一、航空发动机产业链

一、航空发动机产业链

航空发动机产业链包括研发设计、原材料制备、零部件制造、分系统制造、整机装配、整机试验和维修保障等环节；我国目前已基本建立了完整的航空发动机研制和生产体系。

航空发动机产业链

资料来源：安信证券研究中心

航空发动机全产业链供应商

1、整机

军用发动机研制以中国航空发动机集团有限公司（以下简称“航发集团”）为主导，自研太行发动机已量产。军用发动机方面，太行发动机目前主要用于装备中国第三代战斗机，其性能指标与美军F-16战机F110发动机相当，这意味着未来太行发动机有可能逐步取代俄制AL-31F，装备歼-10、歼-11、歼-15、苏-27等战机。当前涡扇-10处于量产过程，且质量稳定性提升，适合我国四代、五代机的涡扇-15发动机仍在研制过程中，但距离正式配装还较为遥远。我国短期内很难摆脱依赖进口发动机局面，国产发动机竞争力不足的现象将长时间存在。

近年国家持续推进军民融合项目开展，鼓励民企参与军工产品竞争，开始引入市场竞争机制，军工产品生产逐步与市场接轨。客户对军工产品及服务质量提出了更高的要求，这进一步加剧了国内军工企业与有实力、有资质民企间的竞争。虽然目前尚没有可以独立制造发动机整机的民企，但未来可能性依然存在。同时我国也在海外积极寻求并购机会，如中航国际于2011年收购美国大陆航空活塞发动机公司。

商用航空发动机方面，航发商发成立，尚不具备自主研制能力，目前主要承接外国公司转包业务。商发公司于2009年成立，目标是提供商用大涵道比涡扇发动机系列产品及相应服务，商发总经理冯锦璋2017年8月透漏，“长江1000（CJ-1000A）”发动机将近期完成总装下线，装配C929的“长江2000（CJ-2000）”发动机也正在进行大部件、大单元体的试制和试验。我国民用发动机起步晚，发展道路也将更加漫长。

2、原材料

根据Global Commercial Aero Turbofan Engine Market数据，镍合金、钛合金和特钢是航空发动机的主要材料，分别占比40%，30%及25%。陶瓷基复合材料等新兴材料，因其优良属性而在未来有着巨大的应用空间。

2.1 高温合金：先进发动机的基石

高温合金一般是指以铁、镍、钴为基体元素，能在应力及高温（600℃以上）同时作用下，依然具备良好工作性能的金属材料。航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关，高温合金是推动航空发动机发展的最为关键的结构材料。军用航空发动机通常可以用其推重比来综合地评定发动机的水平。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，因此高温合金材料的性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。随着航空装备的不断升级，对航空发动机推重比的要求不断提高，发动机对高性能高温合金材料的依赖越来越大。

高温合金主要用于发动机四大热端部件：燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

航空发动中高温合金应用部位（红色部分代表高温合金）

资料来源：新材料在线

高温合金行业需要依托强大的生产和研发技术方能保障企业的正常运行，同时该行业无论军品和民品均涉及到产品认证问题，特别是军品的认证，周期长，审核严，可以说为该行业构筑了天然的进入壁垒，国内外能够形成较为完善产业链的国家也仅有美国、英国、德国、法国、俄罗斯和日本等少数国家，从事高温合金的企业全球范围内也仅有50家左右。

美国在高温合金研发以及应用方面一直处于世界领先地位，年产量约为50000吨，其中近50%用于民用工业。欧盟国家中英、德、法是世界上主要的高温合金生产和研发代表，英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家之一。日本则在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高温合金和氧化物晶粒弥散强化高温合金领域取得较大的突破，近年来，日本一直致力于研发新型的耐高温合金，并成功开发出了在1200℃高温下依然能保持足够强度的新合金。

经过50多年发展，我国已经形成了比较先进，具有一定规模的生产基地。国内厂商主要包括钢研高纳、抚顺特钢、齐齐哈尔特钢、宝钢特钢、长城特钢、中科三耐、图南股份、炼石航空、应流股份和万泽股份等企业，这些大型钢企拥有大吨位冶炼设备以及变形加工能力，主要生产在航空航天领域用量最大的变形高温合金，因此在大批量生产高温合金母合金、板、棒、锻材上有很大的优势。

高温合金细分领域竞争格局

2.2 钛合金：低密度、高强度

钛合金是以钛为基体加入其他元素组成的合金，根据所掺杂的元素（铝、钼、钒、锆等金属）不同，钛合金可以拥有不同的特性。由于钛合金具备优良的力学性质和化学性质，可以满足先进飞机发动机高可靠性和长寿命的要求，同时能在500℃高温下长期工作，在发动机的中等温度部位（如压气机）可取代高温合金和不锈钢，主要应用于压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管、压气机叶片、轮盘和机匣等零件部位。

国际领域主要的钛合金生产商有美国钛金属公司（TitaniumMetalsCorporation）、俄罗斯（VSMPO-AVISMA）、日本东邦钛公司(TohoTitanium)、住友公司尼崎分公司等，在技术上拥有较大优势。在军用领域，由于准入条件限制，这些企业与国内企业并无竞争关系；国内市场集中度很高，2018年我国生产航空航天领域用钛销售量合计10295吨，其中宝钛股份销量4399吨，占比42.8%。

国内钛合金生产厂商

2.3 陶瓷基复合材料：制造高推重比航空发动机的理想材料

陶瓷基复合材料（CMC）是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，具有密度低、耐高温、高温抗氧化性能优异的显著优势。对于航空发动机来说，提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的主要技术途径，但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点，温度上升空间很小，因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性，可用于热端构件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高300K以上。同时陶瓷基复合材料密度小，有利于发动机减重。

CMC被视为取代航空发动机高温合金、实现减重增效“升级换代材料”之首选。

①对于军用发动机：提高推重比、降低服役成本是研制焦点。现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度达到1500℃，如F119涡轮进口温度达到1700℃左右；正在研制的推重比12~15的发动机涡轮进口平均温度超过1800℃。然而，目前耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度在1100℃左右，且必须采用隔热涂层以及设计最先进的冷却结构。因此，现有的高温合金材料体系（镍基等）已接近其使用温度的极限，难以满足先进航发的热结构用材需求；CMC工作温度高达1650℃，将成为替代航发高温合金最具应用潜力的材料。

②对于民航发动机：降低油耗、提高发动机使用寿命是研制焦点。以Boeing-787为例，使用超过50%的先进复合材料，油耗下降了20%左右。根据英国宇航专家AndrewWalker教授预测，截至2020年飞机飞行燃油成本还会进一步下降29%~31%，其中17%~19%源于发动机，特别是受益于陶瓷基复合材料的广泛应用。

国外CMC在航空发动机的应用层面已逐渐打开，呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。短期应用目标为：尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等；中期应用目标为：低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等；远期应用目标为：高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等。CMC在国外已成功应用于多款发动机型号并实现工程化生产，将成为航空发动机制造的主流趋势，市场空间巨大。国内CMC增强纤维材料研制单位有：厦门大学、国防科技大学；并且均通过产-学-研形成以下纤维供应商：火炬电子、苏州赛菲及宁波众兴新材。国防科大是国内最早研制SiC纤维的单位，已形成SiC纤维体系化的发展格局，综合性能达到或接近国外同类产品水平；厦门大学特种陶瓷先进材料实验室从2002年底开始研发SiC纤维，目前已经制得连续SiC纤维。

国内SiC纤维供应商及其产业化项目

国内CMC材料制备商：西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司、西安超码科技有限公司、中航复合材料有限责任公司等多家公司公司均有CMC相关业务。根据张立同院士2006年在第十四届全国复合材料学术会议上的论文中的表述“我国已经打破国际封锁，自主攻克了碳化硅陶瓷基复合材料构件批量制造技术，但是由于缺少高性能SiC纤维，目前只能用碳纤维代替”判断，碳化硅纤维的量产将直接推动相关CMC材料的量产，进而推动我国碳化硅陶瓷基复合材料的大量应用。

国内CMC制造商及其产品研制情况

3、零部件

航空发动机的主要零部件按其功能可以分为叶片、轮盘、轴、齿轮、钣金件和机匣等。零部件按毛坯提供方式可以分为锻件、铸件和钣金件。

（1）锻件

锻造是指对金属坯料施加压力，使其产生塑形变形的工艺。航空发动机风扇和压气机叶片、盘、轴、齿轮和部分机匣零件采用锻造工艺。①叶片锻造技术随着航空发动机工艺制造技术的发展，形成了与其他零件不同的叶片无余量精锻工艺，精锻叶片叶身不需要切削技工，只需要砂带磨削、化学铣削或精抛光；②其他盘、轴、齿轮和机匣等零件锻件以涡轮盘锻件工艺最为先进，由普通的锻造、等温锻造发展为等温锻造粉末盘。

（2）铸件

铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，获得零件或毛坯的方法。航空发动机涡轮叶片和部分机匣采用铸造工艺，其中以涡轮铸造技术最为先进。早期涡轮叶片采用变形高温合金锻造实心叶片，随着发动机涡轮前温度的提高，叶片冷却结构越来越复杂，精密铸造高温合金涡轮叶片替代了锻造涡轮叶片。涡轮叶片铸造工艺经历了等轴晶、定向晶到单晶的发展历程。晶粒在各方向上尺寸相差较小的晶粒为等轴晶，平行排列的柱状晶组织称为定向晶，单个晶体为单晶，单晶可以通过选用不同的材料和控制结晶过程获得。

（3）钣金件

钣金是将一些金属薄板通过手工或模具冲压使其产生塑性变形，形成所希望的形状和尺寸，并可进一步通过焊接或少量的机械加工形成更复杂的零件，燃烧室和喷管机匣以钣金件为主。

目前在航空发动机锻件领域，英国、美国、德国和日本走在世界前列，技术实力雄厚，依托高端的生产设备及先进的加工工艺，能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品，占据着高端市场。主要厂商有DONCASTERS、FIRTHRIXSON、FRISA和SCOTFORGE等公司。国内企业目前技术实力有所欠缺，主要生产厂商是中航重机，其占据国内航空锻造市场60%的份额，另外还有贵州航宇科技等厂商也从事锻件生产，钢研高纳也从事一部分难变形高温合金和粉末冶金盘等高端锻件生产。

在航空发动机铸件领域，常规铸件和非单晶叶片铸造以中航重机和航发动力为主；单晶叶片的铸造主要以研究机构为主，比如沉浸于这个领域已久的航材院、金属所等材料研究。近几年不少民企也积极进入这个领域，逐渐成为这个领域不可忽视的一股力量，比如万泽股份、应流股份、炼石航空等公司。

航空发动机零部件生产企业

4、叶片

叶片是航空发动机关键零件，它的制造量占整机制造量的三分之一左右，是发动机中数量最大的一类零件。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件，如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。

航空发动机叶片按部件分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。按运动方式又分为动叶和静叶。风扇和压气机的静叶称作整流器叶片，而涡轮的静叶称作导向器叶片，涡轮盘上的动叶就是工作叶片。金属材料叶片按工艺类别分，压气机叶片主要采用精密锻造工艺，涡轮叶片主要采用精密铸造工艺（高压级单晶、低压级定向晶）。

GE公司F110发动机结构

资料来源：《F110-GE-100小涵道比涡扇发动机总体结构分析》，安信证券研究中心

资料来源：《美国飞机燃气涡轮发动机发展史》、《航空燃气涡轮发动机典型制造工艺》，安信证券研究中心

4.1 民用涡扇发动机风扇叶片

随着民用涡扇发动机风扇叶片涵道比增加直径逐渐增大，风扇叶片减重成为了发展重点。为了降低风扇噪声，民用涡扇发动机风扇一般为单级低压比设计，出口温度低，适合用于低温环境的低密度高比强度的树脂基复合材料实心叶片正在替代钛合金空心叶片成为主流。

