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      高溫合金行業深度報告:需求持續增長,進口替代釋放行業紅利
      作者:管理員  來源:正達化工  瀏覽:1322次  更新:2020-6-16

      一、高溫合金介紹:耐高溫金屬材料,政策大力扶持

      1.1 高端金屬結構材料,耐高溫耐腐蝕特性強 

      高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在 600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料。高 溫合金具有較高的高溫強度,良好的抗氧化和抗腐蝕性能,良好的疲性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金的 最大特點不是其絕對熔點很高,而是在高溫下仍然具有良好的特性。

      高溫合金是高端金屬結構材料,高溫合金的國產化長期是相關應用領域的“卡脖子”難題。2012 年發布的 《新材料產業“十二五”發展規劃》中,就把包括高溫合金在內的高端金屬結構材料列為新材料產業六大重點發 展領域之一。

      后續有一系列政策出臺支持高溫合金研發與生產,其中《中國制造 2025》提出大力推進新材料產業發展, 將包含高端金屬結構材料在內的六大新材料作為發展重點,明確力爭在 2025 年以前使我國新材料產業進入世界 一流強國行列。

      高溫合金具有耐高溫、耐腐蝕的特性。在高溫環境下,材料會加速退化,使用過程中易發生組織不穩定、 在溫度和應力作用下產生變形和裂紋長大、材料表面的氧化腐蝕等情況,而高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕 等性能主要取決于它的化學組成和組織結構。

      以 GH4169 鎳基變形高溫合金為例,GH4169 基體為 Ni-Gr 固溶體,含 Ni 質量分數在 50%以上,可以承受 650℃左右高溫,與美國牌號 Inconel718 相似,合金由 γ 基體相、δ 相、碳化物和強化相 γ'和 γ″相組成。GH4169 合金的化學元素與基體結構顯示了其強大的力學性能,屈服強度與抗拉強度都優于 45 鋼數倍,塑性也要比 45 鋼好,穩定的晶格結構和大量強化因子構造了其優良的力學性能。

       

      除了主要金屬成分之外,高溫合金對于微量元素也有要求。同樣以 GH4169 鎳基變形高溫合金為例,要求 B、Mg、Mn、Si、P、S、Cu、Ca、Bi、Sn、Pb、Ag、Se 等雜質元素的要求很嚴格。

       

      高溫合金加工難度高。材料的加工表面完整性對于性能的發揮具有非常重要的作用,而高溫合金微觀強化 項硬度高,加工硬化程度嚴重,并且具有高抗剪切應力和低導熱率、切削區域的切削力和切削溫度高等特點, 因此在加工過程中經常出現加工表面質量低、刀具破損嚴重等問題。

      1.2 高溫合金分類 

      1.2.1 按基體元素分類 

      按基體元素,高溫合金可分為鐵基高溫合金(占 14.3%)、鎳基高溫合金(占 80%)和鈷基高溫合金(占 5.7%)。 

      (1)鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。鐵基高溫合金的基體是 Fe 元素,加入少量的 Ni、Cr 等合金元素, 按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。

      (2)鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上,適用于 600℃以上的工作條件。采用固溶、時效的加工過程,可 以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅提升。從目前的應用情況來看,在高溫工作條件下,使用鎳基高溫合金 的范圍超過其他兩類高溫合金,同時鎳基高溫合金也是我國產量最大的高溫合金,大部分渦輪發動機的渦輪葉 片及燃燒室,甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。

      (3)鈷基高溫合金是以鈷為基體,鈷含量大約占 60%。同時合金需要加入 Cr、Ni 等元素來提升高溫合金 的耐熱性能,但鈷資源產量比較少,加工比較困難,通常只用于高溫條件( 600-1000℃) 和較長時間受極限復雜 應力高溫零部件,例如航空發動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發動機等。

      1.2.2 按制備工藝分類 

      按制備工藝分為變形高溫合金(占 70%)、鑄造高溫合金(包括等軸晶高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金、單晶高溫合金,占 20%)和新型高溫合金(粉末冶金高溫合金、金屬間化合物高溫合金等)。 

      變形高溫合金是航空發動機中使用最多的。以 GH4169 合金為例,是目前應用范圍最廣的主要高溫合金品 種,在航空發動機的燃燒室、渦輪盤等部位可使用變形高溫合制備主要零件,隨著其他合金產品的日益成熟, 變形高溫合金的使用量可能逐漸減少,但在未來數十年中仍然會是占主導地位。

      鑄造高溫合金根據使用溫度,可以分為以下三類。第一類:在-253-650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金,在 很大的范圍溫度內具有良好的綜合性能,特別是在低溫下能保持強度和塑性均不下降。第二類:在 650-950℃使 用的等軸晶鑄造高溫合金,高溫下有較高的力學性能及抗熱腐蝕性能。第三類:在 950-1100℃使用的定向凝固 柱晶和單晶高溫合金,在此溫度范圍內具有優良的綜合性能和抗氧化、抗熱腐蝕性能。

       

      粉末冶金高溫合金采用霧化高溫合金粉末,經熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經鍛造成型的生產工藝制造出 高溫合金粉末的產品。由于粉末顆粒細小,冷卻速度快,因此具備成分均勻、無宏觀偏析、晶粒細小、熱加工 性能好、金屬利用率高等特點,合金的屈服強度和疲勞性能有較大提高。粉末冶金高溫合金可以滿足應力水平 較高的發動機使用要求,是高推重比發動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的選擇材料。粉末制備是 生產中最重要的環節,粉末質量直接影響零件性能,主要采用氬氣霧化(AA)、旋轉電極(PREP)和溶氫霧化 (SHA)工藝,俄羅斯和我國采用 PREP 工藝,美國等國家采用 AA 工藝。

      金屬間化合物是新型的輕比重高溫材料。目前對金屬間化合物的基礎性研究和開發應用研究已經成熟,尤其在 Ti-Al、Ni-Al 和 Fe-Al 系材料的制備加工技術、韌化和強化、力學性能以及應用研究方面取得了令人矚目的 成就。Ti3Al 基合金(TAC-1),TiAl 基合金(TAC-2)以及 Ti2AlNb 基合金具有低密度(3.8~5.8g/cm3)、高溫高強度、高 鋼度以及優異的抗氧化、抗蠕變等優點,可以使結構件減重 35~50%。Ni3Al 基合金,MX-246 具有很好的耐腐 蝕、耐磨損和耐氣蝕性能,展示出極好的應用前景。Fe3Al 基合金具有良好的抗氧化耐磨蝕性能,在中溫(小于 600℃)有較高強度,成本低,是一種可以部分取代不銹鋼的新材料。

       

      1.2.3 按強化方式分類 

      按強化方式分為固溶強化型、時效強化型、氧化物彌散強化型和晶界強化型等。 

      固溶強化高溫合金,添加一些合金元素到基高溫合金中,形成單相奧氏體組織,溶質原子使固溶體基體點 陣發生畸變,使固溶體中滑移阻力增加而強化。溶質原子可以降低合金系的層錯能,提高位錯分解的傾向,導 致交滑移難于進行,達到高溫合金強化的目的。

