高温合金，在熔炉中而生.pdf

行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 金属非金属新材料 证券研究报告 2020年11月22日 投资评级 行业评级 强于大市(维持评级) 上次评级 强于大市 作者 杨诚笑 分析师 SAC执业证书编号：S1110517020002 yangchengxiaotfzq 孙亮 分析师 SAC执业证书编号：S1110516110003 sunliangtfzq 田源 分析师 SAC执业证书编号：S1110517030003 tianyuantfzq 王小芃 分析师 SAC执业证书编号：S1110517060003 wangxptfzq 田庆争 分析师 SAC执业证书编号：S1110518080005 tianqingzhengtfzq 资料来源：贝格数据 相关报告 1 金属非金属新材料-行业深度研究:可降解塑料深度之三：PBAT 成本下降空间有多大？ 2020-11-06 2 金属非金属新材料-行业点评:风能北京宣言发布，对应碳纤维市场将高速增长 2020-10-15 3 金属非金属新材料-行业点评:可降解塑料：行业指南发布，推动禁塑限塑政策落地 2020-09-16 行业走势图 高温合金，在熔炉中而生 高温合金-为高温而生 为了追求更高的能量转化效率，热机动力领域需要的工作温度越来越高，高温合金因此孕育而生。 高温合金按合金的主要元素分为铁基、镍基和钴基合金。 铁基高温合金使用温度较低（600850），一般用于发动机中工作温度较低的部位，如涡轮盘、机匣和轴等零件。 镍基变形高温合金在发动机中主要用于涡轮盘和涡轮叶片，温度范围一般在650C-1000C。镍基铸造高温合金在发动机中主要用于涡轮导向叶片和工作叶片，工作温度可达1100C以上。 钴元素在地球上储量较少，价格较为昂贵。目前钴基合金研发热度有所下降。 只有高温合金升级才能带动航空发动机代际发展 航空发动机中的涡轮叶片、导向器叶片及涡轮盘，是整个发动机中性能最高的部件，代表着高温合金的最高工艺和最高要求。 第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金，核心材料工作温度 650C，到第四代的涡扇发动机，核心材料工作温度已经达到了 1200C，采用了单晶高温合金。历代军机的换代一直伴随着发动机核心材料高温合金的升级。 军机换代多点支撑航发需求，维护需求是主力 经估算，每年航空发动机的市场需求将达到50亿美元，带动的高温合金年均需求约为8.75亿美元。维修年市场空间可达43.3亿元。 高温合金，研发为重 国内老牌企业抚顺特钢的变形高温合金市场和技术优势明显，而钢研高纳铸造高温合金国内顶尖、研发能力卓越。以万泽股份为代表的新兴高温合金企业，业务覆盖面广，同时也注重新型高温合金的研发。 单击此处输入文字。 风险提示：如果国家未来调整了高温合金及其某个应用领域的产业政策， 会一定程度上间接地对公司的技术、人才、资金乃至整体经营战略及经营业 绩造成影响。 钢研高纳公司项目发展不及预期、下游需求不及预期、原料价格波动。 万泽股份13亿非公开发行股票进度受阻，资金不能及时到位。存在业务竞 争的公司抢先进入粉末涡轮盘市场，威胁万泽股份市场次要供应商地位。 抚顺特钢大股东质押比例高，高温合金扩产不及预期。 -8%-2%4%10%16%22%28%34%2019-11 2020-03 2020-07金属非金属新材料 沪深300行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 内容目录 1. 高温合金-为高温而生 . 4 1.1. 动力用高温合金-理论效率只与温度有关 . 4 1.2. 化工领域-反应效率需要高温环境 . 5 2. 高温合金的分类与发展 . 6 2.1. 铁基高温合金：我国高温合金体系的一大特色 . 6 2.2. 镍基高温合金：变形/铸造/新型合金逐代升级 . 7 2.2.1. 镍基变形高温合金 . 7 2.2.2. 镍基铸造高温合金 . 7 2.2.3. 新型高温合金-粉末冶金高温合金 . 8 2.2.4. 新型高温合金-单晶高温合金 . 8 2.3. 