经过数十年技术积累的GE和Snecma公司，已经基本完成了在复材风扇方面的专利布局。英国罗-罗公司目前正将目光从其涡扇发动机上长期应用的钛合金空心风扇叶片移开，转而研制碳纤维增强复合材料风扇叶片。该公司与吉凯恩集团(GKN)一起碳纤维风扇叶片试验件，有望在2020年前应用于TRENT-XWB之后的下一型新发动机。我国对3D编织结构/RTM工艺成型的大量研究始于20世纪90年代初，在航空发动机叶片上的应用更是最近几年才开始。

4.2 军用涡扇发动机风扇叶片和压气机低压级叶片

军用小涵道比涡扇发动机为了在迎风面积限制条件下提高外涵流量，一般采用多级高压比设计，叶片直径和工作环境与压气机前几级基本相当，材料与工艺的选用基本相同，主要选用钛合金空心叶片，目前钛基复材空心叶片正在研发中。

空心叶片主要采用超塑性成型/扩散连接技术（SPF/DB）。超塑性成型/扩散连接技术是金属毛坯在一次加热过程中同时完成扩散连接和超塑性成形的组合方法。超塑性通常是指材料在拉伸条件下表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂的现象；扩散连接是指在一定的温度和压力下，经过一定时间，连接界面原子间相互扩散，实现的可靠连接。

钛合金空心叶片超塑性成型/扩散连接技术（SPF/DB）由R&R公司首先研发成功，应用于RB211发动机上，随后PW公司也开发了此项技术。PW公司目前正在研制连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料风扇叶片。我国扩散连接技术还仅仅局限在实验室基础研究和小批量生产之间，目前涡扇-15发动机采用实心钛合金风扇叶片。

4.3 压气机高压级叶片

压气机高压级叶片直径逐渐减小，主要采用实心叶片。随着压气机级数增多，压气机叶片工作温度逐渐提高，材料选用由钛合金变为变形高温合金。另外，在高压压气机末级，新型轻质耐高温Ti-Al合金将逐渐取代变形高温合金。

高压压气机叶片生产多采用精锻制坯，磨削技术精密加工成型。精锻叶片可以更完整地保持金属流线的连续，精锻叶片余量小、强度高、加工周期短、寿命长。

目前在航空发动机预叶片锻件领域，英国、美国、德国和日本走在世界前列，技术实力雄厚，依托高端的生产设备及先进的加工工艺，能够生产出大尺寸、高精度、高性能的产品，占据着高端市场。国内企业目前技术主要生产厂商是航发动力、无锡透平叶片有限公司和无锡航亚科技股份有限公司。

国内航空发动机叶片锻造企业

4.4 涡轮叶片

在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志。

涡轮低压级叶片工作温度相对涡轮高压级叶片温度较低，主要采用定向结晶铸造镍基高温合金。新型轻质耐高温Ti-Al和陶瓷基复合材料也已经在部分机型上成功应用。

推比10一级的涡轮高压级叶片工作温度达到1700℃，主要采用耐温1150℃的第三代镍基单晶铸造高温合金，空心气膜冷却结构和陶瓷涂层的使用提高了涡轮叶片基体材料的耐温水平。美国IHPTET计划开发的高温度基体材料-镍铝基单晶铸造高温合金也处于工程应用阶段。单晶高温合金已经发展到了第五代，当前主要应用为第三代。

涡轮叶片气膜冷却结构发展历程

资料来源：航空制造网，安信证券研究中心

资料来源：新浪军事，安信证券研究中心

目前单晶叶片的研制，美国、法国、英国和俄罗斯走在世界前列，美国的Howmet公司、GE公司、PCC公司以及Allison公司，英国RR公司，法国的SNECMA公司，俄罗斯的SALUT发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件。国内企业目前主要单晶叶片生产商是航发动力下属贵阳航发精密铸造有限公司。另外，民营企业也在进入叶片铸造市场，主要包括万泽股份、炼石航空、应流股份和江苏永瀚。

国内航空发动机叶片铸造生产企业

5、动力控制系统

随着航空发动机技术的不断进步和性能的不断提高,燃油与控制系统也由简单到复杂,并由液压机械控制发展到全权限数字电子控制(FADEC)。20世纪70年代初，英国开始研制数字式电子控制(FADEC)系统。美国等国家也继而纷纷进入，美国后来居上，一直处于比较领先的地位。我国从80年代初就进行了FADEC系统的研究工作,已取得了很大的进展。

动力控制系统核心部件控制器方面，航发控制作为行业龙头，已经垄断军用航空发动机控制系统领域市场份额。国内海特高新、晨曦航空等民营企业也具备一定的技术实力，试图进入市场。

动力控制系统其他部件如电缆、传感器、电机、元器件等方面，军工股上市公司有中航机电、湘电股份、航天电器、中航光电，民营企业上市公司有火炬电子、高华科技。

国内航空发动机动力控制系统生产企业

二、航空发动机价值拆分和市场空间

1、航空发动机价值拆分

航空发动机的设计思想已出现三次跳越式的转变：

①从重视性能到重视五性（适用性、可靠性、维修性、测试性、保障性）的转变；

②从重视采购费用到全寿命周期费用的转变；

③从重视效能或全寿命周期费用到二者的统一，即重视经济可承受性的转变，经济可承受性已成为现代军用航空发动机设计体系中不可缺少的重要组成部分，是各种新型号研制发展初期就必须考虑的重要指标。

航空发动机价值链条由从研发设计到售后服务的一系列环节组成。研制成本主要是在发动机演示、验证、工程制造和发展过程中产生的非重复性费用。生产成本主要是第250台发动机的成本。使用维护成本主要是直接维修成本和燃料成本。

发动机是飞机上的重要部件，一般而言，其价值占整机价值的20-30%，机型越小，发动机价值占比越高，机型越大，发动机价值占比越低。

典型民用飞机成本构成

资料来源：中国产业信息网，安信证券研究中心

战斗机成本构成

资料来源：中国产业信息网，安信证券研究中心

1.1 按生命周期拆分

航空发动机全寿命周期要经历研发、制造、使用维护三个阶段。研发阶段又分为预先研究阶段和型号研制阶段。在全寿命周期中，研发、制造、维护的比例分别为10%~20%、40%、50%左右。在和平时期，由于武器系统服役的时间更长，发动机的寿命达到15~25年，维护费用在发动机整个生命周期内的总费用占比越来越大。

（1）研发阶段

据《航空发动机-飞机的心脏》所述，航空发动机研发阶段费用按成本构成拆分，设计费用占比10%、试验费用占比50%、研发阶段制造费用占比40%。根据1990年编制的《中国航空工业技术政策》，航空发动机研发阶段按研制流程拆分，可以分为预先研究阶段和型号研制两个阶段，研发费用分别占比40%和60%，其中各子阶段研发费用占比为应用基础4%、先进部件26%、技术验证机10%、型号验证机50%、工程发展10%。

航空发动机研制阶段费用按成本构成拆分

资料来源：《航空发动机-飞机的心脏》，安信证券研究中心

资料来源：安信证券研究中心

航空发动机制造成本（不含控制系统）主要由原材料成本和劳动力成本两部分组成，分别占比在40%-60%，25%-35%。航空发动机使用的原材料主要是高温合金、钛合金，两者价值占比分别在35%、30%左右。高温合金涉及的主要材料是镍、钴金属，钛合金主要是钛。发动机应用的其他材料还包括铝合金、钢等。

航空发动机制造成本拆分

资料来源：前瞻产业研究院，安信证券研究中心

航空发动机维护费用约一半用于购买航材,发动机大修和零部件修理费用占比22%，航线维修费用占比10%，租赁备发费用占比5%，外场更换周转件费用占比9%，发动机管理费用占比3%。在修理的发动机零部件中，热端部件是其重点，占大修费用的70%以上。

航空发动机维护成本构成

资料来源：安信证券研究中心

资料来源：安信证券研究中心

资料来源：安信证券研究中心

1.2 按部件价值拆分

航空发动机制造商根据部件分配任务，因此有必要对部件价值进行拆分。一般而言，无论战斗机、或运输机用发动机，高、低压涡轮的价值占比都最高。对于战斗机发动机，其外涵道很小，有加力燃烧室，因此，风扇、外机匣的价值占比较低，但加力燃烧室、控制系统占比高；对于运输机发动机（客运、货运、军用），外涵道大，无加力燃烧室，因此，风扇、外机匣的价值占比高，控制系统占比较低；直升机发动机中，控制系统、减速机构的占比较高。根据兰德公司统计，三代战斗机发动机F110全寿命周期部件维护费用分析，包括涡轮工作叶片、涡轮导向叶片和核心机在内的热端部件占发动机整机维护费用的41%。

三代战斗机发动机全寿命周期部件价值拆分

资料来源：Rand，安信证券研究中心

2、军用航空发动机价值拆分和市场空间测算

2.1 全球军用航空发动机市场

据《ABSOLUTE REPORT》测算，全球军用航空发动机市场年复合增长率为4.96%，将从2017年的97亿美元增加到2027年的141亿美元，加上维修经费后，全球军用航空发动机市场从2017年的145.5亿美元增加到241.5亿美元。

全球军用航空发动机价值机型占比

资料来源：《ABSOLUTE REPORT》安信证券研究中心

资料来源：飞行国际，安信证券研究中心

资料来源：《ABSOLUTE REPORT》安信证券研究中心

2.2 中国军用航空发动机市场

军用航空发动机的发展和军机发展相辅相成，而军机发展依赖于航空兵部队（包括空军航空兵、陆军航空兵、海军航空兵等，空军为主力）建设。

（1）战略空军转型，军机换装列装提速

我国空军起步晚、底子薄，老旧机型比例高，代际差距严重，运输机、轰炸机、直升机等短板明显。2015年首次将空军定位为战略军种，空军建设由“国土防御”向“空天一体、攻防兼备”的战略转变，成为了新装备加速发展和列装的主要驱动力。在新时期战略空军建设目标下，由“防”转“攻”，将信息化作为发展方向和战略重点，大力发展先进战斗机、战略运输机/轰炸机，提高纵深攻击能力、远程投送/打击能力和立体攻防能力，弥补代际差，尽快实现代际换装，提高信息化、自动化程度。

我国军机现状

资料来源：安信证券研究中心

我国各类型军机数量均低于美国，各机型数量比例不合理。据World Air Force统计，美国军机数量为13772架，我国数量仅为2955架。和美国相比，我国直升机、运输机、轰炸机比例明显偏低，中美空军数量和作战能力相差巨大，难以达到覆盖我国领土巡航的要求，距离战略空军目标尚远。

世界主要国家军用飞机数量占比

资料来源：《World Air Force》，安信证券研究中心

资料来源：《World Air Force》，安信证券研究中心

战斗机：代际差距严重，换装列装需求急切。四代机列装战斗机作为空军最主要的作战平台，是空军战斗力强弱的主要标志，对于制空权的夺取有着举足轻重的意义，我国与美国相比代际差距严重，老旧机型较多，整体水平显著落后。我国二代机占比依然高达55.5%，而四代机不足1%，相比美国，美国二代机仅占14.8%，四代机占比已达10%。我们认为，我国战斗机处于快速换装和列装期，三代机将保持开足马力生产状态，四代机将在固化状态后迅速大批量部署。

