高温合金——军工材料产业链最优质赛道.pdf

- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金钢铁指数 2543 沪深 300 指数 5066 上证指数 3445 深证成指 14027 中小板综指 12724 相关报告 1.关注军工材料股机会 -钢铁行业周报，2020.8.9 2.中报业绩制约钢铁股补涨 -钢铁行业研究周报， 2020.7.11 3.周期轮动补涨到钢铁股了吗？ -钢铁行业周报， 2020.7.5 4.钢铁板块如何提升估值 -钢铁行业研究周报， 2020.6.28 5.“钢厂 IDC”主题发酵，继续首推杭钢 -钢铁行业周报， 2020.6.21 倪文 祎 分析师 SAC 执业编号： S1130519110002 niwenyi gjzq 高温合金 军工材料产业链最优质赛道 投资 逻辑 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。 高技术壁垒。 高温合金是在高温、应力条件下仍能按设计要求正常工作的金属材料。变形、铸造与粉末高温合金是最常见的分类。核心应用在航空航天领域，占总使用量 55%；其中，主要应用在航空发动机中。 技术瓶颈主要有三点： 1）成分设计与控制； 2）设备及其操作； 3）后部工序，其中设备最为关键。由于技术难度高、工艺复杂，往往实际产量远低于产能。 高价格、超强盈利能力。 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；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。 极其稳定的竞争格局。 国内生产厂家主要三类，老牌钢厂、科研院所、铸造厂等，钢企重批量生产、院所重研发、铸造厂重加工；寡头垄断，后来者较难进入。当前年产能 2.5 万吨，实际产量 1.5 万吨不到。 景气上行周期。 航空发动机核心应用。 20 年对应高温合金需求 2.3 万吨左右，到 25年将达到 3.1 万吨左右，年均复合增速 5.3%； 2）其余需求，包括燃汽轮机、汽车、电力、石化等。测算国内当前合计需求超过 3.1 万吨，这其中主要包括了发动机需求以及国产替代需求，预计国内未来年均需求复合增速将超过 6%。 按照目前产量，国内高温合金自给率 不到 50%，缺口 1.6 万吨 。 投资 组合 首推国内变形高温合金领域绝对龙 头 抚顺特钢 ，其次可关注 钢研高纳、图南股份 等。 风险提示 下游民用需求不达预期；核心厂商扩产低于预期。 196821212273242625792732191206200306200606200906国金行业 沪深 300 2020年 12月 06 日 资源与环境研究中心 钢铁 行业研究 增持 （ 维持评级 ） ) 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 一、高温合金 军工材料产业链最优质赛道 .3 1.1 高温合金简介 .4 1.2 高温合金的高壁垒 .7 1.3 高壁垒铸就高售价、高毛利 .8 二、正值高景气周期，供给缺口持续放大 .9 2.1 国内高温合金竞争格局稳定，高壁垒致放量缓慢 .9 2.2 需求高增 +国产替代，供需缺口持续放大 . 11 三、航空发动机高温合 金需求 . 11 3.1 高温合金在航空发动机中的应用 . 11 3.2 对应高温合金需求 2.3 万吨，未来 5 年年均复合增速 5.3% .13 四、其他领域高温合金需求 .16 4.1 燃气轮机 .17 4.2 汽车 .18 4.3 其他 .18 五、核心投资标的 .19 六、风险提示 .20 图表目录 图表 1：世界高温合金发展历史 .4 图表 2：各品种高温合金发展简图 .4 图表 3：高温合金分类 .5 图表 4：变形高温合金与铸造高温合金的区别 .5 图表 5：我国高温合金市场构成（按制造工艺） .6 图表 6：我国高温合金市场构成（按基体元素） .6 图表 7：高温合金下游应用 .6 图表 8：高温合金应用占比 .7 图表 9：航空发动机原料成本构成 .7 图表 10：各种高温合金生产工艺及流程 .7 图表 11：抚顺特钢 12t 真空感应炉 .8 图表 12：抚顺特钢 12t 真空自耗炉 .8 图表 13：高温合金主要牌号产品售价 .8 图表 14：高温合金产品售价 .8 图表 15：各高温合金公司产品毛利率 .9 图表 16：中国高温合金发展历史 .9 图表 17：国内主要高温合金厂商 .10 图表 18：国内新建产能情况 .10 图表 19：各类型产品主要厂家 . 