钴基高温合金：抗腐蚀等特殊领域前景广阔 . 8 3. 航空发动机用高温合金不断发展 . 9 3.1. 叶片用高温合金：承温能力大幅提高 . 11 3.2. 涡轮盘用高温合金:粉末高温合金成首选 . 13 3.3. 军机的换代伴随着高温合金的升级 . 13 4. 发动机用高温合金进入快速发展期 . 14 5. 高温合金，少数人的盛宴 . 16 5.1. 钢研高纳：铸造高温合金龙头 . 16 5.2. 抚顺特钢：高温合金老牌劲旅，产量领先全国 . 17 5.3. 万泽股份：研发生产一体化，量产指日可待 . 19 6. 风险提示 . 22 图表目录 图1：高温合金应用领域 . 4 图2：热机卡诺循环压力-体积曲线 . 4 图3：热机卡诺循环热熵曲线 . 4 图4：涡轮入口温度越高，理论输出效率越高 . 4 图5：中国高温合金市场供需（吨）走势 . 6 图6：我国镍基高温合金发展历程 . 7 图7：变形高温合金加工流程 . 7 图8：钴基高温合金专利申请（件）趋势图 . 8 图9：发动机推重比与喷口温度点线图 . 9 图10：世界高温合金（涡轮叶片、盘件）的发展趋势和我国主要合金的研制 . 10 图11：涡扇发动机主要部件 . 10 图12：涡轮叶片用高温合金承温能力的提高 . 12 图13：美军战斗机数量一览（架） . 14 图14：航空涡扇发动机材料结构 . 14 mNxPmPtMmQnQzQpQrMoNrM6M9R9PsQnNpNpPfQnMpOfQoMsQ6MtRpPwMtQtNuOpPtM行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 图15：军用飞机成本拆分 . 15 图16：航空发动机制造成本拆分 . 15 图17：航空发动机原料成本拆分 . 15 图18：美军单价军机制造成本（百万美元） . 15 图19：2011-2019年公司研发支出（万元） . 17 图20：2014-2019年公司新增专利数量（件） . 17 图21：高温合金业务利润占比较高 . 18 图22：公司近年研发支出不断提高 . 18 图23：高温合金板块布局进程 . 19 图24：高温合金业务的“研发+产业化”战略布局 . 19 图25：2018年起开发支出（研发投入）维持在高位（单位：百万） . 20 图26：高温合金开发支出（按类型分）（单位：百万） . 20 图27：截至2019年，万泽股份累计申请专利数（件） . 20 图28：截至2019年，万泽股份累计获得专利数（件） . 20 图29：深汕精铸粉末合金及航空发动机项目营收、利润规划（万元） . 21 图30：深汕精铸粉末合金及航空发动机项目产量规划 . 21 图31：深汕精铸燃气轮机及汽车涡轮项目营收规划 . 21 图32：深汕精铸燃气轮机及汽车涡轮项目产量规划 . 21 表1：蒸汽温度越高，煤电机组效率越高 . 5 表2：各种反应堆已经采用或准备使用的高温合金类型. 5 表3：高温合金分类 . 6 表4：沿用至今的四种铁基高温合金性能 . 6 表5：镍基合金制造工艺的技术瓶颈 . 8 表6：国际航空发动机划分 . 9 表7：两片一盘工作环境苛刻，性能要求极高 . 11 表8：涡轮叶片随航空发动机代际发展而进步 . 11 表9：目前国内在用的单晶高温合金 . 12 表10：我国导向叶片用定向柱晶合金及应用 . 12 表11：国外导向叶片用单晶高温合金 . 12 表12：涡轮盘发展代次一览 . 13 表13：军机发动机与其对应核心材料 . 13 表14：美军主要四代机、五代机制造成本 . 16 表15：军用高温合金维修需求 . 16 表16：国内高温合金相关企业涉及业务范围 . 16 表17：公司高温合金产量全国领先 . 17 表18：公司投资扩大高温合金产能 . 18 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 4 1. 高温合金-为高温而生 传统钢铁在 300 摄氏度以上会软化，无法适应高温环境。为了追求更高的能量转化效率，热机动力领域需要的工作温度越来越高。高温合金因此孕育而生，在600摄氏度以上的高温环境中还可以稳定工作，并不断进步。 