高温合金行业深度研究为什么持续看好高温合金赛道？

　　（报告出品方作者：华泰证券，李聪、朱雨时、田莫充）报告核心观点：高温合金，精选赛道优中选优
　　航发关键战略物资，上行效应释放高温合金业绩弹性
　　高温合金是航空发动机的关键战略物资，有望成为航发赛道优中选优的细分领域。提高航空发动机性能、实现航空发动机的全面国产化已然成为国家层面的迫切任务。通过材料的升级换代满足工作温度的需求是提升发动机推重比的本质手段，可以认为高温合金是决定航空发动机性能的核心瓶颈之一，是国产航空发动机实现量产的先决条件。高温合金生产企业处于航发产业链中上游，通过将镍、钴、钼、铼等金属原料熔炼为合金后交付至锻造铸造厂，是产业链承上启下的关键环节。
　　上行效应使得上游高温合金端需求弹性大于中下游。产业链自下而上各阶段备库需求会逐级放大企业业绩弹性，对于中上游材料端具有放大效应。假设军机主机厂需求增长，那么发动机厂在满足之外，仍需多备的库存。而锻造铸造厂在满足发动机厂新增的（）的需求外，需多备的库存，上行效应在最终作用到高温合金厂时，高温合金厂产量增加（），可以看出备库需求使得上游需求弹性大于中游，中游需求弹性大于下游。
　　长期维度看，相关上市公司的高温合金产品收入增速会显著高于中下游增速。钢研高纳20182021年高温合金业务相关收入CAGR为31。17，抚顺特钢20182021年高温合金业务相关收入CAGR为24。94，图南股份20182021年高温合金业务相关收入CAGR为19。77，隆达股份20192021年高温合金业务相关收入CAGR为81。39。我们根据《航空发动机：国之重器，万里鹏程》（2022。9。15发布）报告中的产业链拆分方法，将航发上游的高温合金企业做整体分析并与航发中下游板块对比，20182021年高温合金板块收入CAGR为27。20，高于航发中游板块（15。57）与下游总装（13。89）
　　高温合金材料企业盈利弹性有望强于下游总装环节。利润增速方面，由于航发链条下游主机厂以国企为主，而上游新材料民营企业占比相对更高，因此经营管理和降本增效能力更优，催生盈利释放节奏和幅度更为亮眼。图南股份、钢研高纳20182021年归母净利润CAGR分别为37。37、51。83，而航发动力20182021年归母净利润CAGR仅6。08，突显出上游原材料的盈利弹性强于下游总装厂。
　　利润增速不减、估值低位，高温合金核心标的高性价比优势凸显。我们根据《航空发动机：国之重器，万里鹏程》（2022。9。15发布）报告中的航发产业链标的，选取14支涵盖行业上中下游的代表企业，测算各标的Wind一致预期的下的2023E归母净利润增速、对应PE、PEG水平。根据统计情况，在航发板块22年至今普遍回撤的情况下，高温合金标的23E净利润整体增速水平较高，抚顺特钢、隆达股份、钢研高纳、图南股份、西部超导23E净利润增速（Wind一致预期）分别为1、2、4、6、7名，且23年PEG均在1附近，部分标的低于0。5，处于低估位置。
　　板块当前主要矛盾：镍价下行与价格传导为两大变量
　　由于镍在高温合金成本端占比较高，因此跟踪镍价变化并对企业进行前瞻的成本敏感性分析是当前市场的主要关注点。自今年3月份镍价出现剧烈波动以来，高温合金板块表现与镍价呈现出明显的负相关性，2022。3。12022。9。30期间，高温合金板块表现与当日SHFE镍价涨跌幅的相关系数为0。82。
　　原材料价格回落，产业链成本压力边际改善。受镍涨价影响，年初至今镍高温合金航发铸锻件航发主机厂产业链盈利能力显著承压，而由于产业链下游的航发主机厂掌握了较高的议价权，而中游锻造厂产业链位置离主机厂更近，因此上游高温合金厂商较难向中下游传导成本压力，以抚顺特钢、钢研高纳为代表的高温合金企业21Q4单季度毛利率均出现明显下滑，且至今毛利率仍未恢复至2021年初水平。在印尼镍新增项目产量逐步释放的背景下，镍价持续下跌，沪镍价格从3月9日高点下跌41至10月14日的18。76万吨，9月初至今镍价短期持续上涨，主要系欧央行9月议息会议宣布加息75基点，欧元出现了较大幅度的走强，而美元指数则顺势回落，以美元定价的国际大宗商品迎来了普涨，我们认为属于短期影响。
