高溫合金產(chǎn)業(yè)深度報告

1、 高溫合金產(chǎn)業(yè)深度報告好風(fēng)憑借力，借勢當(dāng)起飛 報告要點(diǎn)中國處于軍工現(xiàn)代化加速階段。我們認(rèn)為，軍強(qiáng)才能國富，在國際局勢日趨復(fù)雜的情況下，中國將加大國防 現(xiàn)代化水平的提升。“多年的技術(shù)積淀”為中國進(jìn)入軍工現(xiàn)代化加速階段提 供了“技術(shù)層面基礎(chǔ)”，“國 民經(jīng)濟(jì) 多年良 好發(fā)展 ”為 之提供 了“ 經(jīng) 濟(jì) 層 面 基 礎(chǔ)”，目前中國處于軍工現(xiàn)代化的加 速階段 。行業(yè)呈現(xiàn)強(qiáng)壟斷性和穩(wěn)定性，高壁壘有利于行業(yè)龍頭長期享受紅利。具有難以替代和優(yōu)異高溫使用性能的高溫合金“技術(shù)壁壘高、加工工藝難度大、生產(chǎn)控制條件多而復(fù)雜”，在航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用方面無可替代 (高溫合金材料占現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)總重量的 40%60%

2、，主要用于四大 熱端 部件:燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外包括機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒 室和尾噴口等部件。高溫合金需求占比中航空航天領(lǐng)域約為 55%)。我 們認(rèn) 為高溫合金材料及制品的“質(zhì)量可 靠性 、性 能穩(wěn)定 性、外觀尺 寸精確 性 ”等 方 面極其苛刻的要求使得行業(yè)具有較高的進(jìn)入壁壘，具有強(qiáng)壟斷性和穩(wěn)定性， 行業(yè)壁壘主要體現(xiàn)在技術(shù)壁壘、市場準(zhǔn)入壁壘、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)壁壘、經(jīng) 驗曲 線門 檻等方面，新進(jìn)入者面臨較高的進(jìn)入成本和時間成本?！靶枨蟠_定性”和“訂 單無法外溢性”使得中國高溫合金行 業(yè)龍頭 將充分 享受行 業(yè)的 高速發(fā) 展。高溫合金行業(yè)迎來黃金發(fā)展期。下游需求放量，供需缺口將持續(xù)擴(kuò)大。

3、中國航空發(fā)動機(jī)進(jìn)入加速列裝期，我們預(yù)計未來 10 年軍用航空發(fā)動機(jī)所需高 溫合金有望達(dá) 6 萬噸，形成總量約 180 億左右大額市場。其他方面，地 面和 艦船用燃?xì)廨啓C(jī)的使用進(jìn)一步擴(kuò)張、核電建設(shè)的逐步落實、汽車增壓器渦輪 的裝配率進(jìn)一步提高等因素，共同促進(jìn)下游應(yīng)用的放量，2019 年中國高 溫合 金行業(yè)產(chǎn)量約 27600 噸，需求量約 48222 噸?？傮w上我們預(yù)計未來 5 年 行業(yè) 需求年均增速有望在 8%以上，供需缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大?？傮w觀點(diǎn):看好高溫合金行業(yè)的發(fā)展趨勢和龍頭投資機(jī)會。我們認(rèn)為，中國目前處于軍工現(xiàn)代化的加速階段。隨著國家不斷加強(qiáng)重點(diǎn)關(guān) 鍵技術(shù)的突破和自主化，高溫合金行業(yè)必將伴

4、隨著下游航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨?機(jī)的高速發(fā)展以及核電建設(shè)的逐步落實、汽車增壓器渦輪的裝配率進(jìn)一步提 高而迎來行業(yè)未來 7-8 年的高速發(fā)展期。中國高溫合金行業(yè)生產(chǎn)廠商主要包 括 ST 撫鋼、寶鋼特鋼、攀鋼集團(tuán)等特鋼企業(yè)，產(chǎn)品以變形高溫合金為主 、產(chǎn) 能較大;科研單位主要包括鋼研高納、北京航材院、中科院金屬所、西部超導(dǎo) 等，技術(shù)積淀較為深厚，產(chǎn)品種類覆蓋較全，鋼研高納產(chǎn)業(yè)化能力相對較強(qiáng); 民企主要以應(yīng)流股份、萬澤股份、圖南股份等為代表，為市場新入者，但順應(yīng) 軍民融合趨勢逐漸占據(jù)部分市場份額 。一 高溫合金(superalloy)的超能力高溫合金在高溫惡劣環(huán)境中仍能保持 較高的 力學(xué)性 能，是 現(xiàn)代航

5、 空發(fā)動 機(jī)、航天 器 和 火 箭 發(fā) 動機(jī)及艦艇和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱 端部件 (如渦 輪葉片 、導(dǎo)向 器葉片 、渦輪 盤、 燃 燒 室 和 機(jī)匣等)材料，也是核反應(yīng)堆、化工設(shè)備、煤轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面重要的高溫結(jié)構(gòu)材料。 作為航 空航天“發(fā)動機(jī)的基石”，其耐熱性能 的差距 是決定 中國與 國外航 空發(fā)動 機(jī)、火箭 發(fā) 動 機(jī) 和 燃 氣輪機(jī)性能差距的根本原因。1.1 什么是高溫合金高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在 600C以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類 金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良 好的抗 氧化和 抗熱腐 蝕性能 ，良好 的疲勞 性能 、 斷 裂 韌 性等綜合性能，其四大要素:耐

