先识材料:高温环境应用的高端特钢

高温合金定位高端，使用工况恶劣，性能要求较高

高温合金是指以铁、钴、镍为基体，能在600°C以上温度和一定应力条件下适 应不同环境短时或长时使用的金属材料，具有较高的高温强度、塑性，良好的抗氧 化、抗热腐蚀和热疲劳性能。

高温合金分类方式有三种:按基体元素种类可分为铁 基、镍基和钴基高温合金三类;按合金强化类型可分为时效沉淀强化、纤维强化和 固溶强化三类;按高温合金成型工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金以及粉末 冶金高温合金三类。

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应用领域: 航空、航天、航海发动机主力用材，我国用于军工占比高达 80%

高温合金应用广泛，全球高温合金航空航天需求超 55%，我国军用高温合金占 比达 80%。高温合金材料最初主要应用于航空航天领域，之后逐渐应用到电力工业、 汽车工业、石油石化、玻璃建材等诸多工业领域。

根据 Roskill 统计数据，全球每年 消费高温合金材料约 28 万吨，其中航空航天等军工领域需求占 55%，民用领域如 电力、机械、汽车、石油石化等领域占 45%左右;而根据文栋等 2016 年发表在《工 程技术》杂志的《高温合金材料特性及加工技术进展》一文，我国军用高温合金需 求占比高达 80%，而民用高温合金需求仅占 20%。民用高温合金占比水平相比全球 水平仍有提升空间。

航空、航天、航海发动机是航空航天高温合金主要应用领域。高温合金主要用于航空发动机燃烧室、压气机、涡轮盘、叶片和机匣等高温部件，而火箭发动机核心部件燃烧室和涡轮泵也采用高温合金制造。

航空发动机:高温合金占先进航空发动机总重达40~60%

(1)高温合金是先进航空发动机主体材料

根据德国MTU公司官网，美国第三代战斗机典型发动机F110-GE-129重量为3980磅(即1805.29Kg);根据师昌绪2006年主编的《中国高温合金50年》，先进 发动机中高温合金用量占发动机总重50%以上;因此可估算出单台先进航空发动机 中高温合金用量可达902.65Kg以上。目前主流航空发动机中高压压气机叶片、高压 涡轮叶片、低压涡轮叶片和尾喷口收敛调节片基本由高温合金制造。

(2)高温合金的性能决定航空发动机的性能

根据江和甫2002年发表于《燃气涡轮试验与研究》杂志上的《对涡轮盘材料的 需求及展望》一文，军用航空燃气涡轮发动机通常可以用其推重比(推重比=发动机 推力/发动机自重)综合地评定发动机的水平，而涡轮前燃气涡温度对发动机推重比 有最直接、最显著的影响，也成为发动机划代最突出的判别依据之一。

(3)发动机性能制约着我国武器装备发展，高温合金性能差距较大是主因

航空发动机是保证国家安全、彰显强国地位的航空武器装备的“心脏”。长期 以来我国空军先进战机涡轮风扇发动机和海军大型舰艇燃气轮机大量依赖于进口， 国产发动机与美国等发动机强国存在代差。如目前我国主力三代战机J-11B/D采用的 国产“太行”涡轮风扇发动机推重比为7~8，仅相当于美国20世纪80年代用于FA18战机上的F110发动机。目前美国第四代战机F35主要采用F135型发动机，其推重比 已达10~12，而我国推重比10的WS15发动机尚未完成定型。

高温合金性能差距较大是我国发动机与美、英存在代差的主要原因。我国在普 通铸造镍基高温合金(CC alloy)、定向凝固高温合金(DS alloy)、单晶高温合金 (SC alloy)承温性能上与美国、英国差距明显。如目前广泛应用于先进发动机涡轮 叶片的单晶高温合金，我国DD3、DD6型均为第二代单晶高温合金，在承温性能上 较美国CMSX-10第三代单晶高温合金和英国用于Trent发动机上的第四代单晶高温 合金RR3000仍有30~50K的差距。

