航空發(fā)動機渦輪葉片材料的使用與發(fā)展方向

目錄渦輪葉片是航空發(fā)動機重要零部件 4渦輪葉片材料技術不斷發(fā)展 7高溫合金是制造渦輪葉片的重要材料 7變形溫金用渦葉片料 10鑄造溫金漸為流 10定向固術渦葉性能到高 單晶溫金展速獲得泛用 錸被加入高溫合金用于渦輪葉片制造 12CMC材料有望成為輪葉片材料發(fā)展方向 14CMC料較溫金有優(yōu)勢 14CMC料被泛究應用 16飛機數量預期增長帶動航發(fā)及渦輪葉片需求 18相關標的 21應流股份 21萬澤股份 23煉石航空 26風險提示 29圖表目錄圖1：民用客機各分值量占比 4圖2：航空發(fā)動機類 4圖3：渦扇發(fā)動機構 5圖4：航空發(fā)動機部價值量占比 6圖5：GE公司發(fā)動機結構 6圖6：航空發(fā)動機材的應用 8圖7：高溫合金市份（基體元素） 9圖8：高溫合金市份（制備工藝） 9圖9：航空發(fā)動機輪片材料發(fā)展歷程 10圖10：等軸晶、定向凝、單晶高溫合金葉晶結構對比 12圖各代單晶高溫合中錸用量及使用溫度 13圖12：2016-2022年全球錸產量 13圖13：2022年全球錸產分布 13圖14：2016年至今錸價格 14圖15：飛機中復合材料用量 15圖16：SiCf/SiC復合材制造的中心錐 15圖17：陶瓷基復合材料在使用位置 16圖18：CMC材料在航發(fā)動機熱端部件中應用 17圖19：GE9X發(fā)動機中用CMC材料的部件 18圖20：2021年中美軍機量對比 18圖21：2017-2022年中國軍費支出 18圖22：2017-2022年中國航空發(fā)動機市場規(guī)模 20圖23：2016-2023E中國空發(fā)動機葉片市場模 20圖24：2017-2022年應流股份主營業(yè)務變化 21圖25：2022年應流股份營構成 21圖26：2017-2023Q1應流股份營業(yè)收入 22圖27：2017-2023Q1應流股份歸母凈利潤 22圖28：2017-2022年應流股份航空航天新材及部件業(yè)務營業(yè)收入 22圖29：2019-2022年萬澤股份主營業(yè)務變化 23圖30：2022年萬澤股份營構成 23圖31：2019-2023Q1萬澤股份營業(yè)收入 24圖32：2019-2023Q1萬澤股份歸母凈利潤 24圖33：2018-2022年萬澤股份高溫合金業(yè)務業(yè)入 26圖34：Gardner產品及用機型 26圖35：成都航宇產品 27圖36：2022年煉石航空營構成 27圖37：2019-2023Q1煉石航空營業(yè)收入 28圖38：2019-2023Q1煉石航空歸母凈利潤 28圖39：全球航空制造業(yè)步恢復 29表1：航空發(fā)動機片類 7表2：高溫合金主產及應用領域 9表3：各代發(fā)動機輪片材料對比 10表4：各代單晶高合成分 12表5：鎳基高溫合和瓷基復合材料對比 16表6：未來20年中國軍需求預測 19表7：未來20年中國民需求預測 19表8：航空發(fā)動機輪片主要生產企業(yè) 21表9：萬澤股份高合技術改造項目 25渦輪葉片是航空發(fā)動機重要零部件20%-30%圖1：民用客機各部分價值量占比數據來源：，未來智庫圖2：航空發(fā)動機分類數據來源：，前瞻產業(yè)研究院圖3：渦扇發(fā)動機結構數據來源：，兩機動力控制CFM5635%。圖4：航空發(fā)動機各部件價值量占比數據來源：，CNKI按照部件劃分，航空發(fā)動機葉片可分為風扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片。按照運動方式劃分，航空發(fā)動機葉片可分為動葉和靜葉。風扇和壓氣機的靜葉稱作整流葉片，渦輪的靜葉稱作導向葉片，渦輪盤上的動葉稱作工作葉片。圖5：GE公司F110發(fā)動機結構數據來源：，立鼎產業(yè)研究網表1：航空發(fā)動機葉片分類類型 細分類型 加工方式 成本 功能 價值占比將進入發(fā)動機的空氣鈦合空葉片 超塑性成型/擴散連接技

風扇葉片由于葉片半徑

進行初步壓縮，壓縮后的氣體分為兩路，一路風扇葉片

樹脂基復合材料葉片

術、3D編織

較大，單價

進入內涵道進行繼續(xù)

