技术前沿：熔模铸造中航空发动机、燃气轮机用特种陶瓷产品

“两机”产业在我国起步较晚，面向“两机”涡轮叶片制造且具备批量生产和稳定供应能力的陶瓷型芯企业较少。国际上主要从事陶瓷型芯的企业有MorganAdvancedMaterials等，但由于陶瓷型芯在我国的应用方向涉及军工领域，国外公司难以在国内开展相关业务。

航空发动机、燃气轮机工作原理复杂、工作环境恶劣，研发难度极大，对技术指标要求苛刻，需要研制单位耗费大量物质、人力经过长达十余年的刻苦攻关才能实现成功研发，又因其可靠性要求极高，需要经过反复多次验证、评价，最终才能达到量产状态。相应的配套企业在配合下游研发过程中，需要结合下游产品的技术指标要求，不断进行配方工艺调试，反复调整方案，配合下游产品的验证、评价工作，对其技术水平、研发投入提出了极高的要求。

多数航空发动机、燃气轮机用特种陶瓷产品行业内公司，受制于技术工艺积累不足、配合下游经验缺乏、资金实力有限等原因，难以实现对下游行业全技术工艺产品的覆盖，普遍业绩及生产规模较小，抗风险能力较差，竞争力较弱。

陶瓷型芯

（1）陶瓷型芯简介

陶瓷型芯是需严格控制成分组成和烧成条件，具备适当强度和气孔率，用于形成熔模铸造铸件产品复杂精密内腔的一类特种陶瓷制品。熔模铸造中，复杂狭窄的铸件内腔无法采用常规的涂料涂挂、撒砂等工序，需要使用陶瓷型芯来形成内腔。公司的陶瓷型芯产品是形成铸件复杂精密内腔的关键耗材，主要用于航空发动机、燃气轮机涡轮叶片的铸造。

涡轮为涡轮发动机燃烧室后端的高温部件，燃烧室中产生的高温高压燃气首先经过涡轮导向叶片，被整流并通过在收敛管道中将部分压力能转化为动能而加速，最后被赋予一定的角度以更有效地冲击涡轮工作叶片。涡轮叶片处于涡轮发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，其多采用空心结构，即在叶身内部有许多细小的管道，使高压冷空气通过这些管道流经高温涡轮叶片，起到强制冷却作用。

（2）陶瓷型芯在涡轮叶片铸造过程中的作用

航空发动机涡轮叶片结构复杂、精度要求高，其内部迂回曲折的空心气冷结构用机械加工工艺无法形成，通常采用熔模铸造方式生产。

在熔模铸造过程中，陶瓷型芯主要用于形成铸件复杂精密空腔。浇铸过程中，熔融金属液会包覆陶瓷型芯，待金属液冷却后将包裹在铸件内部的陶瓷型芯脱除，即可在铸件中形成与陶瓷型芯形状一致的空腔结构，叶片内部空腔结构的精度和复杂程度由陶瓷型芯决定。陶瓷型芯是涡轮叶片的熔模铸造过程中的必备关键耗材。

涡轮叶片的熔模铸造生产制造流程主要包括压蜡、模壳涂挂、脱蜡制壳、熔炼浇铸、清壳、脱芯、检查、磨削加工、涂层等环节。

铝硅质陶瓷坩埚

铝硅质陶瓷坩埚是铸造过程中使用的通用性必备耗材，作为熔炼高温金属溶液的容器。高温合金放置于铝硅质陶瓷坩埚内，经过感应线圈加热后成为高温合金溶液，最终用于浇铸涡轮叶片等铸件。铝硅质陶瓷坩埚能综合氧化铝和熔融石英的优点，兼具氧化铝材料的良好化学惰性和熔融石英的优异热稳定性，能够显著减少金属熔炼过程中坩埚对金属溶液的污染，保证金属溶液及其铸件的质量与性能。

主要产品的工艺流程

陶瓷型芯的主要生产工艺流程主要包括配料、成型、烧成、后处理四个步骤，具体如下：

熔模铸造行业发展情况

熔模铸造又称失蜡铸造，是一种少切削、无切削的特种铸造方法，形成的铸件的工作面无需机械加工或只需局部打磨，即可达到类似抛光铸件的尺寸精度和表面粗糙度。熔模铸造的典型特征是不开型取模，利用熔化、溶解或烧失等方法脱除母模，获得铸型空腔，铸型可加热后浇入金属。熔模铸造形成的产品精密、复杂，接近于零件最终的形状，可不加工或很少加工即直接使用，是一种近净形成形的先进工艺。

在熔模铸造中，采用常规的涂料涂挂、撒砂等传统生产工艺无法实现复杂狭窄的铸件内腔。航空发动机、燃气轮机空心涡轮叶片的冷却通道迂回曲折，必须采用陶瓷型芯形成空腔。涡轮叶片的形状尺寸、组织结构和性能直接影响飞机和发动机的性能、结构重量系数、寿命和制造成本等各种重要指标。因此熔模铸造技术是先进航空装备和民用航空产品向轻量化、精确化、长寿命、低成本方向发展的重要技术基础。

以陶瓷型芯在熔模铸造领域的应用为例，熔模铸造的具体工艺流程情况如下：

20世纪40年代熔模铸造开始用于工业生产，广泛应用于航空、军工、化工、能源、交通运输等行业。熔模铸造有如下优势：①铸件表面光洁度高；②铸件尺寸精度高；③材料利用率高（70%~90%)；④几乎不受合金种类限制，并可铸造各种结构复杂的铸件。尤其是20世纪70年代末，热等静压（HIP）技术被广泛应用于铸件的后处理，使得某些铸造缺陷得以被消除，从而有效改善了铸件的力学性能及稳定性。

