高温合金行业专题报告:航空发动机国产化时代,高温合金崛起

一、高温合金是航空发动机的核心材料

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在 600°C 以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。相比于传统金属,其特点是具有较高的高温强度、良好的抗高温氧化性和抗热腐蚀性,同时具备良好的抗疲劳性能、塑韧性等综合性能。航空发动机、燃气轮机等产生极大热能的工作环境是高温合金的主要应用场景:以国产主力涡扇发动机 WS-10 为例,其涡轮前燃气温度达到约 1100K,几乎是普通钢材的熔点温度。

1.1 高温合金是航空发动机性能突破的关键要素

航空发动机结构可分为冷端部件和热端部件。其中热端部件主要包括燃烧室、导向器(导向叶片)、涡轮叶片(工作叶片)和涡轮盘,高温合金是航空发动机热端部件的关键材料。在现代航空发动机中,高温合金材料的用量占发动机总重量的 40%~60%。以美国第三代战斗机 F110 发动机总重 1.8 吨为例,高温合金用量在 0.9 吨左右。

高温合金是航空发动机性能突破的关键要素。航空发动机性能主要取决于涡轮前温度、推重比、燃油消耗率等主要指标,其也是航空发动机分代的重要依据。航空发动机的发展趋势是不断提高推重比和涡轮前温度,同时降低燃油消耗率。在其它条件不变的前提下,涡轮进口温度每提高 100K,航空发动机的推重比能够提高 10%左右。从全球来看,从第一代航空发动机发展至目前的第五代发动机,涡轮前温度已经由 1200-1300K 提高到了1850-2000K,推重比从 3-4 提高到了 12-13。涡轮前温度的提高很大程度上得益于耐高温材料的发展。据航空材料学报报道,自 20 世纪 60 年代中期至 80 年代中期,涡轮进口温度平均每年提高 15K,其中材料所做出的贡献在 7K 左右。因此,高温合金材料成为了制约航空发动机发展的关键要素之一。

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1.2 生产工艺的发展推动高温合金材料性能不断改善

按生产工艺,高温合金通常可分为变形高温合金、铸造高温合金(包括等轴晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金)、新型高温合金三大类。不同生产工艺的高温合金性能特点不同,分别应用于发动机不同部位。变形高温合金是经过锻造、轧制、镦粗和冷拔等塑性变形工艺和热处理制造的高温合金,承温能力相对较低,主要应用于航空发动机前端压气机盘,部分应用于燃气涡轮盘、涡轮叶片、导向叶片、主燃烧室等,应用范围较广,用量占比 70%以上。

2) 铸造高温合金

铸造高温合金可细分为等轴晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金三大类,其中,等轴晶高温合金采用传统的熔模铸造方法,承温能力相对较低,主要应用于机匣、低压涡轮后几级叶片,应用范围较广,占比全部铸件零部件 60-70%,但产品附加利润低;定向凝固柱晶高温合金采用定向凝固技术制造,承温能力相对较高,主要应用于低压涡轮前几级的工作叶片,以及部分发动机高压涡轮的一、二级工作叶片,应用范围仅限于工作叶片,产品附加利润较高;单晶高温合金采用定向凝固和选晶技术制造,承温能力最高,主要应用于先进发动机高压涡轮叶片和低压涡轮前两级叶片,应用范围仅限于工作叶片,产品附加利润最高。

3) 新型高温合金

新型高温合金指通过新型制造工艺生产的高温合金材料,主要包括粉末高温合金弥散强化高温合金(ODS),其中,粉末高温合金是将高温合金雾化成粉末,再经热等静压成型或热等静压加锻造成型的生产工艺制造出高温合金产品,具有金属利用率高、成本低等特点,承温能力相对较高,目前主要应用于涡轮盘和涡轮叶片,是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的优良材料;弥散强化高温合金(ODS)采用类似粉末冶金工艺制成,承温能力较高,主要应用于火焰筒、导向叶片及涡轮叶片。

二、高温合金需求主要来源于航空航天领域

1.1 高温合金下游应用领域主要为航空发动机

高温合金下游应用广泛,目前主要应用于航空航天领域。高温合金最初的研制主要为了满足新型航空发动机的需求,但由于其良好的耐高温,耐腐蚀等性能,逐渐被应用到电力,船舰,汽车,冶金,玻璃制造,原子能等工业领域。根据《工业燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研究及应用进展》,目前高温合金下游最大的应用领域为航空航天用发动机,占比约 55%,其次为能源发电用燃气轮机,占比约 20%。

