深度报告：航空发动机全球格局、材料与核心零部件的发展及关键产业链解析

1、在国际形势风云变幻，“百年 未有之大变局”的时代背景下能够实现自主创新的航空工业是保障国家安全的 核心要素；

 

2、航空发动机产业链长，覆盖面广，涉及机械、材料电子、信息等诸多行业，对基础工业和科学技术的发展有巨大带动作用和产业辐射效应【从单位重量创造的价值量来看：船舶 1vs 航空发动机 1400】。

 

目前世界商用航空发动机市场主要被欧美少数几家公司垄断，而在军用航 空发动机上，我国虽已实现自主突破，但在关键性能指标上仍有较大差距。

 

1、商用发动机方面，2021年全球总共交付 1812 台商用航空发动机，全部被 GE、CFM、PW 和罗罗占据；

2、军用航空发动机方面，我国核心主力机型仍与国外先进机型存在代次差异。

下一代先进战机发动机。2021 年 5 月 13 日，GE 航空集团宣布首台 XA100 自适应循环发动机已经完成测试，试验结果与预测的一致，并实现了美国空军自适应发动机转化（AETP）项目的关键指标。GE 航空集团还演示验证了发动机高推力和高效率两种不同模式，以及在这两种模式之间的无缝转换， 此项核心能力将在最大程度上满足战斗机在不同飞行状态下的推力和效率需求。通过 3 项创新：1）变循环关键技术；2）三涵道结构；3）先进部件技术，XA100-GE-100 发动机为其配备战机提升 50%的留空时间、30%的航程、25%燃油效率、10%的推力。XA100 代表着全新的航空发动机设计原理，相比于 F135/F136 具备代次优势。按照双 S 形曲线创新模式，美军战斗机发动机的发展，在经历从 F100/F110 到 F119/YF120 以及 F135/F136 的第 1 条 S 曲线内的常规涡扇发动机渐进创新发展之后，跃迁到了自适应发动机时代，从而进入了第 2 条 S 曲线的突破性创新发展。

一代材料，一代航空发动机。材料是决定航空发动机性能、耐久性/维修性 和成本的重要因素之一，航空发动机性能改进的 50%～70%依靠新材料带来的 性能提升。新材料、新工艺和新结构对推重比 12～15 发动机的贡献将达到 70%～80%，其中复合材料的用量可达到 15%～20%。

 

航空发动机早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造；后期为 适应增加发动机推力、提高飞机飞行速度的需要，钛合金、高温合金和复合材 料相继得到应用。目前，钛合金和高温合金由于其在航空航天领域优秀的性 能，在航空发动机关键零部件得到了广泛应用。复合材料作为运用先进的材料 制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，可以根据不同的使用 场景研制不同成分的复合材料以满足发动机不同部位的需求，被视为未来航空 发动机材料发展的重要方向。

 

航空发动机制造成本中 50%来自原材料成本，而其中钛合金、高温合金价值量占比较高，分别约 30%/35%。

 

航空领域，钛合金是飞机和发动机的主要结构材料之一，主要用于飞机的 起落架部件、机身的梁、框和紧固件等，发动机风扇、压气机、叶片、鼓筒、 机匣、轴等，以及直升机桨毂、连接件等。近年来，国内航空航天钛材销量持 续增长。随着国内军用新机型的定型批产，2020 年钛材销量增速明显加快，达 到 15546 吨，同比增长 54.09%，2021 年钛材销量持续维持高速增长，达到 20647 吨，同比增长 32.81%。

高温合金是指以铁、镍、钴为基，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；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀 性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织， 在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。高温合金是制造航空航天发动机热端部件的关键材料，是航空航天材料的 重要成员，也可以广泛应用在石油化工、电力、冶金等领域。高温合金自诞生 以来，从原来的铁、镍、钴为基，不断发展和演变，以及引入新的加工工艺， 从传统的铸造高温合金和变形高温合金，发展出粉末高温合金、氧化物弥散强 化（ODS）合金、金属间化合物等新型高温合金，从而大大扩展了高温合金的 内涵。

 

