產生滑移。當高溫下晶界強度下降高於晶體內部時，金屬強度會下降。因此， 採用定向凝固技術消除晶界，得到的單晶高溫合金性能極好。
目前，幾乎所有先進發動機都已採用了單晶合金渦輪葉片或導向葉片。
2.3. 鈷基高溫合金：抗腐蝕等特殊領域前景廣闊
鈷基高溫合金的抗氧化性能較差, 但其抗熱腐蝕能力比鎳好；鈷基高溫合金的高溫強度、 抗熱腐蝕性能、熱疲勞性能和抗蠕變性能也比鎳基高溫合金更強，適用於製造燃氣輪機導 向葉片、噴嘴等。
我國由於資源限制，目前研製了 K40、GH188 和 L605 等鈷基合金，使用範圍有限。
2001 年以後，通用電氣在鈷基高溫合金方面的研究主要集中在將鈷基合金作為製備燃氣渦 輪機的基材材料，並在合金表面製備塗層如熱障塗層以提高耐侵蝕性能。
聯合工藝公司開發出的產品有鎳基和鈷基高溫合金，其在高達約 982.2℃仍具備很強的應 力-斷裂強度，特別適用於燃氣輪機，特別是噴氣式飛機發動機的葉片和葉片。但是其主 要問題是它們在高溫下受氧化和汙染的影響增加，如果沒有合適的塗層保護，最終會失效。
近年來，也湧現了許多新的鈷基合金增材製造技術，如鈷基雷射增材製造技術、鈷基電子 束雷射增材製造技術等。增材製造技術是一種融合了計算機、材料和三維數字建模等內容 的高新技術。將增材製造技術和鈷基高溫合金實現有機結合，不僅能更便捷地製造出航空 發動機中較為複雜的結構零部件，而且製造出的鈷基高溫合金零部件具有良好的耐熱、耐 磨和耐腐蝕性能。
由於材料方面的限制，鈷元素在地球上儲量較少，價格較為昂貴。目前鈷基研究的熱度有 所下降，很多科研研究也停留在數字建模試驗等理論階段。
3. 航空發動機用高溫合金不斷發展
軍用航空發動機歷經五代，推重比不斷提升。第一代渦扇發動機出現在 20 世紀 50 年代， 以英國的康維發動機、美國的 JT3D 發動機為代表，推重比在 2 左右；第二代渦扇發動 機出現在 20 世紀 60 年代，以英國的斯貝 MK202 和美國的 TF30 發動機為代表，推重 比在 5 左右；第三代渦扇發動機出現在 20 世紀 70-80 年代，以美國的 F100、歐洲的 RB199 和蘇聯的 AL-31F 發動機為代表，推重比在 8 左右；第四代渦扇發動機出現在 20 世紀 90 年代，以美國的 F119 和歐洲的 EJ200 發動機為代表，推重比在 10 以上；第 五代渦扇發動機出現在 21 世紀初，以美國的 F135 和英、美聯合研製的 F136 發動機為 代表，推重比為 12-13。未來航空發動機推重比將不斷提高，美國已經開啟第 6 代航空 發動機的研發，預計推重比將達到 16-18。
由於渦輪理論效率僅與溫度相關，要提升發動機推重比必須提升效率，要提升效率必須提 升噴口溫度。
發動機對溫度的要求不斷提升。高推重比需要更高的噴口溫度，需要工作溫度更高的材料 支撐。在世界高溫合金的發展歷程中，發動機葉片和盤件材料分別經歷了變形、鑄造、定 向、單晶四個階段。適應溫度從 600°C 逐步提升至 1100°以上。
兩片一盤是指航空發動機中的渦輪葉片、導向器葉片及渦輪盤（加篦齒盤），是整個發動 機中性能最高的部件，代表著高溫合金的最高工藝和最高要求。在發動機的高壓渦輪中， 渦輪葉片與導向葉片交錯排列，一級導向器緊接燃燒室出口，導向葉片處於高溫燃氣流包中，是發動機中溫度最高的零件之一，最高溫度可達 1150°C，溫度高而且不均勻是其 工作環境最重要的特點。渦輪葉片尤其是一級渦輪葉片承受著由燃燒室經一級導向葉片流 入的高溫燃氣的衝刷，溫度要求也極高，最高溫度可達 1100°C，同時處於複雜應力和蝕環境中工作。渦輪盤是連接渦輪葉片和渦輪軸的部件，雖然溫度要求比渦輪葉片和導向 葉片稍低，但是綜合性能要求更高。材料須有強度高、疲勞性能優異、斷裂韌性高、裂紋 擴展速率低等優良性能。
