侵权投诉
搜索
更多>> 热门搜索:
订阅
纠错
加入自媒体

掘金新三板之中科三耐:深耕高温合金二十载,航空发动机叶片量产

2022-02-21 11:45
安福双
关注

沈阳中科三耐新材料有限公司是一家按照国家有关法律规定,由中国科学院金属研究所(下称“金属所”)高温合金研究室铸造高温合金研究组整体改制,在沈阳高新技术产业开发区成立的规范的有限责任公司。

公司第一大股东是中国科学院金属所,主要从事耐热、耐腐蚀、耐磨损合金材料及其精密铸件的研制、开发与生产的制造型企业。

属所是材料科学与工程领域国际知名、国内一流的研究所,有雄厚的学科积累,在国内材料科学与工程科研领域有重要的地位,并在国际上有相当的知名度,在1999年中国科学院知识创新工程试点的统一部署中金属所被批准成立“东北高性能材料研究发展基地”。

中科三耐从事耐高温、耐腐蚀、耐磨损高温合金材料及其精密铸件的开发与生产,为我国航空、航天、船舶、能源、交通运输等领域提供了一系列具有国际或国内先进水平的产品,是中国航空发动机、燃机轮机等先进动力用透平叶片、高温合金等主要生产基地之一。

公司主导产品包括“高温合金母合金材料、中小型燃气轮机热端涡轮叶片、重型燃气轮机热端透平叶片、航空航天发动机用涡轮叶片、增压器叶片、玻璃棉喷吹离心器等”。

高温合金是特种合金材料中的一种。高温合金一般以铁、镍、钴等为基,是能在600℃以上的高温及一定应力条件下长期工作的金属材料,具有优异的高温强度、较好的抗氧化性、抗热腐蚀性能、良好的热疲劳性能、良好的塑性和断裂韧性等综合性能。

按照基体元素,镍基高温合金应用范围最广,占比达80%,其次为镍-铁基,占比14.3%,钴基占比最少,占比5.7%。

按照制备工艺,可以分为变形高温合金、铸造高温合金和新型高温合金,其中变形高温合金应用范围最广,占比达70%,其次是铸造高温合金占比为20%。

我国高温合金主要为“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金,两者牌号数量分别多达50+和40+,虽然型号较多,但规模化应用的较少,其中GH4169合金用量最大,使用范围最广,被称为高温合金中的“万金油”,广泛应用于航空航天、舰船、能源电力、汽轮机等领域。

变形高温合金应用范围最广,其适用于大批量、通用性强、结构较为简单的产品,如航空发动机当中的燃烧室、涡轮盘等。

产业链为︰经过真空冶炼等工艺浇铸成合金铸锭,通过锻造、轧制等热变形制成饼坯、棒、板、管等材料,最后模锻成涡轮盘和叶片等毛坯,经热处理后加工成涡轮盘、叶片等零件。

目前我国变形高温合金供应体系当中治炼和锻造环节,参与者包括抚顺特钢、钢研高纳、图南股份、西部超导等上市企业,宝武特冶、攀长钢等非上市企业,以及北京航材院、中科院金属所等科研单位(主要以研究为主,生产规模较小)。

铸造高温合金可以通过铸造工艺直接成型,主要用于制造形状比较复杂的产品,如航空发动机当中的导向器、涡轮叶片等。

产品环节主要包括前端的母合金和后端的精密铸件,母合金冶炼环节主要是图南股份、钢研高纳、北京航材院、中科院金属所(中科三耐)等,铸件生产环节主要是图南股份和安吉铸造。

可见,中科三耐的主要收入来自于母合金,属于铸造高温合金,用于航空发动机精密铸件的生产。国内使用和在研的近20种抗热腐蚀铸造高温合金以中科三耐为主。

高温合金下游主要为航空发动机、燃气轮机、核电和燃油汽车,全球高温合金需求结构中航空航天占比达 55%,其次是电力 20%和机械 10%领域。

高温合金材料是制造航空发动机热端部件的关键材料,比如涡轮(动)叶片、导向(静)叶片、涡轮盘、高压压气机盘、燃烧室、热端机匣、加力燃烧室、尾喷管等部件都离不开高温合金材料。

高温合金从诞生之日就用于航空发动机,在现代航空发动机中,原材料占航空发动机成本约 50%,高温合金材料的成本约占发动机成本的 40%,发动机关键的热端承力部件全部为高温合金,且具有不可代替性。

在航空领域,新型的先进航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的 40%-60%,主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件,这些热端部件必须具有不断提高的承温承载能力:

(1)燃烧室:是发动机各部件中温度最高的区域,燃烧室内燃气温度可高达 1500-2000°C,用于制造燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢,其中用量最大、最为关键的是变形高温合金。

(2)涡轮导向叶片:用来调整燃烧室出来的燃气流向,是涡轮发动机上承受温度最高、热冲击最大的零部件,材料工作温度最高可达 1100°C 以上,大多采用精密铸造镍基高温合金。

