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高温合金行业深度报告:市场空间、竞争格局、盈利驱动力

2022-04-30 16:34:30 浏览: 76 作者: 水晶透心
摘要:炒股就看金麒麟分析师研报,权威,专业,及时,全面,助您挖掘潜力主题机会!一、基础介绍:性能优异,高端装备为主要应用市场性能:热端部件应用材料,不同类型合金工艺成熟度存在差异高温合金是指能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。一般来说,高温合金是指以第Ⅷ主族元素为基,加入大量强化元素,能在600℃以

炒股就看金麒麟分析师研报,权威,专业,及时,全面,助您挖掘潜力主题机会!

一、基础介绍:性能优异,高端装备为主要应用市场

性能:热端部件应用材料,不同类型合金工艺成熟度存在差异

高温合金是指能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。一般来说,高温合金是指以第Ⅷ主族元素为基,加入大量强化元素, 能在600℃以上的高温及一定应力作用下,长期工作的一类金属材料。从性能看,高 温合金具有较高的高温强度、良好抗氧化、抗热腐蚀、抗疲劳等优良性能,在高温合 金下具有良好的组织稳定性和使用可靠性,因此也被称为热强合金、超合金等。

高温合金可分为变形、铸造和粉末等三类。根据合金材料成型方式,高温合金可分 为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金三类。变形合金可生产棒材、丝材、板材、管材和带材等,铸造高温合金有等轴晶铸造、定型凝固和单晶铸造之分,粉末冶金合金有普通粉末和氧化物弥散强化粉末等。在命名方式上,国外的高温合金牌号 根据开发生产厂家的注册商标命名;国内变形高温合金牌号以GH后接4位阿拉伯数 字表示,铸造高温合金采用K前缀,粉末高温合金以FGH前缀后跟阿拉伯数字表示,以MGH、DK和 DD等作为前缀的合金分别表示机械合金化粉末高温合金、定型凝固高温合金和单晶 铸造高温合金。

高温合金行业深度报告:市场空间、竞争格局、盈利驱动力

不同工艺路线的发展取决于行业在性能与成本方面的平衡。以铸造高温合金和粉末 高温合金的出现为例,据《航空航天用先进材料》:

下游工作温度及强度提高牵引合金成分变化,使得变形高温合金使用的热加工 工艺难以使用,进而牵引上游研发可直接以铸态使用的铸造高温合金。随着高温合金工作温度和强度的不断提高以及综合性能的改善,合金中强化元素含量不断增加, 成分越来越复杂,热加工性能变得很差,不少高性能镍基高温合金已不能热加工变 形,只能以铸态使用。铸态高温合金不再考虑锻造变形性能,可通过精密铸造方法 或定向凝固工艺铸造出形状复杂且有通常内腔的无余量空心薄壁叶片。而又因为铸 造高温合金元素总量要显著高于变形高温合金,如固溶强化元素增添了Re、Ru,难 熔金属元素W的含量提高,使得铸态高温合金持久强度、抗拉 强度都明显高于变形高温合金。而按照凝固方法的不同,牵引等轴晶铸造、定向凝 固柱晶和单晶的相继研发问世。

合金成分变化导致难以通过热加工变形,以及铸态组织偏析使得性能波动,牵引粉末冶金工艺生产高温合金克服上述难点。由于铸态组织偏析严重导致了显微组 织的不均匀和力学性能的波动,故而行业开始采用粉末冶金工艺生产高温合金克服 上述缺点。1971年美国普惠公司将当时镍基铸造高温合金IN100制成预合金粉末,经 等温锻造工艺制成F-100战机发动机零件,1972年装备在F-15和F-16上,以取代原 来的Wapsaloy变形高温合金,每台发动机减重58.5kg,成本降低15%。此外,粉末 高温合金节省原料、降低成本,采用粉末冶金热等静压加锻造法来生产的预制坯, 与传统工艺来比可节约2/3重量的合金原料,降低12%的成本。

产业链:以镍等为原料,处于上游环节,有向下纵伸的发展趋势

高温合金产业链上游为金属原料,而由于镍基高温合金使用量较大,从而上游多以 电解镍为原料。从采购量大小看主要为镍、钴、钼、铼等金属原料。据图南股份招股 书,对于镍基高温合金,其主要原材料为电解镍,属于国家战略物资,国内主要生产 厂家为金川集团有限公司等少数几家公司,基本采取现款现货 模式交易,价格具有明显波动性,采购价格根据市场价格随行就市。

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高温合金生产企业处于产业链中上游,核心在于通过工艺控制,实现金属原料熔炼 为纯净度高、成分均匀性和组织一致性较好的高温合金。企业结合先进的制造检测 设备,将基体元素按照一定比例和工艺生产流程,生产下游客户所需求的性能优良 的高温合金产品,包括铸造高温合金母合金、变形高温合金、粉末高温合金等,产品 形态视下游需求、设备能力、工艺水平而异,包括棒材、管材、丝材等。

高温合金产品认证标准较为严格,需要多环节认证才能纳入客户的合格供应商目录。据隆达股份招股书,产品进入高端装备供应链时,设计所、主机厂、直接客户等单位,全程参与关键重要部件所用高温合金的合格供应商考核评审过程, 非关键重要部件用高温合金的评审过程则会有所简化。

价值拆分:合金及锻铸为主要增值,金属材料价格波动影响盈利

电解镍、金属镍等金属材料为高温合金厂商的主要原材料之一。据《航空航天用先 进材料》,当前航空发动机领域用量较大的 GH4169化学成分中,镍占比超40%,在如GH4738、GH4698、 K417、K419等变形及铸造高温合金产品中,镍质量分数也在50%以上甚至更高。以 图南股份为例,电解镍为该公司2017-2019年直接材料第一大构成,分别占报告期内 公司直接材料的46.80%、46.89%和41.07%。

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铸造高温合金母合金产品方面,直接材料为营业成本的主要构成,镍构成主要成本。图南股份铸造高温合金母合金2016~2018年间直接材料占营业成本比重约大于80%, 2018、2019H1占比甚至高达约90%。隆达股份2017-2020年高温合金以铸造高温合金母合金为主,2018-2020年间直接材料占营业成本比重均超80%。金属镍作为高温合金母合金主要原材料。据隆达股份招股 书,2018~2021H1的四个报告期内,高温合金主要原材料镍的采购均价分别为9.15 万元/吨、10.03万元/吨、9.97万元/吨、11.38万元/吨,2019年度、2020年度、2021 年1-6月采购均价较2018年度有所上升,也导致了成本结构中直接材料占比上升。

从产业链各环节增值分布情况看,中下游精密铸件价值量相对较高。以图南股份为 例,我们假设上游原材料电解镍的单位价值为1,基于图南股份2016~2019H1四个报 告期内主要财务指标的均值,经测算,精密铸件环节所产生的价值量相对更大,该 环节增值约为上游原材料电解镍的25 倍,或反映该环节技术高门槛。

成本波动方面,考虑电解镍为主要原材料,假设其他成本项目占比及销售价格不变, 则母合金方面,电解镍价值每增长10%,铸造高温合金母合金 毛利率或下降约2.5%;精密铸件方面,假设铸造高温母合金为自产自用,则电 解镍价值每增长10%,精密铸件毛利率或下降约0.4%。

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对于变形高温合金铸锭及棒材,镍、钴等为其主要原材料。参考经开区关于2021年 6月4日建设项目环境影响评价文件受理情况的公示中披露的《关于西部超导材料科 技股份有限公司航空航天用高性能金属材料产业化项目环境影响报告表的批复》,该项目拟年产特种钛合金材料5050吨、高温合金 1500吨。高温合金铸锭环节,采用三联熔炼工艺,将中间合金制造合金块,随后和 经过预处理的金属镍、金属铬、金属铁按照预先设定的成分配比,生产标准的高温 合金铸锭。该项目主要原辅材料用量表为镍块、铬块、钴块、铁块、高温合金中间合 金,年用量分别为600、450、220、80、1650吨。