轰炸机：远程轰炸机力量薄弱，短板短期较难补齐。我国空军当前的主力轰炸机型是批量列装的轰-6，存在机体设计落后、航速/航程低、载弹量不足等诸多缺陷，从其本身来看只是一款中型轰炸机，并不是合格的战略轰炸机。而且考虑到我国的战略环境，仅拥有中远程轰炸机远远不够，不能从根本上弥补我国空军的战略打击和战略威慑短板。我国缺少远程战略轰炸机，需要一款突防能力的洲际战略轰炸机。

运输机：运-20列装，战略运输机取得长足进步。大型运输机、加油机、预警机和战略轰炸机等大飞机是战略空军的基石，相比美俄等军事强国，我国大型运输机/加油机/预警机列装极为有限，远程隐形轰炸机更是空白，打造战略空军任重而道远。运-20是中国自主研发的新一代重型军用运输机，已列装部队，将成为我军重要的一款运输机型，我们预计，运-20将迎来快速列装部署，基于运-20平台的预警机、加油机项目也将不断推进。

直升机：陆军转型“立体防攻”战略提升军用直升机需求量，在研10吨级通用直升机为未来主要看点。未来空中打击力量将是陆军主要配置的主要战斗力，陆航部队是我军建设“立体防攻”的重要力量。根据美国詹姆斯敦基金会的报告显示，此轮军改之前我军共有7个陆航旅和5个陆航团，到2017年5月已扩编为11个陆航旅和1个陆航团。由于陆航兵在现代作战中的特殊性，预计我军将进一步扩建陆航部队。

按照存量和增量两部分，对未来十年我国军用航空发动机市场进行测算，为了简化计算，将存量飞机分为换发1次和2次两部分，增量飞机分为不换发和换发1次两部分，发动机单价取可参考型号价格。经测算，未来十年，我国军用发动机购置经费共3,114亿，维修经费1,557亿，合计4,671亿；平均每年购置经费311亿，维修费156亿，合计467亿。按各部分拆分费用，平均每年叶片179亿、零部件202亿、动力控制系统55亿。

中国军用航空发动机未来十年市场测算

资料来源：安信证券研究中心

资料来源：安信证券研究中心

三、细分行业介绍

1、高温合金

高温合金通常是指能在600℃以上的高温下具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变性能，并能在较高的机械应力作用下长期工作的合金材料。

高温合金分类有多种：1）按照制造工艺划分可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金、发散冷却高温合金等；2）按照基体元素种类可以分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金等；3）按照强化方式可以分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金、氧化物弥散强化高温合金等。

高温合金分类

以工艺分类来看，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20%。变形高温合金主要采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。我国镍基变形高温合金以拼音字母GH加序号表示，如GH4169、GH141等。

随着使用温度和强度的提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺才能生产，因此镍基铸造高温合金在实际生产应用中不可缺少。铸造高温合金应用占比约20%，国内铸造高温合金以“K”加序号表示，如K1、K2等。

随着耐热合金工作温度越来越高，合金中的强化元素也越来越多，成分也越复杂，导致一些合金只能在铸态上使用，不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金就能解决上述问题。因为粉末颗粒小，制粉时冷却速度快，消除了偏析，改善了热加工性，把本来只能铸造的合金变成可热加工的形变高温合金，屈服强度和疲劳性能都有提高，粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。为了满足新型航空发动机的需要，我国建立和完善了旋转电极制粉工艺粉末高温合金生产线，研制了粉末涡轮盘材料FGH4095和FGH4096。目前国内粉末高温合金已应用于先进型号发动机上的涡轮盘、压气机盘等重要部件上。

1.1 高温合金产业链及下游应用

高温合金产业链基本结构

资料来源：新材料

高温合金行业的上游主要是镍、铁、钴、钛等各种金属原料，价格具有明显的波动性，采购价格根据市场价格随行就市。

由于我国有色金属储量较小且分布较为集中，高温合金主要原材料电解镍基本采取现款现货模式交易。原材料价格波动对行业生产企业成本和产值的影响大，尤其是对技术含量较低的中低端生产厂商有着较大的影响。

先进高温合金添加的金属铼是稀有的元素，在地壳中的含量极小，目前全球80%的铼被航空发动机企业消耗。铼的价格由世界最大的几家发动机公司，GE、PW和RR与智利最大铼矿产公司Molymet通过长期协议确定。

高温合金下游应用中航空航天占比最大：高温合金在材料工业中主要是为航空航天产业服务，需求占比约为55%，其次为电力和机械，需求占比分别为20%、10%，另外工业领域占比7%，汽车、石油和其他领域占比分别为3%、3%和2%。

在军工领域，目前镍基高温合金是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰船和工业燃气轮机的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室等），也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料。

1.1.1 高温合金在航空领域的主要应用及发展

航空发动机是现代工业“皇冠上的明珠”，是高温合金最重要的应用领域。航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关，高温合金是推动航空发动机发展最为关键的结构材料。

随着对新型的先进航空发动机推重比的要求不断提高，对高性能高温合金材料的依赖越来越大。航空发动机材料进入冷端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢“三国鼎立”时代。航空发动机材料结构的发展情况（1950年-2010年）见下图：

高温合金在航空发动机上的应用

资料来源：新材料在线

导向器也可称为涡轮导向叶片，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1,100℃以上，但涡轮导向叶片承受的应力比较低，一般低于70MPa。该零件往往由于受到较大热应力而引起扭曲，温度剧变产生热疲劳裂纹以及局部温度过高导致烧伤而报废。因此，导向器材料大多采用精密铸造镍基高温合金。

涡轮叶片是涡轮发动机中工作条件最恶劣也是最关键的部件，由于其处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件。涡轮叶片又称工作叶片，涡轮叶片在承受高温的同时要承受很大的离心应力、振动应力、热应力等。其所承受温度低于相应导向叶片50-100℃，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。涡轮叶片其结构与材料的不断改进已成为航空发动机性能提升的关键因素之一。

涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大。涡轮盘是航空发动机上的重要转动部件，工作温度不高，一般轮缘为550-750℃，轮心为300℃左右，因此盘件径向的热应力大，特别是盘件在正常高速转动时，由于盘件质量重达几十至几百千克，且带着叶片旋转，要承受极大的离心力作用，在启动与停车过程中又构成周期性的大应力低周疲劳。用作涡轮盘的高温合金为屈服强度很高、细晶粒的变形高温合金和粉末高温合金。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。

1.1.2 高温合金在燃气轮机领域的主要应用及发展

燃气轮机是以连续流动的气体为介质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

轻型燃气轮机结构图

1.1.3 高温合金在核电装备领域的应用

在核电装备制造业中，高温合金材料因其具有的耐高温、耐高强度等优异特性，具有难以替代的作用，主要应用于承担核反应工作的核岛内。核电装备中主要使用高温合金的部件包括燃料机组、控制棒驱动机构、压力容器、蒸发器以及堆内构件、燃料棒定位格架、高温气体炉热交换器等，这些部件在工作时需要承受600-800℃的高温，需要较高的蠕变强度，必须采用高温合金材料。

截至2019年3月，我国在运核电机组45台、在建机组13台，核电在运、在建装机容量分别为42,976、12,841兆瓦。根据2012年10月国务院通过的《核电中长期发展规划（2011－2020年）》及2017年2月国防科工局印发的《“十三五”核工业发展规划》，我国到2020年将达到核电装机容量58,000兆瓦、在建30,000兆瓦的规模，发电占比从目前的3%提升至4%。

我国核电分布示意图

我国核电装机容量与规划目标对比图

资料来源：图南股份招股书

核电建设将带动高温合金材料的消费，以正常一座100万千瓦的核电机组消耗500吨高温合金进行估算，目前在建的总计12,841兆瓦核电机组需要6,421吨左右高温合金。根据国家核电建设规划，预计平均每年建成6,000兆瓦，则预计未来核电建设带来的每年全国的高温合金需求量为3,000吨。

1.1.4高温合金在航天领域的应用

高温合金是火箭发动机核心部件燃烧室和涡轮泵的关键用材。液体火箭发动机主要由燃烧室和喷管、涡轮泵和活门自动器三大部分组成，其中燃烧室和喷管容纳推进剂燃烧，产生3,000℃以上的高温和30-200个大气压的高压气体并高速从喷管喷出，形成强大的推力；涡轮泵的作用是对氧化剂和燃烧剂提高压力，以便注入燃烧室。

液体火箭发动机结构

目前我国火箭的国产化率已达99%到100%，基本实现完全国产化，但相较于欧美及俄罗斯等航天强国的先进水平还有较大差距。推力和比冲是衡量火箭发动机性能最重要的两项数据。其中，火箭发动机推力是指发动机由向飞行方向的相反方向直接喷射高速气流而产生的反作用力；火箭发动机比冲的定义为单位推进剂的量所产生的冲量，可用于衡量火箭发动机效率；在相同的发射重量下，火箭发动机的比冲越高，火箭的运载能力就越强；火箭发动机推力越大，所需发动机数量就越少。从这两项数据看，在关键的火箭发动机领域我国同俄罗斯、美国和日本的差距仍很明显。我国于2016年11月3日首飞的新一代运载火箭长征5号助推器采用8台液氧-煤油火箭发动机YF-100，其真空推力仅为美国宇宙神V型火箭引进的俄罗斯RD-180型火箭发动机推力的1/3，是俄罗斯质子号RD-253火箭发动机推力的70%；长征5号芯一级采用2台液氢-液氧火箭发动机YF-77，其真空推力仅为欧洲阿丽亚娜V火箭Vulcain2发动机推力的50%，也落后于日本LE-7A火箭发动机。

火箭发动机性能落后的根本原因在于高温合金材料的差距。火箭发动机燃烧室需承受高温（3,000-4,000℃）、高压（20MPa）和高流速（2,500-5,000m/s）燃气冲刷，对高温合金材料要求极高；高性能涡轮泵需承受超低温液氧和燃料的冲刷，且转速高、压力大、密封性要求高，是液体火箭发动机最核心的部件，对高温合金原材料及制造工业提出了很高的要求。

1.2 高温合金竞争格局

高温合金材料作为应用在发动机上的重要部件，其生产是相当复杂且精细的，而且部分高端产品的成材率较低，所以需要很多的研发投入以及技术保证才能满足对高温合金的需求。全球范围内能够生产航空航天用高温合金的企业不超过50家，主要集中在美、俄、英、法、德、日等国。但是，这些航空航天应用领域的高温合金产品经常被发达国家当作军事战略物资，出口把控非常严格。

美国作为高温合金研发以及应用方面的领头羊，年产量约为5万吨，其中近60%用于民用工业。美国有很多独立的高温合金公司，能够生产航空发动机所用高温合金的公司有GE，P&W，还有其他的生产特钢和高温合金的公司如汉因斯-斯泰特公司，佳能—穆斯克贡公司，因科国际公司。这些公司都先后发展了公司自己的高温合金牌号。

欧盟国家中英、德、法是世界上主要的高温合金生产和研发代表。英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家之一。英国的铸造合金技术世界领先，代表性的是国际镍公司的Nimocast合金，后来该国的飞机发动机制造商罗尔斯罗伊斯控股公司又研制了定向凝固和单晶合金SRR99、SRR2000和SRR2060等，其研制的高温合金主要用在航空发动机制造方面。

日本在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高温合金和氧化物晶粒弥散强化高温合金方面取得较大的成功。近年来，致力于开发新型的耐高温合金，并成功开发出在1200℃高温下依然能保持足够强度的新合金。日本主要的高温合金生产企业是IHIcorporation，JFE、新日铁和神户制钢公司。

