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  • 高温合金行业深度报告 2022-08-29 | 来源:华体会体育全站ios 作者:华体会手机版登录
  •   我国2019年高温合金材料的产能为1.74万吨,总需求却达到了3万吨,自给率为58%,国产替代空间大。再加上我国在航空航天产业研制先进发动机、燃气轮机、核电设备等领域工艺上的突破,进一步刺激了市场对高端和新型高温合金的需求;

      从全球的应用结构上来看,我国的高温合金仅20-30%应用在民用领域,而全球市场45%的高温合金材料应用在民用领域(美国的高温合金材料在民用领域的应用高达60%),我国在民用领域的可提升空间很大;

      “一带一路”经过多个新兴国家,如东盟、中亚、印度等,这些国家处于经济的发展阶段,对于石化、冶金、建材等基础工业产品需求很大。

      高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,又被称为“超合金”,主要应用在航空、航天、石油、化工、舰船、电力、汽车等领域。高温合金行业属于技术密集型行业,其生产过程具有技术含量高、开发难度大等特点。研发一个新类型的高温合金产品不仅仅需要技术条件的达成,还必须经过批量生产和掌握其生产工艺,这需要积累较多的行业经验才可以成功,技术壁垒、行业壁垒均较高。此外,军用领域对产品的验证严格且周期较长,一旦通过验证就不会轻易换掉供应商,客户壁垒较高。

      高温合金按照合金的主要元素可以分为铁基高温合金、镍基高温合金(含镍基在50%以上)以及钴基高温合金(含钴基大约为60%)。其中镍基高温合金的耐热性能相较铁基高合金要更强一些,使用在1000℃以上的工作条件。目前镍基高温合金是应用范围最广的高温合金,其市场应用范围高达80%。其次是铁基高温合金,应用占比约14%。而钴基高温合金因为其原材料钴为很多国家的稀缺资源且价格昂贵,用量比较少,主要应用在600-1000℃和较长时间受极限复杂应力高温零部件中,市场应用范围最小。

      从高温合金的制作成型工艺(材料成型方式)来看,可分为变形高温合金、铸造高温合金以及新型高温合金。变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工,具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标、具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能,同时也是高温合金中市场应用最广的一类,占比达到了70%。其中变形高温合金中的GH4169,拥有变形高温合金之王的美称,对标的是美国的BO7718,是一种沉淀强化的镍基高强合金,在650℃以下的屈服强度位居变形高温合金首位,同时也是我国用量最大、应用范围最高的高温合金品种,被广泛地应用在航空航天、汽轮机、能源电力、核工厂等高要求市场中。

      铸造高温合金主要包括了等轴高温合金、定向凝固柱晶高温合金以及单晶高温合金,其市场应用范围排在第二的位置,占比为了20%。根据其可以通过铸造工艺直接成型的特点,主要用于制造形状比较复杂的产品,使用温度在-253-1100℃之间。新型高温合金是在传统的变形高温合金和铸造高温合金基础上发展出来,其综合性能会更好,主要包括粉末高温合金、ODS高温合金、金属间化合物高温合金等。其中粉末高温合金已经批量用于国内多个型号的航空发动机,ODS高温合金主要应用在1000-1400℃超高温场景中。

      此外,高温合金的生产工艺比较复杂,全部工艺流程包括温度、湿度、压力、电流等几千个参数,任何一个环节出现问题,都会影响到产品的质量以及稳定性。以机加工为例,因为高温合金内含有铬、铝等较为活泼的元素,在氧化过热腐蚀环境中容易出现化学不稳定的情况。如果制作工艺达不到,在其加工过程中容易出现切削加工性差、切削变形大、加工硬化倾向、刀具易磨损和表面质量、精度容易保证等难点。

      高温合金上游主要原材料为电解镍、金属钴、铁基等金属材料,其中应用最广泛的是电解镍,占比为80%,铁基占比14.3%,钴基占比5.7%。高温合金产业链的原材料大多由国内厂商供应,但是其主要原材料电解镍属于国家战略性物资,国内仅有金川集团有限公司(或其授权经销商)等少数几家公司可以提供。对于高温合金产业链中游来说,成本占比较高的主要是原材料部分,占比达到60%以上,其价格的波动对中游的成本有较大影响。设备方面,我国的设备研发与海外技术先进设备厂商还存在一定差距,以进口为主。高温合金在我国下游应用领域包括航空发动机、燃气轮机以及汽车行业等领域。其中有70%以上的高温合金应用在军用领域,下游客户主要是以中国航空发动机研究院、沈阳发动机设计研究所、航发集团下属公司等为代表的发动机研发设计制造主机厂。

