国防军工行业深度研究：多源需求释放高温合金广阔成长空间

行业投资逻辑 “两机”专项开拓高温合金发展空间 “两机”重大专项将我国航空发动机和燃气轮机自主创新的基础研究和产业体系的建立提升到了国家战略发展层面。高温合金占“两机”总重量的40%～60%，是热端部件的主要材料，预计受益于“两机”专项，高温合金将具有较为确定的成长空间，相关上市公司有望充分收益。 多源下游应用场景助推需求增长 高温合金50%以上的下游应用为军用航空航天发动机、火箭发动机和舰船燃气轮机，其余应用领域走向多元化。在民用领域，高温合金主要应用于商用发动机、发电燃气轮机、核电核岛部件以及汽车涡轮增压器，其中电力领域占高温合金市场总量的20%，是未来民用市场的重要增长领域。 行业长期供不应求，未来产能释放可期 高温合金行业长期供不应求，根据前瞻产业研究院数据，从2013年至2020年，国内需求从1.81万吨增长至5.3万吨，7年CAGR为16.59%，供给缺口占总需求量比例始终保持在30%以上；我们预计2022年到2030年，我国新增45万吨以上高温合金市场需求量。需求推动产能提升，我国高温合金产量在上述7年CAGR为14.26%，国内高温合金生产企业为应对不断增加的市场需求，制定了一系列完善产业布局和投资扩产计划，预计投资超28亿元，计划在2022至2024年完成扩产。 原材料价格上涨导致各上游公司利润端承压 高温合金原材料镍等的价格上涨导致2022年第二、第三季度行业利润增速普遍低于营收增速，公司利润端不同程度承压；随着镍价出现回落趋势，各上游公司盈利能力有望改善。 投资建议 鉴于国内高温合金产能持续提升，而供不应求局面持续存在，我们看好高温合金领域未来发展。我们重点推荐的公司包括：抚顺特钢、钢研高纳、西部超导、中航重机、三角防务、派克新材、万泽股份、航宇科技、航亚科技、航发科技、华伍股份。 风险提示 装备列装不及预期、行业需求不及预期、国防预算不及预期、原材料价格上涨风险。 投资聚焦 研究背景 2015年工信部启动“两机”重大专项，将我国航空发动机和燃气轮机自主创新的基础研究、技术、产品研发和产业体系的建立提升到了国家战略发展层面。“两机”专项投资规模已超千亿元。高温合金占“两机”总重量的40%～60%，是热端部件的主要材料，预计受益于“两机”专项，高温合金将具有较大成长空间。 创新之处 报告详细分析了高温合金不同应用场景下需求来源、各项需求对应的市场空间，以及原材料镍价上涨带来的影响及价格传导机制： 航空发动机、火箭发动机和燃气轮机，以及民用天然气发电、核电和汽车涡轮增压构成高温合金多维需求来源，市场成长性空间广阔； 原材料价格上涨使企业不同程度利润承压，分析了价格上涨对不同环节企业影响。 核心结论 高温合金下游应用多点开花，航发、燃气轮机和核电引领广阔需求空间；其他领域齐头并进，锦上添花。国内高温合金长期供不应求，拉动产能不断提升，未来国内产量有望高速释放，行业景气度持续走高。 高温合金上游企业原材料成本占比较高，镍价上涨导致2022年第二、第三季度行业公司利润增速普遍低于营收增速，公司利润端不同程度承压。短期来看，针对原材料价格上涨，目前各公司在手订单价格传导受阻，但新签订单重新议价，或可将价格压力向下传导。随着镍价出现回落趋势，各上游公司盈利能力有望改善。 根据产业链情况，我们从不同的分析角度得出优选标的，重点推荐抚顺特钢、钢研高纳、西部超导、中航重机、三角防务、派克新材、万泽股份、航宇科技、航亚科技、航发科技、华伍股份等企业。 1空天动力部件主要材料 高温合金是一种具有极高抗疲劳强度、抗拉强度、抗腐蚀性和抗氧化性的新型金属材料。高温合金可在600℃以上的高温环境下适应对应的压力作用并长期工作，是飞机、火箭、导弹、舰船等所用动力装置的重要结构基础，对提高武器装备性能、延长寿命、降低能耗和成本有着关键影响，同时对国民经济和高技术产业的形成与发展也发挥着重要作用。 