　　具体看镍价对航发产业链的影响，由于最下游的航发主机厂议价能力强，中游的航发环锻件企业较难将成本压力向下游传导，因此本次镍价上涨主要对产业链中上游产生影响。对于中航重机、派克新材、航宇科技等从事航空发动机环锻件的企业，原材料是公司营业成本的主要组成部分，而原材料中的高温合金是以镍为原料的高端合金，镍价上涨将对产业链造成一定影响。如2019年派克新材航空锻件业务直接材料成本占比为74。28，其中高温合金占直接材料成本的38。16；2020年航宇科技航空锻件业务原材料成本占比为83。28，其中高温合金占原材料成本的66。59；2021年中航重机航空锻件原材料成本占比为72。26。
　　根据华泰军工第十周周报《妖镍激化板块行情震荡，关注高温合金产业链投资机会》（2022年3月13日发布），我们测算了镍价上涨对产业链的影响：若上游企业将电解镍价格通过产品涨价等方式向中游传递，而中游企业的销售价格保持不变，假设上游冶炼企业高温合金产品毛利率为40（抚顺特钢2021年高温合金业务毛利率为42。65），假设中游锻造企业毛利率为30（中航重机、派克新材、航宇科技2021年锻造业务毛利率分别为28。92、30。71、32。60），则镍价涨幅为10至100时，对上游高温合金冶炼的毛利率影响为0。00pcts至17。28pcts，对中游毛坯件锻造的毛利率影响为0。10pcts至10。50pcts。
　　我们对抚顺特钢、钢研高纳、西部超导及图南股份进行电解镍成本敏感性分析，最终测算出电解镍价格的波动对各公司高温合金业务毛利率及公司整体毛利率的影响程度。在具体测算方面，我们使用了四家公司2021年各项分业务及整体的毛利率实际值，同时分别假设：1）各家公司除高温合金以外的其他合金产品镍含量可忽略不计，镍价不影响其毛利率；2）抚顺特钢、西部超导2021年年报中披露了高温合金业务中直接材料占总成本的比例（87。2985。25），图南股份、钢研高纳未披露分业务成本构成，我们采用有色金属冶炼及压延加工行业整体的原材料成本比例（63。2063。58）作为假设值；3）镍占直接材料成本比例方面，我们假设抚顺特钢、西部超导为50（变形高温合金含镍量较高），图南股份为41。07（根据招股书中的2019年数据），钢研高纳为32。59（根据招股书中的2009年数据）。
　　我们认为，若未来一段时间镍价恢复至正常水平，高温合金企业成本端压力有望得到明显缓解，2022Q4估值拐点有望出现，叠加航空发动机产业链的高景气，产业链相关标的或面临较好机会，2023年随着产业链受镍价影响逐步消除，板块有望迎来盈利拐点。需求与产能共振，高温合金迎来黄金机遇
　　高温合金：为高温而生，国防关键战略物资
　　高温合金是以铁、镍、钴为基体元素，能在600以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金不仅有优良的高温强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能，而且还有良好的综合性能，如蠕变性能、疲劳性能、断裂韧性、组织稳定性、工艺性能等，主要应用于涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室、压气机盘、机匣、环形件、尾喷管及紧固件等部件，是航天航空、能源、船舶等战略性产业的关键战略材料。
　　高温合金主要按基体元素种类以及制造工艺方式进行分类。1）按基体元素划分：根据《高温合金材料学》（郭建亭，【科学】，2008年4月1日出版），高温合金按合金的主要元素分为铁基、镍基、钴基高温合金。镍基高温合金占比最高80，铁基高温合金占14。3，钴基高温合金占5。7。2）按制造工艺方式划分：高温合金可分为变形高温合金、铸造高温合金和新型高温合金，其中变形高温合金合金化程度较低，强化相数量较少，因而热加工塑性较好，可连续生产，市场占比达70。铸造高温合金是通过真空重熔直接浇铸成型的高温合金，其特点可以通过铸造工艺直接成型，主要用于制造形状比较复杂的产品，缺点是不适合进行热加工。此外，高温合金不断发展和演变，已发展出粉末高温合金、金属间化合物等新型高温合金。
