陶瓷型芯技術(shù)發(fā)展趨勢及市場趨勢面臨的機遇和挑戰(zhàn)

陶瓷型芯行業(yè)在我國起步較晚，行業(yè)仍處于發(fā)展階段，國內(nèi)具備批量生產(chǎn)穩(wěn)定供應(yīng)能力的企業(yè)較少。國際上主要從事或陶瓷型芯的企業(yè)主要有Morgan Advanced Materials等，但由于陶瓷型芯在我國的應(yīng)用方向涉及軍工領(lǐng)域，國外公司難以在國內(nèi)開展相關(guān)業(yè)務(wù)。

陶瓷型芯苛刻的使用條件對其高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、化學相容性、溶出性、表面質(zhì)量等提出了嚴格的要求。硅基陶瓷型芯的相結(jié)構(gòu)與性能，在很大程度上取決于陶瓷型芯坯體中基體材料石英玻璃轉(zhuǎn)化的方石英數(shù)量及其分布。陶瓷型芯燒成過程中形成的方石英數(shù)量，影響陶瓷型芯的燒成強度及高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而對渦輪葉片澆鑄合格率產(chǎn)生重大影響。（上圖來源：Lithoz）

陶瓷型芯技術(shù)發(fā)展歷程

提高渦輪燃氣溫度一直是航空發(fā)動機、燃氣輪機研究的重點?，F(xiàn)階段，提高渦輪燃氣溫度主要通過三種手段：一是開發(fā)新的高溫合金材料，以不斷提升葉片的承溫能力，二是研制新型的熱障涂層，三是改善渦輪葉片的氣冷結(jié)構(gòu)，提高葉片的冷卻效率。

渦輪葉片的制造過程中，傳統(tǒng)的鍛造、機加等手段不能形成復雜的葉片內(nèi)腔形狀，只能采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)。熔模鑄造中，形成空心鑄件內(nèi)腔形狀的陶瓷型芯，其性能和質(zhì)量對鑄件生產(chǎn)的質(zhì)量和合格率起到重要影響。

▲發(fā)動機渦輪葉片

自80年代以來，我國已研制成功XD-1硅基陶瓷型芯和AC-1、AC-2鋁基陶瓷型芯等多種陶瓷型芯，滿足了研制新型航空發(fā)動機的需要。進入21世紀以來，盡管研制陶瓷型芯的單位數(shù)量有所增加，但產(chǎn)品品類齊全、具備量產(chǎn)能力、穩(wěn)定供應(yīng)的陶瓷型芯生產(chǎn)企業(yè)相對較少。陶瓷型芯經(jīng)過多年發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷豐富，行業(yè)內(nèi)一般按化學組成、成型方法等的不同進行區(qū)分。

陶瓷型芯技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代熔模鑄造朝著“優(yōu)質(zhì)、精密、大型、薄壁、無余量”方向的發(fā)展，對陶瓷型芯的性能及工程可靠性提出了新的需求，陶瓷型芯制備技術(shù)的發(fā)展也正面臨著新的機遇?！?承溫性能不斷提升。隨著高溫合金由鐵基合金、鈷基合金和鎳基合金向定向共晶合金及金屬間化合物的發(fā)展，渦輪葉片由等軸晶向定向凝固柱晶及單晶的發(fā)展，高溫合金澆鑄溫度不斷提高，澆鑄過程時間不斷延長，進而對陶瓷型芯的承溫能力要求不斷提高。● 形狀結(jié)構(gòu)復雜化、精細化。渦輪葉片氣冷結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的對流、回流、氣膜冷卻向發(fā)散冷卻、層板冷卻方式的改進，要求陶瓷型芯的形狀及結(jié)構(gòu)更加復雜精細。● 組分多元化。合金材質(zhì)的改進及合金種類的增加，要求陶瓷型芯的化學穩(wěn)定性更高，適用面更寬。陶瓷型芯組分已在常用的氧化硅、氧化鋁的基礎(chǔ)不斷擴展。

● 材料復合化。隨著對陶瓷型芯使用要求的不斷提高，單一材料已難以同時滿足陶瓷型芯制備工藝與使用性能的要求，不同陶瓷型芯材料之間的復合，不同材質(zhì)陶瓷型芯件之間的復合，已成為發(fā)展趨勢之一。

