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(1)中国民航维修业发展情况:对中国MRO行业来说,改革开放40余年带来了航空运输业的蓬勃发展,这让作为民用航空运输下游产业的MRO行业驶入了发展的快速车道。40余年间,中国业内企业经历了从计划经济到市场经济的改革,始终保持着高速发展的态势。目前,中国已经成为全球增长最快的MRO市场之一。我国MRO行业发展大致可以分为三个阶段:
第一阶段是改革开放前的政企合一阶段。在改革开放之前,我国民航运输类飞机主要为苏制飞机,采取的是以预防为主的保障体系,MRO企业大多不具有独立法人资格。
第二阶段是改革开放的初期,即20世纪80年代中期到20世纪90年代初,国内民航开始引进欧美飞机,民航飞机的采购和修理主要依靠境外飞机制造、修理厂商。从20世纪80年代末开始,我国逐步开放国内民航维修市场,鼓励外资企业、民营企业等多种所有制企业进入,航空维修业务逐渐显现回流的趋势。同时,中国民航局开始加速建立对标欧美国家的民航体系。
第三阶段是20世纪90年代至今,尤其是进入新世纪之后,随着中国融入全球经济的步伐加快,国内MRO企业与国外先进企业的合作不断深入,涌现出一批以AMECO、GAMECO为代表的合资企业。且随着中国民航业的不断发展,国内APU的维修方式也发生了深刻变化,各航空公司APU由原来完全交国外OEM厂商,逐渐转变为国内自建维修能力或交给国内航空公司控股的MRO企业和民营MRO企业进行维修,国内企业的市场占比逐渐提高。
从最初的依靠OEM厂商,到各主要航空公司自建能力,再到独立MRO的出现以及民营企业的兴起,国内APU维修企业的技术能力不断提升。同时,经过40余年发展,作为监管方的中国民航局已经形成了法制化、规范化的持续适航维修管理体系,通过CCAR43、CCAR91、CCAR135、CCAR145等法规的建立,明确了适航当局、航空器制造商、航空器营运人、维修企业、培训机构等在持续适航管理中的作用、职责和适航审定要求。航空公司和飞机维修企业通过组建可靠性管理部门、建立可靠性数据收集处理的技术标准和工作流程,逐步形成了以可靠性为中心的飞机维修管理体系。目前,我国民航维修业已经建立起由航空器机体定检、发动机翻修以及相关部件修理组成的较为完整的产业链,各类修理项目基本齐全,成为保障中国民航安全运行、健康发展的基础。
从全球视野看,我国MRO行业正处于发展的黄金时期。中国民航局提出,在中国培育世界级航空维修企业不仅是建设民航强国的要求,也是中国民航业发展逐渐成熟的标志。在对“民航强国”的有关表述中,中国民航局对国内航空维修业的期望是:2010~2020年,形成三个大型维修集群;2020~2030年,形成1~2个世界级的航空维修企业。为了实现这一目标,国内企业进入了快速发展的历史时期,技术能力不断提升,从只能进行支线机型、简单维护开始,如今已经具备了对A380等最新机型的大修能力。
到2022年,我国航空维修市场规模可达到近100亿美元,年复合增长率可达到8.60%,远高于全球平均水平。同时,根据《航空维修与工程》统计数据,中国未来10年民航维修市场需求为1,167亿美元,成长速度方面,国内民航维修市场2019年至2029年可保持约10%的增长,远高于全球3.50%的预测增速,国内民航MRO市场空间广阔。
数据统计:中金企信国际咨询