6、高溫 、抗較 大應(yīng)力、 表面 穩(wěn)定化 和高合 金化缺 一不 可 。 又 被 稱為熱強(qiáng)合金、耐熱合金或“超合金 ”。金屬材料的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩個方面，因此高溫合金所強(qiáng)調(diào)的不是耐受 溫度的最高值，而是在較高溫度下仍然抗氧化且具有高強(qiáng)度的性質(zhì)。其他高溫性能較好的材 料，如碳/碳復(fù)合材料，是如今在 1650C以上應(yīng)用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度更高達(dá) 2600C，但它在溫度高于 400C的有氧環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致材料的性能急劇下降 ，因 此不能應(yīng)用于長期高溫條件的環(huán)境中。而高溫合金能夠在 600C1200C的高溫下保持極高 的強(qiáng)度和硬度以承受較高的載荷，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天

7、發(fā)動機(jī)，石油鉆井 零部 件， 化工裂解爐，艦船燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域。1.2 高溫合金技術(shù)密集度高，附加值高高溫合金行業(yè)上游為有色金屬礦山企 業(yè)，下 游為航 空航天 、電力 、機(jī)械 、石油 化工 、 汽 車 等 行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。由于高溫合金 技術(shù)復(fù) 雜，產(chǎn) 品多為 非標(biāo)準(zhǔn) 化，產(chǎn)品 類型隨 下 游 需 求 不 同進(jìn)行調(diào)整，比如軍工領(lǐng)域通常采用 合約訂 購、外 協(xié)加工 的方 式定制 產(chǎn)品。高溫合金產(chǎn)業(yè)鏈可細(xì)分為三個環(huán)節(jié) :(1)母 合金制 備。高溫 合金冶 煉是生 產(chǎn)高溫 合 金 產(chǎn) 品 的 基礎(chǔ)，涉及合金含量配比、冶煉過程 操控等 復(fù)雜的 工藝技 術(shù)，技 術(shù)難度 大，如果 合 金 冶 煉 出 現(xiàn)質(zhì)

8、量問題，則影響后端產(chǎn)品的質(zhì)量 ;(2)精 鑄件、板 材、棒材 等半成 品的制 備。采 用 鍛 造 、 機(jī)加工、熱處理、精鑄等技術(shù)，可制 造形狀 復(fù)雜、尺 寸精 度高的 板材、棒 材和精 鑄 件 等 半 產(chǎn) 品;(3)渦輪盤、燃燒室 、壓氣 機(jī)、導(dǎo) 向器 、調(diào)節(jié) 片等產(chǎn) 品，高溫合 金企業(yè) 需要開 發(fā) 、設(shè) 計 、 生產(chǎn)產(chǎn)品，配備完整的產(chǎn)品設(shè)計、質(zhì) 量檢測 等體系 。( 1) 產(chǎn)業(yè)鏈中參與者“三足鼎立”高溫合金行業(yè)參與者包括特鋼企業(yè)、科研單位、高溫合金廠等。特鋼企業(yè)主要包括 S T 撫鋼、 寶鋼特鋼、攀鋼集團(tuán)等，其產(chǎn)能較大， 產(chǎn)品以 變形 高溫合 金為主; 科研單 位主要 包 括 鋼 研 高 納

9、、北京航材院、中科院金屬所、西 部超導(dǎo) 等，技 術(shù)積淀 較為深 厚，產(chǎn) 品種類 覆蓋 較 全 ; 民 企主要以應(yīng)流股份、萬澤股份、圖南 股份等 為代表 ，為市 場新入 者，但順 應(yīng)軍民 融 合 趨 勢 逐 漸占據(jù)部分市場份額。其中細(xì)分領(lǐng)域鑄造高溫合金的產(chǎn)業(yè)鏈 結(jié)構(gòu)中 ，母合 金的制 造商主 要有鋼 研高納、 北 京 航 空 材 料研究院、中科院沈陽金屬研究所和圖南股份等;按照鑄造工藝的不同，又可分為等 軸晶鑄 件和定向凝固柱晶/單晶鑄件，分別有不同的生產(chǎn)商，供應(yīng)給下游的航空發(fā)動機(jī)主機(jī)廠。細(xì)分領(lǐng)域粉末高溫合金的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu) 中，主要 包括母 合金 -制粉 -粉末 合金盤 -主機(jī) 廠 四 個 環(huán) 節(jié)

10、 的參與者。細(xì)分領(lǐng)域新型高溫合金的產(chǎn)業(yè)鏈中，Ti-Al 合金冶煉后可以分為變形路線和粉末路線;O DS 高 溫合金則主要有母合金-氧化物顆 粒-擠 壓-鍛 造幾步 生產(chǎn)環(huán) 節(jié)。( 2) 熔煉與熱加工為關(guān)鍵工藝高溫合金生產(chǎn)過程中涉及真空熔煉、熱加工、化學(xué)檢測、探傷、性能檢測等諸多技 術(shù)環(huán) 節(jié)， 全部工藝過程包括溫度、濕度、壓力 、電流 等幾千 個參數(shù) ，產(chǎn)業(yè) 鏈長、 產(chǎn)品系 列多 、 生 產(chǎn) 技 術(shù)復(fù)雜，任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會嚴(yán) 重影響 高溫合 金的性 能和質(zhì) 量的穩(wěn) 定，因此 需 要 反 復(fù) 實驗、探索，技術(shù)和生產(chǎn)壁壘非常高。中國外高溫合金的熔煉方法中應(yīng)用最廣泛、最普及的為真空感應(yīng)爐、真空自耗

