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航空发动机产业深度报告:产业概况、市场分析

国际金属加工网 2022年01月05日

航空发动机被誉为“制造业皇冠上的明珠”,号称“世界上最难制造的机械设备”。它是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志,是构成国家实力基础 和军事战略的核心技术之一。航空发动机需要在高温、高寒、高速、高压、高转速、高负荷、缺氧、振动等极端恶劣 环境下工作,这就使得航空发动机的研制对结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、 电子学、控制理论等除了量子力学理论之外,其它的力学理论几乎全部用上。

1. 航空发动机:工业皇冠明珠

1.1.1 航空发动机是飞机的心脏,航空强国的标配

航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”和“工业之花”,是衡量一个国家综合科技水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志,也是飞机的“心脏”。

航空发动机的研究和发展特点是技术难度大、耗资多、周期长,对飞机性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响,是产业发展的核心基础,也是衡量一个国家工业水平和能力的重要标志。例如,航空发动机的工作原理复杂,涉及几乎所有科学和工程专业领域,主要结构部件包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管,零配件达 3 万多个。

此外,受限于发动机的尺寸小和工作环境严苛的原因,组装过程精细严格,生产商需要在有限的空间中安装成千上万的零件;并且组装精度要求高,单个组件的组装需要独特的技术,其中叶片滚轮的精度要求高达人发丝的十分之一。

目前,全球能够自主研制航空发动机的国家只有美国、英国、法国、俄罗斯和中国等少数国家。

1.1.2 由活塞式发展至喷气式,军民应用两开花

航空发动机从活塞式发动机发展到今天的多种喷气式发动机,其中涡扇式喷气发动机应用最广泛。从 1903 年世界上第一架飞机诞生,到二次世界大战结束后,几乎所有的战机都采用活塞式航空发动机,这类发动机通过推动螺旋桨使得飞机获得动力。但是,随着航空发动机向高功率和低重量方向发展,功重比较低的活塞式发动机逐渐退出历史舞台。

喷气式发动机可以产生很大的推力,而自身重量又较轻,能够大幅提高飞机的飞行速度,因此得到了广泛的应用。按压气机种类可分为涡轮喷气式发动机、涡轮风扇式发动机、涡轮螺旋桨式发动机、涡轮轴式发动机和螺旋桨风扇发动机。目前,应用最广的是涡扇发动机, 2020 年全球产量占比高达 46.10%。

不同类型喷气式发动机因其自身特性应用于不同机种,涡喷式逐渐淘汰,涡扇式为当今主流。现代涡喷发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等部位组成,其特点是高空高速飞行时性能较好,但在低速飞行时,高速高温燃气喷出发动机后直接散溢造成巨大的能量损失,其整体油耗高,效率较低,目前除了尚未退役的部分二代战斗机用涡喷发动机外,大多数已被涡轮风扇发动机所取代。

军用涡扇发动机主要有不加力式和加力式两类,前者主要用于高亚音速运输机,后者主要用于歼击机。

涡桨和涡轴发动机是在涡喷发动机发展成熟后,将活塞发动机涡轮化而研制发展的新型动力。涡桨发动机的适用速度一般小于 900km/h,在中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭火等类型飞机中得到广泛应用。

涡轴发动机一般装有自由涡轮,主要用在直升机和垂直/短距起落飞机上。民用涡扇发动机主要为大涵道比,油耗低,广泛用于大型商用客机。

1.2 行业壁垒高、红利期长,核心机系列化研制模式降本增效

1.2.1 技术难度大、耗资多、周期长,高壁垒铸就产品高附加值

航空发动机价值回报高,经济辐射带动作用强。航空发动机作是工业部门目前附加值最高的高端制造业,对上下游产业也有着巨大的辐射带动作用。

一是“回顾效应”,即对机械、仪表、电子、材料、冶金、化工等上游产业发展的带动作用;二是“前瞻效应”,即对航空运输业、旅游业、城市交通基础设施建设、物流等产业发展的诱导作用;三是“旁侧效应”,即对改善国民经济各部门资源配置、提高效率等的推动作用。据日本通产省统计,按照产品单位重量创造的价值来计算,如果船舶为 1、则汽车为 9、电子计算机为 300、大型飞机为 800、航空发动机高达 1400。

航空发动机技术门槛高,运行条件要求苛刻。

航空发动机是典型的技术密集型产品,要求重量轻、体积小、使用安全可靠、经济性好,满足在高温、高压、高转速和高负荷等苛刻条件下长期反复工作指标,因而必须设计精巧、加工精密、使用高性能材料部件,其研制对结构力学、材料学、气体动力学、工程热力学、转子动力学、流体力学、电子学、控制理论等学科都有极高要求。

航空发动机研发投入高,普遍高达数十亿美元。

根据统计,世界先进航空发动机研发投入普遍高达数十亿美元,其中 F135 更是高达 67 亿美元。与国外相比,投入资金不足是此前严重限制我国航空发动机产业发展的重要因素之一。1988 年-2003 年间,美国的 IHPTET 计划总计投入 50 亿美元,约是我国 1980 年-2000 年间两项发动机预研计划总投 入的 6 倍。

航空发动机研制周期长,预研和工程研制阶段长达 30 年。

根据《航空发动机研制全寿命管理究及建议》,预研阶段和工程研制阶段需要长达30年,此后才能进入实用发展阶段进行大批量装配,整个研发周期漫长。我国成功自研的第一台大推力涡扇发动机涡扇-10 从 20 世纪 80 年代后期开始验证机研制,到 2006 年正式宣告成熟定型,历时 20 余载,目前已经成为我国第三代战机的主要配套型号。