全球主要高温合金生产企业

由于技术复杂，很多高温合金生产企业都是独立完成从原料配比到成品零件生产的全过程。在军工领域的终端用户往往以合约订购、外协加工为主的采购方式，也有部分企业只生产母合金作为外销品。相对来说，由于高温合金多数非标准化产品，产品类型随着下游需求不同而异，所以高温合金产业链相对较短，属于以技术为核心的产业。

高温合金细分领域竞争格局

国内高温合金生产厂商

1.3 总结

高温合金是先进发动机的基石材料，随着“两机专项”的全面启动实施，国家对“两机”研发投入力度将持续增大，对“两机”关键原材料先进金属材料的需求将持续增加，先进金属材料未来市场潜力较大。我国高温合金长期处于供不应求的状态，虽然在高温合金研发方面和世界先进水平差距逐年缩小，但在生产和应用方面，受基础工业薄弱的影响，还有很多依赖进口，如军用航空发动机高温合金约有40%依赖进口。

国内现从事高温合金材料及高温合金精密铸件生产的企业数量有限，主要是基于国家在计划经济时期规划的高温合金生产基地和研发基地以及一些原航空工业配套高温合金铸件的专业铸造单位。

总体来看，我国高温合金行业技术开发水平与国际先进水平还有较大差距，整体产能、实际有效产量较小，尤其是高端航空用高温合金的有效产能远远不能满足日益增长的市场需求。目前国内从业企业间属于竞合关系，直接竞争较少，基本上以努力实现技术创新、扩大产能、满足市场需求为目标共同发展。

2、陶瓷基复合材料

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、单晶晶须、金属丝和硬质细粒等。

复合材料的性能优势

资料来源：华泰证券研究所

复合材料分类

资料来源：华泰证券研究所

伴随着武器装备的不断发展，对减重、隐身、耐冲击、耐高温等性能要求越来越高，传统材料越来越难以满足多项要求，复材成为军事装备发展的重要基础，其应用水平也已成为衡量武器装备发展的先进性标准之一。现代高科技战争要求武器装备具有快速反应、高机动、突防一体化、远程精确打击等特点，促进了武器装备从结构到功能的飞跃转变，复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、抗腐蚀、耐疲劳、材料结构功能一体化、设计制造一体化和易于成型大型构件的特点，在武器装备的减重、耐冲击高强度防御、耐高温、隐身等领域得到广泛应用，促进了武器装备的轻量化、高性能、功能化以及智能化，已成为发展高技术武器的重要物质基础之一，同时近年来复材技术不断取得突破，成本的下降使得复材应用更为广泛。总的来看，复材技术与装备发展相辅相成，互相促进，即复材制备与应用技术发展推动了装备升级，装备不断发展也倒逼了复材技术不断进步。随着国内外复合材料的设计与加工能力逐步上升，成本进一步下降，未来复合材料在武器装备的应用将会进一步提升。

美国与日本是较早开展复材制备与应用的国家，技术较成熟，在武器装备与民用航空中应用比例较高。据《复合材料在新一代大型民用飞机中的应用》资料记载，美国F-35战斗机复合材料应用比例达到35%；大型民用客机B787及A350XWB分别达到结构重量的50%和52%；美国新型军用运输机ACCA则以整体模成型的方式建造飞机，整个飞机机体复合材料比例高达65%，整机减重甚至可达25%以上。

随着国内装备不断发展，复材制备技术的逐步成熟，装备中复材应用比例也在不断提升，但总体水平与国外仍存在差距，未来仍有较大提升空间。据2014年发表的《先进复合材料在军用固定翼飞机上的发展历程及前景展望》文献，我国四代机复材应用比例占整机结构件的20%左右，而国外先进战斗机复材应用比例可达35%；我国大型舰船尚未采用复合材料上层建筑，美国已在DDG1000型驱逐舰的前2艘采用了复材上层建筑，大幅提升了舰艇隐身能力。

2.1 碳化硅纤维行业介绍

航空航天和尖端武器的发展对高温结构材料提出了新的要求。新型航空航天器与尖端武器热端部件，要求材料具有优异的比强度、比模量、抗冲击性以及极端环境下的耐高温能力。金属及合金材料已难以满足新的要求，先进陶瓷基复合材料（CMC）具有高强轻质、抗冲刷、抗腐蚀、耐高温等优异性能，能够满足新装备的使用要求。CMC要求增强纤维具有耐高温、抗氧化、抗蠕变和耐腐蚀等特点。

碳化硅纤维是高性能复材理想的增强纤维材料。常见的复合材料增强纤维包括有机纤维、玻璃纤维、碳纤维、氧化物陶瓷纤维及以碳化硅为代表的非氧化物陶瓷纤维。有机纤维因耐热温度不超过500℃而不能用于高性能CMC，普通玻璃纤维因熔点或软化点低于700℃而同样无法在高性能CMC中应用；碳纤维虽然在情性气氛下耐温性能可高达2800℃，但在氧化气氛下高于450℃时会发生严重降级，抗氧化性能差极大地限制了其在氧化环境中的应用；氧化铝、氧化锆以及玄武岩等氧化物陶瓷纤维的耐热温度均不超过1200℃，同时其密度大、热膨胀系数高等不足均限制了其应用；SiC纤维作为目前发展最成熟且己实现商品化的非氧化物陶瓷纤维，具有耐高温、抗氧化、较高的抗拉强度、良好的抗蠕变等优异性能，并且与陶瓷基体相容性良好，同时SiC纤维集结构、防热、吸波等功能于一身，是一种理想的高性能复合材料增强纤维。

CMC-SiC是一种兼具金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构功能一体化新型材料，具有材料结构一体化和多尺度的结构特征，通过各结构单元的优化设计，产生协同效应，可达到高性能和各性能的合理匹配。因此，CMC-SiC具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度低（密度仅为高温合金的1/3~1/4）、高比强、高比模、热膨胀系数小、高温强度高（在高温及疲劳环境下，强度不降低，反而有升高趋势）、抗氧化、抗烧蚀、抗热震、吸震性好、韧性良好、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优点。

2.1.1碳化硅纤维按耐温性能可分为三代

碳化硅纤维及其制品性能优异，属于关键战略材料，国外长期对国内实行严密的技术封锁。碳化硅（SiC）纤维是以有机硅化合物为原料经纺丝、热解而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维，从形态上分为晶须和连续碳化硅纤维两种，碳化硅纤维具有优异的力学性能、抗氧化性能、高温稳定性、电性能可调性以及与金属和陶瓷基体之间良好的物理化学相容性，在航空、航天、兵器、船舶和核工业等领域具有广泛的应用前景，是发展高技术武器装备的关键战略材料之一。由于SiC纤维重要的战略意义以及军事敏感性，美日等国均从战略高度投入巨资研究与开发耐高温SiC纤维及其复合材料，SiC纤维历来也是国外对我国的禁运产品。

SiC纤维发展至今已有三代，其中第三代碳化硅纤维耐温性能最好。按照SiC纤维的热稳定性可将其分为三代：

一代碳化硅纤维为高氧高碳SiC纤维，氧含量10%以上（氧是由于原丝采用氧化交联而引进的），自由碳含量15%以上，在1000℃以上纤维内部会发生化学反应，生成SiO2和气相CO，会导致纤维产生孔洞损伤，力学性能严重降低，因此在有氧环境下其使用温度一般不高于1000℃；

二代为低氧（约0.5%）、高碳（约20%自由碳）含量SiC纤维，由于原丝采用无氧电子束交联，氧含量显著降低，该纤维使用温度提高到1200℃以上，但是过剩的碳降低了纤维的高温抗氧化性和蠕变性；

三代为近化学计量比SiC纤维，只有少量游离碳和痕量氧，氧含量约为0.2%，C/Si比约为1.05-1.08，少量碳过剩是为了保证纤维不富硅，避免严重影响其高温性能，三代碳化硅纤维具有优异的抗氧化性能和抗蠕变性能，使用温度可达1600℃，显著拓宽了其在航空航天热端构件领域的应用。

2.1.2 日本企业是全球SiC纤维主要生产厂家，国内工业化生产处于起步阶段

国外三代SiC纤维均已实现产业化，日本碳公司和宇部兴产是国际市场最主要的SiC纤维生产厂家，总产量占到全球的80%左右。国外第一代、第二代和第三代SiC纤维均实现了工业化生产，其中日本碳公司的纯SiC纤维（牌号Nicalon）和宇部兴产的含钛、含锆、含铝等类型的SiC纤维（牌号Tyranno）产量均达到100吨级，且基本保持稳定。美国Dow Corning公司研制成功含硼的SiC纤维，牌号为Sylramic，目前该技术已转给美国COI陶瓷公司，产量不详。德国Bayer AG公司的SiBN3C纤维，尚未有工业化生产的报道。

2016年6月，GE航空集团从日本NGS先进纤维公司获得纤维生产技术许可，投资2亿美元在亨茨维尔新建了两个SiC材料工厂，其中一个生产SiC纤维，另一个利用SiC纤维制备陶瓷基复合材料，工厂计划于2020年投产。两个工厂每年分别能够生产10吨SiC纤维和20吨SiC纤维增强复合材料。GE正在努力将SiC基复合材料涡轮叶片应用在GE9X、LEAP-X1C、F414改型等新一代航空发动机上。

国内SiC纤维产业化已取得显著进步，但仍处于起步阶段，与日本等发达国家差距较大。据中航复材专家于2016年12月发表的《连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究进展》文献介绍：“国内SiC纤维产业化发展主要包括“十一五”和“十二五”两个五年计划，研制单位主要包括国防科技大学、厦门大学（含火炬电子科技股份有限公司）和苏州赛力菲陶纤有限公司。在国家大力支持和相关科研单位的努力下，已经实现了第一代SiC纤维工程化生产，突破了第二代SiC纤维研制关键技术。目前国内第二代SiC纤维处于中试阶段，生产能力达到1吨/年。总体而言，国内SiC纤维研究基础较弱，虽然取得了显著进步，但在质量稳定性和工业化能力方面与日本等发达国家的先进水平差距巨大。”

国防科大是国内最早建立SiC纤维中试生产线的单位，解决了有无问题，但产能有限。20世纪90年代，国防科大完全自主建立了年产100kg级的KD-I型连续SiC纤维中试生产线，后又扩展到年产500kg，并已供应给航空、航天、兵器等部门，在航空发动机、空间碎片防护等领域得到了应用。此后，国防科大又建立了年产1吨级的KD-II型纤维中试生产线，KD-II纤维具备良好的编织性能，可以用于编织内锥体、回转体与销钉等构件，也已批量供应航空、航天、兵器等部门应用。

赛力菲是国内最早开展SiC纤维产业化的企业，产品结构丰富，一代SiC纤维已批量生产。苏州赛力菲陶纤有限公司与国防科技大学冯春祥教授合作，在苏州建厂进行连续SiC纤维产品的开发，产品涵盖陶瓷前驱体聚碳硅烷、连续碳化硅纤维、预制体、陶瓷微纳米粉体及制品、高性能纳米陶瓷/金属复合材料精密构件等。2013年1月，公司的“年产5吨聚碳硅烷的制备技术”和“年产吨级连续碳化硅纤维的制备技术”通过了江苏省国防科技工业办公室组织的成果鉴定。据赛菲集团董事长2012年在文献《连续SiC纤维制备技术进展及其应用》中报道：“公司的连续SiC纤维以‘赛力菲-SLF’商品名销售，其中SLF-I纤维含氧量在15%-20%之间，SLF-II纤维含氧量在7%-12%之间，连续SiC纤维的长度为500m，束丝根数1k，直径13微米，单线年产已达到1吨连续SiC纤维的生产规模。”

