离心铸造_硅基陶瓷型芯的相结构与性能

　　陶瓷型芯行业在我国起步较晚，行业仍处于发展阶段，国内具批量生产稳定供应能力的企业较少。国际上主要从事或陶瓷型芯的企业主要有 MorganAdvanced Materials 等，但由于陶瓷型芯在我国的应用方向涉及军工领域，国外难以在国内开展相关业务。陶瓷型芯苛刻的使用条件对其高温结构稳定性、化学相容性、溶出性、表面质量等提出了严格的要求。硅基陶瓷型芯的相结构与性能，在很大程度上取决于陶瓷型芯坯体中基体材料石英玻璃转化的方石英数量及其分布。陶瓷型芯烧成过程中形成的方石英数量，影响陶瓷型芯的烧成强度及高温结构稳定性，进而对涡轮叶片浇铸合格率产生重大影响。

　　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，离心铸造自 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。

　　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，陶瓷型芯制技术的发展也正面临着新的机遇。

　　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。

　　涡轮叶片气冷结构由传统的对流、回流、离心铸造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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　陶瓷型芯应用于军用、商用航空发动机和燃气轮机涡轮叶片等的研发制造，关系国防安全、运输安全和能源安全，国家出台一系列政策引导支持上述行业及配套行业的发展。我国于 2016 年 7 月颁布的《“十三五”国家科技创新规划》，将航空发动机和燃气轮机列为面向 2030 年的“重大科技项目”之一，要求在该领域“开展材料、制造工艺、试验测试等共性基础技术和交叉学科研究，攻克总体设计等关键技术。”，2021 年 3 月颁布的《我国国民经济和社会发展十四五规划和2035年远景目标纲要》，将航空发动机和燃气轮机列为“制造业核心竞争力提升”的重点领域之一，要求“加快先进航空发动机关键材料等技术研发验证，推进民用大涵道比涡扇发动机 CJ-1000 产品验证，突破宽体客机发动机关键技术，实现先进民用涡轴发动机产业化。建设重型燃气轮机试验电站”，“两机”行业步入快速发展阶段。

　　在新时代中国国防和军队建设的战略目标的引领下，我国制订了一系列支持性政策，《关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》明确提出确保 2027 年实现建军百年奋斗目标、加速武器装升级换代和智能化武器装发展、2035 年基本实现国防和军队现代化。在此大背景下，我国更新换代军用飞机、舰艇的需求增大，为军用航空发动机、燃气轮机市场及其零部件、生产耗材行业发展提供政策性保障。《我国国民经济和社会发展十四规划和2035年远景目标纲要》提出“推动 C919 大型客机示范运营和 ARJ21 支线客机系列化发展”，我国商用飞机的发展迎来关键阶段，商用航空发动机及零部件、生产耗材行业市场迎来发展良机，市场潜力巨大。

　　国家能源局、科学技术部印发《“十四五”能源领域科技创新规划》，提出“突破燃气轮机设计、试验、制造、运维检修等瓶颈技术，提升燃气发电技术水平”，并提出多个燃气轮机技术的推进方案。在我国“碳达峰”对清洁能源的总体规划目标下，工业燃气轮机及其零配件、生产耗材市场迎来发展契机。

　　（2）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，陶瓷型芯直接受益

　　根据《World Air Forces》的数据，相较于美国，我国军用飞机数量少，代际落后。中国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。

　　（3）商用航空发动机、燃气轮机的国产替代、自主可控，催生陶瓷型芯巨大市场空间

　　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 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，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。

　　（4）中国航发集团“小核心、大协作”的经营原则，有利于陶瓷型芯配套商发展

　　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，将显著提升配套商的市场空间。

　　（1）“两机”领域研发投入大、验证周期长的特点，对陶瓷型芯配套企业的研发能力提出较高要求

　　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，离心铸造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，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，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。

　　更多行业资料请参考普华有策咨询《2022-2028年陶瓷型芯行业市场调研及发展趋势预测报告》，同时普华有策咨询还提供产业研究报告、产业链咨询、项目可行性报告、十四五规划、BP商业计划书、产业图谱、产业规划、蓝白皮书、IPO募投可研、IPO工作底稿咨询等服务。

　　第五节 2017-2022年上半年陶瓷型芯行业财务能力分析与2022-2028年预测

　　第九章 普●华●有●策对2022-2028年陶瓷型芯行业产业结构调整分析

　　第十四章 普●华●有●策对 2022-2028年陶瓷型芯行业发展趋势及投资风险分析
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