      時效沉淀強化高溫合金,是合金工件經固溶處理、冷塑性變形后,在高溫或室溫放置保持其性能的一種熱 處理工藝。例如 GH4169 合金,在 650℃的最高屈服強度達 1000 MPa,制作葉片的合金溫度可達 950℃。

      氧化物彌散強化高溫合金,采用獨特的機械合金化(MA)工藝,在高溫下具有超穩定的氧化物彌散強化相均 勻地分散于合金基體中,形成一種特殊的高溫合金。其合金強度在接近合金本身熔點的條件下仍可維持,具有 優良的高溫蠕變、高溫抗氧化、抗碳及硫腐蝕性能。目前已實現商業化生產的主要有三種 ODS 合金包括:MA956 合金在氧化氣氛下使用溫度可達 1350℃,居高溫合金抗氧化、抗碳、硫腐蝕之首位,可用于航空發動機燃燒室 內襯;MA754 合金在氧化氣氛下使用溫度可達 1250℃并保持高溫強度、耐中堿玻璃腐蝕性能,已用于制作航空 發動機導向器蓖齒環和導向葉片;MA6000 合金在 1100℃拉伸強度為 222MPa、屈服強度為 192MPa,1100℃、 1000 小時持久強度為 127MPa,可用于航空發動機葉片。

      晶界強化高溫合金,利用晶界對位錯運動的阻礙作用,晶粒越細小、晶界越多,阻礙作用越大,強化的效 果越好。晶界可以把塑性變形限定在一定范圍內,使塑性變形均勻化,因此細化晶粒可以提高鋼的塑性。晶界 又是裂紋擴展的阻礙,所以晶粒細化可以改善韌性,晶界強化是唯一能在提高強度的同時,不損害其韌性的方 法。

       

      1.3 高溫合金牌號命名規則 

      1.3.1 國外牌號命名規則 

      國外高溫合金牌號是按照廠家注冊商標來命名,國外主要廠家高溫合金牌號如下: 

      1.3.2 國內牌號命名規則 

      與國外不同,我國高溫合金牌號是國家統一標準,采用字母加阿拉伯數字相結合的方法表示。根據特殊需 要,可以在牌號后加英文字母表示原合金的改型合金,如表示某種特定工藝或特定化學成分。

       

      常見牌號的高溫合金以及相關特性用途如下: 

      二、國際比較:國內研制體系日漸成熟,當前已處于創新發展階段

      2.1 國外高溫合金材料研制起步較早 

      高溫合金的研制在國際上主要在德國、英國、美國、日本、俄羅斯等國家之間展開。高溫合金國際發展體 系的呈現出一大特點,高溫合金適用的工作溫度范圍越來越高,從早期不到 800℃到如今工作溫度達到 1700℃, 伴隨著工作溫度的不斷提升是新技術、新工藝的不斷迭代,從變形高溫合金、鑄造高溫合金到粉末冶金高溫合 金,特別是定向凝固等技術的推廣促進了航空發動機性能的不斷提高。

      1939 年,英國國際鎳公司首先研制出一種低碳含鈦的鎳基金屬 Nimonic75,而后含鋁和鈦合金元素的 Nimonic80 合金問世。1942 年,Nimonic80 合金用作渦輪動機葉片材料,是應用最早的 Ni3(AL、Ti)強化的渦輪葉 片材料。此后,英國國際鎳公司通過將不同合金元素加入到合金材料當中,形成了 Nimonic 系列高溫合金材料, 包括 Nimonic80A(B、Zr)、 Nimonic90(鈷)、Nimonic100(鉬)等,并通過提高冶金技術等方式研制出 Nimonic93、 108/109 和 120 合金等;在單晶高溫合金方面,Rolls-Royce 研制出 SRR99、SRR2000 和 SRR2060 等合金,形成了 RR 系列。

      1941 年后美國開始大力發展航空發動機,高溫合金材料的應用隨之展開。1942 年,HastelloyB 鎳基合金先 后用于通用電氣公司的兩種噴氣發動機中,1944 年開發出鈷基合金 HS23 用于西屋公司發動機中的精密鑄造葉 片。1950 年后,由于鈷資源缺乏,美國開始發展鎳基高溫合金并應用于制作渦輪葉片,PW 公司、GE 公司和特 殊金屬公司分別開發出 Waspalloy、M-252 和 Udimet500 等合金,在這些合金基礎上形成了 Inconel、Mar—M 和 Udmit 合金系列。60 年代以后,以采用定向凝固工藝制造出的單晶高溫合金葉片使航空發動機性能大幅度提高, PW 公司研制的 PWA1480 單晶合金葉片,先后在 PW2037、PW1130、F100、JT9D-7R4、T400-W 和 V-402 等發動 機上采用,單晶空心精鑄葉片于 1982 年投入使用。目前美國的單晶高溫合金葉片材料主要出自 PW 公司、GE 公司和 Monnon-Muskegon 公司,分別以 PWA 系列、Rene-N 系列和 GMSX 系列命名。

      在前蘇聯(俄羅斯),高溫合金稱為耐熱合金。20 世紀 40 年代中期至 50 年代,前蘇聯在耐熱鋼的基礎上 開發出鐵-鎳基、鎳基和鈷基耐熱合金,如∋H415、∋H395、∋H388、∋H435、∋H602、∋H929、∋H416(鈷基)和∋H105 合金等。前蘇聯鎳基耐熱合金成分特點是添加較多的鎢和鉬元素、一定量的鐵元素以及少量的釩元素, 而美國合金常用鉬元素、少用鎢元素。60 年代后,前蘇聯又開發出∋H868、 ∋H57、 ∋ Π99、 ∋ Π220、 ∋ Π238、 ∋H618 等合金。前蘇聯(俄羅斯)的高溫合金可分為∋H 和∋ Π(變形)合金系列以及∗ 、 ∗、 ∗ Π、∋∗ C(鑄造和 單晶合金)為牌號前綴的合金系列。

       

      美國、英國、日本的高溫合金主要生產企業:

      美國是生產高溫合金的最主要國家,全年大約生產 5 萬噸,其中 60%用于民用。在軍用領域,生產航空發 動機廠家通用電氣(GE)、普拉特—惠拉尼(PW)也生產高溫合金;在民用領域,美國從事高溫合金材料研發 生產的企業有特殊金屬公司、卡博特公司、漢因斯-司泰特公司等。

      英國國際鎳公司生產了世界上第一個鎳基金屬高溫合金,除此之外英國航空發動機公司羅爾斯羅伊斯也研 制了定向凝固合金和單晶合金。

      日本主要高溫合金生產企業是 JFE 株式會社、新日鐵、石川島播磨重工業和神戶制鋼公司。日本公司參與 航空發動機的研制,在單晶合金方面全球領先,其中 NIMS 與 IHI 利用第 4 代 Ni 基單晶超合金 tms-138 進行超音 速商用客機的引擎高溫耐久測試,成功達到 1650 度渦輪進氣溫度的世界最高記錄。