26% 結、工

雖高，但用

壓縮，另一路進入外涵鈦基復合材料葉片

藝成型 量

道直接高速排出，產生推力低壓級

超塑性成型/鈦合空葉片 擴散連接技術、3D編織

半徑較大，且為空心葉片，成本在壓氣機葉片

鈦基復合材料葉片

結/RTM、工藝成型

萬元級 對進入內涵道的空氣

11%高壓級渦輪葉片

鈦合金實心葉片高溫合金實心葉片鎳基、鎳鋁基鑄造高溫合金空心葉片

密加工精密鑄造

成本相對較低，在百元至千元級單價高，用量大

燃燒室膨脹減壓,使燃氣化學 63%能轉化為渦輪機械能數據來源：，觀研報告網渦輪葉片材料技術不斷發(fā)展高溫合金是制造渦輪葉片的重要材料10%10渦輪進口平均溫度達到1600℃，預計未來新一代發(fā)動機的渦輪進口溫度有望達到1800℃自20（（）（）圖6：航空發(fā)動機中材料的應用數據來源：，圖南股份招股說明書600℃14.3（8%）和鈷基高溫合金（5.%。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達到（7（20（10表2：高溫合金主要產品及應用領域類型 產品 應用領域高溫金合金 主要應航航發(fā)機船發(fā)精鑄生產等軸精鑄制品 應用航航發(fā)機燃氣機汽車鑄造高溫合金

精密鑄造合金制品

等領域不銹合精件 應用船、達領等軸葉片高溫合金葉片

定向凝固葉片單晶葉片

各類航空發(fā)動機和高溫合金葉片可用于制作-253-900℃之間特殊環(huán)境下使用的渦輪盤鍛件、葉片等轉動部件及機變形高溫合金

高溫合金盤鍛件高溫合金棒材、板帶材、管材、絲材

應用于航空、航天、能源、石油、化工、勘探、核工業(yè)、冶金、機械、電力及玻璃建材等領域高溫金件 應用燃室筒和蘭部件可生產高溫合金渦輪盤、軸類鍛件；高均高均質渦輪盤

質化、長壽命高溫模具材料及各種規(guī)格高速鋼棒材司太耐制品 適用核、化電、汽、化工食等多域粉末高溫合金 高品金粉末 應用航天能石學等領域數據來源：，鋼研高納官網圖7：高溫合金市份（基體元素） 圖8：高溫合金市份（制備工藝）數據來源：，華經產業(yè)研究院 數據來源：，華經產業(yè)研究院2040800℃205020601000℃2070圖9：航空發(fā)動機渦輪葉片材料發(fā)展歷程數據來源：，《重型燃氣輪機熱端部件材料發(fā)展現狀及趨勢》表3：各代發(fā)動機渦輪葉片材料對比第二代第三代第四代第五代推重比4-67-89-1012-15渦輪前溫度1300-1500K1680-1750K1850-1980K2100-2200K典型發(fā)動機斯貝MK202F100，F110F119，EJ200—服役時間20世紀60年代20世紀70年代20世紀末2018-2025渦輪結構 實心片 氣模卻心葉片