高温合金主要下游客户为全球前六大航空发动机生产商。航空发动机行业门槛极高,全球范围内呈现寡头垄断的竞争格局,目前只有通用电气(GE)、普拉特·惠特尼(PW)和罗尔斯·罗伊斯(RR)三家公司有能力独立研制航空发动机,即行业内三大主机厂。全球前六大航空发动机生产厂商包括三大主机厂商及其合资公司,例如 CFM 国际公司由通用电气和法国 SNECMA 于 1974 年合资成立,国际航空发动机公司(IAE)由普拉特·惠特尼、罗尔斯·罗伊斯、日本航空发动机公司(JAEC)和德国航空发动机公司(MTU)于 1983 合资设立,发动机联盟(EA)是由通用电气和普拉特·惠特尼于 1996 年合资成立。

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1.2 全球航空发动机需求量增长带动高温合金市场增长

全球航空发动机需求量的增加主要得益于民用飞机需求量的增长。民用航空飞机需求量的不断增长推动了全球航空发动机市场的增长,以航空发动机生产厂商通用电气(GE)公司为例,2014-2019 年,航空发动机销量从 3637 台增加到 4621 台,年复合增长率为4.07% ,其中,民用航空发动机年复合增长率为 7.21%。

全球航空发动机需求量的增加推动了高温合金市场的发展。2014-2018 年,全球高温合金市场规模从 97.54 亿美元上升为约 121.63 亿美元,年复合增长率为 3.2%,与航空发动机销量增速 4.07%相近。

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1.3 他山之石:全球高温合金市场孕育出百亿规模龙头企业PCC

高温合金行业具有高资本壁垒、高技术壁垒等特点。全球范围仅不超过 50 家企业具有生产航空航天用高温合金的能力,主要集中在美、英、法、德等国,行业呈现寡头特征,国际因科合金公司、汉因斯.司泰特公司、卡本特公司等公司主要负责母合金的冶炼、生产,先进高温合金如粉末高温合金和单晶高温合金主要由三大航空发动机生产商主导,少数企业如 PCC、ATI 等产业链布局范围较广。

从产业链布局广度和收入体量看,PCC 为全球高温合金企业龙头。专注从事高温合金业务的企业较少,作为其中一家,产业链布局方面,PCC 布局范围较广,涵盖了上游母合金冶炼,棒材、板材生产,及下游锻件和铸件的制作;收入体量方面,高温合金行业上市公司较少,根据巴菲特致股东的相关信件显示,2019 年 PCC 收入约 103 亿美元,远远大于同行业其它上市公司。

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Precision Castparts Corp.(PCC)于 1953 年成立,至今已有 60 多年的历史。公司已经从一家小型的熔模铸件制造商发展为航空航天、电力等行业用熔模铸件、锻件、紧固件的综合制造商,并成为了全球最大的独立涡轮叶片供应商。在 60 年的成长历史中,公司通过战略性并购增加了综合技术能力,同时通过不断开拓新的终端市场维持长期的稳定发展。公司于 1968 年上市,并于 2016 年 1 月被伯克希尔·哈撒韦(Berkshire Hathaway)以372 亿美元私有化,是巴菲特目前为止最大的并购交易。

良好的商业模式、稳定客户体系和较高的行业壁垒决定了公司收入、利润的稳定增长。上游航空发动机厂商对供应商的筛选较严格,一般经过较长的试用周期和复杂的审核流程才能成为其合格供应商,但一旦建立供应合作,不会轻易更换供应商。以 PCC 和 GE 的合作为例,GE 长期是 PCC 的第一大客户,2011-2015 年,其为 PCC 收入贡献维持在 13%-15%的水平,稳定的客户体系为收入的稳定增长奠定了基础。2006-2015 年,PCC 收入年复合增长率为 11%,此外,较高的资本和技术壁垒决定了该行业的竞争格局较好,毛利率较高,2006-2015 年,公司毛利率不断上升,并稳定在 30%以上。

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三、国内高温合金市场迎来蓬勃发展期

1.1 目前国内高温合金市场处于快速发展期

我国高温合金市场正处于快速增长期。在“两机”重大专项的政策背景下,国内对于高性能高温合金材料的需求愈加迫切,从产销量看,2012-2018 年,我国高温合金消费量年复合增速为 17.3%,国内高温合金企业产能不断扩张,总产量年复合增速为 19.7%,同时,国内高温合金企业在部分产品质、量方面仍不能完全需求,我国高温合金 41%左右的需求仍依赖进口。从市场规模看,2012-2018 年,行业市场规模从约 45 亿元上升到 136 亿元,且规模增速不断上升,接近 30%。