宁波众兴引进国防科大二代SiC纤维制备技术，产线于2017年底建成。宁波众兴新材料科技有限公司成立于2016年，当年8月与国防科大签署了技术转让合作协议。据公司官网，2017年11月产线建设完成，并生产出第二代碳化硅纤维；2017年12月，10吨级第二代连续碳化硅纤维量产生产线通过验收。

火炬电子从2014年开始布局CASAS-300材料产业化，目前已具备产业化能力。据公司2017年年报，目前公司CASAS-300特种陶瓷材料产业化项目进展顺利，已完成5吨/年的产能建设，项目建设和市场前期开发进展顺利。

2.1.3 碳化硅纤维增强复合材料制备技术逐渐成熟，促进产品应用

连续SiC纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiCf/SiC）制备技术已经趋于成熟，部分技术成果已经成功应用到航空发动机热端部件上。SiCf/SiC常用的制备技术主要包括化学气相渗透法（CVI）、聚合物浸渍裂解工艺（PIP）、熔体浸渗工艺（MI）等，其中MI工艺优势明显，是SiCf/SiC复合材料低成本、工程化技术较为理想的选择。

国外SiCf/SiC复合材料制备技术较为成熟，国内也已突破相关工艺。日本是开展聚硅烷（PCS）和连续SiC纤维研究最早的国家，其PIP制备工艺优势显著；德国和美国利用MI技术实现了SiCf/SiC复合材料构件的批量化生产；法国以CVI技术为主，技术水平国际领先。中航工业复材中心和西北工业大学分别采用PIP工艺和CVI工艺进行SiCf/SiC复合材料的研制，上海硅酸盐所和中南大学在MI工艺方面取得了显著的技术突破，总体来看，目前我国已经具备构件研制和小批量生产能力，但在产业化方面与西方发达国家尚存在明显差距。

2.1.4 目前主要用于制备高温结构复材、高温隐身材料和先进核能材料

美日等国已在高端装备中开始使用SiC纤维及SiC纤维增强复合材料，主要应用于制备高温结构复材、高温隐身材料和先进核能材料。日本与美国已经实现高性能连续SiC纤维的工业化生产，并应用于航空/航天发动机燃烧室、喷口导流叶片、涡轮叶片、涡轮壳环、尾喷管，空天飞行器机翼前缘、舵面，高超音速武器推进系统以及核燃料包壳管等部位。SiC纤维制备的高温结构材料主要用于航空航天领域，包括发动机的热端部件（主要用于燃烧室和涡轮）及飞行器的热防护系统等。航空发动机要求提高推重比和降低燃料消耗，根本措施是提高涡轮进口温度和降低结构重量，这就要求将航空发动机高温结构材料从高温合金、单晶向陶瓷基复合材料转变。在高温环境下，SiCf/SiC复合材料不仅能保持优异的比强度，还可以减轻涡轮叶片重量，减少冷却装置，且与高温合金叶片相比，具有更强的耐热腐蚀能力，对提升航空发动机推重比具有重要意义，GE公司和P&W公司使用SiCf/SiC复材制备燃烧室衬套，在1200℃环境下工作时间可以超过10000小时；GE航空开发出SiCf/SiC复材燃烧室火焰筒，能在1200℃环境下工作9000小时以上；GE和R-R公司联合为F-35战斗机研制的F-136发动机采用了SiCf/SiC复合材料第三极低压涡轮导向叶片，目前已有10万小时以上的测试记录。

SiC纤维具有半导体特性，是雷达波吸收的重要材料，同时具有高温抗氧化性，适合用作高温隐身材料，可用于制造隐身飞机和巡航导弹的头锥、尾翼、鱼鳞板及尾喷管等。如法国“幻影2000”战斗机的M53发动机鱼鳞板内侧及尾喷管，美国洛马公司生产的F-22隐身战机的四个直角尾翼。

连续SiC纤维因其良好的辐照稳定性，被认为在先进核能领域也具有广阔的应用前景，目前SiC基SiC纤维复合材料（SiCf/SiC）在核聚变反应堆的设计中己被采用，主要是用在包层的第一壁、流道插件、控制棒以及偏滤器等部件上。如日本的DRREAM和A-SSTR2包层概念设计选用SiCf/SiC复合材料作为第一壁/包层结构材料；欧盟的PPCS-C的包层概念设计采用SiCf/SiC复合材料制造流道插件；美国的ARIES-AT的偏滤器设计中采取SiCf/SiC复合材料作为结构材料。

2.2 碳化硅陶瓷基复合材料应用及前景

推重比是衡量发动机技术水平和工作能力的综合指标之一。提高推重比一直是航空发动机不断追求的目标。随着气动热力学的发展、部件综合设计技术的进步、结构简化带来的减重以及材料工艺等专业的综合发展，发动机推重比逐渐提高。但是，国内外的研究表明在维持发动机布局和不改变常规金属材料的前提下，气动、热力、部件设计以及结构减重等技术手段的改进，最高只能将发动机的推重比提高到14左右。对于推重比12~15及更高推重比的发动机，则必须在新材料、新工艺应用和新结构设计等方面取得更大突破，如在发动机低温部件(外涵机匣、风扇机匣等)使用树脂基复合材料(PMC)或金属基复合材料(MMC)、在高温部件(火焰筒、涡轮导叶、喷管调节片等)使用陶瓷基复合材料(CMC)，才能使推重比最终达到15及以上。对于推重比15~20的发动机，新材料、新工艺及相应新结构对提高推重比的贡献将高达50%~70%。

先进军用航空发动机单位推力和结构效率的提高越发依赖于先进材料、工艺及相关结构的应用。而传统金属材料则因减重和提高使用温度空间有限，已难以满足高推重比航空发动机对高温部件的性能需求，需要发展碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)等轻质、耐高温、冷却少甚至无需冷却的新型耐高温结构材料。

CMC-SiC主要包括碳纤维增韧碳化硅(Cf/SiC)和碳化硅纤维增韧碳化硅(SiCf/SiC)。对于航空发动机，Cf/SiC的使用温度为1650℃，SiCf/SiC的使用温度为1450℃，提高SiC纤维的使用温度可使SiCf/SiC使用温度提高到1650℃。由于Cf/SiC抗氧化性能较SiCf/SiC差，国内外普遍认为，航空发动机热端部件最终获得应用的应该是SiCf/SiC。与聚合物复合材料相比，CMC-SiC可提高强度和使用温度。与高温合金相比，在无空气冷却和热障涂层的情况下，CMC-SiC可降低冷却气流量15%~25%，提高工作温度150~350℃，潜在使用温度可达1650℃，同时实现减重。与陶瓷材料相比，CMC-SiC可改善脆性、缺陷敏感性并抑制缺陷体积效应，提高可靠性。与Cf/C复合材料相比，CMC-SiC可提高抗氧化性、强度和使用寿命。由此可见，CMC-SiC是高推重比航空发动机高温部件用最具潜力的关键热结构材料之一。研究表明，将CMC-SiC用于燃烧室、涡轮、加力燃烧室和喷管等热端部件，可使发动机工作温度提高300~500℃，结构减重50%~70%，推力提高30%~100%。

欧美等航空发达国家在航空发动机用CMC-SiC构件的研制与应用方面，遵循先静止件后转动件，先中温(700~1000℃)件后高温(1000~1300℃)件，先简单件后复杂件的发展思路，优先发展中温中等载荷(应力低于120MPa)静止件(密封片/调节片、内锥体等)；以此为基础发展高温中等载荷(应力低于120MPa)静止件(火焰筒、火焰稳定器、涡轮外环、导向叶片等)；然后发展高温高载荷(应力高于120MPa)转动件(涡轮转子、涡轮叶片等)。

从20世纪90年代开始，欧美以推重比8~10一级航空发动机(如F119，EJ200，F414，M88-Ⅲ，TRENT800等)为演示验证平台，对CMC-SiC构件进行了大量应用验证，历时二十余年目前仍在进行。考核结果表明，CMC-SiC可使中等载荷静止件减重50%以上，并显著提高其疲劳寿命。总的来说，喷管调节片/密封片等中温中等载荷静止件已完成全寿命验证并进入实际应用和批量生产阶段；燃烧室火焰筒和内外衬等高温中等载荷静止件正进行全寿命验证，有望进入实际应用阶段；而涡轮转子和涡轮叶片等高温高载荷转动件尚处于探索研究阶段，使用寿命与应用要求相距甚远。

2.2.1CMC-SiC复合材料在喷管部件上的应用

CMC-SiC喷管调节片/密封片，已在国外M53-2、M88、M88-2、F100、F119、EJ200、F414、F110、F136等多种型号军/民用航空发动机上成功试验并应用多年。早在20世纪90年代中期，法国Snecma公司研制的Cf/SiC和SiCf/SiC外调节片便成功应用于M88-2发动机，在验证了其寿命目标后，于2002年投入批量生产。后期，Snecma公司采用抗氧化BN界面和高性能SiC纤维开发出自愈合CMC-SiC，成功解决了氧化损伤对构件寿命的影响。Snecma公司还与PW公司合作研制了CMC-SiC密封片，并在F100发动机上完成了地面加速任务试验，累计工作1300h，其中1200℃/100h，实现减重50%~60%，表现出比金属件更好的抗热机械疲劳性能；转移到外场进行评估后，在F100-PW-229发动机上进行了飞行试验。目前，法国已实现CMC-SiC喷管构件向民用飞机(如空客A380)发动机的推广应用。

美国NASA研制的CMC-SiC调节片在F110发动机上累计工作500h，其中1200℃/100h，增加推力35%。GE公司与Goodrich公司合作开发出用于F414发动机的CMC-SiC调节片和密封片，其中，Goodrich公司负责提供CMC-SiC，GE公司进行考核和评估。目前，GE公司已进行了相关飞行试验考核，累计工作400h，1100℃/100h，增加推力35%。为满足综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划第2阶段和第3阶段的要求，PW，GE，Allison等公司还以该计划验证机为平台对CMC-SiC调节片和密封片进行了验证。

发动机尾喷管通常是飞机的外露构件，不但对飞机的后向雷达散射截面影响较大，而且是飞机的重要红外辐射源之一。红外探测主要在3~5μm和8~14μm两个大气窗口波段，当发动机尾喷管调节片的壁面温度在480~1000℃之间，其热辐射能量主要分布在3~5μm以下。因此，降低发动机的电磁波和红外信号特征，对提高飞机的隐身性能具有十分重要的意义。SiC纤维是耐高温、抗氧化的陶瓷纤维，当其电阻率为100~104Ω·cm时，对8.2~12.4GHz波段的雷达波具有最佳的吸收效果。由于SiC纤维含硅，能有效地减弱发动机的红外信号。因此，与Cf/SiC相比，SiCf/SiC不但具有更高的力学性能、更好的抗氧化性能和更长的高温使用寿命，还具有更好的吸波性能。鉴于SiCf/SiC良好的隐身性能，PW公司已将验证的SiCf/SiC调节片和密封片用于改进F119发动机，以实现减重、隐身并提高其耐久性等。美国采用CMC-SiC制备了轴对称喷管，通过采用冷却结构和锯齿结构尾缘，实现了低可探测性，大幅减少了喷管的红外信号和雷达信号，并将其应用于F-35飞机。

2.2.2 CMC-SiC复合材料在燃烧部件上的应用

燃烧室和加力燃烧室均要承受高温、复杂应力、水氧腐蚀和热冲击等苛刻环境。燃烧室火焰筒、加力燃烧室内锥体和隔热屏为大型薄壁回转体结构，属中等载荷静止件，采用CMC-SiC可明显提高使用温度和减轻结构质量。