11、爐和 電渣 爐， 其中真空感應(yīng)熔煉(VIM)是熔煉高溫合金眾多方法中最重要、最有效的方法。與國外對比，俄羅斯粉末高溫合金采用VIM 或VIM+VAR雙聯(lián)熔煉工藝;美國粉末高溫合金 采用 VIM+ESR+VAR 三聯(lián)熔煉工藝;而中國粉末高溫合金基本采用 VIM 單煉工藝， 這是導(dǎo) 致中國粉末渦輪盤純凈度尚未達(dá)到國 外先進(jìn) 水平的 主要原 因之 一。高溫合金由于其復(fù)雜、惡劣的工作環(huán) 境，其加 工表面 完整性 對于其 性能的 發(fā)揮具 有 非 常 重 要 的作用。但是高溫合金是典型的難加 工材料 ，其微 觀強(qiáng)化 項硬度 高，加 工硬化 程度 嚴(yán) 重 ， 并 且其具有高抗剪切應(yīng)力和低導(dǎo)熱率， 切削區(qū) 域

12、的切 削力和 切削溫 度高，在 加工過 程 中 經(jīng) 常 出 現(xiàn)加工表面質(zhì)量低、刀具破損非常嚴(yán) 重等問 題。在 一般切 削條件 下，高溫 合金表 層 會 產(chǎn) 生 硬 化層、殘余應(yīng)力、白層、黑層、晶粒變 形層等 過大的 問題。 因此熱 加工是 高溫合 金 生 產(chǎn) 加 工 過程中的關(guān)鍵工藝。( 3) 單晶、熱障涂層、高效冷卻技術(shù)為發(fā)展趨勢制備技術(shù)的升級促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代 ，高溫 基體性 能得到 提升， 同時熱 障涂層 以及 氣 冷 、 水 冷等輔助技術(shù)的發(fā)展大幅提升了合金產(chǎn)品的耐高溫性能。單晶高溫合金、熱障涂層與 高效冷 卻技術(shù)并重為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的三大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)。單晶高溫合金技術(shù)航空發(fā)動

13、機(jī)是飛機(jī)的心臟，渦輪葉片是 心臟的“ 主動脈 ”。渦 輪葉片 的材質(zhì) 可以分 為 等 軸 晶 、 定向柱晶以及單晶，其中使用單晶高 溫合金 制備的 葉片沒 有晶界， 減少了 降低熔 點(diǎn) 的 晶 界 強(qiáng) 化元素、提高了合金的初熔溫度，能夠在較高溫度范圍進(jìn)行固溶處理，相比等軸晶和 定向柱 晶高溫合金強(qiáng)度得到大幅提高，其鑄 造工藝 直接決 定航空 發(fā)動機(jī) 的性能， 是一個 國 家 航 空 工 業(yè)水平的顯著標(biāo)志之一。自 20 世紀(jì) 80 年代 PWA1480 單晶高溫合金成功研制，國外單晶高溫合金迅猛發(fā)展，至 20 00 年已研制出第四代單晶合金。中國起 步較晚 ，起先 以仿制 為主，現(xiàn) 已研發(fā) 出第

14、三 代 單 晶 高 溫 合金 DD33、DD9，以及第四代單晶高溫合金 DD91、DD15 等。熱障涂層(Thermal Barrier Coatings)熱障涂層是指由金屬緩沖層(或稱金 屬粘結(jié) 層)和 陶瓷表 面涂層 組成的 雙層隔 熱系 統(tǒng) ， 具 備 熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)較大、熱導(dǎo)率較 低的特 點(diǎn)。金 屬緩沖 層減少 了界面 應(yīng)力，避 免 陶 瓷 層 的 剝落。熱障涂層在高溫合金葉片和高 溫燃?xì)?之間提 供隔熱 層和抗 氧化層， 降低金 屬 部 件 的 溫 度，提高高溫合金的工作溫度。同時 可降低 冷卻空 氣需求 量而顯 著改善 發(fā)動機(jī) 性能 ， 或 在 當(dāng) 前使用溫度條件下延長部件的使

15、用壽 命。高效冷卻技術(shù)目前冷卻技術(shù)主要圍繞高新的冷卻結(jié) 構(gòu)和冷 卻介質(zhì) 開展研 究。冷卻 結(jié)構(gòu)方 面采用 沖 擊 孔 和 氣膜冷卻結(jié)構(gòu)為主;冷卻介質(zhì)方面采用 空氣、 蒸汽等 。冷卻結(jié)構(gòu):現(xiàn)代渦輪葉片基本冷卻方 式有氣 膜冷卻 、沖擊 冷卻、 強(qiáng)化換 熱冷卻 等， 基 本 原 理 是冷氣從葉片根部流入，通過帶肋壁 強(qiáng)化換 熱的冷 卻通道 對葉片 表面進(jìn) 行冷卻， 一 部 分 冷 氣 通過沖擊孔，以沖擊冷卻的方式對葉 片前緣 進(jìn)行冷 卻后流 出，部 分通過 氣膜孔 流 出 從 而 在 葉片表面形成氣膜冷卻保護(hù)，最后冷 卻氣體 經(jīng)尾緣 擾流柱 強(qiáng)化 換熱后 從排氣 縫流出 。冷卻介質(zhì):基本冷卻介質(zhì)有