　　相对于铁基和钴基高温合金，镍基高温合金在现代工业中使用最广泛，牌号最多，地位也最重要。镍基高温合金是以NiCr二元系为基体，加入Co、Mo和W等固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素。目前世界上的高温合金，特别是单晶高温合金材料的发展已经历了4代。第1代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。20世纪80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第2代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第2代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。20世纪90年代后期以来，美国研制成功第3代单晶高温合金CMSX10。之后，GE、PW以及NASA合作开发了第4代单晶高温合金EPM102。
　　自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研究、生产和应用已经历了60多年的发展历程。我国的高温合金从无到有，从仿制到自主创新，合金的耐温性能从低到高，先进工艺得到了应用，新型材料得以开发，生产工艺不断改进且产品质量不断提高，并建立和完善了我国的高温合金体系。我国高温合金制造技术的发展可以分为三个阶段：第一阶段：在苏联专家的指导下研制并生产了第一款高温合金GH3030，拉开了我国对于高温合金研究和应用的序幕；第二阶段：全面引进欧美技术，改进生产工艺，研制成功了多种新型的高温合金，同时，我国的生产技术及质量把控等方面基本达到或接近西方工业发达国家水平；第三阶段：我国自主开发了一系列新工艺，研制出一系列高性能、高档次的新型高温合金。
　　需求端：前端列装必选材料后端高替换率耗材，多谱系共振释放稳定需求
　　1）前装市场：航发热端的必选材料，中长期内技术可替代性较弱
　　热端部件是航空发动机推力来源，而高温合金是热端部件的必选材料。以航空发动机为例，推力主要来外界吸入空气经过和航空煤油混合燃烧之后喷出的高温气体，而冷端部件主要起到进气的作用，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。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，一般材料无法满足其性能要求。高温合金材料在航空发动机中主要用于四大热端部件，包括燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘，除此之外还用在机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件上。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15000rmin、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4060以上，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。
　　两片一盘是指航空发动机中的涡轮叶片、导向器叶片及涡轮盘（加篦齿盘），是整个发动机中性能最高的部件，代表着高温合金的最高工艺和最高要求。在发动机的高压涡轮中，涡轮叶片与导向叶片交错排列，一级导向器紧接燃烧室出口，导向叶片处于高温燃气流包围中，是发动机中温度最高的零件之一，最高温度可达1150C，温度高而且不均匀是其工作环境最重要的特点。涡轮叶片尤其是一级涡轮叶片承受着由燃烧室经一级导向叶片流入的高温燃气的冲刷，温度要求也极高，最高温度可达1100C，同时处于复杂应力和腐蚀环境中工作。涡轮盘是连接涡轮叶片和涡轮轴的部件，虽然温度要求比涡轮叶片和导向叶片稍低，但是综合性能要求更高。材料须有强度高、疲劳性能优异、断裂韧性高、裂纹扩展速率低等优良性能。
　　最新发动机的两片一盘的制备，取用的都是最先进的高温合金材料。涡轮叶片和导向叶片的结构性材料以单晶高温合金和定向高温合金为主。由于叶片横截面都很薄，而横截面尺寸越小，蠕变断裂强度就越低，但是定向晶消除了易于形成裂纹的横向晶界，因此持久性能、冷热疲劳性能能及薄壁性能大幅提升，而单晶由于消除了一切晶界，性能改善更加明显，蠕变断裂强度降低幅度最小，因此是目前最能满足叶片工作要求的材料。