1.1产品种类划分方式多样 高温合金材料可按照以下三种方式划分：基体元素种类、合金强化类型、材料成型方式。 根据基体元素种类，高温合金主要可分为铁基、镍基、钴基。铁基高温合金又称作耐热合金钢，它以铁作为基体，同时加入少量的镍、铬等元素；镍基高温合金以镍作为基体，含镍量在一半以上，适用于1000℃以上的工作条件，采用固溶、时效的加工过程，可以使其抗蠕变性能和抗压抗屈服强度大幅提升；钴基高温合金以钴为基体，钴含量约60%，同时需要加入铬、镍等元素来提升高温合金的耐热性能，虽然这种高温合金耐热性能较好，但由于钴资源相对匮乏，且加工比较困难，因此用量不多。 图表1：高温合金主要元素构成及相互作用 根据合金强化类型，高温合金可以分为固溶强化型高温合金和时效沉淀强化合金。所谓固溶强化型，即添加一些合金元素到高温合金中，形成单相奥氏体组织，溶质原子使固溶体基体点阵发生畸变，使固溶体中滑移阻力增加，从而提高合金强度和硬度。时效沉淀强化是通过高温下的“时间效应”过程，在铁、镍基高温合金中析出相应数量和尺寸的强化相，从而达到提高合金强度的效果。 根据材料成型方式，高温合金可分为铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。铸造高温合金可细分为普通铸造合金、单晶合金、定向合金等，粉末高温合金可细分为普通粉末冶金和氧化物弥散强化高温合金。就应用范围而言，变形高温合金应用最广泛，用量约占70%，铸造高温合金约占20%，粉末高温合金约占10%。 图表2：高温合金按照制备工艺分类 1.2三大关键技术影响制备工艺 高温合金的制备工艺复杂，不同类型高温合金的工艺路线也不尽相同，其中的关键技术包括熔炼、热处理和铸造。关键工艺技术能够保证高温合金具有纯净的化学成分和较好的组织结构，直接影响着高温合金的性能和质量。 图表3：高温合金制品工艺流程 熔炼从源头提高高温合金纯净度，目前多采用三联工艺。熔炼是严格控制高温合金化学成分，保证其具有优异质量水平的重要工艺过程。国内外变形高温合金和粉末高温合金母合金的熔炼工艺主要有真空感应熔炼（VIM）、电渣重熔（ESR）和真空自耗（VAR）。为了进一步提高合金质量，目前多采用VIM+ESR+VAR的三联工艺以扩大高温合金定型、消除低倍缺陷，进而改善合金组织性能。 图表4：三联工艺 热处理决定高温合金组织性能，主要包括固溶处理和时效处理。热处理通过改善高温合金显微组织中晶粒度，强化相形状、数量、尺寸及分布，使其具有较好的组织性能。热处理包括固溶处理和时效处理，这两种方式的配合使用可以得到高温合金各种组织状态和性能的组合。固溶处理的目的是消除加工硬化，恢复合金的组织和性能； 高温合金经固溶处理获得固溶体和晶粒尺寸后，经时效处理以达到晶内和晶界强化相合适的数量、形态和分布，并获得所需的强度和适当的性能组合。 图表5：镍基高温合金经固溶处理后的横截面形貌 图表6：镍基高温合金全时效处理后的分布组织特征 精密铸造技术对铸件进行精密控形和精确控性，具体技术根据铸造结构不同存在差异。精密铸造依据构件不同部位承载的不同，可在高温合金熔体凝固过程中对晶粒与组织进行原位控制。精密铸造既可实现单一形态的等轴晶、定向柱晶、单晶生长控制，也可对整体构件的等轴晶和定向柱晶或单晶的复合生长进行控制。按照热端部件的结构特点和使用性能对高温合金组织的不同要求，精密铸造技术分为三类：定向凝固涡轮叶片精密铸造技术、整体叶盘精密铸造技术和大型复杂结构件整铸技术。 图表7：精密铸造热端部件——单晶空心叶片 图表8：精密铸造热端部件——高温合金整体叶盘 未来，高温合金工艺技术将向着提高承温承载能力和环境适应性能、增加高熔点合金元素含量的方向发展。其中，变形高温合金向承温更高、精密成形和低成本方向发展；铸造高温合金以高温度梯度定向凝固技术和新型、超纯单晶高温合金为未来研究重点方向；粉末高温合金将在提高工作温度的基础上，继续提高产品的强度、抗蠕变性能和使用寿命。 