2022年發(fā)動機鍛造行業(yè)研究報告

2022年發(fā)動機鍛造行業(yè)研究報告1.鍛造基本介紹1.1鍛造行業(yè)的發(fā)展歷程盡管鍛造技術早在幾千年前就被人們掌握，但是直到工業(yè)革命的進行，鍛造技術才獲得真正長足的發(fā)展。1842年，內史密斯發(fā)明雙作用錘，創(chuàng)造了第一個由蒸汽驅動的，用于打樁和大型鍛件成型的工業(yè)機器，可以鍛造出各種復雜形狀的鍛件；1860年，哈斯韋爾構造了自由鍛水壓機。這些設備的出現(xiàn)標志鍛壓技術逐漸成為一門具有影響力的學科。1864和1913年屈雷斯加和密席斯先后發(fā)現(xiàn)了金屬進行塑性變形的條件（屈服準則），此后前蘇聯(lián)學者古布金系統(tǒng)性闡述了壓力加工原理，他們共同奠定了壓力加工學科的理論基礎。國內的機械鍛造業(yè)發(fā)展相對滯后。直至20世紀50年代，仍在使用洋務運動時期引入的英、日、德等國的蒸汽錘、電動空氣錘、蒸汽增壓式水壓機。50年代末與60年代初，中國逐步開始鍛造設備國產化進程，初步可以自制萬噸級的水壓機和各種類型的鍛錘。受80年代改革開放浪潮的助推，鍛造工業(yè)此后在我國從質到量有了全面發(fā)展。根據(jù)派克新材招股說明書，目前我國已經(jīng)成為第一鍛件生產大國。為迎應現(xiàn)代航空工業(yè)金屬部件的加工要求，大壓力模鍛液壓技術應運而生。于1934年，德國研制了70MN模鍛液壓機制造戰(zhàn)斗機需要的航空鋁合金鍛件，并于二戰(zhàn)期間又先后制造了300MN模鍛水壓機1臺、150MN模鍛水壓機3臺。由于模鍛液壓機對于空軍裝備的質量及生產能力十分重要，二戰(zhàn)后美蘇在獲得德國模鍛液壓機實物的基礎上陸續(xù)發(fā)展研制出一大批性能優(yōu)異的大噸位模鍛液壓機。1.2鍛造工藝原理：鍛件的結構性能直接關系到飛機的使用壽命和可靠性鍛造是通過塑性變形改變金屬鍛件機械性能和內部組織的工藝，可以提升零件自身的承力和抗沖擊性能。在飛機機體及發(fā)動機結構中，承力、傳力結構的重要零件一般需要進行鍛造。在航空發(fā)動機中，航空鍛件目前主要應用于風扇、壓氣機、渦輪和燃燒室等四大部件，主要起包容、連接、支撐、密封等作用，是十分重要的零部件。鍛造相對于鑄造能夠有效地排除氣孔析晶等問題。鍛造的金屬材料由于制造工藝，不可避免地存在具有氣孔、縮孔和樹枝狀晶等缺陷。在加壓設備及工（模）具的作用下，坯料或鑄錠會產生局部或全部的塑性變形，在加工后其形狀、尺寸穩(wěn)定性好，組織均勻，纖維組織合理，相比加工前其綜合力學性能更佳。鍛造按工藝可分為自由鍛、模鍛、輾環(huán)，其中輾環(huán)技術成為制備超大型環(huán)鍛件的唯一工藝方法。輾環(huán)是借助輾環(huán)機使環(huán)件產生連續(xù)局部塑性變形的先進技術，輾環(huán)可大幅度降低設備噸位和投資，具有振動沖擊小、節(jié)能節(jié)材、生產效率高、生產成本低等顯著優(yōu)點，故隨著輾環(huán)機大量投入，環(huán)軋技術被廣泛使用。1.3航空難變形環(huán)形鍛件：性能+資質壁壘要求高采用輾軋技術成形的環(huán)件具有組織致密、強度高、韌性好等優(yōu)點，是鑄造或其他制造技術所不能替代的。航空發(fā)動機的壓氣機機匣、渦輪機匣、結合環(huán)、安裝邊、封嚴環(huán)和環(huán)狀火焰筒等均為高溫合金和鈦合金環(huán)形鍛件。