(2)中国APU维修市场发展情况:自1948年霍尼韦尔(Honeywell)发明了第一台APU起,到现在APU产品多达百余种,广泛应用于各型军民用飞机,APU已成为现代飞机的不可或缺的重要组成部分。各国对辅助动力装置的研制非常重视。美国霍尼韦尔公司、汉胜公司、法国Microturbo公司和俄罗斯Aerosila公司等,都成功地研制了APU系列产品应用于军民用飞机。目前,世界军民用APU市场基本由美国的霍尼韦尔公司、汉胜公司两家公司占有,俄罗斯Aerosila公司研发的APU只在其国内研制的运输机和客机上使用,法国Microturbo公司的产品仅用在几型战斗机上。
中国民航机队客机主要以波音、空客各型飞机为主,随着中国民航业的发展,机队规模的不断扩大,截至2020年底我国民航机队规模已达6,747架,相应国内APU修理市场逐渐扩大,按每台APU修理费用200万元测算,国内APU维修整体市场空间近135亿元。
国内APU的应用情况方面,与国内目前主要投入运营的机型相对应,目前应用的APU型号主要为霍尼韦尔GTCP131-9A、GTCP131-9B、GTCP331-350C、HGT1700以及汉胜APS5000、APS2600等。国内主要航空公司2020年底机队情况如下:
从修理的深度方面,经过多年发展,国内APUMRO企业从最开始仅开展分解、装配、测试等低技术含量的初级阶段修理工作,发展到了具备部附件的维修能力。同时,再制造产业作为国家新兴战略性产业,高度契合了国家发展循环经济的战略,近年来,政府主管部门出台了一系列与再制造产业相关的政策,不仅规范和加强了行业管理,也促进了业内企业维修技术、效率、质量的提升,部分业内企业自主掌握了先进适用的再制造技术、工艺,修复改造后的部附件性能和质量达到、甚至超过了原厂产品。
但是,对于核心零部件,仍主要由OEM厂商进行修理,具备核心部件维修能力的国内企业较少,国内外企业之间还存在较为明显的差距。这一方面是因
为核心零部件维修设备投资较大,MRO企业短期内很难获利,国内MRO企业一般不愿意承担这样的风险;另一方面,由于OEM厂商在技术上的封锁,国内MRO企业难以具备相应的维修能力。
航空技术作为技术水平与技术壁垒最高的产业,具有极高的技术产出比,它的发展能够带动整个高端装备制造产业链条的发展,同时,“十三五”期间我国全面启动实施了航空发动机和燃气轮机重大专项,旨在突破“两机”关键技术,推动大型客机发动机、先进直升机发动机、重型燃气轮机等产品研制,初步建立航空发动机和燃气轮机自主创新的基础研究、技术与产品研发和产业体系。
APU作为一种燃气涡轮发动机,全面掌握其维修能力,由零部件维修向整机维修推进,掌握相关制造工艺,将直接带动发动机制造能力、技术的形成,对我国航空燃气涡轮发动机技术,尤其是军用、民用涡轮发动机技术的自主可控有着重要意义,因此,国内APUMRO企业的能力开发、坚持自主发展势在必行。
中金企信国际咨询公布的《民航维修行业市场发展动态监测及投资战略可行性评估预测报告(2022版)》
(3)行业技术水平、特征及发展态势:
1、APU自主维修技术受限于国外原厂:从21世纪初,国内就不断加大对航空维修业务的重视和投入,目前,中国民航局(CAAC)下的国内维修单位已有500余家。但是,在APU领域,由于APU作为一种燃气涡轮发动机,技术、工艺难度大、要求高,具有APU零部件修理能力的企业较少,同时具备APU核心零部件修理、整机修理能力的维修企业较少。据统计,APU修理费用中,70%-80%的费用来自于零部件修理、新零部件等,其中有65%-70%被原始制造厂(OEM)拿走。多来年,OEM厂商为保证自身对市场、技术的控制力,为保证自身利益,对零部件的技术手册严格管控、开放度低。大量核心零部件的修理方法被严格控制,不对外公开,造成国内零部件自主修理困难较大,APU整机修理也严重依赖于OEM。
