两机叶片丨深度报告：航空发动机涡轮叶片材料的使用与发展方向
涡轮叶片的性能水平是发动机先进程度的重要标志。航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，是飞机的心脏，发动机的价值量占整机价值的 20%-30%。在航空发动机中，叶片是一种特殊的零件，它数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，一直以来是发动机生产的关键。从价值量上来看，以 CFM56 系列发动机为例，叶片在发动机中的价值量占比约为 35%。由于涡轮在航空发动机中既是自持部件，依靠自身转动带动压气机转动从而实现发动机的自持工作；同时又是主要的做功部件，依靠自身转动对外输出机械能量，所以涡轮及涡轮叶片的重要性不言而喻。此外，涡轮叶片是发动机中工作条件最恶劣的部件，需要承受高温燃气冲刷和温度交变，其中工作叶片还要承受高转速下的离心力作用。因此，发动机中最重要的，同时也是制造难度最大的叶片就是涡轮叶片。材料技术是未来提高涡轮叶片承温能力，从而提高发动机整体性能的关键。 涡轮叶片材料技术不断发展，承温能力不断提升。涡轮叶片属于航空发动机中的热端部件，需要在高温高压的环境下工作，极其恶劣的工作环境使得对涡轮叶片材料的要求也非常苛刻，目前涡轮叶片一般采用高温合金通过精密铸造加工而成。涡轮叶片用高温合金历经变形高温合金、铸造高温合金、定向凝固高温合金、单晶高温合金的发展，其中单晶高温合金已发展到第六代。第二代及之后的单晶高温合金通过添加铼，降低其他合金元素的扩散效率，减少单晶铸件的晶粒缺陷和表面再结晶，改善合金的抗热腐蚀性能，但其也存在对单晶高温合金组织的稳定性不利、密度较大等缺陷。因此，考虑到 CMC 材料与高温合金相比，拥有更高的承温能力、更低的密度、更优异的高温下持久强度和更高的灵活性，其有望成为涡轮叶片材料未来发展方向。 中国军机民机数量预期增长带动中国航空发动机叶片市场规模提升。我国军费支出保持稳定增长趋势，预计未来 20 年中国军机需求量约为 2900架，总需求规模为 2290 亿美元。随着民航运力快速增长及航线网络的进一步完善和优化，预计未来 20 年我国航空市场将接收 50 座级以上客机9084 架，总价值约 1.4 万亿美元。未来，考虑到中国飞机数量将逐步增加，且一些中国企业已实现对航空发动机叶片材料及制造工艺的技术突破，国际航空发动机叶片主要市场将逐步向中国转移，中国航空发动机叶片市场规模也将保持稳定增长。 １.涡轮叶片是航空发动机重要零部件 航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的推动力，人类航空史上的每一次变革都与航空发动机的技术进步密不可分。因此，航空发动机被称为“工业之花”，也被誉为“工业皇冠上的明珠”。发动机的价值量占整机价值的 20%-30%，飞机机型越大，发动机的价值占比越低。 图 1：民用客机各部分价值量占比 航空发动机可分为三种类型：活塞式发动机、燃气涡轮发动机和冲压发动机。活塞式发动机是最早应用的航空发动机，二战后随着燃气涡轮发动机的发展，活塞式发动机逐步退出主要航空领域，目前仅在功率需求较低的小型低速通用飞机上使用。燃气涡轮发动机是当前应用最广的航空发动机，包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机，都具有压气机、燃烧室和燃气涡轮。其中涡轮风扇发动机产量占比超 50%，是应用最广、最为核心的航空发动机。冲压发动机的特点是无压气机和燃气涡轮，不能自行气动且低速性能不好，仅适用于高速高空飞行。 图 2：航空发动机分类 涡扇发动机由风扇、压气机、燃烧室、导向叶片、高压涡轮盘及叶片、低压涡轮盘及叶片、加力燃烧室、尾喷管八部分组成。