最新發動機的兩片一盤的製備，取用的都是最先進的高溫合金材料。渦輪葉片和導向葉片 的結構性材料以單晶高溫合金和定向金高溫合金為主。由於葉片橫截面都很薄，而橫截面 尺寸越小，蠕變斷裂強度就越低，但是定向晶消除了易於形成裂紋的橫向晶界，因此持久 性能、冷熱疲勞性能能及薄壁性能大幅提升，而單晶由於消除了一切晶界，性能改善更加 明顯，蠕變斷裂強度降低幅度最小，因此是目前最能滿足葉片工作要求的材料。
3.1. 葉片用高溫合金：承溫能力大幅提高
我國渦輪葉片用高溫合金從變形合金逐漸升級到單晶合金。20 世紀 50 年代，第一代發動 機的推重比為 3-4，燃氣溫度為 800-1050°C，渦輪葉片材料選用使用溫度較低的變形鎳 基高溫合金，其承溫能力在 700-900°C；20 世紀 70 年代前後，第二代推重比 5-6 的發動 機選用使用溫度較同一成分變形高溫合金高 30°C 左右的鎳基鑄造高溫合金，其使用溫度 達 950°C 左右；到 20 世紀 80 年代，消除了橫向晶界的定向凝固高溫合金得到了廣泛應 用，其使用溫度較同一成分等軸晶鑄造合金高 20-30°C，第四代發動機的葉片承溫能力 達 980°C 左右；20 世紀 90 年代至 21 世紀初，第五代發動機採用了消除了一切晶界的鎳 基單晶高溫合金，由於其使用溫度又比定向凝固柱晶合金有進一步大幅度提高，最高溫度 可達 1050-1100°C，因而得到了廣泛應用。
目前我國在用的渦輪葉片單晶合金零件主要為 DD403單晶實心渦輪工作葉片和 DD406單 晶高壓渦輪空心工作葉片。
近年來，由於定向凝固工藝的發展，導向葉片也逐漸使用定向合金製作。低成本，高性能 的 DZ404 定向凝固合金及低成本、低密度、高熔點的 JG4006 定向凝固合計均在一些新機 中作導向器葉片，取得良好效果。DZ640M 是鈷基定向合金，目前在 FWS10 發動機上作高 壓導向片。
國外導向葉片除了定向柱晶，還採用了第一代和第二代單晶高溫合金。單晶高溫合金消除 了一切晶界，性能改善更加明顯，使用溫度較定向凝固柱晶合金提高約 30°C。
3.2. 渦輪盤用高溫合金:粉末高溫合金成首選
粉末高溫合金渦輪盤是現代航空發動機的首選材料。粉末合金晶粒細小，成分和性能均勻， 目前渦輪盤已經發展到了第五代，粉末高溫合金渦輪盤發展到第三代，發展趨勢伴隨著更 高的蠕變強度，更低的疲勞裂紋擴展速率，和更長的熱時壽命。但是，粉末高溫合金在制 備過程中也會導致一定的缺陷，例如夾雜物、原始粉末晶粒邊界碳化物和熱油導孔洞等， 嚴重的甚至會影響發動機的安全性，因此粉末高溫合金的製備對缺陷控制的要求很高。
3.3. 軍機的換代伴隨著高溫合金的升級
第一代渦噴發動機的核心材料是變形高溫合金，核心材料工作溫度 650°C，到第四代的 渦扇發動機，核心材料工作溫度已經達到了 1200°C，採用了單晶高溫合金。歷代軍機的 換代一直伴隨著發動機核心材料——高溫合金的升級。
高溫合金的升級需要研發的支持。在航空工業的發展需求牽引下，中國高溫合金先後研製變形、鑄造、等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。上述高溫合金的相繼問世，不 斷地推動航空工業向前發展。
4. 發動機用高溫合金進入快速發展期
根據權威媒體《WorldAirforces2020》數據，2019 年美國現役軍13300 架， 其中戰鬥 機 5495 架，包括二代戰機 1144 架、三代戰機 1861 架、四代機已產 320 架，在產 2137 架。美軍已經逐漸實現了二代戰機向三代/四代戰機的轉移。