因此,国内APU维修的自主能力较为欠缺,APU核心零部件维修依赖于OEM厂商,而OEM厂商维修价格昂贵、维修时间周期长,部分核心零部件还必须送到国外进行检修,极大的增加了航空公司的运营成本,降低了运营效率,进而限制了我国商业航空产业的发展和技术进步。
2、APU核心零部件维修技术能力要求高:航空动力装置是知识密集、多学科集成的高科技复杂热力机械,需要在高温、高速、高负荷的苛刻条件下反复工作,且技术性能、耐久性、可靠性及经济性要求日益提高。航空动力装置制造涉及气动、热力、控制、材料、强度、制造等诸多学科和技术领域,是最为复杂的工程技术之一。
APU作为飞机动力装置之一,其核心机(由压气机、涡轮、燃烧室组成)亦在高温、高速、高负荷的苛刻条件下反复工作,以常见的A330飞机的APU331-350C为例,其涡轮进口温度达到1,100℃左右,工作温度已逐步接近了高温合金自身的熔点。同时,APU转子部件还需以41,000转/分钟以上的速度高速旋转。在该种高温、高负载、长时间的工作环境下,即便是特种高温合金,亦难以保持良好的工作状态。因此,APU的制造、修理需要掌握的技术要求极高。
在APU核心机受损的情况下,为使其恢复已有性能,达到适航要求,对MRO企业的技术能力提出了极高要求,要求MRO企业具备与零部件制造企业同等的能力,在气动仿真、涂层恢复、增材制造、材料性能恢复、流量性能测试、试车等多个技术领域,修理与产品制造具有完全一致的标准,只有掌握多项生产、制造相关的核心技术,方可完成相关核心零部件的修理工作。
目前行业中相关的先进技术发展方向如下:
①涂层技术:在燃气涡轮发动机(包含航空发动机、APU、地面燃机等)中,其燃烧室、涡轮导向器、涡轮叶片长期在高温、高压等极其恶劣的条件下工作。其中,涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件,并被誉为“王冠上的明珠”。同时,由于对燃烧室、涡轮导向器、涡轮叶片等热端部件可靠性、使用寿命、推重比(功重比)、效率等有着多种严苛的要求,为提高发动机推重比(功重比)、效率,提高涡轮前燃气温度已成为目前提高发动机推力的主要技术途径之一。
因此,随着涡轮前燃气温度的不断提升,对航空发动机燃烧室、涡轮导向器、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力亦提出了更高的要求,这些零部件的性能水平,特别是承受高温能力,成为一种型号发动机先进程度的重要标志,在一定意义上,也是一个国家航空工业水平的显著标志。
目前世界上燃气涡轮发动机的最高涡轮前温度已经超过1,600℃,已经超过了高温合金的熔点,而APU的最高涡轮前温度也可达到1,200℃,已经超出高温合金能长期稳定工作的温度。为满足使用需求,耐热、耐腐蚀涂层技术应运而生。目前常见的耐热、耐腐蚀、耐磨、可磨耗涂层技术如下:
热障涂层(TBC):热障涂层是以降低高温环境下金属表面温度的一种热防护技术,是一种隔热为目的的高温涂层,可以显著降低涡轮叶片等金属的表面温度,大幅度延长叶片的工作寿命,从而起到提高发动机的推力和效率的作用。
热障涂层通常采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)、等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂和低温热处理的涂覆工艺制备,它具有良好的耐热性、绝热性、耐氧化性、耐磨耐侵蚀性,是电绝缘体(1,000℃),一般不受熔化金属、氧化物侵蚀,对多种金属基体有良好的结合力,多用于航空发动机燃烧室、火焰筒、涡轮导向器等部件。热障涂层经过国外五十多年和国内二十多年的发展,已成为热喷涂涂层领域最为重要、最受关注的涂层类型之一。国内的热障涂层虽然起步较晚,但随着我国对航空发动机和燃气轮机的不断重视,相关技术已得到了进一步的发展,已实现涡轮前温度从1,200℃到1,600℃的技术突破,达到国际先进水平。