图表9：高温合金工艺技术发展方向 1.3国内核心技术水平仍有提升空间1.3.1国外率先研究，国内起步较晚 20世纪30年代后期，英美等国率先开始研究高温合金。1939年，英国Mond公司在当时的电热丝材料80Ni-20Cr合金基础上加入Al和Ti，发展出了著名的Nimonic系列合金。美国和苏联也研制了类似的InconelX和ЖC-6K合金。60年代初期，铸造高温合金得到了迅速发展，具有代表性的是美国的IN-100。70年代，美国的定向高温合金PWA1422得到了广泛应用；80年代，第一代单晶高温合金PWA1480已应用于长寿命的航空发动机。 图表10：国外高温合金发展简史 等变形合金系列 PWA1480单晶合金叶片 ， 先后应用于PW2037、PW1130、F100、JT9D-7R4等发动机上 美国 PW公司 来源： 《高温合金（冶金工业出版社）》，《GH4586B合金长期时效后的组织演变及对力学性能的影响》，国联证券研究所 世界上高温合金龙头企业主要分布于欧美、日本等发达国家，头部效应明显。以美国的通用电气公司、普拉特-惠特尼公司，英国的罗尔斯-罗伊斯公司和日本新日铁住金株式会社为代表的高温合金龙头企业具有领先的研制技术、成熟的产业体系和广阔的业务领域，他们主导着国际高温合金的发展，推动工艺技术的迭代升级和产品质量的不断提高。 图表11：国际高温合金大型生产企业 国内高温合金起步较晚，从仿制开始探索，经工艺提高、自主试制，目前已进入创新发展阶段。我国于20世纪50年代开始研制高温合金，第一种高温合金GH3030于1957年顺利通过长期试车并批产；60年代，我国处于仿制前苏联体系高温合金的起步阶段；70~80年代，我国处于引进和试制欧美体系高温合金的提高阶段；90年代至今，我国已形成了完善的高温合金研制生产体系，并具备自主创新研发能力，成为世界上继美、苏、英之后第四个形成独立高温合金体系的国家。 图表12：国内高温合金发展历程 1.3.2国内高温合金发展水平仍有提升空间 我国高温合金目前正在快速发展，技术逐步处于领先地位。铸造高温合金方面，我国已攻破高温合金整体机匣铸造、高温透平叶片铸造和单晶空心叶片铸造等技术； 变形高温合金方面，国内开发了燃气涡轮盘电渣重熔连续定向凝固冶炼+3D锻造制坯+等温锻造、燃气涡轮盘增材制造等先进技术；粉末高温合金方面，我国已成功研制出第一代高强型和第二代损伤容限型粉末高温合金，正在研制高强损伤容限型第三代粉末高温合金。 尽管国内高温合金发展速度较快，但与欧美等国相比，仍有很多提升空间，包括研究水平、设备能力、工艺技术和生产管理方面： 研究水平 以单晶叶片为例，我国针对定向凝固过程中复合模壳与合金液间的界面反应以及组织影响研究并不充分；对单晶空心涡轮叶片的微观组织及晶体生长研究多集中在叶片凸台位置的凝固特征研究，并未结合单晶空心叶片结构特征对其微观组织及晶体生长规律进行系统研究；对组织缺陷研究不够充分，导致铸造缺陷较多，成品率较低。 设备能力 目前我国大部分高温合金企业熔炼设备为20t以下，现有最大的真空感应炉和真空电弧炉为抚顺特钢2022年新投产的30t真空感应炉和30t真空电弧炉，而20世纪末美国已有60t的真空感应炉，世界上最大的工业真空电弧炉容量已达200t；我国真空电弧炉自产设备在自动控制软件、精密称重系统等方面偏弱，因此多从德国ALD公司或美国CONSAC公司等国外公司进口设备。 工艺技术 我国高温合金母合金熔炼过程中会产生数量较多、尺寸较大的非金属夹杂物，高温合金组织、性能存在分散性，纯净度尚无法达到国外水平，致使国内粉末盘整体质量与美国存在差距；我国合金棒材在冷拔变形、冷轧变形等变形工艺过程中，由于高温力学性能差，易开裂，导致产品成材率低；我国精密铸造陶瓷模壳体系仍沿用高温合金等轴晶或柱状晶制备工艺，缺乏承温更高的单晶合金复合陶瓷模壳的设计。 生产管理 我国高温合金棒材、环件零件加工过程中存在材料切除率高、利用率低，资源浪费严重的问题，尤其