2018年全球熔模铸造产业总产值142亿美元，中国占全球熔模铸造行业产值的比例约为21%。全球熔模铸造产业中，支撑其增长率的主要行业为航空产业。

特种陶瓷行业发展情况

特种陶瓷，又称先进陶瓷、高性能陶瓷，是指具有特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。特种陶瓷以无机非金属材料为基础原料，以特定比例混配其他化合物，经成型、烧成等工艺制备而成。

按化学成分，特种陶瓷可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途，特种陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷主要基于材料的力学和结构用途，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点，主要包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷等。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有电气性能、磁性、生物特性、热敏性和光学特性等特点，主要包括绝缘和介质陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体及其敏感陶瓷等。

我国特种陶瓷研究始于上世纪50年代，随着国际上特种陶瓷跨越式的发展，上世纪70年代以来国内诸多高校和科研院所开始重视特种陶瓷材料研究，我国特种陶瓷产业快速发展，精密小尺寸产品、大尺寸陶瓷器件的成型、烧成技术、低成本规模化制备技术、陶瓷加工系统等领域不断取得创新性成果。

航空发动机行业发展情况

（1）技术发展历程及趋势

①航空发动机技术发展历程

航空发动机，又称航空动力装置，为航空器的飞行提供动力，被誉为航空器的“心脏”。航空发动机的研制是航空产业链中的核心环节，研发制造难度极大，其在要求优异性能的同时，还要保证在长期使用中的稳定性和安全性。

涡轮发动机是目前应用最广泛的航空发动机，主要由进气口、压气机、燃烧室、涡轮组成。从进气口进入的空气在压气机中被压缩后，进入燃烧室与喷入的燃油混合燃烧，生成高温高压燃气。燃气在膨胀过程中驱动涡轮高速旋转，将部分能量转变为涡轮功。涡轮带动压气机不断吸进空气并进行压缩，使发动机能连续工作。由压气机、燃烧室和驱动压气机的涡轮这三个部件组成的整体一般被称为核心机，又称为燃气发生器，它不断输出具有一定可用能量的燃气。

按燃气发生器出口燃气可用能量的利用方式不同，涡轮发动机分为涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机和涡轴发动机等。涡喷发动机在20世纪50年代曾广泛应用于军用和民用飞机，特别是超声速飞机，目前已被涡扇发动机大量取代。涡桨发动机主要用于亚声速运输机、支线飞机和公务机；涡轴发动机用于直升机。涡轮发动机是20世纪50年代以来主要的航空动力形式，而且在可预见的未来，仍将是发动机动力方式的主流。

②航空发动机的研制流程

航空发动机的研制流程可分为预先研究、工程研制和使用发展三大阶段。预先研究阶段的主要任务为发展新型发动机提供技术储备，缩短研制周期，降低研制风险，不断提高技术水平，同时为改进现役发动机性能、可靠性提供实用的技术成果。工程研制阶段的主要任务是根据主要使用性能指标，研制满足使用要求的发动机产品。该阶段又分为工程验证机研制和原型机研制两个阶段。使用发展阶段，是发动机全寿命科研工作的重要组成部分，发动机装备使用后应不断解决使用中暴露的技术质量问题，提高可靠性，并根据发展需求和新技术研究成果进行改进改型发展。

（2）我国军用航空发动机市场现状与发展趋势

①国防和军队建设战略目标和国防预算稳步增长为行业提供政策性保障

“十四五”是我国国防和军队现代化建设关键时期，军工行业将整体保持确定性增长。根据《新时代的中国国防》白皮书，新时代中国国防和军队建设的战略目标是，到2020年基本实现机械化，信息化建设取得重大进展，战略能力有大的提升。同国家现代化进程相一致，全面推进军事理论现代化、军队组织形态现代化、军事人员现代化、武器装备现代化，力争到2035年基本实现国防和军队现代化，到本世纪中叶把人民军队全面建成世界一流军队。

在我国国防预算稳定增长的支撑下，新型武器装备采购有望放量增长。我国国防预算从2010年的0.53万亿元增长到2022年的1.45万亿元，年均增长率8.75%。

根据《新时代的中国国防》白皮书，2013年之后，国防支出增长的重心由之前的“改善部队保障条件”转变为注重“武装力量的建设与发展”，意味着我国国防开支将向武器装备建设倾斜，重点投向“优化武器装备规模结构，发展新型武器装备”，装备费从2010年的1,773.59亿元，增加到2017年的4,288.35亿元，占国防费的比重从33.2%增长到41.1%，装备费复合增长率达13.44%，是同期国防费增长率的1.33倍。《新时代的中国国防》白皮书提出构建现代化武器装备体系。完善优化武器装备体系结构，统筹推进各军兵种武器装备发展，统筹主战装备、信息系统、保障装备发展，全面提升标准化、系列化、通用化水平。加大淘汰老旧装备力度，逐步形成以高新技术装备为骨干的武器装备体系。

新型战斗机、运输机等航空装备作为我国军队目前迫切需要的新型主战装备，是未来我国发展新型航空装备的重点领域，将直接受益于我国国防开支的总量增长和装备支出的结构性增长。