根據(jù)航宇科技招股書，按價值計算，航空發(fā)動機環(huán)形鍛件高達發(fā)動機價值的6%，是航空發(fā)動機的關鍵鍛件。且航空發(fā)動機環(huán)形鍛件工作條件惡劣，具有耐高溫、高壓、高腐蝕等特點，質量穩(wěn)定性及力學性能明顯高于普通鍛件。環(huán)軋資質壁壘高，少數(shù)企業(yè)擁有航空難變形環(huán)形鍛件生產資質。國際航空發(fā)動機制造商對供應商的管理非常嚴格，企業(yè)只有通過AS9100D與NADCAP等相關認證才能與取得該行業(yè)境外客戶的訂單。中航重機，航宇科技，派克新材已通過認證進入此領域，市場競爭程度低。其中航宇科技累計16年航空鍛造經(jīng)驗，截至2021年上半年已累計發(fā)明專利53項；派克新材進入航空鍛件領域較晚，截至2021年上半年獲得發(fā)明專利33項。2.鍛件制造工藝和技術路線2.1航空鍛件未來發(fā)展趨勢難變形材料普及提升發(fā)動機性能，精密化、整體化加工工藝成為核心突破方向。在航空鍛件中鈦合金、高溫合金的應用愈發(fā)廣泛。發(fā)動機逐步向高推重比（最大推力和發(fā)動機的凈重之比）、長壽面和低油耗方向發(fā)展，選材更多使用高比強度、高比剛度的高溫合金（鎳基、鈷）及新型鈦合金等難變形材料，這樣可以提升發(fā)動機的耐高溫性和抗形變能力，加強飛機在極端環(huán)境下的使用壽命?，F(xiàn)代先進航空發(fā)動機大約有三分之一重量的關鍵零部件選用優(yōu)質、高性能的鈦合金材料，例如F-22和F-35飛機鈦合金用量已分別高達39%和27%。航空鍛件的成型技術向精密、整體、復雜、高性能、高可靠、低成本方向發(fā)展。隨著高新技術武器裝備向小型化、精確化、輕量化、高可靠、低成本方向發(fā)展，對結構件及其成形技術的要求越來越高。為提高航空鍛件尺寸精度，減少加工余量，精密環(huán)件軋制技術得以迅速發(fā)展，目前，精密軋制的環(huán)件直徑尺寸精度可達到1/1000。此外，為了進一步提高環(huán)件軋制技術效果，復雜化、整體化環(huán)件軋制技術成為未來主要發(fā)展趨勢。2.1.1精密環(huán)軋技術精確環(huán)軋技術是生產高性能無縫環(huán)件的首選工藝方法，國內企業(yè)初步掌握精密成型能力。無縫環(huán)件對于提高武器裝備的性能水平、使用壽命和研發(fā)能力都有重要影響。目前工業(yè)發(fā)達國家已大量裝備不同類型和規(guī)格的環(huán)軋生產線，但是我國的精密鍛造技術在整個成形生產中比重還比較低，成形件精度平均要比國外低1~2個等級，因此發(fā)展難變形材料復雜異形環(huán)件精密軋制技術是國內鍛件生產商的重要發(fā)展方向。目前，中航重機在環(huán)形鍛件精密軋制方面的技術居國內領先水平，并于2021年投資建設精密鍛造生產線；航宇科技大型航空發(fā)動機機匣整體精密成型已成功應用于國產長江系列商用航空發(fā)動機及新一代窄體客機發(fā)動機LEAP；派克新材也掌握異形截面環(huán)件整體精密軋制技術，配備1.2m-10m多臺精密數(shù)控輾環(huán)機；三角防務聯(lián)合清華大學自主設計400MN大型航空模鍛液壓機生產線，掌握大型整體精密模鍛技術。2.1.2復雜結構件整體等溫鍛造技術等溫鍛造技術是盤件和葉片制造的未來技術方向，陜西宏遠具備國內領先的研發(fā)優(yōu)勢。