高温合金行業專題報告：航空發動機國產化時代，高温合金崛起
導讀：高温合金行業專題報告：航空發動機國產化時代，高温合金崛起。
一、高温合金是航空發動機的核心材料
高温合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在 600°C 以上的高温及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料。相比於傳統金屬，其特點是具有較高的高温強度、良好的抗高温氧化性和抗熱腐蝕性，同時具備良好的抗疲勞性能、塑韌性等綜合性能。航空發動機、燃氣輪機等產生極大熱能的工作環境是高温合金的主要應用場景：以國產主力渦扇發動機 WS-10 為例，其渦輪前燃氣温度達到約 1100K，幾乎是普通鋼材的熔點温度。
1.1 高温合金是航空發動機性能突破的關鍵要素
航空發動機結構可分為冷端部件和熱端部件。其中熱端部件主要包括燃燒室、導向器（導向葉片）、渦輪葉片（工作葉片）和渦輪盤，高温合金是航空發動機熱端部件的關鍵材料。在現代航空發動機中，高温合金材料的用量佔發動機總重量的 40%~60%。以美國第三代戰鬥機 F110 發動機總重 1.8 噸為例，高温合金用量在 0.9 噸左右。
高温合金是航空發動機性能突破的關鍵要素。航空發動機性能主要取決於渦輪前温度、推重比、燃油消耗率等主要指標，其也是航空發動機分代的重要依據。航空發動機的發展趨勢是不斷提高推重比和渦輪前温度，同時降低燃油消耗率。在其它條件不變的前提下，渦輪進口温度每提高 100K，航空發動機的推重比能夠提高 10%左右。從全球來看，從第一代航空發動機發展至目前的第五代發動機，渦輪前温度已經由 1200-1300K 提高到了1850-2000K，推重比從 3-4 提高到了 12-13。渦輪前温度的提高很大程度上得益於耐高温材料的發展。據航空材料學報報道，自 20 世紀 60 年代中期至 80 年代中期，渦輪進口温度平均每年提高 15K，其中材料所做出的貢獻在 7K 左右。因此，高温合金材料成為了制約航空發動機發展的關鍵要素之一。
按生產工藝，高温合金通常可分為變形高温合金、鑄造高温合金（包括等軸晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和單晶高温合金）、新型高温合金三大類。不同生產工藝的高温合金性能特點不同，分別應用於發動機不同部位。變形高温合金是經過鍛造、軋製、鐓粗和冷拔等塑性變形工藝和熱處理製造的高温合金，承温能力相對較低，主要應用於航空發動機前端壓氣機盤，部分應用於燃氣渦輪盤、渦輪葉片、導向葉片、主燃燒室等，應用範圍較廣，用量佔比 70%以上。
2) 鑄造高温合金
鑄造高温合金可細分為等軸晶高温合金、定向凝固柱晶高温合金和單晶高温合金三大類，其中，等軸晶高温合金採用傳統的熔模鑄造方法，承温能力相對較低，主要應用於機匣、低壓渦輪後幾級葉片，應用範圍較廣，佔比全部鑄件零部件 60-70%，但產品附加利潤低；定向凝固柱晶高温合金採用定向凝固技術製造，承温能力相對較高，主要應用於低壓渦輪前幾級的工作葉片，以及部分發動機高壓渦輪的一、二級工作葉片，應用範圍僅限於工作葉片，產品附加利潤較高；單晶高温合金採用定向凝固和選晶技術製造，承温能力最高，主要應用於先進發動機高壓渦輪葉片和低壓渦輪前兩級葉片，應用範圍僅限於工作葉片，產品附加利潤最高。
3) 新型高温合金
新型高温合金指通過新型製造工藝生產的高温合金材料，主要包括粉末高温合金和彌散強化高温合金（ODS），其中，粉末高温合金是將高温合金霧化成粉末，再經熱等靜壓成型或熱等靜壓加鍛造成型的生產工藝製造出高温合金產品，具有金屬利用率高、成本低等特點，承温能力相對較高，目前主要應用於渦輪盤和渦輪葉片，是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高温部件的優良材料；彌散強化高温合金（ODS）採用類似粉末冶金工藝製成，承温能力較高，主要應用於火焰筒、導向葉片及渦輪葉片。