　　涡轮叶片：涡轮工作叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一。虽然工作温度比导向叶片要低些，但是受力大而复杂，工作条件恶劣，因此对涡轮叶片材料要求有：高的抗氧化和抗腐蚀能力；高的抗蠕变和持久断裂的能力；良好的机械疲劳和热疲劳性能以及良好的高温和中温综合性能。随着材料研制技术和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐成为涡轮叶片的候选材料。美国从20世纪50年代后期开始尝试使用铸造高温合金涡轮叶片，前苏联在60年代中期应用了铸造涡轮叶片，英国于70年代初采用了铸造涡轮叶片。而航空发动机不断追求高推重比，促使国内外自70年代以来开始研制新型高温合金，先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料，其中单晶高温合金材料成为目前主流的涡轮盘材料。
　　单晶高温合金是在等轴晶和定向柱晶高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。20世纪80年代初期以来，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第二代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX10。之后，GE、PW以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM102。法国和英国也分别研制单晶高温合金，并实现了工程应用。近年来，日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六代单晶合金TMS138，TMS162，TMS238等。
　　我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世界80年代初率先开始研究的，并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6，并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外，我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33、中国科学院金属研究所研制的DD90；第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22；第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发。
　　导向叶片：导向叶片是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。但由于它是静止的，所受的机械负荷并不大。通常由于应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的裂纹以及过燃引起的烧伤，会使导向叶片在工作中经常出现故障。根据导向叶片工作条件，要求材料具有如下性能：足够的持久强度及良好的热疲劳性能；有较高的抗氧化和抗腐蚀的能力。铸造高温合金成为了导向叶片的主要制造材料。美国Howmet公司等多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作为导向叶片的材料。近年来，由于定向凝固工艺的发展，用定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中；此外，FWS10发动机涡轮导向器后篦齿环制造采用了氧化物弥散强化高温合金。近年来，由于定向凝固工艺的发展，导向叶片也逐渐使用定向凝固柱晶。低成本，高性能的DZ404定向凝固合金及低成本、低密度、高熔点的JG4006定向凝固合计均在一些新机中作导向器叶片，取得良好效果。DZ640M是钴基定向合金，目前在FWS10发动机上作高压导向片。
　　国外导向叶片除了定向柱晶，还采用了第一代和第二代单晶高温合金。单晶高温合金消除了一切晶界，性能改善更加明显，使用温度较定向凝固柱晶合金提高约30C。