图 1：高温合金应用领域 资料来源：Roskill，前瞻产业研究院，天风证券研究所 1.1. 动力用高温合金-理论效率只与温度有关 热机是目前人类几乎最重要的动力来源。热机可将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能。高温合金可应用于汽轮机、涡轮机、喷气发动机等热机。 热力学第二定律指出所有热机的热效率均有一个上限值。热效率的上限和热机输入热的温度（热源温度）及热机的环境温度（冷源温度）有关。我们可以用卡诺循环来表示理想的热机循环热效率。 图2：热机卡诺循环压力-体积曲线 图3：热机卡诺循环热熵曲线 资料来源：热工学蒋汉文等，天风证券研究所 资料来源：热工学蒋汉文等，天风证券研究所 在卡诺循环中，当吸热量为 Q1,放热量为 Q2时，循环所作净功为 W0=Q1-Q2，根据卡诺循环的热熵曲线可得卡诺循环的热效率为：=1-T2/T1 由此可以看出，热机的输入热源温度越高，热机工作效率越高。因此，动力领域对工作温度要求的提升将带动相关材料的升级换代。 航空发动机涡轮入口温度需要不断提高。喷口温度从1300K提升到1610K时，涡轮输出效率可从46.40%提升到51.60%。这要求高温合金的升级换代，同时原来那些可以使用合金钢的零件，如压气机盘和叶片等，也需要使用高温合金。 图 4：涡轮入口温度越高，理论输出效率越高 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5 资料来源：Thermal Impact of Operating Conditions on the Performance of a Combined Cycle Gas Turbine Thamir K. Ibrahim等，天风证券研究所 随着航空发动的发展，高温合金的制备工艺也经历了变形高温合金-铸造高温合金-定向凝固柱晶合金-单晶高温合金的升级，工作温度也不断提高。 煤电机组升级需要大量高温合金。中国是世界上最大的燃煤国，目前火电机组有相当多的部分为超高压、高压蒸汽参数机组。而发展超临界和超超临界机组是提高煤炭利用率，降低环境污染的有效而经济的途径之一。 由表1可见，随着蒸汽温度的不断提高，机组效率不断增大，供电耗煤不断降低。现在国内锅炉过热器或再热器管材用高温合金主要为GH2984、Inconel 740、Inconel 617、Nimonic 263、Inconel 625等。随着对机组效率需求的提升，为提高蒸汽温度，高温合金在煤电领域的需求量将逐渐提高。 表 1：蒸汽温度越高，煤电机组效率越高 类别 净效率（%） 供煤耗电 g/(kWh） 亚临界机组，17Mpa/538C 37-38 330-340 超临界机组，24Mpa/538C 40-41 310-320 超超临界机组，30Mpa/556C 44-45 290-300 资料来源：高温合金在能源工业领域中的应用现状与发展郭建亭，天风证券研究所 核工业用高温合金主要指反应堆用高温合金。高温合金主要用作水堆蒸汽发生器传热管，元件格架和压紧弹簧以及高温气冷堆和部分快堆的过热器与再热器传热管等零部件。 高温合金也向其他领域扩散。动力领域对效率的追求不断刺激高温合金的进步，同时高温合金也向其他需要高温环境的领域不断扩散。 表 2：各种反应堆已经采用或准备使用的高温合金类型 反应堆类型 材料 沸水反应堆 Inconel 600,Inconel X-750,Haynes 25 水压反应堆 Inconel 600,Inconel 675,Incoloy 800, Inconel 690, Inconel 718 钠冷快增殖反应堆 Incoloy 800,Inconel X-750 HTGB Incoloy 800,Inconel 600,Inconel 675,Inconel 718,Inconel X-750,Hastelloy B 气冷堆 Inconel 625,Hastelloy X，Inconel 617,Incoloy 807,New No.13 资料来源：高温合金在能源工业领域中的应用现状与发展郭建亭，天风证券研究所 1.2. 化工领域-反应效率需要高温环境 石油工业离不开高温合金。