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高温合金行业研究报告.docx
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高温合金行业研究报告
2020年高温合金行业研究报告
1、高温合金行业概况
1.1.高温合金概念及应用
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;并具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。
高温合金为单一奥氏体组织,在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。
基于上述性能特点,且高温合金的合金化程度较高,又被称为“超合金”,是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。
按基体元素来分,高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。
铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃,对于在更高温度下使用的耐热部件,则采用镍基和难熔金属为基的合金。
镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。
1.2.生产工艺高温合金的生产工艺因产品种类繁多而各不相同,但总体来看,其主要生产环节为熔炼、铸锭、热加工
生产工艺对高温合金材料力学性能影响重大,一项新工艺的引入,往往使高温合金的性能获得一个飞跃。
一批新型高温合金的发展,往往推动一代航空发动机和航空飞机的发展,此外老型号的合金也可以通过改善工艺达到材料性能的提高。
熔炼是高温合金生产过程中的重要一步。
其技术方法与设备也在不断地创新和进步中。
目前,国内外的熔炼方式有三种,包括单联、双联和三联工艺。
熔炼的设备包括真空感应炉、电渣炉、电子束炉、真空自耗炉以及等离子电弧炉等,使用比较广泛的为真空感应炉、真空自耗炉和电渣炉。
1.3.技术壁垒高温合金生产的技术壁垒主要体现在三个方面,成分、设备与工艺
首先,成分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。
高温合金一般会含有多种稀有金属,这对后续产品加工的方法工艺提出了不同要求。
可通过定向凝固柱晶合金和单晶合金工艺技术提高材料的高温强度,可采用粉末冶金方法减少合金元素的偏析和提高材料强度。
总的来说,高温合金的成分要求主要有三点:
材料纯净度、晶粒细化和均匀化、防止宏观偏析。
第2,生产设备在高温合金的生产工艺中也十分重要,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十分关键;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。
第3,最后,工艺对高温合金的性能影响逐渐加大。
特别是在新兴工艺方面,定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化、陶瓷过滤、等温锻造等新兴工艺的研发对高温合金性能产生了深远的影响。
变形高温合金主要通过真空冶炼、均匀化处理等工序制成涡轮盘和叶片毛坯。
该种高温合金生产工艺的核心在于以下两点,第一,提高纯净度,降低高温合金中气体、陶瓷夹杂物及有害元素的含量;第二,获得均匀致密的内部组织,消除或降低合金凝固时产生的疏松、孔洞、成分偏析等。
能否达到上述两点要求将成为变形高温合金产品的竞争关键。
1.4.主要产品
高温合金可以按基体组织材料划分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。
研发应用中,现在一般按制备工艺划分成铸造高温合金、变形高温合金和其他几类新型高温合金,例如,粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金ODS等。
变形高温合金是指可以进行冷、热变形加工,工作温度范围-253~1320°C,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、抗腐蚀性能的一类合金,主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。
铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金,其具有更宽的成分范围,由于可不必兼顾其变形加工性能,合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。
此外,相比变形高温合金,它有更广阔的应用领域。
由于铸造方法具有的特殊优点,可根据零件的使用需要,设计、制造出具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。
根据铸造合金的使用温度,可以分为三类。
2.供不应求局面将持续较长时间
2.1.目前产量1.4万吨左右
近年来,我国高温合金总体产量维持震荡,并未出现明显上升趋势。
根据特钢协会统计,2019年特钢会员企业高温合金钢材产量8499吨。
2018、2019年产量均较2017年产量大幅提升,但并未达到2014、2015年的接近一万吨的水平。
除上述企业外,未纳入协会统计的企业还包括:
科研院所类的钢研高纳(估算3000吨左右)、航材院(621所)(不到500吨)、民营企业类图南股份(1400吨)、广大特材(500吨左右)、西部超导(不到500吨),因此估计国内高温合金产量实际上在1.4万吨左右。
综合来看,自2014年至今,国内高温合金产量处于震荡阶段,部分增长主要来自于民营企业图南股份、广大特材等。
我们认为总体上还是因为高温合金的高壁垒、高技术要求,一方面新进入者难以规模化,另一方面老企业扩产的难度也较大,比如宝钢特钢、长城特钢等企业产量基本上十年无增长。
2.2.需求量3.4万吨左右
目前对于高温合金的消费数据和需求分布,国内尚无权威的统计机构和口径。
不同机构对于国内高温合金需求各有不同表述。
根据我们前文的估算,2019年纳入特钢协会统计的产量有8499吨,未纳入的大概5500吨,因此国内高温合金产量实际在1.4万吨左右。
考虑到国内高温合金国内自给率40-42%的历史经验数据(过去几年国内高温合金产量增长缓慢,上面经验数据可靠),我们估算国内高温合金实际需求量在3.4万吨左右。
2.3.下游需求旺盛,未来供不应求
通过对下游行业细分需求的增长预测与统计,我们预计高温合金行业2020-2030年下游需求总量61.70万吨,年均复合增长率9.88%。
其中,2025年和2030年高温合金用量分别为54433吨和86097吨。
我国未来10年高温合金下游需求增量主要来自军用航空发动机,约占总需求的35.5%;此外,民用领域中汽车和石化的需求用量贡献率较高。
2.4.供给格局平稳
从目前来看,由于高温合金行业技术门槛较高,我国生产高温合金材料的企业数量有限。
产量最高的为抚顺特钢,其次为钢研高纳、广大特材等。
图南股份、西部超导等公司由于涉及高温合金业务时间相对更短,产能、产量相对较低。
从主要生产企业的历年产量和收入情况来看,高温合金产量在2015-2017年有所下降,2018年开始反弹,营收同样从2017年开始有较大提升。
2.5.扩产缓慢
近年来许多公司募集资金建设高温合金扩产项目进入高温合金行业,项目建成后我国高温合金行业产能、产量得到大幅度提升,预计年产高温合金产能增加8528吨,市场供给能力将大大提高,缓解供不应求的局面,且加速国产替代进程;与此同时,行业竞争也加大。
3.军用航发多点支持高温合金需求
空军作为战略性兵种,对保卫国家安全、支撑国家军事战略意义重大,来自内外部的双重动力大大刺激了我国高端军事装备尤其是空军高性能军机的需求。
为尽早完成“空天一体、攻防兼备”体系的建设,迅速提升装备质量和作战能力,我国空军未来将加速淘汰老旧机型,从而催生大量三代/四代战斗机、大型运输机以及特种作战飞机订单。
3.1.军用航发需求量预测
据英国权威媒体《WorldAirforces2019》数据,2019年人民解放军现役军机3187架,其中战斗机1624架,包括二代战机561架、三代战机651架、四代机10架、战斗轰炸机/轰炸机254架,强击机148架。
二代机占比达34.5%。
3.1.1.换装需求
对标亚洲地区重要空军力量驻日韩美军战机序列中三/四代及以上战斗机100%换装率,二代战斗机显然不能满足我国空军所承担的在西太平洋地区压制潜在战争威胁,进行区域介止/反制的作战任务的作战需求。
假设到2030年,我国空军将会完全退役561架歼7、歼-8战机换装成更加先进的第三/四代战斗机甚至第五代战斗机,考虑到我国空军的作战任务由国土防空转向攻防兼备,需要更多大载荷的双发重型战斗机,假定用于替换老旧战机的新机型中有70%为双发动机配置的重型战斗机、30%为单发动机配置的轻型战斗机,则制造这批战机将产生约957台发动机需求,假设每年换装数量相等,则每年产生约87台发动机需求。
3.1.2.扩编需求