11 行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 20：国内高温合金需求测算（吨） . 11 图表 21：燃气轮机各部件高温合金应用 .12 图表 22：航空发动机四大热端部件 .12 图表 23：航空发动机涡轮组成 .12 图表 24：发动机材料的发展趋势 .12 图表 25：发动机叶片、盘件的材料特性 .12 图表 26：典型发动机技术参数 .13 图表 27：精化前后模锻件材料利用率 .13 图表 28：航空发动机对应高温合金需求测算（吨） .14 图表 29： 2018 年全球军机数量情况（架） .14 图表 30：中美军机数量对比（架） .14 图表 31： Worldairforces2019公布的 2019 年我国军机数量（架） .14 图表 32：我国主力战机对应发动机机型 .15 图表 33：航空发动机使用寿命比较 .15 图表 34：军机高温合金需求测算 .16 图表 35：国内民航机队规模数量统计（ 架） .16 图表 36：燃气轮机内部机构 .17 图表 37：燃气轮机工作原理 .17 图表 38：燃气轮机各部件高温合金应用 .17 图表 39：涡轮增压器 .18 图表 40：国内各车型涡轮增压器配置比例 .18 图表 41：核电站各部件中高温合金应用 .18 一、 高温合金 军工材料产业链最优质赛道 行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 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 。 图表 1：世界高温合金发展历史 地区 时间 事件 欧洲 1929 年 英美 Meriea、 Bedford 和 Pilling 将少量 Ti、 Al 加入电工合金 80Ni 20Cr，蠕变显著提高。 1937 年 德 Hans von ohain 涡轮喷气发动机 Heinkel 问世 1939 年 英研制出 Whittle 涡轮喷气发动机， Mond 公司研制出镍基合金Nimonic 75，准备用作 Whittle 发动机涡轮叶片 1942 年 Nimonic 80 合金成功用作涡轮喷气发动机叶片 美国 1932 年 Halliwell 开发含铝、钛的弥散强化型镍基合金 K42B，制造增压涡轮 1941 年 美国开始发展航空燃气涡轮 1942 年 Hastelloy B 镍基合金用于 GE Bellp-59 及 I-40 喷气发动机 1944 年 西屋公司 Yan Kee19A 发动机采用钴基合金 HS 23 精密铸造叶片 1950 年 镍基合金被用作涡轮叶片， Waspalloy、 M-252 和 Udmit 500 等 1960 定向凝固、单晶、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤等新工艺 1970 定向凝固工艺制造出的单晶高温合金叶片初步获得成功应用 1982 年 单晶空心精铸叶片投入航线运行 来源：中国高温合金五十年、国金证券研究所 图表 2：各品种高温合金发展简图 来源： 中国高温合金五十年、 国金证券研究所 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。 行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 3：高温合金分类 分类标准 分类 介绍 基体元素 铁基 含镍量在 25%-60%，适合 700以下 镍基 含镍量大于 50%，适合 650 1000 钴基 含钴量 40%-65%，适合 730 1100 制备工艺 变形 冷、热轧制加工 铸造 铸造成型 粉末 粉末化冶炼 强化方式 固溶 添加合金元素，单相奥氏体 沉淀强化 经过固溶处理和时效处理 氧化物弥散强化 使用温度高、屈服强度高、高温蠕变性能好等特点 使用特性 高强度、抗松弛、低膨胀、抗热腐蚀等合金 来源： 中国高温合金五十年、国金证券研究所 目前，国内应用最多、涵盖范围最广的是变形高温合金与铸造高温合金，两者工艺的区别，导致了其性能、应用范围也不同。 图表 4：变形高温合金与铸造高温合金的区别 变形高温合金 铸造高温合金 产生年代 20 世纪 50 年代 20 世纪 60 年代 工艺特点 冶炼、铸造、热压、焊接和切削加工等方面良好的工艺性能 难以进行热加工，但具有更宽的成分范围，不必兼顾其变形加工性能；通过铸造，可以设计、制造出具有任意复杂结构和形状的部件 性能特点 1）较高的热稳定性，高温下抗腐蚀； 2）高的热强度，即在高温下抵抗塑性变形和断裂。 