16、空氣、蒸 汽、汽 霧等。 空氣冷 卻發(fā)展 最早， 應(yīng)用最 為廣 泛 。 但 用 于冷卻的空氣使得用于燃燒的空氣量 減少， 大大減 小渦輪 系統(tǒng)的 循環(huán)熱 效率和 輸出 功 率 ， 因 此產(chǎn)生替代空氣的其他冷卻介質(zhì);蒸汽 冷卻技 術(shù)以水 蒸氣作 為冷媒 對燃?xì)?輪機(jī)熱 端 部 件 進(jìn) 行 冷卻，但由于蒸汽消耗量較大，冷卻 蒸汽在 流動中 將消耗 較多的 可用功 率，從而 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 總 效率的減少;汽霧冷卻是向蒸汽中添 加水霧 形成的 汽霧兩 相流來 改善蒸 汽換熱 能力 ， 既 保 證 有效的冷卻，又提高渦輪系統(tǒng)的整體 性能。 汽霧冷 卻與傳 統(tǒng)空氣 冷卻相 比，具備 換 熱 系 數(shù) 較

17、高、強(qiáng)化冷卻效果好和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu) 點(diǎn)。( 4) 高技術(shù)壁壘帶來高附加值高溫合金材料主要應(yīng)用于高溫、高壓 或腐蝕 性極端 惡劣條 件下，要 求材料 具備很 高 的 質(zhì) 量 可 靠性、性能穩(wěn)定性和尺寸精確性，材 料生產(chǎn) 加工的 技術(shù)含 量高，能 夠進(jìn)入 該領(lǐng)域 的 企 業(yè) 數(shù) 量 有限;高溫合金產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和 質(zhì)量可 靠性是 用戶最 先考慮 的因素， 用戶一 旦 選 定 供 應(yīng) 商后，不會輕易更換;而且較先進(jìn)入 的企業(yè) 參與行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 的制訂， 對于標(biāo) 準(zhǔn)的可 行 性 和 實 施 路徑有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。高溫合金產(chǎn)品毛利率高、附加值高。2019 年中國高溫合金產(chǎn)量不足 3 萬噸，對比其他 鋼材產(chǎn)

18、 品:高溫合金產(chǎn)量僅為粗鋼的 0.028、不銹鋼的 0.072、合金工具鋼的 10.31%，但市場 規(guī)模已達(dá)百億。航空發(fā)動機(jī)使用的原材料主要是高溫合金、鈦合金和鋁合金、鋼等，價值占比分別為 35%、30%和 30%左右，高溫合金為價值占比最高的原材料。1.3 航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的加速發(fā)展對高溫合金材料提出更高的性能要求高溫合金的發(fā)展史同步于航空發(fā)動機(jī) 的發(fā)展 史，作 為難以 取代的 熱端材 料，高溫 合 金 耐 熱 性 的提高帶來更高的渦輪前溫度，渦前溫度每提高 100C，推力至少增大 10%，因此對 于更高 推力航空發(fā)動機(jī)的需求驅(qū)使高溫合金 材料的 升級換 代。以美國為例，其始終堅持“一代新材

19、料，一 代新型 發(fā)動機(jī) ”的理 念，航空 發(fā)動機(jī) 的 換 代 需 求倒逼材料性能的提升，相關(guān)政策法規(guī) 也促使 其相輔 相成、 共同 發(fā)展。從二戰(zhàn)結(jié)束到 21 世紀(jì)初，軍用噴氣戰(zhàn)斗機(jī)及其動力的發(fā)展大致經(jīng)歷四次更新?lián)Q代，當(dāng)前， 列裝推重比 10級先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)(如美國的 F/A-22 和 F-35)，成為美國 和部分西方國家，甚至中國部分周邊國家和地區(qū) 21 世紀(jì)上半葉的主戰(zhàn)機(jī)種。民用運(yùn)輸機(jī)和 旅客機(jī)的動力也大致經(jīng)歷了四個階段 。航空發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的提高推動著新 型高溫 合金的 發(fā)展，代 表航空 發(fā)動機(jī) 關(guān)鍵技 術(shù) 的 渦 輪 葉 片所用的高溫合金材料從第一代更新 至第三 代。中國從

20、 20 世紀(jì) 60 年代開始研發(fā) WP-5、WP-6 等發(fā)動機(jī)起，開始自主研制配套高溫合金材 料。最初為仿制蘇聯(lián)的 GH4033、GH4037 等牌號，而后新型航空發(fā)動機(jī)的開發(fā)都拉 動新牌 號高溫合金材料的預(yù)研工作，發(fā)展至今，為 WS-15、WS-18、WS-20 等發(fā)動機(jī)已研發(fā) 出第三 代單晶高溫合金 DD9、DD10 等。二 好風(fēng)憑借力2.1 軍工現(xiàn)代化加速之風(fēng)據(jù) SIPRI 統(tǒng)計，全球國防支出總額自 2014 年起穩(wěn)步增長。美洲一直為國防支出最多的 地區(qū)， 美國2020 財年國防授權(quán)法案通過的國防支出高達(dá) 7380 億美元(增速約 2.8%);面對復(fù) 雜多變的國際局勢和摩擦升級的外圍 環(huán)

21、境， 中國國 防支出 也逐年 創(chuàng)新高。 根據(jù)財 政 部 發(fā) 布 的 關(guān)于 2019 年中央和地方預(yù)算執(zhí)行情況與 2020 年中央和地方預(yù)算草案的報告，2020 年 中國國防預(yù)算 12680 億元(增速約 6.6%)，2011 至 2017 年間，國防費(fèi)中裝備費(fèi)占比 已提升 至 41%，大力拉動先進(jìn)裝備的列裝和舊裝備的更新?lián)Q代。2.2 “飛發(fā)分離”與“兩機(jī)”專項之風(fēng)材 料 性 能 是 決定飛 機(jī)性 能的 關(guān) 鍵 因 素 。 現(xiàn)代大飛機(jī)原材料的選取是安全性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)水 平綜合評估的結(jié)果。一架飛機(jī)的性能改進(jìn)有 2/3 來自于材料性能的改進(jìn)，材料的先進(jìn) 性在相 當(dāng)程度上決定整架飛機(jī)的性能。因此 高