航空發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤、葉片是惡劣環(huán)境下服役的零部件的典型代表，對其強韌性、疲勞性能、可靠性及耐久性的要求十分嚴格，采用等溫鍛造技術可顯著改善鍛件的微觀組織和使用性能，從而提高鍛件組織性能均勻性和流線完整性。目前發(fā)達國家已廣泛采用等溫鍛造技術生產發(fā)動機關鍵鍛件，其航空發(fā)動機盤件中90%以上采用等溫鍛造技術生產。但是目前我國工藝生產的鍛件重量平均比國外重10%~20%，大型鍛件的材料利用率一般只有10%~15%，等溫鍛造工藝穩(wěn)定性問題亟待解決。我國對等溫鍛造技術的研究起步于20世紀70年代末期，除北京航空材料研究院、西北工業(yè)大學等科研單位參與外，諸如中航重機旗下的陜西宏遠和貴州安大也參與研發(fā)。目前陜西宏遠建設有省級技術中心及計算機輔助中心，在等溫鍛模具設計與制造、等溫鍛技術開發(fā)等領域具備國內領先的研發(fā)優(yōu)勢。2.1.3數(shù)值模擬技術數(shù)值模擬技術帶來降本優(yōu)勢，國內廠商著力提升仿真工藝。鍛造過程數(shù)值模擬技術是借助高速發(fā)展的計算機技術和現(xiàn)代數(shù)值算法，將實際的鍛造過程進行模型化，優(yōu)化工藝方案，從而減少原材料的損耗以減低成本。目前，有限元法等數(shù)值模擬技術在發(fā)達國家鍛造領域的應用十分普遍，但是我國多數(shù)企業(yè)還是沿用傳統(tǒng)的經(jīng)驗方式進行新品的試制，效率低下，成本較高。重機、航宇、派克均著力發(fā)展數(shù)值模擬技術：重機于2021年募投于西安建設數(shù)值仿真模擬中心；派克正在研究鍛造成形過程的計算機數(shù)值模擬技術，有望將環(huán)鍛件的成形精度由傳統(tǒng)的5‰～10‰提高到1‰～3‰；航宇已將數(shù)值模擬技術應用于多臺階異形截面高溫合金機匣的穩(wěn)定生產中。2.1.4大型復雜構件整體精密鍛造技術大型復雜構件整體精密鍛造技術成為減輕鍛件結構重量、降低制造成本、縮短制造流程的重要工藝，國內企業(yè)著力縮小與發(fā)達國家間差距。目前鈦合金整體結構件已廣泛應用于發(fā)達國家大型整體隔框鍛件，國外先進軍用飛機上已有40%左右的結構重量為整體鈦合金構件。我國近年逐步引進萬噸級以上模鍛水壓機推動國內工藝發(fā)展如，德陽二重的800MN模鍛液壓機，西安三角防務的400MN模鍛液壓機，包括陜西宏遠鍛造的360MN模鍛生產線。目前，國內高端航空鍛件生產商已掌握整體鍛造技術，如航宇科技部分大型復雜異形環(huán)件的整體近凈成形技術已達到國際同類先進水平。2.2鍛造行業(yè)屬資本密集型行業(yè)，加工設備對產品性能起決定性作用由于特種合金材料具有較強的特殊性，決定了其加工設備必須具備較高的性能，比如制造大型鍛件需要萬噸自由鍛造壓力機。由于智能化生產線需要大量的資金投入，國外先進的生產設備通常是國產設備價格的3-5倍以上，所以資金規(guī)模構筑了高端鍛件制造業(yè)的高進入壁壘。目前，中航重機擁有各類國內外先進水平設備近千臺，是國內大型的精密軋制和特種鍛造基地；派克新材現(xiàn)擁有3600T油壓機、3150T快鍛機等多臺壓力機，并募投購臵7000T自由鍛液壓機和精度更高的數(shù)控碾環(huán)機；航宇科技擁有2500T液壓機，6300T液壓機與8MN快鍛液壓機組等先進設備，并覆蓋多種尺寸精度的輾環(huán)機；三角防務目前擁有的400MN模鍛液壓機是目前世界上最大的單缸精密模鍛液壓機，可以滿足目前在研、在役的先進飛機、航空發(fā)動機中的大型模鍛件生產。