高温合金市场供需情况及应用领域分析.docx
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高温合金市场供需情况及应用领域分析
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
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
一、高温合金——军工材料产业链最优质赛道
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
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Hansvonohain涡轮喷气发动机Heinkel问世
欧洲英研制出Whittle涡轮喷气发动机，Mond公司研制出镍基合金
1939年
Nimonic75，准备用作Whittle发动机涡轮叶片
1942年Nimonic80合金成功用作涡轮喷气发动机叶片
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HastelloyB镍基合金用于GEBellp-59及I-40喷气发动机
美国1944年西屋公司YanKee19A发动机采用钴基合金HS23精密铸造叶片
1950年镍基合金被用作涡轮叶片，Waspalloy、M-252和Udmit500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
图表2：
各品种高温合金发展简图
▪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。
图表3：
高温
合金分类
分类标准
分类
介绍
铁基
含镍量在25%-60%，适合700℃以下
基体元素
镍基
含镍量大于50%，适合650～1000℃
钴基
含钴量40%-65%，适合730～1100℃
变形
冷、热轧制加工
制备工艺
铸造
铸造成型
粉末
粉末化冶炼
固溶
添加合金元素，单相奥氏体
强化方式
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
▪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
▪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。
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）
粉末冶金高温
钴基高温合金,镍铁高温合6%
金,14%
镍基高温合金,
80%
▪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。
ü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。
ü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
▪高温合金在航空航天中的应用。
ü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%。
ü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%。
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
石油化工,2%其他,2%
汽车工业,3%
冶金工业,7%
机械工
业,10%
电力工业,20%
航空航天,55%
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
▪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。
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
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
▪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
▪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。
图表15：
各高温合金公司产品毛利率
60%
50%
40%
30%
20%
10%
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）
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。
▪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
图表17：
国内主要高温合金厂商
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。
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
老牌钢企
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
钢研高纳
3000吨
背靠钢研院，产品丰富
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
科研院所
北京航材院1000吨不到
沈阳金属所低于千吨级别
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。
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，母合金为主图南股份1445吨以上铸造、变形高温合金
新进入者（不完全统
批量阶段
计）
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
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
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。