耐磨涂层:耐磨涂层在航空发动机、重型燃气轮机等高端装备的科研和生产中有着不可替代的作用。采用热喷涂技术制备耐磨涂层是目前应用最广泛的表面工程技术之一,热喷涂金属涂层是研究和应用较早的耐磨涂层,常用的有金属(Mo、Ni)、碳钢、低合金钢、不锈钢和Ni-Cr合金系列涂层。一般采用火焰喷涂(SF)、电弧喷涂(Arc-S)、等离子喷涂(APS)、超音速火焰喷涂(HVOF)、爆炸喷涂及冷喷涂工艺,涂层具有与基体的结合强度较高、耐磨、抗腐蚀性能较好等优点,用于修复磨损件及机械加工超差件。
耐磨涂层是热喷涂技术的重要应用领域,以航空发动机为例,机匣气路封严涂层、级间篦齿耐磨涂层、叶片榫头抗微动涂层、叶尖耐磨涂层、叶片阻尼台耐磨涂层等均采用热喷涂技术制备。因此,国内外研究人员对热喷涂技术及其在耐磨涂层中的应用开发十分重视。
可磨耗封严涂层:航空发动机是高难度、高技术含量的产品,采用涂层技术是提高发动机使用寿命与可靠性的核心技术措施之一,也是加大发动机单位推力、提高推重比的最有效手段。其中,可磨耗封严涂层材料和技术有助于减小发动机转子与静子的径向间隙,对先进航空发动机的可靠性和性能有重要的影响。资料表明,航空发动机直接的运行费用中油耗占比约53%,叶尖漏气损失约占发动机整机损失的10-40%;典型发动机的高压涡轮叶尖间隙每减小0.13-0.25mm,油耗可减少0.5-1%,发动机的效率可提高2%左右。
此外,压气机的运转间隙过大,它的气动特性可能在发动机加速时遭到破坏,并引起喘振。因此,为提高发动机运转效率、使用寿命和降低油耗,航空发动机核心部件的封严涂层研究历来受到国内外的高度重视。目前,我国通过技术引进、吸收以及自主研发,在封严涂层材料与技术领域得到了较快发展,研制开发的品种己达30多种,但与发达国家相比,在系列化、标准化和产业化方面都还存在着较大差距。
②单晶高温合金材料技术:随着航空发动机的发展,为了应对越来越高的涡轮前温度,学术界和工业界合作,先后发展了多代高温合金为适应严苛的工作环境,同时,为了改善合金的使用性能,减少或消除晶界作为薄弱环节在高温下对合金材料强度的影响,航空发动机叶片经过了等轴晶叶片、定向结晶叶片等发展历程,先进航空发动机叶片已实现单晶高温合金叶片的应用。单晶叶片消除了全部晶界,不必加入晶界强化元素,使合金的初熔温度相对升高,从而提高了合金的高温强度,并进一步改善了合金的综合性能。技术发展方面,目前已经发展到了第五代单晶高温合金技术,当前广泛应用的为第三代单晶高温合金技术。
目前单晶叶片的研制,美国、法国、英国和俄罗斯走在世界前列,美国的Howmet公司、GE公司、PCC公司以及Allison公司,英国的罗罗公司,法国的SNECMA公司,俄罗斯的SALUT发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零部件。国内企业目前主要单晶叶片生产商是航发动力下属贵阳航发精密铸造有限公司,同时,民营企业也在快速进入叶片铸造市场,技术实力快速提升。
③锻造技术:锻造是指对金属坯料施加压力,使其产生塑形变形的工艺。燃气涡轮发动机风扇和压气机叶片、盘、轴、齿轮和部分机匣零件主要采用锻造工艺。