石油化学工业的挥发油的水蒸气改质炉，其操作的工作温度超过 950C；乙烯分解炉要在超过 1050C 的条件下进行作业。这些反应炉设备需使用Incoloy800等高温合金。 46.40%47.50% 48.40%49.00% 50.00%50.60% 51.60%42.00%44.00%46.00%48.00%50.00%52.00%54.00%56.00%1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650涡轮输出效率涡轮入口温度/K行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 6 裂解炉管在1000C以上高温长时间工作，又处于腐蚀性介质气氛下，目前世界各国主要采用高铬镍合金并通过离心铸造法生产。 冶金工业生产过程中的热处理、加热炉、轧钢、炼钢、测量等均离不开高温过程，因此不少冶金设备接触高温的部件就需要采用高温合金。 对动力效率的追求，带来高温合金的不断发展，也带来高温合金需求的不断增加。 图 5：中国高温合金市场供需（吨）走势 资料来源：中国产业信息网，天风证券研究所 2. 高温合金的分类与发展 高温合金按合金的主要元素分为铁基高温合金、镍基。镍基高温合金占比最高 80%，铁基高温合金占14.3%，钴基高温合金占5.7%。 表 3：高温合金分类 分类标准 种类 材料特性 基体元素 铁基高温合金 又称耐热合金钢，耐热合金钢按其正火要求可分为马氏体、奥氏体、珠光体、铁素体耐热钢等。使用温度较低（600850），一般用于发动机中工作温度较低的部位，如涡轮盘、机匣和轴等零件。 镍基高温合金 使用温度最高（约 1000），广泛用于制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的最热端零件，如涡轮部分工作叶片、导向叶片、涡轮等。 钴基高温合金 使用温度约 950，具有良好的铸造性和焊接性，主要用于做导向叶片材料，该合金由于钴资源较少而价格昂贵。 资料来源：中国产业信息网，天风证券研究所 2.1. 铁基高温合金：我国高温合金体系的一大特色 中国正式生产的铁基高温合金达20多种，约占我国高温合金牌号总数的17%。 由于我国资源缺镍少钴，又有国外的封锁，铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十年代的一道绚丽的风景线。根据黄乾尧的高温合金-特殊钢丛书，至 70 年代初，我国研制生产的铁基高温合金牌号达33个，其中我国独创的达18种之多。大量应用至今的有GH1140、GH2135、GH35A和K213等4种合金。 表 4：沿用至今的四种铁基高温合金性能 合金 使用温度/C 应用范围 GH1140 850 航空发动机燃料室板材结构件和其他高温零部件 GH2135 700 航空发动机涡轮盘 GH35A 750 WJ5系列发动机一级涡轮、外环等11种零件 K213 750 工作温度在750C一下的燃气轮机的涡轮叶片和导向叶片 05000100001500020000250003000035000400002009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018产量 需求量行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 7 资料来源：高温合金材料学郭建亭，天风证券研究所 铁基高温合金使用温度较低（600850），一般用于发动机中工作温度较低的部位，如涡轮盘、机匣和轴等零件。但铁基高温合金中温力学性能良好，与同类镍基合金相当或更优，加之价格便宜，热加工变形容易，所以铁基合金至今仍作为涡轮盘和涡轮叶片等材料在中温领域广泛使用。 2.2. 镍基高温合金：变形/铸造/新型合金逐代升级 镍基高温合金一般在 600以上承受一定应力的条件下工作，它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能。主要用于航天航空领域高温条件下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。 