在发动机工作过程中，风扇将空气吸入，一部分被吸入的空气进入低压压气机，经加压加速后吹入燃烧室中，作为氧化剂与燃料混合后进行燃烧。从燃烧室出来的气流，经过导向叶片后，以最合适的角度吹向高压涡轮叶片，带动高压涡轮盘及涡轮轴转动，进而带动高压压气机转动。此后，气流流经低压涡轮叶片，带动低压涡轮盘和涡轮轴转动，从而引起低压压气机和风扇转动。之后气流进入加力燃烧室，重新燃烧并从尾喷管喷出来，产生推力推动飞机前进。 图 3：涡扇发动机结构 在航空发动机中，叶片是一种特殊的零件，它数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，一直以来是发动机生产的关键。数量众多的叶片在发动机中完成对气体的压缩和膨胀，并且以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进，因此叶片在发动机工作过程中发挥着至关重要的作用。从价值量上来看，以 CFM56 系列发动机为例，叶片在发动机中的价值量占比约为 35%。 图 4：航空发动机各部件价值量占比 按照部件划分，航空发动机叶片可分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。按照运动方式划分，航空发动机叶片可分为动叶和静叶。风扇和压气机的静叶称作整流叶片，涡轮的静叶称作导向叶片，涡轮盘上的动叶称作工作叶片。 图 5：GE 公司 F110 发动机结构 表 1：航空发动机叶片分类 由于涡轮在航空发动机中既是自持部件，依靠自身转动带动压气机转动从而实现发动机的自持工作；同时又是主要的做功部件，依靠自身转动对外输出机械能量，所以涡轮及涡轮叶片的重要性不言而喻。此外，涡轮叶片是发动机中工作条件最恶劣的部件，需要承受高温燃气冲刷和温度交变，其中工作叶片还要承受高转速下的离心力作用，涡轮叶片的性能水平，特别是其承温能力成为发动机先进程度的重要标志。因此，发动机中最重要的，同时也是制造难度最大的叶片就是涡轮叶片，当前可以通过材料技术、冷却技术和涂层技术三条技术路线来提高涡轮叶片承温能力。材料技术指通过研制新型耐高温材料，改善合金的综合性能，从而提高涡轮叶片的承温能力；冷却技术指通过对叶片设计和制造的优化和改良来提高涡轮叶片的承温能力，从而提高涡轮进口温度，提升发动机性能；涂层技术指通过在涡轮叶片的表面施加防护涂层来提高其高温氧化和耐热腐蚀能力，以达到降低基底材料温度，提升涡轮进口温度的目的。材料技术、冷却技术和涂层技术均已经历了几次技术迭代，考虑到冷却技术与涡轮叶片结构的设计相关，不涉及具体材料的使用，涂层技术对涡轮叶片使用温度的提升作用相对稳定，材料技术是未来提高涡轮叶片承温能力，从而提高发动机整体性能的关键。 ２.涡轮叶片材料技术不断发展 2.1. 高温合金是制造涡轮叶片的重要材料 推重比是指飞机发动机推力与发动机重力之比，表示飞机发动机单位重力所产生的推力，是衡量发动机性能的重要技术指标。鉴于当前可实现涡前燃气温度高于涡轮叶片承载温度，使用高性能叶片材料可以提高涡轮进口温度，使航空发动机在重量不变的情况下获得更大的推力，从而提高推重比。相关研究显示，涡轮进口温度每提高 100℃，航空发动机的推重比能够提高 10%左右。现有推重比 10 一级的发动机涡轮进口平均温度达到 1600℃，预计未来新一代发动机的涡轮进口温度有望达到1800℃左右。 自 20 世纪四五十年代起，国内外就对航空发动机涡轮叶片材料的研究投入了大量的精力。涡轮叶片属于航空发动机中的热端部件，需要在高温高压的环境下工作，极其恶劣的工作环境使得对涡轮叶片材料的要求也非常苛刻：（1）良好的力学性能，包括高温蠕变性能、机械疲劳性能、热疲劳性能和抗冲击性能，以及良好的高温塑性；（2）良好的抗热腐蚀和抗氧化性能；（3）良好的工艺性能，如铸造性能、焊接性能，以及尽可能高的导热系数、尽可能低的热膨胀系数和较小的密度等良好的物理性能；（4）较高的初熔温度，能够承受短时超温；（5）良好的组织稳定性。