变形高温合金产品方面,直接材料为营业成本的主要构成。将抚顺特钢披露的燃料 动力成本、折旧、制造费用统一归入制造费用类,抚顺特钢2018-2021年高温合金直 接材料占营业成本比重均超过85%,为营业成本三大构成中占比最高部分。航宇科 技主要产品为航空难变形金属材料环形锻件,变形高温合金为其两大主要原材料之 一。2018-2020年,原材料成本在航宇科技营业成本的比重分别为71.54%、76.32% 和80.60%,直接材料成本在营业成本中占比逐年上升,主要系规模效益显现后单位 直接人工、制造费用随产量降低,以及原材料采购价格的上涨。

从产业链各环节增值分布情况看,变形高温合金生产与锻件环节价值量接近。以航 宇科技为例,我们假设上游原材料电解镍的单位价值为1,基于航宇科技2018~2020 三个报告期内主要财务指标的均值,经测算,锻件环节所产生的价值量略微高于变 形高温合金生产环节,该环节增值为 上游原材料电解镍的2.6倍,低于铸造高温合金母合金精密铸造环节带来的增值幅度。

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对于变形高温合金产品,成本波动方面,考虑镍为主要原材料,假设其他成本项目 占比及销售价格不变,基于以上假设,则镍单位价值上涨10%,抚顺特钢2020年高 温合金产品毛利率或下降2%。

二、市场空间:长周期的稳定性,后市场的成长性

全球规模:预计至 2027 年全球高温合金市场规模为 92 亿美元

预计至2027年全球高温合金市场规模为92亿美元,2020-2027年CAGR预计为8.7%。据Allied Market Research,2019年全球高温合金市场规模为62亿美元,预计到2027 年将达到约92亿美元。从2020年到2027年,该市场预计将以8.7%的复合年增长率增 长。从地区来看,北美市场份额在2019年占据主导地位。同时由于中国等新兴经济 体对航空航天等需求增长,预计亚太地区将保持较快的增长速度。从下游应用领域 看,由于高温合金在涡轮叶片、涡轮盘、航空发动机和航空起落架中的多种应用,航 空航天领域份额较高。

我国当前变形高温合金等部分产品仍存一定的国产替代空间。据隆达股份2021年9 月27日发布的《发行人及保荐人回复意见》,我 国变形高温合金长期大量依赖进口。以变形高温合金中使用量最大的GH4169为例,盘件用GH4169合金大规格棒材进口率超 过60%,主要系国产GH4169合金在冶金缺陷概率、成分一致性、组织均匀性和性能 稳定性等方面较进口合金存在一定的差距。

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细分市场:装备现代化建设及国产替代的成长性,民品应用可期

1.应用领域一:航空航天发动机为主要应用市场,具有附加值高、用量大等特征。

高温合金制造的热端部件是航空发动机推力来源,中长期内技术可替代性较弱。以 航空发动机为例,推力主要来自热端部件处高压高热气流的反作用力,冷端部件主 要起到进气的作用,不对气流进行高功率做功,因此冷端的工作环境较温和,其中 钛合金由于质量更轻而被广泛用在冷端部件的制造。但热端部件由于需要对气流进 行高压高热的做功以产生推力,因此其工作环境较为恶劣,一般材料及普通钛合金 无法满足其性能要求。热端部件整体工作环境顺着气流方向从压气机往后逐渐恶劣, 在燃烧室达到最恶劣工作环境。

例如,据隆达股份招股书,对于航空发动机零部件, 大中型涡扇发动机的涡轮转速可达到15000r/min、涡轮前温度可达到1700℃以上, 在航空发动机涡轮和风扇设计水平相同的前提下,涡轮前温度每提高100℃,推力增 加15%,在新型的航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的40%~60%以上。航空航天应用场景对材料性能要求较高,在此背景下,航空航天领域,高温合金主要应用于制造发动机涡轮热端部件,如涡轮盘、涡轮导向叶片、燃烧室和加力燃烧 室等主要零部件。

中长期看,高端装备用航空发动机市场空间的增长性较为突出。据国内航空发动机 控制系统核心供应商航发控制2020年年报,随着党的十九届五中全会提出的到2035 “基本实现国防和军队现代化”的目标,未来几年我国军用飞机从需求层次和数量上将会显著增加。据航发控制2021年12月24日公开的投资者交流内容,“航空动力方面当前的需求增长主要包括:

①部分二代机升级,三代机性能提升,相关机型的国产化动力换装,现役发动机寿命到期换装;②周边国家先进战机的部署对我国的军事压力,我国高性能的三代半、四代机的产量需要适当提升;③新研型号如运输机、 轰炸机、新型舰载机等需求迫切,在科研经费上会持续投入;④随着作训实战化要求对装备使用频次、消耗的增加以及新机维保等推动维修业务增加。因此,在需求 牵引和新型号技术推动的双轮驱动下,预计公司‘十四五’期间订单将保持‘十三 五’末的增长态势”。

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2.应用领域二:燃气轮机,工业燃气轮机高温合金的潜在需求较为广阔

高温合金在燃气轮机燃烧室、导管、导向叶片、涡轮工作叶片以及涡轮盘等部件上 都有着广泛的应用。燃气轮机是以空气为介质,靠高温燃气推动涡轮机械连续做功 的大功率、高性能动力机械,具有热效率高、污染少、耗水少、易安装等优点。燃气 轮机的核心部件是压气机、燃烧室和燃气涡轮,燃烧室和燃气涡轮承温高,具有大 量热端部件。高温合金具有优良的高温强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能以及良好 的综合性能,如蠕变性能、疲劳性能、断裂韧性、组织稳定性、工艺性能等,广泛应 用于燃气轮机的热端部件。高温合金性能和制备水平在一定程度上决定了先进燃气 轮机的功率、效率、寿命等性能。例如,燃烧室的材料通常采用镍基高温合金,主要 牌号有Nimonic C263、Haynes 230和IN718等。

燃气轮机燃气涡轮叶片对材料的使用寿命、耐腐蚀性能要求比航空发动机涡轮叶片 相对更高,叶片的尺寸相对更大。结合通用电气、西门子、三菱重工历代燃机型号 的发展历程看,先进燃机涡轮叶片的主要选材是镍基和钴基铸造高温合金,代表性 牌号是IN738LC、Rene 80、IN792、FSX414、Mar-M247等。燃气轮机涡轮轮盘不 同部位的温差较大,形成径向热应力,需要材料在工作温度下具有较高的抗拉强度、 屈服强度和低周疲劳强度。根据高温合金的特性,燃气轮机涡轮轮盘的主要选材是 镍基变形高温合金,如IN718、IN706和GH4698等。由于燃气轮机涡轮轮盘直径通 常是航空发动机涡轮轮盘的3倍以上,因此需要使用大尺寸变形高温合金,这对于合 金纯净度的控制以及铌元素偏析控制提出了较高的要求。

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工业燃气轮机高温合金潜在需求广阔,受益清洁环保能源开发。根据GRAND VIEW RESERRCH出具的报告显示,2020年燃气轮机全球市场规模约203.8亿美元,电力 和公用事业是燃气轮机的主要应用场景,收入贡献超过85%。该报告同时预测燃气 轮机的市场规模将在2028年达到350.2亿美元,其中电力和公用事业的份额将进一步 扩大,部分受益于全球人口的增长和城市化带来的用电需求,部分受益于环保型发 电的开发。

3.应用领域三:核电设备,安全性、可靠性高要求牵引高温合金需求

核电站工作环境恶劣,为了保障其安全可靠性,对采用材料性能要求较高。核电站 主要由核岛和常规岛组成。其原理是使用冷却水将热能从反应堆堆芯传递到蒸汽发 生器,蒸汽发生器然后将热量传递到二级回路系统以产生高温和高压蒸汽,从而驱 动发电机产生电力。核电站结构部件一般使用环境比较复杂,如暴露于较高的温度, 较高的中子剂量,辐射损失以及腐蚀性的环境等。为了保障核电站的安全可靠性, 核电结构材料不仅要保证具有良好的强度、优异的耐蚀性、高疲劳性和韧性,而且 对于堆芯的材料还必须具备良好的抗辐照脆化性能、热稳定性、化学稳定性和辐射 稳定性等。

高温合金材料因其耐高温、耐高强度等优异特性,在核电领域具有难以替代的作用。核岛是整个核电站的核心,是承担热核反应的主要部分,负责将核能转化为热能, 是核电站中工艺最复杂、投入成本最高的部分。核岛的核心为反应堆,反应堆的重 要部件包括包壳材料、堆内构件材料、反应堆压力容器材料、反应堆回路材料、蒸汽 发生器材料、控制材料、安全壳材料等。其中需要采用高温合金的部件为部分堆内 构件和蒸汽发生器,例如,因为部分堆内材料面对活性区、受到冷却剂充数和高温、 高压作用,所以采用镍基高温合金。