22、溫合 金的自 主可控 和加 大研發(fā) 是大勢 所趨?！皟蓹C(jī)”計劃開啟及航發(fā)集團(tuán)成立開啟中國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)“飛發(fā)分離”新局面。當(dāng)前，世 界上能夠獨(dú)立研制載人飛機(jī)的國家有 15 個，但是能夠獨(dú)立研制先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)、建立完整 產(chǎn)業(yè)鏈的國家只有美國、英國、法國、俄羅斯和中國。為了加快中國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn) 業(yè)發(fā) 展， 2016 年，中國開啟“兩機(jī)”專項政 策，同時 成立中 國航空 發(fā)動機(jī) 集團(tuán)公 司，將航 空 發(fā) 動 機(jī) 與 整機(jī)剝離開，使其不再受制于整 機(jī)的研 制工作 。為 國產(chǎn)航 空發(fā)動 機(jī)發(fā)展 提供體 制和 資 金 保 障 ， 注入強(qiáng)勁動力。軍用航空發(fā)動機(jī)已由仿制走向自主研發(fā):航發(fā)集團(tuán)下屬航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)

23、廠商主要有西安航發(fā)、沈陽黎明、株洲南方、貴州黎陽 等，主 要生產(chǎn)配備于軍用飛機(jī)的渦扇、渦軸、渦槳發(fā)動機(jī)。其中，供殲-10、殲-20、運(yùn)-20 等 主力戰(zhàn) 機(jī)、主力運(yùn)輸機(jī)使用的 WS-10、WS-15、WS-20 發(fā)動機(jī)主要由西安航空和沈陽黎明負(fù)責(zé)研 發(fā)、生產(chǎn)。民用航空發(fā)動機(jī)從零起步，任重道遠(yuǎn)不同于軍用航空發(fā)動機(jī)自 1960s 起步，自 2009 年中國航發(fā)商發(fā)成立才正式開啟了中 國民用 航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)的進(jìn)程。中國目前主要有兩款大飛機(jī)在研:C919 和 CR929，其中 C9 19 對標(biāo)的是歐洲空客A320neo系列，波音737MAX系列等;CR929對標(biāo)的是波音787 飛機(jī)和 空客 A35

24、0 系列飛機(jī)。由于民用領(lǐng)域?qū)Πl(fā)動機(jī)的安全可靠性 、經(jīng)濟(jì) 性、續(xù) 航性要 求更高， 且中國 民用航 空 發(fā) 動 機(jī) 技 術(shù)積淀薄弱，因此前期國產(chǎn)民航大多 選配國 外發(fā)動 機(jī)。但是航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)回報較高:民用航空發(fā)動機(jī)大多使用時間較長，可達(dá) 3050年;據(jù)日本 通產(chǎn)省測算，按照產(chǎn)品單位質(zhì)量創(chuàng)造的價值計算如果輪船為 1、則汽車為 9、計算機(jī)為 300、 飛機(jī)為 800，航空發(fā)動機(jī)高達(dá) 1400。而目前民用航發(fā)市場主要由幾家全球 頭部企 業(yè)分割 ，中國 尚未有 一席之 地。目前 幾 乎 所 有 窄 體客機(jī)都選配 CFM 國際的 CFM56 或 LEAP 系列發(fā)動機(jī);寬體客機(jī)則主要選配 GE 公司的 G

25、E90、GE9X和 GEnx 發(fā)動機(jī)及 RR 的 Trent 系列發(fā)動機(jī)。中國商發(fā)成立后，拉開了中國民用航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)的序幕。國產(chǎn)民用飛機(jī) C919、CR929、 ARJ21 等都有望配備國產(chǎn)發(fā)動機(jī)。在中美貿(mào)易摩擦不斷、2020 年 2 月傳出斷供 LEAP-1C 發(fā) 動機(jī)的背景下，應(yīng)著力突圍發(fā)動機(jī)“ 卡脖子 ”問題， 重視 供應(yīng)鏈 風(fēng)險。民 用航空 發(fā) 動 機(jī) 的 自 主可控勢在必行。三 供需缺口不斷擴(kuò)大，高溫合金企業(yè)亟待擴(kuò)產(chǎn)3.1 下游應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，市場空間利潤巨大全球高溫合金市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，且增速加快，根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球 每年消 費(fèi)高溫合金材料約 30 萬噸，2018

26、 年市場規(guī)模達(dá)到 121.63 億美元，之后增速突破 5% 。就消 費(fèi)區(qū)域來看，美國高溫合金消耗量占比 48%，為高溫合金最大、最成熟市場;歐洲消 費(fèi)量占 25%，為第二大消費(fèi)區(qū)域;亞洲占 22%，隨著下游關(guān)聯(lián)行業(yè)的擴(kuò)容，各國都將增加對高溫合 金的需求量，且最大的增量來自中國。我們預(yù)測中國高溫合金行業(yè)未來 5 年的 CAG R 達(dá) 8% 以上，至 2024 年市場規(guī)模接近 150 億元。從下游應(yīng)用來看，高溫合金主要應(yīng)用 于航空 航天領(lǐng) 域，且 由于其 優(yōu)良的 耐高溫 、耐 腐 蝕 、 抗 疲勞等性能，逐步拓展到電力、原子 能、汽 車、冶 金、玻 璃制造 等工業(yè) 領(lǐng)域，廣 泛 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域