高温合金能够较好的满足上述要求，因此涡轮叶片一般采用高温合金通过精密铸造加工而成。 图 6：航空发动机中材料的应用 高温合金是指能在 600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。按照基体元素，高温合金可以分为铁基高温合金（14.3%）、镍基高温合金（80%）和钴基高温合金（5.7%）。铁基高温合金使用温度一般只能达到 750-780℃，难以满足涡轮叶片对材料承受高温能力的要求。钴基高温合金虽然耐热性能较好，但由于钴资源产量比较少，加工比较困难，整体用量不多。因此，当前绝大部分涡轮叶片使用镍基高温合金作为原材料进行生产。按照制备工艺，高温合金可以分为变形高温合金（70%）、铸造高温合金（20%）和粉末高温合金（10%）。变形高温合金指可以进行冷热变形加工，具有良好的力学性能和综合强度、韧性，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金；铸造高温合金指以铸造方法直接制备零部件的一类合金；粉末高温合金是指用粉末冶金工艺制成的高温合金。 表 2：高温合金主要产品及应用领域 图 7：高温合金市场份额（基体元素） 图 8：高温合金市场份额（制备工艺） 高温合金于 20 世纪 40 年代问世，其凭借较为优异的高温使用性能全面替代高温不锈钢，使得涡轮叶片使用温度大幅提高，达到了 800℃的水平。20 世纪 50 年代，随着真空冶炼水平的提高和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐开始成为涡轮叶片的主选材料。20 世纪 60 年代，定向凝固高温合金出现，使得涡轮叶片承温能力达到了 1000℃的水平。20 世纪 70 年代，在定向凝固技术的基础上，很快又发展出单晶高温合金，至今仍被广泛应用于涡轮叶片的制造。 图 9：航空发动机涡轮叶片材料发展历程 表 3：各代发动机涡轮叶片材料对比 2.1.1. 变形高温合金被用作涡轮叶片材料为满足涡轮喷气发动机热端部件的要求，20世纪30年代末镍基高温合金开始发展。1939 年英国 Mond 镍公司首先在 20%Cr-80%Ni 电热合金中添加了少量 C 和 Ti 研制出了镍基合金 Nimonic75，随后又研究出一种含有 Al 和 Ti 合金元素的 Nimonic80合金，并于 1942 年将其成功的用作涡轮叶片材料。美国和前苏联高温合金发展与英国相似，世界范围内逐渐形成了 Nimonic、Inconel、Mar-M、Udimet 等一系列牌号的合金。这类合金都是通过锻造、轧制等工序加工成航空发动机所需的涡轮叶片等部件，因此被称为变形高温合金。然而，随着航空工业的发展，涡轮叶片工作温度和强度不断提升，叶片结构复杂程度也不断增加，使得通过锻造成型的变形高温合金无法满足要求，铸造高温合金叶片应运而生。 2.1.2. 铸造高温合金逐渐成为主流20 世纪 50 年代，真空熔炼和熔模精密铸造技术的先后出现，使合金的性能和铸件的质量大幅提高，铸造高温合金得到迅速发展，并逐渐成为高温合金的主流，高温合金进入铸造时代。镍基铸造高温合金发展可分为三个阶段：（1）在镍基高温合金发展初期，通过适当调整和添加合金成分完全能够满足涡轮叶片材料的设计要求，而铸造过程对改善叶片性能贡献不大；（2）随着镍基高温合金的发展，仅仅靠合金成分的发展不能适应叶片材料性能的进一步要求，于是合金的铸造过程控制也成为材料技术的一个关键；（3）随着镍基高温合金的继续发展，高温合金的使用温度已经接近极限，通过调整合金成分来提升合金性能的空间已变得十分有限，因此必须通过采用新工艺，如定向凝固技术来提升合金性能。 