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我国核电建设仍有较大提升空间,带动高温合金需求增长。根据国家统计局,2020 年全国累计发电量为74170.4亿千瓦时,其中商运核电机组总发电量为3662.5亿千瓦时,约占全国总发电量的4.94%。2021年1-8月,我国 核电发电量达2698.5亿千瓦时,约占全国总发电量的5.01%,较2020年底进一步提 高,但仍远低于世界平均水平。截至2021年8月底,我国在运核电机组数量 有51台,总装机容量5326万千瓦;在建核电机组数为18台,装机容量为1902万千瓦。

从当前国内高温合金企业投产节奏,前瞻行业景气度提升的预期

当前国内主要高温合金企业陆续投资扩产。国内主要高温合金企业钢研高纳、图南 股份和抚顺特钢在2019~2020年集中开始建设产能扩张和研究基地项目,按照项目 1~3年的建设规划,2021~2023年,这批集中扩产的项目有望在中短期内落地生产。高温合金企业处于航空发动机及飞机关键结构件上游环节,产能扩张节奏或反映板 块需求景气度的提升预期。我们认为,高端装备需求的偏计划性、政府采购为主等, 决定了相关企业无论是基于客户对供应链可靠性的要求,还是最小化其资金成本的 角度,对产能投入计划性较高,尤其体现在配套地位核心、供应核心装备的环节或 者公司。

长周期的稳定性:多元下游+广阔后市场空间奠定需求的稳定性

长周期范围内,多元下游以及后市场特征下,高温合金企业的盈利质量仍然具有长 周期的稳定性。

1.下游多元化,利于减少单一市场、单一型号的不利影响

产业链位置越向上,市场布局多元化程度越高。PCC出身于中游铸造厂,早期也只 专营航空市场,后来通过产业链横纵向整合成为航空产业链一体化的公司;而ATI出 身于上游钢铁厂,早期从事于一般工业和航空市场,因此从高温合金赛道的相对比 较来看,PCC核心业务位于产业链中游,ATI核心业务位于产业链上游。由于产业链 位置的相对差异性,PCC和ATI及CRS的市场多元化程度存在明 显差异。PCC航空市场营收占比明显高于ATI,2006~2015年PCC航空市场营收占比 平均为60%,而ATI仅为32%。此外,从客户集中度来看,PCC第一大客户GE对营 收的贡献持续高于10%,而ATI任何年份均没有单一客户营收贡献率超过10%。

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高温合金相关企业处于航空航天发动机产业链的中上游材料环节,产品标准化特征 弱化下游型号研制及客户风险。相比下游主机厂,可缓释型号研制失败风险。发动机研制具有高风险特征,尤其在强调高安全性的商业航空市场。RR公司由于近 年在Trent1000型号的故障事故承担高昂的维修及违约成本。但由于PCC作为锻铸环 节供应商,产品具有标准化程度高、技术迭代速度慢的特征,某一型号研制失败及 初期批产的良率风险难以传导至PCC所处环节,即多数锻铸件在老型号与新型号可 实现程度的技术复用,产品的收入持续性较高。

相比下游主机厂,可减少对单 一客户的依赖。在航空发动机市场,由于下游飞机整机厂客户的寡头特征,多数中 下游环节企业对单一型号及单一客户的依赖程度较高。例如,在民航领域,波音公司结构件一级供应商SPR收入构成中737MAX贡献较高,因此在737MAX出现飞行事 故后,SPR业绩规模下滑较为严重;在军用航空领域,F-35项目作为美军大型的战 机计划,普惠公司和GE等发动机企业在初期积极参与该项目的竞争。后期普惠公司 被美国国防部选中,成为F-35项目发动机的独家承包商,PCC作为结构件供应商, 可减少对单一客户的依赖程度。

2.广阔的后市场空间,奠定行业长周期发展的稳定性。

高温合金下游应用领域主要集中于航空航天发动机、燃气轮机等,而该领域商业模 式的特征在于后市场空间的广阔性。

运行环境的恶劣程度为售后市场空间的决定因素,进而决定航空发动机与民用飞机 项目全寿命现金流差异,航空发动机产业投资的重点在于对其全寿命现金流特征的 理解与把握。以民航为例,飞机整机及发动机的长期运行环境存在较大差异,是二 者商业模式差异的根本原因所在。相较于发动机,叠加对安全性、可靠性及舒适性 的要求,民航飞机运行在相对良好的环境中。尽管飞行载荷及次数会对飞机结构和 部分系统造成压力,需要对其子系统及结构进行维护以确保运行安 全,但维护工作通常不涉及更换飞机的主要部件。发动机工作时,其关键部件通常 浸没于高温、高速、腐蚀性的气流中,转速足以使得部件承受较大应力并发生磨损。

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运行环境的恶劣程度为售后市场空间的决定因素,进而决定民用飞机与航空发动机 项目的投资周期及现金流差异。民用飞机 的特点是项目前期的5-6年时间内进行高研发投资,在此期间内同步投资大量的生产 设施。一个成功的飞机项目将持续生产10-15年,之后便需要另一项重大投资以更换 或者升级该机型,其使用寿命大约持续25年。由于民航飞机售后市场空间相对较低, 因此飞机的定价往往基于在假设的生产运行期间内航空公司的购买数量,尽可能希 望以OEM实现资金回收。而相对于民航发动机,由于激烈的竞争和航空公司的强大 购买力,发动机有时会以接近成本价的价格出售,因此出售新的发动机并不能产生 所需的投资回报,而更多是依靠其售后市场空间。

从现金流看,以典型民用宽体发 动机项目为例,据RR2018年公告,以2000个发动机项目为代表,现金 流支出可分为三阶段:研究与开发和前期资本支出现金流约15~20亿英镑,约合人民币120~160亿元;新机批产交付阶段支出现金流32亿英镑,约合人民币 250亿人民币以上;售后市场阶段 持续超过25年,预计累计现金流入超100亿英镑,约合人民币800亿以上。

高温合金等材料制成的热端部组件,构成航空发动机主要的维修、替换市场。

航空发动机的故障以零部件的疲劳损伤为主。以航空燃气涡轮发动机为例,发动机 部件包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮、排气部件、 附件传动齿轮箱、气动、滑油、燃油系统,防冰、冷却和增压等辅助系统 七大部分。通常根据流过的空气流温度不同,又将燃气涡轮发动机划分为冷段和热段两大部 分。零部件的疲劳损伤故障占发动机总故障的近60%。由于航空发动机的结构复杂 和零件众多,其故障模式比较复杂,具体可将故障大致分为性能故障、结构故障、附 件系统故障。

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航空发动机维修工作根据其内容的不同可以分为航线维修和定期检修、返厂大修。其中,返厂大修涉及发动机的拆解,以及轴、盘等转子部件的更换或修理,主要包 括性能恢复和时寿件更换两大部分。在经历长时间运行后,发动机的状态会下降, 这时就需要对其进行修理,理论上来说,通过返厂大修后,发动机能够完全恢复其 原有的可靠性,能够继续执行另一个大修周期的任务。

性能恢复:高温、腐蚀及疲劳造成的零部件损伤,最终引起核心机性能衰退。随着发动机在役时间的增长, EGT逐渐升高,同时零部件的磨损和疲劳逐渐加重,进一步加速发动 机性能衰退。考虑到零部件的材料和性能,OEM会确定一个EGT 上限,一旦达到就要求发动机进行车间维修以恢复发动机的性能。进行发动机性能 恢复,通常需要拆解核心机,并详细检查气路部件的状况,进行必要的修理或更换。在发动机车间维修期间,通常服务通告SB和适航指 令AD会一并执行。时寿件更换:压气机和涡轮的 鼓盘、轴或轮盘通常具有固定的寿命,一旦达到寿命,不管其状况如何均需要更换。