市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

目前陶瓷型芯的主要應(yīng)用領(lǐng)域為航空發(fā)動機和燃氣輪機的渦輪葉片制造。隨著發(fā)動機對推重比等性能指標要求的持續(xù)提升，渦輪溫度不斷增加，導致渦輪葉片的空心氣冷結(jié)構(gòu)日趨復雜精密。

在我國國防預算不斷提升、軍用飛機升級換代需求迫切和訓練量不斷加大的背景下，軍用航空發(fā)動機市場呈現(xiàn)穩(wěn)步增長態(tài)勢，新戰(zhàn)機的大量裝備部隊，以及新發(fā)動機的不斷定型、量產(chǎn)，為陶瓷型芯行業(yè)市場規(guī)模的穩(wěn)定增長態(tài)勢奠定了堅實的基礎(chǔ)。

隨著國產(chǎn)C919、C929、ARJ21等商用飛機研發(fā)試制進度的不斷推進，對CJ-500、CJ-1000、CJ-2000等長江系列國產(chǎn)商用航空發(fā)動機的研發(fā)量產(chǎn)進度提出了明確要求，相關(guān)發(fā)動機型號定型量產(chǎn)交付，將極大地拓展陶瓷型芯的市場空間。燃氣輪機方面，我國各類軍用艦船生產(chǎn)及更新?lián)Q代需求，以及“雙碳”背景下預期燃氣發(fā)電占比持續(xù)提升，將明顯促進軍用及民用市場對各功率級別國產(chǎn)燃氣輪機的需求，進而為陶瓷型芯行業(yè)發(fā)展和市場規(guī)模增長提供新的增長點。此外，其他熔模鑄造領(lǐng)域的發(fā)展，也將帶動陶瓷型芯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

陶瓷型芯行業(yè)面臨的機遇

① 國家產(chǎn)業(yè)政策大力支持

陶瓷型芯應(yīng)用于軍用、商用航空發(fā)動機和燃氣輪機渦輪葉片等的研發(fā)制造，關(guān)系國防安全、運輸安全和能源安全，國家出臺一系列政策引導支持上述行業(yè)及配套行業(yè)的發(fā)展。

《關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標的建議》明確提出確保2027年實現(xiàn)建軍百年奮斗目標、加速武器裝備升級換代和智能化武器裝備發(fā)展、2035年基本實現(xiàn)國防和軍隊現(xiàn)代化。在此大背景下，我國更新?lián)Q代軍用飛機、艦艇的需求增大，為軍用航空發(fā)動機、燃氣輪機市場及其零部件、生產(chǎn)耗材行業(yè)發(fā)展提供政策性保障?！段覈鴩窠?jīng)濟和社會發(fā)展十四規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出“推動C919大型客機示范運營和ARJ21支線客機系列化發(fā)展”，我國商用飛機的發(fā)展迎來關(guān)鍵階段，商用航空發(fā)動機及零部件、生產(chǎn)耗材行業(yè)市場迎來發(fā)展良機，市場潛力巨大。

國家能源局、科學技術(shù)部印發(fā)的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，提出“突破燃氣輪機設(shè)計、試驗、制造、運維檢修等瓶頸技術(shù)，提升燃氣發(fā)電技術(shù)水平”，并提出多個燃氣輪機技術(shù)的推進方案。在我國“碳達峰”對清潔能源的總體規(guī)劃目標下，工業(yè)燃氣輪機及其零配件、生產(chǎn)耗材市場迎來發(fā)展契機。

② 我國空軍發(fā)展對軍用飛機的要求，支持相關(guān)特種陶瓷產(chǎn)品市場穩(wěn)步增長，陶瓷型芯直接受益

根據(jù)《WorldAirForces》的數(shù)據(jù)，相較于美國，我國軍用飛機數(shù)量少，代際落后。中國一流空軍建設(shè)正在持續(xù)推進，目前正處于新型號上量和原有型號更新?lián)Q代的關(guān)鍵時期，對于換發(fā)和新裝發(fā)動機的需求均日益旺盛。近年來我國航空發(fā)動機領(lǐng)域的研發(fā)進度顯著加快，“秦嶺”、“太行”等定型量產(chǎn)發(fā)動機逐漸成熟，多款新型發(fā)動機均已接近定型狀態(tài)，預計不久將實現(xiàn)大規(guī)模批產(chǎn)。未來新產(chǎn)的殲-10、殲-15、殲-16、殲-20、運-20等各類單發(fā)、雙發(fā)戰(zhàn)機，將全部大批量使用國產(chǎn)發(fā)動機，這將為航空發(fā)動機及零部件市場帶來可觀的市場增量，在此支撐下，相關(guān)特種陶瓷產(chǎn)品市場將穩(wěn)步增長。