可以熔入更多的固溶强化元素和第二相强化元素，使工作温度达到 1000左右。 通过精密铸造工艺制成空心或多孔型叶片，进一步提高了材料工作温度。 应用 1）固溶强化型合金一般用于航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。 2）时效强化型合金使用温度为 -253 950，一般用于航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件 1） 253 650使用的等轴晶铸造高温合金，用于航空发动机中的扩压器机匣、航天发动机中各种泵用复杂结构件等。 2） 650 950 使用的等轴晶铸造高温合金这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。 3） 950 1100使用的定向凝固和单晶高温合金，是国内使用温度最高的涡轮叶片材料，适用于新型高性能发动机的一级涡轮叶片。 厂家 抚顺 特钢等钢厂 钢研高纳、其他科研院所 来源： 中国高温合金五十年、钢研高纳招股书、国金证券研究所 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。 行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 5：我国高温合金市场构成（按制造工艺） 图表 6： 我国高温合金市场构成（按基体元素） 来源：新材料在线、国金证券研究所 来源：新材料在线、国金证券研究所 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 。 图表 7：高温合金下游应用 来源： 钢研高纳招股书、 国金证券研究所 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%。 变形高温合金 , 70%铸造高温合金 , 20%粉末冶金高温合金 , 10%镍基高温合金 , 80%镍铁高温合金 , 14%钴基高温合金 , 6%行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 8：高温合金应用占比 图表 9： 航空发动机原料成本构成 来源：新材料在线、国金证券研究所 来源：新材料在线、国金证券研究所 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。 图表 10：各种高温合金生产工艺及流程 来源： 钢研高纳招股书、 国金证券研究所 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 。 航空航天 , 55%电力工业 , 20%机械工业 , 10%冶金工业 , 7%汽车工业 , 3%石油化工 , 2% 其他 , 2%高温合金 , 36%铝合金、钢、其他 , 34%钛合金 , 30%行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 11：抚顺特钢 12t 真空感应炉 图表 12：抚顺特钢 12t 真空自耗炉 来源： 抚顺特钢官网、 国金证券研究所 来源： 抚顺特钢官网、 国金证券研究所 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。 图表 13：高温合金主要牌号产品售价 板材（万元 /吨） 无缝管（万元 /吨） 棒材（万元 /吨） GH4169 9-11 14-15 7-8.5 GH3128 24 - 18 Inconel625 26 60 Inconel718 24 75 20 Inconel800H 9 13 Hastelloy 21 16 Monel400 18 22 来源：智研咨询 、国金证券研究所 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。 图表 14： 高温合金产品售价 公司 变形高温合金价格 铸造高温合金价格 备注 抚顺特钢 19.4 万元 /吨 20Q3 最新披露数据 钢研高纳 29.5 万元 /吨 2019 年财报数据估算的综合价格 图南股份 14.3 万元 /吨 40.8 万元 /吨 2019 年财报数据估算 来源： wind、国金证券研究所 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 。 行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 15： 各高温合金公司产品毛利率 来源： wind、 国金证券研究所 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。 