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  • 高温合金行业之钢研高纳研究报告

    作者:admin发表时间:2022-04-21

      钢研高纳的前身是钢铁研究总院高温材料研究所。钢铁总院高温材料 研究所成立于 1958 年,助推了我国高温合金体系实现从无到有的历 史跨越。钢研高纳于 2002 年成立后,凭借在高温合金领域技术上的 领先优势,着力加快实现产业化,将技术优势转化为生产优势和市场 优势,力求成为国内高温合金一流的供应商与研发创新基地。

      公司技术实力雄厚,控股股东钢研总院成果丰厚。钢研高纳有享受政 府津贴科技人员 8 名以及多名技术人员组成公司的技术团队,占据员 工总数的三分之一。公司控股股东中国钢研科技集团有限公司,是我 国金属新材料研发基地、冶金行业重大关键与共性技术的创新基地、 国家冶金分析测试技术的权威机构;拥有 5000 余项科研成果,包括 国家级奖励 296 项、省部级科技进步奖 1035 项,授权专利 1000 余项; 拥有两院院士 9 人、2 个博士后科研流动站和 2 个一级学科博士授权 点。为公司的后续发展提供了强有力的后盾。

      公司是中国高温合金产业技术创新战略联盟的秘书长单位,行业地位 突出。“中国高温合金产业技术创新战略联盟”以加强高温合金产业 的科研、生产和应用的结合,突破制约行业发展的关键共性技术和核 心技术为目标,促进高温合金全产业链的协同创新。联盟由中国钢研 科技集团有限公司于 2018 年牵头联合国内 30 余家主要从事高温合金 研发、生产和应用的企事业单位发起成立。目前,成员单位基本涵盖 了国内所有从事高温合金科研、生产与应用的高校、科研院所、生产 企业、应用单位、原辅材料供应商、装备制造企业等。

      公司是国内少数同时覆盖高温合金产业链中上游的企业,是国内高温 合金品类最丰富的企业之一。公司是国内少数同时覆盖高温合金产业 链上游冶炼和中游铸造、锻造加工的企业,且公司计划向产业链下游 延伸精密机加业务,打通高温合金全产业链。得益于多年技术积累, 公司产品涵盖铸造、变形、粉末三类高温合金,具有生产国内 80%以 上牌号高温合金的技术和能力,最新出版《中国高温合金手册》收录 的 201 个牌号中,由公司及其前身牵头研发的有 114 种,占比达 56%。

      此外,公司 2014 年投资设立子公司河北德凯,发展轻质合金铸造业 务,为公司贡献新的业绩增长点。2018 年,公司通过收购青岛新力通进入化工冶金领域,青岛新力通作为化工领域高温合金龙头企业,一 方面可以提升公司市场规模,另一方面可与公司技术、生产形成协同。

      公司技术优势显著,多个细分产品占市场主导地位。公司产品涵盖所 有高温合金的细分领域,具有铸造高温合金、变形高温合金和粉末高 温合金等新型高温合金的研制生产能力,是我国高温合金领域技术水 平最为先进、生产种类最为齐全的企业之一,多个细分产品占据市场 主导地位。

      铸造高温合金方面,公司产品包括高温合金母合金和航空航天铸件, 客户主要包括沈阳黎明、航空动力、南方动力、东方电气、中国航天 科技集团公司、中国石化等。在国内航天涡喷、涡扇发动机用高温合 金关键精铸件市场中,公司占据主导地位,市占率超过 90%;在石化 领域,子公司青岛新力通占据主导地位,乙烯裂解炉管的市占率达 40%,国内排名第一。

      变形高温合金方面,公司产品包括盘锻件、环锻件和型材,客户主要 包括沈阳黎明、航空动力、贵航集团、上海电气、哈尔滨汽轮机厂等。 在盘轴类变形高温合金制品领域,公司具有较强优势,国内市场占有 率超过 30%;在国产料盘轴类变形高温合金锻件市场中,公司占据主 导地位,市占率约为 90%。

      新型高温合金方面,公司产品包括粉末高温合金、ODS 高温合金和 Ti2AlNb 金属间化合物等,客户主要包括航空动力和沈阳黎明等。公 司研制的 FGH4095、FGH4096 和 FGH4097 合金已经批量用于国内多 个型号航空发动机,FGH4097 高压涡轮盘在某盘件国产化招标中竞标 第一。公司的 Ti2AlNb 金属间化合物、ODS 高温合金等持续保持领先 地位。此外,公司持续推进其他新工艺,为公司长期发展进行技术储 备,例如,公司推进 3D 打印工艺、总投资 10 亿元的常州钢研极光增 材制造项目于 2021 年 5 月顺利投产。

      公司产品具有高端化特征,契合行业发展趋势。公司高温合金产品具 有高端化特征,是国内少有的具有定向晶叶片、单晶叶片、粉末涡轮 盘等高技术壁垒产品生产能力的企业,单晶叶片和粉末涡轮盘是先进 航发必须的热端部件,在国内航发性能提升对高端热端部件需求增长 中,公司有望充分受益。此外,公司在国产料盘锻件市场占有率约 90%,在国内高温合金自给率提升的要求下,国产料盘锻件市场亦有望快速增长。

      公司 2009 年上市以来已实施两次股权激励。2012 年 12 月,公司第一 期股权激励向 48 名激励对象授予 950.073 万份(前复权)股票期权。 2019 年,公司限制性股票激励计划向 132 名激励对象授予限制性股票 1241.08 万股。实施股权激励有利于增强公司核心竞争力、保持公司 核心人才团队稳定,为公司持续健康发展奠定良好的基础。