1.2.2 基于核心机系列化的研制模式,产品红利期长,军民一体化推动

航空发动机产业持续发展发动机以核心机为基础可不断改进衍生出系列化军民发动机,降低研发成本,极大提高研发效率及产品可靠性,拓宽市场应用领域,满足不同客户需求。

核心机具有军民通用性,一旦研制成熟,无论是战机的涡扇发动机、轰炸机或者军用运输机的发动机、舰艇使用的燃气轮机都可以由核心机改进而来,制造商可以根据客户的不同需求基于成熟核心机衍生出不同机型,降本增效,且产品可靠性得到保证,极大地拓宽了市场应用领域。

利用多用途核心机研制系列发动机为航空发达国家普遍采用的方式,如美国 GE 公司在第三代核心机的基础上成功研制出一系列军民用发动机,包括 F101、F110、F404、TF39、CF6 和 CFM56。

我国于 70 年代初引进美国核心机和验证机研究途径,坚持走基础研究—应用研究—预先发展(核心机、验证机)—工程研制的研究和发展道路。

一款成熟发动机可销售 30-50 年,产品红利期长,军民一体化进一步推动航空发动机产业持续发展

据美国《国家关键技术计划》描述:发动机产业因其技术高端,处于寡头垄断的环境中,一款成熟产品能够销售 30~50 年,制造商可以充分享受技术和产业链升级带来的市场回报。在航空发动机领域,军用民用航空发动机普遍存在通用性,基于核心机可衍生出满足民用需求的发动机,不仅可最大程度缩短研发周期,而且推动产品系列化发展,延长产品销售生命周期。

我国目前对航空发动机产品军民融合主要体现在国产发动机的军转民应用上,例如,涡轴-8 发动机可同时应用于军用、民用直升机机型;以太行发动机为基础衍生而来的民用燃气轮机,实现一机多型。在民转军领域,我国目前还处于初期阶段。

1.3.3 政策支持:三大国家政策铸就航发产业核心竞争力

三大国家政策,聚焦两个关键点,铸就航发产业核心竞争力。

“十三五”以前,我国航空发动机产业发展缓慢,曾是我国工业发展的“软肋”:

1)长久以来,由于我国航发制造水平与航发需求严重脱轨,大量航发产品依赖进口。

2)我国航空发动机的研发与制造主要由中国航空工业集团主导,实行“一型飞机配套研制一型发动机”的研制与生产模式。

3)航空发动机与航空飞机研制深度绑定,航空发动机独立研制灵活性受限,国家政策和资金支持力度不够。

为增强航发制造实力和相关企业活力,逐步实现航发产品国产化,自“十三五”以来,我国相继出台了军民融合、两机专项等政策,用竞争机制推动技术进步,打通产业链上下游,缩短流程并降低成本,国家千亿拨资,打破产业发展资金制约,解决研发投入,预先研究资金不足。我国还实施了飞发分离等改革措施,成立航发集团,打破体制制约,极大提高发动机研制灵活性和研发效率。

1)军民融合:

把国防和军队现代化建设深深融入经济社会发展体系之中,全面推进经济、科技、教育、人才等各个领域的军民融合,在更广范围、更高层次、更深程度上把国防和军队现代化建设与经济社会发展结合起来,为实现国防和军队现代化提供丰厚的资源和可持续发展的后劲。

航空发动机属于国防工业的重要产品,政策的落实对航发的发展与技术的创新有着巨大的作用。

通过军民融合,对我国航空发动机领域实现盘活存量资源、促进创新发展有着巨大的推进作用。

可有效提升我国航发研制效率、促进军工产业升级。

2.飞发分离:

我国在建立航空工业之始学习苏联模式,以飞机型号研发驱动航空发动机型号配套,航空发动机研制缺乏独立自主性,在航空发动机研发周期比飞机研发周期更长的事实下,航空发动机产业发展受到严重制约。

2016 年 5 月,中国航发集团成立,原中航工业旗下的航发资产被剥离出来,划拨到中国航发名下。

同时,航发动力、航发控制和航发科技实际控制人变更为中国航发。航发集团的成立标志着我国航空发动机研制正式独立于飞机制造,给予了航空发动机研制更强的自主性,从根源上扫除了航空发动机发展的部分体制障碍,有利于相关主机厂和科研院所专注主业,加快追赶步伐,实现军用和民用发动机的突破。

3.重大专项:

发动机研制周期长、研发投入高,核心机预研需要大量资金,与国外相比,投入资金不足严重限制我国航空发动机产业发展。

1988年-2003年间,美国的 IHPTET 计划总计投入50亿美元,约是我国1980年-2000年间两项发动机预研计划总投入的6倍。

2016年《“十三五”国家科技创新规划》中明确航空发动机和燃气轮机重大专项为 6 个重大科技项目之一。两机专项政策实施以后,航空发动机专项报送国务院审议,专款专用,保证航发产业有充足的研发资金。两机专项中的航空发动机专项重点局聚焦于小涵道比超音速涡扇发动机和大涵道比大推力长续航亚音速涡扇发动机,基本涵盖了当下国内所有先进航空器对发动机的需求。

3. 国内产业链由航发集团主导,各环节整体竞争格局稳定

从国际上来看,航发产业链已形成“主承包商+供应商”的发展模式。据 GAO 估计,发动机主承包商只生产其最终产品所有零部件中附加值最高的 30%,剩下 70%的生产工作和零部件/子系统研发工作,由供应商负责。