27、大大擴(kuò)展了對高溫合金的需求。航空航天領(lǐng)域?qū)Ω邷睾辖鸬男枨笳急燃s為 55%，其次為電力和機(jī)械，需求占比分別為 20%、 10%，另外工業(yè)領(lǐng)域占比 7%，汽車、石油和其他領(lǐng)域占比分別為 3%、3%和 2%。中國高溫合金軍用占比高達(dá) 80%，主要供應(yīng)于航空航天領(lǐng)域。伴隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 中國已經(jīng)建立起自己的高溫合金體系 ，從而 形成一 定的產(chǎn) 業(yè)規(guī) 模。( 1) 高溫合金航空航天發(fā)動機(jī)的應(yīng)用高溫合金從誕生起就用于航空發(fā)動機(jī) ，在現(xiàn) 代航空 發(fā)動機(jī) 中，高溫 合金材 料的用 量 占 發(fā) 動 機(jī) 總重量的 40%60%，主要用于四大熱端部件:燃燒室、導(dǎo)向器、渦輪葉片和渦輪盤，此外， 還用于機(jī)匣、環(huán)

28、件、加力燃燒室和尾 噴口等 部件。燃燒室:燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?15002000C之間，燃燒筒合金材料承受溫度達(dá) 800900C以上，局部可達(dá) 1100C。除耐高溫外，還要求材料具有抗氧化性能、抗熱 腐蝕性 能和良好的冷熱疲勞性能。燃燒室使用的材料以鎳基或鈷基高溫合金為主，常用 Haynes188 鈷基高溫合金(三代戰(zhàn)斗機(jī) F100)、Hastelloy X鎳基高溫合金(三代戰(zhàn)斗機(jī) F110、F404 和 F414)、新的燃燒室結(jié)構(gòu)(四代戰(zhàn)斗機(jī) F119 和 F135 采用浮動壁結(jié)構(gòu)、F136 發(fā)動機(jī)采用 Lamilloy 結(jié)構(gòu))和涂敷熱障涂層的高溫合金(五代戰(zhàn)斗機(jī))。導(dǎo) 向 器 : 導(dǎo)向

29、器是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃臃较虻牟考?，是?空發(fā)動 機(jī)上承 受 熱 沖 擊 最 大的零件，材料工作溫度最高可達(dá) 1100C以上，但葉片承受的機(jī)械負(fù)荷不大。根據(jù)導(dǎo) 向器工 作條件，要求材料具有較好的持久強(qiáng) 度及熱 疲勞性 能、較 高的抗 氧化和 抗腐蝕 的能 力 。 導(dǎo) 向 器的主要材料為鑄造高溫合金，常用 IN718C、PWA1472、Rene220、R55 等型號高溫合金; 此外，WS10 發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。渦輪盤:渦輪盤在四大熱端部件中所占質(zhì)量最大。工作中受熱不均，輪緣溫度達(dá) 550-750C， 而輪心溫度只有 300C左右。榫齒部位承受最大的離心

30、力，所受的應(yīng)力更為復(fù)雜。為此要求 渦輪盤材料具有高屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng) 度、良 好的抗 機(jī)械疲 勞性能 和較小 的線膨 脹系 數(shù) 等 。 用 于渦輪盤制造的材料主要是粉末冶金高溫合金，例如 IN100 粉末高溫合金(F100 發(fā)動機(jī)) 和中國常用的 FGH95、GFH96、FGH97、FGH98、FGH91 合金。渦 輪 葉 片 : 渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣也是最關(guān)鍵的部件， 由于其 處 于 溫 度 最 高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位 而被列 為第一 關(guān)鍵件。 渦輪葉 片材料 大多也 是 精 密 鑄 造 鎳基高溫合金，目前已經(jīng)發(fā)展了五代 單晶合 金。渦輪 葉片其 結(jié)構(gòu)與 材料的 不斷

31、改 進(jìn) 成 為 航 空 發(fā)動機(jī)性能提升的關(guān)鍵因素之一。常用第三代單晶高溫合金 CMSX-10，第四代單晶高溫合 金 EPM-102，近年來日本又相繼成功的研制出承溫能力更高的第四、五、六代單晶合金 TMS- 138,TMS-162,TMS-238 等。軍機(jī)高溫合金需求測算結(jié)合中美戰(zhàn)機(jī)現(xiàn)狀實力對比，以及國家對軍用飛機(jī)發(fā)展的政 策支持，我們做出以下預(yù)測:民機(jī)高溫合金需求測算基于中國民用航空發(fā)動機(jī)自主可控戰(zhàn)略的驅(qū)動空客公司預(yù)測 2019-2038 年間客運(yùn)和貨運(yùn)飛機(jī)的需求量可達(dá) 39210 架，其中舊機(jī)替換量占36%，新機(jī)增長量占 64%，總價值約 4.9 萬億。亞太地區(qū)需求占比為 42%，達(dá) 16