二、高温合金需求主要來源於航空航天領域
1.1 高温合金下游應用領域主要為航空發動機
高温合金下游應用廣泛，目前主要應用於航空航天領域。高温合金最初的研製主要為了滿足新型航空發動機的需求，但由於其良好的耐高温，耐腐蝕等性能，逐漸被應用到電力，船艦，汽車，冶金，玻璃製造，原子能等工業領域。根據《工業燃氣輪機渦輪葉片用鑄造高温合金研究及應用進展》，目前高温合金下游最大的應用領域為航空航天用發動機，佔比約 55%，其次為能源發電用燃氣輪機，佔比約 20%。
高温合金主要下游客户為全球前六大航空發動機生產商。航空發動機行業門檻極高，全球範圍內呈現寡頭壟斷的競爭格局，目前只有通用電氣(GE)、普拉特·惠特尼(PW)和羅爾斯·羅伊斯(RR)三家公司有能力獨立研製航空發動機，即行業內三大主機廠。全球前六大航空發動機生產廠商包括三大主機廠商及其合資公司，例如 CFM 國際公司由通用電氣和法國 SNECMA 於 1974 年合資成立，國際航空發動機公司（IAE）由普拉特·惠特尼、羅爾斯·羅伊斯、日本航空發動機公司（JAEC）和德國航空發動機公司（MTU）於 1983 合資設立，發動機聯盟（EA）是由通用電氣和普拉特·惠特尼於 1996 年合資成立。
全球航空發動機需求量的增加主要得益於民用飛機需求量的增長。民用航空飛機需求量的不斷增長推動了全球航空發動機市場的增長，以航空發動機生產廠商通用電氣（GE）公司為例，2014-2019 年，航空發動機銷量從 3637 台增加到 4621 台，年複合增長率為4.07% ，其中，民用航空發動機年複合增長率為 7.21%。
全球航空發動機需求量的增加推動了高温合金市場的發展。2014-2018 年，全球高温合金市場規模從 97.54 億美元上升為約 121.63 億美元，年複合增長率為 3.2%，與航空發動機銷量增速 4.07%相近。
高温合金行業具有高資本壁壘、高技術壁壘等特點。全球範圍僅不超過 50 家企業具有生產航空航天用高温合金的能力，主要集中在美、英、法、德等國，行業呈現寡頭特徵，國際因科合金公司、漢因斯.司泰特公司、卡本特公司等公司主要負責母合金的冶煉、生產，先進高温合金如粉末高温合金和單晶高温合金主要由三大航空發動機生產商主導，少數企業如 PCC、ATI 等產業鏈佈局範圍較廣。
從產業鏈佈局廣度和收入體量看，PCC 為全球高温合金企業龍頭。專注從事高温合金業務的企業較少，作為其中一家，產業鏈佈局方面，PCC 佈局範圍較廣，涵蓋了上游母合金冶煉，棒材、板材生產，及下游鍛件和鑄件的製作；收入體量方面，高温合金行業上市公司較少，根據巴菲特致股東的相關信件顯示，2019 年 PCC 收入約 103 億美元，遠遠大於同行業其它上市公司。
良好的商業模式、穩定客户體系和較高的行業壁壘決定了公司收入、利潤的穩定增長。上游航空發動機廠商對供應商的篩選較嚴格，一般經過較長的試用週期和複雜的審核流程才能成為其合格供應商，但一旦建立供應合作，不會輕易更換供應商。以 PCC 和 GE 的合作為例，GE 長期是 PCC 的第一大客户，2011-2015 年，其為 PCC 收入貢獻維持在 13%-15%的水平，穩定的客户體系為收入的穩定增長奠定了基礎。2006-2015 年，PCC 收入年複合增長率為 11%，此外，較高的資本和技術壁壘決定了該行業的競爭格局較好，毛利率較高，2006-2015 年，公司毛利率不斷上升，並穩定在 30%以上。
1.1 目前國內高温合金市場處於快速發展期