供应商可分为三级:

一级供应商:以欧、日企业为主,研发能力强,一般具备核心机制造能力,主要向主承包商供应单位体、核心部件。

二级供应商:多分布于新兴国家,数量多且竞争大,通常不具备核心的设计能力及知识产 权,主要向一级供应商供应零部件。

三级供应商:企业分布集中,技术壁垒相对较高,主要向二级或一级供应商提供原材料。

国内市场:航发集团主导国产发动机产业链,各级供应商竞争格局稳定。

我国目前已经具备完整的航空发动机产业链的研发制造能力,航空发动机产业链主要由五个环节组成,分别是上游原材料和零部件、中游分系统、下游整机制造和维修保障。

1)上游原材料和零部件领域:以科研院所及其下属企业为主,新兴民营企业也具备一定竞争力,尤其是在零部件领域,民营企业参与度高。

2)中游分系统:以航发集团旗下控制系统生产商航发控制 和 614 所主导。

3)下游整机制造和维修:军用航发制造以航发动力为主,民用航发制造以航发商发为主。军用维修主要由军工维修厂以及航发动力负责,民用维修方面,合资共建的四川斯奈克玛是我国领先的民用发动机修理厂。

3.1 原材料:发动机基石,产品差异化大,龙头企业技术和先发优势明显

航空发动机成本中原材料占比最高,其中主要使用的是高温合金和钛合金两种材料。按照航发制造成本拆分,现代航空发动机制造成本(不含控制系统)主要由两部分组成:原材料成本和劳动力成本,占比分别在 40%-60%、25%-35%。

航空发动机原材料以高温合金和钛合金为主,二者成本约占原材料的 65%,占发动机的 33%。除高温合金和钛合金材料外,新兴的陶瓷基复合材料正逐步扩大在原材料中的占比份额,成为航空发动机中的新型材料。

3.1.1 高温合金:发动机发展关键材料,约占整机价值 14%,企业多为竞合关系

高温合金是推动航空发动机发展的关键所在,也是发动机原材料的主要成本。一代材料造就一代发动机,发动机性能通常用推重比来综合评定,提高推重比最直接和最有效的技术措施是提高涡轮前的燃气温度,因此,新型先进航空发动机对高性能高温合金材料的依赖也越来越大。

在现代航空发动机中,高温合金材料用量约占到发动机总质量的 40%-60%,主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热端零部件,以及发动机机匣、环形件、尾喷口等工作温度较高的部位。

变形高温合金约占高温合金总用量的 70%

按照合金材料成形方式不同,高温合金可分为变形高温合金、铸造高温合金(包括等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱高温合金和单晶高温合金)和新型高温合金(包括粉末高温合金、Ti-AI 系金属间化合物、氧化物弥散强化高温合金、耐蚀高温合金等)。

其中,变形高温合金应用范围最广,占比高达 70%,铸造高温合金位居其次,占比 20%,新型高温合金仅占 10%。

单晶铸造高温合金和粉末高温合金将成为主流发展趋势。

单晶铸造高温合金在耐高温、抗蠕变、抗疲劳方面有明显优势。单晶铸造高温合金符合现代飞机对高推重比的追求。

有数据显示,在发动机尺寸不变的条件下,涡轮前进口温度每提高 100 度,推重比可以增加 10%。

同时,单晶材料没有晶界,在高温应力下不易发生蠕变和疲劳断裂。粉末高温合金采用粉末冶金工艺,具有成分均匀,抗疲劳,热加工性能好等特点。由于单晶铸造高温合金和粉末高温合金优异的性能,国外第三代以后的发动机几乎无一例外使用了单晶涡轮叶片和粉末冶金涡轮盘。

国内高温合金长期面临供需不均衡问题,“两机专项”等政策推动国内高温合金产业发展及需求放量,我国高温合金行业将迎来历史性发展机遇。高温合金在我国的发展起步较晚,依次经历了仿制、仿创结合到独创三个阶段。

目前,我国高温合金虽然已经进入“独创”阶段,但由于高温合金行业技术复杂度高,我国整体技术水平较国外龙头企业仍有较大差距,尤其是在高端产品方面,供需缺口较大。

根据中国特钢企业协会统计,约 43%的市场需求依赖进口。为了避免被“卡脖子”,政府陆续出台了一系列政策支持国内高温合金产业的发展。

随着我国全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项(“两机专项”),高温合金国产替代进口将成为大势所趋,我国高温合金行业迎来历史性发展机遇。

我们预计,我国未来十年不含后市场的航空发动机用高温合金市场空间约为 2209 亿 元。

由于上文原材料价值占比 51%的数据未考虑航发控制系统。因此,在考虑控制系统后,我们测算出原材料占航空发动机价值的比例约为 40%,高温合金占航空发动机价值的比例约为 14%。

基于高温合金的价值占比以及上文对我国航空发动机市场空间的预测,我们预计我国未来十年不含后市场的军用航空发动机高温合金市场空间约为 994 亿元,民用航空发动机高温合金市场空间约为 1215 亿元。

综上所述,我们预计我国未来十年不含后市场的航发用高温合金总市场空间约为 2209 亿元。

国内高温合金生产商主要为特钢企业、科研院所及其下属企业和民企。

其中,特钢企业的代表抚顺特钢高温合金年产量可达 5000 吨,其航空航天用高温合金在国内市占率高达 80%以上。科研院所及其下属企业代表钢研高纳拥有年生产超千吨的航空航天用高温合金母合金以及高温合金精铸件的生产能力。