　　涡轮盘：涡轮盘在工作中受热不均，盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度，产生很大的热应力。榫齿部位承受最大的离心力，所受的应力更为复杂。为此对涡轮盘材料要求有：合金应具有高的屈服强度和蠕变强度；良好的冷热和抗机械疲劳性能；线膨胀系数要小，无缺口敏感性，较高的低周疲劳性能。
　　粉末高温合金是现代高性能发动机涡轮盘的必选材料。1965年发展了高纯预合金粉末技术。美国PW公司首先开创了粉末高温合金盘件用于航空发动机的先河。1972年IN100粉末高温合金涡轮盘用于F100发动机上，开启了粉末高温合金的实际应用阶段。我国的粉末高温合金的研究起步于20世纪70年代后期，在后续的发展过程中，根据国家型号需求，陆续开展了FGH95合金，FGH96合金，FGH97合金，FGH98合金和FGH91合金的研制。其中FGH95是目前强度最高的粉末高温合金，最高使用温度650，主要用于制备发动机的涡轮盘挡板以及直升机用涡轮盘。
　　2）后市场：高温合金为耗材中的耗材，维修更换频次为航发产业链之最
　　由于武器系统服役的时间更长，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。相对于航发新机采购价值，航发维修市场天花板更高，20152021年罗罗公司的军、民用航发的售后服务（包括维修、服务等费用）营收占比均超过50。
　　由高温合金等材料制成的热端部组件构成了航空发动机主要的维修市场。根据《航空及发动机构造与维修管理》（蔡景等，【北京航空航天大学出版社】，2015），航空发动机维修工作根据其内容的不同可以分为：1）航线维修和定期检修；2）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，返厂大修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。
　　（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。在发动机车间维修期间，通常服务通告SB（ServiceBulletin）和适航指令AD（AirworthinessDirective）会一并执行；（2）时寿件更换：压气机和涡轮盘的鼓盘、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。发动机维修成本大约占整个飞机维修成本的3540，其中车间维修的零部件修理或更换成本占了大部分，有6070。
　　根据《浅析航空发动机视情维修在MRO的应用》（薛成，【航空维修与工程】，2022年7月），包括但不限于下列发动机进厂维修工作范围可认为是持续性发动机维修：1）风扇机匣的更换；2）高压压气机叶片的更换；3）高压涡轮叶片的更换；4）燃烧室的更换；而高压压气机叶片、高压涡轮叶片和燃烧室的主要材料均为高温合金，侧面印证了高温合金为航空发动机的主要耗损材料。因此从维修频次来看，高温合金热端部件发动机整体军机。
　　3）Pipeline持续拓展：一代发动机一代高温合金，多谱系深度绑定核心装备
　　根据隆达股份招股说明书，航空发动机的迭代路径首先是动力先行，即航空发动机以飞机飞行器的发展需求为牵引，提前58年发展；其次是材料先行，即研发一个新材料，制造成零件并装到航空发动机上大约需要30年。航空发动机工作过程中的热力学循环为布雷顿循环。就喷气式发动机而言，初始状态1表示大气气体状态，气体经由进气道被吸入压气机压缩的过程是12的等熵压缩过程，理想情况下在这个阶段，空气的总熵不变，气体受压缩作用使得温度上升。气体从点2到点3是在燃烧室中进行等压加热。经过燃烧室加热后高温气体经过涡轮等熵膨胀（对应34的循环阶段），在这个过程中推动涡轮做功，自身内能下降温度降低。分析布雷顿热力学循环可以看出，3点的温度越高，气体在涡轮前内能越高，在经过涡轮时膨胀做功也越多，进而推动发动机产生更大的推力。这一点的温度也叫涡轮前温度，是航空发动机的重要设计参数，目前喷气发动机普遍能到1400K以上，一些战斗机搭载的发动机涡轮前温度能到2000K左右，对发动机热端材料及冷却系统设计提出了较大挑战。因此，动力领域对工作温度要求的提升将带动相关材料的升级换代。