32、540 架。 波音公司預(yù)測，近年來中國的航空運(yùn)輸量增長率(RPK)可達(dá) 5.5%。受疫情影響，波音下調(diào)了全球市場預(yù)測，但仍然預(yù)測未來 20 年中國將成為飛機(jī)交付量最多的國家，達(dá)到 8600 架; 中國商飛預(yù)測未來二十年將有 8725 架飛機(jī)交付中國市場，屆時中國航空市場將擁有 9641 架客機(jī)，其中單通道噴氣客機(jī) 6521 架，雙通道噴氣客機(jī) 2174 架，噴氣支線客機(jī) 946 架。我們預(yù)測 2020-2039 年間中國新增民機(jī)數(shù)量約 8500 架，目前主流民用飛機(jī)配備的發(fā) 動機(jī)數(shù) 量為 2-4 臺，基于平均每架民航飛機(jī)配備 3 臺發(fā)動機(jī)的假設(shè)估計，未來二十年將新增約 2. 5w 臺發(fā)動機(jī)，預(yù)

33、計民機(jī)發(fā)動機(jī)所需高溫合金共計約 1618 萬噸。高溫合金航天發(fā)動機(jī)的應(yīng)用液體火箭發(fā)動機(jī)中渦輪泵和燃燒室是液體火箭發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，主要使用高溫合 金材 料，如 GH1040、GH2028A、GH4196、GH4141、GH4586 等。2020 年，美國為火箭發(fā)射次數(shù)最多的國家，共計發(fā)射 44 次，其中成功 40 次。中國 發(fā)射次 數(shù)居第二位，共計 39 次，且自 2018 年以來，中國火箭年發(fā)射次數(shù)均超過 30 次，我 們預(yù)測 中國今后數(shù)年將進(jìn)入太空探索、火箭 發(fā)射的 高峰時 期。如今中國航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對高溫合金 提出了 持續(xù)的 需求。中 國未來 主力運(yùn) 載火箭 長 征 七 號 芯 一級采用

34、 2 臺YF-100 發(fā)動機(jī)，芯二級采用 4 臺 YF-115 發(fā)動機(jī)，助推器配置 4 臺 YF-100 發(fā) 動機(jī);長征八號芯一級采用 2臺YF-100 發(fā)動機(jī)，芯二級采用 2臺YF-75發(fā)動機(jī)，助推器配 置 2 臺 YF-100 發(fā)動機(jī)。YF-100 發(fā)動機(jī)自重 1.9 噸，YF-115 發(fā)動機(jī)自重約 0.23 噸，YF-75 發(fā)動機(jī)自重 0.245 噸。火箭推力室質(zhì)量占發(fā)動機(jī)質(zhì)量的 2440%、渦輪泵占 2026% 、燃燒 室占 1.23.3%，共計約 60%，即每枚長征七號運(yùn)載火箭所用高溫合金部件質(zhì)量約為 3. 42 噸， 每枚長征八號運(yùn)載火箭所用高溫合金部件質(zhì)量約為 2.85 噸。假設(shè)

35、平均每年航天發(fā)射長征七 號 25 次、長征八號 10 次，預(yù)計未來 10 年中國火箭發(fā)動機(jī)用高溫合金需求達(dá) 1200 噸。( 2) 高溫合金艦船燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用艦船燃?xì)廨啓C(jī)是高溫合金的另一個主 要用途 ，包括 四大部 分:空 氣壓縮 機(jī)、燃 燒室 、 葉 輪 系統(tǒng)及齒輪減速器。噴射到葉輪上的氣體溫度高達(dá) 1300C，因此葉輪系統(tǒng)需要選用高溫合金材料。自 1954 年 10 月從蘇聯(lián)獲得第一批兩艘 6607 型(鞍山級)驅(qū)逐艦至今，中國海軍共 計入役 裝備過 10 型 54 艘驅(qū)逐艦，其中現(xiàn)役 8 型 33 艘，為中國人民解放軍海軍主要水面作戰(zhàn) 力量; 此外，截至 2019 年 3 月，中國在 役

36、 64 艘護(hù)衛(wèi) 艦。我 們認(rèn)為 借勢航 母艦隊 構(gòu)建及 艦 船 更 新 換 代的勢頭，我軍艦艇未來或仍將繼續(xù)處于快速建造期，預(yù)計到 2035 年將部署 3 個航母 編隊、 3 個兩棲攻擊/登陸編隊和 3 個近海防御艦隊，2050 年將部署成 4 個航母編隊、4 個 兩棲攻 擊/登陸編隊和 4 個近海防御艦隊的作戰(zhàn)體系，預(yù)計至 2035 年對高溫合金的需求量約為 6.2 萬噸、2050 年對高溫合金的需求量約為 8.3 萬噸。( 3) 高溫合金汽車廢氣增壓器渦輪的應(yīng)用汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材 料的重 要應(yīng)用 領(lǐng)域。廢 氣渦輪 增壓器 主要由 渦 輪 機(jī) 和 壓 氣機(jī)等構(gòu)成。將發(fā)動機(jī)排出的

37、廢氣引 入渦輪 機(jī)，利 用廢氣 的能量 推動渦 輪機(jī)旋 轉(zhuǎn)， 由 此 驅(qū) 動 與渦輪同軸的壓氣機(jī)實現(xiàn)增壓。目前，國外的重型柴油機(jī)增壓器配置率 100%，中小型柴油 機(jī)也在不斷地增大其配置比例，如英、美、法等國家已達(dá) 80%左右。目前，中國渦輪增壓器 生產(chǎn)廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基 高溫合 金渦輪 葉輪。根據(jù)霍尼韋爾發(fā)布的全球渦輪增壓市場預(yù)測報告，預(yù)計到 2021 年，裝配有渦輪增壓器 的汽車的市占率將增至 48%。我們預(yù)測渦輪增壓器汽車市占率 CAGR 為 8.4%，渦輪 增壓汽 車將自 2015 年 762 萬輛增至 2021 年約 1200 萬輛，根據(jù)每萬輛汽車渦輪增壓器高溫 合金用 量