民企代表图南股份是国内少数能同时批量生产变形高温合金、铸造高温合金(母合金、精密铸件)产品的企业之一,掌握高温合金材料超纯净熔炼等核心技术。

国外生产高温合金主要公司有美国 SMC(Special Metals Corporation)国际超合金集团、英国国际镍公司、日本 JFE 株式会社、新日铁、石川岛播磨重工业和神户制钢公司。

3.1.2 钛合金:发动机重要原材料,约占整机价值 12%,三强垄断市

钛合金因其优异性能成为飞机机体结构和发动机的重要原材料,在国外先进军机的用 量稳定在 20%以上,我国航空航天用钛合金起步虽晚但发展潜力大。

钛合金具有高强度、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀和低密度等优点,能有效降低飞机重量,减少对机体疲劳和腐蚀相关检查的工作量。在航空发动机领域,钛合金是重要的原材料之一,主要应用在压气机盘、机匣、压气机叶片、鼓筒、高压压气机转子等部件。

在欧美先进军机中,钛合金用量稳定在 20%以上,其中美国 F-22 战斗钛合金用量高达 41%,我国当前新型战机歼-20 和 歼-31 钛合金用量也分别达到 20%和 25%。

2020 年我国钛加工材在航空航天领域的应用 比例仅为 18.14%,与世界先进水平还有一定差距。

未来,新机购置叠加飞机换发需求,将带动我国航空用钛合金需求进一步提升。

3.1.2 钛合金:发动机重要原材料,约占整机价值 12%,三强垄断市场

钛合金因其优异性能成为飞机机体结构和发动机的重要原材料,在国外先进军机的用量稳定在 20%以上,我国航空航天用钛合金起步虽晚但发展潜力大。

钛合金具有高强度、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀和低密度等优点,能有效降低飞机重量,减少对机体疲劳和腐蚀相关检查的工作量。

在航空发动机领域,钛合金是重要的原材料之一,主要应用在压气机盘、机匣、压气机叶片、鼓筒、高压压气机转子等部件。

在欧美先进军机中,钛合金用量稳定在 20%以上,其中美国 F-22 战斗钛合金用量高达 41%,我国当前新型战机歼-20 和 歼-31 钛合金用量也分别达到 20%和 25%。

2020 年我国钛加工材在航空航天领域的应用比例仅为 18.14%,与世界先进水平还有一定差距。

未来,新机购置叠加飞机换发需求,将带动我国航空用钛合金需求进一步提升。

我们预计,我国未来十年不含后市场的航空发动机用钛合金市场空间约为 1894 亿元。

由于上文原材料价值占比 51%的数据未考虑航发控制系统。因此,在考虑控制系统后,我 们测算出原材料占航空发动机价值的比例约为 40%,钛合金占航空发动机价值的比例约为 12%。

基于钛合金的价值占比以及上文对我国航空发动机市场空间的预测,我们预计,我国未来十年不含后市场的军用航空发动机钛合金市场空间约为 852 亿元,民用航空发动机钛合金市场空间约为 1042 亿元。

综上所述,我们预计,我国未来十年不含后市场的航空发动机用钛合金市场总市场空间约为 1894 亿元。

由于高端钛合金行业具有较高的资质和技术壁垒,国内高端钛合金生产商较少,宝钛股份、西部超导和西部材料市场占比较高。

宝钛股份是我国高端钛合金龙头,军用航空航天钛合金市场占有率约为 50%。

西部超导背靠科研院所,高端钛合金研发能力强,目前专注于军用高端钛合金材料的研发和制造。

西部材料钛合金产品广泛应用于军用航空航天、民用石油化工等多个领域。

湖南金天钛业是我国主要的钛合金及钛材加工厂商。目前,金天钛业已有两款产品应用于国家重要飞机新型号,并与中国商飞签署战略合作协议,现有市场份额不断扩大。

国外钛合金生产企业主要有美国阿勒格尼技术公司(ATI)、美国钛金属公司(TIMET)、俄罗斯阿维斯玛镁钛联合企业(VSMPO-AVISMA)、日本东邦钛公司和住友公司尼崎分公司。

3.1.3 陶瓷基复合材料:新型发动机关键材料,应用占比逐步提升,国内尚处起步阶段

陶瓷基复合材料(CMCs)是指在陶瓷基体中引入增强材料,以陶瓷基体为连续相的复合材料,近几十年来在航空发动机中应用占比逐步提升。

陶瓷基复合材料兼顾了金属的高韧性、可塑性和陶瓷的高熔点、耐腐蚀和耐磨损等特性,是新型航空发动机的关键材料。

它的密度约为耐高温镍合金的 1/4~1/3,钨基合金的 1/10~1/9,可以大大减轻发动机结构质量,降低油耗的同时提高推重比,是未来发动机热端结构的首选材料。

经过几十年的发展,陶瓷基复合材料已经在高温涡轮叶片、高温燃烧室、调节/密封片等部件上进行了相关典型件测试,部分已实现工程化应用。

CMCs 在国外先进航空航天领域已得到广泛应用,国内 CMCs 的研发和制造尚处于起步阶段。国外 CMC 材料已逐步应用于航空航天、能源电力、电子等领域,并在军用领域广泛使用。

根据 GVC 的报告,目前 CMCs 在航空航天领域的用量约占 36%,其他国防军用约占 25%,美国、欧洲等已在多个发动机型号上成功应用 CMC 取代高温合金。