2.1.3. 定向凝固技术使涡轮叶片性能得到提高普通铸造获得的是大量的等轴晶，其自身由多个晶粒组成，存在多个晶界，而晶界处杂质较多、原子扩散较快、原子排列不规则等缺陷，成为普通铸造高温合金工作过程中的薄弱环节。对高温合金涡轮叶片的事故分析发现，涡轮高速旋转时叶片受到的离心力使得横向晶界比纵向晶界更容易开裂。定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度，使晶粒按主承力方向择优生长，改善了合金的强度和塑性，提高了合金的热疲劳性能，并且基本消除了垂直于主应力轴的横向晶界，减少了铸造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷。采用定向凝固高温合金制造的涡轮叶片可承受温度达到了 1000℃，相比上一代高温合金有了约 200℃的提升，涡轮叶片的性能得到进一步提高。 2.1.4. 单晶高温合金发展迅速，获得广泛运用单晶高温合金是在等轴晶和定向凝固高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料，目前单晶高温合金已经发展到第六代。20 世纪 80 年代初期，合金化理论和热处理工艺得到突破，此时的工艺可以在定向凝固高温合金的基础上完全消除晶界，单晶高温合金涡轮叶片制造技术由此诞生，涡轮叶片的承载温度达到 1030℃左右，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80 年代后期，第二代单晶高温合金通过加入 3%的铼元素，使得涡轮叶片的微观结构稳定性进一步提升，持久强度与抗氧化腐蚀能力达到了一个较好的平衡，承载温度再次提高 30℃左右，达到了 1060℃左右的水平，以 PWA1484、ReneN5 为代表的第二代单晶高温合金在先进航空发动机上得到大量使用。在第三代单晶高温合金中，以 CMSX-10 和 ReneN6 为例，通过提高原子半径大的难熔元素的总含量，特别是加入 5%以上的铼，其合金成分进一步优化，涡轮叶片使用温度达到 1100℃左右，显著提高了涡轮叶片的高温蠕变强度，并获得高强度抗热疲劳、抗氧化和热腐蚀性能。美国和日本已先后研制出第四代单晶高温合金 EPM-102 和 TMS-138，通过添加钌，进一步提高了合金微观结构的稳定性，增加了长时间高温下的蠕变强度，使用温度提高到了 1140℃。目前，日本已成功研制了承温能力更高的第五代、第六代单晶高温合金 TMS-162、TMS-238。 图 10：等轴晶、定向凝固、单晶高温合金叶片晶体结构对比 表 4：各代单晶高温合金成分 2.2. 铼被加入高温合金用于涡轮叶片制造第二代及之后单晶高温合金与第一代单晶高温合金相比，一个显著的变化就是添加了金属铼。铼是一种稀有元素，其熔点高达 3180℃，是仅次于钨（W）的难熔金属元素，耐热性能强，在高温下比较稳定。铼的高温蠕变性能优于钨（W）、钼（Mo）和铌（Nb）等难熔元素，兼具优良的耐磨性及抗腐蚀性，非常适用于制造工作环境苛刻的航空发动机零部件，尤其对高性能涡轮叶片的研制具有重要意义。 铼是镍基单晶高温合金中最有效的固溶强化元素之一，其倾向于在 γ 基体中集中，形成的铼原子团约 1nm 且短程有序，这种原子团簇的强化能力较传统固溶强化手段更加突出。此外，铼的加入还能起到降低其他合金元素的扩散效率、减少单晶铸件的晶粒缺陷和表面再结晶、改善合金的抗热腐蚀性能等作用。以国内研制的单晶高温合金为例，第一代单晶高温合金 DD3 未添加铼，第二代单晶高温合金 DD6添加了 2%的铼，第三代单晶高温合金 DD9 添加了 4.5%的铼。