我国高温合金研制自1956年开始。根据师昌绪《中国高温合金五十年》一文， 我国自1956年研制镍基高温合金GH3030以来，共研制或仿制变形高温合金50多个 牌号，铸造高温合金40多个牌号，并在我国各型航空发动机上得以应用。

(4)预计未来15年我国新增航空用高温合金原材料需求量达22215吨，40%仍依赖进口

我们对军用航空发动机对高温合金的需求进行了测算。测算的基本假设有:先 进航空发动机平均寿命约3000小时;我国空军平均每年训练时长约200小时以上， 且每台发动机均配一台备份发动机;现有及新增军用飞机双发和单发飞机数量比例 为1:1;单台发动机重量为1.5吨，高温合金用量占比为50%，高温合金部件平均成 材率30%。

根据英国《飞行国际》杂志发布的《世界空军》报告，我国2016年军用飞机数 量达2955架，总量落后于美国和俄罗斯，居全球第三位;我国2016年军用飞机数量 相比2011年增加357架，计算可得复合年增长率为2.75%。若保持该复合年增长率， 预计未来15年我国将新增军用飞机数量达1484架。基于现有及新增军用飞机单发和 双发数量比例为1:1的基本假设估计，未来15年我国将新增军用航空发动机数量达8886台，新增高温合金原材料需求量达22215吨。

军用先进航空发动机为先进战机的“心脏”，而高温合金又是先进航空发动机的关键原材料。由于英、美能发动机和高温合金强国对我国实行武器禁运和出口管制，我国只能从俄罗斯、乌克兰等国家进口发动机整机，国产航空发动机高温合金制品均为自产。

因此，我们可以通过估算国产和进口航空发动机的比例来测算我国军用航空发 动机高温合金进口比例。我国需从俄罗斯进口发动机的机型主要为第三代战斗机J-10和H-6K为主。J-10战机为单发中型战斗机，发动机为俄制AL-31F发动机;H-6K为双发战术轰炸机，发动机为俄制D-30KP-2发动机。

根据飞行国际杂志《世界空军 报告2012》和《世界空军报告2017》统计，2011~2016年我国J-10战机由200架增 至273架，H-6K轰炸机由120架增至190架，因此2011~2016年我国需外购发动机数 量为213台。根据之前的测算，2011~2016年我国军用飞机数量增加357架，按单发: 双发为1:1计算，共增加军用发动机数量为537台，因此计算得到进口发动机数量占 发动机总数量的39.66%，即我国军用航空发动机高温合金约有40%依赖进口，进口 替代市场前景广阔。

2、火箭发动机:高温合金为火箭发动机燃烧室和涡轮泵主材

(1)火箭发动机燃烧室和涡轮泵关键用材

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等三大部分组成。其中燃烧室和喷管容 纳推进剂燃烧，产生3000°C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。燃烧室和涡轮泵两大核心部件均采用高温合金材料。

根据师昌绪《中国高温合金五十年》一文，我国火箭发动机使用的传统高温合 金有GH4169、GH4141、GH1131、GH3600等牌号，这些材料均无法同时满足新 一代大推力液体火箭发动机的要求。经过多年努力，我国已研制出GH4586、K4169及可锻可焊的GH4202(K4202)合金，用于生产我国新一代液氢-液氧火箭发动机YF-77和液氧-煤油高压补燃火箭发动机YF-100的关键部件。其中，GH4202是目前 我国火箭发动机用高温合金品种最全的合金之一，占火箭发动机高温合金总用量的40%以上。

(2)我国大推力液体火箭发动机性能落后于美、俄、日、欧，高温合金性能差 距是关键我国火箭发动机机同俄罗斯、美国和日本差距仍很明显。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，火箭发动机推力定义是发动机由向飞行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Vulcain 2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(3000~4000°C)、高压(20MPa)和高流速(2500~5000 m/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。