2.3高端金屬結構材料依賴進口，上游工藝與發(fā)達國家差距顯著航空鍛件行業(yè)使用的主要原材料占主營業(yè)務成本比例較高，原材料價格波動對行業(yè)生產經(jīng)營構成重大影響。目前國內鍛造行業(yè)用原材料發(fā)展不均衡，普通鍛造的材料如碳鋼、普通的合金鋼和不銹鋼產能充足、品類豐富、質量相對穩(wěn)定，而特殊鍛造用材如高溫合金、鈦合金、航空航天用鋁合金等高端材料則存在研發(fā)水平欠缺、質量不穩(wěn)定等問題，導致部分品類仍全部依賴進口。高溫合金品質對發(fā)動機質量有顯著影響，發(fā)達國家牢牢掌握工藝話語權。高溫合金的研制在國際上主要在德國、英國、美國、日本、俄羅斯等國家之間展開，制備工藝從變形高溫合金、鑄造高溫合金逐步升級至粉末冶金高溫合金、定向凝固等技術，推動其工作溫度范圍逐漸升高，促進了航空發(fā)動機性能進步。但是目前我國高溫合金從業(yè)企業(yè)數(shù)量少，整體技術水平較國外龍頭企業(yè)仍有較大差距，整體產能和實際有效產能較小，這極大影響了我國鍛造行業(yè)的發(fā)展。3.需求端：3.1產業(yè)競爭格局情況我國鍛件產能持續(xù)保持高位。據(jù)派克新材招股說明書援引中國鍛壓協(xié)會，2015年我國鍛件產量為1005萬噸，占全球總產量39%，大幅超過其他國家份額。2020年我國鍛件產量則高達1349.2萬噸，已連續(xù)多年成為全球鍛件的第一大生產國和消費國。從全球鍛造行業(yè)來看，我國產量占比大（15年數(shù)據(jù)），但德國、美國、俄羅斯為代表的發(fā)達國家在原材料、裝備水平、鍛造技術和工藝等方面均處于世界領先地位。我國鍛造行業(yè)在原材料、熱處理工藝、鍛造工藝優(yōu)化等方面與發(fā)達國家仍存在一定差距，在鍛造行業(yè)的工藝數(shù)據(jù)庫、材料數(shù)據(jù)庫及軟件開發(fā)仍與國外領先技術存在一定差距，基本處于空白，制約了我國鍛造行業(yè)的快速發(fā)展。從國內市場看，我國鍛造企業(yè)數(shù)量眾多，競爭比較激烈，大部分鍛造企業(yè)主要從事普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼材料等鍛件的生產，對高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金等特種合金材料的加工能力整體不足、產品技術含量及附加值相對較低、工藝水平相對落后。國內骨干鍛造企業(yè)數(shù)量約460家，企業(yè)平均產量較低。大部分企業(yè)雖然設備數(shù)量和種類較多，但是先進設備所占比例小，而高精、高效專用設備則更少。我國航空鍛造行業(yè)在鍛造設備投入和萬噸級設備總量上已躍居世界第一位。從事航空鍛造的企業(yè)在技術、產量、質量和生產管理方面，都達到了國家有關法規(guī)、規(guī)章和相關標準的規(guī)定要求，許多企業(yè)按照民用飛機適航條例的嚴格規(guī)定，成為了國內外飛機和發(fā)動機公司合格的鍛件供應商。自此，我國航空鍛造企業(yè)不僅成為國內軍、民用飛機和發(fā)動機鍛件的研發(fā)、生產、供應者，并且有能力開拓海外市場。