军工材料最优赛道:高温合金专题报告

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所属分类:综合体育

来源:未来智库

(报告出品方:国金证券)

高温合金——是当前军工产业链最优质赛道。军工材料本轮周期叠加军品 放量+进口替代逻辑,或将持续 3 年以上时间。军工材料端以高温合金为 代表将是整个军工产业链最好赛道,历史上看,其原因包括:技术壁垒 高、附加值高、业绩弹性大、估值容忍度最高。军工高景气度、材料最优 赛道、相关公司业绩持续释放,高温合金个股迎来戴维斯双击。

一、高温合金——军工材料产业链最优质赛道

1.1 高温合金简介

高温合金,又称热强合金或超合金(superalloy),是指在高温、应力条件 下仍能按设计要求正常工作的金属材料。

 高温合金服役条件苛刻:1)600-1200℃的温度;2)氧化和燃气腐蚀 环境;3)复杂应力(蠕变、高低周疲劳、热疲劳等)。因此除优异的 承温能力、抗氧化性、抗热腐蚀、抗疲劳、断裂韧性/塑性等,还必须 具备良好的组织稳定性和使用可靠性。

 高温合金研发最早起源于 20 世纪 20 年代,30 年代开始用于涡轮喷气 发动机,此后随着航空、航天发动机的升级换代,其工艺、成分、品 种、性能等也不断改进。

 高温合金的分类。高温合金的分类方法众多,如按基体元素、按制备工艺、 按强化方式、按使用性能等。

 按基体元素可分为铁基、镍基和钴基,其中镍基合金最为普遍;

 按制备工艺又可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合 金,这也是目前使用最多的分类方法。

高温合金的市场构成。

 按制造工艺划分,目前我国高温合金市场需求占比最高的是变形高温, 占整个高温合金市场需求的 70%以上;

 按合金基体元素来分,占比最大的是镍基高温合金,占比达到了 80% 以上。

高温合金的应用。高温合金核心应用在航空航天领域,近几年已逐步延伸 至许多民用领域。

 军用:高温合金一直是现代航空、航天发动机热端部件关键材料中不 可替代的主角,没有高温合金就没有现代航空事业。

 民用:石油化工、电力、汽车、核能等多个工业行业,如工业用燃气、 蒸汽轮机、车用涡轮增压器、石油化工能源转换装置等,民用领域高 温合金的使用正在逐步替代传统的不锈钢

高温合金在航空航天中的应用。

 从需求占比看,全球高温合金主要应用在航空航天市场,占总使用量 55%,其次是电力的 20%和机械的 10%。

 原材料占航空发动机成本约 50%,高温合金为原材料的主要构成,约 占材料成本的 36%。

1.2 高温合金的高壁垒

 高温合金的高准入壁垒主要因其高难度的生产技术工艺,特别是对生产工 艺流程的管控。高温合金的制备工艺因品种而不同,大体步骤有三个:熔 炼、铸造、热加工,各个环节又有多种方法。粉末高温合金则主要通过粉 末法替代熔炼。

 技术瓶颈主要体现在成分、设备及热处理三个方面:

 1)成份配比,直接决定熔炼结果及后续工序,这也是开发新产品的重 要性所在。成分决定了组织特点,其要求三个:材料纯净度、晶粒细 化和均匀化、防治宏观偏析等。

 2)设备更为重要,设备对应的加工条件影响最终材料的微观结构,越 是尖端、先进材料越是如此,对设备的操作熟练度也很关键;高温合 金的生产设备众多,如真空感应炉、真空电弧炉、真空自耗炉、电渣 炉、水压机、精锻机等,国内外设备先进程度存在不小差距。

 3)后部工序:热处理工艺及无损探伤等,是所有金属材料的共性。

1.3 高壁垒铸就高售价、高毛利

 高温合金是整个特钢行业或者说是整个军工材料领域盈利能力最强的品种 之一。

高温合金因其原材料成本高、制备工艺复杂、流程长等原因,售价普遍较 高。高温合金售价一般在数万元至百万元之间,常见品种预计平均价格在 15-30 万元左右。

 根据主要高温合金上市企业抚顺特钢、钢研高纳、图南股份等财报数据显 示,变形高温合金售价普遍在 15-20 万元/吨,部分品种价格或更高;而铸 造高温合金由于其制造工艺难度更高,其售价也更高。