三、商业模式:工艺迭代牵引多寡格局,资本开支强化壁垒

竞争格局:全球范围看,多寡头格局特征明显,长周期稳固性强

1.全球范围看,高温合金中上游环节竞争集中度低于下游,且美国主要高温合金企 业的营收差距相对较小。

高温合金产业链下游市场集中度较高。高温合金产业链下游整机市场呈现明显的寡 头垄断局面,发动机市场则集中于法国SAFRAN、美国GE、美国P&W和英国R-R四 家公司。整机市场方面,全球每年新机交付中,波音和空客2010~2020年的合计交 付量占比全球交付量年平均达到90%,二者长期垄断全球85%以上的市场份额。发 动机市场方面,2020年全球民用发动机市场主要集中在于GE、P&W和SAFRAN三 者,2020年全球发动机交付量+在手订单总数,GE占到6%,P&W占到17%,GE和 SAFRAN各出资一半成立的子公司CFM占到52%,也即是GE、P&W和SAFRAN合 计市场份额达到75%,加上R-R近8%的市场份额,四者全球市场份额达到82%。

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高温合金市场集中度相对下游较分散,美国主要企业的高温合金营收规模差异不明 显。全球高温合金的代表企业为HAYN、CRS、ATI和Special metals 等。

对HAYN、CRS和ATI主要企业2010~2020年的营收进行拆分 ,ATI的高温合金系列产品的年营收规模较其他主要供应商稍高,HAYN 与CRS高温合金材料营收相当,其中或主要系ATI产业链及产品品类相较其余二者较 完备——ATI不仅生产并出售高温合金材料,还加工高温合金出售部件级锻件和精密 铸件给下游发动机企业,但HAYN和CRS主要聚焦于高温合金材料的出售。

ATI和CRS高温合金年营收高于HAYN,主要系钢铁厂出身,具备产能优势。ATI在 1938年由Allegheny钢铁公司和Ludlum钢铁公司合并而成,CRS在1889年作为钢铁 公司而被创立,而Haynes1912年以镍、钴合金制造出身。因此,ATI和CRS金属工 业生产基础较强,原料提纯和母合金成形加工设备规模更大。从机器设备原值来看, ATI和CRS各年的水平明显高于HAYN,CRS在2001~2007年间机器设备原值平均为 11亿美元,而HAYN仅为0.97亿美元。此后,ATI发展自己的高温合金锻件和精密铸 件部件级产品,并进行了系列重大收购增强锻造和铸造实力——2009年收购 Crucible Compaction Metals和Crucible Research,增强其粉末冶金业务能力,2011 年收购大型锻造企业Ladish,以及2014年收购精密铸件公司Dynamic Flowform;因 此该公司设备规模逐渐与CRS拉开差距。

高温合金行业深度报告:市场空间、竞争格局、盈利驱动力

2.国内看,特钢系背景企业产能及规模优势突出,国企与民企的规模差距较为明显

目前我国国内高温合金形成产能的企业主要为特钢企业、研究院转型企业及少数民 营企业。一类是特钢企业,目前抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢、中信特钢等拥有高 温合金产能及产量,以变形高温合金为主要产品,依托生产设备齐全、拥有大规模 熔炼能力的优势,以生产批量较大、结构简单的合金板材、锻件等为主。另一类是研究院转型企业,包括钢研总院、北京航空材料研究院、中科院金属所 等;科研机构研究实力较强,以生产较小批量、结构复杂高端产品为 主,主要供应航空航天、船舶等高端领域需求。另外一类是具有民营背景的企业,如 图南股份、西部超导、隆达股份、中航上大、中州特材、四川六合等。

营收端,特钢系企业及科研院所转型企业规模领先,其中特钢系企业产能优势突出, 并卡位当前用量较大的变形高温合金领域;科研院所转型企业如钢研高纳,工艺广 度及收入规模看优于其他企业,同时经并购民用领域高温合金企业,实现规模的快 速提升。科研生产体制及技术壁垒等原因,国内民营企业进军高温合金行业相对较 晚,同时在高端装备领域,聚焦于少数工艺路线,规模差距与特钢系及科研院所转 型企业仍有较大差距。

高温合金行业深度报告:市场空间、竞争格局、盈利驱动力

为何走向多寡头:下游对高可靠的要求促较低的技术迭代速率

1.下游应用领域使用环境复杂且恶劣,研制时间长、可靠性要求高,牵引上游高温合 金材料的较低技术迭代。据《航空燃气涡轮发动机工作原理及性能》,航空发动机的特点是工作条件极端恶劣而使 用要求又非常之高。航空发动机是在高温、高压、高转速特别是很快的加减速瞬变 造成应力和热负荷高低周交变的条件下工作的。以高温为例,目前先进发动机涡轮 前燃气温度高达1800~2000K,而现代三代单晶高温合金最高耐温1367K,高达600℃以上的温度差距只能靠叶片冷却技术和隔热涂层技术解决。高 难度、对可靠性的高要求以及主要热端部件对高温合金性能的依赖,牵引上游高温 合金材料相比下游发动机整机更慢的技术迭代周期,奠定行业寡头垄断的格局。

高温合金不同工艺的发展迭代,与下游发动机代际替换的时间相关性相对较弱,或 侧面印证行业较低的技术进步速率。对比下游航空发动机替换时间点和上游高温合 金各类工艺发展时间点,可观察到多数高温合金工艺升级的时间点和发动机替换时 间点重合度相对较低,多数高温合金工艺贯穿多个发动机代际,而且同一工艺内部 发展的时间节点和发动机代际替换时点未有明显对应关系,以单晶铸造高温合金为 代表,其四代工艺的出现时点均不位于发动机代际替换的时点上。此外,从工艺间 发展时间线来看,多种工艺同时应用,不同工艺的发展时间线存在重合。

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以典型牌号Inconel 718牌号合金为例,该牌号自20世纪60年 代成功研发以来,便广泛应用于航空发动机等领域,截至目前仍然占镍基高温合金 的主导地位。

该合金长期主导高温合金的供给结构。Inconel 718合金自20世纪60年代初被美国 INCO Huntington Alloys (Special metals. Co.前身)发明以后,由于其无商业或者知 识产权限制,高温合金供应商可以大批量生产该牌号合金的高温合金产品;且强化 相析出较慢,高温下有较高强度,具备较好的可铸性和可焊性,加工成形更容易;因 此,Inconel 718成为应用最广的一款高温合金牌号。在20世纪80年代推出的PW4000 发动机中,IN718合金质量占比镍基合金达到57%;20世纪90年代中,发动机产商GE购买的锻造合金中,IN718的占 比常年位于60%以上;直到现在,IN718的应用规模在高温合金中仍占据主导地位, 据Gminsights数据,2019年全球高温合金细分市场规模中,仅IN718的份额便占到一 半左右。

核心牌号合金的技术变革较慢,重要合金牌号的技术发展未能动摇主要格局。从核 心牌号IN718的衍生替代高温合金的发展历史来看,IN718的每次潜在衍生替代高温 合金出现的间隔时间都较长,且多数衍生替代高温合金未在性能和造价上同时优于 IN718合金:在20世纪50年代早期,主要使用Waspaloy和Rene41牌号合金,不过此 类合金硬度较高,可锻性和可焊性较差,容易在热加工过程中产生裂纹;

20世纪60 年代,IN718合金出现,其性能和造价都具有一定优势,开始逐渐取代原有合金;20 世纪80年代,GE研发Rene220铸造合金以替代IN718合金,尽管Rene220和IN718 性能相近,但Rene220的Co、Ta含量较高,因此造价相对IN718更贵;20世纪90年 代,GE研发991合金,性能接近Waspaloy,但仍含较高的Co、Ta,因此造价仍相对 较高;21世纪初,在美国空军实验室资助的“金属可行性计划”背景下,ATI在原IN718 的基础上增加Al和Ti的含量,进一步研发的718Plus合金在承温和强度性能上优于以 往主要合金IN718和Waspaloy,且造价具有相对优势,被视为传统718合金的最佳替 代品。

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2.下游发动机市场对于高可靠要求,使得新牌号合金在发动机部件上的广泛应用需要经历较长的“验证期”,继而提高新供应商进入的难度及时间。从核心牌号IN718 合金在下游部件上的应用历史来看,IN718合金在发动 机各部件应用的逐步扩大经历了较长的时间:自20世纪60年代IN718发明后的几年 间,下游以发动机制造厂商为主,先后发布了针对IN718材料应用的系列规范,涵盖 棒材、锻件、薄板等;不过,由于早期生产的IN718在冶炼上还达不到高水平,因此 20世纪60~80年代间,发动机和高温合金行业仍对IN718的冶炼和加工进行改进,核 心在于工艺参数的优化,以提高纯度和减少偏析,在这期间P&W将IN718应用于的 部件领域也较少。