②数量少、代际落后要求扩大军机采购规模并优化结构

2015年我国首次将空军定位为战略军种，空军建设由“国土防御”向“空天一体、攻防兼备”的战略转变，成为了新装备加速发展和列装的主要驱动力。2018年11月，我国空军公布了建设强大的现代化空军路线图，指出到2020年基本跨入战略空军门槛，初步搭建起“空天一体、攻防兼备”战略空军架构，构建以四代装备为骨干、三代装备为主体的武器装备体系，不断增强基于信息系统的体系作战能力；到2035年初步建成现代化战略空军，具备更高层次的战略能力。在新时期战略空军建设目标下，大力发展先进战斗机、战略运输机/轰炸机，提高纵深攻击能力、远程投送/打击能力和立体攻防能力，弥补代际差，尽快实现代际换装，提高信息化、自动化程度。

根据FightGlobal发布的《WorldAirForces2023》，截至2022年底，我国现有各类战机总数3,284架，美国各类战机总数13,300架，仅为美国的24.69%。我国作战飞机中，J-7、J-8等二代作战飞机483架，占我国作战飞机比例高达30.13%；三代作战飞机J-10235架、J-11/15/16/su-27/30/35共315架，合计550架，占比35.03%；第四代作战飞机J20仅19架。美国作战飞机基本上是三代以上作战飞机，并拥有四代作战飞机F-22共178架，F-35A153架（不包括训练飞机）。我国三代及四代战机占比低，与以四代装备为骨干、三代装备为主体的武器装备体系还有很大差距，与美国相比存在结构劣势。

根据2023年1月央视报道《歼-7战斗机今年或退出中国空军作战序列》，预计歼-7战机2023年全部退役，并由歼-16、歼-20等先进战机替代。根据《WorldAirForce2023》，我国现保有417架歼-7，占我国作战飞机的比例达26.56%，歼-7的退役将带来大量的航空发动机需求。

我国在航空装备领域同美军仍存较大差距。中国一流空军建设正在持续推进，目前正处于新型号上量和原有型号更新换代的关键时期，对于换发和新装发动机的需求均日益旺盛。

③各类新产飞机大批量使用国产涡扇发动机将带来巨大的市场增长

近年来我国航空发动机领域的研发进度显著加快，“秦岭”、“太行”等定型量产发动机逐渐成熟，多款新型发动机均已接近定型状态，预计不久将实现大规模批产。未来新产的歼-10、歼-15、歼-16、歼-20、运-20等各类单发、双发战机，将大批量使用国产发动机，这将为航空发动机及零部件市场带来可观的市场增量。

④训练量提升促进发动机的维修、替换需求增加

根据《新时代的中国国防》白皮书，空军加强体系化、实案化全疆域训练，组织南海战巡、东海警巡、前出西太，常态化开展“红剑”等系列体系对抗演习。在训练和演习量加大的背景下，航空发动机的零配件更换和维修市场相应扩大。修理、更换发动机热端部件占整台发动机维修费用的70%以上，热端部件包括高、低压涡轮组件和燃烧室，涡轮叶片在使用达到一定小时寿命后通常予以全部更换，进而产生对陶瓷型芯的新增需求。在上述行业有利因素促进下，军用航空发动机行业飞速发展，具体如下：

（3）商用航空发动机行业发展状况

①全球商用航空市场稳步增长

根据波音公司《CommercialMarketOutlook》的数据，全球商用飞机数量从2015年的22,510架增长到2019年的25,900架，复合增长率3.57%，保持稳步增长。

根据波音公司的《CommercialMarketOutlook2020-2039》，波音公司预计全球商用飞机将从2019年的25,900架增长至2039年的48,400架，期间新增交付43,110架。

②我国民用航空市场需求巨大，国产化加速

1）国内民用航空市场持续快速增长

随着国民经济的快速发展，民用航空市场蓬勃发展。根据中国民用航空局的相关数据，我国民用飞机的机队规模从2012年的3,261架，发展到2021年的7,072架，保持了8.98%的复合增长率，其中商用运输飞机从2012年的1,941架增长到2021年的4,054架，复合增长率8.53%。

图：我国民用航空机队规模

根据《中国商飞公司市场预测年报（2020-2039）》，到2039年，全球航空旅客周转量将是现在的2.1倍，预计全球客机机队规模将达到44,400架，是2019年机队（23,856架）的1.9倍。到2039年，现有机队中将有约84.3%左右（20,120架）的飞机退出商业客运服务，它们将被改装成公务机、货机和其它用途飞机，或者是永久退役，这部分客机将被新机替代。此外，预计全球机队市场还将需要20,544架新增客机交付，用于替代和支持机队的发展，其中约71.6%为单通道喷气客机。中国的航空公司将接收其中的8,725架新机。到2039年，中国占全球客机机队比例将从现在的16.2%增长到21.7%。

