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金属合金

军工金属材料产业链及其市场需求

【军工汇公众号授权转载】

 作者:李欣

    军工材料——高端武器装备的发展之匙。军工材料根据不同物理特性可划分为金属材料和非金属材料。在军工领域,目前应用最多、最广泛的仍然是各类金属材料,以高温合金、钛合金、铝合金等为代表。由于此类特种金属加工难度大,技术壁垒高,随着国内需求提升,供需逐渐偏紧,国产化替代空间大。

要点提示

     “两机”专项全面推进,助力高温合金需求大幅增长。高温合金广泛应用于航空发动机、燃气轮机的核心热端部件。目前,全球高温合金的年消费量近30 万吨,其中我国超过2 万吨,市场容量超过80 亿元。随着 “两机”专项全面推进,将大幅带动高温合金的市场需求。在航空发动机领域,预计未来15 年我国将新增各类发动机29010 台,带来的高温合金总需求70000吨,年均需求约4650 吨;在燃气轮机领域,预计到 2020 年,国内燃气轮机总容量将达到 60,000MW,市场规模约需 1,133 台,预计每年需要母合金 170 吨。此外,涡轮增压汽车市场的快速发展也刺激了高温合金在汽车领域中需求的显著提升。目前我国高温合金的产能约1.28 万吨,实际产量不到1 万吨,供需偏紧,行业景气度持续上升。

 

    大飞机和新型军机批量生产改变高端钛材供需格局。钛合金具有比强度高、抗疲劳性强、耐热耐腐蚀等优异性能,在航空航天、船舶等众多领域具有广泛应用。整个钛产业链各个环节,由于前期产能扩张过快,均存在一定程度的产能过剩,但航空航天等领域的高端钛材由于需求增加处于紧俏状态。在航空领域,我们预计未来10 年高端钛合金的年需求将达到6500 吨左右。在其他民用领域,各类钛材的总需求将超过8 万吨。

 

    航空铝合金需求持续提升。铝合金密度小,强度高,韧性好,是航空领域尤其在客机上使用量最大的金属材料,其中客机上用量占比超过70%,军机上超过20%。在C919 和新型战机的巨大需求推动下,预计未来20 年高端航空铝材的需求将超过2 万吨。此外,出于轻量化需求,铝合金在大型舰艇上的使用量大幅提升。在我国加快海军高端装备更新的背景下,舰船用铝合金的市场规模迅速扩大。

 

材料军工发展之基

    回顾历史长河,人类的发展史某种程度上其实就是一部材料的进阶史,从“石器”时代,“青铜”时代,“铁器”时代,“蒸汽”和“电气”时代(“钢铁”时代),到如今的信息时代(半导体时代),人类社会的每一次巨大进步都伴随着材料技术的突破性发展。在任何时代,最先进的技术往往都是为军事用途服务,从另一层面看,是战争推动了技术的进步,也推动着人类社会快速向前发展。因此,材料在国防工业中占据着举足轻重的作用,是高端武器装备发展的先决要素。

 

图表1以材料衡量的人类发展史

 

 

军工材料分类:根据材料的不同物理特性可划分为金属材料和非金属材料。

金属材料:钢铁、高温合金、钛合金、铝合金、金属间化合物、其他合金(锆、锗)。

非金属材料:橡胶、特种塑料、涂料等有机高分子材料,硅、石墨烯、陶瓷等无机材料,复合材料等。

在军工领域,目前应用最多、最广泛的仍然是各类金属材料,尤其在航空航天、舰船、装甲车等领域。在航空航天应用上,由于特殊复杂的工作环境,对材料的性能要求非常严苛,必须同时满足轻质、耐高温、耐腐蚀、高比强度、耐疲劳等多种性能。由于此类特种金属加工难度大,技术壁垒高,随着国内需求提升,供需逐渐偏紧,国产化替代空间大。


二、高温合金

2.1高温合金概况

 

    高温合金又称为耐热合金和超合金,是指在600℃以上及应力作用下,具有长时间抗蠕变能力、高强度、耐腐蚀的金属材料。

相比普通金属,高温合金在复杂工作环境下的性能优异:1)高温强度;2)抗氧化性;3)抗热腐蚀;4)抗疲劳性;5)断裂韧性;6)内部组织稳定,使用可靠。

图表 2高温合金优异性能高

 

2.2高温合金的分类

 

    按照组成元素划分:高温合金的组成元素主要包括铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、钛(Ti)、铝(Al)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)等,其中最常见有铁基、镍基、钴基三种。

铁基高温合金:中等温度(600-800℃)条件下使用的高温合金。铁基合金成分简单,成本低廉,应用广泛。

镍基高温合金:以镍为基体,在中高温(650-1000℃)条件下使用的高温合金。在所有高温合金中,镍基高温合金的高温强度最大,应用范围最广泛。相比铁基合金,组织更稳定,有害相少,抗氧化和抗腐蚀能力更强。

钴基高温合金:在高温(730-1100℃)条件下使用的奥氏体高温合金,含钴量40%-65%。耐高温能力强,但钴是贵金属,成本相对较高,限制钴基合金的推广。

    按照加工方式划分:主要可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金三大类。

    变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工,工作温度范围-2531320℃,具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标,具有较高的抗腐蚀性能的一类合金。