      2.2 我國已經形成獨特高溫合金研制發展體系 

      我國高溫合金經歷了仿制、仿創結合到獨創的發展過程,形成為了我國獨特的高溫合金體系。我國研制的 高溫合金已達到 200 多種,在 2005 年納入國標的就有 177 中,構成了高溫合金體系的基礎。在 1980 年之前,我國高溫合金就形成了自己的基礎體系,目前這個體系更加完整和系統。

      與國外以制造商各自形成體系標準不同,我國高溫合金形成了統一的國家標準,以合金成型方式、基體元 素和強化方式的順序構建了完整體系。其中,合金成形方式有變形高溫合金、鑄造高溫合金(包括等軸晶鑄造 高溫合金、定向凝固柱晶高溫合金和單晶高溫合金)、焊接用高溫合金絲、粉末冶金高溫合金、彌散強化高溫合 金和金屬間化合物高溫材料之分;在這些不同合金系列之下,再分鐵基、鎳基、鈷基及鉻基合金;在相同基體 之下,又分固溶強化和時效強化類型等。

      我國高溫合金的發展可以分為三個階段: 

      從 1956 年至 20 世紀 70 年代初是我國高溫合金研制的初始階段。在蘇聯專家的指導下制造出 GH3030 高溫 合金,而此后為了生產出殲擊機發動機所需高溫合金材料,通過仿制前蘇聯高溫合金,研制生產出 GH4033、 GH4037、GH4049、GH2036、GH3030、GH3039、GH3044、K401、K403 和 K406 等高溫合金,同時針對我國缺少 Ni、Cr 資源的情況,研制出鐵鎳基高溫合金,代替當時用量較大的 GH4033 和 GH4037 等。

       

      從 20 世紀 70 年代中至 90 年代中期,,是我國高溫合金制造工藝的提高階段。在前期自主研制出一系列高 溫合金材料的基礎上,通過增加如大型真空冶煉設備、快鍛機、精鍛機等以及先進檢測設備,進一步改進生產 工藝,同時建立質量管理系統和更嚴格的質量管理程序,不僅研制成功一系列新型號變形合金和鑄造合金,更 為重要的是使我國高溫合金的生產工藝技術和產品質量控制等方面實現了明顯突破。

      從 20 世紀 90 年代中至今, 是我國高溫合金的創新發展階段。隨著新型航空發動機的研制生產,對于高溫 合金材料提出了進一步要求,高溫合金的生產工藝也實現重大突破。在此階段建立和完善了旋轉電極制粉工藝 粉末高溫合金生產線,研制出粉末渦輪盤材料 FGH4095 和 FGH4096;采用機械合金化工藝技術, 研制出氧化物 彌散強化高溫合金 MGH4754 和 FGH2756;研制出第一代 、 第二代單晶高溫合金 DD402、DD408、DD406 等, 新型定向凝固柱晶合金 DZ4125,DZ4125L,DZ604M,DZ417G,低膨脹系數合金 GH2907、GH2909 以及耐熱腐蝕、 可鍛可鑄的高 Cr 合金 GH4648 等。

       

      我國目前從事高溫合金研究生產的主要企業分為兩類,形成了錯位競爭的格局:第一類是特鋼企業,主要 是撫順特鋼、寶鋼特鋼、長城特鋼,主要生產批量較大的合金板材、棒材和鍛件,這類產品用量最大,結構簡 單;另一類是科研院所轉型企業,主要是鋼研高納、中國航發北京航空研究院(北京航發院)、中科院金屬研究 所(中科三耐),主要生產較小批量、結構復雜的高端產品。 

      2.3 國內高溫合金產品仍存在較大進步空間 

      從 1956 年開始,我國高溫合金研究生產經歷了 60 多年的發展,目前已經形成了比較完整的高溫合金體系。但是和美國、英國、日本等國高溫合金在很多方面依舊存在差距。主要體現在以下幾個方面: 

      第一,高溫合金產品成本較高,高溫合金零部件生產流程復雜落后,成材率低。

      第二,我國的高溫合金研制一直是以軍品作為研究主導方向的,研發側重點在于軍用,壽命等方面不滿足 民用航空發動機所要求的維修周期長等要求。

      第三,在一些高端領域,比如單晶葉片等領域,我國技術水平落后于國際先進水平,無法研制出達到國際 主流水平的成熟產品。

      三、中國是全球高溫合金市場主要增長點,下游需求或將集中釋放

      3.1 全球高溫合金市場穩步發展,中國是未來主要需求增長來源 

      近年來全球高溫合金市場穩步增長。根據前瞻產業研究院數據顯示,2012 年至 2018 年全球高溫合金市場 規模合計 758 億美元,年均市場規模約為 108 億美元;2018 年全球高溫合金市場規模為 121.63 億美元,同比增 長 4.8%,預計 2024 年全球高溫合金市場規模將達到 173 億美元。我們認為,航空航天領域是高溫合金的主要 需求來源,當前我國國防建設正處于關鍵時期,高溫合金市場需求將遠超全球市場整體增速。

       

      高溫合金產業鏈:在高溫合金產業鏈上游,根據材料制備工藝主要分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉 末高溫合金,由于不同制備工藝的高溫合金在材料特性上有所差異,其制造加工方式與工作應用環境也有所不 同,以航空發動機使用的高溫合金為例,變形高溫合金主要采用鍛造、鑄造高溫合金主要采用鑄造、粉末高溫 合金主要采用燒結成型方式,再經過機加、熱處理等加工手段,形成最終下游應用所需形態產品。

       

      從下游應用領域分布來看,航空航天與能源類應用場景是主要需求來源。目前,航空航天領域是高溫合金 的第一大應用場景,需求份額占比為 55%,其次燃氣輪機和石油化工領域等能源類引用場景需求占比為 33%, 二者合計占到整體需求規模的 88%左右;工業和汽車領域需求占比分別為 7%和 3%。

      高溫合金材料最初主要用于航空航天領域,但由于其具備良好的耐高溫、耐腐蝕等性能,被廣泛應用于船 舶、電力、冶金、汽車、核工業等工業領域,同時隨著新型高溫合金材料的不斷發展,下游應用場景和市場需 求也處于不斷擴張的趨勢。 

      航空航天領域:在現代航空發動機中,高溫合金材料用量約占到發動機總質量的 40%-60%,主要用于燃燒 室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端零部件,以及發動機機匣、環形件、尾噴口等工作溫度較高的部位。航天發動機與航空發動機類似,但航天發動機材料不僅對高溫高壓下的性能有較高要求,同時要求在低溫、較 高溫度梯度變化的環境下進行穩定工作。以液體發動機為例,高溫合金材料主要用于推力室做噴注器面板、渦 輪泵彎通、石墨舵緊固件等。