截至20世纪70年代早期,除了对IN718的进一步优化以外,还考虑 到新材料应用于新部件所需要“验证”的时间和成本,此时发动机部分核心部件仍继续使用上一代合金Waspaloy。直到20世纪80年代,行业对新材料IN718 的冶炼、加工和性能特点都较为熟悉后,IN718在发动机部件上的应用才迎来高潮, P&W在1980年以后对IN718合金在部件上的应用也才较为集中的爆发。

为何走向多寡头:性能与成本的平衡决定单一工艺难以赢者通吃

不同类型高温合金性能存差异,各自适用的温度和部件也有不同。航空发动机涡轮 盘对力学性能要求更高,因此主要使用加工成形后强度更高的变形高温合金和粉末 冶金高温合金;涡轮叶片具有空腔等复杂结构且 对承温要求较高,因此主要使用更易于成形加工且承温能力更高的铸造高温合金和 金属间化合物高温合金;导向器对承温要求较高,主要使用铸造高温合金和金属间 化合物高温合金;燃烧室主要使用变形高温合金和粉末冶金高温合金。

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不同高温合金技术及工艺成熟度或存差异。从世界高温合金的发展历史和我国对应 高温合金牌号出现的时间点来看,较早出现的是变形高温合金,采用锻压的成形方式。之后由于航空发动机叶片出现中空冷却复杂结构,原有变形高温合金难以满足 成形加工要求,铸造高温合金便成为新的叶片用高温合金,并在其他复杂结构件中 逐步扩大应用。粉末冶金高温合金的研究始于20世纪70年代,其粉末挤压成形和变形高温合金的锻压成形有所不同,成形效果优于变形高温合金,因此在涡轮盘上有 替代部分变形高温合金的趋势。

金属间化合物高温合金是出现时间较晚的高温合金, 其施压形变加工较难,因此主要采用铸造的成形方式;金属间化合物高温合金的质 量更轻,强度更高,因此在叶片等结构中也 逐渐推广,主流金属间化合物高温合金可归类为原料升级后的铸造高温合金。

受限于性能及成本差异,即使在同一结构,高温合金的使用范围也有较大不同。以 涡轮部件为例,涡轮部件的工作条件十分恶劣,其主要零件不仅比压气机零件承受 着更大的机械载荷,而且还承受着较大的热载荷以及燃气的腐蚀。随着涡轮前燃气 温度的不断提高,尽管有先进的冷却技术作为补充,对材料的要求也愈来愈高。

为何走向多寡头:不同工艺路线跨度大,均要求较高的经验壁垒

高温合金从原料冶炼到最终成形的各环节均有较高的工艺壁垒。任何一款高温合金 具备工业应用价值的基本前提是,以变形高温合金为例,能够运用真空感应冶炼 +电渣重熔+真空电弧重熔三联冶炼工艺制备大尺寸铸锭/ 母合金,并经过特定的成形工艺完成成形并对微观组织进行特定调控,最终将合金 锭制备为大规格棒/盘/环等标准件材。各类高温合金的制备从原料冶炼到不同的成形 工艺均有较高的工艺壁垒,工艺的进步很大程度上依赖于反复试验的边际参数优化、 重型加工设备的打造和人工经验的积累。

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不同高温合金制备工艺路径差异较大,行业内企业跨路线生产的壁垒较高。不同高 温合金之间的工艺环节、工序目标、参数控制、工序过程存在较大差异,如铸造高温 合金核心关键工序在于熔炼与浇注,而变形高温合金关键工序包含真空感应熔炼、 保护气氛电渣重熔、真空自耗重熔及锻造,这即导致对于行业内相 关企业,想要在短时间内突破不同高温合金的技术路线壁垒存在较大难度。

各工艺稳定存续时间长,代际进步耗时长。从工艺发展历史来看,高温合金各类型 工艺的应用时间长,同一类型工艺内部的代际跨越也需要很长的时间。变形高温合 金从上世纪40年代出现至今已有多年历史,目前仍然在大量使用。初代铸造高温合 金从上世纪50年代中使用到60年代中,其后出现定向凝固铸造高温合金,单晶铸造 高温合金也从第一代发展到第四代,每代跨越耗时数余年,目前仅单晶铸造高温合 金就已经使用数十年,且国际上仍在发展第五、第六代单晶铸造高温合金。粉末冶 金高温合金从20世纪70年代使用到现在已有较长的历史,同时代际之间的技术更迭 也需要花费较长时间。

高资本开支强化竞争壁垒,高固定成本对企业的产品结构要求高

不同工艺路线高温合金生产制备的不同,导致所需的资本开支有较大差异;性能及 成本要求牵引高温合金及相关锻铸件大型化发展,即使是同一工艺路线,尺寸的跨 越也需要大规模资本开支的加持;大规模资本开支是高温合金厂商难以实现横向拓 展不同工艺的壁垒之一,而具备其他材料/业务可实现部分设备共用的企业,其对抗 行业需求短期波动的能力也相对更高。

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1.不同工艺路线高温合金生产制备的不同,导致所需的资本开支有较大差异。

不同高温合金铸锭制备工艺及所需设备均有差异。据隆达股份2021年9月27日公告 《发行人及保荐机构回复意见》,对于变形高温合金,针对冶炼难点和熔炼设备的优缺点,存在不同的工艺路线,主要方案是对三种 熔炼方法——真空感应熔炼+保护气氛电渣重熔+真空自耗重熔 ——组合运用。其中,三联熔炼工艺是变形高温合金零部件长寿命、高可 靠性的基础,用于涡轮发动机的变形高温合金转动部件必须通过三联熔炼工艺制备。

针对铸造高温合金,目前一般适用真空感应熔炼。因此,在铸锭熔炼环节,对于铸造 高温合金,所需的主要设备包含真空感应熔炼炉、脱模设备等;对于正三联工艺制 造的变形高温合金,所需的主要设备包括真空感应熔炼炉、电渣重熔炉、真空自耗 炉和吊装设备等。但对于高温合金,生产制造的核心内容是内控标准的指定,而设 备使内控标准落地,即先进设备并非决定产品质量的唯一要素,制备工艺和材料设计本身对于产品质量也至关重要。

工序差异牵引设备差异,设备差异牵引资本开支差异,而高昂的资本开支本身就是 行业进入壁垒之一。以隆达股份为例,据隆达股份招股书,该公司于2015年投 资建设铸造高温合金母合金生产线,2016年底完成安装和调试,2017年投产。其中, 核心生产和检测设备主要有康萨克定制的真空熔炼炉和赛默飞的辉光放电质谱仪。该公司于2018年投资建设变形高温合金生产线,并于2020年试生产。其中,核 心设备主要有康萨克定制的8T真空感应熔炼炉、8T真空自耗熔炼炉、8T保护气氛电 渣重熔炉,以及定制的45MN/50MN快锻机、引进的加热炉和热处理炉。

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2.性能及成本要求牵引高温合金及相关锻铸件大型化发展,即使是同一工艺路线, 尺寸的跨越也需要大规模资本开支的加持。据隆达股份招股书,工艺难度方面, 由于燃气轮机透平轮盘通常是航空发动机涡轮轮盘的3倍以上,因此需要使用大尺寸 变形高温合金,这对于合金纯净度的控制以及铌元素偏析控制提出了较高的要求。成本方面,采用大锭型熔炼能够有效提高生产效率,并降低生产成本,同时为 下游客户提高了单炉次锻件的生产量,降低了客户的成本,并提高了效率。

装备发展牵引设备投入大型化,进一步强化资本开支壁垒。如据抚顺特钢2015年8月 公告《抚顺特钢非公开发行股票预案》,我国装备研制特点之一是向大型 化趋势发展,高温合金和超高强度钢材料的尺寸规格不断增大,力学性能要求逐步 提高。其中,飞机起落架材料选用300M超高强度钢直径800mm棒材;发动机的机匣 选用直径750mm的GH4169合金棒材。上述两种材料均采用真空感应炉和真空自耗 炉工艺熔炼,从增大锻比、提高性能的角度讲,均需要30吨真空感应炉、30吨真空 自耗炉和80MN快锻机。如以超高强度钢C300为例,抚顺特钢双真空工艺此前现有 条件为12吨真空感应炉,由于锻比小,不能满足技术标准要求。而扩大锭型是增加 锻比的主要有效途径,因此需要配套大型特冶电炉,以解决锻比不足带来的高温合 金晶粒不均匀、超声波探伤不合格问题。