2）我国逐步搭建商用客机谱系，竞争商用飞机市场

此前，我国的商用客机长期依赖进口，C919大型客机是我国自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式客机。2008年完成项目可研论证，2015年11月总装下线，2017年5月完成首架机首飞。2020年11月，中国民航上海航空器适航审定中心签发C919项目首个型号检查核准书，标志着C919飞机构型基本到位，飞机结构基本得到验证，各系统的需求确认和验证的成熟度能够确保审定试飞安全有效，正式进入局方审定试飞阶段。2021年3月，中国东方航空作为国产大飞机C919全球首家启动用户，与中国商飞公司在上海正式签署C919大型客机购机合同，首批引进5架。2022年5月，中国商飞公司交付首家用户的首架C919大飞机首次飞行试验圆满完成。根据中国商飞公司官网，中国商飞公司已就C919获得累计超过1,000架的订单。2022年9月，C919完成全部适航审定工作后获中国民用航空局颁发的型号合格证，2022年12月交付首架飞机。除此以外，ARJ21、C929国产民机已分别处于运营和研发阶段，目前我国已经搭建起由支线客机ARJ21、单通道喷气客机C919及双通道喷气客机C929组成的国产民机谱系。3）国产商用航空发动机国产替代趋势加速，市场潜力巨大在大涵道比商用航空发动机领域，我国目前尚处于空白阶段，与国外差距较为明显。中国航发商发的国产商用发动机共规划了三个产品系列为中国商飞的民用飞机配套：一是160座窄体客机发动机CJ-1000，配装C919大型客机；二是280座宽体客机发动机CJ-2000，配装CR929宽体客机；三是110~130座的新支线发动机CJ-500，配装ARJ21支线客机的改进型。“长江”系列发动机是双转子、直接驱动大涵道比涡扇发动机，具有低油耗、低排放、低噪声、高可靠性、低维护成本等特点，主要性能指标达到世界先进水平。

我国在研的CJ-1000A发动机是我国首款大涵道比商用航空发动机，据中国航发商发官网介绍，CJ-1000A航空发动机目前已完成验证机全部设计工作，正在开展零部件试制和试验工作。研发完成后的CJ-1000A航空发动机将用于国产C919大型客机，预计将在2025年投入航线运营，以实现C919客机动力系统的国产替代。CJ-2000发动机设计最大推力可达35吨，据中国航发商发消息，2020年3月国产CJ-2000发动机核心机C2XC-101点火成功，在后续测试中达到了100.6%转速；2020年7月，CJ-2000AX验证机完成整机装配。随着上述大涵道比商用航空发动机研发和批产成功，国产商用大飞机的动力系统将打破国外垄断的局面。随着多个在研国产大涵道比商用航空发动机陆续批产，国产C919、C929和ARJ21将逐步装备国产发动机，国产商用航空发动机将迎来飞跃式发展。

5、燃气轮机行业发展情况

（1）技术发展历程及趋势

燃气轮机是一种以连续流动的气体作为介质带动叶轮高速旋转，将燃料的热能转换为机械功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机与航空发动机结构类似。按其功率燃气轮机可以分为轻型和重型，前者通常由航空发动机改装，如世界先进的舰用燃气轮机MT30是由Trent800系列航空发动机派生而来，功率通常在50MW以内，可用于工业发电、船舶动力、分布式发电等。重型燃气轮机功率通常在50MW以上，主要用于陆地上固定的发电机组和超大型舰艇。按其运行的燃气初温分类，燃气轮机可以分为E级、F级、G级和H级等多个等级。

燃气轮机主要用于地面发电机组和船舶动力领域，工作环境需要承受高硫燃气和海水盐分的腐蚀，工作寿命要求达到50,000-100,000小时。涡轮盘在工作时转数接近10,000转/分钟，燃气轮机涡轮轮盘直径是航空发动机的3-6倍，涡轮轮盘轮缘长期工作在550-600℃，轮盘中心工作温度则降至450℃以下，不同部位的温差造成了轮盘的径向热应力极大。

（2）市场现状与发展趋势

燃气轮机应用领域广泛，包括循环发电、分布式能源、油气输送，以及陆、海运载工具驱动等。此外，燃气轮机具有占地小、效率高、可靠性强、操作灵活、排放低等特点，并可使用天然气、混氢/纯氢燃料或其他脱碳燃料，具备突出的燃料灵活性，对实现“双碳”目标具有积极作用。因此，预计燃气轮机产业未来将呈现良好的发展态势。

①燃气轮机市场保持总体增长态势

据中国发展网（http://www.chinadevelopment.com.cn/）的相关信息，2015-2020年全球燃气轮机市场规模呈现上涨趋势。2020年全球燃气轮机市场规模为225.4亿美元，同比增长3.47%，我国市场规模约500亿元人民币。

根据中国电力企业联合会统计数据，2017年我国燃气轮机新增装机规模为7,580.00万千瓦，到2021年我国燃气轮机新增装机规模为10,774.00万千瓦，年复合增长率达9.19%。

②燃气发电规模的增大拉动燃气轮机市场需求

根据MaximizeMarketResearch统计，2020年全球燃气轮机市场中，用于发电行业的燃气轮机约占总市场规模的32%，用于油气行业的约占总市场规模的32%，其余39%的燃气轮机则应用于载具等其他工业领域。从全球发电行业发电量结构来看，据中国电力网统计，2019年全球发电量最高的是燃煤发电，发电量为9,824.1TWh，占比36.38%，燃气发电2019年发电量为6,297.9TWh，占比全球发电量23.3%。

根据《中国天然气高质量发展报告（2020）》显示，“十四五”时期，我国天然气市场需求有望继续增长，用气结构或进一步优化，基本形成工业燃料、城镇燃气、燃气发电“三足鼎立”的局面。报告认为，大力发展天然气是我国建立清洁低碳、智慧高效、经济安全能源体系，以及力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和目标的必然选择。未来五年，我国仍将坚持“逐步将天然气培育成为中国主体能源之一”的战略目标。