图表19：
各类型产品主要厂家
2.2需求高增+国产替代，供需缺口持续放大
▪根据上述高温合金产能统计，考虑现有产能+在建产能，国内高温合金总
产能预计在2.5万吨左右，但因为生产工艺复杂、所需产品牌号众多等问题，实际产量远低于产能数据，预计国内现有产量不到1.5万吨左右。
▪而根据我们的需求测算，国内当前需求超过3.1万吨，也意味着，按照目前产量，国内高温合金自给率不到50%，缺口1.6万吨。
这其中包括了需求端，特别是发动机相关需求的增长，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%，仅以目前产能产量情况，供需缺口将持续放大。
图表20：
国内高温合金需求测算（吨）
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
2020年2021年2022年2023年2024年2025年
6.5%
6.4%
6.3%
6.2%
6.1%
6.0%
5.9%
5.8%
军用发动机民用发动机燃气轮机
汽车其他民用领域同比增长
三、航空发动机高温合金需求
3.1高温合金在航空发动机中的应用
▪在现代航空发动机中，高温合金占有极其特殊的重要地位。
高温合金从诞生起就用于航空发动机，航空发动机内多数部件都需要在高温高压的恶劣环境下长期工作，对性能、工艺要求极高，因此高温材料是必须的。
▪航空发动机的四大热端部件
ü高温合金在航空发动机内主要应用于四大热端部件：
燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，在高性能的航空发动机中，高温合金还用于压气
机后端盘、转子叶片及机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等。
图表21：
燃气轮机各部件高温合
金应用
品种要求
主要型号
涡轮盘
变形高温合金、粉末高
温合金
GH4133B、GH4133、GH4169
燃烧室
高温合金（最多）、不
锈钢和结构钢
60年代的GH3030、GH3039、GH4033、等，70
年代的GH3128、GH4099等，以及80年代的
GH3536、K440、K640、MGH2576合金等
工作叶片
最开始为变形高温合
金，后来被铸造高温合
金替代
等轴晶高温合金（K417、K417C、K403、K鹅、
K4002、LK418B等）、定向凝固合金（DZ404、
DZ422、DZ417C、DZ4125L等）
导向器叶片
变形高温合金、定向凝
固高温合金
变形高温合金GH4033、GH3128，以及定向凝固合金DZ404、IC6|、K441、GH5605等
图表22：
航空发动机四大热端部件
图表23：
航空发动机涡轮组成
✓发动机苛刻的服役条件导致其对材料性能的高要求：
1）高温→热强性
（抗蠕变和断裂）；2）高载荷→高温比强度和比寿命；3）高氧化腐蚀
→高温抗氧化能力；4）高性能重量比→韧性；5）高可靠性→导热性和低热膨胀系数；6）高寿命→热疲劳性、低循环疲劳。
图表24：
发动机材料的发展趋势
图表25：
发动机叶片、盘件的材料特性
▪航空发动机中高温合金用量。
军用航空发动机单位用高温合金预计3.7吨左右，民用则预计13.5吨左右。
✓重量占比40-60%。
根据图南股份招股说明书，高温合金用量占发动机总重量的40%-60%，在先进发动机中已经超过50%，甚至可能达到
70%，越先进发动机高温合金占比越高，发动机越先进铸造高温合金的比重越大，铸造高温合金相对于变形高温合金成本高、设计更复杂。
ü发动机重量。
战斗机和商用飞机重量不同：
1）按照当前主流型号，战斗机发动机重量一般为1.0-3.0吨，假设平均1.5吨；2）商用飞机则参考波音787GEnx发动机参数，单个重量约5.4吨。
图表26：
典型发
动机技术参
数
F100-PW-
100（美
国）
F100-PW-
229（美
国）
M88（法
国）
F404-GE-
402（美
国）
RB211-353E4
最大推力（daN）
10590
10570
7500
11,000
7859-
19200
加力耗油比
（kg/（daN.h））
2.31
2
1.8
1.775
-
推重比
7.8
7.9
8.5
7.8
5.52-5.93
空气流量（kg/s）
101.1
112.4
65
-
522.5
总压比
25
32
24.5
26
25.8
最大直径（mm）
1181
1181
770
1778
1882
重量（kg）
1386
1656
897
1,036
3297
ü高温合金成材率、用量比例。
如普通钢材一样，高温合金在制备过程中存在成材率的问题，而且由于加工难度、使用复杂性等，其成材率远低于一般特钢。
根据西部超导招股说明书，高温合金全流程成材率预计20%-40%。
图表27：
精化前后模锻件材料利用率
锻件名称
精化前
精化后
锻件重/Kg
零件重/Kg
材料利用
率/%
锻件重/Kg
零件重/Kg
材料利用
率/%
一级盘
141-155
44.8
29.7-31.8
87-92
44.8
48.8-51.5
二级盘
85-95
28.15
29.6-33.1
60-65
28.15
43.5-47.0
ü综上，测算军工航空发动机单位用高温合金预计3.7吨左右，民用则预计13.5吨左右（重量占比按50%、成材率按40%左右）。
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%
▪根据我们的测算，航空发动机对应高温合金需求中，军机部分高温合金需求2020年为1.9万吨，到2025年有望达到2.72万吨左右，年复合增速6.2%；民机部分年均高温合金需求4050吨。
综上，2020年航空发动机对应高温合金需求2.3万吨左右，到2025年将达到3.1万吨左右，年均复合增速5.3%。
图表28：
航空发动机对应高温合金需求测算（吨）
民机部分军机部分
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
2020年2021年2022年2023年2024年2025年
1）军机部分
▪我国军用飞机经过几十年的
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