根据《WorldAirforces2019》统计数据,被部署在亚太地区的各国战斗机总量已达到5097架,占全球所有已部署战斗机的34.38%,其中,部署的四代机更是占全部四代机总量的14.3%,随着美国持续向亚太地区国家交付第四代战斗机F-35A/B,中国空军将面对更大的挑战。
从长线来看,我国空军战机需要量质同升。
鉴于国产航空发动机陆续取得重大技术突破,我们预测未来我国新机型扩编速度将高速增长,参照过去五年军机2%左右的年平均增长率,我们预测2020-2030年增速为3.6%,则2025年我国主力战机数量预计增至2009架,新增战斗机385架。
若385架战斗机中双发重型战斗机占比70%,单发轻型战斗机占比30%,则新增战机出厂时可产生655台发动机需求。
在此基础上,假设战机扩编速度维持不变,从2026-2030年间,我国将继续扩编更加先进的机型以替代相对老旧的J-11B/Su-27/30/33/35,主力战斗机规模将达到2399架,由此产生662台发动机需求。
因此2020-2030年,我们预测战机扩编数量为775架,发动机需求为1317台。
3.1.3.维护需求
以目前广泛列装空军的国产发动机WS-10、WS-10B为例,前者工作寿命1200小时,后者工作寿命达2000小时以上,假设我国战斗机日常训练升空时长5小时,且不考虑过载使用以及工况,估算每一架换装WS-10的单发战机歼-10B/C一年将要消耗1.52台WS-10发动机,或0.9台WS-10B发动机;双发重型战机歼-11BH、歼-15一年要消耗约3台WS-10发动机;换装WS-10B的歼-16、歼-20战机每年将消耗1.83台WS-10B发动机。
由《WorldAirforces2019》测算数据,我国海空军装备歼-10战机260架、歼-11/15/16以及苏-27/30/33/35战机合计391架、歼-20战机10架,计算出目前我国空军主力战机每年消耗约1373台发动机。
此外,假设我国其他型号军机发动机平均一年一换产生维护需求约2050台发动机,则2019年产生的维护需求约为3423台发动机。
同时,我们假设前文估测的用于换装二代战机的561架新型战机的单双发战机比例3:
7,以及未来更高训练量带来更加频繁的发动机更换,假设维护需求的增速为10.5%,则预计到2025年,中国军用航发年维护需求将达到6246台/年,到2030年中国军用航发年维护需求将达到10068台/年。
3.1.4.总计由上文假设及预测,2020-2030年我国军用航空发动机的换装总需求为957台、扩编总需求为1317台、维护总需求为70784台,最终可以计算得出2020-2030年我国军机航空发动机需求总量为73058台,2021-2030年间的年均复合增长率为10.26%。
3.2.军用航发高温合金需求量预测航空发动机是高性能军机的核心部件,而用于制造航空发动机的高温合金则是核心中的核心。
高温合金由于其在高温、高燃气腐蚀条件下良好地力学性能而被广泛运用于航空发动机的制造。
依照中国金属学会高温合金分会认可的国外数据,每台军用航空发动机高温合金用量占全重的40%-60%,在顶尖航空发动机已经超过50%,考虑到技术进步带来的比例提升,我们以60%为准。
同时,考虑到高温合金在制备流程复杂加工难度大,其成材率要远低于其他品类的特钢,我们推算高温合金流程成材率约为20%-40%,参照WS-10与WS-10B的发动机质量1.7吨,预计制造一台战斗机用航空发动机的高温合金用量约为3吨。
据此,我们粗略估计我国军用航空发动机高温合金需求将在2025年达到1.94万吨/年,在2030年达到3.09万吨/年。
预计2021-2030年之间我国将产生总计21.92万吨军用航发高温合金需求,年均复合增长率为10.26%。
4.民用高温合金增长空间大
4.1.民航高温合金需求预测
我国民航机队规模持续扩张,但增速有所放缓。
根据中国民航局历年公报,2015-2019年我国民航运输飞机期末在册架数共增加1168架,年均复合增长率10%。
截至2019年底,各航空公司运输飞机共计3818架,同比增长5%,增速只有去年同期的一半。
目前中国民航业已经形成了以东方航空、中国国航和南方航空三大航空公司为主,多家航空公司并存的竞争格局。
根据三家公司2019年年报中披露的2020-2023年飞机引进与退出规划,2020、2021、2022年三大公司新增飞机总量分别为169、132、77架,其中国产ARJ21占引进飞机平均比例分别为7%、23%、49%。
目前,我国国产商用飞机主要采用进口发动机,但国产航空发动机的研制工作已取得阶段性成果。
据中国航发商发官网,我国研发的首个民用大涵道比涡扇发动机的验证机于2017年12月完成整机装配,预计于2025年服役。