　　军机的换代伴随着高温合金的升级。第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金，核心材料工作温度650C，到第四代的涡扇发动机，核心材料工作温度已经达到了1200C，采用了单晶高温合金。历代军机的换代一直伴随着发动机核心材料高温合金的升级。高温合金的升级需要研发的支持。在航空工业的发展需求牵引下，中国高温合金先后研制出了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世，不断地推动航空工业向前发展。
　　根据《铸造高温合金与纯净化熔炼技术发展现状》（张业欣等，【金属材料及冶金工程】，2015年8月），《粉末高温合金研究进展》（张义文等，【中国材料进展】，2013年1月），《世界航空动力技术的现状及发展动向》（刘大响，2002年2月，北京航空航天大学学报），《高温合金材料学》（郭建亭，2008年4月，科学出版社），航空发动机与高温合金的代次发展相互交错，时间节点有一定差异，其中变形高温合金贯穿发动机全代次发展，根据《惯性摩擦焊在商用航空发动机中的应用与研究现状》（张露等，【焊接工艺】，2022年5月），随着航空发动机性能的提高，高温合金的用量不断增加，变形高温合金的量升逻辑凸显。而铸造高温合金经历了等轴晶定向凝固柱晶单晶合金的代次发展，粉末高温合金历经四代，两者充分享受了随着技术工艺的提升而带来的价提逻辑。
　　供给端：国产替代加速行业进入集中扩产期，高技术壁垒牵引多寡格局
　　1）国产替代：强调自主可控，海外供应商市场化涨价或倒逼替代进程加速
　　根据隆达股份2021。9。27公告《发行人及保荐机构回复意见》，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合金（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。由于变形高温合金进口率较高且主要从美国生产企业进口，因此给我国先进装备的研制进度和批产交付带来了较大的隐患。在这个产业背景下，一定生产规模的转动件用大规格GH4169合金的质量控制水平可以反映变形高温合金生产商的技术水平。根据智研咨询数据，20142021年，国内高温合金总需求从约2万吨增加至6。2万吨、供给从1。3万吨增加至3。8万吨。虽然国内高温合金供给大幅增长，但是从供需差距来看，高温合金供需矛盾仍未明显改善，我国高温合金需求缺口比例（（需求供给）需求）从2014年的35增加至2021年的39。进口替代是国内高温合金行业面临的首要问题之一。
　　与进口高温合金相比，我国高温合金主要存在以下几个方面的不足：1）冶金问题：国内生产的高温合金冶金缺陷较多，主要表现为黑斑、白斑、碳化物偏聚等；2）组织均匀性问题：国内高温合金棒材的组织均匀性较差，主要体现为边芯部晶粒度极差过大；3）杂质元素控制问题：国内生产的高温合金产品杂质元素（如硫元素）含量较高，导致材料的强度和使用寿命较低；4）成本问题：国内生产高温合金返回料利用率偏低，导致生产成本普遍偏高。
　　海外供应商市场化涨价幅度过高或倒逼替代进程加速。在国际镍价短期涨幅较大的背景下，海外高温合金企业采取了完全市场化定价政策，海外高温合金企业SpecialMetals的INCONEL718合金每磅已涨价7。37美元，假设INCONEL718（对标国内GH4169合金）2021年出厂价为35美元公斤，则海外企业较2021年涨价幅度高达46，考虑到进口关税后或已不具备价格优势。
　　2）行业进入集中扩产期：军工行业以销定产，或前瞻性反映景气度提升预期
　　20222024年为国内主要高温合金企业集中扩产期。国内主要高温合金企业如抚顺特钢、钢研高纳、图南股份、西部超导和隆达股份在20202022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，20222024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，由于武器装备的研制与扩产具有较强的计划性，军工行业通常为以销定产，因此企业产能会根据未来订单需求而进行调整。高温合金企业的集中扩产，充分表明行业景气度旺盛情况，同时也为相关标的乃及所在行业的后续增长空间起到了参考作用。
　　3）格局稳固：行业准入壁垒与技术壁垒牵引多寡格局