       

      各類燃氣輪機(船舶、電力等):與航空發動機類似,在船舶、電力用燃氣輪機中,高溫合金也廣泛應用于 熱端部件。

      石油化工:在石油和天然氣深井開采中,鉆具處于高溫酸性環境中,同時由于二氧化碳、二氧化硫和 泥沙等存在,須采用耐腐蝕耐磨高溫合金,同時高溫合金在石化領域廣泛用于多種閥門、液體分流器等。

      核工業:核工業中的各種金屬零部件在工作時需要承受高溫,并且需要較高的蠕變強度,高溫合金能夠滿 足其要求,主要應用于燃料元件包殼材料、結構材料和燃料棒定位格架,高溫氣體爐熱交換器等。

      汽車領域:高溫合金主要用于汽車渦輪增壓器的渦輪葉輪,同時汽車內燃機的閥座、鑲塊、進氣閥、密封 彈簧、火花塞、螺栓等部件也可以采用高溫合金材料。

      其他領域:高溫合金在玻璃制造、冶金、醫療器械等領域也廣泛應用,例如在生產玻璃棉的火焰坩堝鉗、 生產平板玻璃的輥拉管機零部件、玻璃窯爐的料道、閘板等;軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導板等;醫療器 械領域的人工關節等。

      3.2 高溫合金國內需求空間廣闊,短期或將進入集中放量時期 

      當前我國各主要領域對于高溫合金材料的需求量約為 4.5 萬噸,市場規模約為 127 億元。其中軍用飛機發 動機為 6000 噸,民用航空發動機為 3800 噸,艦船用燃氣輪機為 3125 噸,發電和天然氣運輸領域需求合計為 25000 噸,汽車領域需求為 4900 噸,核電建設需求 1800 噸。根據我們對各需求領域未來發展的預測,未來 20 年,上述各領域對高溫合金的需求總量約為 107 萬噸,市場規模約為 3030 億元。

      3.2.1 軍用航空發動機將迎來換代需求 

      3.2.1.1 航空發動機是高溫合金的主要應用領域 

      高溫合金材料最初主要應用于航空航天領域,由于其有著優良的耐高溫、耐腐蝕等性能,逐漸被應用到電 力、船舶、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業領域,從而大大的拓展了高溫合金材料的應用領域。

      “兩機”需求占到高溫合金需求的 85%。目前高溫合金最主要應用領域是航空航天發動機,占到整體下游 需求的55%,另有35%應用于燃氣輪機。在現代航空發動機中,高溫合金材料用量占到發動機總質量的40%-60%, 主要應用于四大熱端部件,燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤,此外還用于機匣、環件、加力燃燒室和尾噴 口等部件。

       

      根據工作溫度不同,航空發動機以燃燒室前后為界限,分為冷端和熱端兩部分。提高噴出氣體的能量是增 加發動機工作效率的最主要方式,要求發動機工作溫度提升,因此對熱端部件,尤其是渦輪部件的材料提高了較高要求。航空發動機熱端部件工作溫度超過 1000 攝氏度,同時渦輪部件在高速旋轉中承受較大機械載荷,因 此需要高溫合金材料在高溫下保持優異機械性能。

       

      3.2.1.2 國防預算持續增加,裝備建設支出占比有望提升 

      我國國防預算在經歷了近 10 年的高速增長后,在 2014 年增速開始呈現逐年下降趨勢,2017 年 7%的同比 增速創近十年新低。2018 年國防預算增速出現近年來首次回升,同比增速上升至 8.1%。2019 年中央一般公共 預算中央本級支出 35395 億元,增長 6.5%,國防支出預算 11899 億元(約合 1776.1 億美元) ,同比增長約 7.5%。國防預算總量保持逐年上升態勢,增速較 2018 年雖有所回落,但年增速整體變動仍保持穩定上升態勢。

      國防預算持續增加是國防工業發展的客觀需求。國防建設要與經濟建設協調發展,與國家安全和發展利益 相適應,根據國防需要和國民經濟發展水平調整國防預算規模是各國的普遍做法。無論從國防預算占國內生產 總值、國家財政支出的比重看,還是從人均數額看,中國的國防投入水平都低于世界主要國家。近年來中國適 度加大國防投入,其中相當一部分是為了彌補過去投入的不足,主要用于更新武裝裝備、改善軍人的生活待遇 和基層部隊訓練生活條件。當前裝備費占比日益提升,訓練維持費也有望持續增加,在軍隊變得更加精悍的條 件下,與武器裝備采購相關的裝備費、訓練維持費占比仍有提升空間。

       

      我國國防開支與自身建設需求相比還有較大差距,未來仍將保持長期穩定增長。“確保到 2020 年基本實現 機械化,信息化建設取得重大進展,戰略能力有大的提升;力爭到 2035 年基本實現國防和軍隊現代化;到本世 紀中葉把人民軍隊全面建成世界一流軍隊”是十九大報告中提出的我軍發展明確規劃。《新時代的中國國防》指 出,中國是世界上唯一尚未實現完全統一的大國,是世界上周邊安全形勢最復雜的國家之一,維護國家主權、 領土完整、海洋權益等面臨嚴峻挑戰。中國軍隊處于向信息化轉型階段,順應世界新軍事革命發展趨勢、推進 中國特色軍事變革的任務艱巨繁重。中國國防開支與維護國家主權、安全、發展利益的保障需求相比,與履行 大國國際責任義務的保障需求相比,與自身建設發展的保障需求相比,還有較大差距。

       

      從近年來軍費開支結構看,裝備費占比日益提升,訓練維持費也有望持續增加。我們預計,在軍隊人員總 體規模縮小 30 萬至 200 萬、軍隊變得更加精悍的條件下,與武器裝備采購相關的裝備費、訓練維持費占比仍有 提升空間。

      預計 2020 年我國國防預算將實現穩定較快增長。隨著實戰化練兵的不斷深入,軍方對于武器裝備采購與維 護的需求將不斷擴大,客觀上對于國防預算增長提出了硬性要求。國防支出作為政府財政支出的一項,其增長與國家經濟增長率密切相關。我國經濟在經歷了 30 多年的高速增長期后,增速將逐步放緩,GDP 增速已開始 逐年遞減,但逐年增長態勢較為確定。我國國防預算占 GDP 比重相對固定,GDP 的穩定增長必將帶動國防預 算絕對額保持穩步上升趨勢。此外,美國在國防預算上持續大力投入將直接導致全球國防支出呈現快速增長態 勢。因此,我們認為在軍方需求提升的內部因素與世界國防支出快速增長的外部因素雙方面影響下,未來幾年 我國國防預算支出或將繼續保持穩定較快增長,2020 年增速有望維持在 7.5%-8.0%范圍內。