铸造高温合金:以铸造方法直接制备零部件的高温合金材料。根据合金基体成分,可以分为铁基铸造高温合金、镍基铸造高温合金和钴基铸造高温合金3种类型。按结晶方式,又可以分为多晶铸造高温合金、定向凝固铸造高温合金、定向共晶铸造高温合金和单晶铸造高温合金等4种类型。

    粉末冶金高温合金:用粉末冶金工艺制取的高温合金。与传统的铸锻高温合金相比,具有组织均匀,无宏观偏析,屈服强度高,耐疲劳性好等优点。

    按强化方式划分:主要包括固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型四大类。

图表3高温合金分类

2.3高温合金的应用

 

    基于其在高温工作环境下的突出性能,高温合金被广泛应用于航空、航天发动机、舰船和工业用燃气轮机的核心热端部件。除军事用途外,高温合金还在电力、石油化工、汽车、冶金、玻璃制造等民用领域发挥着不可替代的作用。

图表4高温合金的应用领域

图表5高温合金在各应用领域的分布图

1、高温合金—航发实现性能突破的关键要素

 

    推重比、涡轮前温度、燃油消耗率是衡量航空发动机性能的主要指标,也是航空发动机分代的重要依据。航空发动机的发展趋势就是不断提高推重比和涡轮前温度,同时降低燃油消耗率。其中,提高涡轮前温度有助于提升航空发动机的推重比,涡轮进口温度每提高100℃,航空发动机的推重比能够提高10%左右。从第一代航空发动机发展至目前的第五代发动机,涡轮前温度已经由最初的1200-1300K提高到了1850-2000K。随着涡轮前温度的逐步提高,燃烧室所用材料的耐高温要求也日益苛刻。据航空材料学报报道,自20世纪60年代中期至80年代中期,涡轮进口温度平均每年提高15℃,其中材料所做出的贡献在7℃左右。因此,高端高温合金材料成为了制约航空发动机发展的关键因素之一。

图表6战斗机的发展历程

2、高温合金燃气轮机关键部件的核心原材料

 

    燃气轮机的基本结构与航空燃气涡轮发动机类似,也是由压气机、燃烧室和涡轮(又称燃气透平)等组成,主要的区别在于燃气轮机是将燃气发生器的可用功输出为转子的扭矩。燃气轮机按照体量及功率大小可分为重型燃气轮机及轻型燃气轮机。重型燃气轮机主要用于发电领域,轻型燃气轮机可用于舰船及机车、坦克等特种车辆的动力。燃气轮机按涡轮前温度还可以大致分类为:900℃的A级、1000℃的B级、1100℃的C级、1200℃级的D型(如:M701D),1300℃级的E型,1400℃级的F型(如:M501F/M701F),采用回收型蒸汽冷却燃烧器、进口温度1500℃级的G 型以及在此基础上还开发出1500℃级的H 型(如:M701H)。

    燃气轮机具有体积小、重量轻、热效高、污染低、耗水少等优点,在船舶、电力、石化、冶金等领域的应用日趋广泛。燃气轮机的关键部件如涡轮工作叶片和涡轮导向叶片,由于特殊复杂的工作环境,对组成材料的整体性能要求极高。与航空发动机相比,燃气轮机要求高温合金除了良好的蠕变强度、疲劳强度和良好的塑性等共性外,还得具备独特的物理化学特性:

极强的抗热腐蚀性,因为发电或舰用燃气轮机工作环境较航空发动机恶劣,热端关键零件涡轮叶片或导向叶片要经受严重的热腐蚀;

    组织稳定性好,工作寿命长。军机发动机的寿命通常约几千小时,民航发动机的寿命也仅为上万小时,而工业用燃气轮机则要求几万至几十万小时的寿命。 

    因此,高温合金是加工生产力学性能优异、组织稳定的涡轮工作叶片和导向叶片的核心原材料,直接决定了燃气轮机能否在复杂工作环境下长久高效运行。

 

3高温合金-制造汽车增压涡轮的重要材料

 

    涡轮增压技术能显著提高汽车的扭矩和功率,同时提升发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放因此在汽车工业中逐渐得到推广。但是经过涡轮增压以后,发动机在工作时候的压力和温度都大幅提升,由于转速高,叶片上还受到多种交变应力的作用,因此要求涡轮材料具有较好的高温力学性能、屈服点和长期组织稳定性以及良好的铸造性能。铸造高温合金因具有足够的强度、热稳定性和良好的抗疲劳性等优点,被大量用于制作汽车增压器涡轮。

2.4高温合金市场需求

 

1、“两机专项”加速推进,高温合金潜在需求提升

 

    “两机专项”主要是航空发动机和燃气轮机两个重大专项,两机的基本原理相同。航空发动机专项方面,将重点聚焦涡扇、涡喷发动机领域,同时兼顾有一定市场需求的涡轴、涡桨和活塞发动机领域,主要研发大涵道比大型涡扇发动机、中小型涡扇/涡喷射发动机、中大功率涡轴发动机等重点产品;燃气轮机专项的主要目标为,2020年实现F300MW燃机自主研制,2030年实现H400MW燃机自主研制。20168月,航发集团正式成立,标志着两机专项的全面启动。2017417日,工信部在京召开了“两机”基础研究专业组成立大会,“两机专项”开始加速推进。“两机专项”的全面实施将推动我国航空发动机和燃气轮机实现国产化替代。作为决定两机发展关键要素之一的高温合金将受益于专项的实施实现重大突破,潜在的市场空间巨大。