　　高温合金整个行业具有较为明显的寡头特征，复杂的在线工艺决定了其成材率低、生产周期长，具有极高的技术壁垒。同时，该行业无论是军品还是民品均涉及到产品认证问题，为该行业构筑了天然的进入壁垒。1）技术壁垒：高温合金产品的技术含量较高，铸造加工的工艺较为复杂，大型高温合金铸造生产企业均同时是合金材料研发的主体，材料科学研究和先进铸造技术相辅相成。新产品从开始研发至最终实现销售需要经过论证、研制、定型等系列过程。因此高温合金等先进金属材料领域存在着较高的技术壁垒。不同工艺路线跨度大，均要求较高的经验壁垒。军用高温合金处于持续升级中，研发能力是高温合金企业的立足之本。以抚顺特钢，钢研高纳为首的国内老牌高温合金企业科研根基扎实。其中，抚顺特钢的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顶尖、研发能力卓越。以万泽股份为代表的新兴高温合金企业，业务覆盖面广，同时也注重新型高温合金的研发。
　　2）市场先入壁垒：高温合金的下游用户对供应商选择有严格的评定程序，供应商的变更存在较高的技术风险和不确定因素。因此，在产品质量稳定的前提下，用户在选定合格供应商后通常不会轻易更换。同时，航空发动机产品的研制均需经过立项、方案论证、工程研制、定型等阶段，根据现行武器装备采购体制，通过定型批准的产品才可实现批量销售。
　　如果一个高温合金厂商欲成为某牌号军用高温合金的供应商，尤其是转动件高温合金，则需经过一个时长较久的验证过程。首先需将试制样品交付国内主要锻造厂并接受其检验。锻件由零部件厂检验合格后再加工成零部件。根据隆达股份招股说明书，以上各阶段检验由主机厂主导，这一检验流程可能要进行310轮次，即冶金厂提供310批合金锭给锻造厂进行制作锻件，通过各层检验，最后制成合格零部件。只有按照现行工艺以上各个环节成品全都合格，才有被可能纳入军方的体系。
　　对于非转动件的高温合金，验证流程相对简易一些，大多只需进行3批次验证，即冶金厂提供310批合金锭给锻造厂进行制作锻件，通过各层检验，最后制成合格零部件。待各轮次检验完成之后，要进行试车考核，这是整个验证考核流程最关键的一环。采用冶金厂交付的合金锭所生产加工的零件需与其他零件组合配套成部件，才能在主机厂的航空发动机试车台上开展试车考核，而我国目前主机厂的试车台数量有限。因此，何时开展试车考的不确定性较大，这成为整个考核验证流程中最难预期的环节。
　　3）行业准入壁垒：国家对武器装备科研生产活动实行许可管理，未取得许可不得从事相应生产活动。从事军品相关生产活动必须通过严格审查并取得军工资质。这些准入资质要求严格，且考察周期较长，需要企业具备较强的研发、管理和质量控制能力。4）生产组织能力壁垒：高温合金等先进金属材料的生产工序复杂、加工周期长，且具有多品种、小批量的生产特点，要获得高质量的产品，需要对整个生产过程进行精细化的管理，这对企业的人员配置、生产组织、工序管理能力都提出了较高的要求。5）资金壁垒：随着高温合金等先进金属材料技术的不断进步，对于企业的生产设备提出了更高的要求。企业需要投入较高成本进行先进生产设备的购置，从而提升工艺水平以达到客户需求。同时新产品的认证周期相对较长，这也对企业的流动资金提出了一定的要求。核心工艺壁垒各不相同，如何寻找高温合金的矛
　　变形高温合金产品是对铸锭进行开坯、锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压和特殊的热处理技术，以获得不同形状和尺寸的各种锻件与零件。制品通常包括板材、棒材和涡轮盘等高温合金制品。铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金，具有合金化程度高、成分范围高、应用领域广阔等特点。其工艺流程较为复杂，包括精选、组装和熔炼等多个步骤，复杂的工艺流程也使产品更加精细化。该类合金广泛应用于制造航空、航天、能源等领域高端装备核心热部件的高温母合金、精铸件以及高温合金叶片等。
　　定量：从镍原料增值角度探究高温合金赋能环节