我國高温合金市場正處於快速增長期。在“兩機”重大專項的政策背景下，國內對於高性能高温合金材料的需求愈加迫切，從產銷量看，2012-2018 年，我國高温合金消費量年複合增速為 17.3%，國內高温合金企業產能不斷擴張，總產量年複合增速為 19.7%，同時，國內高温合金企業在部分產品質、量方面仍不能完全需求，我國高温合金 41%左右的需求仍依賴進口。從市場規模看，2012-2018 年，行業市場規模從約 45 億元上升到 136 億元，且規模增速不斷上升，接近 30%。
目前，國內高温合金應用最為成熟、最主要的應用領域為航空發動機，國內軍用和民用飛機交付量的增加以及發動機國產化趨勢，將帶動國內高温合金需求的高速增長，此外，高温合金在燃氣輪機及汽車發動機領域的應用發展趨勢較好，其進一步驅動高温合金需求的增長。
1）軍用航空：新一代軍機列裝在即，新型國產發動機將批量裝載
國內軍機數量相比於美國偏低，增長空間較大。根據《World Air Force 2020》，美國目前軍機數量規模為 13266 架，佔比世界總規模 25%，相較於美國，我國軍機數量規模較低，僅為 3210 架，佔比 6%。我國主要軍機為戰鬥機，其中，二、三、四代機佔比分別為 42.6%、56.3%和 1.1%，美國戰鬥機以三代機、四代機為主，分別佔比 78.7%、16.2%，相較於美國我國三、四代戰鬥機列裝比列偏低，隨着新型軍機的量產，我國軍機列裝結構將迎來升級，數量規模將不斷增長。
2）民用航空：新型民用飛機即將批量交付，配套發動機有望量產
民用航空規模高速增長，發動機高温合金市場需求巨大。根據中國商飛發佈的《中國商飛公司 2019-2038 年民用飛機市場預測年報》，2038 年中國機隊規模將達到 10344 架，為2018 年的 2.86 倍。2019-2038 年，中國將預計交付 9205 架客機，其中單通道噴氣客機6119 架，雙通道噴氣客機 2128 架，噴氣支線客機 958 架，預計未來單通道噴氣客機、雙通道噴氣客機和噴氣支線客機分別以新型民機 C919、CR929 及 ARJ21 為主。目前，ARJ21 累計獲得 22 家客户合計 596 架訂單，截至 2019 年年底合計交付 22 架；C919 累計獲得 31 家客户 1021 架訂單，預計 2021 年完成首架飛機交付；據俄羅斯媒體報道，CR929 已獲得俄羅斯 200 架的意向訂單，預計 2025 年試飛，2027 年實現交付。中國航發商發為三類新型民機規劃了“長江”系列發動機，隨着新型民機的批量交付，配套國產發動機的進口替代和量產將打開高温合金巨大的市場空間。
工業燃氣輪機高温合金潛在需求量大。燃氣輪機分為工業燃氣輪機和艦船用燃氣輪機。其中，工業用燃氣輪機主要應用於發電、天然氣管道運輸等，根據國際能源署（IEA）發佈的《2020 年全球電力報告》，全球電力結構往清潔非再生能源和再生能源發電的趨勢發展，其中燃氣作為一種清潔非再生能源，發電量佔比全球發電總量 23.5%，我國燃氣發電佔比發電總量為 3.2%，根據國家發改委發佈的《電力發展“十三五”規劃（2016-2020 年）》，“十三五”期間我國氣電裝機目標占比超過 5%，相比於我國目標占比和全球平均佔比，我國燃氣發電佔比仍有較大發展空間，燃氣輪機在燃氣發電中大規模應用將為高温合金行業帶來廣闊的市場空間。