 

航空发动机领域

    我国航空发动机起步较晚,而且长期以来缺乏长远的规划,加上国外的技术封锁,使得我国航空发动机研制进展缓慢,与世界先进水平大约有30年的巨大差距。军机发动机方面,我国现役最先进的WS10及其改进型的性能指标仅仅与美国普惠的F100和通用电气的F110相当,这两款配套美国F-15/F-16战斗机的发动机上世纪70年代即已服役。由于中国大部分发动机技术是转化自前苏联,因此相比美国普惠和通用电气的航空发动机,在寿命上和稳定性上存在显著不足,通常飞行几百小时就得大修,这与材料的加工工艺和性能有直接关系。民航发动机方面,中国才刚刚起步,我国完全自主研制的大型商用干线飞机C919采用的是由美国通用电气和法国赛峰公司合作研发的最新一代LEAP发动机。因此,无论在军用还是民用航空发动机领域,中国都还远远落后于世界一流水平。

    发动机是飞机发展的“瓶颈”,而材料及其加工工艺又是直接制约发动机研发的屏障。推重比10以上的先进军用发动机和现代民用大涵道比发动机,有60%70%的技术要依赖于先进材料和先进工艺。我国在钛合金材料、高温合金材料等金属材料以及陶瓷基复合材料等非金属材料方面与欧美等先进国家均有较大差距,因此先进的材料及其加工工艺是持续提升我国航空发动机水平的前提条件。“两机专项”的一个重点任务是提升高温合金和钛合金等高端材料的性能及加工工艺。我国自主航空发动机的研制定型和列装服役则将打开高温合金等高端材料的市场天花板。

    根据国家制造强国建设战略咨询委员会公布的报告预测,未来十年,全球市场对航空发动机产品需求旺盛,其中涡扇、涡喷发动机的累计全球需求总量将超7.36万台,总价值超4000亿美元;涡轴发动机累计需求量超3.4万台,总价值超190亿美元;涡桨发动机累计需求量超1.6万台,总价值超150亿美元;活塞发动机需求量超3.3万台,总价值超30亿美元。

 

2、高温合金在军用航空发动机领域的国内市场需求

 

    经过60多年的发展,中国空军从无到有,已经发展成为全球重要的空军力量之一。从军机保有量来考量,中国已经成为世界前三的空军力量,2955架的数量仅次于美国和俄罗斯。从军机性能和战斗力来考量,中国空军总体实力仍然落后于美俄等空军强国,现役飞机中超过一半是老式的落后机型,尤其是战斗机、运输机和直升机,不论是数量还是质量上都不能跟美国相提并论。在中国加强国防建设,尤其是加快海空军实力建设的背景下,新式战机的国产化替代将带来巨大的市场空间。我们预计,未来15年我国将增加新型战斗机包括教练机1200架,直升机1500架,运输机300架。由于我国航空发动机的寿命只有几千小时,甚至几百小时就需要大修,因此我们预计未来15年新旧军机平均至少要换2次发动机。按照我们的测算,战斗机/运输机/直升机/其他机型在未来10年间对相应领域发动机的需求将分别达到7274/5072/14768/1896台。

图表7世界各国空军实力对比

 

图表8中美空军实力对比

    根据钢研高纳《2016年年度报告》显示:在先进的航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的40%60%以上。高温合金由于强度高,加工硬化严重,因此材料加工成关键零部件的成材率相对较低。我们假设高温合金成材率为20%,测算所得的未来15年的高温合金总需求将达到约70000吨,年均需求约4650吨。根据中国金属学会高温材料分会的估计,目前在航空航天、发电领域高温合金需求量3000吨左右,且每年呈15%以上的速度增长。

图表9高温合金需求预测

3高温合金在民用航空发动机领域的国内市场需求

 

    在民机市场,波音和空客两大航空业巨头分别对未来20年新机需求做了预测。根据波音公司2016年发布的针对中国市场的最新《当前市场展望》报告,预测未来20年中国将需要6810架新飞机,总价值达1.025万亿美元。在全球范围,则需求39620架新飞机,总价值5.9万亿美元。根据空客公司在2016珠海航展上发布最新全球市场预测,未来20年中国将需要约6000架新客机与货机,价值9450亿美元,全球则需要33000多架新飞机。综合两家的预测数据,中国未来20年新机需求预计将达到6500架左右,全球则有望达到35000架。由于超大型客机占比较少,在此暂不考虑超大型客机配4个发动机的情况,因此,预计未来20年对全球对民航发动机的需求将达到70000台,国内市场达到13000台。目前,波音采用的推力32000磅的LEAP-1A自身重量达到7000磅(合计3175.147千克),采用的推力29000磅的LEAP-1B自重6130磅(合计2780.521千克)。假定发动机重量为3吨,高温合金占比50%,成材率25%,未来20年全球高温合金需求将达到42万吨。虽然民航发动机需求的增长将扩大高温合金的市场空间,但由于中国在民航发动机领域目前还是空白,尚处于起步阶段,因此对国内高温合金市场的刺激力度有限。