      公司近几年营收规模持续提升,利润快速增长。2017 年,公司利润出 现较大幅度下滑。由于原材料涨价、公司产品领域、种类拓展导致成 本上升等原因,2017 年公司在主营业务收入同比降低 1.24%的同时成 本同比增长 10.62%,使得公司利润同比下滑 39.36%。2018 年,公司 成立市场服务部,针对重点客户维护、重大市场开发和新市场开拓, 子公司河北德凯形成轻质合金熔模铸件研制生产基地,布局近乎全部 在研/批产航发型号,粉末高温合金型号需求开始放量,收购子公司青 岛新力通进入石化冶金领域高温合金市场,公司业绩进入快速增长 期。2021 年,受益于下游需求增长,公司业绩保持高增速,2021Q1-Q3 实现营收 14.25 亿元,同比增长 33.39%,实现归母净利润 2.53 亿元, 同比增长 94.75%。

      期间费用率方面,公司近两年期间费用率有较明显的提高。2020 年, 公司期间费用率为 16.46%,较 2018 年提高 3.34pcts。期间费用率的 提高主要是管理费用率和研发费用率的提高,管理费用的增长主要是 股权激励成本所致。

      公司主要产品包括铸造高温合金、变形高温合金和新型高温合金。在 公司产品划分中,将子公司河北德凯生产的轻质合金划分至铸造高温 合金统计口径,粉末高温合金、ODS 高温合金以及金属间化合物等合 金划分至新型高温合金统计口径。

      分产品看,受益于公司自身业务的增长和 2018 年 11 月起子公司新力 通的并表,公司近几年铸造高温合金业务增长迅速,铸造高温合金产 品营收由 2016 年的 2.28 亿增长到 2020 年的 9.94 亿,复合增长率 44.58%,铸造高温合金占公司营收的比例由 2016 年的 33.40%提升到 2020 年的 62.74%。新型高温合金产品受益于 2018 年起的粉末高温合 金型号需求放量、公司 FGH4095 挡板获得批产订货等快速增长。此 外,新型高温合金具有较高的毛利率水平,2020 年毛利率达 47.30%。(报告来源:未来智库)

      2.1 母合金供应涵盖等轴晶、定向晶和单晶,具备航空航天精密铸件 及叶片批产能力

      铸造高温合金方面,公司攻克了高温移动表面的真空密封综合技术和 高精度连铸拖坯技术,开发成功了高温合金真空水平连铸集成技术和 成套装备,可实现高 Al、Ti 含量高温合金的高质量纯净化生产,是生 产低成本、高品质高温合金母合金的最佳技术途径。公司采用真空水 平连铸技术制备母合金棒,底铸出钢,连续成型,母合金棒具有高纯 净、低偏析、组织致密、长度可任意切取的优点。公司生产的母合金 产品规格为 Φ30mm~Φ80mmm,单炉容量在 500kg 至 2500kg。

      高温合金母合金产品方面,公司能够生产包括等轴晶、定向凝固柱晶 和单晶的共几十种牌号高温合金母合金,适用于 650℃~1100℃范围内 的不同环境。在军用方面,高温合金母合金主要供应各航空、航天发 动机、船用发动机精铸件生产;在民用方面,高温合金母合金主要供 应发动机厂、其它精密铸造厂生产民用航空发动机和燃气轮机。

      单晶高温合金是先进航空发动机的核心材料。提高涡轮进口温度是提 升航空发动机性能的重要途径。涡轮进口温度每提高 100℃,航空发 动机推重比提高 10%左右。发动机的性能提升需求,对材料的工作温 度提出了更高的要求。单晶高温合金具有更好的耐高温性能,单晶叶 片配合有效的防护涂层,可使航空发动机推重比达到 10。目前先进发 动机,例如美国 F119 发动机、欧洲 EJ200 发动机均采用单晶高温合 金制造涡轮叶片。

      国内也研制成功一系列单晶高温合金,主要研制单位包括航材院、钢 研高纳和中科院金属所。北京航空材料研究院于 20 世纪 80 年代研制 成功我国第一个用于航空发动机的 DD3 单晶高温合金;钢研高纳研 制的 DD402 单晶叶片在某航空发动机上得到了挂片试飞考核,DD407 单晶叶片通过了某航空发动机的试车考核/飞行考核/设计定型技术鉴 定;中科院金属研究所研制了我国第一个抗腐蚀单晶高温合金 DD8, 用作舰艇发动机涡轮叶片材料。展望未来,在国内航发性能提升的要 求下,单晶叶片有望获得更多的应用,公司单晶高温合金母合金业务 有望充分受益。

      2.1.2 弹用结构件方面占绝对优势,国内少数几家掌握单晶叶片核心 技术的企业之一

      公司本部高温合金铸造业务由铸造高温合金制品事业部开展,2021 年,公司将铸造高温合金制品事业部注入子公司河北德凯。公司铸造高温合金制品事业部承担的铸件业务主要包括等轴晶精密铸件和高 温合金叶片。

      公司拥有先进的高温合金精密铸件生产线,拥有高温合金涡轮导向器 整体精密铸造等核心技术,采用热控凝固技术生产的高温合金复杂薄 壁铸件,实现了复杂空腔结构高温合金精铸件的整体铸造成型,保证 了铸件的冶金质量和尺寸精度。公司为航空、航天发动机研制了多种 关键精铸件,是我国重要的高温合金精密铸件研制生产基地。