      3.2.1.3 航空裝備是國防建設的重點序列 

      我國空中戰力與世界一流水平相比仍有較為明顯的差距,新型號列裝需求強烈。根據 world airforce2019 統 計數據顯示,目前我國空軍二代殲擊機及強擊機(J-7、J-8、Q-5)仍有 602 架,三代機(J-10、J-11、J-15)數量 僅有 564 架。從戰機代系結構上看,二代與三代戰機數量大致相等,另有 40%左右的二代機及早期三代機已面 臨退役,急需新型戰機填補數量空缺。國產四代機殲 20 已經正式服役并具備執行作戰任務的基本條件,若仍以 原有三代機與之搭配,則無法完全將隱身戰機的戰術作用最大化;同時面對我國周邊持續緊張的國際形勢,在 執行警戒、巡航、驅離等任務時,以三代機為主的空中力量與周邊國家相比優勢已不明顯。

      因此我們認為,三代半戰機將成為填補我國戰機空缺的主力。在大型飛機方面,轟 6K 在短時間內仍將是 我國戰略戰術轟炸的主力機型,而運 20 將逐漸擔負起部隊大部分戰略、戰術運輸任務,同時還將作為基礎改 裝平臺衍生出加油機、預警機、電子戰飛機等多種改型。

      目前陸航部隊已經基本成型,我國自主研發的直 20 作為執行突擊運輸、戰場通信等任務的主要機型,預 計將以空前規模裝備陸航部隊。參考美軍編制,我國陸航部隊未來 20 年直升機裝備空間約為 2000 架,短期來 看,未來 5 年直升機裝備缺口數量為 500 架。

      3.2.1.4 航空發動機高溫合金市場需求測算 

      我國各型軍機即將進入加速放量階段,對于國產航空發動機的需求也將迅速攀升。 

      各類政策上的大力推進也促使我國航發產業進入快速成長期。中航發集團的成立意味著我國航發產業飛發 分離體系的正式確立,航空發動機發將不再以滿足戰機需求為最終目的。航空發動機將成為獨立軍工產品進行 研發生產,作為軍用飛機的先導產品,航空發動機當前的產業地位已與飛機整機齊平。航空發動機的研發將有 能力自主掌控資源投入與研發方向,各型號預研工作將大規模展開,一型航發,代系發展的預研體系有望逐步 建成,切實做到“動力先行”。同時航空發動機研發資金桎梏已經基本消除,兩機專項落地帶來千億規模發動機 專項資金,若以 30 億美元的平均研發經費計算,此次下撥的專項資金足以維持 4 至 5 款航空發動機同時研發。在高強度的資金支持下,未來幾年我國航空發動機研發有望取得突破式進展。我國當前已經意識到航空發動機 對于裝備發展的重要性以及我國航空發動機產業相對落后的現狀,航空發動機已被提升至戰略裝備層面,后續 其他形式的資金支持政策有望持續出臺。

       

      參照我們對于軍機未來需求量的預測,假設我國航空發動機的裝備比為 1.5,每 5 年存量戰機需更換全新 發動機次數平均為 1 次,假設 5 年內全部老戰機需要進行 1 次換發。據此測算,未來 5 年戰斗機及教練機發動 機需求為 4374 臺,運輸機發動機需求為 1200 臺,直升機發動機需求為 3000 臺;未來 20 年戰斗機及教練機需 求為 30246 臺,運輸機發動機需求為 12000 臺,直升機發動機需求為 22500 臺。

       

       

      以 F100 系列發動機為例,單臺發動機總質量約為 1800kg,按照高溫合金材料質量占比 50%、成材率 20% 計算,共需要高溫合金材料約 4.5 噸;以 D30 發動機為例,單臺發動機總質量約為 2700kg,按照高溫合金材料 質量占比 50%、成材率 20%計算,共需要高溫合金材料約 6.75 噸;以 T700 渦軸發動機為例,單臺發動機總質 量約為 250kg,按照高溫合金材料質量占比 50%、成材率 20%計算,共需要高溫合金材料約 0.625 噸。

      根據我們對未來 5-20 年航空發動機需求數量的測算,未來 5 年我國航空發動機高溫合金需求總量約為 3 萬 噸,平均每年約 6000 噸;未來 20 年需求總量約為 23 萬噸,平均每年約為 1.15 萬噸。按照每噸高溫合金單價 30 萬元計算,未來 5 年航空發動機高溫合金市場規模為 88.97 億元,未來 20 年市場規模為 693.51 億元。

       

      3.2.2 民用航空發動機需求將穩步提升 

      強勁經濟和客流需求是民用航空主要驅動力。歐美屬于成熟航空市場,未來全球航空市場主要看亞太地區, 中國作為亞太地區經濟領頭羊,強勁的經濟有力推動了民用航空的發展。中國商飛《2019-2038 年民用飛機市場 預測年報》指出,未來二十年中國航空市場將接收 50 座以上客機 9205 架,市場價值約 1.4 萬億美元(以 2018 年目錄價格為基礎),折合人民幣約 10 萬億元。其中 50 座級以上渦扇支線客機交付 958 架;120 座級以上單通 道噴氣客機交付 6119 架;250 座級以上雙通道噴氣客機交付 2128 架。 

      根據不同座級民航客機所需發動機數量、對應發動機質量,假設未來 20 年內全部民航飛機平均換發 1 次, 按照高溫合金材料質量占比 50%、成材率 20%計算,未來 20 年我國民航客機發動機所需高溫合金總量約為 22 萬噸,按照每噸高溫合金 30 萬元單價計算,未來 20 年整體市場規模為 661.45 億元。 

      按照民航機隊數量年均 10%的增長速度計算,當前民航發動機高溫合金需求量約為 3800 噸,市場規模約 為 11.5 億元。 

       

      3.2.3 燃氣輪機需求多維發力 

      燃氣輪機裝置是一種以空氣及燃氣為介質的旋轉式熱力發動機,結構與航空發動機一致。燃氣輪機主要由 壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件組成,機組啟動成功后,壓氣機連續不斷從外界大氣中吸入大氣并增壓,噴入 燃燒室的燃料與空氣混合后點火燃燒,高溫高壓燃氣在渦輪中膨脹做功,2/3 左右被用來帶動壓氣機,其余通過 機組的傳輸軸帶動外界的各種負荷,如發電機、壓縮機、螺旋槳、泵等。燃氣輪機可以看作由燃氣發生器和動 力渦輪兩大部分組成,用來帶動壓氣機和附件的稱為燃氣發生器渦輪,用來帶動減速器、螺旋槳或其他外負荷 —專做功率輸出的稱為動力渦輪。

       

      目前燃氣輪機廣泛應用于發電、船舶動力、機車動力、管道增壓等領域,全世界 1/5 發電量來自于燃氣輪 機,燃氣輪機循環熱效率可以到達 60%,遠遠超過一般火電站使用的超臨界燃煤系統的 40%。在船舶動力方面, 歐美艦艇燃氣輪機裝配率在 50%以上。