国内方面，据中国电力企业联合会统计，2020年我国燃气发电量为2,485亿千瓦时，同比增长6.88%，占全国总发电量的3.25%。2012年至2020年，我国燃气发电量复合增长率为10.7%。根据全球能源互联网发展合作组织《中国“十四五”电力发展规划研究》，截至2019年末，全国气电装机规模9,024万千瓦，“十三五”期间年均新增气电装机规模636万千瓦，2019年气电占全国电力总装机规模的比例已达4.5%。

③在国内相关配套政策扶持下，燃气轮机将迎来巨大的市场机遇期

我国“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”等大型工程中均使用大量工业型燃气轮机。这些燃气轮机绝大多数为进口机组，在国内现有装机发电的燃气轮机总装机容量中，国产产品仅占约7%。“十三五”以来，我国积极推进“两机”专项落实，提出我国未来将重点突破发电用重型燃气轮机、工业驱动用中型燃气轮机、分布式能源用中小型燃气轮机以及燃气轮机运维服务技术，逐步进入国产化替代阶段。

2017年6月，国家发改委与国家能源局联合发布《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》，要求至2020年我国将基本形成完整的重型燃气轮机产业体系，就燃气轮机国产化提出了具体要求。按照“两机专项”实施方案，在2020年前，国家将投入千亿资金，支持航空发动机和燃气轮机产业的发展。

随着我国自主研发、拥有自主知识产权的航空发动机的研发成功，中国航发集团在2001年和2002年相继成功研制了QD70和QD128两型航改轻型燃气轮机。目前，中国航发集团拥有的自主研发燃气轮机产品有功率等级涵盖5～40MW的轻型燃气轮机和110MW的重型燃气轮机，并参照国际发展燃气轮机的成功道路，确定了自主系列化发展燃气轮机的技术路线。2014年，中国联合重型燃气轮机技术有限公司成立，研制国产300MW级和400MW级重型燃气轮机产品，就代表国际技术领先水平的重型燃机开展关键技术攻关和验证。预计随着相关研发承制单位的研发进度的不断推进，我国将逐渐实现多等级燃气轮机的国产化替代，国内燃气轮机相关配套行业政策将迎来巨大的市场机遇期。

④军用舰艇对燃气轮机需求旺盛

各类军用舰艇是轻型燃气轮机的重要应用方向，燃气轮机优势功率密度大、启动速度快、噪声低频分量很低，使其非常适宜于作为军用舰艇的动力装置，具体如下：①燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构，使得同等功率的燃气轮机体积是柴油机的1/3~1/5，是蒸汽轮机的1/5~1/10左右，燃气轮机体积小、功率大，非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点；②燃气轮机1-2分钟即可启动，符合军舰对作战反应速度的要求；③燃气轮机运作主要产生高频噪音，低频

噪音较少，不宜被声呐探测，符合军舰的作战隐蔽性要求。随着我国现代化海军建设进程的不断推进，舰艇更新换代需求强烈，燃气轮机的诸多优点，使其在新型舰艇上广泛替代柴油机和蒸汽轮机成为趋势，随着我国新型舰艇数量的日益增多，海军训练量的提升，军用燃气轮机市场前景广阔。

6、涡轮叶片行业发展情况

公司陶瓷型芯产品主要用于军用及民用航空发动机、燃气轮机涡轮叶片的生产制造，即在熔模铸造过程中形成涡轮叶片的复杂精密空腔。

涡轮叶片发展历程及趋势

涡轮叶片分为涡轮导向叶片和涡轮工作叶片两类。

①涡轮导向叶片，主要作用为调整燃烧室排出的燃气流向，材料工作温度最高可达1,100℃以上，涡轮导向叶片承受的应力一般低于70MPa；该部件往往由于受到较大热应力而引起扭曲，温度剧变产生热疲劳裂纹以及局部温度过高导致烧伤而报废。②涡轮工作叶片，处于涡轮发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，该部件在承受高温的同时需承受较大的离心应力和热应力；其所承受温度低于相应涡轮导向叶片50-100℃，但在高速转动时，由于受到气动力和离心力的作用，叶身部分所受应力达140MPa，叶根部分达280-560MPa。涡轮工作叶片结构与材料的不断改进已成为航空发动机性能提升的关键因素之一。

涡轮叶片与涡轮轴、涡轮盘等部件共同组成航空发动机的涡轮。涡轮是驱动压气机及其他附件的动力源。涡轮可以分为转子和静子两个组件：

①涡轮转子：是由涡轮工作叶片、轮盘、轴及装在轴上的其他转动零件组成的一个整体，负责将高温高压的气流吸入燃烧器，以维持发动机的工作。涡轮转子在高温及高转速状态下工作，并传递大功率，所以其工作条件极端恶劣。高温工作时涡轮转子要承受极高离心力，此外还要受到气动力矩的作用等。高温环境会使得涡轮叶片材料的极限强度下降，还会使涡轮叶片材料产生蠕变和侵蚀。

②涡轮静子：是由涡轮导向叶片、外环和内环等部件组成。其固定在机匣上，主要作用为扩压整流，为下一级涡轮转子改变气流方向，以迎合涡轮工作叶片的速度三角形。

为了提升推重比等性能指标，航空发动机及燃气轮机涡轮叶片对高温、高风速等的耐受要求不断提升。主流航空涡扇发动机中，涡轮驱动压气机以最高达每秒上千转的转速高速旋转，进入涡轮发动机的空气在压气机中逐级增压，多级压气机的增压比可达25以上。增压后的空气进入发动机燃烧室，与燃油混合、燃烧。燃油火焰需要在以100m/s以上高速流动的高压气流中稳定燃烧。从燃烧室出来的高温、高压燃气流驱动涡轮工作叶片以每分钟数千转至上万转的转速运转，通常涡轮前温度要超过涡轮叶片材料的熔点。