      公司等轴晶精密铸件产品主要用于航天发动机领域。小型弹用涡轮发 动机涡轮转子一般采用高温合金铸造。国内航天涡喷、涡扇发动机用 高温合金关键精铸件市场中,公司占据份额超过 90%。此外,等轴晶 精密铸件产品还包括航空领域的小型涡喷、涡扇发动机整铸涡轮转 子、导向器类铸件,大型涡扇发动机结构件,以及商用大涵道比涡扇 发动机机匣等;燃气轮机领域的小型、中型、重型燃气轮机涡轮叶片、 导向叶片、整铸导向器等。其中,用 K488 合金铸造的重型燃机 R0110 四级涡轮叶片长度约 650mm,是目前国内生产的最大的涡轮叶片。

      公司高温合金叶片产品包括高温合金等轴晶叶片、定向晶叶片和单晶 叶片。定向晶叶片方面,公司引进了德国 ALD 公司 VIM IC 10 DS/SC 真空感应定向凝固炉,是国内最先进的大型定向凝固生产设备,可提 供高度达 350mm 的定向晶涡轮叶片;单晶叶片方面,DD407 单晶合 金空心涡轮叶片通过试飞考核并形成了批量生产能力,涡桨发动机 DD416 一级动力涡轮单晶叶片取得成功,商发单晶叶片实现规模生 产,在某大尺寸型号单晶合金及涡轮叶片上突破核心制备工艺,具备 批量交付生产能力。

      高温合金叶片向单晶发展,公司或受益于航发体系高温合金叶片铸造 业务外溢。国外涡轮叶片方面,在航空发动机领域,先进航发一般采 用单晶叶片;在燃气轮机领域,国外主流的重型燃机 I、II 级涡轮叶 片已普遍采用定向凝固高温合金,甚至单晶高温合金。目前,国内航 发高温合金叶片主要由航发体系内单位完成,参考国外航发产业链发 展,例如 PCC 等零部件制造企业生产供应单晶高温合金叶片,若国内 航发体系高温合金叶片铸造业务外溢,钢研高纳作为国内具有定向晶 及单晶高温合金叶片生产能力的少数企业之一有望充分受益。

      河北德凯是公司轻质合金熔模铸件的研发生产基地,布局近乎全部的 在研及批产航空发动机型号。河北德凯的主要产品包括航空航天发动 机用机座、箱体、壳体、本体、支架、承重梁等;先进雷达电子行业 用精密波导类零件,复杂舱体、框架类树脂砂铸件。

      河北德凯的铝合金铸件包括熔模精铸件和砂型铸件,熔模精铸的最大 尺寸 1500mm×2000mm,可大量生产 800mm×1500 尺寸内的精铸件, 中小型精铸件允许整体最小壁厚 1mm,局部允许壁厚 0.5mm;砂型铸 造以低压铸造大型复杂构件为主。合金牌号涵盖铝硅系 ZL101A、 ZL114A 和 ZL105,以及铝铜合金 ZL201 和 ZL205A 等。镁合金铸件 主要为熔模精铸件,最大尺寸达 1300m,铸件具有高的表面质量和 优良的力学性能,合金牌号主要包括 ZM5、ZM2 和 ZM6 等。

      河北德凯近几年业绩高速增长。2020 年,河北德凯营业收入达 1.41 亿元,5 年复合增速为 37.61%,净利润为 0.34 亿元,5 年复合增速为80.96%。2021 年,公司进行内部组织和业务架构调整,以评估价值为 2.66 亿元的铸造事业部对河北德凯进行增资,将铸造高温合金制品事 业部划转至河北德凯,实现公司资源有效配置,提高管理效率。

      2018 年 11 月,公司以发行股份及支付现金的方式获得了青岛新力通 65%的股权。新力通是化工领域高温合金龙头,主要生产石化、冶金、 玻璃、热处理等行业所用的裂解炉炉管和转化炉炉管、连续退火线(连 续镀锌线)炉辊和辐射管、玻璃输送辊、耐高温耐磨铸件等产品。

      新力通设立于 2011 年,2012 年进行试生产。新力通设立之初承接烟 台百思特的外协业务。在石化行业,2015 年 7 月,新力通入围中国石 化框架协议供应商,之后一直作为框架协议第一名为中国石化下属公 司供货。2016 年中期开始,新力通不再通过烟台百思特接受石化方面 的订单。在冶金行业,新力通于 2016 年末开始全面进入。2017 年, 新力通收购了烟台中拓 100%股权,增强在冶金行业的市场竞争力。

      2015 年以来,新力通业绩快速增长。2019 年新力通继续夯实国际业 务,成为多家全球大型石化公司及世界领先公司的合作伙伴,国际订 单取得突破性进展。2020 年和 2021H1,受疫情等因素的影响,新力 通业绩增速放缓。2020 年,新力通实现营收 5.24 亿元、净利润 1.03 亿元,分别同比增长 0.77%和 6.30%;2021H1,新力通实现营收 2.34 亿元、净利润 0.28 亿元,分别同比增长 17.29%和-24.12%。

      新力通在石化、冶金、玻璃建材高温炉管行业有深厚的技术积累,在 石化领域的百万吨乙烯裂解炉管、万标立级的制氢转化管技术处于前 列,并参与了煤化工领域的辐射热管材料的开发,在乙烯裂解炉管领 域的市占率达到 40%,国内排名第一。收购青岛新力通后,公司业务 拓展到化工领域用管材和各类合金炉管等业务,公司获得新的利润增 长点,加快高温合金产品为主产品向民品市场的渗透速度。

      顺利通过质量认证,拓展国际宇航市场。公司顺利通过 AS9100 国际 宇航质量体系认证及 NADCAP 特殊过程无损检测认证。通过体系认 证,全面系统地提升了公司质量管理和特殊过程的管控能力,为国际 民用航空产品生产提供了质量保障,为市场开拓奠定了基础。

