高温合金市场供需情况及应用领域分析.docx

1、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 31.1高温合金简介 41.2高温合金的高壁垒 71.3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 92.1国内高温合金竞争格局稳定，高壁垒致放量缓慢 92.2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 113.1高温合金在航空发动机中的应用 113.2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 164.1 燃气轮机 174.2 汽车 184.3 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

2、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

3、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

4、，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 80Ni20Cr，蠕变显著提高。1937 年 德 Hans von ohain 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1

5、941 年 美国开始发展航空燃气涡轮1942 年 HastelloyB 镍基合金用于 GE Bellp-59 及 I-40 喷气发动机美国 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

6、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 6501000钴基含钴量 40%-65%，适合 7301100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

7、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

8、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-253950，一般用于航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件1）253650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）650950 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）9501100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

9、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。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

10、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。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%。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

11、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

12、，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）GH41699-1114-157-8.5GH312824-18Inconel6252660Inconel718247520Inconel800H913Hast

13、elloy2116Monel4001822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

14、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

15、。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 WP5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WP5 发动机用的 GH4033(DH437B)、K412 合金相继试制成功1960s 初研制成功 GH4037、G

16、H3039、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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）4500040000350003000025000200001500010000500002020年 2021年 2022年 2023年 2024年 2025年6.5%6.4%6.3%6.2%6.1

23、%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

24、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

25、、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%，

26、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。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 787 GEnx 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)1059010570750011,0007859-

27、19200加力耗油比(kg/(daN.h)2.3121.81.775-推重比7.87.98.57.85.52-5.93空气流量(kg/s)101.1112.465-522.5总压比253224.52625.8最大直径(mm)1181118177017781882重量(kg)138616568971,0363297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

28、利用率/%锻件重/Kg零件重/Kg材料利用率/%一级盘141-15544.829.7-31.887-9244.848.8-51.5二级盘85-9528.1529.6-33.160-6528.1543.5-47.0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350003000025000200001500010000500002020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