图表 16：中国高温合金发展历史 时间 事件 1956 年 正式开始研制生产高温合金，第一种高温合金是 GH3030，用作 WP 5火焰筒（歼 -5），由抚钢、鞍钢、钢研院、航材所和 410 厂共同试制 1957 年 通过长期试车后 GH3030 投入生产 1957 年底 WP 5 发动机用的 GH4033(DH437B)、 K412 合金相继试制成功 1960s 初 研制成功 GH4037、 GH3039、 GH3044、 GH4049、 GH3128、 K417 等高温合金 1970s 初 高温合金的生产试制和研究初具规模，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。 1970s 末 引进欧美发动机 WS-8、 WS-9、 WZ-6、 WZ-8，研制生产 WP-13 等发动机，引进和试制了一批欧美体系的高温合金，使我国生产水平接近西方。 1964 年 高温合金应用于民用工业部门。 来源： 中国高温合金五十年、国金证券研究所 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0%1 0 %2 0 %3 0 %4 0 %5 0 %6 0 %2016 年 2017 年 2018 年 2019 年抚顺特钢（变形） 钢研高纳（变形）钢研高纳（铸造） 图南股份（变形）图南股份（铸造）行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 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。 图表 17： 国内主要高温合金厂商 类型 公司 产能 高温合金业务简介 老牌钢企 抚顺特钢 1 万吨 国内老牌高温合金生产企业，产品主要以变形高温合金为主，规模国内最大，实际产量约 5000-6000 吨 宝钢特钢 1000-2000 吨 国内老牌的高温合金生产企业，民品占比高，但也能够生产GH4169 等航空航天用变形高温合金及其盘锻件。 长城特钢 1000-2000 吨 一般的变形高温合金产品为主。 齐齐哈尔特钢 1200 吨 一般的民用变形高温合金产品为主。 中信特钢 形成了年产 5000 吨高温合金的能力 科研院所 钢研高纳 3000 吨 背靠钢研院，产品丰富 北京航材院 1000 吨不到 技术实力出众，主要从事飞机、发动机和直升机用先进材料、工艺、检测评价技术研究，具有高性能材料的小批量生产和高难度重要部件的研制与开发能力，在高温合金单晶叶片和钛铝金属间化合物领域具备较强实力。 沈阳金属所 低于千吨级别 以金属材料界泰斗师昌续院士为首的研究团队，以科研和国家重大攻关项目为主，涉及高温合金个尖端领域。 中科三耐 400 吨 新三板上市公司，母合金为主 新进入者（不完全统计） 图南股份 1445 吨以上 铸造、变形高温合金 西部超导 4600 吨 2000 吨变形高温合金、 2600 吨高性能高温合金铸锭，尚处于小批量阶段 应流股份 300 吨 高温合金零部件 炼石航空 80 含铼高温合金 永兴材料 3000 吨 耐蚀合金为主 来源： wind、国金证券研究所 图表 18：国内新建产能情况 公司 产能 高温合金业务简介 西部超导 2500 吨 未来还将新增 2500 吨 /年发动机用镍基高温合金棒材和粉末高温合金母合金产能，其中镍基高温合金棒材 1900吨，粉末高温合金母合金 600 吨。 图南股份 1000 吨 募集资金投资项目“年产 1000 吨超纯净高性能高温合金材料建设项目”、“年产 3300 件复杂薄壁高温合金结构件建设项目”建成达产后，新增年产值将达到 32139.00 万元。 “年产 1000 吨超纯净高性能高温合金材料建设项目”拟新建生产厂房一座，新建两条生产线，同时利用公司原有部分产线，项目建成后将形成年产 350 吨高温合金母合金，年产 650 吨高温合金楼材的生产能力。 应流股份 1000-2000 吨 高温合金叶片精密铸造项目在建工程 2018 年期末余额为4.54 亿元。项目建成后将形成年产 20 万件高温合金叶片，主要应用 于航空发动机和燃气轮机领域，产品包括等轴晶叶片、定向单晶叶片、钛铝叶片等等。 万泽股份 近 300 吨 在深圳和长沙分别建立起了研发和工程中心，在深汕特别合作区和上海奉贤区建立实施项目产业化基地，项目达成后将新建年产超纯高温母合金 250 吨、先进发动机叶片 3.96 万片、高温合金粉末 60 吨的生产能力。