      公司国际宇航业务以大型复杂机匣市场为目标。目前,公司国际宇航 业务进展良好,已经和霍尼韦尔就高温合金及轻质合金铸件签订了 10 年长协。2021 年 4 月,公司与霍尼韦尔签订战略合作备忘录,标志着 公司国际宇航业务又向前迈出了一大步。此外,公司与罗罗、赛峰等 公司也均建立了良好的合作关系,获得了客户高度评价。

      开拓国际宇航业务,有利于公司产业化能力提升。通过开拓实施国际 宇航业务,公司引入了国际先进铸造工艺技术和设计理念,集中力量 进行技术突破,建立完善的宇航技术、质量、生产、管理体系和专业 项目团队。(报告来源:未来智库)

      公司技术实力雄厚,牵头研发 90 余种变形高温合金。自 1958 年以来, 公司共研制各类高温合金 120 余种。其中,变形高温合金 90 余种, 粉末高温合金 10 余种,均占全国该类型合金 80%以上。最新出版《中 国高温合金手册》收录的 201 个牌号中,由公司及其前身牵头研发的 有 114 种,占总牌号数量的 56%。公司变形高温合金产品主要是盘锻 件、环件以及棒材等型材。

      在变形高温合金领域,公司凭借核心技术和客户资源,以轻资产模式 运营。在变形高温合金领域,公司具有生产结构复杂、锻造难度大的 部件的能力,拥有微量元素改性及微合金化技术、均匀化退火技术、 包套锻造技术、纯净化和低偏析特种熔炼技术和特大型涡轮盘生产技 术。凭借掌握的客户资源和全套生产技术,公司以轻资产模式运营。 公司在向客户承接业务后,向产业链上游高温合金冶炼企业购置变形 高温合金材料,并将设备需求较高的锻造环节(以及部分机加工)委 托外部合作单位进行加工,公司派出技术人员在现场监制。这种轻资 产的运营模式突破了设备对于产能的局限,使公司能够在变形高温合 金领域保持快速增长。

      (1)对于产业链上游高温合金冶炼企业,公司购置高温合金材料时, 指导冶炼企业在合金材料熔炼时进行微量元素改性重熔,通过 Hf、Ta 等有益元素,进行组织结构调整以提高材料本身的力学和热加工性 能;对于部分冶炼企业不具备独立生产能力的材料,例如 GH4169 涡 轮盘材料,公司给冶炼企业的变形高温合金生产提供技术支持。

      (2)对于产业链中游的锻造企业,公司将锻造环节委拖外协锻造企 业加工,根据不同锻件的不同性能要求,向外协加工单位提供相应的 锻造关键技术工艺参数如:锻造加热曲线、锻坯的转移时间控制、每 火次的变形量控制及锻件的终端温度控制等,并向加工单位派出技术 人员在现场进行技术指导,以保证最终产品的质量。此外,对于毛坯 件的机加工,公司根据不同高温合金的特点提供相应的主要工艺参数 包括:刀具种类、进刀速度、进刀角度、进刀量等,并给予技术指导。

      (3)公司可完成变形高温合金产品的热处理、机加工、化学检测、 探伤、性能检测等关键环节。变形高温合金产品的使用性能与产品最 终采用的热处理技术息息相关,不同种类的高温合金,必须通过适当 的热处理技术才能使材料中析出强化相,而强化相形貌、数量、尺寸 及分布状态决定了合金最终的使用性能。公司通过多年的技术积累, 掌握了各种高温合金的最终热处理技术,具有保证最终锻件获得满意 性能的技术和能力。公司组织控制实验室拥有各种规格型号的高温热 处理炉近 30 台。

      近几年公司变形高温合金产品营收稳步增长,公司投建锻造产业基 地,盈利能力有望进一步提升。2020 年变形高温合金业务营收 3.99 亿元,同比增长 9.87%。2020 年,公司变形高温合金业务毛利率 28.52%,与中航重机锻造产品毛利率 28.05%、派克新材毛利率 29.51%、航宇科技毛利率 28.84%以及三角防务自由锻产品毛利率 26.47%相比,盈利能力基本相当;与三角防务模锻产品毛利率 46.03% 相比,差距较为显著。目前,公司在德阳投建锻造产业基地,若未来 公司自行完成锻造加工,则公司在变形高温合金产品价值链中占比有 望提升,相应盈利能力有望获得提升。

      涡轮盘是航空发动机的核心转动件,在高温、高压、高转速的恶劣环 境下工作。此外,为了减少发动机全寿期成本,要求涡轮盘具有一定 的使用寿命,例如,国外民用航发涡轮盘部件使用寿命在 10000h 以 上。因此,涡轮盘对于材料组织均匀性、稳定性以及抗蠕变性能有较 高的要求。

      公司在国产料盘锻件市场占绝对优势,市占率约为 90%。公司在盘轴 类变形高温合金制品领域具有较强优势,国内市场占有率超过 30%, 其中采用国产料生产的盘轴类产品约占市场的 90%,代表性产品包括:某发动机用 GH4169 合金压气机盘及涡轮盘锻件、高性能难变形 GH4720Li 合金涡轮盘锻件、某新型涡桨发动机用优质 GH4738 合金 涡轮盘锻件、舰用燃气轮机特大型高温合金涡轮盘等。

      牵头重燃涡轮盘锻件研发,打破国外技术垄断。重型燃气轮机涡轮盘 需要 10 多万个小时长时间高温、高应力服役,对材质冶金质量要求 极高,如均质、纯净、细晶、材料组织性能稳定。此外,重燃涡轮盘 尺寸更大,其直径、投影面积分别达到 2.2 米以上、4.2 平方米,是航 发涡轮盘直径的 4 倍、投影面积的 10 倍,重量扩大到 60 倍。因此, 超大尺寸高温合金涡轮盘核心制造技术一直处于国外绝对封锁状态。 2021 年,钢研高纳牵头联合抚顺特钢和二重万航等单位首次成功试制 出目前我国最大规格的高温合金涡轮盘整体模锻件——适合 650℃高 温条件、1200MPa 强度等级、重量达 13.5 吨、直径达 2380 毫米的特 大型 GH4706 合金涡轮盘锻件,打破了国外垄断。