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1.2 国内高温合金市场将迎来需求快速增长期

目前,国内高温合金应用最为成熟、最主要的应用领域为航空发动机,国内军用和民用飞机交付量的增加以及发动机国产化趋势,将带动国内高温合金需求的高速增长,此外,高温合金在燃气轮机及汽车发动机领域的应用发展趋势较好,其进一步驱动高温合金需求的增长。

1)军用航空:新一代军机列装在即,新型国产发动机将批量装载

国内军机数量相比于美国偏低,增长空间较大。根据《World Air Force 2020》,美国目前军机数量规模为 13266 架,占比世界总规模 25%,相较于美国,我国军机数量规模较低,仅为 3210 架,占比 6%。我国主要军机为战斗机,其中,二、三、四代机占比分别为 42.6%、56.3%和 1.1%,美国战斗机以三代机、四代机为主,分别占比 78.7%、16.2%,相较于美国我国三、四代战斗机列装比列偏低,随着新型军机的量产,我国军机列装结构将迎来升级,数量规模将不断增长。

高温合金行业专题报告:航空发动机国产化时代,高温合金崛起
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发动机国产化趋势明显,驱动国内高温合金行业进口替代。从上世纪中叶至今,我国发动机经历了从仿制到独立研制的发展历程,目前,我国战斗机、运输机、战斗直升机及训练机中的主流核心机型已实现发动机的国产化,未来,随着 WS-15、WS-20 等新一代核心发动机的定型,并批量装载于新一代军机,其将直接驱动国内高温合金需求增长,间接实现高温合金进口替代。

2)民用航空:新型民用飞机即将批量交付,配套发动机有望量产

民用航空规模高速增长,发动机高温合金市场需求巨大。根据中国商飞发布的《中国商飞公司 2019-2038 年民用飞机市场预测年报》,2038 年中国机队规模将达到 10344 架,为2018 年的 2.86 倍。2019-2038 年,中国将预计交付 9205 架客机,其中单通道喷气客机6119 架,双通道喷气客机 2128 架,喷气支线客机 958 架,预计未来单通道喷气客机、双通道喷气客机和喷气支线客机分别以新型民机 C919、CR929 及 ARJ21 为主。目前,ARJ21 累计获得 22 家客户合计 596 架订单,截至 2019 年年底合计交付 22 架;C919 累计获得 31 家客户 1021 架订单,预计 2021 年完成首架飞机交付;据俄罗斯媒体报道,CR929 已获得俄罗斯 200 架的意向订单,预计 2025 年试飞,2027 年实现交付。中国航发商发为三类新型民机规划了“长江”系列发动机,随着新型民机的批量交付,配套国产发动机的进口替代和量产将打开高温合金巨大的市场空间。

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3)燃气轮机:燃气发电和舰船量产打开高温合金潜在市场空间

工业燃气轮机高温合金潜在需求量大。燃气轮机分为工业燃气轮机和舰船用燃气轮机。其中,工业用燃气轮机主要应用于发电、天然气管道运输等,根据国际能源署(IEA)发布的《2020 年全球电力报告》,全球电力结构往清洁非再生能源和再生能源发电的趋势发展,其中燃气作为一种清洁非再生能源,发电量占比全球发电总量 23.5%,我国燃气发电占比发电总量为 3.2%,根据国家发改委发布的《电力发展“十三五”规划(2016-2020 年)》,“十三五”期间我国气电装机目标占比超过 5%,相比于我国目标占比和全球平均占比,我国燃气发电占比仍有较大发展空间,燃气轮机在燃气发电中大规模应用将为高温合金行业带来广阔的市场空间。