研究结果显示，在同等温度和压力的测试条件下，DD9 合金的蠕变断裂寿命几乎是 DD6 合金的两倍。随着人们对铼的认识不断深入，其已成为单晶高温合金中不可或缺的重要元素，目前日本研制的最新一代单晶高温合金 TMS238 中，铼的含量已提升至 6.4%。 图 11：各代单晶高温合金中铼用量及使用温度 鉴于铼在航空航天领域的重要性，各国均将铼视为战略资源，但是其储量稀少，加工困难，导致价格高昂，制约了其在航空航天领域的广泛应用。根据美国地质调查局发布的《矿产品摘要 2023》，2022 年全球铼的产量为 58 吨，同比下降 2.52%。其中智利产量最多，达到 29 吨，市场份额为 50%；波兰、美国、乌兹别克斯坦、韩国、中国产量分别为 9.5、9、4.9、2.8 和 2.5 吨，产量占比分别为 16.4%、15.5%、8.4%、4.8%和 4.3%。目前，美国通过长期合同的形式，垄断了包括智利在内的大部分铼供给，每年从智利、哈萨克斯坦等国进口大量的铼资源。 图 12：2016-2022 年全球铼产量 图 13：2022 年全球铼产量分布 2016 年至今，虽然铼价格整体呈逐步下降的趋势，但当前仍然达到了 17000 元/千克，全球铼资源储量及产量的稀缺使其价格一直维持在较高水平。考虑到我国铼资源较为稀缺，较高的价格使得含铼单晶高温合金十分昂贵，制造成本压力大增，对其在航空航天领域的应用形成一定程度的阻碍。 图 14：2016 年至今铼价格 除了储量稀少和价格昂贵的缺点外，铼也是有害的拓扑密排相（TCP）的重要形成元素，加入过量的铼对单晶高温合金组织的稳定性不利，还会在合金经过长期高温服役后降低合金的持久性能，从而加速合金的失效。因此，从第四代单晶高温合金开始，钌（Ru）被当作解决 TCP 的途径加入到单晶高温合金中。但是，钌的加入可能导致拓扑反转的发生，尤其是在高温下，会影响单晶高温合金的蠕变断裂寿命。此外，铼的密度为 21.0g/cm³，仅次于锇（Os）、铱（Ir）和铂（Pt），如此高的密度与涡轮叶片设计轻质化的趋势相悖。因此，全球范围内对于涡轮叶片材料的研究从未停止。 2.3. CMC 材料有望成为涡轮叶片材料发展方向 2.3.1. CMC 材料相较高温合金具有优势 基于当前涡前燃气温度发展快于涡轮叶片承受温度、涡轮进口温度已逐步接近高温合金熔点、向高温合金中加入难熔金属元素存在各种限制等既定事实，陶瓷基复合材料（CMC）成为新一代航空发动机涡轮叶片的首选材料，也是未来航空发动机的核心技术之一。 目前，飞机中各类先进复合材料的用量占比已达到 50%，复合材料在航空航天领域占有十分重要的地位。陶瓷基复合材料是以先进耐高温的陶瓷为基体，与各种具有高强度、高弹性的纤维复合的一类复合材料。按照基体材料划分，可以分为氧化物陶瓷基复合材料、非氧化物陶瓷基复合材料和玻璃陶瓷基复合材料，其中非氧化物陶瓷基复合材料包括碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、氮化硼（BN）等，这类材料具有强度高、硬度高、耐高温性能优异等特点。为了克服陶瓷脆性大的缺点，拓宽其使用范围，需要在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增强增韧。目前实现陶瓷基复合材料强韧化的途径有纤维增强和颗粒弥散等，其中纤维增强较为常见，主要的纤维种类包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、氧化物纤维等。 图 15：飞机中复合材料的用量 从陶瓷基体角度来看，碳化硅拥有良好的耐高温性、抗氧化性和力学强度，是目前制备高性能陶瓷基复合材料最佳的基体材料，目前较为常见的陶瓷基复合材料主要有碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiCf/SiC）和碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（Cf/SiC）。