镍基高温合金按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、新型高温合金。 图 6：我国镍基高温合金发展历程 资料来源：镍基高温合金材料的研究进展王会阳等，天风证券研究所 2.2.1. 镍基变形高温合金 变形高温合金指的是在成形阶段需要传统变形加工的高温合金。 图 7：变形高温合金加工流程 资料来源：图南股份招股说明书，天风证券研究所 变形高温合金加工容易，可以连续生产。由于变形高温合金合金化程度较低，强化相数量较少，因而热加工塑性较好，可连续生产。 镍基变形高温合金在发动机中主要用于涡轮盘和涡轮叶片，温度范围一般在 650C-1000C。 2.2.2. 镍基铸造高温合金 随着使用温度和强度的提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺才能生产。 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 8 镍基铸造高温合金在发动机中主要用于涡轮导向叶片，工作温度可达 1100C 以上，也可用于涡轮叶片，其所承温度低于相应导向叶片 50-100C。 2.2.3. 新型高温合金-粉末冶金高温合金 随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也越复杂，导致一些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。 采用粉末冶金工艺生产高温合金，就能解决上述问题。因为粉末颗粒小，制粉时冷却速度快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工的形变高温合金，屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。 粉末高温合金主要用于制造高推比先进航空发动机的涡轮盘，也用于生产先进航空发动机的压气机盘，涡轮轴和涡轮挡板等高温热端零部件。 表 5：镍基合金制造工艺的技术瓶颈 镍基变形高温合金 镍基铸造高温合金 镍基粉末冶金高温合金 技术瓶颈 高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难；空心叶片的内部结构复杂 合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析也严重，造成组织和性能的不均匀。 / 资料来源：镍基高温合金的研究现状与发展前景唐中杰, 郭铁明等，天风证券研究所 2.2.4. 新型高温合金-单晶高温合金 采用定向凝固工艺消除所有晶界的高温合金称为单晶高温合金。金属是由一个一个晶体组成。晶界是金属内部各种畸变,缺陷和杂质聚集的地带，晶界在常温下强度高于晶体内部，但高温时易产生滑移。当高温下晶界强度下降高于晶体内部时，金属强度会下降。因此，采用定向凝固技术消除晶界，得到的单晶高温合金性能极好。 目前，几乎所有先进发动机都已采用了单晶合金涡轮叶片或导向叶片。 2.3. 钴基高温合金：抗腐蚀等特殊领域前景广阔 钴基高温合金的抗氧化性能较差, 但其抗热腐蚀能力比镍好；钴基高温合金的高温强度、抗热腐蚀性能、热疲劳性能和抗蠕变性能也比镍基高温合金更强，适用于制造燃气轮机导向叶片、喷嘴等。 我国由于资源限制，目前研制了K40、GH188和L605等钴基合金，使用范围有限。 2001年以后，通用电气在钴基高温合金方面的研究主要集中在将钴基合金作为制备燃气涡轮机的基材材料，并在合金表面制备涂层如热障涂层以提高耐侵蚀性能。 联合工艺公司开发出的产品有镍基和钴基高温合金，其在高达约 982.2仍具备很强的应力-断裂强度，特别适用于燃气轮机，特别是喷气式飞机发动机的叶片和叶片。但是其主要问题是它们在高温下受氧化和污染的影响增加，如果没有合适的涂层保护，最终会失效。 近年来，也涌现了许多新的钴基合金增材制造技术，如钴基激光增材制造技术、钴基电子束激光增材制造技术等。增材制造技术是一种融合了计算机、材料和三维数字建模等内容的高新技术。将增材制造技术和钴基高温合金实现有机结合，不仅能更便捷地制造出航空发动机中较为复杂的结构零部件，而且制造出的钴基高温合金零部件具