③ 商用航空發(fā)動機、燃氣輪機的國產(chǎn)替代、自主可控，催生陶瓷型芯巨大市場空間

我國的商用客機長期依賴進口，C919大型客機是我國自行研制、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型噴氣式客機。ARJ21、C929國產(chǎn)民機已分別處于運營和研發(fā)階段，目前我國已經(jīng)搭建起由支線客機ARJ21、單通道噴氣客機C919及雙通道噴氣客機C929組成的國產(chǎn)商用飛機譜系。作為飛機的動力裝置的航空發(fā)動機是飛機制造中最核心的部件之一，事關(guān)公共交通運輸安全，實現(xiàn)自主研發(fā)和國產(chǎn)替代勢在必行。

隨著我國具有完全自主知識產(chǎn)品的商用航空發(fā)動機研發(fā)、生產(chǎn)進度的不斷推進，有望大量替代進口發(fā)動機，航空發(fā)動機配套零部件的市場潛力巨大。艦用燃氣輪機和工業(yè)燃氣輪機，受制于國外將會威脅國家的國防安全和能源安全。燃氣輪機為國家重點推進研發(fā)的重點裝備，其實現(xiàn)自主可控是國家重點發(fā)展方向。多級別規(guī)格的燃氣輪機成功研發(fā)量產(chǎn)，將為相關(guān)特種陶瓷產(chǎn)品市場帶來新的市場增長點。

④ 中國航發(fā)集團“小核心、大協(xié)作”的經(jīng)營原則，有利于陶瓷型芯配套廠商發(fā)展

GE、P&W、RR等航空發(fā)動機制造企業(yè)均在全球范圍內(nèi)尋找配套廠商，該生產(chǎn)協(xié)作方式有助于構(gòu)建專業(yè)、高效的供應(yīng)鏈體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，有助于加快利用社會資源提高航空發(fā)動機生產(chǎn)能力和技術(shù)水平。中國航發(fā)集團在經(jīng)營中亦推行“小核心、大協(xié)作”的經(jīng)營原則，聚焦核心業(yè)務(wù)，引進具有專業(yè)優(yōu)勢的供應(yīng)商和研究團隊，對其科研生產(chǎn)能力形成有效補充和支撐。航空發(fā)動機主機生產(chǎn)企業(yè)將配套業(yè)務(wù)大量外協(xié)，為專業(yè)化科技型中小企業(yè)提供了良好的發(fā)展機遇，將顯著提升配套廠商的市場空間。

陶瓷型芯行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

●“兩機”領(lǐng)域研發(fā)投入大、驗證周期長的特點，對陶瓷型芯配套企業(yè)的研發(fā)能力提出較高要求。航空發(fā)動機、燃氣輪機工作原理復雜、工作環(huán)境惡劣，研發(fā)難度極大，對技術(shù)指標要求苛刻，需要研制單位耗費大量物質(zhì)、人力經(jīng)過長達十余年的刻苦攻關(guān)才能實現(xiàn)成功研發(fā)，又因其可靠性要求極高，需要經(jīng)過反復多次驗證、評價，最終才能達到量產(chǎn)狀態(tài)。相應(yīng)的配套企業(yè)在配合下游研發(fā)過程中，需要結(jié)合下游產(chǎn)品的技術(shù)指標要求，不斷進行配方工藝調(diào)試，反復調(diào)整方案，配合下游產(chǎn)品的驗證、評價工作，對其技術(shù)水平、研發(fā)投入提出了極高的要求。

● 陶瓷型芯行業(yè)內(nèi)企業(yè)普遍規(guī)模較小，競爭力較弱。多數(shù)航空發(fā)動機、燃氣輪機用特種陶瓷產(chǎn)品行業(yè)內(nèi)公司，受制于技術(shù)工藝積累不足、配合下游經(jīng)驗缺乏、資金實力有限等原因，難以實現(xiàn)對下游行業(yè)全技術(shù)工藝產(chǎn)品的覆蓋，普遍業(yè)績及生產(chǎn)規(guī)模較小，抗風險能力較差，競爭力較弱。

審核編輯 ：李倩