在工作过程中，现代发动机的涡轮叶片通常要承受1600~1800℃的高温，同时还要承受300m/s左右的风速，以及由此带来的巨大的空气压力。涡轮叶片需要在这种极为恶劣的工作环境下可靠工作几千小时至上万小时。涡轮叶片型面复杂，大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片熔模铸造、复杂陶瓷型芯制造、微孔加工等先进制造技术。

涡轮叶片是目前“两机”所有零部件中制造工序最多、周期最长、合格率最低的零部件之一，复杂空心涡轮叶片的制造已成为当前“两机”研制的核心技术。

（2）市场现状与发展趋势

航空发动机和燃气轮机中的叶片主要包括风扇叶片、涡轮叶片和压气机叶片，其中涡轮叶片价值量占叶片总体成本的60%左右。相较风扇叶片，涡轮叶片原材料价值更高、加工难度更大。涡轮叶片作为发动机重要热端部件，需要使用高温合金材料，其冶炼技术要求高，并且部分金属矿产资源较稀缺。在制造工艺上，涡轮叶片一般采用熔模铸造，实现薄壁和复杂冷却结构，制造难度较其他叶片提升显著。如广泛应用于波音737系列和空客320系列的CFM56航空发动机中，涡轮叶片数量超过千个，单个成本均超过万元，某些部位的涡轮叶片单价甚至超过10万元。

陶瓷型芯对涡轮叶片乃至“两机”性能的提升具有重要作用

（1）“两机”产业的重要性

航空发动机、燃气轮机汇集材料、机械、冶金、控制、电子、能源、化工等多学科多领域高精尖技术，集中体现了一个国家的工业技术水平，是当代高科技的结晶，被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。长期以来，美、俄、英、法等少数航空发达国家一直把优先发展航空发动机作为基本国策，将航空动力工业发展成高附加值的国家高科技战略性产业，把航空发动机技术列为严密封锁、严禁出口转让的关键技术，并逐步形成了对航空动力技术和全球市场的垄断地位。因此，自主研制“两机”对我国推进实施创新型国家、航空航天强国、低碳能源革命、中国制造2025等战略具有重要价值。鉴于“两机”的突出重要性，长期以来国家大力支持推进“两机”重大科技专项，以实现我国军用和民用航空发动机的进口替代、自主研制，发展有市场竞争力的航空产业，推动产业升级、带动科技进步、增强综合国力和国际竞争力。2016年颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》将“航空发动机及燃气轮机”列为“科技创新2030——重大科技项目”之首；2021年颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》将“航空发动机及燃气轮机”列为“制造业核心竞争力提升”的八个重点领域之一。

（2）涡轮叶片是“两机”最关键的零部件之一

涡扇发动机由于其推力大、推进效率高、耗油率低等特点，广泛应用于战斗机、客机、运输机、无人机等，占比在95%以上，是目前应用最为广泛的航空发动机类型。典型的涡扇发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装置及附属系统等部件组成，其中压气机、燃烧室、涡轮是航空发动机三大核心部件。涡轮是驱动风扇、压气机及其他附件的动力源，主要作用是将燃烧室流出的高温高压燃气的能量转变为机械功，使涡轮高速旋转并产生强大功率，并由涡轮轴输出。

涡轮由涡轮叶片与涡轮轴、涡轮盘等部件共同组成。在涡扇发动机中，涡轮部件所承受的热负荷、气动负荷和机械负荷最大，工作条件极端恶劣。涡轮叶片在高温及高转速状态下工作，并传递大功率，因此“涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一，处于发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，且数量众多、形状复杂、尺寸要求高、加工难度大，直接影响着航空发动机的性能。”涡轮叶片的制造水平直接决定了涡轮承受的极限温度，从而影响航空发动机热力循环的两个主要参数——推重比与动力，涡轮叶片设计与制造的好坏直接决定着发动机的性能、安全与寿命。

（3）陶瓷型芯的重要性

①陶瓷型芯是制造涡轮叶片的必备耗材

涡轮叶片工作环境恶劣，通常要承受1600-1800℃的高温，同时还要承受300m/s左右的风速，以及由此带来的巨大空气压力，这决定了涡轮叶片必须采用高温合金且内部多采用复杂、精密、进口狭小的气冷结构，内部通道光洁度可达微米级，因此涡轮叶片的制造无法采用锻造、机械加工等制造方法，“航空发动机涡轮叶片还需要精密的制造技术——熔模铸造工艺”，并“使用陶瓷芯来制作气道”，并对陶瓷型芯的材料、结构复杂程度、尺寸精密程度、表面光滑程度以及在熔模铸造中的强度、脱芯性能等提出了极高的要求。