其中,对于叶片的锻造技术,随着航空发动机工艺制造工艺技术的发展,形成了与其他零件不同的叶片无余量精锻工艺,行业内一般认为,叶片锻件叶身余量小于0.1~0.7mm范围,叶身表面不再需要切削加工,只需进行振动光饰或化学铣削就可形成最终产成品的叶片锻造技术就可称为叶片精锻技术。由于航空叶片结构复杂,以压气机叶片为例,叶片的叶身薄而宽,导致在锻造及热处理过程中极易产生变形,同时,叶片前后缘厚度薄、曲率变化大、轮廓度要求高,对叶片前后缘高效精密抛磨加工和控制提出了严峻的挑战,要求制造、维修厂家具备极强的锻造工艺技术。
除叶片外,作为发动机关键零部件“一盘两片”中的涡轮盘,其承受着高温和高应力的叠加作用,工作条件极为苛刻,制备工艺复杂,技术难度大,长期以来都是我国发动机发展的难点之一。涡轮盘的工艺在发动机各类盘、轴、齿轮和机匣等零件锻件中最为先进,其工艺技术由普通的锻造不断发展,目前先进发动机制造、维修厂家已实现等温锻造技术应用。等温锻造指的是在恒定温度下将胚料在模具中锻造加工成精锻成形零件的工艺。与常规锻造相比,等温锻造能够将毛坯的加热温度控制在一定范围内,使锻造过程中的温度大致相等,大大改善了在加工过程中模具因温度骤变而发生的塑性变化,从而提升了锻件的强度、杂质含量等性能指标。由于等温锻造的工艺特点,特别适合钛合金、部分高温合金等对形变温度很敏感的材料或是难成形的材料的精锻。
④精密加工技术:作为高新技术之一的精密加工技术在现代科技领域中处于相当重要的地位,目前已广泛应用于国防工业、航空航天、信息产业、民用产品等领域。20世纪60年代,美国对铝合金和无氧铜镜面切削用单刃金刚石车床的研制揭开了超精密加工机床研制的帷幕。1980年,美国研制成功M218AG三坐标控制非球面加工机床,用来加工核聚变用大型金属反射镜。该机床的问世标志着亚微米级超精密加工机床技术的成熟。1984年,美国LLNL实验室研制成功大型金刚石车床LODTM,是迄今为止精度最高的超精密加工机床。日本自1981年起开发多棱体反射镜加工机床、微细加工机床及磁盘端面车床,近年来则以非球面加工机床和短波长X射线反射镜面加工机床为主。德国、英国、荷兰等国也在超精密加工领域处于世界先进水平。我国从80年代初开始超精密加工技术的研究并取得了显著的成果。
从先进制造技术的技术实质性而论,主要有精密、超精密加工技术和制造自动化两大领域,前者追求加工上的精度和表面质量极限,后者包括了产品设计、制造和管理的自动化,它不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段,而且是保证产品质量的有效举措,两者有密切关系,许多精密和超精密加工要依靠自动化技术得以达到预期指标,而不少制造自动化有赖于精密加工才能准确可靠地实现。
精密加工和超精密加工技术发展到今天,已经有了重大的突破,已不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题,而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。实现精密加工和超精密加工,不仅需要超精密的机床和刀具,更需要稳定的环境条件,还需要运用计算机技术进行实时检测、反馈补偿。只有将各个领域的技术集中起来,才有可能实现超精密加工。
目前航空动力装置大量使用的钛合金及高温合金,由于具备良好的耐热性、韧性、耐腐蚀性、抗疲劳性等多种良好性能,在航空发动机中得到广泛应用。
由于钛合金在加工过程中要求严格的过烧控制、高温合金叶片榫头在加工过程中有着极高的精度、光洁度要求等,钛合金、高温合金加工难度较大,常规的加工方式难以满足后端制造、使用需求。当前技术研究重点集中于如何高效率地实现高精度加工。通过结合新一代刀具并合理优化切削参数与刀轨参数,不仅能显著提高难加工材料的加工效率,而且还能提升刀具寿命,已成为航空动力装置制造、维修厂商必须要具备的重要技术。