根据 GE 公司的官方资料,GE9X 在燃烧室和高压涡轮上使用了 CMC 材料后,预计发动机的推力增加 25%,燃油效率将提高 10%。国内 CMC 的研发和制造尚处于摸索与起步时期,仍未能满足航空发动机热端构件工程化应用需求。

随着国家政策扶持和国产化替代稳步推进,轻质高强韧、耐高温、长寿命、抗烧蚀、抗氧化的碳化硅陶瓷基复合材料将得以快速发展。

目前国内缺乏量产航空发动机复合材料的企业,主要企业为火炬电子和中航高科。

由于发动机用复合材料技术壁垒较高,且海外研发企业对中国实行技术封锁、产品出口限制,国内研发与生产需要克服诸多技术难关。

国内相关领域领先的研究机构包括厦门大学特种陶瓷实验室和国防科技大学,可实现生产的企业主要为火炬电子和中航高科,其中火炬电子陶瓷材料业务已实现营收,2020 年陶瓷材料营收达 49.12 万元,毛利率为 70.53%,中航高科还未实现量产,仅实现部分技术突破,行业有待成长。

国外主要企业包括罗罗公司,Coi Ceramics INC.,西格里集团,联合技术等,相较于国内企业存在明显技术优势。

3.2 零部件:产业链高价值环节,产品种类繁多,锻铸件为核心

航空发动机零部件加工处于航空发动机制造产业链中上游,其具有环节多、工艺复杂、专业性强、精度要求高、与主机厂高度联动等特征。

在军机和民机需求相继释放的背景下,零部件产品的标准化、规模化要求提升,专业分工更为明晰,很多细分领域逐步具备产业化基础。常见的航空发动机零部件有风扇、压气机、燃烧室、涡轮等。

按照毛胚成形方式可分为锻造件、铸造件和钣金件等。此外,随着航空发动机机械设计日渐复杂,更为精密的机加工和 3D 打印技术在航空发动机零部件加工环节得到广泛应用。

3.2.1 锻造件:发动机转子的主要组成部分,约占整机价值 20%,龙头企业产品差异大

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法,根据成形机理,可分为自由锻、模锻、辗环。

自由锻是指用简单的通用性工具对原材料进行锻压处理和加工的方法,该方法简单、通用性好,成本低,市场占比为 18.5%。

模锻是在锻模膛内受压变形而获得锻件,该方法易实现机械化生产,生产率高,市场占比为 75.2%。

辗环是指通过专门设备辗环生产不同直径的环形零件,该方法材料利用率高,精准度高,质量好,市场占比为 6.3%。

锻件是发动机转子的主要组成部分,按照产品类型可分为锻造叶片、环形锻件和盘轴类锻件等三大类。其中,锻造叶片主要为风扇/压气机叶片,环形锻件主要为各部位机匣,盘轴类锻件主要为涡轮/压气机盘。

1)叶片是航空发动机最核心的部件之一,主要有锻造叶片和铸造叶片两类,它的制造占据整个发动机制造的 30%以上的工作量。根据前瞻产业研究院的统计数据,锻造叶片价值占发动机叶片总价值的比例约为 37%,占发动机整机价值的比例约为 7%。

2)环形锻件以机匣为主,还包括封严环、外涵道支承等。其中,机匣被称作航空发动机的“骨骼”。它为发动机核心部件如风扇、转轴、叶片、燃烧室及涡轮提供了安全的密闭空间,对核心零部件的失效提供了损伤包容。

3)盘轴类锻件是航空发动机用锻件中数量最多、最常见的一类。由于长期在高温高压和交变载荷下工作,其性能的稳定性对航空发动机的性能有着至关重要的影响。除了涡轮/压气机盘外,常见的盘轴类锻件还包括整流罩、涡轮轴、锥轴等。

随着现代飞机对减重需求的提高,航空发动机锻造技术逐渐向整体化、精密化、薄壁 化方向发展,现已形成整体成形技术、等温锻造技术、精密辗轧技术三种主要成形技术。

1)整体成形技术在减少零件和连接件数量、减轻结构重量的同时,提高零件使用可靠性、缩短制造流程、降低制造成本。其主要应用于飞机机身大型整体隔框锻件的制造。整体锻造 技术的发展需要大型设备的支撑,我国大型模锻压力机设备数量少,因此技术水平也尚待发展。

2)等温锻造技术是一种近净成形工艺,是大型、整体、高性能钛合金复杂关键精锻件成形的一条重要途径。其在压气机盘、整体叶盘、压气机叶片的制造中,可显著改善锻件的组织性能,减轻材料用量,提高材料利用率。

3)精密辗轧技术是航空发动机环形锻件的首选工艺。目前,欧美发达国家普遍采用该技术生产环形锻件,并实现了环形件的无余量近净成形,而且大幅度减少了加工量,提高了环形锻件的性能,降低了生产成本。该技术在我国尚处于发展期,产品质量尚不稳定。

航空发动机锻件价值占发动机总价值的比例约为 20%,由此我们预计,我国未来十年不含后市场的航空发动机锻件市场空间约为 3156 亿元。

锻件是飞机中重要的部件之一,在航空发动机的用量及价值占比不断提高。

1)据前瞻产业研究院的数据以及上文对叶片价值的测算,我们预计锻造叶片占整机价值比例约为 7%。

2)据航宇科技招股书中援引 2013 年的公开数据显示,环形锻件价值占比约为 6%。考虑到环形锻件用量和产品技术复杂度不断提升,我们预计环形锻件价值占比可达 8%。

3)据 2016 年三角防务公开转让说明书,锻件在发动机价值占比约为 15%-20%,考虑未来航发锻件良好的发展态势,我们推算盘轴类锻件价值占比约为 5%。综上所述,我们预计航空发动机总锻件价值约占发动机总价值的 20%。