我们假设新增运输飞机均为双发,分别对民航飞机发动机的新增需求和换装需求进行预测,得出2020-2030年我国民航发动机需求总量为1449台。
参考波音787GEnx发动机5.4吨的单重,按照高温合金占发动机总重量60%的比重和高温合金30%的成材率估算,一台民用航发需要约10.8吨高温合金,对应2020-2030年民航领域高温合金需求为15649吨,年均复合增长率为14.4%。
预测过程如下:
新增需求。
基于三大航空公司数据,我们假设2020、2021、2022年全行业新增运输飞机数量分别为141、136、70架,2022年之后以2%的年均增长率扩张。
假设民用航发的国内供货率2020、2021、2022年为6%、6%、10%,之后逐渐提升,2025年之后维持在30%。
由此可以得出,2025年、2030年国内发动机新增需求分别为66、92台,到2030年累计新增637台,年均复合增速18%。
换装需求。
三大航空公司年报给出的发动机寿命3-15年不等,截至2019年底,三家公司航空机队平均机龄6.7年。
综合考虑,我们假设商用飞机发动机的更换周期为6年,国内供货率与上文保持一致,预测得出2025年、2030年国内发动机换装需求分别为90、77台,到2023年累计增加811台,年均复合增速11%。
4.2.燃气轮机需求预测
燃气轮机是一种复杂的先进成套动力机械装备,是航空发动机技术的衍生物,随着燃气轮机需求的专业化程度不断提高,研发技术的不断进步,燃气轮机最终从航空发动机研发体系中独立出来。
燃气轮机由于具有体积小、重量轻、冷却消耗小等一系列优点,燃气轮机被广泛的运用在电力、油气输送、船舶制造、重型机车制造等领域。
高温合金主要用于燃气轮机燃烧室、导向叶片、涡轮动叶片以及涡轮盘等部位,是建造燃气轮机的重要材料之一。
高温合金叶片的核心技术长久以来难以攻克,进口依赖性较强,供应商包括GE、西门子等。
但随着国内技术不断取得突破,国产替代需求有望释放。
燃气轮机应用主要是舰船领域,此外,随着使用时间增加,需要定期更换高温合金叶片,维修需求。
根据立鼎产业研究中心数据,正常运行燃机每年共需要170片高温合金叶片,且更换周期约为2~3年。
4.3.汽车需求预测
在汽车领域,高温合金可用于汽车涡轮增压器、发动机排气管、内燃机的阀座、镶块、进气阀、密封弹簧、火花塞、螺栓以及热发生器等装置零部件,其中以涡轮增压器为主要应用场景。
2019年工信部发布《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》征求意见稿,以确保实现我国乘用车新车平均燃料消耗量水平在2025年下降至4L/100km,对应二氧化碳排放约为95g/km的国家总体节能目标。
而汽车涡轮增压器通过改善发动机的燃烧效率,减少发动机废气中颗粒物和氮氧化物等有害成分的排量,是经济有效的“节能减排”技术,同时还能提升动力性能,满足终端用户对车辆驾驶性能的要求。
我们预测2025年汽车领域高温合金总需求约1.79万吨,2030年达3.25万吨,年均复合增长率12.3%,2020-2030年汽车领域高温合金总需求预计约21.2万吨。
汽车产量:
2019年,我国汽车产量2572万辆,近十年年均复合增速6.43%,保持快速增长趋势。
根据后文对乘用车和商用车年产量的估算结果,预计2020年我国汽车总产量约2485万辆,未来10年年均复合增速3.99%。
涡轮增压器配置率:
霍尼韦尔发布的《全球涡轮增压市场预测》报告显示,2016年,我国涡轮增压器配置率为32%,同期北美、欧洲、印度、韩国、日本等地区和国家的平均配置率为40.83%,其中欧洲地区的配置率达73%。
报告预测2021年全球市场将有48%的新车配有涡轮增压器。
参考霍尼韦尔公司预估的全球6.47%年复合增长率,且考虑到中国市场具有更大的上升空间,我们估测2019年涡轮增压器在中国新销售车辆中的配置率为41%,未来10年将以8%的年均复合增长率提升。
涡轮增压器高温合金用量:
图南股份招股说明书中透露,2018年每万辆汽车涡轮增压器高温合金用量约3.5吨,依据上文估测的配置率可估测出未来每年每万辆汽车涡轮增压器高温合金用量,以此值乘以汽车产量便可得出每年汽车领域的高温合金需求。
4.4.核电需求预测
核电具有环保、稳定和自主可控等优点,是符合我国经济转型发展要求的一类清洁能源。
2019年12月30日,国家发改委印发《关于做好2020年电力中长期合同签订工作的通知》,鼓励用水电、风电、太阳能发电、核电等清洁能源发电机组替代常规火电机组发电。
同时,随着“十四五”期间中部地区核电布局的推进,核电项目建设将迎来新一轮发展期,以“华龙一号”、“国和一号”等自主化三代核电为主开展规模化和批量化建设。