(3)预计未来15年我国火箭发动机用高温合金需求达2880吨，已实现完全国产化

我们对航天火箭发动机对高温合金的需求进行了测算。根据顾明初1998年在中 国航空学会重量工程专业学术会发表的《液体火箭发动机的结构质量》一文，火箭 发动机核心部件涡轮泵质量占发动机质量的20~26%(下文测算时取平均值23%)， 燃烧室质量占发动机质量的1.2~3.3%(下文测算时取平均值2.3%)。我国未来主力 运载火箭长征七号采用的YF-100液氧-煤油火箭发动机单台质量为1.9吨，每枚火箭 采用6台YF-100火箭发动机，则每枚火箭涡轮泵及燃烧室总质量，即每枚长征七号 火箭所用高温合金部件质量约为2.88吨。若假设高温合金部件成材率为30%，则每 枚长征七号所需高温合金质量为9.6吨。

我国航天火箭发动机用高温合金完全国产，但水平与国外先进水平差距较大。

根据人民网2016年10月8日《中国航天力争“十三五”期间实现100%国产化》一文， 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。我国航天火箭发 动机用高温合金已经形成了较为完善的材料体系和产品系列，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。 

3、舰船燃气轮机:核心机源于航空发动机，QC280结束我国舰用燃气轮机进 口历史，燃气轮机用高温合金迎来需求蓝海

(1)燃气轮机为为现代大型水面舰艇的主流动力装置

燃气轮机相比传统蒸汽和柴油机动力优势明显。与传统舰船用动力设备——蒸 汽轮机和柴油机相比，燃气轮机主要具有三大优势:(1)功率密度大。同等功率的 燃机体积是柴油机的三分之一到五分之一，是蒸汽轮机的五分之一到十分之一左右， 非常适合军舰分舱小、航速要求高的特点;(2)启动速度快。燃气轮机可以在启动 机帮助下在1~2分钟就可以达到最高转速，有利于军舰快速达到高速航行状态;(3) 低频噪声低。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噪声， 而柴油机低频振动和噪声较大，不利于军舰反潜作战和声隐身。

(2)舰船燃气轮机源于航空发动机，高温合金种类与应用类似

舰船燃气轮机源于航空发动机，原理与结构基本一致。根据航空工业出版社出 版的《航空发动机--飞机的心脏》中“航空发动机在非航空领域及武器中的应用”章 节，多数军舰用的燃气轮机属于“航改燃机”，国内外的航空发动机厂商均设有燃 气轮机分部，专门从事把航空发动机改型为地面或船用燃气轮机的工作。

市场格局:定位高端形成高壁垒，细分龙头尤为受益

1、行业壁垒:技术、资质、资金、渠道四大壁垒高筑

(1)技术壁垒:高温合金生产难度较大

高温合金主要应用于航空发动机、火箭发动机、舰船燃气轮机等军用飞机、导弹、运载火箭、水面舰船等武器装备的“心脏”，其性能和可靠性关系到武器装备的战力和安全，因此对高温合金材料及制品的质量可靠性、性能稳定性、产品外观尺寸精确性等方面都有着非常苛刻的要求;同时，为保证航空发动机和火箭发动机性能，其部件制造多采用非常规、高难度工艺(如定向凝固、搅拌摩擦焊等)和特殊加工设备。综上所述，军工用高温合金生产难度较大，技术壁垒较高。

(2)资质壁垒:军工特钢质量要求较严，资质壁垒较高

高温合金广泛应用于航空、航天、航海及陆军装备的发动机关键结构中，其产 品的性能稳定性和质量可靠性是用户最先考虑的因素。用户经过严格的试用程序而 选定供应商后，一般不会轻易更换;另外，从事武器装备科研生产需要取得相应的 军工生产资质，即所谓“军工四证”，包括《国军标质量管理体系认证》、《武器 装备科研生产单位保密资质认证》、《武器装备科研生产许可证认证》和《装备承 制单位资格目录认证》，取证一般至少需要6~12个月，程序繁琐，时间较长。因此， 高温合金领域准入及资质壁垒较高。

(3)资金壁垒:高温合金研发周期较长，资金壁垒较高

高温合金性能优异，成分复杂，产品研发周期长、投入大、批量小、品种全， 对高温合金企业研发实力和资金投入要求较高;另外，由于高温合金主要应用于航 空、航天、航海发动机等特殊产品，其交货和回款周期较长，根据钢研高纳2016年 年报，其高温合金铸件类产品交货周期达3~6个月，因此高温合金研发和供货过程可 能会对相关企业资金产生压力，资金壁垒较高。