      目前工業燃氣輪機熱端部件燃燒室、連接導管、導向葉片、工作葉片和渦輪盤大多采用高溫材合金料制備, 這一點與航空發動機類似。

      3.2.3.1 艦船燃氣輪機高溫合金市場規模測算 

      船舶動力領域燃氣輪機優勢顯著。在軍艦動力方案選擇上,燃氣輪機的主要競爭對手是艦用柴油機和蒸汽 輪機,由于燃氣輪機具有功率密度大、啟動速度快、噪聲低頻分量低三大先天優勢,老牌海軍比如美國海軍、 英國海軍和日本海上自衛隊等的主力水面戰艦已經完成了燃氣輪機化。

      我國海軍經歷了近 20 年的現代化進程,現已經初步形成了現代化海上力量,海上艦船數量已達到世界一流 水平。海軍裝備正遵循由量到質、由近及遠兩大趨勢發展,即淘汰落后艦艇,批量裝備現代化大噸位驅逐、護 衛艦,同時迅速建立現代化遠洋海軍作戰力量。目前我國海軍已經處于建國以來的第四次造艦高峰,近年 056 系列輕型護衛艦與 052 系列驅逐艦批量下水入役,大量替代原有 053 型護衛艦與導彈艇負責近海防御作戰及近 海巡邏等任務。而隨著遼寧艦航母編隊遠海訓練次數的不斷增多,航母艦隊中各型配套軍艦也已開始逐步服役, 負責航母補給的 901 型大型綜合補給艦已正式服役,055 型大型導彈驅逐艦也于 18 年 9 月開始海試并已在艦體粉刷舷號,于 2019 年 4 月參加了海軍成立 70 周年閱兵。

      我們預計,未來 20 年我國海軍將圍繞 10 艘航空母艦打造遠洋海軍力量,建造艦船預計總數量為 360 艘, 暫不考慮燃氣輪機更新需求,僅新下水艦船裝備燃氣輪機數量為 780 臺,參考 LM2500 與 GT25000 燃氣輪機約 25 噸重量,假設 50%重量使用高溫合金材料,成材率為 20%,共需高溫合金材料 4.9 萬噸,按照每噸 30 萬元 計算,市場空間總計約為 146.25 億元。 

      2019 年,我國新下水軍艦共 20 萬噸,包括 7 艘 052D 型驅逐艦、2 艘 055 型驅逐艦、1 艘 071 型綜合登陸 艦、1 艘 075 型兩棲攻擊艦、12 艘 056A 型輕型護衛艦、1 艘 901 型綜合補給艦,燃氣輪機共需高溫合金材料為 3125 噸,市場規模約為 9.38 億元。

       

      3.2.3.2 發電及管道用燃氣輪機高溫合金市場規模測算 

      天然氣發電成本高,在我國占比低。全球生產的天然氣中,燃氣發電消費獨占半壁江山,每年約 50%的天 然氣被用于發電。與此相對應的各主要國家天然氣發電裝機也在總裝機容量中占據較大比例,其中美國為 39.3%、 日本為 29%、英國為 34.1%、韓國為 26.6%,而我國僅在 3%左右。天然氣發電比起煤炭發電來說更加清潔環保, 但是天然氣發電成本較高。

      天然氣價格中樞中長期下降,天然氣發電最大劣勢有望逐步消除。隨著進口和國產天然氣供應逐步增加, 國內燃氣價格貴的問題正在逐漸改善。以中俄東線天然氣管道為例,該條線于 2019 年 12 月初通氣投產,根據 規劃,該項目在國內的管道全長 5111 公里,途徑黑龍江、吉林、內蒙古、遼寧、河北、天津、山東、江蘇、上 海等 9 省市,是中國東北方向首條陸上天然氣跨境戰略通道。管道滿負荷運行后,每年供氣能力將高達 380 億 立方米。國產氣方面,我國國產氣增量連續兩年超百億立方米。根據《中國天然氣發展報告》顯示,我國未來 通過加大四川盆地天然氣、鄂爾多斯盆地致密氣開發和突破陸相頁巖氣開發技術瓶頸,以及海上天然氣和非常 規天然氣開發,天然氣價格中樞有望進一步下降。

      中國電力企業聯合會數據顯示,截至 2019 年底,全國全口徑發電裝機容量 20.1 億千瓦,同比增長 5.8%。 其中,氣電 9022 萬千瓦,占比為 4.49%。2019 年,全國新增氣電裝機容量為 629 萬千瓦。按照單臺燃氣輪機 30 兆瓦計算,2019 年氣電燃氣輪機共需 210 臺,高溫合金材料用量約為 1.3 萬噸,市場規模約為 40 億元。按 此計算,假設未來 20 年每年新增氣電裝機容量 600 萬千瓦,未來 20 年氣電燃氣輪機共需 4000 臺,高溫合金材料用量約為 25 萬噸,市場規模約為 750 億元。

      管道用燃氣輪機受益于國家管網大建設。2009 年-2018 年我國天然氣消費量年均復合增速達 13.95%,而油 氣管道里程數年均復合增速僅為 6.55%,管道運輸能力陷入瓶頸一定程度上限制了天然氣行業發展。據此國家 提出:分步推進國有大型油氣企業干線管網獨立,實現管輸和銷售分開,2019 年 12 月國家管網公司成立,未 來我國管網將迎來一段時間的大建設期。

      根據國家發改委和能源局印發的《中長期油氣管網規劃》,到 2020 年全國油氣管網規模要達到 16.9 萬公里, 其中天然氣管道 10.4 萬公里;到 2025 年,油氣管網規模達到 24 萬公里,其中天然氣管道里程 16.3 公里。截至 2018 年底,中國建成運行的長輸天然氣管線總里程 7.6 萬公里,2019-2020 年仍需建設 2.8 萬公里;我們預計, 未來 20 年我國天然氣管道建設將達到 15 萬公里。 

      通常情況下,天然氣管線每 100-200 公司里設有一個壓氣站,每個壓氣站平均裝備 2 臺燃氣輪機。據此計 算,天然氣管線所用燃氣輪機市場在 2019-2020 年平均每年需用高溫合金材料約 1.2 萬噸,市場規模約為 35 億 元;未來 20 年共需高溫合金材料 12.5 萬噸,市場規模約為 375 億元。 

      4.2.4 汽車、核電領域潛在需求旺盛 

      4.2.4.1 汽車領域高溫合金市場空間測算 

      在汽車領域,高溫合金材料主要用于汽車廢氣渦輪增壓器。渦輪增壓器的工作原理是通過發動機排出的廢 氣沖擊渦輪運轉,帶動同軸的葉輪高速轉動以將空氣壓縮后傳遞到氣缸中,通常加裝廢氣渦輪增壓器后的發動 機功率及扭矩要增大 20%-60%。隨著中國汽車保有量不斷增大,嚴格的排放限制,帶有渦輪增壓汽車發動機逐 漸成為市場主流。目前,我國渦輪增壓器生產廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪,此外內燃機 的閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。