相对于售价而言,高温合金毛利率也维持较高水平,比如抚顺特钢平均毛 利 40-50%、钢研高纳则维持 30%左右、图南股份铸造产品 40%以上。

二、正值高景气周期,供给缺口持续放大

2.1 国内高温合金竞争格局稳定,高壁垒致放量缓慢

 我国高温合金行业是在苏联基础上发展起来,1956 年在苏联专家指导下试 制出第一炉高温合金 GH3030。五十多年来,我国完成了从无到有、从仿 制到自主创新的过程,合金的耐温性能从低到高、先进工艺得到应用、新 型材料得以发展、生产工艺不断改进、产品质量不断提高,成为世界上少 数建立了自己高温合金体系的国家。

 目前我国高温合金牌号已达到数百种,有些达到国外同类水平,但总体上 较美国先进水平仍有一定距离:1)材料纯净度低;2)工艺不严导致毛坯 合格率低;3)工业化应用率低;4)部分产品批量不足;5)燃气轮机中 部分大尺寸、精铸叶片尚未国产化。

 经过多年发展,我国高温合金已基本形成了自己的体系和研究生产基地, 航空和其他工业部门使用的各种高温合金均可以国内生产供应。迄今为止 形成了几大类生产基地:

 钢厂类:抚顺特钢、宝钢特钢(原上钢五厂)、攀长钢和齐齐哈尔等特 钢厂,包括重新进入的中信特钢等,主要生产变形高温合金;

 各主机厂下属精密铸造厂,主要生产铸造高温合金基地;

 钢铁研究总院、北京航材院和沈阳金属所等科研院所,主要开发、生产高端和新型高温合金;

 此外,近几年部分民企开始涉及高温合金领域,如图南、江苏隆达、 广大特材、永兴不锈等

 根据特钢协会数据,2019 年会员钢企高温合金材产量 8499 吨,相较于前 几年略有下降,考虑部分研究院所以及民企产量并未纳入统计数据,同时, 由于产品技术壁垒问题,产能与实际产量之间存在一定差距,预计目前国 内主要高温合金生产企业年均产量在 1.5 万吨左右,而由于高温合金技术 要求高,近几年扩产进度缓慢。

2.2 需求高增+国产替代,供需缺口持续放大

 根据上述高温合金产能统计,考虑现有产能+在建产能,国内高温合金总产 能预计在 2.5 万吨左右,但因为生产工艺复杂、所需产品牌号众多等问题, 实际产量远低于产能数据,预计国内现有产量不到 1.5 万吨左右。

 而根据我们的需求测算,国内当前需求超过 3.1 万吨,也意味着,按照目 前产量,国内高温合金自给率不到 50%,缺口 1.6 万吨。这其中包括了需 求端,特别是发动机相关需求的增长,以及国产替代需求,预计国内未来 年均需求复合增速将超过 6%,仅以目前产能产量情况,供需缺口将持续 放大。

三、航空发动机高温合金需求

3.1 高温合金在航空发动机中的应用

 在现代航空发动机中,高温合金占有极其特殊的重要地位。高温合金从诞 生起就用于航空发动机,航空发动机内多数部件都需要在高温高压的恶劣 环境下长期工作,对性能、工艺要求极高,因此高温材料是必须的。

 航空发动机的四大热端部件

 高温合金在航空发动机内主要应用于四大热端部件:燃烧室、导向器、 涡轮叶片和涡轮盘,在高性能的航空发动机中,高温合金还用于压气机后端盘、转子叶片及机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等。

 发动机苛刻的服役条件导致其对材料性能的高要求:1)高温→热强性 (抗蠕变和断裂);2)高载荷→高温比强度和比寿命;3)高氧化腐蚀 →高温抗氧化能力;4)高性能重量比→韧性;5)高可靠性→导热性 和低热膨胀系数;6)高寿命→热疲劳性、低循环疲劳。

航空发动机中高温合金用量。军用航空发动机单位用高温合金预计 3.7 吨 左右,民用则预计 13.5 吨左右。

 重量占比 40-60%。根据图南股份招股说明书,高温合金用量占发动机 总重量的 40%-60%,在先进发动机中已经超过 50%,甚至可能达到70%,越先进发动机高温合金占比越高,发动机越先进铸造高温合金 的比重越大,铸造高温合金相对于变形高温合金成本高、设计更复杂。