(4)渠道壁垒:高温合金产品与发动机主机厂联系紧密，渠道壁垒较高 高温合金主要应用于航空、航天、航海发动机，高温合金生产企业直接向发动 机主机厂供货。由于高温合金部件一般为发动机核心部件，因此主机厂在确定合格供应商之后一般不会轻易更换，渠道壁垒较高。

竞争格局:钢研高纳、抚顺特钢维持双寡头市场格局，应流股份、万泽股份 参与市场竞争

(1)国内高温合金行业长期供不应求，高行业壁垒保持行业竞争有序

行业现状:高温合金行业处于供不应求局面。根据Roskill统计数据，全球每年 消费高温合金材料约28万吨;根据钢研高纳2016年年报，我国目前高温合金材料年 生产量约1万吨左右，每年需求可达2万吨以上，市场容量超过80亿元，行业处于供 不应求状态。

产业格局:各有所长，竞争有序。根据师昌绪《中国高温合金五十年》一文， 我国高温合金产业经过近60年的发展，已经形成了生产装备比较先进、具有一定规 模的生产基地。其中:(a)变形高温合金生产厂有:抚顺特钢、宝钢特钢、长城特 钢等;(b)高温合金锻件加工厂有:西南铝业、中国二重、红原航空锻铸公司和安 大航空锻造公司等;(c)精密铸件生产厂有:钢研高纳、北京航空材料研究院、中 国科学院金属所、东北大学、北京科技大学等。另外，应流股份、万泽股份等上市 公司也相继进入高温合金研发和生产细分领域。

(2)行业壁垒决定不同企业高温合金定位领域分化

从研发技术角度来分析:高温合金技术含量高、制造难度大、研发时间长，必 须通过申请专利的形式来保护公司知识产权，避免技术泄漏。从公司专利的布局可 以看出公司重点发展领域，而从专利数量可以看出公司研发实力和技术储备。我们 通过国家知识产权局专利局网站查阅了钢研高纳、应流股份、抚顺特钢和万泽股份 在高温合金领域专业申请和授权情况，且仅考虑有权、公开和实审状态的中国专利。

从高温合金专利数量上看，截止到2017年4月，钢研高纳、应流股份、抚顺特 钢和万泽股份在高温合金领域的专利数量分别为9项、7项、6项和3项，钢研高纳专 利数量最多，公司目前在高温合金领域研发实力和技术储备较强;而万泽股份专利 数最少，显示公司目前在高温合金领域技术相对较为薄弱。

从高温合金专利布局来看，截止到2017年4月，钢研高纳、应流股份的高温合 金专利主要涉及铸造高温合金，而抚顺特钢和万泽股份高温合金专利主要涉及变形 高温合金。

小结:

高温合金是航空发动机、火箭发动机和船用燃气轮机核心部件的关键 原材料。高温合金性能差距也是造成我国与国外航空发动机、火箭发动机 和燃气轮机性能差距的根本原因。随着“两机”重大专项的逐步启动，我 国航空发动机、火箭发动机和燃气轮机将迎来快速发展期，从而带动高温 合金需求快速增长。根据测算，未来 15 年我国航空发动机高温合金需求 预计将达 2.2 万吨，约 40%仍依赖进口;火箭发动机高温合金需求预计 将达 2880 吨，军舰用燃气轮机高温合金需求将达 3795 吨，有望逐步实 现国产化。

高温合金定位高端，行业存在技术、资质、资金和渠道四大壁垒，市 场门槛较高;我国高温合金行业长期处于供不应求的状态，年市场缺口近1 万吨;抚顺特钢、钢研高纳在高温合金领域拥有明显的技术和背景优势，而万泽股份、应流股份目前高温合金产品尚在开拓期;目前，抚顺特钢变 形高温合金市场和技术优势明显，而钢研高纳铸造高温合金国内领先，两家公司凭借各自传统技术优势占领高温合金细分市场，业务竞争关系不大。

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