我國大型自由鍛件從料到制造，掌握大鍛件關鍵技術。材料方面，大型鍛件需要大型鋼錠，近幾年國內采用“鋼坯構筑技術”制造大型鍛件毛坯取得進展。在鍛造技術方面，我國研究并掌握了大型鍛件細化晶粒、大型鍛件性能熱處理等技術，對于大型奧氏體不銹鋼主管道鍛造研究成果已成功推廣應用到“三代”華龍一號主管道制造，形成穩(wěn)定、批量制造能力。大型環(huán)形鍛件技術領先，尤其是近16m直徑大型法蘭鍛件填補了世界空白，滿足了全球海上風電快速發(fā)展需求及核電發(fā)展的需要。3.2軍用：戰(zhàn)略空軍階段，軍機換裝列裝提速發(fā)展戰(zhàn)略空軍推動軍機換裝列裝提速，將帶動軍用航空發(fā)動機市場增長。我國空軍已進入發(fā)展“戰(zhàn)略空軍”階段，但目前仍與美國等軍事大國存在較大差距。同時，隨著我國航母事業(yè)的快速發(fā)展，我國未來將形成一定規(guī)模的海軍艦載機隊。截至2020年，我國各種現(xiàn)役飛機型號有十幾種，同時據(jù)FlightGlobal發(fā)布的《WorldAirForces2021》,我國海陸空各軍種軍機數(shù)量共計3260架，約占世界軍機數(shù)量比重6%，但對比美國仍差距巨大。同時，中國戰(zhàn)斗機中大量存在著殲-7、殲-8等老舊二代機型，未來存在較高的升級換代需求。3.3民用：C919等國產商用科技規(guī)?；桓?，民用市場前景可期C919等國產商用客機的規(guī)?；桓兑约叭蛲屏ψ畲蟮纳逃煤娇瞻l(fā)動機GE9X訂單增長彰顯境內外民品市場增長潛力。根據(jù)航宇科技招股書援引波音公司發(fā)布的《CommercialMarketOutlook2019-2038》與航宇科技招股書援引空客公司發(fā)布的《AirbusGlobalMarketForecast2018-2037》預測市場價值的平均值計算，按照航空發(fā)動機占飛機整機價值20%、航發(fā)環(huán)形鍛件占航空發(fā)動機價值的6%計算，未來20年全球航空發(fā)動機環(huán)形鍛件市場價值約為831.6億美元，市場前景可期。全球商用發(fā)動機市場被GE、羅羅、惠普等壟斷，且這三家企業(yè)及他們的合資企業(yè)將在未來持續(xù)領先民用航空發(fā)動機市場。根據(jù)航宇科技招股書基于商用飛機巨頭波音及空客的預測市場價值的平均值計算，按照航空發(fā)動機占飛機整機價值20%的比例保守估計，未來20年航空發(fā)動機新裝市場價值約為1.26萬億美元，備用航發(fā)市場價值約為1260億美元，新增航發(fā)市場總計約為1.386萬億美元。我國長期以來以軍用發(fā)動機為發(fā)展核心（航發(fā)動力是主要發(fā)動機制造商），商用航空發(fā)動機相對落后，不論國產還是進口客機一般均使用進口發(fā)動機。不過由于C919等國產客機逐步交付，中長期市場增長潛力較大。根據(jù)航宇科技招股書援引《上海市民用航空發(fā)動機產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2012-2030年）》，未來20年我國商用航空發(fā)動機需求量約1萬臺，價值約1000億美元。按照環(huán)形鍛件占航空發(fā)動機價值的6%計算，未來我國商用航空發(fā)動機環(huán)形鍛件市場價值每年約為3億美元?！