4、高温合金在燃气轮机领域的市场需求

     燃气轮机根据结构形式划分,可以分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机以及微型燃气轮机。

   重型燃气轮机:零部件较厚重,要求寿命长,单位功率的质量为25千克/千瓦。

   轻型燃气轮机:零部件结构紧凑,质量轻,单位功率的质量小于2千克/千瓦。

    微型燃气轮机:将燃气轮机与发电机设计成整体,体积很小,质量很轻。

    在国内市场,燃气轮机应用主要集中于发电和舰船两大领域。

   在发电领域,由于我国天然气资源进入大规模开发利用阶段,燃气轮机发电正处于加速发展期。根据中电联发布的2015年电力工业统计快报,2015年我国燃气发电1658.38亿千瓦时,比2014年的1332.83亿千瓦时同比增长24.4%2015年发电装机容量达6637万千瓦,比2014年的5697万千瓦同比增长16.5%。根据高端装备发展研究中心的统计,国内燃气轮机电厂运营主体分为四类:第一类是以华能、华电、中电投等为代表的国有大型发电央企;第二类是地方政府出资控股的省属电力投资集团及能源集团,如浙能集团、申能集团、京能集团等;第三类是国内钢铁厂自备电厂,应用气进行高炉煤气联合循环发电;第四类是石油天然气生产企业,如中海油等。

 

    虽然国内燃气发电发展速度很快,但绝大部分燃气轮机仍然只能依靠进口或者通过与外商合作的方式获得。国外燃机供应商主要有通用电气(GE)、西门子(Siemens)、三菱重工(MHI)以及Alstom(现被GE收购)。国内燃机供应商则主要包括上海电气、东方电气、哈尔滨电气外加南京汽轮机电机四家,其中上海电气与西门子合作,东方电气结对三菱,哈电与南汽与GE合作。因此,GE的燃气轮机几乎占据了国内燃机市场的半壁江山,其次为MHI和西门子。

    我国在自主研制燃气轮机方面还处于起步阶段,不论技术还是产量在市场是都处于弱势。国内能自主研发燃气轮机发电机组的企业包括沈阳黎明航空发动机集团、哈尔滨东安发动机、中航世新燃气轮机股份有限公司、中航动科南方燃机等公司。主要产品包括QD128QD70QD185QD168系列轻型燃气轮机,以及R0110重型燃气轮机。目前,已经为国内外的电厂提供高炉煤气联合循环项目以及天然气分布式能源项目提供燃气轮机产品。随着“两机专项”的实施,自主研发的燃气轮机有望迎来突破。

    未来20年将是天然气发电的高速发展期。根据《中国天然气发展报告(2016)》,预计到2020年,中国天然气发电装机占电源总装机达到5%以上。以2016年总装机容量16.5亿千瓦为基础,假定未来4年的年均增速为5%2020年天然气发电总装机容量预计达到1.003亿千瓦;这与中电联公布的“十三五”天然气发电需求预测一致,预计到2020年我国天然气发电规模为1亿千瓦左右,其中分布式4000万千瓦。因此,到2020年我国至少还存在3000万千瓦天然气发电装机的缺口,尤其在天然气分布式能源装机领域,发展空间巨大。发电用燃气轮机的庞大市场空间也将带动上游关键原材料高温合金的需求,预计发电领域高温合金的需求将跟燃气发电新增装机规模增速接近

    在舰船领域,我国与欧美等军事强国存在巨大的差距。当前,国外现代大、中型水面舰艇和高性能舰船都基本采用燃气轮机作为主要动力装置。据19812008年国外舰船动力装置统计,3/4的水面舰船采用了燃气轮机(含柴-燃联合)。相比之下,我国军舰动力燃气轮机化率远低于老牌海军强国。目前主力护卫舰采用柴油机动力,主力驱逐舰逐渐采用柴燃混合动力,其中052型驱逐舰112113号装备了美制LM2500燃气轮机,052B052C型驱逐舰168169170171号装备了乌克兰制的GT25000或国内仿制型号,最新服役的052D驱逐舰采用其国产化型号QC280

    相比柴油机和蒸汽轮机,燃气轮机无疑更符合军舰对动力系统性能的要求,主要是由于燃气轮机成功率大、噪音低、起速快等优异特性。

    1)功率密度极大。通常情况下,同等功率的燃机体积是柴油机的1/3-1/5,是蒸汽轮机的1/5-1/10左右。这是由燃气轮机本身精巧的连续转动热力学循环结构决定的。燃气轮机体积小、功率大,非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点。

    2)启动速度快。虽然燃机的转速是三种动力系统中最高的,但是由于整个转子十分轻巧,在启动机帮助下在1-2分钟就可以达到最高转速。而柴油机由于转子运动源于活塞的往复,加速较慢,蒸汽轮机更是“反应迟钝”,而启动速度对于军舰的作战性能有着直接的影响。

    3)噪声低频分量低。由于燃气轮机本身处于高速稳定转动当中,产生的噪声更多是高频啸声。而柴油机的活塞往复产生了大量低频机械振动噪声,恰好迎合了海洋容易传播低频噪声的特点,导致军舰容易被敌方声纳探测。所以柴油机动力尤为不适合给反潜军舰作动力系统。