Cf/SiC 复合材料具有耐高温和高抗热震性能、高耐磨性和高硬度、耐化学腐蚀特性、高导热、低热膨胀系数等优异性能。 SiCf/SiC 复合材料具有高比强度和比刚度、良好的高温力学性能和抗氧化性能、优异的抗辐照性能和耐腐蚀性能。Cf/SiC 复合材料在高温环境中易氧化导致性能下降甚至失效，在制造过程中也很难消除纤维中的氧以及确保保护涂层完全覆盖且不破损。因此，在高温环境中长时间重复使用的部件一般使用 SiCf/SiC 复合材料，SiCf/SiC 复合材料也被认为是未来航空发动机最有前景的材料之一，是提高发动机性能的关键材料。 图 16：SiCf/SiC 复合材料制造的中心锥 与镍基高温合金相比，SiCf/SiC 复合材料拥有显著优势。（1）更高的承温能力：SiCf/SiC 复合材料耐温极限比镍基高温合金提高约 150℃，可以提高航空发动机的效率；（2）更低的密度：SiCf/SiC 复合材料的密度约为 3g/cm³，仅为高温合金的 1/4-1/3，较低的密度可以显著降低发动机重量从而大幅提高推重比；（3）高温下优异的持久强度；（4）灵活性高：纤维纺织技术的引入使 SiCf/SiC 复合材料的设计性和结构适应性大幅提高。此外，SiCf/SiC 复合材料在保持传统陶瓷材料（氮化硅、碳化硅等）耐高温、高强度和刚度、密度低、抗腐蚀等优良性能的同时，克服了其脆性大的致命弱点，提高了其韧性和可靠性。 表 5：镍基高温合金和陶瓷基复合材料对比 对于军用发动机来说，提高推重比是重中之重，使用 SiCf/SiC 复合材料可以提高涡轮叶片使用温度，进而通过提高涡轮进口温度来提高推重比。对于民用发动机来说，降低油耗从而降低燃油成本则更为关键，使用 SiCf/SiC 复合材料可以实现减重的目的，提升发动机效率，进而减少油耗。因此，由于 SiCf/SiC 复合材料拥有比高温合金更高的使用温度和更轻的质量，拥有比陶瓷材料更高的韧性和可靠性，目前已呈现出从低温向高温、从冷端部件向热端部件、从静子向转子的发展趋势。未来 SiCf/SiC 复合材料在航空发动机热端部件的发展前景广阔，潜在使用位置包括航空发动机燃烧室、高低压涡轮（主要包括导向叶片、转子叶片及涡轮外环）、喷管等。 图 17：陶瓷基复合材料潜在使用位置 2.3.2. CMC 材料已被广泛研究和应用从 20 世纪 50 年代开始，欧美国家已经开展 CMC 在航空发动机热端部件上应用的研究，其中法国 Snecma 公司和美国 GE 公司在该领域研究起步最早，技术成熟度和应用程度相对较高。美国从 1979 年至今针对 CMC 材料在航空发动机上的应用进行了大量的研发投入，相继开展了 HITEMP、HSR-EPM/CPC、UEET 和 ERA 等计划。其他发达国家也针对 CMC 材料在航空发动机上的应用积极开展研究，主要有英国 AST 计划、法国 ASTF 计划和日本 AMG 计划等。最终形成了一整套 CMC 材料力学行为及其在航空发动机部件上应用的研究体系，直接促进航空发动机的快速发展。20 世纪 90 年代，法国 Snecma 公司研发了 CERASEP 系列的 CMC，并将该材料成功应用在了 M-88 型发动机的喷管调节片上，标志着 CMC 在航空方面的应用已经开始。此后，GE 公司、罗罗公司和 Hyper-Therm HTC 公司针对 CMC 材料在航空发动机热端部件的应用开展大量研究。 图 18：CMC 材料在航空发动机热端部件中的应用 关于航空发动机中 CMC 材料的应用和研究，GE 公司一直走在世界前列，其进行了大量的试验，先后考核了涡轮外环、燃烧室火箭筒、涡轮导向叶片、低压涡轮转子叶片等构件，其中最先进入商业化批产的是 CFM 国际公司 LEAP 发动机的一级高压涡轮外环。