38、約為 2w 噸，高溫合金需求量約為 2400 噸。( 4) 高溫合金原子能工業(yè)的應(yīng)用2019 年全球核電消費(fèi)量(按投入當(dāng)量計算)增長 3.2%，是 2004 年以來增速最快的 一年， 遠(yuǎn)高于過去十年的平均水平(-0.7%)。與 2018 年一樣，中國的增幅居世界首位，且 0.5EJ 的增幅也是中國有史以來最大的一年 。原子能工業(yè)使用的高溫合金包括:燃 料元件 包殼材 料、結(jié) 構(gòu)材料 和燃料 棒定位 格架 ， 高 溫 氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以 代替的 。2019 全年中國新投產(chǎn) 2 臺核電機(jī)組，在運(yùn)機(jī)組達(dá)到 47 臺，裝機(jī)容量達(dá) 4874 萬千瓦，核電 發(fā)電設(shè)備容量占中國總發(fā)電量的 2

39、.42%。按照每年核電設(shè)備容量新增約 600 千瓦計算 ，大約 需建設(shè) 10 座 60 萬千瓦級核電站。正常一座 60 萬千瓦的核電站需用蒸發(fā)器“U”形傳熱管 100 噸，加上大量的堆內(nèi)構(gòu)件用不銹鋼精密管和控制棒、核燃料包套管等，共計需要各類核 級用管 600 多噸，則每年核電領(lǐng)域高溫合金需求總量約 6000 噸。( 5) 高溫合金石油化工的應(yīng)用美國從 70 年代開始，逐漸將航空領(lǐng)域的高溫合金轉(zhuǎn)移到油氣開采領(lǐng)域中應(yīng)用。蘇倫貝謝、 哈里伯頓等大公司，每年采購高溫合 金的量 非常高 。在石 油和天 然氣開 采，特別 是 深 井 開 采 中，鉆具處于 4150C的酸性環(huán)境中，加之二氧化硫、硫化氫和泥

40、沙等存在，必須使 用耐腐 蝕耐磨高溫合金。中國中石油、中石 化大多 采用不 銹鋼等 材料， 高溫合 金的普 及度 較 低 ， 高 溫合金具有仍有較大替代空間。如下 圖所示 ，所有 標(biāo)注部 分美 國用的 都是高 溫合金 。石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程中，會 用到加 熱爐、 煤氣( 油)發(fā) 生爐、 干餾爐 、裂 解 爐 、 轉(zhuǎn) 化爐、脫氫爐、制氫爐等，內(nèi)部結(jié)構(gòu) 包括輻 射室、 對流室 、余熱 回收系 統(tǒng)、燃燒 器 和 通 風(fēng) 系 統(tǒng)等多個組分。比如乙烯制備過程中使用的裂解爐管使用溫度達(dá) 10001100C，大量應(yīng)用高 溫合金材料，隨著乙烯等化工產(chǎn)品產(chǎn) 量的逐 步增加 ，高溫 合金 的需求 量也水 漲

41、船高 。3.2 中國高溫合金起步較晚 產(chǎn)量為明顯短板回顧中國外高溫合金生產(chǎn)商的發(fā)展歷 史，國際 著名高 溫合金 生產(chǎn)商 均有著 悠久歷 史 的 技 術(shù) 積 淀，且與下游產(chǎn)業(yè)合作密切。中國高 溫合金 雖起步 較晚， 但是生 產(chǎn)商不 斷提高 研發(fā) 投 入 、 擴(kuò) 大產(chǎn)能，在政策護(hù)航、投入加大、技 術(shù)突破 的關(guān)鍵 時期， 當(dāng)實 現(xiàn)借勢 爆發(fā)。早在 20 世紀(jì) 30 年代，英國、德國、美國就開始研究高溫合金。二戰(zhàn)時期，高溫合金 的研制 進(jìn)入高速發(fā)展時期，鎳基、鈷基、鐵基高溫合金紛紛研制成功并大量應(yīng)用;中國自 1956 年 第一爐高溫合金 GH3030 試煉成功起，其研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng) 60 年，根

42、據(jù) 2012 年出 版的中國高溫合金手冊，列入高溫合金牌號 205 個，中國成為繼美、英、俄后第四 個擁有 自主高溫合金體系的國家，使中國航空發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)和發(fā)展逐漸突破高溫合金材料的瓶頸。據(jù) SMC 統(tǒng)計，2009 年世界高溫合金總產(chǎn)量約 25 萬噸/年，其中 SMC 公司長材產(chǎn)量世界第 一，占比 18%;板材產(chǎn)量世界第三，占比 11%。而中國的高溫合金生產(chǎn)商起步較晚，產(chǎn)能較 低，排名靠后。國外生產(chǎn)高溫合金的企業(yè)大致分為兩 類:以 通用電 氣、羅 羅、普惠 等為代 表的同 時 生 產(chǎn) 航 空 發(fā)動機(jī)的企業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈長，高溫合金是其產(chǎn)業(yè)鏈的一個環(huán)節(jié);以阿勒格尼技術(shù)(ATI)、精密 鑄件公司(PCC)、日本制鐵等為代表的特鋼企業(yè)，產(chǎn)品為特種不銹鋼、鈦合金等多種 特鋼產(chǎn) 品，高溫合金是其產(chǎn)品的一個組分。( 1) 通用電氣(GE):掌握核心技術(shù)，與下游聯(lián)系緊密( 2) 阿勒格尼技術(shù)(ATI):特鋼資質(zhì)