国外SiCf/SiC燃烧室/加力燃烧室部件，如F136和F414等发动机燃烧室火焰筒、M88发动机火焰筒和火焰稳定器等，已进行了全寿命演示验证，并进入工程应用阶段。美国在综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划中将带环境障涂层(EBCs)的SiCf/SiC用于燃烧室火焰筒和内外衬，并进行了多次地面试车试验，累计考核15000h，最高考核温度达到1200℃，并通过了全寿命5000h和高温段500h的测试，质量下降了30%，并减少了NOx和CO的排放。其中，第5次地面试车试验涂覆了联合研究技术中心（UTRC)制备的EBCs，经过13937h，61次启动循环的试车试验后，在火焰筒内壁上发现裂纹，从而终止地面试车试验。试验结果表明，EBCs涂层可对燃气中的CMC-SiC提供有效的保护，使其寿命从5000h延长至14000h左右。带EBCs涂层的CMC-SiC航空发动机高温构件的首次试验结果对航空发动机30000h使用寿命的目标具有里程碑意义。在IHPTET计划第3阶段的验证机XTC97上，Honeywell与GE还考核验证了CMC-SiC高温升燃烧室。

美国GE公司考核了SiCf/SiC火焰筒，节约冷却空气50%，减重50%，减少NOx排放20%。GE公司在2015年开始在GEnx发动机中测试CMC-SiC热端部件，并计划大规模采用CMC-SiC制备燃烧室衬里以及涡轮叶片，并应用于GE9x发动机，同时计划在LEAP-X等发动机中也采用CMC-SiC火焰筒。

Soler公司研发并验证了一种结构非常简单的SiCf/SiC燃烧室衬套，该环形薄壁衬套位于金属机匣壳体内，并可与Lamilloy结构材料加工的外火焰筒一起组成先进的柔性燃烧室。为降低高温腐蚀环境对SiCf/SiC的影响，Soler公司还研发了EBCs涂层，将SiCf/SiC衬套寿命提高了2~3倍。此外，美国还将CMC-SiC作为高速民用运输机发动机燃烧室内衬的最佳材料，以减少NOx的释放。

法国Snecma公司除将SiCf/SiC调节片成功运用到M88-2发动机外，还积极开发SiCf/SiC燃烧室火焰筒。Snecma公司研制的SiCf/SiC全环燃烧室(CERASEPA415)已通过180h的发动机测试(600个循环，最大状态100h)，研制的火焰稳定器(CERASEPA410)已通过1180℃，143h的测试，构件结构完整，无损伤。Snecma公司还首次设计和制造了CFM56-C发动机用SiCf/SiC混合器，减重35%，并通过了700个发动机循环试验，包括200h发动机试车和70h试飞，目标用于A380等飞机。

日本也很重视SiCf/SiC在航空发动机燃烧部件中的应用研究。2003年，日本在下一代与环境相适应的超声速运输推进系统研究(ESPR)计划中研制了SiCf/SiC燃烧室火焰筒内衬和隔热屏，有效减少了NOx和CO2的排放，试验达到设计要求。

隔热屏几何结构的特殊性与复杂性对预制体的编织技术以及复合材料的制备工艺提出了新的要求。国内大多采用横向波纹板隔热屏，而国外更多采用纵向波纹板隔热屏，如美国GE公司F110发动机及俄罗斯Aл-31Φ发动机的防振隔热屏。总的来说，CMC-SiC在航空发动机加力燃烧室隔热屏上的应用还鲜有报道。

2.2.3 CMC-SiC复合材料在涡轮部件上的应用

推重比12~15一级航空发动机的涡轮构件将承受更高的工作温度和应力水平，目前的高温合金、冷却结构及热障涂层(TBCs)技术已很难满足设计要求。在早期的增强推进材料(EPM)计划中，美国就把CMC-SiC作为下一代航空发动机涡轮构件首选材料，随后的超高效发动机技术(UEET)计划再次将CMC-SiC作为重点发展的高温结构材料之一。在这些计划的支持下，CMC-SiC涡轮构件制备技术得到快速发展，Lewis公司研制了Cf/SiC涡轮转子，预计使用温度可达1400℃。2010年9月，GE公司对CMC-SiC转子进行了4h试车。CFM公司的LEAP-X发动机首次采用CMC-SiC制备高压涡轮外环，使质量减轻了2/3，推力提高了10%，随部件和整机完成的试验超过了20000h。

涡轮导向叶片工作温度和应力水平高，燃气冲刷严重，热力氧化条件恶劣。传统的Cf/SiC或SiCf/SiC开裂应力低，在高温高应力和恶劣的热力氧化环境下，将导致材料氧化严重，快速失效，必须采用EBCs涂层延长其使用寿命。因此，提高复合材料的开裂应力和高温耐腐蚀及抗冲刷性能成为CMC-SiC涡轮导向叶片的研究重点。美国在EPM和UEET计划的支持下，发展了新的陶瓷纤维(Sylramic TM, Dow corning)、界面技术(BN界面、BN/SiC界面)、基体致密化技术和先进EBCs涂层技术等，有效地解决了部分问题，制备的SiCf/SiC导向叶片在可模拟发动机服役环境的NASA Glenn高压燃烧环中进行了测试，试验结果表明SiCf/SiC导向叶片可在恶劣的燃烧环境下承受1000h的考核试验。在IHPTET计划第3阶段，GE和AADC公司在验证机XTE-77上采用CMC-SiC高压涡轮导向叶片，与镍基高温合金相比，质量减轻50%，冷却空气量减少20%。GE公司采用SiCf/SiC制备了第3级低压涡轮导向叶片，并在F136等发动机上进行了验证，使用温度达到1204℃，减重70%，冷却空气减少了50%。GE公司在F414发动机上开展了500个发动机工作循环的CMC-SiC涡轮导叶和动叶试验，这是CMC-SiC首次在航空发动机转动件上的成功验证。GE公司还试验了SiCf/SiC无冷却涡轮动叶，其耐温性明显高于带冷却叶片，该技术拟用于F136发动机未来发展型，并将推广应用于GE9X发动机高压涡轮第2级动叶。

2.4 总结

CMC-SiC是航空发动机高温结构材料的技术制高点，CMC-SiC的水平可反映国家的武器装备水平。尽管从20世纪80年代开始我国就将CMC-SiC应用技术研究列为重点发展领域，但至今我国在CMC-SiC的应用研究方面尚处于探索阶段，技术成熟度低，还无法满足国内高推重比航空发动机热端部件的需求。目前，国内CMC-SiC航空发动机构件应用研究与发达国家差距在20~30年，而且西方国家已经进入加速发展的阶段。

综合对比国内外航空发动机用CMC-SiC构件的研究进展，虽然国内在制备技术方面取得了很大的进展，达到了国际先进水平，但是在构件考核验证和应用方面尚处于起步阶段，应用范围和累计考核时间等均非常有限，与国外工程化应用研究存在巨大差距。为了缩短差距，我国应借鉴国外先进经验，重视CMC-SiC及其应用研究，并体现在航空发动机未来发展规划中。

总的来看，我国CMC-SiC与国外航空强国的差距主要在于高性能SiC纤维技术未完全突破、基础研究不够全面和深入、性能数据比较分散、大型复杂构件制备技术有待完善、生产设备能力不够、工程应用领域狭窄、EBCs涂层技术滞后、成本过高等方面，要实现CMC-SiC在航空发动机上的广泛应用，还需完全突破相关关键技术。

CMC在国外已成功应用于多款发动机型号并实现工程化生产，将成为航空发动机制造的主流趋势，市场空间巨大。国内CMC增强纤维材料研制单位有：厦门大学、国防科技大学；并且均通过产-学-研形成以下纤维供应商：火炬电子、苏州赛菲及宁波众兴新材。国防科大是国内最早研制SiC纤维的单位，已形成SiC纤维体系化的发展格局，综合性能达到或接近国外同类产品水平；厦门大学特种陶瓷先进材料实验室从2002年底开始研发SiC纤维，目前已经制得连续SiC纤维。

国内SiC纤维供应商及其产业化项目

国内CMC材料制备商：西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司、西安超码科技有限公司、中航复合材料有限责任公司等多家公司公司均有CMC相关业务。根据张立同院士2006年在第十四届全国复合材料学术会议上的论文中的表述“我国已经打破国际封锁，自主攻克了碳化硅陶瓷基复合材料构件批量制造技术，但是由于缺少高性能SiC纤维，目前只能用碳纤维代替”判断，碳化硅纤维的量产将直接推动相关CMC材料的量产，进而推动我国碳化硅陶瓷基复合材料的大量应用。

国内CMC制造商及其产品研制情况

3、钛合金

3.1 钛行业简介

钛是一种银白色的过渡金属，化学符号Ti，熔点为1660℃，密度为4.54g/cm。钛的特征是重量轻、强度高、有良好的抗腐蚀能力。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”。钛常见的化合物为二氧化钛（TiO2，即钛白粉）和四氯化钛（TiCl4）。

钛的产业链可以分为以下部分：1）钛铁矿、金红石等原始矿产的选矿处理获得品位更高的精矿；2）通过对精矿的再加工提纯，制备高纯度二氧化钛，用于生产钛白粉；3）通过对二氧化钛氯化、还原生成四氯化钛，制备中间产品海绵钛；4）通过对海绵钛的熔铸加工，制取晶体结构致密的钛锭，用于生产钛材及各种钛合金。

钛产业链

资料来源：新材料在线

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，广泛应用于航空航天、石油化工、船舶、海洋工程、医疗、建筑、体育用品等领域。

钛和钛合金的应用领域

资料来源：中信证券

3.2 钛材的需求分析

2018年我国钛加工材合计消费量5.7吨，化工和航空航天是消费主力。2018年，中国钛加工材消费量达到5.7万吨，同比增长4.2%，2015-2018年CAGR为15.5%。2018年国内钛材消费领域中化工占据主导地位，占比为45%，航空航天领域占比为18%。

2015-2018我国钛加工材消费量

2018年中国钛加工材不同消费领域占比

资料来源：中国有色金属工业协会钛锆铪分会

我国钛消费偏中低端，航空航天等高端领域钛用量有待提升。2017年美国航空和非航空军工领域用钛量占钛材整体消费比例达到64%，俄罗斯航空领域用钛量占比为65%。我国航空领域钛材用量则低于20%，目前仍集中于化工、电力等传统领域。与美俄等世界钛材强国相比，我国高端领域钛材消费成长空间广阔。

消费结构不断优化，高端领域用钛稳定增长。从2016-2018年国内钛材消费细分数据来看，在化工、航空航天、医药和海洋工程领域，钛材消费均出现不同程度的增长。从总量上来看，高端化工领域（如PTA）的增长幅度最大，增加了2104吨，其次是航空航天领域增加1309吨、医疗和海洋工程分别增长227吨和108吨。传统消费领域如冶金、电力、体育休闲等则出现下滑，反映出我国钛加工材在高端领域消费不断提升的趋势。

资料来源：《2018年中国钛工业发展报告》，贾翃等著

3.2.1 航空领域引领高端钛材消费增长

大型商用飞机用钛比例不断提升。钛材凭借高强度、耐高温、耐疲劳、耐腐蚀和低密度等优异性能成为飞机机体结构材料和发动机材料的重要选择。全球主要商用飞机用钛量呈现持续上升态势，上世纪60年代客机用钛比例不足1%，而当前波音787系列客机用钛比例超过15%，空客最新的A350系列客机中大量使用钛材、铝合金和复合材料，有效降低了飞机重量和对机体疲劳和腐蚀相关检查的工作量。