艦船用燃氣輪機高温合金需求來自於新型艦船量產及渦輪葉片更新替換。 一方面，我國新型艦船燃氣輪機單台高温合金含量高，量產帶動的需求量較大。據不完全統計，截止2019 年底，我軍艦總數 240 艘，其中航空母艦 2 艘，驅逐艦及護衞艦 127 艘，登陸艦 49艘，小型作戰艦艇 62 艘，目前，我國軍艦主要增量來自於驅逐艦及護衞艦，是我國主流軍艦。其中，新型驅逐艦 055 型驅逐艦於 2014 年定型，並於 2019 年開始服役，是未來主力量產的驅逐艦，055型驅逐艦裝配4台我國自產QC/QD-280燃氣輪機作為動力裝置，按其仿製機型 UGT25000 重量 16 噸，高温合金含量佔比 30%，成材率 20%計算，單台055 型驅逐艦消耗高温合金 96 噸。新型護衞艦 056A 型護衞艦於 2013 年開始服役，目前正處於量產期，其採用 2 台柴油發動機作為動力裝置，參照歐美、俄羅斯等國家不斷推進燃氣輪機在護衞艦的應用，隨着我國燃氣輪機的國產化發展，未來燃氣輪機將成為我國驅逐艦及護衞要動力裝置。另一方面，燃氣輪機渦輪葉片耗材屬性帶來的市場空間較大。一台燃氣輪機中，各級葉片的平均使用時間為 1.5-2.4 萬小時，即平均更新替換週期為 2 年，類比於航空發動機，渦扇發動機的葉片約佔航空發動機成本的 30%，其中熱端部件的渦輪葉片佔葉片總價值超過 60%，渦輪葉片更新替換週期短，價值佔比較大，市場空間大。
4）汽車製造：汽車渦輪增壓器配置率的提升帶動高温合金需求穩定增長
汽車是我國高温合金另一重要應用領域，其中最主要的應用為汽車渦輪增壓器，渦輪增壓器是汽車等內燃機的重要零配件，其位於發動機進排氣系統，通過壓縮空氣來增加進氣量，從而使燃料燃燒更充分，增加發動機的輸出功率並降低廢氣中污染物的排放，以柴油機為例，運用渦輪增壓器能夠使得功率提升 30%~50%, 並使得油耗降低約 5%。基於這些優點，渦輪增壓技術已成為公認的降低汽車內燃機油耗和減少廢氣排放有效的主要技術措施之一。隨着全球各國相繼制定嚴格的排放和油耗標準，渦輪增壓器在汽車市場的滲透率不斷提升，據統計，2015 年，我國渦輪增壓器配置率為 28%，據霍尼韋爾估計，2020 年，達到 48%，離歐洲地區約 80%的裝配率水平仍有較大成長空間。目前，受我國排放標準從國五到國六 a 的過渡發展，以及國六 b 排放標準進一步嚴格化的驅動，我國渦輪增壓器配置率將加速提升，將帶動汽車領域高温合金需求量穩步增長。
1.3 國內高温合金市行業已逐步形成產業鏈，進口替代空間較大
高温合金行業參與者較多，供應體系分工明確。我國高温合金行業包括上游金屬原材料、生產設備供應商、中游高温合金生產商及下游航空航天、燃氣輪機應用企業，其中，高温合金生產商參與者主要分為兩大類，一類屬於科研單位，併兼具生產能力，該類企業主要負責先進高温合金材料和生產工藝的研究與生產，往往覆蓋全產業鏈，掌握着行業前沿生產技術和工藝，例如航材院擅長粉末高温合金技術、中科院瀋陽金屬所擅長單晶高温合金技術；另一類包括特鋼類企業及其它民營企業，其中，特鋼類企業主要負責變形高温合金母合金冶煉、鍛造。
1.4 國內高温合金生產企業較國外有較大進步空間
國內外高温合金生產廠商仍存在較大差異，主要源於設備、人員兩方面。設備方面，高温合金關鍵生產設備主要包括真空感應熔煉爐、保護氣氛電渣爐、真空自耗爐，生產設備的性能對產品的良品率有重大影響，進而間接影響到產品成本，全球先進設備生產商主要包括德國公司 ALD 以及美國的 CONSARC 、RETECH 等公司，國產設備很多無法滿足工藝精密度的要求，故國內生產設備大部分需要依靠進口，由於國外設備成本高並面臨貿易管制風險，國內企業在設備方面存在較大劣勢。人員方面，國內外企業主要差於在於員工的工作素養，由於工藝經驗以及質量控制理念等問題，國內高温合金生產廠商員工工作素養普遍低於國外企業，從而導致質量控制不到位，進而導致雜質控制水平、產品組織均勻性等問題，同時良品率偏低導致生產成本普遍偏高。
國內高温合金生產企業有較大的進步空間。
短期來看，國內廠商可以實現技術和員工素養的突破，設備方面，通過進口國外先進設備實現設備升級，人員方面，通過規範化生產流程，生產質量管理嚴格化及員工培訓等可以提高員工素養，改善生產工藝，進而提高產品良品率，降低企業成本。長期來看，隨着母合金研發的投入，國內廠商將在新型母合金使用方面實現突破。