 发动机重量。战斗机和商用飞机重量不同:1)按照当前主流型号,战 斗机发动机重量一般为 1.0-3.0 吨,假设平均 1.5 吨;2)商用飞机则 参考波音 787 GEnx发动机参数,单个重量约 5.4 吨。

 高温合金成材率、用量比例。如普通钢材一样,高温合金在制备过程 中存在成材率的问题,而且由于加工难度、使用复杂性等,其成材率 远低于一般特钢。根据西部超导招股说明书,高温合金全流程成材率 预计 20%-40%。

 综上,测算军工航空发动机单位用高温合金预计 3.7 吨左右,民用则 预计 13.5 吨左右(重量占比按 50%、成材率按 40%左右)。

3.2 对应高温合金需 2.3 万吨,未来 5 年年均复合增速 5.3%

 根据我们的测算,航空发动机对应高温合金需求中,军机部分高温合金需 求 2020 年为 1.9 万吨,到 2025 年有望达到 2.72 万吨左右,年复合增速 6.2%;民机部分年均高温合金需求 4050 吨。综上,2020 年航空发动机对 应高温合金需求 2.3 万吨左右,到 2025 年将达到 3.1 万吨左右,年均复合 增速 5.3%。

1)军机部分

 我国军用飞机经过几十年的努力,已经在三代战斗机、军用直升机、运输 机领域得到了快速发展,歼 10、歼 11、歼 15、武直 10、歼 20、运 20 等 一批先进武器装备先后列装,未来新一代四代机以及运输机、轰炸机的批 量生产将带来大量高端涡扇发动机的需求。

 2018 年珠海航空展上,适量推力版的 WS-10B 发动机公开亮相。而近期, 根据公开的试飞照,运 20 配 WS-20 国产发动机实现首飞。前期歼 10、歼 11 均使用俄制 AL-31 发动机,考虑到军用航空发动机进口替代以及老旧二 代、三代机型替换需求,未来我国军用航空发动机的市场需求空间巨大。

,2020 年我国军用发动机数量 5139 台,到 2025 年达到 7378 台。按照每台 3.7 吨高温合金用量,目前当年年均高温合金需求 量 1.9 万吨左右,到 2025 年将达到 2.72 万吨左右(考虑新增+维修), 年复合增速 6.2%。

2)民机部分

 据民航局官网发布的《2019 年民航行业发展统计公报》,截至 2019 年底, 民航全行业运输飞机期末在册架数 3818 架,比上年底增加 179 架,同比 增长 5%。同时,2015-2019 年期间,年均复合增长 10%左右。

到 2025 年我国民用飞机发动机对应高温合金需求年均 300 台左右;按单个民用航空发动机对应高温合金需求 13.5 吨左右, 对应民用领域年均高温合金需求 4050 吨。

四、其他领域高温合金需求

4.1 燃气轮机

 燃气轮机是高温合金另一重要应用。按照输出功率来划分,燃气轮机可分 为微型、轻型和重型三类。其中微型和轻型燃气轮机可由航空发动机改制 而成(又称为“航改燃”),功率通常在 50MW 以内,可用于工业发电、船 舶动力、管道增压、坦克机车、分布式发电及热电联供等场景。重型燃气 轮机功率在 50MW 以上,主要用作陆地上固定的发电机组,如城市电网。

 燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备,是典型的高新技术 密集型产品,被称为装备制造业“皇冠上的明珠”。因其体积小、重量 轻、功率大、效率高等优点,被广泛用于船舶动力、发电装置上。

 燃气轮机同时作为一种旋转式热力发动机,结构与飞机喷气式发动机 非常相似,高温材料在其中占据极其重要的地位。由于结构庞大、工 作温度更高(1300℃),其对高温合金性能要求甚至比军用还严。

 值得重视的是,随着国内燃气轮机在军用舰艇、工业与民用发电发展 运用,其需求空间广阔。比如燃气轮机在西气东输、西单东送、南水 北调工程中均大量使用,我国舰船制造业也需要大量 30MW 级燃气轮 机;按中航空业估计,仅中石油一家,在燃气轮机上每年需求的价值 就达到 30 亿元。

 高温合金在燃气轮机中主要应用于燃烧室、过渡导管、导向叶片、涡轮工 作叶片以及涡轮盘等五大部件上。

 需求测算:

 燃气轮机市场:按照中航工业以及纲研院估算值,国内 2011-2020 年 燃气轮机联合循环装机容量将达到 30000MW,而 2010 年时仅为 8100MW,即意味着十年间复合增长率 16.7%。

 燃气轮机数量:参照中国过去两轮燃气轮机招标情况,我国燃气轮机 单台平均容量为 40-50MW,因此 2020 年燃气轮机数量将达到 700 台 以上。

 单位用量:按照《中国高温合金 50 年》专家分析,燃气轮机单位叶片 重量相当于航空发动机的 2-3 倍,我们假设燃气轮机整体用量比例相 同,则意味着单台燃气轮机用高温合金达到 7-11 吨。 由此,我们测算 2020 年我国燃气轮机领域对应高温合金用量达到 6300 吨,年新增需求 900 吨左右;若未来复合增长率继续维持 16% 以上,则到 2025 年年均新增需求 1950 吨左右。由于燃气轮机使用寿 命 10 万小时以上,暂不考虑更换需求。

4.2 汽车

 汽车也是高温合金重要下游。

 主要用于汽车涡轮增压器的制造;其次汽车发动机中排气阀、烧嘴、 热发生器等装置零件也需使用到高温合金。

 废气涡轮增压器具有减少有害排放、降低噪声污染、提高机械效率、 提升功率等优点。目前国内汽车涡轮增压器综合渗透率达到 50%左右, 但较英、美、法等 80%左右的水平仍然偏低,未来有提升空间。

 用量测算:

 2020 年 1-10 月全国汽车产量为 1897.9 万辆,同比下降 4.1%,预计 全年产量 2400 万辆左右。考虑汽车行业受到疫情影响,未来潜在产量 增速回升,假设未来几年符合增速 3-5%左右。

 按照钢研高纳招股说明书,每万辆汽车涡轮转子高温合金用量达到 2.04 吨左右;

 测算我国汽车工业高温合金需求量目前为 4900 吨左右,2025 年将达 近 6000 吨左右。

4.3 其他

 其他高温合金的应用领域还包括电力特别是核电,以及石油石化行业等。

 高温合金在核电工业中的应用

 主要包括:燃料元件包壳管、燃料元件定位架、高温气体炉热交换器 等。此外,还包括大量堆内构件用不锈钢精密管和控制棒、核燃料包 套管等。

 燃料元件包壳管其管壁通常需承受 600~800℃高温,且壁又薄,这就 要 求 其 必须 具 有 高的 蠕 变强 度 。此外, 包壳 受 到的 应 力约 为 120~150MPa,而材料内外部同时受冷却剂和燃料的侵蚀。

 石化工业设备因操作条件苛刻,特别是压力容器、管线、管件、阀门等需 大量使用铁基和镍基合金材料。

 虽然碳钢是石化工业领域最常用的结构材料,但其使用条件仅限于 343℃以下,温度更高时必须使用更高级的耐热合金材料,650℃以上 应用主要是火焰式加热炉,还包括管件、集合管、阀门、旋风分离器 等设备。

 以石油化工管式裂解炉为例,管内通以裂解原料,管外用液体燃料或 气体燃料燃烧所发出的热量来加热管外壁。通过管壁的传热,将热量 传递给管内的反应物料。裂解反应温度较高(约 800℃),而管外壁的温 度更高,这样才能把热量传导到管内去。因此必须用高热强度及耐高 温 1000℃以上的合金。随着社会需求的扩大、环保法规的趋严以及炼 油工艺的不断发展,高温合金在石化装置上的应用越发广泛,诸如流 化催化裂化装置、水蒸汽转化制氢装置、乙烯裂解装置中高温阀门、 催化剂炉管、二次转化炉内构件、反应器再热器、波纹管,均为高温 部件,需使用大量高温合金。

 高温合金除在上述市场得到大量运用之外,还广泛应用于玻璃制造、冶金、 医疗器械等领域,产品包括生产玻璃棉的离心头和火焰喷吹坩埚,平板玻 璃生产用的转向辊拉管机大轴、端头和通气管,人工关节等等。

 我们预计这些市场目前每年带来高温合金需求 2000-3000 吨,年增速与其 它行业相似,总体 5%左右。

……

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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