    从美日欧等海军老牌强国的发展路劲来看,舰艇以燃气轮机作为动力是未来军舰升级换代下的必然趋势。近年来,我国加快了海军现代化装备的更新,各类新型舰船如下饺子一样下水服役,在不断提升我海军实力的同时,也给相关产业链带来了新的发展机遇,尤其是上游高端材料和零部件的供应商直接受益。高温合金作为生产燃气轮机必不可少的关键材料,需求也在同步上涨。

    综上分析,燃气轮机在舰船和发电领域的需求巨大,两机专项的全面推进有助于加快燃气轮机的国产化替代。据中国机械工业协会估算,到2020 年,国内燃气轮机总容量将达到60,000MW,市场规模约需1,133 台,预计每年需要母合金170吨。

5、高温合金在汽车等其他领域的市场需求

    随着人们对于汽车动力的追求,对于环境保护的重视,小排量涡轮增压汽车逐渐受到追捧。目前,现代柴油机上使用废气涡轮增压器已经非常普遍,在汽油机上的应用也在加速推广,市面上带T”的车型逐渐增多,涡轮增压器市场持续扩大。根据中国产业研究报告的统计,我国中重型载货车与客车采用涡轮增压技术已接近100%,轻型载货、载客车采用涡轮增压技术接近80%的水平,随着中小型增压器在乘用车、工程机械、部分船机等领域应用比例的提升,涡轮增压器的年需求量可达200万台以上,带动的高温合金的需求稳步提升。

    综上分析,我们认为未来10年随着两机专项的实施以及涡轮增压汽车市场的持续增长,高温合金的国内市场将呈现出持续稳健增长的趋势,年均复合增速有望达到10%-15%

 

2.5高温合金的供给现状

 

    经过数十年发展,我国在高温合金的研究和生产上取得了巨大的进步,基本形成了牌号齐全的高温合金体系,并形成了一定的产能规模。但跟美国、俄罗斯等国相比,在高温合金技术水平与生产规模方面仍存在较大差距。国内从事高温合金的厂家主要有两大类:第一类是特钢生产厂家,如抚顺特钢、宝钢特钢和攀长钢,高温合金只是作为其特钢业务的很小一部分,在人才储备和研发能力上相对较弱,产品相对单一;第二类是科研单位及其下属企业:如钢铁研究总院(钢研高纳)、北京航空材料研究院、中国科学院沈阳金属所(中科三耐),研发能力强,产品种类齐全,技术领先,但是其特殊的科研属性使得产能规模相对较小。目前,国际市场上每年消费高温合金材料近30万吨,我国每年需求达2万吨以上,市场规模超过80亿。我国高温合金的主要生产厂家的产能合计大约有1.28万吨,实际产量大约只有1万吨,其中抚顺特钢和钢研高纳占据了其中的大头。未来,随着两机专项的实施带来的大量的新增需求,我国的高温合金消费量将快速提升。由于高温合金尤其是需要精细加工的高端高温合金的技术门槛较高,扩充产能的周期长,难度大,因此短期内产量难以跟上需求的增长,供需缺口将进一步扩大。

. 钛合金

3.1钛合金概况

    钛合金是以钛为基础加入铝、锡、钒、钼、铌等其他元素组成的合金,是一种重要的结构金属,具有比强度高、抗疲劳性强、耐蚀耐热性好等优异性能,因此在航空航天、船舶、海洋工程、兵器、汽车、医疗、化工、冶金、体育休闲等领域具有广泛的应用,有着“第三金属”、“空中金属”、“海洋金属”等美誉。

    钛在地球上储量丰富,是地壳中含量排行第七的金属元素,我国基础储量超过3.5亿吨。钛矿开采以后,主要先加工成钛白粉和海绵钛,其中钛精矿下游90%左右需求用于钛白粉,海绵钛要进一步加工成钛锭,再通过铸造或锻造等手段加工成高端钛材,用于航空航天、船舶、海洋工程等各个领域。

    根据基体组织不同,钛合金可以分为α合金、β合金以及(α+β)合金。中国分别以TATBTC表示。

     α合金:α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在500℃~600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。

    β合金:β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温强度可达13721666 MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。

(α+β)合金:双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%100%;高温强度高,可在400℃~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。

3.2钛合金产业链现状

 

    整个钛产业链各个环节,由于前期产能扩张过快,均存在一定程度的产能过剩。其中钛白粉由于海外需求恢复目前处于供需紧平衡状态,海绵钛产能过剩严重,传导到下游使得钛锭的产能也有剩余,但是用于航空航天等领域的高端钛材由于需求增加而处于紧俏状态。

    钛白粉:截至2015年,我国钛白粉的产能达到了360万吨/年,约占全球产能的一半。行业的长期低迷促使国家加速淘汰落后产能,2016年首次出现产能下降。据钛白粉协会统计,2016 年全国钛白粉总产量259.72 万吨,销售总量247.85 万吨,由于海外欧美地产行业复苏带来海外钛白粉的需求改善和钛白粉出口量大增,市场总体处于供需紧平衡状态。钛白粉价格从2016 年年初至今涨幅超50%

