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1、高温合金行业深度报告：市场空间、竞争格局、盈利驱动力一、基础介绍：性能优异，高端装备为主要应用市场（一）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，高温合金是指以第主族元素（铁、钴、镍）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
2、 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（第一位表示分类号，24位表示合金编号），铸造高温合金采用K前缀（第 1位表示分类号），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。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
3、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（化学工业出版社，李红英等， 2019）：（1）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
4、素增添了Re、Ru，难 熔金属元素W的含量提高（有些合金超过10%），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。（2）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
5、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。（二）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（或其授权经销商）等少数几家公司，基本采取现款现货 模式交易，价格
6、具有明显波动性，采购价格根据市场价格随行就市。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（多为 锻铸厂）等单位，全程参与关键重要部件所用
7、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。（三）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（化学工业出版社，李红英等，2019），当前航空发动机领域用量较大的 GH4169化学成分（质量分数，%）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.
8、07%。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20162018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（其变形高温合金产线2020年末才投产），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，20182021H1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
9、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20162019H1四个报 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（以毛利额指代，同时假设若母合金为外购）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（1）母合金方面，电解镍价值每增长10%，铸造高温合金母合金（对于图南股份） 毛利率或下降约2
10、.5%；（2）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（对于图南股份）毛利率或下降约0.4%。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（经 开行审环批复2021066号），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
11、。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
12、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20182020 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（以毛利额指代，同时假设若变形合金为外购）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。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
13、 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（一）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
14、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（2021年半年报财务数据更新版），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（对标 国外IN718合金）为例，盘件用GH4169合金大规格棒材（直径200mm）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。（二）细分市场：装备现代化建设及的成长性，民品应用可期1.应用领域一：航空航天发动
15、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
16、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
17、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：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；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；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；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”。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
18、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Nim
19、onic 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
20、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。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
21、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
22、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。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（包含上网电量 及厂用
23、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（10%）。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。（三）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20192020年集中开始建设产能扩张和研究基地项目，按照项目 13年的建设规划，20212023年，这批
24、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。（报告来源：未来智库）（四）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
25、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（也出身于钢铁厂）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，20062015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
26、10%。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。（1）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。（2）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
27、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
28、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（如航电、制动）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。运行环境
29、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
30、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：（1）研究与开发和前期资本支出现金流约1520亿英镑，约合人民币120160亿元；（2）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（以当前每台发动机现金流亏损160万估计）；（3）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（1）进气道、（2）压气机、
31、（3）燃烧室、（4）涡轮、（5）排气部件、 （6）附件传动齿轮箱、（7）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（包 括进气道和压气机两大部件）和热段（包括燃烧室、涡轮和尾喷管三大部件）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。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
32、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。（1）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（排气温度）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（原始设备制造商）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（叶片等）的状况，进行必要的修理或更换。在发
33、动机车间维修期间，通常服务通告SB（Service Bulletin）和适航指 令AD（Airworthiness Directive）会一并执行。（2）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（一）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、
34、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20102020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%。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
35、球高温合金的代表企业为HAYN（Haynes International）、CRS（Carpenter Technology Corporation）、ATI（ALLEGHENY TELEDYNE INC）和Special metals （PCC子公司）等。对HAYN、CRS和ATI主要企业20102020年的营收进行拆分 （HAYN高温合金营收由其“耐高温合金”子版块营收代表，CRS高温合金营收由其 “特种合金”、“不锈钢”和“合金和工具钢”三个子版块营收代表，ATI高温合金 营收由“镍基合金和特种合金”、“精密锻件和铸件”和“锆及相关合金”三个子版 块营收代表），ATI的高温合金系列产品的
36、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
37、原值来看， ATI和CRS各年的水平明显高于HAYN，CRS在20012007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。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
38、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（钢研高纳）、北京航空材料研究院、中科院金属所 （中科三耐）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
39、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。（二）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（第2版，朱之 丽等，2019，上海交
40、通大学出版社），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18002000K，而现代三代单晶高温合金最高耐温1367K（1=1K273.15），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
41、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。以典型牌号Inconel 718牌号合金（对应国内GH4169）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
42、。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%（PW4000中的高温合金主要为镍 基和铁基合金）；20世纪90年代中，发动机产商GE购买的
43、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
44、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
45、具有相对优势，被视为传统718合金的最佳替 代品。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（以P&W发动机制造商为例），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6080年代间，发动机和高温合金行业仍对IN718的冶炼和加工进
46、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（如 涡轮盘）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。（三）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
47、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（包括氧化物弥散强化高温合金）；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。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
48、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（据钢研高纳官网，可减重30%40%），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。
49、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。（四）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 （VIM）+电渣重熔（ESR）+真空电弧重熔（VAR）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