舰船用燃气轮机高温合金需求来自于新型舰船量产及涡轮叶片更新替换。 一方面,我国新型舰船燃气轮机单台高温合金含量高,量产带动的需求量较大。据不完全统计,截止2019 年底,我军舰总数 240 艘,其中航空母舰 2 艘,驱逐舰及护卫舰 127 艘,登陆舰 49艘,小型作战舰艇 62 艘,目前,我国军舰主要增量来自于驱逐舰及护卫舰,是我国主流军舰。其中,新型驱逐舰 055 型驱逐舰于 2014 年定型,并于 2019 年开始服役,是未来主力量产的驱逐舰,055型驱逐舰装配4台我国自产QC/QD-280燃气轮机作为动力装置,按其仿制机型 UGT25000 重量 16 吨,高温合金含量占比 30%,成材率 20%计算,单台055 型驱逐舰消耗高温合金 96 吨。新型护卫舰 056A 型护卫舰于 2013 年开始服役,目前正处于量产期,其采用 2 台柴油发动机作为动力装置,参照欧美、俄罗斯等国家不断推进燃气轮机在护卫舰的应用,随着我国燃气轮机的国产化发展,未来燃气轮机将成为我国驱逐舰及护卫要动力装置。另一方面,燃气轮机涡轮叶片耗材属性带来的市场空间较大。一台燃气轮机中,各级叶片的平均使用时间为 1.5-2.4 万小时,即平均更新替换周期为 2 年,类比于航空发动机,涡扇发动机的叶片约占航空发动机成本的 30%,其中热端部件的涡轮叶片占叶片总价值超过 60%,涡轮叶片更新替换周期短,价值占比较大,市场空间大。

4)汽车制造:汽车涡轮增压器配置率的提升带动高温合金需求稳定增长

汽车是我国高温合金另一重要应用领域,其中最主要的应用为汽车涡轮增压器,涡轮增压器是汽车等内燃机的重要零配件,其位于发动机进排气系统,通过压缩空气来增加进气量,从而使燃料燃烧更充分,增加发动机的输出功率并降低废气中污染物的排放,以柴油机为例,运用涡轮增压器能够使得功率提升 30%~50%, 并使得油耗降低约 5%。基于这些优点,涡轮增压技术已成为公认的降低汽车内燃机油耗和减少废气排放有效的主要技术措施之一。随着全球各国相继制定严格的排放和油耗标准,涡轮增压器在汽车市场的渗透率不断提升,据统计,2015 年,我国涡轮增压器配置率为 28%,据霍尼韦尔估计,2020 年,达到 48%,离欧洲地区约 80%的装配率水平仍有较大成长空间。目前,受我国排放标准从国五到国六 a 的过渡发展,以及国六 b 排放标准进一步严格化的驱动,我国涡轮增压器配置率将加速提升,将带动汽车领域高温合金需求量稳步增长。

1.3 国内高温合金市行业已逐步形成产业链,进口替代空间较大

高温合金行业参与者较多,供应体系分工明确。我国高温合金行业包括上游金属原材料、生产设备供应商、中游高温合金生产商及下游航空航天、燃气轮机应用企业,其中,高温合金生产商参与者主要分为两大类,一类属于科研单位,并兼具生产能力,该类企业主要负责先进高温合金材料和生产工艺的研究与生产,往往覆盖全产业链,掌握着行业前沿生产技术和工艺,例如航材院擅长粉末高温合金技术、中科院沈阳金属所擅长单晶高温合金技术;另一类包括特钢类企业及其它民营企业,其中,特钢类企业主要负责变形高温合金母合金冶炼、锻造。

1.4 国内高温合金生产企业较国外有较大进步空间

国内外高温合金生产厂商仍存在较大差异,主要源于设备、人员两方面。设备方面,高温合金关键生产设备主要包括真空感应熔炼炉、保护气氛电渣炉、真空自耗炉,生产设备的性能对产品的良品率有重大影响,进而间接影响到产品成本,全球先进设备生产商主要包括德国公司 ALD 以及美国的 CONSARC 、RETECH 等公司,国产设备很多无法满足工艺精密度的要求,故国内生产设备大部分需要依靠进口,由于国外设备成本高并面临贸易管制风险,国内企业在设备方面存在较大劣势。 人员方面,国内外企业主要差于在于员工的工作素养,由于工艺经验以及质量控制理念等问题,国内高温合金生产厂商员工工作素养普遍低于国外企业,从而导致质量控制不到位,进而导致杂质控制水平、产品组织均匀性等问题,同时良品率偏低导致生产成本普遍偏高。

国内高温合金生产企业有较大的进步空间。短期来看,国内厂商可以实现技术和员工素养的突破,设备方面,通过进口国外先进设备实现设备升级,人员方面,通过规范化生产流程,生产质量管理严格化及员工培训等可以提高员工素养,改善生产工艺,进而提高产品良品率,降低企业成本。长期来看,随着母合金研发的投入,国内厂商将在新型母合金使用方面实现突破。

(报告观点属于原作者,仅供参考。报告出品方/作者:西部证券,雒雅梅)

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