    海绵钛:统计规模以上企业的产能,2012年海绵钛产能达到峰值,约14.85万吨,当年产量8.15万吨,表观开工率仅为54.8%,产能严重过剩,海绵钛价格持续走低,整个行业进入自主去产能的阶段。近几年来,落后产能加速淘汰,自主去产能逐渐见效,到2016年底大约还有12.5万吨。2016年海绵钛实际产量约6.55万吨,现有行业产能利用率不足53%。尽管由于上游矿产价格和原材料Mg价格上涨导致海绵钛价格出现稳步回升,从4/吨逐渐上涨到了7/吨,但在现有价格水平下,半流程海绵钛企业仍处于亏损状态,而全流程企业因为氯气腐蚀性强,氯化系统复产成本相对较高,可能会占到新建产线投资的近一半,总体而言海绵钛企业尚无明显复产动力。因此,海绵钛虽然价格上涨,但是主要是由于成本驱动,需求端并没有明显改善,后续自主去产能仍将继续。

    钛锭:海绵钛价格上涨,但并没有向下游传导,钛锭价格没有出现联动上涨,最主要原因是钛锭库存量较大。海绵钛生产有氯化过程,如果生产线停工会导致设备内部氯化腐蚀,重新恢复起来成本高昂,所以大企业在产能过剩时仍然维持生产线的运行,多余的海绵钛都通过熔炼成钛锭储存,市场上低端钛锭的储量非常大,所以民品钛材的价格还是在很低的水平。国内民用钛材需求主体在化工,集中在两碱一盐,随着国家对盐业垄断的放开,近两年盐业投资会有一波小高峰。但在需求量更大的两碱业务中,由于玻璃、水泥等传统产能的过剩,对碱市场用量下滑。因而总体钛下游化工领域需求相对平淡。

    高端钛材:主要应用于航空航天、船舶海洋和医用为代表的高端领域。在航空领域,钛合金是制造飞机骨架、起落架、紧固件等结构件以及发动机风扇、压气机盘江和叶片等的主要原材料;航天领域,钛合金则主要用于制造火箭发动机和人造卫星壳体、燃料箱、压力容器、起落架等;在船舶海洋领域,钛合金重点应用于潜艇耐压壳体、螺旋桨、喷水推进器、海水换热系统、船舶泵、阀、装备基座等;在医用领域,钛合金由于其良好的生物相容性而被广泛用于生产人工管件、人工植牙、心脏起搏器、心血管支架、手术器械等。近几年来,由于航空航天、舰船等领域的蓬勃发展,高端钛材的需求逐年提升,成为支撑相关钛材生产加工企业维持盈利的主要贡献者。

3.3钛合金的需求

 

 

    纵观整个钛产业链,绝大部分环节处于产能过剩局面,价格持续低谷徘徊,倒逼行业自主去产能。类似海绵钛、钛锭、其他低端民用钛材的下游应用市场总体趋于平淡,因此总体需求在未来几年内不会有显著的提升。钛合金的主要增量将来自于航空航天等领域带动的高端钛材需求的上涨。

    在航空领域,钛合金因其高比强度、耐高温和耐腐蚀的特点被广泛用于制造飞机发动机和机体。在民航领域,由于追求燃油经济性要求机体尽可能轻量化,增加质量轻、强度大的钛合金用量成为民航客机发展的重要趋势。从早期的波音737/空客A320到最新机型的波音787/空客A350,钛合金的用量显著增长,平均一架客机的钛合金需求预计在20-30吨。未来20年全球将新增各类客机35000架,钛合金总体需求将达到70-105万吨,年均约3.5-5万吨。2017年我国自主知识产权的干线客机C919首飞成功,标志着波音/空客垄断中国民航市场的格局被打破。据中国商飞统计,截至目前,C919大型客机市场订单已达到570架。根据预测,未来20年仅国内航空运输市场就需要干线客机5952架,对我国钛合金市场形成重大利好,预计未来20年对钛合金的需求有望超过12万吨,年均需求接近6000吨。

    在军机领域,近年来所用钛合金材料的比例也在不断增加,钛合金材料的应用水平已经成为衡量飞机先进性的重要标志之一。四代军机钛合金用量占比已经达到25%以上,五代战机钛合金用量接近40%,其中发动机用钛量已经达到25%-33%。近年来我国歼击机用钛量不断提升,歼11B 重型战机用钛量达到15%,新型歼击机歼31 钛合金用量将进一步提升至25%以上,与美国先进战机F35钛合金用量相当。同时我国军机航空发动机用钛量也在持续提升中,太行涡扇发动机用钛量已经达到25%,正在研制中的新型军用涡扇发动机钛合金用量预计将达到30%以上,趋近国际先进水平。综合来看,我国军机的钛合金用量跟美国最新战机的水平相差无几,基本保持在25%以上的水平,平均一架飞机的钛合金重量约2.5吨。根据前面分析,我国未来15年,新增四代/五代战机的需求预计在1000架左右,按照30%的成材率计算,我国军机领域钛合金的需求将达到8500吨,年均需求约550吨。