復合卻心片 雙層超/冷渦輪葉片葉片材料 定向固溫金 第一單合金 第二單合金 第三單合、金屬間化合物數據來源：，《航空發(fā)動機渦輪葉片材料的應用與發(fā)展》0世紀0Mond20%Cr-80%Ni電熱合金中添加了少量C研制Nimonic75AlNimonic801942Nimonic、Inconel、Udimet2050（1（（經接近極限，通過調整合金成分來提升合金性能的空間已變得十分有限，因此必須通過采用新工藝，如定向凝固技術來提升合金性能。200℃單晶高溫合金是在等軸晶和定向凝固高溫合金基礎上發(fā)展起來的一類先進發(fā)動機20801030℃、ReneN4803%30℃1060℃ReneN5CMSX-10ReneN65%EP102和13TMS-162、TMS-238。圖10：等軸晶、定向凝固、單晶高溫合金葉片晶體結構對比數據來源：，材易通表4：各代單晶高溫合金成分CrCoMoWAlTiNbTaReRuHfNiDD39.553.85.25.92.1—————bal第一代ReneN498263.74.20.54———balCMSX-2850.685.61—6———balDD64.39285.6—0.57.52—0.1bal第二代ReneN578256.2——73—0.2balCMSX-46.590.665.61—6.53——balDD94.3726.55.6—0.57.54.5—0.1bal第三代ReneN64.212.51.465.75——7.25.4—0.15balCMSX-10230.455.70.2—86—0.03bal第四代EPM102216.5265.55——85.9530.15balTMS1383.25.82.95.95.8——5.6521bal第五代TMS16235.83.95.85.8——5.64.960.1bal第六代TMS2384.66.51.145——7.66.450.1bal數據來源：，湖南錸因錸被加入高溫合金用于渦輪葉片制造（o）γ1nmDD3DD6添加2%DD94.5%DD9DD6TMS2386.4%。圖11：各代單晶高溫合金中錸用量及使用溫度數據來源：，材易通2023582.52%2950%9.59、4.9、2.82.516.4%、15.5%、8.4%4.8%4.3%圖12：2016-2022年全球錸產量 圖13：2022年全球錸產分布數據來源：，USGS 數據來源：，USGS2016年至今，雖然錸價格整體呈逐步下降的趨勢，但當前仍然達到了17000元/千克，全球錸資源儲量及產量的稀缺使其價格一直維持在較高水平?？紤]到我國錸資源較為稀缺，較高的價格使得含錸單晶高溫合金十分昂貴，制造成本壓力大增，對其在航空航天領域的應用形成一定程度的阻礙。圖14：2016年至今錸價格數據來源：，（TCP）TCP210g（O）PCMCCMC（CNN圖15：飛機中復合材料的用量數據來源：，3D打印技術參考CCCf/SiCSiCf/SiCCf/SiCSiCf/SiCSiCf/SiC圖16：SiCf/SiC復合材料制造的中心錐數據來源：，《航空動力》與鎳基高溫合金相比，SiCf/SiC（1）更高的承溫能力：SiCf/SiC150℃（CC3gc1-13（CCSiCf/SiC（）表5：鎳基高溫合金和陶瓷基復合材料對比鎳基高溫合金陶瓷基復合材料密度7.9-8.4g/cm32-3.2g/cm3最高耐溫有氣冷1450℃1650℃無氣冷1100℃1200℃高溫穩(wěn)定性1050℃后急劇變軟比強度和比模量與溫度正相關抗氧化性能一般具有良好的高溫抗氧化性能結構強度各向同性單方向抗拉強度極高表面特性單晶、光滑致密光潔表面需較強編織工藝數據來源：，立鼎產業(yè)研究網SiCf/SiCSiCf/SiCSiCf/SiCSiCf/SiC（圖17：陶瓷基復合材料潛在使用位置數據來源：，立鼎產業(yè)研究網CMC2050CMCSnecmaGE1979CMCHITEMP、HSR-EPM/CPCUEETERA等計CMCAST計劃、法國ASTFAMGCMC材2090SnecmaCERASEPCMCM-88CMCHyper-ThermHTCCMC圖18：CMC材料在航空發(fā)動機熱端部件中的應用數據來源：，《陶瓷基復合材料在航空發(fā)動機熱端部件應用及熱分析研究進展》關于航空發(fā)動機中CMCCFMLEAPLEAP-1A和LEAP-1B320neo737MAX則是中國C9192020777X的發(fā)動機GE9X輪部分采用了CMC圖19：GE9X發(fā)動機中使用CMC材料的部件數據來源：，《航空動力》飛機數量預期增長帶動航發(fā)及渦輪葉片需求AirForces202220211324625%3285架。201710211202214500CAGR7.27%。2029002290億美元。圖20：2021年中美軍機量對比 圖21：2017-2022年中國軍費支出數據來源：，《WorldAirForces2022》 數據來源：，前瞻產業(yè)研究院表6：未來20年中國軍機需求預測機型 飛機數量（架） 平均單價（萬美元） 合計（億美元）四代輕4004000160戰(zhàn)斗機四代重40011250450五代輕3009000270五代重30014000420中型運輸機200200040大型運輸機40015000600大飛機中型加油機100100010大型加油機100400040中型特種飛機100500050大型特種飛機10015000150教練機5002000100合計2900—2290數據來源：東北證券，觀研報告網10-20205090841.4機型飛機數量（架）價值合計（億美元）渦扇支線客機953單通道噴氣客機629514000雙通道噴氣客機1836合計9084機型飛機數量（架）價值合計（億美元）渦扇支線客機953單通道噴氣客機629514000雙通道噴氣客機1836合計9084數據來源：，觀研報告網2020393.6727.13%2022478.27.31%。圖22：2017-2022年中國航空發(fā)動機市場規(guī)模數據來源：，觀研報告網2016-2022893.41253.7CAGR5.81%2023模將進一步增長至1321.3億元。圖23：2016-2023E中國航空發(fā)動機葉片市場規(guī)模數據來源：，觀研報告網表8：航空發(fā)動機渦輪葉片主要生產企業(yè)公司國家渦輪葉片生產情況GE美國在美國擁有渦扇發(fā)動機葉片工廠普惠美國在美國擁有渦扇發(fā)動機葉片工廠賽峰法國在法國擁有渦扇發(fā)動機葉片工廠羅羅英國在英國擁有渦扇發(fā)動機葉片工廠PCC美國最大的獨立渦輪葉片供應商應流股份 中國 主要品括溫金片機等應于同型燃輪機和個號空動機江蘇永瀚 中國 專注航發(fā)輪機等定晶溫合渦輪葉片及熱端部件的研制和生產萬澤股份 中國 注溫金料核部件研制造主產包括鑄造葉片、高溫合金粉末盤件、高溫母合金及其合金粉末煉石航空 中國 公司要務航精零部結件生銷股子公司成都航宇主要生產含錸高溫合金葉片北京航材院（航材份） 中國 公司備進等定晶金精造工研究能力，和先進的大尺寸空心無余量精鑄件的制備能力數據來源：，各公司官網相關標的應流股份2017-2022202252.7%、14.8%、28.5%。圖24：2017-2022年應流股份主營業(yè)務變化 圖25：2022年應流股份營構成數據來源：， 數據來源：，2022年，公司實現營業(yè)收入21.98億元，同比增長7.73%；實現歸屬于上市公司股4.0273.75%。20236.0716.12%0.81圖26：2017-2023Q1應流股份營業(yè)收入 圖27：2017-2023Q1應流股份歸母凈利潤數據來源：， 數據來源：，284125GE202240GE4930項；2022年，6.2622.62%。公圖28：2017-2022年應流股份航空航天新材料及零部件業(yè)務營業(yè)收入數據來源：，萬澤股份（1）（3）（4）20192019-202296.93%74.77%2.68%22.71%。圖29：2019-2022年萬澤股份主營業(yè)務變化 圖30：2022年萬澤股份營構成數據來源：， 數據來源：，2022年，公司實現營業(yè)收入7.94億元，同比增長21.04%；實現歸屬于上市公司股東的凈利潤10171.91萬元，同比增長6.74%。2023年一季度，公司實現營業(yè)收入2.81億元，同比增長106.62%；實現歸屬于上市公司股東的凈利潤5850.63萬元，同比增長79.16%。圖31：2019-2023Q1萬澤股份營業(yè)收入 圖32：2019-2023Q1萬澤股份歸母凈利潤數據來源：， 數據來源：，202275989.2820224267.463893.222023351906.432023造項目，以提升重點產品的生產能力和產品質量，計劃首期投資總額為6.97億元。表9：萬澤股份高溫合金技術改造項目項目名稱 實施主體 項目內容 項目目標 投資金額（萬元）精密鑄造線擴產擴 上海能建設