LEAP-1A 和 LEAP-1B 分别为空客 320neo 和波音 737MAX 提供动力，LEAP-1C 则是中国 C919 飞机中唯一的西方动力装置。2020 年初世界上最大最先进和效率最高的双发飞机波音 777X 顺利完成首飞，搭载的发动机 GE9X 是目前世界上最大的全新一代商用航空发动机。其燃烧室和高压涡轮部分采用了 CMC 材料，GE9X 发动机的重量比采用高温合金减轻约 1/3，减小冷气消耗量达 15%，燃油消耗显著降低，同时发动机推力、推重比和燃油热效率均取得显著提高，这在世界航空发动机发展中具有里程碑意义。 图 19：GE9X 发动机中使用 CMC 材料的部件 3. 飞机数量预期增长带动航发及涡轮叶片需求 军机在国防现代化建设中发挥着重要作用，目前我国军机数量与美国等发达国家相比，仍然存在一定差距。根据《World Air Forces 2022》，2021 年全球军机数量总计53271 架，其中美国保有 13246 架，占全球近 25%，中国军机保有量仅为 3285 架。分机型来看，中国各类军机数量与美国相比均相差甚远。随着国家对军事战略重视程度的逐步提升，叠加我国军机存在扩编和换装需求的预期，我国军费支出保持稳定增长趋势，由 2017 年的 10211 亿元增长至 2022 年的 14500 亿元，CAGR7.27%。根据相关资料，预计未来 20 年中国军机需求量约为 2900 架，总需求规模为 2290 亿美元。 图 20：2021 年中美军机数量对比 图 21：2017-2022 年中国军费支出 表 6：未来 20 年中国军机需求预测 近年来，随着民航运力快速增长及航线网络的进一步完善和优化，中国民用飞机产业未来 10-20 年将迎来一个快速发展时期。根据相关资料预测，未来 20 年我国航空市场将接收 50 座级以上客机 9084 架，总价值约 1.4 万亿美元。其中涡扇支线客机953 架，单通道喷气客机 6295 架，双通道喷气客机 1836 架。 表 7：未来 20 年中国民机需求预测 航空发动机是飞机最重要的组成部分，随着国家对航空发动机自主研发的力度逐渐加大、“两机”重大专项和“飞发分离”等政策的逐步落实以及军机和民机需求的快速增长，航空发动机产业发展日渐加速。2020 年，中国航空发动机市场规模受疫情影响下滑至 393.67 亿元，同比下降 27.13%。此后两年，中国航空制造业逐步从疫情中恢复，航空发动机市场规模也上升至 2022 年的 478.2 亿元，同比增长 7.31%。 图 22：2017-2022 年中国航空发动机市场规模 未来，考虑到中国飞机数量将逐步增加，且一些中国企业已实现对航空发动机叶片材料及制造工艺的技术突破，国际航空发动机叶片主要市场将逐步向中国转移，中国航空发动机叶片市场规模也将保持稳定增长。2016-2022 年，中国航空发动机叶片市场规模由 893.4 亿元增长至 1253.7 亿元，CAGR5.81%。预计 2023 年，市场规模将进一步增长至 1321.3 亿元。 图 23：2016-2023E 中国航空发动机叶片市场规模 表 8：航空发动机涡轮叶片主要生产企业 此前，高性能、长寿命的涡轮叶片长期被欧美企业垄断，GE、普惠、赛峰、罗罗等国际航空发动机巨头均有直属涡轮叶片工厂，PCC 则是最大的独立涡轮叶片供应商。俄罗斯生产的涡轮叶片性能可以满足要求，但是其生产成本较高，使用寿命也较短。经过多年发展，国内涡轮叶片技术进步显著，主要生产企业包括应流股份、江苏永瀚、万泽股份、炼石航空和北京航材院等。 声明: 本文来源于航空发动机人, 仅供交流分享, 若涉及版权等问题请留言, 我们会及时处理 来源：两机动力先行