②涡轮叶片性能的提升依赖陶瓷型芯的不断改进

涡轮叶片性能的提升，主要体现在承温能力的提升，常规采用提升高温合金的承温能力和改进气冷结构等手段实现。高温合金经历了等轴晶、定向凝固柱晶、单晶的进化过程，然而目前耐热性能最好的高温合金材料工作温度在1,100℃左右。“目前，先进的发动机涡轮前进口温度达到1757℃，受金属熔点的限制，通过改善叶片的制备材料来提高叶片的承温能力已接近极限，因此，改进叶片的气冷结构、提高叶片的冷却效率已成为叶片设计制造者的必然选择。在过去的几十年中，发动机涡轮前进口温度提高了500℃，其中70%的贡献来源于采用了先进的叶片制造技术和更合理的叶片冷却结构，叶片的冷却方式由传统的对流、回流、气膜冷却等方式发展为高效气冷方式，冷却效率已由300℃左右提高到600℃以上。”为提高冷却效率，涡轮叶片的空心气冷结构日趋复杂、精密。下一代叶片冷却技术向薄壁、多层壁、多通道、微扰流结构方向发展。航空发动机效率与推重比等核心指标的改进要求不断提高涡轮进口燃气温度，涡轮进口燃气温度的提升必然要求提高涡轮叶片的承温能力，而涡轮叶片承温能力的提高依赖于其复杂、精密空心气冷结构的实现。由于陶瓷型芯是形成涡轮叶片内腔空心机构的必备核心部件、是制造涡轮叶片的第一步，因此，如不能制造出满足要求的陶瓷型芯，就无法实现理想的涡轮叶片空心气冷结构，没有陶瓷型芯的材料、制造工艺的持续改进就无法实现涡轮叶片性能的不断提升。

陶瓷型芯行业发展情况

（1）技术发展历程及趋势

①陶瓷型芯技术发展历程

提高涡轮燃气温度一直是航空发动机、燃气轮机研究的重点。现阶段，提高涡轮燃气温度主要通过三种手段：一是开发新的高温合金材料，以不断提升叶片的承温能力，二是研制新型的热障涂层，三是改善涡轮叶片的气冷结构，提高叶片的冷却效率。涡轮叶片的制造过程中，传统的锻造、机加等手段不能成形复杂的叶片内腔形状，只能采用熔模铸造工艺生产。熔模铸造中，形成空心铸件内腔形状的陶瓷型芯，其性能和质量对铸件生产的质量和合格率起到重要影响。我国对陶瓷型芯的研制，始于20世纪70年代中期。经有关研究院所、高等院校和企业的共同努力，自80年代以来，已研制成功XD-1硅基陶瓷型芯和AC-1、AC-2铝基陶瓷型芯等多种陶瓷型芯，满足了研制新型航空发动机的需要。进入21世纪以来，尽管研制陶瓷型芯的单位数量有所增加，但产品品类齐全、具备量产能力、稳定供应的陶瓷型芯生产企业相对较少。

陶瓷型芯经过多年发展，产品种类不断丰富，行业内一般按化学组成、成型方法等的不同进行区分。

1）按化学组成分类按基体材料的化学组成，陶瓷型芯的分类如下：

表：陶瓷型芯按化学组成分类

I、硅基陶瓷型芯

硅基陶瓷型芯的主体材料为石英玻璃。石英玻璃是熔融石英经高温熔融、快速冷却而形成的无定形物质。石英玻璃具有各向同性、高粘度、热膨胀系数小等特征，长期以来一直是国内外陶瓷型芯的主要基体材料。硅基陶瓷型芯的最大特点在于：在1,100～1,250℃的温度范围内，部分石英玻璃会发生相变，析出方石英晶体。由于晶体比玻璃体的蠕变小几个数量级，所以当陶瓷型芯中含有一定量的方石英时，陶瓷型芯的高温抗变形能力较好。但是析晶过程的体积效应导致的内应力会使陶瓷型芯中出现网状裂纹，从而降低陶瓷型芯的强度。因此，方石英的析出规律及其对陶瓷型芯性能的影响是硅基陶瓷型芯的技术难点，合理控制陶瓷型芯在制备及使用过程中方石英的含量是硅基陶瓷型芯制备技术的关键。

II、铝基陶瓷型芯

欧洲国家自20世纪70年代起就将铝基陶瓷型芯应用于生产单晶叶片，在铝基陶瓷型芯的研究和应用方面世界领先。我国铝基陶瓷型芯的研制起步于20世纪90年代后期，起步较晚。铝基陶瓷型芯的主体材料是α-Al2O3粉体。与硅基陶瓷型芯相比，α-Al2O3具有较好的热强性、较高的化学稳定性、优异的耐高温性能，且在焙烧和使用过程中无晶型转变，更适用于定向凝固柱晶及单晶叶片的铸造。随着单晶高温合金铸造的进一步发展，涡轮叶片的浇铸温度进一步提升，对陶瓷型芯的耐高温性能和高温化学稳定性的要求更高。铝基陶瓷型芯存在以下缺陷：一是其烧成通常在高于1,600℃的温度下进行，烧成性相对较差；二是α-Al2O3难溶于酸和碱，与硅基陶瓷型芯相比，铝基陶瓷型芯使用后脱芯相对困难。因此，解决烧成难和脱芯难的问题是铝基陶瓷型芯生产及使用过程中的两大技术难点。

2）按成型方法分类

按成型方法和工艺特点，陶瓷型芯可分为热压注、传递成形、灌浆成形、凝胶注模成型、3D打印成型陶瓷型芯等。目前国内外仍以热压注陶瓷型芯为主。不同成型方法的陶瓷型芯的相关特点及应用如下：

②陶瓷型芯技术发展趋势

随着现代熔模铸造朝着“优质、精密、大型、薄壁、无余量”方向的发展，对陶瓷型芯的性能及工程可靠性提出了新的需求，陶瓷型芯制备技术的发展也正面临着新的机遇。

1）承温性能不断提升

随着高温合金由铁基合金、钴基合金和镍基合金向定向共晶合金及金属间化合物的发展，涡轮叶片由等轴晶向定向凝固柱晶及单晶的发展，高温合金浇铸温度不断提高，浇铸过程时间不断延长，进而对陶瓷型芯的承温能力要求不断提高。