      全球的产量主要集中在美国、英国及日本三个国家。其中美国拥有全球领先的高温合金研发工艺和应用技术,同时也是全球高温合金最大的产出国,全年大约生产5万吨,其中40%应用在军工领域,60%应用在民用领域。代表企业包括了生产航空发动机的GE(美国通用电气公司)、生产高温合金的PW(普拉特惠拉尼)以及在民用领域的卡博特等企业。英国的高温合金研制工艺和生产是欧盟国家中代表,以英国Mond镍公司为例,Mond镍公司是全球首家研制出了镍基高温合金的公司。

      除此之外,Rools-Royceplc(英国航空发动机公司)也拥有较为先进的高温合金研发工艺。日本在单晶合金方面全球领先,在镍基单晶高温合金以及镍基超塑性高温合金等方面取得了较大成果。代表企业主要是世界第二大钢铁集团JFE株式会社、日本重要的军事防务品供应商IHI株式会社等。

      我国在高温合金的研制上起步较晚,1956年至20世纪70年代初也仅仅是我国的高温合金研制的初始阶段,而国外以英美为代表的国家在20世纪30年代后期就开始研究高温合金。我国的高温合金发展主要经历了初始阶段、提高阶段(主要试制欧美型号的发动机,提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制)到现在的全新发展阶段,已经从之前的仿制、仿创结合到目前已经形成了独立完成的高温合金体系。但是,我国的高温合金行业仍处在成长期,在一些尖端技术、产品应用技术、生产工艺技术以及成本控制上与先进国家还是有一定差距的。

      此外就是我国的产能明显不足,根据前瞻研究院数据显示,2019年我国高温合金材料的产能约1.74万吨,而我国的总需求约3万吨,自给率仅58%。产能与需求之间存在较大缺口,特别是在燃气轮机、核电等领域的高端精密高温合金部件主要还是依赖进口。根据中信证券研究部预测数据显示,直到2025年这个供需缺口将持续存在,预计2025年的供需缺口为1.41万吨。

      我国的高温合金研究生产的企业和单位主要分为两类,一类是以钢铁研究总院、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、北京科技大学等为代表的研究单位,这些研究所也会生产一些小批量的高端高温合金产品;另一类就是以抚顺特钢、钢研高纳(科研院所转型)等为主的高温合金生产厂商。

      根据我国2019年的高温合金产能情况以及扩产情况来看,目前国内的高温合金生产商第一梯队主要以抚顺特钢、钢研高纳、西部超导以及图南股份为代表。其中抚顺特钢目前的产能最高,也是国内的变形高温合金龙头,公司的“特冶二期”在今年投产后,公司未来的产能有望达到10000吨。

      此外公司近两年的产能利用率比较高,产能利用率差不多都在110%以上。从公司的营收规模来看,钢研高纳的高温合金营收规模仅次于抚顺特钢、位居国内第二的位置,公司在新型高温合金领域拥有较高的市场份额。西部超导的业务不仅仅是高温合金,还包括了钛合金、超导产品等,公司产品主要应用在军工领域。公司的高温合金业务起步相较抚顺特钢和钢研高纳要晚些,目前产能尚未完全释放。但是从公司的高温合金产能、产品研发种类及应用领域等情况来看,未来公司的高温合金业绩贡献将会逐步凸显。

      最后就是图南股份,公司一半以上的营收都是来源于军工领域,行业壁垒比较高,公司的铸造高温合金也是同行业中毛利率最高的产品,主要原因也是公司主动放弃铸造高温合金中的低毛利产品专攻军品带来的。另外补充一下,万泽股份也有小批量的生产高温合金材料,其2020年的营收为3392万元,占公司总营收的6.14%。公司在2020年有申请过以非公开发行股票募集资金建年产1500吨的超纯高温母合金,但最终公司在2020年9月份撤回了该申请。

      根据前瞻产业研究院整理数据显示,中国高温合金市场规模到2025年可达到856亿元,占到全球高温合金市场规模的76.91%,预计十四五期间规模增速将保持在30%以上,远高于全球市场增速,是未来高温合金规模增速最快的市场。此外,根据钢研高纳2020年报信息显示,未来国内高端和新型高温合金需求增加主要来自于我国自主航空航天产业研制先进发动机、大型的发电设备以及核电等下游应用领域需求的增加。预计2025年国内高温合金供应将达到3.68万吨,未来5年CAGR为15%。这一需求是远远高于国内产能的,为满足国内高温合金需求,国内各大生产商也实施了扩产计划。

      图7:中国和全球高温合金市场规模预测(资料来源:招商证券、国盛证券研究所)