同时,高资本开支壁垒也体现在大小棒材的制造工艺环节。据抚顺特钢2015年8月公 告《抚顺特钢非公开发行股票预案》,要确保大尺寸锻件有足够的锻比, 又要避免反复镦拔工艺中镦粗变形的金属流动不均匀性的影响,其技术指标要求高, 通常需要大吨位锻造设备以及严格的过程工艺参数支持,国防军工配套新材料向大 尺寸高性能趋势发展,除需要30吨真空感应炉和真空自耗炉外,还需要补充80MN快 锻机的锻造能力。

3、在大额资本开支导致的高折旧摊销压力下,从工艺流程看,具有跨业务实现部分 设备共用的企业,其抵抗高温合金行业短期需求的波动性也相对更强。

例如,特钢与高温合金部分设备可实现共用,减少高折旧摊销压力。据上文援引抚 顺特钢2015年8月公告《抚顺特钢非公开发行股票预案》,飞机起落架材 料选用的300M超高强度钢、发动机机匣选用的GH4169合金,均采用真空感应炉和 真空自耗炉工艺熔炼。因此,考虑大型熔炼设备的高资本开支壁垒,同时具备高强钢以及变形高温合金生产工艺的企业,相比于只生产变形高温合金的企业而言,折旧摊销压力可分散于其他品类,减少单一产品需求的短期波动对利润的侵蚀压力。

同时,前期大规模资本开支及特钢等其他业务积累的设备基础,有利于更好发挥高温合金产品的规模经济,同时在价格方面相比其他新进入者更具优势。例如,对于 抚顺特钢,2021年高温合金业务营业成本中折旧金额约为917.80万元,支撑该公司 同年高温合金产品收入13.04亿元;对于隆达股份,由于其变形高温合金产线于2020 年末落地,2021年1-6月份新增计提折旧604.14万元,但同期该产品实现营收509.33 万元,当前规模经济表现相对较弱。

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再如,高端钛合金与高温合金部分设备可实现共用,也利于减少高折旧摊销压力。据西部超导2021年10月29日公告《关于西部超导材料科技股份有限公司向特定对象 发行股票申请文件的审核问询函的回复》,钛合 金、高温合金使用的包括真空自耗熔炼、锻造、轧制、机械加工以及各项性能检测设 备完全通用,辅助生产设备如起重机、仓 、动力保障等均可通用 。

四、海外企业盈利驱动力:供需与资本开支周期双击

复盘美国重点高温合金公司,2003~2007 年的盈利股价高增长期

美国三家重点高温合金企业,ATI、CRS、HAYN在2003~2007年间经历盈利股价双 双高增长时期。

从股价表现看,ATI、CRS在2002/12/31~2007/12/31期间股价涨幅分别达1422.10%、 2711.08%,HAYN在2004/9/21至2007年末,股价涨幅达414.81%,而同期标普500 涨幅仅为66.97%,美国高温合金企业股价期间收益率远高于标普500。

从财务表现看,ATI与CRS在2003~2007盈利规模与盈利能力相较此前均有大幅改 善与提升。

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从盈利规模看,CRS在2007~2008年创1981年以来营业收入、净利润最高值, 从增速看,2001年航空业萧条期后2002/2003年公司营收、净利润增速均为负,在 2004~2007年四个会计年度内营收增速实现四连增,2005~2008年内净利润实现四 连增。ATI表现与CRS接近,营业收入在2003~2007年内快速增长,从2002年的低点 19.08亿美元,持续增长至2008年的53.10亿美元,净利润规模表现相对滞后一年, 从2003年的低点-3.15亿美元增长至2006年高点5.74亿美元、2008年为5.66亿美元, 营收、净利润规模均为1995年以来新高值。

从盈利能力看,该期间内,CRS毛利率改善显著,主营业务毛利率从2002年低 点16.67%连续增长至2006年的27.81%,2007/2008年分别为23.25%、23.40%,仍 然维持高位水平;净利率看,净利率从2002年低点-12.11%也持续增长至2008年的 高点14.22%,创1987年以来新高值,1987~2002年期间历史最高净利率水平也仅为 7.70%。ATI表现与CRS接近,毛利率由2003年的低点3.29%持续增长至2008年的 21.69%,净利率由2002年的低点-12.11%增至2008年的14.22%。

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把握盈利扩大的主要矛盾:需求周期为主,供给及资本开支为辅

2003~2007年期间的盈利规模扩大的主要矛盾,在于需求周期与供给周期的双击。

以ATI为例,ATI为美国高性能特种金属,如钛合金、镍合金等,主要供应商之一。ATI三大业务,高性能金属、扁平材产品、工程产品,其中高性能金属主要销售钛合 金、镍基合金及特种合金金属原材料。2001~2008年间,高性能金属业务收入占ATI 业务收入的30%~40%。其中在该期间内,钛合金、镍基及特殊合金产品收入分别占 高性能金属业务收入均值分别为40%、38%。值得注意的是,扁平材产品、工程产品 等也多由钛合金及高温合金加工件产品构成。

需求端,全球飞机需求周期的变化是导致钛合金产品量价齐升的主要驱动力之一。ATI钛合金、镍基及特殊合金应用领域多有重合,其中销售额的较大部分出售给商业 及国防航空航天客户,而商业航空航天产品在历史上具有一定周期性。

考虑量价弹 性等方面,我们分析以钛合金为重点,美国钛厂产品生产者价格指数在2003年~2006 年间快速扩大,其中需求周期的变化为主要驱动力之一,商业飞机工业在 1998~2003年间为低迷时期,工业用钛市场在2001年附近触底,早于航空航天需求 在2003年触底。2005~2006年商业飞机订单量大幅提升,波音与空客在 2005~2006年的订单达到历史新高水平,加上2003年前飞机生产率较低,导致航空 钛回收废料严重短缺。21世纪后商业航空飞机新机型的单架飞机钛含量水平显著上升。军用飞机生产增加,如F-22在2003年后开始全速生产,而该型飞机含 钛量高达40%以上。

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航空航天钛合金供给端收缩进一步加剧供需紧张。据《Titanium, Industrial Base, Price Trends, and Technology Initiatives》, 1997~2005年,美国国防后勤局海绵钛库存持续减少,海绵钛是钛合金生产的主要 原材料之一,至2005年已几乎没有海绵钛产能。同时,钛金属供应商未能及时反映 扩大产能、缓解供应紧缺,且扩大海绵钛的生产能力,需要3年左右时间近3~4亿美 元的投资。并且,在2003年需求激增之前,美国部分钛合金生产商在经历此前行业 低迷期时已经濒临破产。

资本开支规模的前置性,是高温合金企业在需求提升期盈利弹性的杠杆放大器。参 考上文,ATI公司营业收入在2003~2007年内快速增长,从2002年的低点19.08亿美 元,持续增长至2008年的53.10亿美元。而在此期间,由于此前行业景气度低迷,公 司产能利用率相对较低,在行业需求扩大时期,公司规模经济效应明显,折旧费用/ 净营收比重从2002年的4%下行至2008年附近的2%,而在此期间折旧费用总额仍有 一定的下降。

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关注长期波动的次要矛盾:竞争压力对量的需求,放大成本影响

2008年后期,经济危机影响叠加商业航空航天需求周期向下,航空主机厂整体或处 于去库存阶段。2008~2010年经济危机影响下,波音、空客收入震荡。2010年后期, 二者收入增速及原材料增速处于下行阶段。以波音为例,2010年后,波音商用飞机 收入及商用飞机存货账面价值同比增速往下趋势明显,整体处于去库存阶段。从发 动机主机厂看,CFM56、Trent系列、普惠UTC三家主流发动机交付量在2011年后虽有上行,但整体增速下降,2016年三家交付量为2007年以来新高达到2588台,但仅 与2007年的1775台增幅达45.80%,期间交付量复合增速仅为4.28%。