      相比于国外高温合金,国产高温合金质量较低,用于涡轮盘锻造加工 技术难度较大,公司技术壁垒高。国内高温合金具有“多品种、小批 量”的特点,“一材多用”程度低,质量和性能稳定性较低。公司在 国产料盘锻件市占率绝对领先,充分体现了公司在变形高温合金锻造 领域具有核心技术优势,技术壁垒高。公司有望充分受益于国内高温 合金自给率的提升。此外,公司在大尺寸燃机用涡轮盘锻造加工方面 有较多的技术积累,随着国内燃气轮机逐步走向小批量生产、批量生 产,有望为公司带来新的业绩增长点。

      为了进一步布局产业化发展,公司改变在变形高温合金方面轻资产的 运营模式,在德阳建立盘锻件和环轧件产业基地,布局高温合金锻造 加工业务。此外,公司或计划进一步向下游拓展产业链,在辽宁设立 分公司,布局高温合金零部件精密机加工业务。公司在变形高温合金 领域拓展锻造和精密机加业务有望大幅提升公司的市场空间。

      公司在德阳市布局高温合金盘锻件和环轧件制造产业基地。2021 年 12 月 15 日,钢研高纳两机用高端金属盘锻件产业基地项目及钢研高 纳—四川华腾航空航天环轧中试基地项目签约仪式在德阳经开区举 行。钢研高纳德阳基地项目是德阳与钢研高纳强强携手的战略项目, 项目总投资 20 亿元,全部达产后可实现年产值 50 亿元以上、税收 4 亿元以上。

      公司在辽宁布局高温合金精密机加产业。2021 年 6 月 8 日,北京钢研 高纳科技股份有限公司辽宁分公司设立,根据国家企业信用信息公示 系统,辽宁分公司的经营范围为机械零件、零部件加工、锻件及粉末 冶金制品制造、金属表面处理及热处理加工和金属切削加工服务等。 成品零部件相对于毛坯件产品价值量进一步提升,公司布局精密机加 业务有望进一步提升公司市场空间。

      4.1 粉末高温合金性能优越,粉末涡轮盘的使用是先进航发的重要标 志 粉末高温合金性能优越,广泛应用于先进航发涡轮盘、篦齿盘等部件。

      在粉末高温合金涡轮盘出现之前,涡轮盘材料由于强化元素不断增 多,严重的偏析使得材料热加工性能恶化,低周疲劳性能降低,裂纹 易扩展,且投料比达 19:1 以上,使得成本大幅提高。60 年代末期, 粉末高温合金涡轮盘的出现解决了涡轮盘材料高合金化造成的凝固 偏析和变形困难,具有合金成分均匀、制件性能稳定、热加工变形性 能较好以及合金化程度高等优点,粉末高温合金涡轮盘的屈服强度和 抗疲劳性有了显著提高。目前,粉末高温合金广泛应用于先进航空发 动机涡轮盘、篦齿盘等关键热端部件。

      国外已经经历了 3 代粉末高温合金的研制。欧美国家从以 René95 为 代表的第 1 代高强型粉末高温合金、以 René88DT 为代表的第 2 代损 伤容限型粉末高温合金、以 René 104(ME3)为代表的第 3 代强度与 损伤容限性能兼优的粉末高温合金,工作温度从 650℃不断增加至 750℃,合金强度、抗裂纹扩展能力以及损伤容限等都得到了很大提 高。俄罗斯于20世纪60年代开始研制末高温合金,80年代将EP741NP 型涡轮盘投入到工业批量生产中,并供给军用飞机使用,后相继研发 出了 EP962P 和 EP975P 型粉末高温合金,90 年代研制出 EP962NP 型 粉末高温合金,进入 21 世纪又相继研制出 BBP 系列粉末高温合金。

      我国粉末高温合金的研究起步于 20 世纪 70 年代后期,目前已研制出 了以 FGH95(与 Rene95 成分相当)为代表的使用温度 650℃的第一 代高强型粉末高温合金和以 FGH96(与 Rene88DT 成分相当)为代表 的使用温度为 750℃的第二代损伤容限型高温合金。针对国内发动机 需求,国内开展了第三代粉末高温合金的研制工作,研制的合金包括 钢铁研究总院的 FGH98 合金、北京科技大学与钢铁研究总院合作研 制的 FGH98I、北京航空材料研究院的 FGH99 合金。与美国相比,国 内第三代粉末高温合金研制工作尚属于起步阶段。

      目前,美国和俄罗斯粉末高温合金研制能力居世界领先地位,两者技 术路线不同。俄罗斯与美国同时开展粉末高温合金的研制和生产,使 得国外粉末高温合金有美系和俄系两条技术路线。美国普遍采用氩气 雾化(AA)制粉+挤压+等温锻造+热处理工艺流程制备粉末涡轮盘; 俄罗斯粉末盘制备采用等离子旋转电极雾化制粉+热等静压成形+热 处理的工艺流程。

      在工艺路线上,我国对 PREP 粉末进行热等静压工艺生产了 FGH95 盘件、FGH96 挡板以及 FGH97 盘件;使用 PREP/AA 粉末经过热等静 压工艺成型,之后经过等温锻造工艺生产了 FGH96 盘件,得到一定 程度的应用。国内第三代粉末高温合金成型主要采用 AA 制粉、热等 静压、热挤压和等温锻造等工艺。