2006年国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》，将“大型飞机”列入重大专项。2008年中国商用飞机有限公司成立，主要承担中国大型客机C919和新支线飞机ARJ21的研制工作。其中C919于2017年首飞，至今已获得28家客户累计815架订单；ARJ21已正式投入航线运营，订单量达528架。据中国商飞预测，到2025年国产商用飞机将占据国内市场超过10%的份额，支线客机将占据全球市场10%-20%份额，国产大飞机发展前景广阔。

资料来源：商飞网

我国军用飞机数量存在较大增长潜力。根据Flight Global发布的“World Air Force2019”报告内容，截至2018年末，全球现役军用飞机总计53953架。其中美国排名第一，拥有13398架，我国仅拥有军用飞机3187架，和美国差距较大。随着我国大力发展空军，预计未来我国军用飞机服役数量将呈现快速增长态势。

新型军用飞机钛材用量不断提升。钛合金主要应用在战斗机的机体机构和发动机等部件，为了减轻战斗机结构重量、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境等方面需求，新型战斗机用钛量不断提升。美国F-22战斗机用钛量高达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%，显著高于传统机型。

全球主要战机钛材用量比例

3.2.2 化工领域钛材用量继续上升

石油炼化工程和环保要求拉动化工领域钛材用量上升。钛材在化工领域的应用主要为氯碱、纯碱、真空制盐、石油化纤、精细化工和无机盐等行业，应用于化工领域的电解槽、反应器、蒸馏塔、浓缩器、分离器、热交换器、管道、电极等部件。2018年我国化工领域钛材用量为2.61万吨，同比上涨8.8%，占钛材整体消费比例达到45%。钛材在化工领域的消费增量主要来自：1）以PTA为代表的石油炼化工程大量投产，拉动钛材消费；2）环保严查态势下化工企业进行产线升级改造和设备更新换代，新增大量钛制品需求。

2021年化工领域钛材消费预计增长至3.29万吨，2019-2021年CAGR为8.0%。根据百川资讯统计数据，截止2018年底，我国已建成PTA产能超过5200万吨，2019-2021年我国PTA规划在建产能达到2270万吨，按照每百万吨PTA产能消耗钛材150吨计算，未来三年仅PTA领域钛材消费增量即达到2700吨。在氯碱、制盐等其他化工领域钛材消费保持稳定的情况下，预计2019-2021年我国化工领域钛材消费保持约8%的年均增速，消费量分别增长至2.82/3.04/3.29万吨。

3.2.3 应用场景不断拓宽，海洋领域钛材消费增长潜力大

海洋领域钛消费成长空间广阔。钛的比强度高，耐海水腐蚀和海洋气氛腐蚀，有良好的抗腐蚀疲劳性能，可以满足在海洋工程方面应用的要求。在包括船舶工业、海水淡化、海上钻井平台、深潜器、深海空间站、沿海设施等领域有着广阔应用前景，海洋领域未来将成为钛及钛合金材料最具增长潜力的方向之一。

3.3 钛材供给情况

钛在地球上的储量十分丰富，地壳丰度为0.61%，含量比常见工业金属铜、镍、锡、铅、锌更高。已知的钛矿物约有140种，具备工业应用价值的主要为钛铁矿（FeTiO3，可分为岩矿和砂矿）和金红石（TiO2）。根据美国地质调查局（USGS）数据，2018年全球钛矿储量为8.8亿吨，主要分布在澳大利亚（28.4%）、中国（26.1%）、印度（9.7%）、南非（7.2%）和巴西（4.9%）等国。

根据USGS数据，2018年我国钛矿储量为2.3亿吨，全球占比26.1%，仅次于澳大利亚，居全球第二位。但是，中国钛原料多而不精，难以满足高端市场需求。我国钛工业的原料以钒钛磁铁矿为主，属于低品位岩矿，其钙镁杂质含量高（≥2%），工艺流程长，生产成本高，环保压力大。国内钛工业原料大部分用于硫酸法生产钛白粉，金属钛工业领域需求量占比仅为约7%，高端航空级金属钛生产原料90%依赖进口（主要来自澳大利亚、越南等地），造成国内高端领域钛原料供应呈现不稳定状态。

2013-2018年中国钛精矿进口量统计

资料来源：海关总署，中信证券研究部

2018年中国海绵钛的产能比2017年增长了15%，达到10.7万吨，产能增长的原因主要是新疆湘晟新建海绵钛厂开工以及朝阳百盛产能的增加。2018年中国海绵钛产量增长2.8%至7.5万吨，国内前七家海绵钛生产企业的产量与前一年相当，2018年国内海绵钛行业的整体开工率达70%以上。

2008年以来，中国钛材的需求总体呈上升趋势，2011年钛材市场达到阶段性高点，其后国内钛材需求开始下滑，中国钛工业出现结构产能过剩，航空用高端钛材供不应求，民用中低端钛材产能严重过剩。2017年以来，在高端化工、航空航天、船舶等行业需求带动下，我国钛加工需求创新高。

根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会统计数据，2018年国内主要30家钛材生产企业共生产钛加工材6.34万吨，同比增长了14.4%。2015年以来我国钛加工材产量呈现稳定增长态势，2015-2018年CAGR为9.3%。

2012-2018年中国钛加工材产量统计

资料来源：中国有色金属工业协会钛锆铪分会

国际领域主要的钛合金生产商有美国钛金属公司（Titanium Metals Corporation）、俄罗斯（VSMPO-AVISMA）、日本东邦钛公司(Toho Titanium)、住友公司尼崎分公司等，在技术上拥有较大优势。在军用领域，由于准入条件限制，这些企业与国内企业并无竞争关系，国内市场集中度很高，2018年我国生产航空航天领域用钛销售量合计10,295吨，其中宝钛股份销量4399吨，占比42.8%。

国内钛合金生产厂商

3.4 总结

受益于国内航空航天领域以及船舶、兵器等应用场景的发展，高端钛合金材料需求景气度较高，目前由于准入条件、技术壁垒等原因，目前军用高端钛合金材料主要由宝钛股份、西部超导、西部材料、金天钛业等公司供应，除金天钛业外，主要公司均已上市。

4、叶片

透平叶片是透平机械（如汽轮机、燃气轮机、水轮机等）中用以引导流体按一定方向流动，并推动转子旋转的重要部件。装在壳体上的叶片称静叶片或导叶，装在转子上的叶片称为动叶片。航空发动机是透平机械中最具技术含量和产业价值的领域。由于应用条件和生产工艺类似，航空叶片也多用于大型燃气轮机。但相比燃气轮机，航空叶片在耐高温高压、寿命可靠性、产品一致性等方面要求更高。

叶片是涡扇发动机的核心部件，占据发动机制造30%以上的工作量。涡扇发动机大量应用钛合金、高温合金等高强度金属材料，极大地提高了发动机的综合性能；其中，涡扇发动机的各类叶片（包括风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片）所处恶劣，由高强度金属材料加工而成，且结构日趋复杂，制造难度较大，是涡扇发动机制造的瓶颈。各类叶片的制造占据整个发动机制造30%以上的工作量。

涡扇发动机叶片情况

资料来源：赛峰集团官网、广发证券发展研究中心

风扇/压气机叶片属于冷端部件，多使用钛合金材料，复合材料用量在不断加大。从涡扇发动机的结构上来看，风扇叶片、压气机叶片虽然功能不同，但均位于燃烧室的前端，工作环境温度较低，属于冷端部件。风扇叶片、压气机低压级叶片已逐步从钛合金空心叶片向复合材料叶片转变，其中民用大涵道比涡扇发动机已大量使用树脂基复合材料叶片；压气机高压级叶片直径远小于风扇叶片和压气机低压级叶片，更靠近燃烧室，主要使用钛合金或高温合金实心叶片，利用精密锻造和精密加工的方式制造。

风扇叶片、压气机叶片情况

资料来源：航空发动机叶片关键制造技术（刘维伟）

涡轮叶片属于热端部件，使用高温合金等材料，通过精密铸造加工而成，难度非常大。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1,100℃以上，但涡轮导向叶片承受的应力比较低，一般低于70MPa。涡轮叶片是涡轮发动机中工作条件最恶劣也是最关键的部件，由于其处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件。涡轮叶片在承受高温的同时要承受很大的离心应力、振动应力、热应力等。其所承受温度低于相应导向叶片50-100℃，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。涡轮叶片其结构与材料的不断改进已成为航空发动机性能提升的关键因素之一。

对于涡扇发动机，涡轮进口温度每提高100摄氏度，发动机的推重比能提高10%，涡轮叶片位于燃烧室之后，完成由燃气化学能到转子机械能的转化，属于热端部件，直接关系涡扇发动机的性能。涡轮叶片的高温耐性要求很高，在高温的条件下，也要有足够的韧性和抗疲劳的性能，故涡轮叶片制造材料为高温合金，并普遍采用精密铸造方式进行加工。

各代发动机涡轮叶片

资料来源：《航空发动机涡轮叶片材料的应用与发展》（董志国，王鸣等）

4.1 叶片占发动机价值的30%左右，涡轮叶片在叶片价值中占比超过60%

涡轮叶片是涡扇发动机中制造难度和制造成本最高的叶片。相较于风扇叶片和压气机叶片，涡轮叶片的特点主要表现在原材料要求高、制造工艺难度大、成本高。

1）原材料：相较于风扇叶片和压气机叶片所用的钛合金材料或者复合材料，涡轮叶片所用的高温合金材料冶炼难度更高，所需的部分金属资源（例如铼矿）储存量更少，且大量资源被欧美国家所掌控。

2）制造工艺：高温合金使用精密铸造进行加工，在关键设备定向炉中进行定向凝固是加工的关键，使用定向凝固的方式可大幅度地提高定向叶片的性能。历经多年发展，叶片制造工艺从等轴晶到定向柱晶和定向单晶，不仅在晶粒结构控制上取得了很大进展，铸造性能也有了较大提高，已经能够生产薄壁和具有复杂冷却结构的涡轮叶片。在经过精密铸造后，还需对叶片进行数控加工和表面处理。

3）成本：涡轮叶片前期投入较大，中国航发在贵安新区的高温合金涡轮叶片生产基地项目计划总投资26.2亿元，年产量70万片；在制造环节，提高良品率的难度较大，生产叶片的成本较高。

叶片占发动机价值的30%左右，涡轮叶片在发动机叶片中的价值占比超过60%。涡扇发动机的叶片约占航空发动机成本的30%左右，以在单通道客机上用量较大的CFM56系列发动机为例，叶片包含“风扇叶片—三级低压压气机叶片—九级高压压气机叶片—高压涡轮叶片—四级低压涡轮叶片”，在发动机中的价值占比约35%。风扇叶片由于叶片半径较大，单价虽高，但用量少；高压压气机叶片采用精锻制造，成本相对较低，在百元至千元级，低压压气机叶片半径较大，且为空心叶片，成本在万元级；涡轮叶片单价高（高压涡轮叶片价格在10万元/片以上），用量大，在叶片组中的价值占比在60%以上。

航空发动机大部件价值构成

数据来源：前瞻产业研究院

资料来源：广发证券发展研究中心

CFM56发动机叶片结构拆分

资料来源：《航空发动机结构设计分析》（陈光）

4.2 涡扇发动机叶片市场规模

广发证券根据Global Data发布的全球航空发动机数据及预测数据，测算出2019-2028年全球涡扇发动机叶片市场规模为1803亿美元，涡轮叶片市场为1153亿美元。核心假设为：