新增關鍵設備135臺套、設施44臺套14857.38

E廠房調線：具備年產600萬件汽車渦輪、24萬件人工關節(jié)、12萬件高端不銹鋼件交付能力FXX12萬XX3.4XX9000XX單晶/1.5單晶/定向導向葉片2700件、其他等軸結構件7600件G廠房擴產：年產增加3萬件鈦合金產品

21000科研生產基礎設施二期建設

深汕萬澤

344739.27平方米

供基礎設施

18500檢測工程中心設備、設施建設

深汕澤 新增化析測設備39

建成家檢工中心 1600粉末冶金擴產擴能建設精密鑄造線擴產擴

深汕澤 新增鍵備4臺設施1臺套新增關鍵設備288臺

200噸、粉末渦輪盤件100件的產能3

6500能建設 深汕

31

82萬件的產能

21600型芯研發(fā)條件建設 深汕澤 新增鍵備19套 為單、軸輪片密鑄件批產提供型芯保障

500合計 69700數據來源：，公司公告2018-2022924.41萬元快速增長至18031.69萬元，XX高溫合金產品產能及產品質量的技術改造項目能進一步擴大公司高溫合金高端產圖33：2018-2022年萬澤股份高溫合金業(yè)務營業(yè)收入數據來源：，4.3. 煉石航空GardnerAerospaceHoldingsLimitedGardner，該公司主要是制造加工各種航空器相關GKNRUAGSpirit圖34：Gardner產品及應用機型數據來源：，Gardner官網圖35：成都航宇產品數據來源：，成都航宇官網2010201320173.26Gardner202295%1%。圖36：2022年煉石航空主營構成數據來源：，2019-20224Gardner9.882019-202219.812.3620233.6324.32%-0.882022-3.91圖37：2019-2023Q1煉石航空營業(yè)收入 圖38：2019-2023Q1煉石航空歸母凈利潤數據來源：， 數據來源：，202352023年度向特定對象發(fā)行A（2.0110.9億元，公司在扣除