基于上文对我国未来十年航发市场空间的预测,我们预计,我国未来十年军用航发锻件市场空间约为 1420 亿元,民用航发锻件市场空间约为 1736 亿元。综上所述,我国未来十年航发用锻件总市场空间约为 3156 亿元。

国内航发锻件龙头企业产品差异化大,总体来看,中航重机龙头地位稳定,优秀民企纷纷涌现。

国内航空锻件制造企业主要包括国有大型军工企业或其下属科研院所和民营军品生产企业。其中,中航重机是行业龙头,旗下子公司陕西宏远和贵州安大,专门从事航空锻造业务。陕西宏远以机身的大型模锻件为主,贵州安大以航空发动机的环锻件为主。

此外,随着航空发动机主机厂实行“小核心,大协作”的生产制造模式,国内以航宇科技、航亚科技、派克新材、无锡透平、三角防务等为代表的民营优秀供应商纷纷涌现,不断成为国内外主流航空发动机锻件的重要供应商。例如,航宇科技是新一代窄体客机发动机 LEAP 高压涡轮机匣锻件的主要生产企业;航亚科技已成为赛峰、GE 航空等国际主流航空发动机制造企业的核心供应商;派克新材是我国第二家成为美国 GE 供应配套环锻件的企业。

4. 重点公司

4.1 总装和核心分系统:航发动力和航发控制垄断总装和控制系统

(一)航发动力——国产航空发动机生产制造领域龙头

航发动力是国内航空发动机总装龙头企业。公司为中国航发集团旗下唯一总装上市资产,产品覆盖军用航空发动机全种类、全代际,生产能力及生产规模位居行业第一,在我国航空发动机整机制造行业处于龙头地位。

公司 2020 年实现营收 286.33 亿元,同比增长 13.57%;2020 年实现归母净利润 11.46 亿元,同比增长 6.37%。

公司作为航空发动机总装龙头,受益于公司管理改善及下游旺盛需求,拐点将至业绩或迎来高增长。

1)随着产品工艺成熟及规模效应,盈利能力将持续改善。受新机型进入批产影响,主营业务毛利率持续探底;管理改善,期间费用率持续降低,随着研发投入持续加强,技术工艺成熟叠加规模效应,预计 2022 年毛利率企稳回升,盈利能力将不断改善。

2)合同负债大规模增长,“链长”地位突出,未来业绩有望高增长。大额订单凸显航发产业链“链长”地位,向上受原材料涨价影响小,向下具有产品溢价权,合同负债显示下游需求旺盛,锁定未来 3-5 年订单。

3)随着后市场业务占比不断扩大,以及民用国产航空发动机的顺利研制,未来有望打破营收天花板。考虑我国航空发动机寿命以及实战化训练情况,后市场空间将不断扩大,且公司深度参与我国民用发动机核心部件研制,未来有望实现进口替代,后市场和民用领域将成为公司打破营收天花板的发力点。

(二)航发控制——国产航空发动机控制系统领域龙头

航发控制是国内航空发动机控制系统研制生产的龙头企业。

背靠中国航发特有的央企战略地位和品牌优势,享有政策支持和资源保障,目前公司业务主要包括航空发动机控制系统及衍生品、国际合作和非航空产品及其他。

公司控制系统产品涵盖国内军机所有在研、在役型号,在国内航空发动机控制系统机械液压领域具有垄断地位,为燃油控制系统细分行业唯一的供应商。

2020 年,公司实现营业收入 34.99 亿元,同比增长 13.14%,2020 年实现归母净利润 3.68 亿元,同比增长 30.68%。控制系统为航空发动机核心子系统,占据产业链关键位置,受益于军机型号放量以及民用国产替代加速,公司作为龙头企业有望得到长足发展。

1)公司坚持聚焦主业,加大研发投入,盈利能力持续向好。主营业务航空发动机控制系统及衍生品的营收占比和毛利率不断提高,近三年研发投入逐年增加,有利于公司进一步提升自身竞争力。

2)募投项目建成后将明显提升控制系统研制及生产能力,为公司长期可持续发展奠定坚实基础。2020 年 12 月 31 日公司发布非公开发行 A 股股票预案,募投将作为公司及子公司其他自筹资金之外的有效补充,覆盖公司及子公司各项科研生产能力建设项目,有利于公司补充短板,助力公司长期发展。

3)大额订单和预付款相继落地,现金流状况明显改善,未来增长得到保障。公司 2021 年 Q1-Q3 合同负债 9.14 亿元,较年初大幅增加 8.17 亿元,大额订单验证行业高景气,公司基本面将持续改善。

图 59:航发控制历年营业收入与归母净利润变化

图 60:2020 年航发控制各项业务营收占比

4.2 零部件:中航重机市场占有率高,航宇科技等民企新秀实力强劲

(一)中航重机——航空发动机锻造领域龙头企业

公司是我国航空航天等军工领域重要的锻造供应商,为航空锻造龙头企业。公司生产经营活动主要涉及锻铸、液压环控等业务。

国内业务主要为飞机机身机翼结构和发动机盘轴类等锻件产品。国外业务主要为罗罗、IHI、ITP,波音、空客等公司配套锻件产品。

2020 年,公司全年实现营业收入 66.98 亿元,同比增长 11.92%,其中锻铸产业实现营业收入 49.81 亿元,液压环控产业实现营业收入 17.17 亿元。