      公司具备俄系粉末高温合金和美系粉末高温合金的研制生产能力。公 司是国内最早开始研发和生产俄系粉末高温合金制品的企业。公司是 国内最早走俄系路线研制粉末高温合金的企业,并已具备生产粉末涡 轮盘和挡板的能力,公司目前在该领域占据市场主导地位。在美系粉 末高温合金方面,公司的美系粉末涡轮盘主要配套国产民用及军用系 列涡扇发动机、新型涡轴系列发动机等。

      公司粉末合金制品主要包括高品质球形金属粉末、热等静压合金制件 和粉末高温合金锻件等。高品质球形金属粉末方面,公司采用 PREP 工艺生产的粉末具有球形度好、表面光洁度高、气体含量低、纯净度 高等优点,满足热等静压成形、金属注射成形、增材制造和钎焊等对 高品质粉末的需求,广泛应用于航空、航天、能源、石化、医学等领 域。

      热等静压合金制件即采用俄系路线制备粉末高温合金产品,主要工艺 包括采用 PREP 制粉+直接热等静压(As-HIP),可生产和提供 FGH4095、FGH4096、FGH4097、FGH4091 和 FGH4098 以及其他牌 号的粉末高温合金、钛合金以及不锈钢等合金的坯料、环、轴、盘等 制件。采用热等静压扩散连接工艺,生产和提供双金属盘等制件。产 品最大直径达 Φ800mm、最大重量达 800kg。

      粉末高温合金锻件方面,公司可生产不同规格的 FGH4095、FGH4096 和 FGH4098 以及其他牌号的粉末高温合金盘、环类锻件;采用梯度 热处理工艺,生产和提供双组织/双性能盘件。公司研制的 FGH4095、 FGH4096 和 FGH4097 合金已经批量用于国内多个型号航空发动机。

      粉末高温合金型号需求放量带动公司新型高温合金业务营收增长。 2018 年以来,粉末高温合金型号需求放量,带动公司新型高温合金业 务营收快速增长。2018 年,公司 FGH4095 挡板获得某发动机型号批 产订货,进一步拓展了在某系列发动机上的应用;新签某发动机挡板 供货合同,首次将 FGH4095 挡板应用拓展到航天领域。2019 年,公 司 FGH4097 高压涡轮盘在某盘件国产化招标中竞标第一,为后续粉 末高温合金的批量生产提供了保障。2021H1,公司新型高温合金业务 营收 1.14 亿元,同比增长 106.50%,毛利率达 59.89%,同比提升 17.37pcts。

      ODS 高温合金是采用机械合金化(MA)技术、通过高能球磨的方法 将高热稳定性的超细氧化物强化相均匀分散到合金基体中形成氧化 物弥散强化的高温合金,具有优异的高温强度和抗氧化耐腐蚀性能。 该技术工艺复杂,生产难度大,目前属于国外对中国封锁技术。

      公司是国内目前唯一一家可以生产 ODS 高温合金产品的企业。公司 自 1960 年代末开始 ODS 高温合金领域的研究,研制出了国内第一个 获得正式应用的 ODS 高温合金,该合金已批量应用到我国某系列重 点武器装备;同时,还研制出了国内第一台适合批产的大容量机械合 金化设备,为 ODS 高温合金批量生产奠定了基础;完成 ODS 合金生 产扩产项目,解决了篦齿环供应瓶颈问题,建立了我国第一条完整的 氧化物弥散强化高温合金生产线AlNb 合金是近年来新发展的一类金属间化合物轻质高温结构材 料,具有高温比强度高、比模量高、热膨胀系数低、阻燃性能好等特 点。随着现代航空发动机向大推力、低油耗、高推重比和长寿命的方 向发展,对轻质高温结构材料的需求越来越迫切。公司对于 Ti2AlNb 金属间化合物的研发处于国内领先地位,成功开发出包括 JG1201 在 内的多个牌号 Ti2AlNb 合金,可用于制备高推比发动机压气机机匣、隔热套、静叶、整体叶盘、涡轮机匣、燃烧室机匣、扩压器等部件。

      2015 年,公司 Ti2AlNb 金属间化合物产品在前期技术开发、市场孕育 和小批量生产的基础上,具有了产业化和大批量生产供货能力。2017 年,公司 Ti2AlNb 金属间化合物为我国在研的 X 代航空发动机交付多 种件号的部件坯料,销售收入达 2607 万元。2020 年,公司 Ti2AlNb 金属间化合物在等温锻造方法上取得突破,完成 170 公斤 Ti2AlNb 棒 料制粉工作,拓展 Ti2AlNb 锻件在涡轴发动机领域的应用,同时积极 开拓变形 TiAl 合金领域。

      5.1 国内高温合金供不应求,长坡厚雪赛道叠加自给率提升国内市场 空间有望快速增长

      航空发动机是国内高温合金最主要的需求方。先进航空发动机上,高 温合金部件占发动机总重量的 40%-60%,主要用于涡轮叶片、涡轮盘、 导向叶片、燃烧室、加力燃烧室、部分机匣等热端部件。

      新机列装、航发国产化率提升和实战化训练三条因素驱动高温合金需 求增长。1)新机列装方面,与美国等军事强国相比,目前,我国军 机数量较少且军机构成中老旧机型占比偏多,我国军机数量补齐和军 机升级换代需求迫切。新机加速列装提升了对于航空发动机的需求。 2)航发国产化率提升方面,我国航空发动机经历仿制到自研的发展, 已形成较为完善的航空发动机研制生产体系,航空发动机性能有了显 著提升。四代机歼-20 已换装国产航空发动机,高性能战机换装国产 航发提升对国产航发的需求。3)实战化训练方面,2021 年初,向全军发布开训动员令,强调要聚焦备战打仗,深入推进军事 训练转型,构建新型军事训练体系,全面提高训练实战化水平和打赢 能力。实战化训练提升了对于航空发动机以及其中涡轮盘、压气机盘 和涡轮叶片等易损易耗零部件的需求。