2）形状结构复杂化、精细化

涡轮叶片气冷结构由传统的对流、回流、气膜冷却向发散冷却、层板冷却方式的改进，要求陶瓷型芯的形状及结构更加复杂精细。

上图展示了Rolls-Royce公司RB211系列发动机涡轮叶片形状及结构的发展过程。日趋复杂的涡轮叶片要求用于形成叶片气冷空腔的陶瓷型芯的形状及结构也变得更加复杂。3）组分多元化合金材质的改进及合金种类的增加，要求陶瓷型芯的化学稳定性更高，适用面更宽。陶瓷型芯组分已在常用的氧化硅、氧化铝的基础不断扩展。

4）材料复合化

随着对陶瓷型芯使用要求的不断提高，单一材料已难以同时满足陶瓷型芯制备工艺与使用性能的要求，不同陶瓷型芯材料之间的复合，不同材质陶瓷型芯件之间的复合，已成为发展趋势之一。

（2）市场现状与发展趋势

①陶瓷型芯产品市场空间广阔

熔模铸造是一种适用于标准化大批量生产、价格经济的成熟铸造工艺，于20世纪40年代开始普遍应用于工业化生产，现已广泛应用于航空航天、能源化工、汽车等多种行业的铸件制造。陶瓷型芯是形成熔模铸造铸件空腔的必备耗材。因此，陶瓷型芯在军用、民用市场均拥有极其广阔的市场空间。

②“两机”领域的陶瓷型芯应用场景广泛多样

除涡轮叶片外，“两机”领域的陶瓷型芯应用场景广泛多样，具体如下：

③“两机”领域的陶瓷型芯发展前景良好

目前陶瓷型芯的主要应用领域为航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片制造。随着发动机对推重比等性能指标要求的持续提升，涡轮温度不断增加，导致涡轮叶片的空心气冷结构日趋复杂精密。在我国国防预算不断提升、军用飞机升级换代需求迫切和训练量不断加大的背景下，军用航空发动机市场呈现稳步增长态势，新战机的大量装备部队，以及新发动机的不断定型、量产，为陶瓷型芯行业市场规模的稳定增长态势奠定了坚实的基础。随着国产C919、C929、ARJ21等商用飞机研发试制进度的不断推进，对CJ-500、CJ-1000、CJ-2000等长江系列国产商用航空发动机的研发量产进度提出了明确要求，相关发动机型号定型量产交付，将极大地拓展陶瓷型芯的市场空间。燃气轮机方面，我国各类军用舰船生产及更新换代需求，以及“双碳”背景下预期燃气发电占比持续提升，将明显促进军用及民用市场对各功率级别国产燃气轮机的需求，进而为陶瓷型芯行业发展和市场规模增长提供新的增长点。此外，其他熔模铸造领域的发展，也将带动陶瓷型芯产业的发展。

我国空军发展对军用飞机的要求，支持相关特种陶瓷产品市场稳步增长

根据《WorldAirForces》的数据，相较于美国，我国军用飞机数量少，代际落后。中国一流空军建设正在持续推进，目前正处于新型号上量和原有型号更新换代的关键时期，对于换发和新装发动机的需求均日益旺盛。近年来我国航空发动机领域的研发进度显著加快，“秦岭”、“太行”等定型量产发动机逐渐成熟，多款新型发动机均已接近定型状态，预计不久将实现大规模批产。未来新产的歼-10、歼-15、歼-16、歼-20、运-20等各类单发、双发战机，将全部大批量使用国产发动机，这将为航空发动机及零部件市场带来可观的市场增量，在此支撑下，相关特种陶瓷产品市场将稳步增长。

商用航空发动机、燃气轮机的国产替代、自主可控，催生巨大市场空间

我国的商用客机长期依赖进口，C919大型客机是我国自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式客机。ARJ21、C929国产民机已分别处于运营和研发阶段，目前我国已经搭建起由支线客机ARJ21、单通道喷气客机C919及双通道喷气客机C929组成的国产商用飞机谱系。作为飞机的动力装置的航空发动机是飞机制造中最核心的部件之一，事关公共交通运输安全，实现自主研发和国产替代势在必行。随着我国具有完全自主知识产品的商用航空发动机研发、生产进度的不断推进，有望大量替代进口发动机，航空发动机配套零部件的市场潜力巨大。

舰用燃气轮机和工业燃气轮机，受制于国外将会威胁国家的国防安全和能源安全。燃气轮机为国家重点推进研发的重点装备，其实现自主可控是国家重点发展方向。多级别规格的燃气轮机成功研发量产，将为相关特种陶瓷产品市场带来新的市场增长点。

中国航发集团“小核心、大协作”的经营原则，有利于配套厂商发展

GE、P&W、RR等航空发动机制造企业均在全球范围内寻找配套厂商，该生产协作方式有助于构建专业、高效的供应链体系和产业生态圈，有助于加快利用社会资源提高航空发动机生产能力和技术水平。中国航发集团在经营中亦推行“小核心、大协作”的经营原则，聚焦核心业务，引进具有专业优势的供应商和研究团队，对其科研生产能力形成有效补充和支撑。航空发动机主机生产企业将配套业务大量外协，为专业化科技型中小企业提供了良好的发展机遇，将显著提升配套厂商的市场空间。