對標亞洲地區重要空軍力量駐日韓美軍，若要形成局部對等戰力，2025 年中國空軍或將 全面升級，二代機全部淘汰，以四代機和五代機為主體，預計屆時我國戰鬥機保有量或將 達到 2000 臺以上。
在五代機升級的過程中，雙發重型 J-16 和五代 J-20 逐步增加，單發 J-10 可能逐步減少。 按照單發雙發各一半，採購比例 1：1.5，新機配發動機 1500 臺。
新型的先進航空發動機中，高溫合金用量佔發動機總重量的 40%，主要用於燃燒室、導向 器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件，此外還用於機匣、環件、 加力燃燒室和尾噴口等 部件。
根據前瞻產業研究院發布的研究數據，目前發動機佔軍用飛機成本的 25%，材料成本佔發 動機成本的 50%，而高溫合金佔材料成本約 35%。
根據美國安全研究中心發布的報告，美軍四代戰機 F-15、F-16 的製造成本分別為 6500 萬 和 4000 萬美金。美軍第五代戰機 F-22、F-35A、F-35C 的製造成本分別為 2.5 億、1 億、 1.3 億美金。
按照十年服役期，每年新機 200 架，四代機，五代機各 100 架。殲-10、殲-11、殲-15、 殲 16 等四代機成本對標美軍四代機成本；殲 20 等五代機成本對標美軍五代機。每年航空 發動機的市場需求將達到 50 億美元，帶動的高溫合金年均需求約為 8.75 億美元。
維修市場逐步打開。美國擁有戰鬥機超過 5000 臺，形成對等戰力我國戰鬥機應高於 2000 架，假設穩態情況下，單發四代機和雙發五代機各一半，裝載發動機 3000 臺。:飛機比例為 1.1：1 測算，擁有機組 2200 組。年訓練小時數 150 小時，則國內機組全年 訓練小時數 33 萬小時，除以發動機兩片一盤 500 小時使用壽命，年需要更換飛機 660 臺， 對應發動機 990 臺，年市場空間可達 43.3 億美元。
5. 高溫合金，少數人的盛宴（略）
根據上文，軍用高溫合金一直存在升級需要，研發能力是高溫合金企業的立足之本。以撫順特鋼，鋼研高納為首的國內老牌高溫合金企業科研根基紮實。其中，撫順特鋼的變形高 溫合金市場和技術優勢明顯，而鋼研高納鑄造高溫合金國內頂尖、研發能力卓越。以萬澤 股份為代表的新興高溫合金企業，業務覆蓋面廣，同時也注重新型高溫合金的研發。
5.1. 鋼研高納：鑄造高溫合金龍頭
5.2. 撫順特鋼：高溫合金老牌勁旅，產量領先全國
5.3. 萬澤股份：研發生產一體化，量產指日可待
6. 風險提示
高溫合金行業屬於國家戰略新興產業，對航空航天、重大裝備製造 等相關產業具有戰略 意義。國家產業政策對高溫合金行業的發展起到了積極的引導 作用，中央及地方政府出 臺的各項科技扶持政策和財政稅收優惠政策推動著高溫合 金生產企業的快速發展。因此， 如果國家未來調整了高溫合金及其某個應用領域的 產業政策，會一定程度上間接地對公 司的技術、人才、資金乃至整體經營戰略及經營業績造成影響。
鋼研高納公司項目發展不及預期、下遊需求不及預期、原料價格波動。
萬澤股份 13 億非公開發行股票進度受阻，資金不能及時到位；存在業務競爭的公司搶先 進入粉末渦輪盤市場，威脅萬澤股份市場次要供應商地位。
撫順特鋼大股東質押比例高，高溫合金擴產不及預期，原料價格大幅波動。
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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。報告來源/作者：天風證券）
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