      国内高温合金目前供需不匹配,自给率约为 50%,进口替代空间巨大。 从产业规模上看,世界高温合金年产量约为 20 万吨。其中,美国的 年产量最大,达到 8 万吨左右;其次是日本和德国,年产量分别为 4 万吨和 3 万吨左右。对于国内高温合金的供需现状,钢研高纳 2016 年年报指出,我国高温合金年需求达 2 万吨以上,年产量约为 1 万吨。 我们对于国内高温合金的供需情况进行了梳理,国内航空发动机、燃 气轮机、化工冶金以及汽车涡轮增压等领域对于高温合金的年需求超 过 3 万吨。在供给方面,当前国内高温合金的年产量约为 1.6 万吨。 因此,国内高温合金自给率约为 50%。

      国内高温合金供给存在质量和成本两方面的不足。我国高温合金在型 号牵引下研制,形成了“多品种、小批量”的特点。由于国内高温合 金在不同型号、部件、领域中“一材多用”程度很低,导致工艺和性 能难以稳定。在成本方面,由于成材率、合格率及返回料利用率较低, 国内高温合金产品成本较国外高出 1/3 左右。

      产业链上游采用三联工艺提升棒材质量,返回料利用有待加强,为高 温合金自给率提升奠定基础。为了解决高温合金供给存在的质量不 足,国内开展三联冶炼工艺提升产品质量。此外,中航重机拟与中航 上大协作,加强返回料利用以降低产品成本。2021 年 11 月,中航重 机党委副书记、总经理冉兴在中航上大调研交流中指出,高温合金返 回料循环再生利用是必然发展趋势,中航重机将全力支持中航上大发 展,进一步加强业务交流和技术合作,探索建立联动协同平台、共同 完善返回料回收利用管理机制等。

      高温合金自给率提升需求迫切,2025 年自给率目标达 80%,公司有 望充分受益。国家层面对高温合金的总体目标是,2025 年实现国内航 空发动机、燃气轮机、海洋工程装备、石油化工、超超临界机组和汽 车发动机等国产高温合金自给率达到 80%;产业规模超过日本和德 国。公司在国产料生产盘轴类产品中市占率约为 90%,处于绝对领先 水平,公司对于变形高温合金国产料锻造加工积累了丰富的经验。因 此,随着材料自给率提升,变形高温合金国产料市场空间有望快速增 长,公司作为国产料锻造的绝对龙头企业有望充分受益。

      航发主机厂是国内高温合金的核心下游最终用户。在航空发动机用高 温合金产业链中,上游和中游主要为合金冶炼和毛坯件成形,目前, 除铸造业务外,大部分产业链中上游业务由航发集团体系外的企业完 成;产业链下游主要为零部件的精密机械加工、部件组装以及整机总 装、试车等,主要在航发集团体系内完成。

      航发主机厂推进“小核心、大协作”,充分利用社会资源提升产能, 配套业务外溢有望提升配套厂商市场空间。“小核心、大协作”是总 体厂商重要发展方向。国外发动机主体厂商 GE、P&W 和 RR 等公司 在全球寻找配套厂商。目前,部分产业链中游高温合金铸造业务以及 产业链下游零部件精密机加等业务主要由航发主机厂承担。在“小核 心、大协作”战略下,高温合金毛坯件铸造及零部件精密机加等业务 有望外溢,进一步提升配套厂商市场空间。

      公司在“十四五”战略规划中选取了国际同行业一流企业 PCC 公司 作为对标企业。PCC 全称为 Precision Castparts Corp.(精密铸件公司), 成立于 1953 年,总部位于美国俄勒冈州波特兰。2016 年 1 月,巴菲 特旗下伯克希尔哈撒韦公司(Berkshire Hathaway)以 372 亿美金收购 PCC,成为伯克希尔哈撒韦史上最大的并购。PCC 是一家多元化的高 温合金、综合材料及制品的零部件制造商,聚焦生产大型复杂结构熔 模铸件、锻造件、紧固件等,应用于航空航天、工业燃气轮机和核电、 汽车等领域。

      成立之初以前瞻性眼光布局大型铸件,承接 GE 和 P&W 航发铸件业 务。PCC 在成立之初,以极强的战略眼光积极推动制造比竞争对手更 大的结构铸件,于 1962 年购买了一台能够浇注重达 1000 磅零件的线 年,PCC 与 GE 签订了 TF39 航空发动机部件的供货合同。 TF39 航空发动机安装于美国空军 C-5 Galaxy 重型军用运输机上,是 第一款高涵道比涡扇发动机,也是 GE 商用航发 CF6 系列的先驱。不 久之后,PCC 与 P&W 签署了为商用航发 JT9D 供大型结构铸件的协 议。PCC 成为航发铸件领域重要参与者。

      上市后多次并购整合完善产业链。PCC 于 1967 年上市,PCC 上市后 经过多次并购,整合完善产业链,最终形成了金属材料、熔模铸件、 锻件和紧固件及结构件 4 类业务。

      1967 年开始,PCC 通过承接 GE 和 P&W 的航发铸件订单进入航发铸 件领域。PCC 通过开发新型钛铸件工艺,增加新的钛铸件设备,很快 成为了世界领先的大型钛铸件制造商。