高温合金的高资本开支是盈利弹性的放大器,在需求景气度提升不明显情况下,高 折旧摊销压力成为削弱盈利能力的主要原因。以ATI公司为例,在经历2006年前需求 快速提升阶段后,ATI公司在2006年~2013年开启新一轮资本开支周期,固定资产账 面价值在2014年达到1995年以来新高。但由于同期,下游航空主机厂整体处于新一 轮去库存阶段,需求端提升有限,规模化的折旧摊销压力难以被弥补,ATI公司盈利 能力波动下行。

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在此背景下,美国多数高温合金公司希望与客户签订长期协议,对量的需求放大原 材料的成本波动影响。在高温合金产品的成分结构中,原料成 本具有较高的占比,以国外高温合金厂商HAYN为例,其原材料占比销售成本可达 45%,因此上游原料价格的波动或对其盈利质量可造成较明显的影响。

据HAYN 2021 年年报描述,HAYN在和客户签订长期合同时,对产品的定价是采取固定定价的方式, 而非浮动式定价,因此在原料价格上涨期间,会面临利润空间收窄的风险,但在原材料价格下降期间,其存在盈利受益的可能性。参考HAYN 2006~2020年高温合金 平均售价,尽管主要原材料镍的价格在2007年以后呈现较平滑的下降趋势,但HAYN的高温合金售价稳定在一定区间内。固定定价的方式导致盈利质量的波动性不同于 浮动定价可以向下传递,因而波动风险主要由高温合金企业承担。

在需求转弱时期,向下扩张的现金流挑战较大且工艺门槛相对高

高温合金下游客户多为锻铸件厂。依据不同高温合金的性能差异,形变方式也有所 区别,如铸造高温合金下游客户涉及重熔铸造过程,变形高温合金下游客户多涉及 直接加工或变形加工后使用,形变环节对设备资本开支要求及工艺门槛也仍然较高。

1.定性方面:

变形高温合金形变加工依赖于大吨位锻压机和成熟的温度控制。高温合金由于 γ'相含量的增加增强了合金的强度,但也同时导致了合金变形抗力增强,塑性降低, 导热性差,进而对变形高温合金加工的锻压能力提出了更高的要求。由于部分变形 高温合金在制成棒、涡轮盘等结构件的过程对锻造环节的要求较高,目前国内非钢 铁厂出身的高温合金供应商,在制造变形高温合金标准件环节时存在将部分开胚/锻造环节外协给钢铁厂、铝厂或锻造加工企业的现象。同时,在模锻环节,需要大吨位锻压机的支持,同时该环节的工艺壁垒仍然较高。

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铸造高温合金,下游变形环节的重熔铸造过程对工艺要求仍然较高。铸造高温 合金下游重熔铸造的核心工艺环节在于合金浇注和热处理过程, 这两个工艺环节参数的设定对材料的性能有重要影响。合金浇注环节主要控制的工 艺参数包括浇注温度、模壳温度和浇注速度,浇注温度和膜壳温度参数因叶片结构 和合金牌号而异,需要多次的试验才能确定最佳的工艺参数;热处理环节主要控制 的工艺参数包括时间、温度和压力等。工艺环节最佳参数设定,需要综合考虑合金 的牌号和产品形状,对特定高温合金产品进行独立试验,同时,部分核心操作依赖 于熟练人工经验。例如据图南股份招股书,为减少不必要的资本性支出,公司适量 开展了部分委托加工业务,主要包括部分产品的委外锻造、轧制、铸件的热等静压。

2.定量方面,以海外高温合金产业链相关公司为参考:

参考海外企业,部分高温合金厂商的产现能力,在短期内恐不足以支撑其对中游部 件加工企业的持续性收购,和在中游部件加工商业模式下的持续经营。

从纵向角度来看,高温合金材料企业的扩张方向主要为向下,开拓以铸造和锻造工 艺为代表的发动机部件生产业务,实现材料制造和部件制造的一体化。由于中游环 节相对更高的资本支出、与下游客户相对更为紧密的联系,以及历史上多次并购整 合等,美国多数中游部件公司的规模相对较大。对比美国中游部件制造龙头之一 HWM和上游高温合金企业ATI、CRS的现金流和 盈利特征可以发现,即使部件加工企业HWM的税前利润率和上游高温合金企业相差 无几,但二者的净利润规模有显著差异,在2001~2020年HWM和ATI净利润同为正 的年份中,HWM的平均净利润规模为ATI的4.5倍。

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商业模式带来的规模差异,或导致上游高温合金企业和中游部件加工企业持续性经 营所需的资本性投入存在较大差异。对比HWM、CRS和ATI现金流的资本支出可以 发现,每年HWM用于资本支出的现金显著高于高温合金企业CRS和ATI,2001~2020 年平均资本支出为ATI的9倍。同时,反观三者经营活动的产现能力,HWM的经营活 动现金净流量和ATI及CRS差异较大,2001~2020年HWM年平均经营活动现金净流 量为ATI的17倍。

海外高温合金上游材料企业产现能力相对弱势,一方面或引致高温 合金企业短期内尚不足以支撑其向中游部件加工环节的渗透,另一方面也限制其以 持续性收购的形式进军中游部件加工。对比ATI和另一中游部件加工龙头PCC金额较大的收购事件可以看到,收购中游部件加工企业所需的资金量普遍显著高于收购上 游高温合金企业。以ATI独立上市以来最大收购案——收购中游大型环锻件企业 Ladish为例,该收购案金额是2009年ATI经营活动现金净流量的3.7倍,也直接导致 ATI2010年公司现金净流量由上一年的2.4亿美元变到-2.8亿美元。

行业成熟期竞争加剧,牌号标准化及竞对一体化整合为主要压力

行业供需变化为主要矛盾,同时,美国高温合金厂商在行业处于稳态发展期更对量 的需求大于对价的稳定,或源自该环节在整个航空航天产业链上相对成本地位的变 化。横向,源自行业发展成熟期产品的标准化,在本身行业技术迭代相对较慢 的基础上,或引致同业内部一定的同质化竞争,削弱技术差异带来的差异化溢价能 力;纵向,源自美国航空航天主机厂为追求精益管理,逐步实施的供应链体系 改革,实现机体制造甚至是设计研发环节的分包化管理,原有的机体零部件供应商 话语权逐渐增强,价格压力自下而上进行传导;纵向,源自美国部分主要的锻 铸件供应商与上游高温合金寡头的合并,打破原有上下游技术隔阂,相对削弱美国 本土上游高温合金企业的话语权。

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原料价格波动引起的寡头同步联动,或反映同质化竞争对盈利质量造成的一定影响。从历史全球镍现货价格波动和HAYN、CRS及ATI公司毛利率变化趋势来看,三家公 司的毛利率变化趋势和镍现货价格的波动有一定同步性,原料价格的上升 伴随着三家公司毛利率的同步上升,而且在原料价格波动最剧烈的时期, 2007年和2011年,三家公司之前彼此迥异的毛利率水平变得基本没有差别。

值得注 意的是,ATI在21世纪初研发出新型718镍基高温合金,后被广泛应用并成为过去镍 718高温合金的替代品,这一技术领先优势并未在三者盈利质量对比中有明显表现。说明高温合金产商在同质化竞争环境中,和下游供应商签订长期合同中的原料附加 费、产品定价和指数期货对冲条款,外加原料成本占到营业成本 40%左右,使得在行业格局发展的成熟时期,外部原料价格在一定程度上影响了高 温合金企业盈利质量的变化,企业间竞争的技术差异性带来的盈利差异性驱动力在 一定程度上被削弱,产品同质化竞争表现较为明显。

在下游主机厂供应链改革的背景下,部分强势中游积极并购上游,尤以PCC在2006 年收购彼时美国乃至全球的高温合金龙头企业Special Metals为典型。中游寡头与上游寡头的强势合并,在多数牌号同质化竞争下,或削弱上游部分独立 高温合金厂商在行业以及对中游锻铸件厂商的话语权。