(3)涡轮叶片:涡轮发动机中工作条件最恶劣也是最关键的部件,其所承受温度低于相应导向叶片 50-100°C,但在高速转动时,由于受到气动力和离心力的作用,叶身部分所受应力高达 140MPa,叶根部分达 280-560MPa,涡轮叶片材料大多也是精密铸造镍基高温合金。

(4)涡轮盘:在四大热端部件中所占质量最大,是航空发动机上的重要转动部件,工作温度不高,要承受极大的离心力作用。在我国,涡轮盘中变形高温合金 GH4169合金用量最大、应用范围最广。

十四五期间我国存量军机更换发动机产生的高温合金需求量达 11.56万吨,年均需求量 2.31 万吨。结合新型装备所需的高温合金,预计十四五期间我国航空用高温合金需求量共计 24.49 万吨,年均需求量达 4.9万吨。

中科三耐的母合金应该大部分应用于航空发动机的涡轮导向叶片、涡轮叶片这些领域。

燃气轮机是高温合金另一个主要用途,其高温合金质量占比在 40%至 60%。由于燃气轮机喷射到叶轮上的气体温度高达 1300℃,因此叶轮需要用高温合金来制造,燃气轮机的结构及原理与航空发动机类似,类比航空发动机,高温合金在燃气轮机上的质量占比为 40%~60%。

燃气轮机的应用分为舰船用燃气轮机和工业用燃气轮机,以舰船应用为主。目前我国国产舰船用燃气轮机的技术问题已经得到解决,已有 75%以上的海军主力舰艇采用燃机动力,有望持续替代传统的柴油机和蒸汽轮机动力。

2020 年我国共下水 23 艘军舰,包括 12 艘护卫舰、9 艘驱逐舰等。参考 LM2500 燃气轮机重量,我们假设国产燃气轮机重 25 吨,高温合金重量占比 40%,成材率 30%,则测算单台燃气轮机高温合金需求量 33.3 吨,预计未来 5 年舰船燃气轮机需求量 616 台,对应高温合金 2.05 万吨,年均需求量 4107 吨。

汽车涡轮增压器也是高温合金材料的重要应用领域。汽车涡轮增压器的作用是提高发动机进气量,从而提高发动机的功率和扭矩,让汽车获得更大的动能。汽车涡轮增压器具有降低噪声、减少有害气体排放、提高功率等优点。

中科三耐的客户有410厂、420厂、170厂、湖南天雁机械有限公司、中国科学院金属研究所、沈阳黎明航空发动机(集团)有限公司、中国南方航空工业(集团)有限公司、哈尔滨汽轮机厂有限公司等航空、汽轮机企业。公司的盈利主要来自于航空发动机用的高温合金母合金及工业燃机叶片。

高温合金的行业壁垒很高:

? 技术壁垒: 高温合金产品技术含量较高,铸造加工工艺较为复杂,需要技术积淀和不断创新。材料开发和生产工艺技术研发是本行业企业发展的根本,新产品从开始研发至最终实现销售需要经过论证、研制、定型等系列过程。

因此,高温合金领域存在着较高的技术壁垒,需要时间和资金的不断投入。新进入者要面临产品成材率低的问题,需要经历较长的时间探索经验,进行技术工艺改良,以提升产品成材率。因此在研发投入方面,相关公司均保持持续高投入;

? 先入壁垒:高温合金较多应用于航空航天发动机、核电装备、燃气轮机等领域,对产品性能要求较高。因此终端用户对供应商选择有着极为严苛的评定程序,因此也决定了用户在选定合格供应商后通常不会轻易更换。

同时,类似航空航天发动机产品,从研制到实现销售的研发周期长、投入高、风险大,根据现行军用武器装备采购体制,通过定型扰准的产品才可实现批量销售。尤其是对于中科三耐、抚顺特钢、西部超导这样的老牌军工企业,在军工领域先发优势尤其明显;

? 行业准入壁垒 :国家对武器装备科研生产活动实行许可管理,从事军品相关生产活动必须通过严格审查并取得军工资质。

另外,在民用航空发动机、核电装备等领域,也各自存在相应的资质认证管理体系,生产厂家需要通过获得相关行业准入资质和认证,方能进入这些市场。这些准入资质要求严格,且考察周期较长,需要企业具备较强的研发、管理和质量控制能力。

在高壁垒下,行业从业企业数量少,国内高温合金企业间处于竞合关系,直接竞争较少,基本上以实现技术创新、扩大产能为目标,满足市场需求,所以竞争格局良好。

在铸造高温合金母合金冶炼环节,中科三耐的竞争对手有:航材院、沈阳铸造研究所、钢研高纳、困南股份、江苏隆达。

在铸造高温合金铸件领域,公司的竞争对手有:航材院、沈阳铸造研究所、钢研高纳、图南股份、江苏永瀚、应流股份、炼石航空等。

高温合金生产企业可分为以下三大类:

第一类为钢研高纳、北京航材院、中科院金属所在内的科研单位。科研单位具备较强的高温合金材料自主研发能力以及母合金熔炼能力,拥有较多的高温合金牌号。中科三耐就是中科院金属所转制而来,主要生产较小批量、结构复杂的高端产品。

第二类为抚顺特钢、宝钢特钢、攀长钢在内的国有特钢企业。老企业的主要产品为变形高温合金,生产设备齐全、积累经验丰富。在航空航天产业中,用量最大的变形高温合金主要由特钢企业生产,其生产的变形高温合金适用于作为大批量、通用性和结构较为简单的加工材料。

但由于宝钢特钢、长城特钢等部分特钢企业兼顾了其他多项钢种生产,高温合金产量占比较小,主力转产高温合金的实现难度和经济效益较低,大幅提升其产能的可能性较小。

第三类为图南股份、万泽股份、西部超导等为代表的新兴冶金企业。这类企业多数为民营背景,近年来将业务拓展至高温合金领域,由于起步时间较晚,技术积累相对薄弱,因此市占率还较小,但均在积极进行产能扩张和产品验证。

所以,在产能上,抚顺特钢、西部超导、钢研高纳等较高,但是航材院、中科三耐较低。中科三耐拥有K417G、DZ417G、K438、K452、K435等单晶高温合金牌号,产能为400吨。

国内目前高温合金供给量较少,由于行业和技术壁垒高,技术受限国内高温合金企业不仅在产能上无法满足我国庞大的军需市场,因其精密制造工艺水平相对有限,造成高温合金产品(单晶叶片) 的总体性能偏弱,供需缺口较大,高度依赖进口,未来 2-3 年供给格局不会发生明显变化。

外资企业瓜分了国内大量航空发动机的订单的生产与日常维护工作,如我国歼十战机前期搭载的是俄制 AL31FN 涡扇发动机,高温合金叶片订单也顺理成章的由俄方企业承接。

在此种背景下,内资企业的产能无法完全得以充分释放,后期高温合金厂家获得进一步突破,关键在于打破相关产业链技术的桎梏。

此外,除了航空发动机外,高温合金在燃气轮机方面的需求较大,同时叠加核电行业的复苏和汽车产业的需求,高温合金的市场前景较好。

2020 年国内高温合金产量自给率仅 32%。根据特钢协会数据,2019 年高温合金钢产量 0.85 万吨,同比增长 50%,2020 年高温合金钢产量为 0.81 万吨,与 2019 年基本持平。

但由于特钢协会仅统计钢铁企业,未纳入协会统计的企业还包括钢研高纳(估算 5879 吨)、航材院 621 所(估算 800 吨)、民营企业类图南股份(估算 1956吨)和万泽股份(估算 150 吨)、钛合金龙头企业西部超导(估算 246 吨),未纳入统计的产量约为 9031 吨,因此估计国内高温合金产量实际上在 1.71 万吨左右,但2020 年我国高温合金整体市场需求约为 5.3 万吨,国内企业自给率仅 32.4%,依赖进口的问题依旧存在。

所以供需缺口长期存在,中科三耐作为老牌企业,发展前景良好。

2020 年末,公司的某型航空发动机六种叶片正式进入批产阶段,计划年产值约增加六千万元。

公司目前正在建设沈阳航空发动机叶片、燃气轮机叶片生产基地,2021年上半年工程进度90%;在重庆建设航空发动机叶片生产研发基地,2021年上半年已经完工。

根据新闻报道,中科三耐将在重庆两江新区投资5亿元,打造航空发动机、燃气轮机用等轴晶叶片、定向柱晶叶片和单晶叶片研制基地,建成后产品规模为年产25万件航空发动机高温合金叶片,达产后产值约15亿元。

公司燃气轮机叶片进入工信部航空发动机和燃气轮机耐高温叶片“一条龙”应用计划:

2021年上半年,公司航空发动机叶片进入批量生产,已经超过燃机叶片,成为第二大收入来源,预计未来会有较高增长。

2021上半年母合金收入减少 46.43%,是因为部分母合金产品已发货,尚待客户确认,导致该类产品收入同比减少较多。

总体来看,随着公司产能扩充,未来业绩成长确定性较高。

特别说明:文章中的数据和资料来自于公司财报、券商研报、行业报告、企业官网、公众号、百度百科等公开资料,本人力求报告文章的内容及观点客观公正,但不保证其准确性、完整性、及时性等。文章中的信息或观点不构成任何投资建议,投资人须对任何自主决定的投资行为负责,本人不对因使用本文内容所引发的直接或间接损失负任何责任。

       原文标题 : 掘金新三板之中科三耐:深耕高温合金二十载,航空发动机叶片量产

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

工控 猎头职位 更多
文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号