公司为中航工业旗下锻铸业务核心供应商,锻件需求持续扩张助力公司未来高成长。

1)聚焦军工主业,航空锻造业务占比持续提高。先后剥离风力发电、燃气轮机、新能源及部分民品液压等低效业务,压缩为锻铸和液压/环控两大产业,航空锻造业务占比达 74.15%。

2)定增募投突破产能瓶颈,加快民品市场开发,军民共振推动业绩持续增长。在强化军品 市场优势的同时扩大民品市场份额,同时不断拓展产业链上下游完善布局,巩固公司龙头地位。

(二)航宇科技——航空发动机环形锻件核心供应商

公司是我国航空发动机环形锻件的核心生产商,也是全球商用航空发动机机匣及环形锻件在亚太地区的主要供应商之一。

初步形成了境内、境外市场同时快速发展的良好态势,获得中国航发商发、中国航空发动机集团等客户的“优秀供应商”称号,与 GE 航空、普惠、赛峰、罗罗、霍尼韦尔、MTU、科林斯航空等境外主要航空发动机客户建立长期合作关系。

2020 年,公司实现营业收入 6.71 亿元,同比增长 13.91%;归母净利润 0.73 亿元,同比 增长 34.96%。在全球军用和商用航空发动机双引擎驱动下,公司航空环锻件市场广阔。

公司掌握先进的锻压技术,经过十余载的发展,现已逐步实现研发技术与产业深度结合,境内与境外市场“两翼齐飞”的局面。

1)公司是国内航空发动机环形锻件的主研单位之一,拥有 53 项发明专利,主持编制 3 项国家标准,多次荣获国家产权、专利优秀奖等。

2)航空锻造行业市场进入壁垒高,公司具有先入优势。公司已取得行业第三方认证并进入客户的供应商目录、从参与产品研制至产品批产,均需要较长的周期。

3)公司客户资源优渥,已参与国内外多种型号军用和民用航发机匣和环锻件的生产。

产品涵盖新一代国产军用航空发动机、长江系列国产商用航空发动机、新一代窄体客机发动机 LEAP 等。

(三)航亚科技——航空发动机精锻叶片民营新秀

公司是我国高性能零部件制造商,产品涵盖航空发动机精锻件以及医疗骨科植入锻件的研发、生产及销售。

公司主要产品包括航空发动机压气机叶片、转动件及结构件、医疗骨科植入锻件等高性能零部件。

自 2013 年成立以来,公司凭借较强的技术实力和丰富管理经验,很快与国内外航空发动机及医疗骨科关节领域的先进企业建立起稳定、持续的合作关系。

2020 年,公司实现营业收入 3.01 亿元,同比增长 16.89%;归母净利润 0.60 亿元,同比增长 41.98%。

公司是国内精锻叶片民营新秀,技术实力过硬且质量认证齐全,国产替代助其打开国内航发锻件市场。

1)公司研发实力显著,是国内航空发动机压气机叶片、整体叶盘等关键零部件的同步研发开发的重要参与者之一。

2)公司掌握精锻近净成形和精密机加工等先进工艺技术,并得到赛峰、GE 等全球主流发动机企业认证,并且已具备向国内外航发龙头大批量供货的实力。

3)公司压气机叶片已在国产 C919 发动机 LEAP-1C 上批量应用。国产替代下 C919 的持续放量将推动公司营收进一步增长。

(四)派克新材——两机领域环形锻件优质民企

公司是国内稀缺的两机领域高端环形锻件民营企业。公司主营产品涵盖辗制环形锻件、自由锻件、精密模锻件等各类金属锻件,随着公司军品业务占比不断增加,公司盈利能力不断增强。

2020 年,公司营业收入为 10.28 亿元,同比增长 16.21%;归母净利润为 1.67 亿元,同比增长 2.86%。

公司掌握高端环锻件制造技术,资质齐全,产品覆盖领域广,受益于我国主战机发动机换装列装需求提升,叠加发动机国产化比例不断提高,公司军用发动机业务有望持续增长。

1)公司深耕锻造行业多年,具备较强的产品研发和制造能力,现已掌握了异性截面环件整体精密轧制技术、特种环件轧制技术、超大直径环件轧制技术等多项核心技术。

2)公司行业准入资质和质量认证证书齐全,现已进入中国航发集团、航天科技集团、中船重工等国内各领域龙头的供应链体系,并已通过罗罗、三菱电机、西门子的全球供应链体系认证。

3)公司具备跨行业、多规格、大中小批量等多种类型业务的承接能力,下游客户分布十分广泛。

在航空领域,公司产品已覆盖在役及在研阶段的多个型号航空发动机;在航天领域,公司参与了长征系列及远征上面级等系列型号运载火箭和多个型号导弹的研制和配套;在船舰领域,公司参与配套的某型号燃气轮机已在部分海军舰艇列装。

图 67:派克新材历年营业收入与归母净利润变化

图 68:2020 年派克新材各项业务营收占比

4.3 原材料:抚顺特钢、钢研高纳等少数企业主导两大合金市场

(一)抚顺特钢——国内变形高温合金龙头

公司是国内老牌特钢新材料企业,国内变形高温合金龙头。抚顺特钢是中国最早的特殊钢企业之一,作为我国军工配套材料重要的研发和生产基地,被誉为“中国特殊钢的摇篮”。

公司以“三高一特”(高温合金、超高强度钢、高档工模具钢、特种不锈钢)为核心产品。随着优质民企沙钢集团入主管理,公司内部生产管理重新理顺。

重整后公司经营效率显著提升,业绩持续高增长。2020 年,公司营业收入为 62.72 亿元,同比增长 9.26%;归母净利润为 5.52 元,同比增长 82.64%。国内高温合金供需缺口扩大,公司扩产计划落地,推进工艺优化,降本增效显著,业绩持续发力增长。