高温合金行业深度报告:市场空间、竞争格局、盈利驱动力

积极并购上游,获镍、钴、钛产能确保成本可控,应对原材料风险的转嫁。参考全球商业航空市场发展历程,近年来在下游主机厂开始实现精益生产原则向系统集成 商转型后,锻造厂商与主机厂间传统的来料加工模式逐步被打破,原材料价格波动 的风险随着生产责任的转移同步分享给了锻造厂商。2008年以来,PCC成本转嫁合同所占比例下降明显。其中,锻造产品部门所受影响最大,由2008年的10.78%降至 2015年的3.99%,这意味着PCC的原材料风险敞口被迫扩大。并购原材料供应商后, PCC有望实现原材料供应成本的稳定性。

此外,PCC借上游并购减少供应链对外部 公司的依赖。以PCC子公司——锻件巨头威曼高登的历史为例,在1970s末期,威曼 高登收到了来自主机厂多型号飞机的锻造钛合金订单,海绵钛锻件需求激增。然而 上游海绵钛及熔炼机的生产商对未来海绵钛的需求抱有怀疑态度,拒绝为其扩大产 能,影响了威曼高登锻件生产与交付。并购上游可以使PCC内部获取原材料产能, 避免因依赖外部供应导致生产受限的情况发生,也会为下游客户建立供应稳定的信心,促使订单增加。PCC通过并购上游制造“灰色地带”。

通常情况下,客户对于供应商的生产流程可见性有限,供应商生产流程的改进及内部效率的提升带来的成本节约并不会轻易向客户透露。PCC并购上游原材料供应商后,自身由原有的“客 户”方转变成完全的“供应”方,既获取了关于原材料成本与利润的内部信息,又能 把上游并购锻件、铸件带来的生产效率的提升对客户保留,制造了灰色地带,保持 了议价能力。

PCC实施多次并购以实现上游材料成本可控,但从并购金额及行业地位看,2006年 并购高温合金供应商Special Metals和2013年并购钛材供应商Titanium Metals较 为关键。

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Special Metals是世界上最大、最多元化的高性能镍基、钴基合金与高温合金 制造商之一,尤其在镍合金的研制、生产和供应方面处于世界领先地位。追溯其发 展历程,1952年SMC的前身开创的熔炼技术是现代喷气发动机中所用高温合金开发 的起点。到1996年底,SMC已拥有4500万磅真空感应熔炼能力,成为高温合金行业 最大的生产商之一,巨大的市场份额、全面的产品线、专有知识和技术经验奠定了 其行业领导地位。SMC共经营三个部门:高温合金锭坯和棒材部门生产各种锻造高 温合金和特殊合金产品,包括钢坯、棒材和铸件,主要用于喷气发动机。

其中,截至 1996年,高温合金方坯产品的全球市场份额约32%, 高温合金棒材产品在北美的市场份额约为20%。粉末事业部为军用喷气发动机和最 新一代大型商用喷气发动机生产粉末冶金高温合金产品,是全球最大的高温合金粉末产品独立制造商之一。

Titanium Metals是世界上最大的钛制造商之一,供应了世界近五分之一的钛需 求。TIMET成立于1950年,于1952年生产出世界上第一个钛锭,1955年获得了美国 空军第一笔大订单,1957年开发出真空自耗电极电弧熔炼炉。目前,TIMET是少数 在美国和欧洲均设有生产设施的钛供应商,运营五个分布在美国与欧洲主要航空航 天、工业制造聚集处的服务中心,其专用的钛分销和增值加工设施保有了世界上最 大的现货钛库存之一。

五、当前国内仍处需求

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扩张期,中长期看格局依然稳定

1.不同于美国企业,国内需求处于扩张周期,且判断当前为扩张周期的起点。

需求端景气提升,为美国龙头高温合金公司盈利扩张的核心驱动力。复盘美国,我 们认为,2002~2008年间航空航天景气度提升,为美国相关高温合金企业在此期间 盈利扩张的核心驱动力,而后期相关企业盈利放缓的关键也源自全球商业航空航天 新一轮的去库存周期。对于美国相关企业,发展历史均相对较长,加上下游航空发 动机、燃气轮机技术创新的低迭代速率,以及此前多轮的产能扩充,整体看行业及 公司已处于一定的成熟期,体现周期性特征,因此国外高温合金企业也多以PB估值 为主。例如,ATI作为美国乃至全球高温合金、钛合金及特种金属龙头之一,其年度 镍使用量2006年大约为8500万磅,2017年为10000万磅,期间内波动与下游航空航 天及工业需求周期接近,体现周期性。

2.展望国内市场,我们认为高端装备行业各环节格局稳固性在中长期内仍然较高。

长周期看,美国重点高温合金企业的价格稳固性仍然较高。我们认为,尽管在行业 发展后期,由于下游发动机的低迭代创新速率导致“后来者可追”,但由于资本支出 壁垒、工艺壁垒及长期配套优势,美国高温合金龙头企业格局依旧稳固,部分高温 合金企业的价格稳定性仍然较高,尤其是航空航天相关产品价格如HAYN公司、毛利率依旧具有稳定性。

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从全球范围看,高温合金企业格局仍然具有稳定性,PCC等中游环节并购上游高温 合金企业SMC等情况中长期内难以在国内复制。由于各工艺路线间技术难度较大, 且在高资本开支壁垒下,美国高温合金行业格局仍然具有稳定性。据上文分析,我 们认为美国部分高温合金企业在2008年后的竞争压力加剧的关键因素之一,在于 PCC作为美国乃至全球中游锻铸件核心公司之一,并购了美国高温合金公司SMC以 及钛合金公司TIMET,实现了上游重要原材料的打通,使得原本相对稳定的上游高 温合金及钛合金格局被冲击。但我们强调,考虑当前我国高端装备用高温合金处于 需求扩张周期,以及在当前各环节产业地位、竞争壁垒以及专业化分工下,中长期 内该情况难以在国内复制,国内高温合金行业格局仍然具有中长期的稳定性。

六、投资分析:把握需求扩张机遇,优选格局稳固龙头

高温合金是性能领先的热端部件应用材料,装备现代化建设及国产替代提供成长性, 多元下游及广阔后市场支撑长期稳定性。高温合金是指能在高温及一定应力下长期 工作的一类金属材料,可分为变形、铸造和粉末等,三者工艺路线的发展取决于性 能与成本的平衡。高温合金相关企业处于航空航天发动机产业链的上游材料环节, 产品标准化特征利于弱化下游型号研制及客户风险。中期,装备现代化及国产替代 提供成长性;长期,由于下游应用于维修频率高的热端部件,该领域典型特征在于 广阔后市场,间接奠定高温合金需求的长期稳定性。

航空发动机高安全可靠性要求、工艺间的低互补性&高经验壁垒催生多寡头格局形成,具有规模化成本优势、先发高技术经验积累的企业有望强者更强。全球范围看, 高温合金行业呈现多寡头格局,长周期稳定性较强,其底层驱动力在于:

一方面,下 游应用领域研制时间长、可靠性要求高、系统复杂程度大,牵引上游高温合金材料 相比下游整机更慢的技术迭代速率,加之航空发动机对安全可靠的要求多提高认证 门槛,继而提高新供应商进入的难度及时间;另一方面,受限于性能及成本差异,即使在同一结构,高温合金的使用范围也有较大不同,多种工艺在技术、性能、成本上 的不完全互补性,且所需经验壁垒高。重资产属性下企业竞争核心在于成本领先, 该优势源自长期且规模化的资本开支,及具备多产品线共用对抗需求波动。具备其 他业务实现部分设备共通共用的企业,其对抗行业需求短期波动以及抵抗新进入者 的能力也相对更高。

海外高温合金企业盈利驱动的主要矛盾在于需求周期与产能周期的匹配,次要矛盾 在于行业成熟时期竞争压力会放大成本端波动的影响。复盘美国重点企业21世纪初 的盈利股价高增期,主要原因在于:彼时全球商业航空航天正处于创纪录的景气向 上周期,供给短期扩张有限加剧供需紧张,反映到下游飞机及发动机主机厂的“补 库存周期”,牵引上游高温合金景气度提升,加之资本开支规模的前置性,放大了 美国高温合金企业的盈利弹性。后期,经济危机影响引发全球航发市场的“去库存 周期”,同时“恰逢”ATI等企业新一轮资本开支的规模化转固、PCC中游环节向上 渗透并购高温合金企业SMC打破原有格局,使得多数海外高温合金企业多希望签订 长期协议,对量的需求放大了上游原材料的成本波动影响。

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