      汽車渦輪增壓器具有降低噪聲、減少有害氣體排放、提高功率等優點,國外的重型柴油機增壓器裝配率 100%,中小型柴油機也在不斷地增大其裝配比例,英、美、法等國家裝配比例已達 80%左右,相較之下,我國 50%的裝配率仍有一定提升的空間。

       

      根據鋼研高納招股說明書數據,每萬輛汽車至少需要高溫合金材料 2 噸,2019 年我國汽車產量為 2572.1 萬輛(含新能源汽車 124.2 萬輛),需要高溫合金材料約 4900 噸,按照每噸 20 萬元計算,市場規模約為 10 億 元。考慮到未來汽車數量和我國裝配率的提高,假設未來年均增長率為 5%,未來 20 年我國汽車市場對高溫 金材料的需求總計約為 16 萬噸,市場規模約為 324 億元。 

      4.2.4.2 核電領域高溫合金市場空間測算 

      核電工業使用的高溫合金主要包括燃料元件包殼材料、結構材料和燃料棒定位格架,高溫氣體爐熱交換器 等。2011 年受福島核事故影響,全球核電在運裝機容量出現下滑,2013 年后恢復增長。當前中國是全球核電在 建機組容量第一、在運機組容量第三,根據國際原子能機構估計,未來 20 年核電使用將維持增長,裝機容量增 長將主要來自中國、俄羅斯等國家。

       

      根據《中國核電中長期發展規劃》,到 2020 年,全國在運核電規劃裝機容量達到 5800 萬千瓦,在建 3000 萬千瓦。截至 2019 年末,我國共有 47 臺運行核電機組,總裝機容量為 4875.12 萬千瓦,2020 年需投入運行 925 萬千瓦。根據鋼研高納招股說明書,每座 60 萬千瓦核電站約需高溫合金材料 600 噸,以此計算,需在 2020 年 建設完成的 925 萬千瓦的核電機組,共需高溫合金材料 9200 噸,考慮到核電站建設周期約為 5 年,平均每年 高溫合金需求量約為 1800 噸,按照每噸 20 萬元計算,市場規模約為 3.7 億元。假設未來 20 年核電在建機組數 量維持在 10 座,每座裝機容量為 100 萬千瓦,平均每年需求量約為 2000 噸,市場規模總計約為 80 億元。 

      四、“進口替代”論:高溫合金國產廠商三維度分享行業紅利

      4.1 國內高溫合金行業現狀:供不應求,競爭格局良好 

      我國高溫合金市場供不應求。2019 年,我國重點優特鋼企業高溫合金鑄錠產量約為 1.91 萬噸,同比增長 32.95%,鋼材產量約為 0.85 萬噸,同比增長 50.13%,我國高溫合金業務供給出現快速增長的情況。但目前我國 高溫合金整體市場需求約為 4 萬噸,供不應求的問題依然顯著。由于技術壁壘高、認證周期長、資金需求大等 因素,我國高溫合金的產量增長緩慢,成材率較低。

       

      高溫合金行業門檻高,行業龍頭優勢明顯。高溫合金材料領域技術含量很高,目前具有完整高溫合金體系 的國家只有美、英、俄、中四國,能夠生產航空航天用高溫合金的企業全世界也不超過 50 家。不僅僅是生產工 藝要求高,長期資金投入、認證時間長和客戶黏性也是該行業門檻高的體現之一。高溫合金行業無論是軍品還 是民品,審核嚴格、時間跨度長、耗時費力,為該行業構筑了天然的進入壁壘。高溫合金有一半是用在航空航 天領域,特別是軍用品方面,由于處于戰略安全和保密性的要求,國產龍頭廠商的領先優勢有望得到保持。

       

      高溫合金材料目前仍然依賴進口,國產替代需求迫在眉睫。目前我國高溫合金從業企業數量少,整體技術 水平較國外龍頭企業仍有較大差距,整體產能和實際有效產能較小,尤其在高端航空航天領域高溫合金的產能與實際需求存在較大缺口。根據我們對行業主要企業產能情況的數據匯總,12 家企業高溫合金理論產能共計約 2 萬噸,根據廣大特材招股說明書數據預計,目前高溫合金 50%的市場需求依賴進口,考慮到目前我國高溫合 金有效產能與需求之間的缺口,預計實際對進口的依賴程度更大。

       

      我國高溫合金行業形成錯位競爭。我國目前從事高溫合金研究生產的主要企業分為兩類,第一類是特鋼企 業,主要是撫順特鋼、寶鋼特鋼、長城特鋼,主要生產批量較大的合金板材、棒材和鍛件,這類產品用量最大, 結構簡單;另一類是科研院所轉型企業,主要是鋼研高納、航材院、中科院金屬研究所,主要生產較小批量、 結構復雜的高端產品,這兩類廠家之間形成了錯位競爭的格局。目前國內企業間屬于競爭合作關系,直接競爭 較少,同時存在上下游合作,以實現技術創新、擴大產能以滿足市場需求為主要發展目標。

       

      我國高溫合金下游需求以軍品為主。高溫合金行業主要應用于航空航天領域。我國在軍用航空發動機領域 雖然整體滯后于飛機的發展,部分仍依賴從俄羅斯進口,但是隨著一些重點型號航空發動機的逐漸批量交付,我國軍用航空發動機的可靠性等問題逐步得到解決,軍用領域逐步擺脫依賴進口的局面。相對于此,我國在民 用航空發動機領域起步很晚,目前還沒有比較成熟的產品。

      供需缺口長期存在,企業高毛利長期維持。根據中國產業信息網數據,2018 年我國高溫合金市場需求量約 3.74 萬噸,產量約 2.18 萬噸,供需缺口在 15000 噸以上。由于高溫合金高門檻特性,未來行業供需缺口主要是 依靠現有企業產能擴張實現,行業競爭格局穩定。得益于良好的競爭格局,企業高毛利長期保持。以撫順特鋼 為例,高溫合金板塊長期保持在 40%以上。

       

      4.2 兩機國產化進度加速,上游高溫合金供應商直接受益 

      我國航空發動機長期存在兩大難題。第一個問題是研發體制約束,在 2016 年之前航空發動機的研制工作主 要由中航集團負責,發動機研制長期依附于戰機的發展,研制一代戰機需要 10 年左右,研制一代航空發動機需 要 15-20 年時間,研發周期存在錯配,導致發動機滯后于戰機的研制進度。第二個問題是資金約束,國外研制 一代航空發動機的研制經費通常為 30 億美元以上,以美國在 1988-2005 年實施的“綜合高性能發動機技術計 劃”和 2002-2017 年實施的“多用途、經濟可承受的先進渦輪發動機計劃”為例,兩者共花費 87 億美元,而在 兩機專項實施前,20 年間我國航發預研投入不到 10 億美元。