1)公司不断提高运营效率,提升高盈利产品结构,盈利能力日益改善。一方面持续推动公司资产运营效率的提升,另一方面持续加大研发投入,践行“特钢更特”战略,积极提升高盈利品种结构,2020 年重点品种接单量同比增长 70%;

2)公司产品市占率高,毛利率水平行业领先,随着募投扩产项目落地,市场龙头地位进一步巩固。公司高温合金产品在航空航天领域市场占有率高达 80%以上,且公司研发投入行业领先,掌握高温合金核心技术,高温合金业务毛利率水平处于行业领先水平,随着公司扩产计划落地,公司市场地位进一步巩固;

3)公司全力推进工艺优化,技术革新,降本增效显著。技术优势叠加管理赋能,公司传统特钢领域协同效应尽显,盈利能力持续提升。

图 69:抚顺特钢历年营业收入与归母净利润变化

图 70:2020 年抚顺特钢各项业务营收占比

(二)钢研高纳——国内铸造高温合金领域龙头

公司是我国高温合金领域技术水平先进、生产种类齐全的企业之一。

主要业务范围涵盖铸造高温合金及制品、变形高温合金及制品、新型高温合金材料系列产品三个细分领域,具备生产国内 80%以上牌号高温合金的技术能力。

2020 年,公司实现营收 15.85 亿元,同比增长 9.57%;实现归母净利润 2 亿元,同比增长 30.78%。中国“先进高温材料”技术的引领者与产业升级的推动者,主要领域持续投入巩固行业地位。

1)公司背靠钢研院,研发技术积淀深厚。是生产种类最为齐全的企业之一,拥有生产国内 80%以上牌号高温合金的技术和能力,也是国内高端和新型高温合金制品生产规模最大的企业之一,ODS 市占率达到 100%。

2)公司具有独立质量体系铸造高温合金生产基地,布局近乎全部的在研及批产航空发动机型号。受益粉末高温合金市场需求快速增长,型号需求开始放量,业绩将迎来持续增长。

3)公司持续拓展市场空间,加大自主创新投入力度。伴随产业布局的强化和技术及管理水平提升,公司实现产业链上下游延伸及横向扩展。

(三)图南股份——国内民营高温合金核心供应商

公司为高温合金民营新秀,军工和航空产品质量资质认证齐全。公司产品包含高温合金精密铸件和高温合金母合金两大类铸造高温合金。

公司于 2017 至 2018 年相继获得多项军工资质并取得《航空航天质量管理体系认证证书》民品资质证书,成为国内高温合金核心供应商。2020 年,公司营业收入为 21.13 亿元,同比增长 46.10%;归母净利润为 3.71 亿元,同比增长 134.31%。

高温合金下游需求旺盛,公司拥有突出技术优势。

1)公司研发水平高,多项高温合金制造技术达到行业先进水平。在铸造高温合金领域,公司拥有超纯净高温合金熔炼技术、近净型熔模精密铸造技术等核心技术,各项技术均达到国内领先水平;

2)公司原材料采购途径多元化,下游客户稳定且优质。

公司原材料第一大供应商为上海炬嘉合金材料有限公司,为增加原材料供应来源的多样性,积极与上海正宁等供应商建立合作关系,分散原材料价格风险。下游客户方面,公司客户结构基本稳定,第一大客户集团 A 系我国航空发动机制造产业龙头。

(四)西部超导——国内高端钛合金领域核心供应商,高温合金新秀

公司为国内关键高端材料生产企业,高端钛合金主要研发生产基地。

公司是我国高端钛合金棒丝材、锻坯主要研发生产基地之一,是目前国内唯一的低温超导线材生产企业,也是我国高性能高温合金材料重点研发生产企业之一。

公司产品弥补了我国新型战机、大飞机、直升机、航空发动机、舰船制造所需关键材料的“短板”。2020 年,公司营业收入为 21.13 亿元,同比增长 46.10%;归母净利润为 3.71 元,同比增长 134.31%。

公司布局三线高端材料,低温超导技术垄断市场,高端钛合金材料供不应求,变温合金材料市场广阔,作为具有核心技术优势的龙头企业将持续受益。

1)高端钛合金材料具有较高的技术壁垒,当前市场供不应求,公司作为具有核心技术优势的龙头企业将持续受益。

2)公司低温超导技术垄断企业,行业前景广阔将拉动产品需求。

一方面,国产 MRI 设备市场地位的提升以及国内对单晶硅的迫切需求,MRI 用超导线材以及 MCZ 磁体发展前景广阔;另一方面,公司目前是国内唯一低温超导线材商业化生产企业,国内暂无竞争者,处于国内技术垄断地位,将持续受益于中国超导市场的高发展前景。

3)公司进军高温合金行业,成为业绩新增长点。

公司已切入高壁垒的高温合金赛道,高温合金供需矛盾明显,短期内将继续处于量价齐升阶段,高温合金业务将成为公司新的增长点。

(蓝色碳能)

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吉林省白山市 电信 - MMS网友:#22022-01-05 21:11:29这篇文章分析透彻,求是,详尽。非常有说服力。回复顶()踩()
吉林省白山市 电信 - MMS网友:#12022-01-05 21:11:29这篇文章分析透彻,求是,详尽。非常有说服力。回复顶()踩()
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