      从全球和中国的应用结构来看,我国的高温合金在民用领域的应用明显是落后全球市场的。根据Roskill统计数据,全球每年消费高温合金材料约30万吨。其中应用领域占比最高为航空航天领域,占比达到了55%,这些高温合金材料主要是应用在军用领域;其次就是电力工业领域,占比为20%;机械工业领域的高温合金需求排在第三的位置,占比为10%。整体来看全球高温合金有45%主要应用在民用领域(美国的约为60%)。与全球市场有所不同的是,我国的有70%-80%的高温合金需求主要是在军用领域,而民用领域的占比仅为20%-30%,民用领域可提升空间还是很高的。结合全球高温合金的应用结构以及国内高温合金的发展趋势,中国未来高温合金的主要应用领域集中在航空航天、核电(大型发电设备)、燃气机等领域。

      高温合金材料是制造航天航空发动机的关键材料,基于其耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能、广泛应用在发动机的燃烧室、导向器、涡轮叶片、涡轮盘、尾喷口及机匣等部件中。高温合金材料在不同机型发动机中的占比也是不同的,差不多是占发动机总重量的40%-60%以上(先进发动机中占比超过了50%),是航空发动机应用中占比最大的材料。高温合金材料在航天航空市场的应用主要分为两个领域分别是军用领域和民用领域,下面我们来看一下国内在这两部分市场的情况。

      军用领域因为其特殊的地位一直是我国高温合金的主要应用领域,近年来随着我国在自主航空发动机研制发面不断攻克技术难关,目前我国军机歼-6、歼-7、歼-8、歼-11B、歼-20、轰-6K、直-10、直-20、运-8、运-20等众多机型均使用的为我国自己研发的发动机。军用发动机进口依赖明显呈现下降趋势,目前维持在20%左右。此外,根据财信证券信息预测,我国军用航空发动机在“十四五”期间的总产量将是“十三五”的数倍,预计在“十五五”期间有望批产放量,全面替代进口发动机。未来随着对进口发动机依赖的降低和我国军机批产放量将进一步打开高温合金材料在国内军用发动机市场的需求。

      图10:未来10年我国军机发动机领域碳合金需求预测(资料来源:国盛证券、格菲资本)

      此外根据《WORLDAIRFORCES2020》数据显示,目前我国军用军机数量为3210架,美国为13266架,差距还是比较大的。根据国盛证券研究所预测数据显示,未来10年我国军机增量市场为3913架,加上存量市场的3210架军机,通过保守计算也就是发动机更换年限为6.67年,那么可以测算出未来10年我国军用航空发动机的市场规模为822.64亿元。按照发动机更换年限为5年来计算的线年我国军用航空发动机的市场规模可达到949.2亿元。

      这里简单地讲一下发动机更换年限的假设依据是军机每天的使用时间为2小时,每年使用时长(按照200天/年计算)为300-400小时,假设发动机更换周期为2000小时,那么就可以得到发动机使用年限为5-6.67年。

      整体来看,仅仅军用航空发动机在未来10年平均每年约822.64-949.2亿元的市场需求,市场规模还是比较大的。

      我国在民用航空发动机的自主研发实力上相对薄弱一些,国内生产的民航客机发动机主要依赖国外的发动机生产商。为了阻止我国民航客机的发展,美国禁止通用电气(通用电气是世界领先的民用、军用、公务和通用飞机喷气及涡桨发动机、部件和集成系统制造商)向我国供应C919发动机的消息一次又一次地被提出来,所以国产替代是一种必然趋势。目前有中国商飞研发的35吨级长江2000发动机(CJ-2000)已经开始首台验证机整机装配,长江1000(CJ-1000A)预计在2023年就可以可装机C919试飞。未来随着C919、CR929大飞机项目的稳步推进,中国作为未来20年全球民用客机交付量最多的国家,我国自主研发发动机的自给率也将会进一步提高。

      这里简单说以上图中机型的情况,ARJ21是我国自己研发的支线年的时候就已经正式交付进入市场运营。C919是我国研制的首款单通道大型干线系列,目前已经陆续接单投产中。而目前正在与俄罗斯携手研制中的CR929为远程宽体客机,对标的是波音787和空客A330系列。

      此外,这里有两组对中国未来20年民航客机市场需求的预测,分别是波音的8600架(该预测为受疫情影响下调后的数据)和中国商飞预测的9205架(其中:支线架)。目前全球主流客机配备的发动机数量为2-4台,假设支线台发动机,单通道飞机和宽体客机分别配备4台发动机,如果按照中国商飞的数据,未来20年中国民用客机高温合金材料的需求可达到15.39万吨。

      图12:未来10年我国民航发动机高温合金市场需求测算(资料来源:国盛证券研究所)

      根据国盛证券测算数据显示,未来10年我国民航发动机高温合金材料市场需求为2378.07亿元。国盛证券取得是中国商飞预测未来20年数据中的一半作为未来10年我国民航客机需求量,需要注意的是,我国民航客机发动机国产化依旧需要一些时间,所以该预测的前期市场空间肯定还是被海外厂商占据着。未来随着我国自主研制发动机的成熟和放量,在国内市场市占率肯定也会快速提高。