（1）叶片价值占比：战斗机发动机为小涵道比涡扇发动机，叶片占比低于大涵道比发动机，假设占比为30%。

（2）不同叶片在叶片中价值占比：战斗机发动机的风扇叶片、压气机叶片半径小于运输机、客机所用的大涵道比发动机，假设占比相对较低，假设钛合金/复材叶片、精锻叶片、精铸叶片在叶片中的价值占比分别为18%、12%、70%；运输机、客机所用的大涵道比涡扇发动机的钛合金/复材叶片、精锻叶片、精铸叶片在叶片中的价值占比采用CFM56系列发动机的数据，分别为26%、11%、63%。

（3）客机交付量：交付总量取空客公司与波音公司预测交付量的平均值，根据空客公司预测，前十年交付量占46%，按此推测19-28年的客机交付量。货机和支线飞机由于交付数量远少于干线客机且部分支线飞机采用涡浆发动机，整体对测算的边际效应较小，不做考虑。

（4）客机发动机数量：由于波音747与空客A380交付量极少，假设所有客机均为双发飞机。

（5）发动机价格：民用航空发动机实际交易价格低于航空发动机生产商的目录价格，且出现不同程度的折价，本次测算按照目录价格的70%进行计算。

资料来源：广发证券研究中心

4.3 风扇/压气机叶片市场出现分化，锻造叶片产业正向中国转移

从企业经营角度来看，国际市场涡扇发动机叶片供应商主要有两种模式。一种是从属于航空发动机公司的专业化车间或工厂；另一种是独立于发动机公司提供配套产品的专业化生产企业。

涡扇发动机叶片市场进入壁垒较高，产品成熟后客户稳定性较强。在国内市场，涡扇发动机叶片主要是军用需求；在国际市场，涡扇发动机叶片主要是民用需求；国内外市场的进入壁垒均较高，但一旦进入发动机厂商的供应商体系后，客户的稳定性非常强。

国内市场：军用需求为主，客户主要是中国航发集团。军用叶片对性能及可靠性要求较高，供应商需要有较深的技术积累，具有技术壁垒；进入军品供应商序列需要通过军工资质认证，认证周期较长，具有资质壁垒。在叶片实现列装后，供应商在装备的寿命周期内将会获得持续性订单，客户稳定性较强。

国际市场：民用需求为主，客户主要是GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头，叶片采购量较大，竞争相对激烈；相对于军用需求，对叶片的成本有更高要求。供应商一般需取得航空发动机制造商的特殊工艺认证资格，或者取得“全球第三方特殊工艺认证机构”颁发的认证证书，进入壁垒高。在进入主要发动机厂商的供应商体系后，航空发动机厂商倾向于签订长期合作合同，客户稳定性较强。

随着中国航空产业的进步，国内叶片生产商在国际市场中的参与度不断提升，风扇/压气机叶片市场出现分化：

空心叶片、复材叶片市场由欧美企业主导，国际航空发动机巨头拥有直属工厂。涡扇发动机风扇叶片、压气机低压级叶片所用的空心叶片、复合材料叶片对材料及制造工艺的要求较高，国内起步相对较晚，目前国际市场仍以欧美企业为主导。GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均拥有直属工厂，或与合作公司成立合资工厂，如Albany/Safran合资工厂、CFAN公司。

中国公司锻造技术进步显著，锻造叶片产业正向中国转移。美国、德国、英国的锻造技术较强，在加工设备等方面也拥有优势，但随着中国锻造技术的不断提升，国产锻造叶片具备全球竞争力。从成本角度考虑，国际航空发动机巨头加大了对中国锻造叶片的采购力度，航发动力、航亚科技、无锡透平等公司先后获得锻造叶片大单，锻造叶片产业正向中国转移。

全球航空发动机叶片风扇/压气机叶片企业

涡轮叶片生产难度较大，长期被欧美企业垄断。除了冷端部件外，在高性能喷气发动机的气道中，涡轮入口温度超过1600℃，同时叶片需要承受发动机起动、停车循环的高温燃气冲刷、温度交变、高转速下的离心力等，这就要求合金材料在高温下具有一定蠕变强度、热机械疲劳强度、抗硫化介质腐蚀等。由于工作环境恶劣，对材料、工艺要求极高，涡轮叶片通常由高温合金材料精铸而成。高性能、长寿命的涡轮精铸叶片均由欧美企业提供，GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均有直属涡轮叶片工厂，PCC公司是最大的独立涡轮叶片供应商。俄罗斯的涡轮叶片可满足性能需求，但在使用寿命和经济性上远不如欧美产品。

国内企业进步显著，航发精铸、应流股份等多家公司涡轮叶片实现突破，发展空间较大。经过多年发展，国内涡轮叶片技术进步显著，其中，航发精铸实现涡轮叶片的稳定供应，叶片性能和寿命不断提升，是国内最主要的涡轮叶片供应商；应流股份、江苏永瀚、万泽股份实现技术突破，成功进入中国航发的供应商序列。目前国内军品列装加速，民航需求较大，涡轮叶片具有较大发展空间。

全球航空发动机涡轮叶片生产企业

4.4 总结

在航空零部件领域，国内厂商的产业链环节有所不同。在涡扇发动机中，其结构主要分为进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷等。我国航亚科技、无锡透平叶片等主要生产压气机叶片、风扇叶片、涡轮盘、压气机叶盘、机匣等，使用的材料以密度较小、强度较大的钛合金等。应流股份、炼石航空与江苏永瀚的产品集中于高温合金的涡轮叶片，以镍、钴等耐高温、重量较高的材料为主；由于高温合金零部件的加工技术难度大，供应商的资质认证耗时长，因此熔模铸造行业壁垒高，主流供应商数量少，市场集中度较高，该领域的国际厂商主要是美国精密铸造公司（PCC），垄断了50%以上市场份额。

目前国内厂商已经逐步实现突破，互相印证。航空发动机叶片具有技术难度大、认证周期长等特点，决定了其初始投入资本较高，而在产品批量化生产之前产生的现金流较低。目前，随着国内企业技术逐步突破，部分产品已经通过下游客户的认证，进入放量阶段。如航亚科技已为国际主流商用发动机CFM56-7B及CF34提供批产叶片装机交付；并全面参与国际最新一代民用航空发动机（LEAP）的压气机叶片研制及生产，其中LEAP低压压气机叶片共计14级，截至目前，航亚科技已承接13级的叶片合同并完成其中11级的研制。根据年报的披露，2018年航亚科技、江苏永瀚、应流股份来自航空领域的收入分别136、156、88、百万元，分别同比增长57%、76%、88%。

随着中国航空产业的进步，国内叶片生产商也在产业链中崭露头角：锻造叶片已有初步向中国转移的趋势，航发动力、航亚科技、无锡透平等公司先后获得国际客户锻造叶片大单；精铸叶片虽长期被欧美垄断，但是近年国内企业也获得显著的进步，如航发体系内航发精铸、贵州航宇科技等涡轮叶片实现突破。

四、投资总结

1、航空装备列装带动发动机需求，进而带动航空发动机产业链发展

2019 年国防支出预算 11,899 亿元，同比增长约 7.5%，较 2018 年 8.1%增速略有下滑。预计未来随着国防与军队改革的持续推进，军费使用也有望优化，用于武器装备采购及研究支持的经费将快于整体军费增长。

近年中国军费开支情况

资料来源：中国国家统计局，中国国防部官网

当前我国军机架数总量仅约为美国的 1/5 左右，且随着我军军费预算增速的回升，装备建设将加快推进，武器装备采购投入增速将有望维持10%～15%水平，且三代以下机型占有相当高比重。近年来太行系列（WS-10）发动机性能已相对成熟，并逐步大批量列装部队。根据 SIPRI、《世界空中力量》等披露数据测算，我国三、四代战机航发国产化率或已接近 70%。未来随着我国军民航机队规模的增加及老机型的更新换代，将有效带动我国航空发动机市场增长。

通过公开数据，对未来十年我国军用航空发动机市场进行测算，未来十年，我国军用发动机购置经费共3,114亿，维修经费1,557亿，合计4,671亿；平均每年购置经费311亿，维修费156亿，合计467亿。按各部分拆分费用，平均每年叶片179亿、零部件202亿、动力控制系统55亿。

2、政策端：“两机专项”推动航空发动机产业链增长

我国航发产业受制于体制、经费、技术等因素，自主研发能力相对较弱，发动机型号研制依赖于飞机整机，投入经费及预先研究不足，材料及工艺落后等问题成为此前长期制约我国航发产业发展的瓶颈，而受益于欧美国家长期以来对航发产业的巨大支持，以及一直实行飞发分离、预研先行、内部适当竞争、多元化经营的管理体制，三大行业巨头GE、PW、罗罗发展迅速。

2016年，随着中国航发集团的挂牌成立，航空发动机国家队正式组件亮相，航空发动机的地位得到显著提升，依附于飞机的发展体制随之解决，另外在央企不断整合的背景下，新航空发动机央企的成立，充分显示了国家对航空发动机行业的重视。航发集团挂牌成立，标志着我国从管理体制上实现“飞发分离”。

效仿欧美等国实施预研计划，2017年3月，两机专项正式启动，随着千亿规模的航空发动机重大专项的逐步落地，有效支持我国重点型号航空发动机、燃气轮机及高温材料的研制。同时，我国在高温合金等材料问题上不断突破。制约我国航空发动机产业发展的体制、经费、技术上的制约因素有望逐步消除，我国航空发动机产业发展有望加速。

3、因涉及军用以及国外的技术封锁，国产化的压力推动航空发动机领域发展

航空发动机作为“工业皇冠上的明珠”，是工业强国的象征，是衡量国家综合科技水平、工业基础实力和综合国力的重要标志，也是在一段时期内制约我国航空工业发展的短板。现在全球能真正生产航空发动机的国家只有美英俄法等少数国家，我国航空发动机依赖进口的问题依然存在，航发集团的成立和两机专项的设立，均是国家推动航空发动机产业的重要举措。航空发动机具有极其重要的战略地位，在当前因中美贸易摩擦等外部环境趋紧的大环境下，航空发动机整体产业链的国产化势在必行。

4、关注具有技术优势、产品优势的供应链企业

航空发动机零部件采用钛合金、高温合金等为原材料，主要以锻件和铸件为主，需要产出大尺寸、高精度、高性能的产品，需要依托高端生产设备及先进生产工艺，生产能力要求较高，一般专业配套主机厂。零部件配套企业需要型号占位，企业的成长取决于配套型号的批产和列装情况，当前量产的发动机型号较少，因此行业内企业体量相对较小，但是应持续关注。

包括复合材料、先进金属等的材料、叶片等领域，技术难度高，关键技术一旦突破，将极大促进行业发展，同时也为自身打开巨大的发展空间，值得持续跟踪。

五、航发产业链的企业近期动态

1、业绩情况

 2、定增情况

参考资料：

1、国防军工：航空发动机国产化刻不容缓，全球6000亿美金市场当有中国制造

2、航空发动机：国之重器，国产化势在必行

3、20190325-国金证券-军工：多部委加大国防军工政策支持，聚焦军民融合、深化改革

4、20200219-东吴证券-国防军工：航空发动机国产化加速，SicSic复合材料应用可期

5、20190811-中信证券-有色金属钛行业深度报告：高端需求拉动，钛材行业景气向上

6、20200219-东吴证券-国防军工：航空发动机国产化加速，SicSic复合材料应用可期

7、20190923-广发证券-通用机械行业：中国制造，迈进万亿规模航空发动机叶片市场

8、航空发动机：国之重器，国产化势在必行

9、http://html.rhhz.net/CLGC/html/20190201.htm

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