    综合民航和军机两大市场,航空领域对高端钛合金的年均需求将达到6500吨左右。

    在化工领域,主要发挥钛合金的耐腐蚀特性,具体应用于氯碱、纯碱、石油化工等产业。2012年,钛在化工领域的用量约为2.5万吨。近几年来,在化工领域钛合金的需求趋于平稳,民用钛合金市场由于产能过剩总体景气度下降,预计化工领域的钛合金需求将维持在2-2.5万吨。

    在汽车领域,汽车轻量化成为节能减排的有效措施。汽车轻量化的主要有两大途径:1)减少内燃机往复运动件的质量(对于往复运动的内燃机零件来讲,即使减少几克质量都是重要的);2)减少汽车总质量。钛合金在降低内燃机运动件以及车身结构件质量方面效果显著,因此在汽车上的应用越来越广泛。从市场层面来看,钛合金由于成本在汽车市场的用量还相对较小,2009年全球汽车领域的钛合金用量约为3000吨,但发展速度很快。按照2016年汽车销量为基础,若每辆车用0.5kg钛合金,我国汽车市场需求将达到1.4万吨,全球将达到4.5万吨。

    在医药领域,钛合金由于生物相容性好、耐腐蚀、无毒副作用等特性在人体组织替代中得到广泛应用,其中髋关节、膝关节分别占40%36%。外科植入物中的钛合金用量正以每年5%-7%速度增长。2012年我国医用纯钛及其他钛合金材料的销量达到1313吨,未来医用领域将成为高端钛合金需求的重要增长点。

    在体育休闲领域,钛合金被广泛用于球拍、球杆、手表以及眼镜架等。2012年,体育休闲用钛4713吨,其中高尔夫用钛2186吨,手表用钛1507吨,眼镜架用钛261吨。由于我国人均消费水平逐步提高,在体育休闲领域的投入逐年增长,钛合金在体育休闲领域的用量将维持稳定增长,年均增速预计在5%-10%

    在电力领域,钛合金主要用于核电凝汽器、发电机叶片。2012年,我国电力用钛6131吨,“十三五”期间,我国将加快核电建设,核电产业的快速发展将使得电力用钛维持快速增长,预计增速有望达到15%-20%

综合来看,民用低端钛材虽然需求有一定程度增长,但是由于产品技术含量较低,同质化竞争严重导致产能过剩,对相关企业的利好作用有限。钛合金的主要增长点仍然集中于航空、航天、医用领域,高端钛材的需求增长以及其高附加值将助力于主要供应商的业绩提升。

. 铝合金

 

    铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀性能好、加工性能优异等特点,因此是当前军事工业中应用最广泛的金属结构材料。在追求装备轻量化的航空、航天以及舰船领域,高性能铝合金是必不可少的重要轻质结构材料。

4.1打飞机产业助力航空铝材需求走俏

 

1、航空铝材概况

    航空铝材是一种超高强度变形铝合金,是航空领域尤其在客机上使用量最大的金属材料。

主要特征:

1)力学和加工性能优异,固溶处理后塑性好,热处理强化效果佳;

2)在150℃以下强度高、韧性好,是理想的结构材料;

3)密度小,质量轻,轻量化效果显著。

 

主要应用部位:翼面蒙皮、翼面长桁、翼梁上下缘条、腹板、机身长桁、座椅滑轨、龙骨梁、侧框、机身蒙皮、机身下部壁板、主地板桁条等;

高强铝合金主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等;

耐热铝合金零件主要用于靠近电动机的机舱、空气交换系统等;

耐蚀铝合金具有足够高的性能指标,其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很好,主要具有耐蚀性,主要用于水上飞机。

航天航空用大型挤压型材包括整体带筋壁板、工字大梁、机翼大梁、梳状型材、空心大梁型材等,主要用作飞机、宇宙飞船等航天航空器的受力结构部件以及直升飞机异形空心旋翼大梁和飞机跑道等。

铝合金厚板主要应用于飞机框架、整体壁板、起落架、蒙皮等。

4.2航空铝材的现状和发展趋势

 

1、航空铝材的现状

    目前,大飞机结构中使用最广泛主要有高强度的2000系(2024/2224/2324/2424/2524等)和超高强度的7000系(7075/7475/7050/7150/7055/7085等)。

2000系铝合金属于Al-Cu-Mg 系合金,被称为高强度硬铝,是用途最为广泛的结构铝合金。比7000系铝合金的室温强度低,但耐热性、疲劳特性,特别是抗疲劳裂纹扩展性都比7000系的好。

7000系铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu 系合金,这类合金具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性、优良的加工性能,在大飞机上有着广泛的应用。

2、航空铝材的发展趋势

    飞机用铝合金设计要求主要考虑材料的静强度、抗腐蚀性能、稳定的高温性能、耐用性、损伤容限、良好的厚板性能和轻量化效果,传统的2000系和7000系铝合金基本具备了上述性能,而且加工工艺成熟,成本相对低廉。但是以新型的B787和A380为代表的新一代大型飞机,对舒适性、安全性、经济性等主要性能指标提出了更高的要求,因此对所用材料的性能的要求更加严苛,类似铝锂合金、快速凝固铝合金、先进复合材料等新材料逐渐带来替代威胁。

    铝锂合金

    铝锂合金是含锂元素的多元铝合金。锂是最轻的金属元素,铝合金中每增加1%锂元素,密度就可减少3%,模量就可增加5%。铝锂合金除了具有质量轻、模量高和强度高的优点外,还具有优良的抗疲劳性能和良好的低温韧性,其强度可与2024、7075 等铝合金媲美。鉴于此,铝锂合金已深得航空航天界的喜爱,它作为一种新型航空航天结构材料,已成为美、英、法、俄等发达国家竞相研制、开发的热点。

目前,已开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊的1460 和Weldalite 系列合金,高韧的2097、2197合金,低各向异性的AF/C-489、AF/C-458 合金等。这些新出现的铝锂合金可统称为第三代铝锂合金.