      從 2015 年開始,我國出臺一系列專項政策,航空發動機和燃氣輪機發展滯后的難題逐步解決,尤其是航 空發動機的國產化難題有望逐步破解。而隨著航空發動機和燃氣輪機國產化程度進一步提高,成熟型號產品將 逐步放量,作為兩機產業鏈上游的高溫合金制造商將直接受益。 

      兩機專項破解資金約束。在 2015 年政府工作報告中將 “航空發動機、燃氣輪機”替換“節能環保、電動 汽車”,首次作為獨立的方向列入七大新興產業,并在“十三五”期間全面啟動實施航空發動機及燃氣輪機重大 專項,突破兩機關鍵技術,初步建立航空發動機及燃氣輪機自主創新的基礎研究、技術與產品研發和產業體系。兩機專項落地預計帶來千億規模發動機專項資金。

      航發集團成立破解體制約束。2016 年 8 月,中國航空發動機集團成立,中航工業所屬從事航空發動機及相 關業務的企事業單位共計 46 家并入航發集團,包含 22 個發動機廠所、621 所(北京航空材料研究院)、3 個修理廠等,總資產 1100 億。“飛發分離”能夠掃除體制制約因素,首先將發動機獨立于整機制造之外,具有更大 的靈活性,其次可以全面整合航發資源,加強交流互助,減少重復建設的成本,最后可以仿效海外巨頭實現多 業經營,不僅可以研制航空發動機,還可以應用航空發動機技術研制和生產船舶用的了燃氣輪機,形成產業協 同效用。

       

      “美國禁運事件”呼吁一顆“中國心”。2020 年 2 月 16 日,《華爾街日報》報道稱,美國政府正考慮取消 CFM (GE 子公司)向中國出口 LEAP-1C 發動機的許可。而 LEAP-1C 發動機正是我國 C919 選用航空發動機。如果美 國取消了 LEAP-1C 發動機的出口,中國 C919 短期內將面臨無發動機可用的窘境,并且短時間內很難找到替代方 案,必將極大影響飛機的交付進度。雖然出于技術和商業因素,禁運可能性不大,但這件事引起了國內很大的 震動,使得民眾和政府對于航空發動機領域更加重視,呼吁一個成熟可用的民用航空發動機。

       

      燃氣輪機國產化起步晚、限制多。重型燃機輪機依據渦輪前溫度和壓比可分為不同級別,目前廣泛使用的 是 E 級, F 級和 H/J 級。此前我國通過市場換技術,以三大電氣為承接單位,分別引進了德日美的燃機輪機技術, 實現了 F 級燃機在國內的組裝,但僅局限在整機組裝能力,沒有掌握研制設計和生產核心技術,無法自主生產 壓氣機、燃燒室和透平三大部件,維護維修環節也被外方控制。 

      海外并購+自主研制,國產化提速。2010 年以后,國內企業通過海外并購和自主研制的方式提升國產化水 平。上海電氣入股國際燃氣輪機巨頭安薩爾多,獲得 E、F 和 H 級燃機的專利在中國的使用權,實現了壓氣機、 燃燒室和透平的國產化,通過和安薩爾多設立合資公司,逐步掌握后續維護環節和設計環節;“兩機”專項成立 以后,國家依托三大燃機廠和國家電投成立了聯合重燃,選擇自主研制和設計路線發展。

      燃氣輪機國產化進入沖刺期。根據發改委和能源局聯合發布的《依托能源工程推進燃氣輪機創新發展的若 干意見》,要求到 2020 年,結合引進技術消化吸收,突破重型燃氣輪機設計技術、高溫部件制造技術和運行維 護技術,解決燃氣發電項目設備瓶頸,國內基本形成完整的重型燃氣輪機產業體系。2019 年 7 月份,華能南通 電廠燃氣輪機發電項目等 24 個項目列入第一批燃氣輪機創新發展示范項目,預計在 2022 年前完成技術裝備攻 關和項目建設,依托本批示范項目,我國燃氣輪機產業長期以來依賴進口的關鍵核心技術將逐步實現國產化。

       

      4.3 航空發動機核心零部件實現進口替代 

      除了國內企業在產業鏈上游進行高溫合金材料的國產替代,部分國內企業開始進軍產業鏈中游制造環節。 產業鏈中游環節主要包括兩機高溫合金零部件加工制造,其中以渦輪葉片和渦輪盤為主,國內企業通過自主研 發,在鑄造等軸晶葉片和定向單晶葉片、粉末冶金渦輪盤等領域實現國產替代,并進入國外產業鏈。

      產業鏈中游環節國產化將大幅降低成本。以燃氣輪機單晶葉片為例,進口產品價格約為每片 40 萬元,實現 國產化后產品價格僅為 10 萬元左右,而一級渦輪葉片數量為 96 片,對于燃氣輪機制造成本下降將產生重大影 響,考慮到燃氣輪機后期維護更換葉片費用,成本下降作用將十分明顯。

       

      應流股份于 2018 年底發布非公開發行股票預案,計劃募集資金 9.5 億元,其中 6.65 億元用于高溫合金緊密 鑄造項目,增強與國內外客戶的持續合作,預計達產后每年可生產葉片 20 萬片,預計產值可達 12 億元。目前 應流股份已經完成定向高溫合金葉片研發和制造,承擔某型號航空發動機高溫合金葉片研制生產任務,并向 GE 進行單晶葉片供貨。

       

      萬澤股份于 2014 年成立萬澤中南研究院,引進國內外高溫合金領域人才,開始進行高溫合金產品研究工 作。2016 年公司通過非公開發行募資新建年產超純高溫母合金 250 噸、先進發動機葉片 3.96 萬片、高溫合金粉 末 60 噸生產線,并于今年年初再次通過非公開發行募資新建年產超純高溫母合金 478 噸、航空發動機葉片 4,500 片、渦輪盤 200 對、地面燃氣輪機葉片 2000 片、汽車渦輪增加器部件 70 萬個、高溫合金粉末 50 噸生產線。本 次募投項目完成后,公司將擁有高溫合金母合金和粉末產能超過 800 噸,具備航空發動機和地面燃氣輪機葉片、 發動機渦輪盤等發動機主要高溫合金部件生產能力。

      煉石航空構建完整航空產業鏈。自 2013 年開始陸續投資設立成都航宇超合金技術有限公司、成都中科航空 發動機有限公司、朗星無人機系統有限公司和成都航旭涂層技術有限公司,構建了從“錸元素→高溫合金→單 晶葉片→航空零部件→航空發動機→大型無人機整機”的完整產業鏈。目前成都航宇擁有年產 80 噸高溫合金生 產線和 5.5 萬片單晶葉片生產線,研制出多款高溫合金母材,目前已具備單晶葉片、等軸晶葉片,成功研制多 款單晶渦輪葉片,包括具有復雜氣冷通道的空心單晶葉片的生產能力,承接預研、在研、在役重點機型復雜單 晶葉片的研發任務并進行小批量供貨。

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