高温合金由于其优良的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等性能，已经逐步应用到 电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域，从而大大提升了市场对高 温合金的需求。随着高温合金材料的发展，新型高温合金材料的出现，高温合 金的市场需求处于逐步扩大和增长状态。

 

 

随现代新型战机对航空发动机性能要求的进一步提高，传统金属材料的应 用占比或将受到抑制，而金属基、陶瓷基以及树脂基为代表的符合材料的应用 占比可能会快速提升。参考美国 GE 公司的自适应通用发动机技术计划中，GE 航空集团在低压涡 轮和高压涡轮前缘采用了陶瓷基复合材料。在后续的自适应发动机技术发展项 目中，陶瓷基复合材料的应用进一步扩大，在高压涡轮导向叶片、排气部件上都有应用。而在树脂基复合材料的探索中，GE 于 2015 年完成全尺寸树脂基复 合材料部件的评估，主要应用于航空发动机冷端：风扇叶片、风扇机匣、风扇 帽罩等，相比于金属材料，具有较强的减重优势。相交于传统金属材料，复合材料优势明显：1）复合材料具有更高的极限工 作温度，契合新型发动机对极致工作性能的追求；2）树脂基等复合材料有较 强的减重优势，带来经济效应明显。

 

空战中飞机损失的原因大部分是由于飞机被观测。降低平台特征信号，就 降低了被探测、识别、跟踪的概率，因而可以提高生存能力。目前隐身涂料按 其功能可分为雷达隐身涂料、红外隐身涂料、可见光隐身涂料、激光隐身涂 料、声纳隐身涂料和多功能隐身涂料等。隐身材料的未来发展趋势必然是围绕传统探测器和即将发展起来的新型探 测器展开，进一步扩展隐身材料在更宽角度、更宽频段的隐身性能，全方位、 全频谱隐身不断努力。隐身材料未来发展趋势可以归纳为以下三个方面：

 

1、耐高温隐身材料：武器装备高温部件结构特殊、使用温度高，在战场 上是极易被探测系统发现和识别的薄弱部件，由于服役环境恶劣，应 用于这些部位隐身材料的隐身性能、耐温性能、力学性能以及化学性 能稳定性等都极难满足，并且随着更高推重比和高超声速武器的发 展，对高温隐身材料的要求越来越高、需求不断提升。因此，耐更高 温度的隐身材料的研制开发和应用是隐身材料发展的重点方向。

 

2、结构隐身复合材料：结构隐身材料由于隐身-承载一体化的优异性能备 受关注。结构隐身复合材料以力学性能优异、隐身-承载一体化、材料/ 设计/制造一体化、质量轻等一系列优点，成为很多亟需减重和隐身装备的重要候选材料，是未来需要重点发展的隐身材料之一，尤其是耐 高温的结构隐身复合材料。

 

3、多频谱兼容隐身材料：随着电子信息技术的不断发展，探测技术向形 式多样、种类繁多及精度越来越高的方向发展，单一的隐身功能已经 无法满足应用需求，多频谱兼容的隐身材料成为未来发展的趋势。多 频谱兼容包括两个层面，一是在单一隐身功能基础上向更宽频段扩 展，比如红外隐身兼顾红外和远红外波段，雷达隐身在实现重点探测 频段隐身的同时向更低频段隐身扩展；二是多种隐身功能的兼容，比 如雷达/红外兼容、雷达/红外/可见光兼容以及红外/可见光兼容隐身 等，后者研制难度更大，也是未来多频谱兼容隐身材料研究的重点。

 

以喷气式发动机为例，航空发动机主要分为五大部件，分别是进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。

【压气机】位于航空发动机进气道后方主要作用是吸收压缩空气提升气体压力

【燃烧室】位于压气机的后端涡轮的前端，是发动机中提高燃气温度的重要装置，从燃烧室流出的高温、高压燃气流入涡轮进行膨胀做功。

【涡轮】航空发动机重要动力来源，处于航空发动机中工作温度最高、转速最快的部位从涡轮中喷出的高温高压燃气，在尾喷管中继续膨胀，以高速从喷口向后排出，使得航空发动机获得了推力；此外由压气机燃烧室以及驱动压气机的高压涡轮组成的装置用来提供高温高压

【燃气】称为燃气发生器