    铝基复合材料

    铝基复合材料由于具有密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、制备工艺灵活等许多优点而引起人们的普遍关注,各国在研发上都投入了大量的人力物力,它是金属基复合材料中研究得最多和最主要的复合材料。铝基复合材料已成为铝合金,甚至是铝锂合金的重要竞争对手。目前开发的铝基复合材料主要有SiC/Al、B/Al、BC/AI、Al2O3/Al 等。

    超塑性成形铝合金

    铝合金的超塑性成型是通过形变热处理得到的小于10 μm 的超细晶粒,这些超细晶粒合金在高于半熔点和低应变速率条件下能获得超塑性,可以成形出传统方法难以获得的质量轻、成本低、形状复杂的构件,并且具有成形压力小、模具寿命高、可一次精密成形等许多优点。

    航空铝材的需求分析

    铝合金是客机上用量最大的金属材料,通常占整机比重的70%以上,由于其高性价比,目前在客机上的地位仍然十分稳固;但是在军机领域,铝合金的占比随着钛合金和复合材料的迅速发展逐渐呈下降趋势,目前在最先进的五代战机F22上铝合金用量仅约为15%。

图表33客机中各系材料比例

    中国的航空产业正处于高速发展期,不论是以C919为代表的大型商用飞机,还是以歼20为代表的新一代战机,中国都有巨大的需求缺口。在客机方面,未来20年中国新机需求预计将达到6500架左右,对高端航空铝材的需求将有望达到45-55万吨。在军机方面,未来10年中国将新增四代/五代战机达到1000架左右,对高端铝材的需求预计达2-3万吨。

4.3舰船用铝材

 

1、舰船用铝材概况

 

    在海军舰船中,用量最大的金属材料是船体结构钢,作为整个舰船的关键结构载体,其次是铝合金。与钢材相比,铝合金具有密度小、比强度大、无磁性、高导电性和导热性等特点,是制造中小型舰艇船体、上层建筑及其他仓面器具的首选材料,尤其是制造滑行艇、水翼艇、气垫船、冲翼艇的最佳材料。因为它们的质量对航速尤为敏感,减轻船体质量能够有效地提高航速。

铝材在船舰上主要有三类应用:

1)以强度为主要因素的受力结构件,如船体、大型舰船甲板室、舰船舰桥、导弹发射筒、电磁炮轨道等。

2)非受力构件或受力较小的构件,如各种栖装件、油箱、水箱、储藏柜,铝质水密门、窗、盖,卫生设施、管道、通风、挡风板、支架、流线型罩壳和手把等。它们多是用606360823003等合金材料制造的。

3)功能材料,用于制造仓室内部装饰件与绝热、隔声材料。

 

2、铝合金在舰船上的应用提升

 

    从上世纪20年代起,铝合金在舰艇上获得了更加广泛的应用,包括航母、巡洋舰、护卫舰、导弹驱逐舰、潜艇、快艇、炮艇、登陆艇等建造过程中都需要大量铝合金。

    航母由于其庞大的体积和巨大的质量,出于稳定性和适航性等要求,对减轻结构质量等具有迫切需要,特别是上层建筑的质量,对改善航母的战术性能至关重要。根据对现有航母的初步统计,通常一艘航母的铝合金材料用量为500-1000吨。例如,美国“独立”号(CVA62)航母用了1019吨铝材,“企业”号核动力航母(CVA65)用了450吨铝材,法国“福熙”号(R99)及“克里蒙梭”号(R98)航母用了1000多吨铝材。中国首艘航母“辽宁”号铝材用量估计约650t,合金多为50526063

    在驱逐舰等大型水面舰船上,主甲板上的全部结构多采用铝合金制造。美国海军不同级的驱逐舰,在甲板以上结构中所用的铝合金数量分别如下:护航驱逐舰(DE)用铝量251.33 吨;导弹驱逐舰(DLG)用铝量811.30 吨;弹道导弹驱逐舰(DDG)用铝量515.88 吨;弹道导弹核动力驱逐舰(DLGN)用铝量为930.35吨。由于中国的海军战略逐步从近海防卫向区域拒止转变,我国包括航母在内的大型舰艇加快了建造和列装的速度。随着新型航母和驱逐舰等的建设,对舰船用铝合金的需求也将大幅提升。

4.4铝合金的发展趋势

 

    铝合金对飞机、汽车的轻量化具有重要作用,在航空和汽车领域的需求巨大。尤其随着国产大飞机C919的批量生产,高端航空铝材的消费量将直线上升。在上游铝合金的产能过剩情况下,高端铝合金需求提升只对下游铝合金精密加工企业形成利好,高端铝合金未来需要更大等。

——END——

 

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