高温合金在核电领域多有应用,是燃料元件包壳材料、结构材料和燃料棒定位格架和高温气体炉热交换器等部件的关键材料,且具有不可替代性。
根据钢研高纳公告信息,核电站堆芯对蒸发器U形传热管、核燃料包套管和不锈钢精密管等各类核级用管的需求约为10吨/万千瓦。
根据中国核能行业协会数据,我国核电机组运营数量一直维持上涨趋势,近三年平均增速10%。
截至2019年底,我国运行核电机组达到47台(不含台湾地区),总装机容量为4875万千瓦,位列全球第三。
在建工程稳步推进,截至2019年底,我国在建核电机组13台;预计到2020年底,我国大陆地区在运核电机组达到51台、在建核电机组17台以上。
中国核能行业协会秘书长张延克表示,我国目前具备年产8-10台大型先进核电站的装备制造能力,且第三代“华龙一号”和“国和一号”的国产率可以达到85%。
根据各核电厂的建设规划和开工情况,预计2020年在建核电组约18台,包括中国核电10台(含中俄合建项目)和中国广核6台。
除此之外仍有30台核电组处于规划中,因此“十四五”期间,我国核电建设有望按照每年6-8台的节奏稳步推进。
2019年平均每台核电机组用电量103.72万千瓦;我国核电机组从开工到投入商运需要5-7年时间,假设建设建设周期为6年且国产率为85%。
我们估计,2015-2020年核电用高温合金总需求为18670吨,平均每年需求为2645吨,因此2020年高温合金需求量为2645吨。
假设规划中的30台核电机组在未来10年建设完成,每台机组发电量与2019年持平,则平均每年高温合金需求量为3791吨。
5.相关企业分析
5.1.抚顺特钢:
老牌特钢企业,变形高温合金龙头抚顺特钢是国防科工局列入民口配套核心骨干单位名录的唯一特钢企业,被誉为“中国特殊钢的摇篮”。
我国第一颗原子弹、氢弹、人造卫星、导弹,各类中程远程运载火箭,“神舟”系列载人飞船和“嫦娥”探月卫星,第一代国产战斗机到当代最先进的战斗机,甚至2019年国庆阅兵中展示的新式武器,核心关键的特钢材料均由抚钢提供。
目前,公司形成了以“三高一特”(高温合金、超高强度钢、高档工模具钢、特种不锈钢)为核心,拥有七大类重点品种的产品体系。
公司拥有5400多个牌号的特殊钢材料生产经验,产品被广泛应用于航空、航天、兵器、核电、交通运输等领域,覆盖六大洲、30多个国家和地区。
公司素以生产“高、精、尖”和“奇、难、特”产品著称,高端产品市场占有率达到60%。
除了高端产品以外,公司齿轮钢覆盖了国内主要汽车生产企业,市场占有率为10-25%;公司轴承钢市占率18%左右,产量居全国特钢企业第二位。
公司目前拥有粗钢产能100万吨,钢材产能60-70万吨。
其中高温合金产能1万吨、合金结构钢产能50万吨、高强钢产能1万吨,不锈钢10产能万吨和合金工模具钢产能10万吨。
此外,公司还投资超5亿元建设高温合金项目,预计未来产能将进一步扩张。
重视新产品、新技术研发储备:
公司长期承担国家重大科研课题,是航空、航天、核电、模具领域特殊钢和合金材料的传统供应商。
2019年,公司研发支出共计3.02亿元,专注于航空、航天、核能、模具、机械、汽车等行业用高端合金和特殊钢新材料研发;同年公司获批国家科研课题7项,在研国家科研课题共计41项;与科研院校签订横向联合科研课题4项;公司还获得国家、省市级奖项7项,其中包括中国冶金科学技术一等奖、二等奖、三等奖,辽宁省科学技术进步二等奖各1项,金杯优质产品奖3项;获得4项发明专利授权,主持起草的3项国家标准发布实施。
5.2.钢研高纳:
铸造高温合金龙头企业
公司是国内高端和新型高温材料领域的领先企业,由钢铁研究总院高温材料研究所转型而来,于2002年成立有限责任公司,2004年完成股份制改革,2009年成功登陆深圳证券交易所创业板。
2018年,公司加入国资委“双百行动”,有序推进国企改革。
公司控股股东为中国钢研科技集团有限公司,是隶属国务院国资委的重点大型科技企业,拥有5000余项科研成果,股东背景实力雄厚。
2019年公司合金材料产量合计10114万吨,同比增长70.79%;销量合计10035吨,同比增长77.60%,产销比达到99.22%,销售情况良好。
主要生产高温合金材料及制品,拥有以军品母合金、航天弹用发动机高温合金结构件和涡轴发动机用单晶叶片为特色的产品线,涵盖国内高温合金80%以上牌号,年产高品质高温合金母合金2000吨,各类高温合金精铸件15000件。
2018年公司收购青岛新力通后,可生产用于石化、冶金、
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