吨袊田w公司市場預測年報（2021-2040）》年報指出，基于全球經(jīng)濟到2040年保持年均約2.6%的增長速度，預計未來二十年全球將有超過41429架新機交付，價值約6.1萬億美元（以2020年目錄價格為基礎），用于替代和支持機隊的發(fā)展。到2040年，預計全球客機機隊規(guī)模將達到45397架。4.供給端4.1國外廠商國外發(fā)達國家的鍛造產業(yè)成熟，具有全產業(yè)鏈優(yōu)勢，技術上對成形技術的要求越來越高，塑性成形技術向精密、整體、復雜、高性能、高可靠、低成本方向發(fā)展。如美國航空工業(yè)中的精密模鍛件占零件品種的80％以上，俄羅斯占到70%~75%，日本占到63.9%，精密數(shù)控臥式輾環(huán)機等大型設備是其重要的工業(yè)設備且其所需原材料具有稀有性。目前以美國為代表的發(fā)達國家在環(huán)件精密輾軋技術、鈦合金和高溫合金等難變形材料整體復雜構件的等溫鍛造技術以及精密熱模鍛造技術等方面形成了領先的技術優(yōu)勢。目前CARLTON、DONCASTERS等知名鍛造企業(yè)基本已形成原材料、熔煉合金、鍛造成形、機加、裝配等完整的航空零部件產業(yè)鏈條。PCC以鑄件起家進入航空領域，通過收購增加鍛件和結構件業(yè)務實現(xiàn)業(yè)務快速增長，后收購高鎳合金企業(yè)SpecialMetals和鈦金屬生產商TIMET實現(xiàn)進一步的降本增效。1959年PCC在開發(fā)允許更大鑄件的新熔模鑄造技術時經(jīng)歷了重大突破，1967年PCC與GE簽訂了TF39發(fā)動機部件的供應合同，后與普惠簽署了JT9D商用發(fā)動機的大型結構鑄件協(xié)議。由此，精密鑄件公司成為航空領域的重要參與者。1999收購Wyman-Gordon，成為公司鍛件的主要生產商，2006年PCC收購SpecialMetals，該公司當時發(fā)明了70多種行業(yè)領先的合金并獲得了專利，其中許多是為航空航天和其他行業(yè)中最艱巨、最關鍵的任務服務而設計的。2013收購TIMET，成功將重要的原材料鈦金屬的美國最大的生產企業(yè)吸收進入集團內部。國外龍頭鍛造企業(yè)固定資產占資產比率相對較低，絕對值遠大于國內龍頭企業(yè)，全產業(yè)鏈布局有效的平緩毛利率波動。以PCC為例，15年公司的固定資產已達到152億元，占資產比率12%并且呈現(xiàn)下降趨勢，而中航重機2021年的固定資產達到24億元，占資產比率12.18%。從毛利率來看PCC收購了SpecialMetals和TIMET，向上游拓展布局了材料，所以毛利率相對來說比較穩(wěn)定，并且高于同期中航重機的毛利率，而中航重機受上游價格波動影響相對來說會比較大。HWM前身為美國鋁業(yè)，可以生產90%以上的航空發(fā)動機部件，發(fā)明超過90%的已用于飛行的鋁合金。美國鋁業(yè)集團于2016年收購世界知名航空發(fā)動機無縫環(huán)形鍛件供應商FIRTHRIXSON后組建成立ArconicInc并獨立上市。2020年4月Arconic分拆為Arconic和HWM兩家獨立的上市公司。HWM專注于航空發(fā)動機和國防應用所需的噴氣發(fā)動機部件、航空航天緊固系統(tǒng)和鈦結構部件，以及商業(yè)運輸用的鍛造車輪。公司的產品支持系統(tǒng)遍布空中、海上和地面雷達和航空航天市場。4.2國內廠家財務特點：重資產、盈利水平高、客戶集中度高、占款能力一般但在優(yōu)化發(fā)動機鍛件具有