      Wyman-Gordon 公司主要生产航空航天、工业燃气轮机和一般工业用 的镍基高温合金、钛合金和钢合金部件,以及用于能源领域的无缝管。 在航空领域,Wyman-Gordon 产品主要包括飞机机身和发动机零部件, 其中,高温合金产品主要包括低压涡轮盘和低压涡轮轴,材料分别为 Inconel 718 和 Inconel 706。

      PCC 公司紧固件和航空结构件产品合并划分于机身产品业务。2003 年,PCC 收购了 SPS Technologies,产业链横向拓展紧固件业务。SPS是一家为航空航天、汽车等生产紧固件等产品的公司。完成 SPS 的收 购后,PCC 增加了五条紧固件业务线 年, PCC 分别收购了 Air Industries Corporation 和航天紧固件制造商 Shur-Lok Corporation,进一步丰富了公司机身紧固件业务。2012 年, PCC 收购了 Héroux-Devtek 的飞机结构和工业产品业务,扩大了公司 可为 OEM 制造商提供的产品线。

      PCC 通过收购 SMC 和 TIMET 进入高温合金和钛合金冶炼市场,收购 Caledonian 公司完善返回料应用。2006 年,PCC 收购了镍基合金和超 级合金制造商 Special Metals Corporation(SMC)。对 SMC 的收购满 足了公司锻造业务镍基合金的供应,PCC 锻造业务 70%以上的坯料来 自 SMC。2007 年,公司收购了 Caledonian 公司,Caledonian 公司的 专长在于金属的分类、回收及再利用。2013 年,公司收购 TIMET 公 司,TIMET 公司自 1950 年以来一直引领钛合金行业,供应世界近 1/5 的钛合金。通过收购 TIMET,PCC 成为北美最大的海绵钛生产商和 熔炼厂。

      PCC 通过多元化收购,完善业务线,市场规模持续扩大。通过收购 TRW 叶片铸造业务深入铸件业务;通过收购 Wyman-Gordon 和 SPS 横向拓展锻件业务以及机身产品业务;通过收购 SMC、Caledonia 和 TIMET 纵向向上游延伸产业链,拓展了高温难合金冶炼、钛合金冶炼 以及返回料利用业务。此外,PCC 还有其他收购项目,包括对 Primus Intl.的收购、对 Permaswage 的收购、对 Noranco 的收购等,进一步完善公司业务线。PCC 市场规模持续扩大,2015 年,PCC 营收达 100.1 亿美元,毛利率 32.5%,分业务来看,锻造产品营收占比 43%、熔模 铸造产品营收占比 25%、机身产品营收占比 32%。

      PCC 上市以来通过不断收购完善产业链,公司业绩持续增长。1997 年至 2015 年,公司营收由 9.73 亿美元增长至 100.05 亿美元,复合增 速达 13.82%,净利润由 0.57 亿美元增长至 15.30 亿美元,复合增速达 16.53%。

      受益于 PCC 公司业务向产业链上游延伸,公司在产品价值链中占比 获得提升,盈利能力增强。从毛利率水平来看,PCC 公司在 1997 年 至 2006 年期间,毛利率稳定维持在 22%左右。2007 年至 2010 年,PCC 公司毛利率有较为显著的提升,2010 年毛利率达 32.80%较 2006 年 22.76%的毛利率提升 10.04pcts。

      PCC 上市后,通过大量的并购纵横双向拓展产业链,纵向向产业链上 游延伸拓展了高温合金冶炼、钛合金冶炼,横向拓展了锻件、紧固件 和机身结构件等业务,最终由一家小型熔模铸造厂成长为大型、复杂 结构熔模铸件、叶片、锻件、紧固件以及机身结构等零部件的市场领 导者。2015 年,PCC 营收达 100.1 亿美元、净利润达 15.3 亿美元。

      2021 年公司在 4 地设立分公司,业务布局逐步开启。根据国家企业信 用信息公示系统,钢研高纳在 2021 年设立了 4 家分公司,分别在辽 宁、德阳、青岛和西安。其中,青岛市北分公司在总公司经营范围内 从事经营活动;辽宁分公司经营机械零件、零部件加工、切削加工以 及表情处理、热处理等;德阳分公司经营锻件及粉末冶金件的制造和 销售等。

      在国内高温合金自给率提升、主机厂推进“小核心、大协作”下释放 部分中下游市场的趋势下,国内高温合金产业链参与者获得重要发展 机遇。

      由产业链中上游向下游拓展布局精密机加业务;由锻件业务轻资产模 式拓展布局锻造产业基地;由国内向国外拓展布局国际宇航业务;由 航空航天领域向其他新应用领域拓展布局核电等领域业务。

      (1)向产业链下游拓展精密机加业务,契合主机厂“小核心、大协 作”战略方向。公司目前产品主要为高温合金母合金和毛坯件,向下 游拓展精密机加业务,交付成品零部件,产品由“坯”到“件”转变 进一步提升公司产品价值量。

      (3)高温合金国际市场,市场由国内航空航天为主向国内航空航天、 国际宇航并举发展。拓展国际宇航业务一方面可以提升公司的市场空 间,另一方面,国外厂商通过国际宇航业务向公司分享创新技术和解 决方案,提升公司技术及生产能力。目前,公司国际宇航业务推进顺 利,已与霍尼韦尔签订 10 年长协。

      (4)新应用领域业务拓展:积极推进核电取证等。核电设备的国产 化拉动国内对于高温合金的需求。例如,PCC 子公司 Wyman-Gordon 生产核电用的阀和阀盖,材料分别为高温合金 Inconel 625 和 Inconel 600。公司积极推进核电领域业务,2020 年,公司取得核电证书,并 取得核电意向订单,核电领域是公司未来主攻的重点领域之一。

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