陶瓷型芯行业发展情况
思瀚产业研究院 航安型芯    2023-08-21

（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。

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。

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。

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。

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

目前主要专注于“两机”的核心部件涡轮叶片用陶瓷型芯的研制。除涡轮叶片外，“两机”领域的陶瓷型芯应用场景广泛多样。

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。