      基于高温合金的耐高温、耐强度等优异特性,其在核电装备制造业中具有难以替代的作用。主要使用在燃料机组、控制棒驱动机构、压力容器、蒸发器以及堆内构件、燃料棒定位格架、高温气体炉热交换器等需要承受高温、高强度工作环境的部件中。正常情况下,一座100万千瓦的核电机组需要500吨的高温合金材料。中国是核电产能第九大国家,根据图南股份招股说明书数据显示,截至2020年1月,我国在运核电机组和在建机组分别为47台和12台,装机容量分别为45688兆瓦和11155兆瓦。根据中信证券对我国“十四五”期间的测算,预计到2025年我国的核电高温合金需求可达到6365吨。

      燃气轮机是一种旋转叶轮式热力发动机,主要是通过连续流动的气体为介质带动叶轮高速旋转,将燃料的能力转变为有用功,其工作环境需要承受高硫燃气、海水盐分的腐蚀以及高温环境,对产品的工作寿命要求达到50,000-100,000小时,高温合金是其不可或缺的材料,目前国内外主要采用镍基高温合金生产制造燃气轮机。燃气轮机主要应用在船舰燃气轮机和工业用燃气轮机,其中以舰船燃气轮机应用为主。随着2017年中航动力“QC280/QD280燃气轮机生产能力建设项目”顺利通过竣工验收,我国在国产舰船燃气轮机上完成了国产化批量生产阶段。根据国盛证券预测数据显示,假设国产燃气轮机总重25吨(参考LM2500燃气轮机重量),高温合金重量占比为40%,成材率为30%,可以得到一台燃气轮机高温合金需求量为33.3吨,预计未来5年舰船燃气轮机高温合金需求为20533吨,平均每年需求为4107吨。

      图16:“十四五”期间中国船舶燃气轮机高温合金材料需求量(资料来源:国元证券研究所)

      高温合金作为国家重要的战略性资源,国家长期以来颁布了很多政策重点鼓励扶持和积极推进该行业的发展。值得一提的是2016年工信部提到的“十三五”期间全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项,该专项推动了我国大型客机发动机、军用航空发动机、燃气轮机等产品的自主研发能力,同时也推进了高温合金在发动机中的应用。此外,国家相关部门也颁发了一系列军民融合的政策推进了高温合金在民用领域的应用,改善了我国高温合金材料应用结构。其他影响该行业的相关法律、法规及政策如下:

      高温合金作为我国重要的战略资源,拥有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等优良性能,广泛的应用在航空、航天、石油、船舰、化工、电力等领域。高温合金按照合金的主要元素可以分为铁基高温合金、镍基高温合金以及钴基高温合金,市场的主流为镍基高温合金,市场应用范围高达80%。按照产品系列又可以分为变形高温合金、铸造高温合金和新型高温合金,抚顺特钢是国内的变形高温合金龙头,公司的变形高温合金主要供给军工客户,在军工市场的市占率在80%左右;国内的图南股份、钢研高纳、西部超导均有生产铸造高温合金,其中图南股份的铸造高温合金毛利率在同行中处在较高的水平,主要原因是图南股份专攻铸造高温合金在军用领域的应用,提高了公司的毛利率;此外,钢研高钠在新型高温合金中拥有较高的市场份额。

      高温合金属于行业壁垒较高的领域,目前全球高温合金产量主要集中在美国、英国及日本三个国家,其中美国是全球高温合金最大的产出国,拥有着全球最先进的高温合金研发工艺和应用技术。与海外的先进高温合金生产商相比,我国的高温合金行业仍处在成长期,在一些尖端技术、产品应用技术、生产工艺技术、成本控制、产能上与先进国家还是有一定差距的。从高温合金在全球市场应用结构来看,我国高温合金在民用领域依旧有较大的提升空间,目前全球市场45%应用在民用领域,而我国仅仅20-30%,可提升空间很大。

      我们认为未来5年我国高温合金材料需求规模最大的依旧是航空航天领域,其中军用航空发动机我国基本已经实现了自己可控,随着我国军机批产放量将进一步提高高温合金的需求;民用客机领域会是高温合金材料未来的业绩爆发来源,目前我国在这民用航空发动机领域是空白的,随着我国自主研发的民用航空发动机投产,该领域将成为高温合金需求量最大的应用领域;其次是核电领域,除了建成和目前在建的核电机组外,我国仍有30台左右核电组处于规划中,预计到2025年我国的核电高温合金需求可达到6365吨;最后燃气轮机领域的高温合金需求量也较高,该部分市场以舰船燃气轮机为主,目前我国处在舰船的快速建造期,预计平均每年的高温合金需求量为4107吨。这些应用场景的高需求都为未来高温合金的发展注入活力。



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