　　从电解镍原材料起步，看高温合金产业链各环节的增值分布情况，我们认为对于变形高温合金，熔炼环节与锻造环节增值价值量接近；而对于铸造高温合金，精密铸件环节的增值额度显著高于铸造高温合金母合金熔炼环节。我们假设：1）上游原材料电解镍的单位价值为1；2）变形高温锻造与铸造高温合金铸造环节的母合金均为外购，以控制熔炼环节的收入等于锻铸造环节的材料成本；3）锻铸造环节的材料成本全部为高温合金，以聚焦于电解镍为起点的高温合金链增值额，不考虑其他合金产品；4）对于变形高温合金，熔炼环节的成本构成与毛利率选取抚顺特钢20192021年高温合金业务三年平均值，锻造环节的成本构成与毛利率选取航宇科技20192021年航空锻件业务三年平均值；5）由于数据可得性，对于铸造高温合金，熔炼环节的成本构成与毛利率选取图南股份20172019年铸造高温母合金业务三年平均值，铸造环节的成本构成与毛利率选取图南股份20172019年精密铸件业务三年平均值。经测算，锻件环节所产生的价值量略微高于变形高温合金熔炼环节，该环节增值为上游原材料电解镍的2。2倍。精密铸件环节所产生的价值量相对更大，该环节增值额度约为上游原材料电解镍的22。7倍，或反映该环节技术高门槛。
　　定性：如何定义高温合金的技术壁垒
　　变形高温合金：熔炼环节工艺为核心壁垒
　　变形高温合金核心壁垒在于原料冶炼环节。任何一款高温合金具备工业应用价值的基本前提是，能够应用真空感应冶炼（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料。各类高温合金的制备从原料冶炼到不同的成形工艺均有很高的工艺壁垒，工艺的进步很大程度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。
　　我国已经开展高温合金三联纯净熔炼的研究工作，以GH4169合金为例，结果表明，与双真空熔炼（VIMVAR）工艺相比，三联熔炼中因制备的ESR电极锭无缩孔，组织致密，纯净度高，使得VAR重熔过程的工艺稳定性显著提高，降低掉块概率，减少了VAR锭中的宏观缺陷，并且进一步改善了碳化物分布的均匀性与热塑性。
　　真空感应炉是当前高温合金主流熔炼方法的第一步，真空感应炉的产能直接影响高温合金的产能，当前我国高温合金生产的主要瓶颈是真空感应炉产能不足，按照真空感应炉产量进行产能估计具有较高的准确性。根据《真空感应炉年生产能力测算》（张菽浪，【特钢技术】，2017年1月），真空感应炉年生产能力P年（真空感应炉年生产能力，吨年）P小时（真空感应炉小时生产能力，吨年）实际（实际工作小时，小时）；实际日历（全年时间，此处取8760小时）（1总维（总的维修时间占全年比重，此处取30））8760706132小时。根据《高温合金材料学》（郭建亭，【科学】，2008年4月1日出版）中记录的6T真空感应炉制备G4698合金的熔炼时间为13小时，据此推算一年熔炼的炉数。
　　以隆达股份为例：根据隆达股份招股说明书，截至2020年12月31日，隆达股份主要熔炼设备为1台2。5吨康萨克真空感应炉、1台8吨康萨克真空感应炉。根据估算，隆达股份现有产能2892吨，与公司公告中的3000吨现有产能基本相符。再以西部超导为例：截至2019年12月31日，西部超导主要熔炼设备为1台8吨真空感应炉、1台3吨真空感应炉。根据估算，西部超导当时产能2947吨，与公司公告中的2600吨产能基本相符。
　　铸造高温合金：单晶铸造为工艺最难点
　　航空发动机是飞机的心脏，涡轮叶片是心脏的主动脉。涡轮叶片的材质可以分为等轴晶、定向柱晶以及单晶，其中使用单晶高温合金制备的叶片没有晶界，减少了降低熔点的晶界强化元素、提高了合金的初熔温度，能够在较高温度范围进行固溶处理，相比等轴晶和定向柱晶高温合金强度得到大幅提高，其铸造工艺直接决定航空发动机的性能，是一个国家航空工业水平的显著标志之一。采用定向凝固工艺消除所有晶界的高温合金称为单晶高温合金。金属是由一个一个晶体组成。晶界是金属内部各种畸变，缺陷和杂质聚集的地带，晶界在常温下强度高于晶体内部，但高温时易产生滑移。当高温下晶界强度下降高于晶体内部时，金属强度会下降。早期用精密铸造工艺制成的高温合金叶片为等轴晶组织，组织基体被杂乱无序的晶界切割，这些晶界在高温工况下为薄弱部位，使叶片性能被严重减弱。定向柱晶叶片消除了与主应力轴垂直的横向晶界，性能大大提高，而单晶叶片的组织中消除了所有的晶界，使叶片高温性能实现了最佳化。目前，几乎所有先进发动机都已采用了单晶合金涡轮叶片或导向叶片。
　　对单晶高温合金合金最核心的探讨离不开单晶合金零件的合格率。质量合格的单晶合金零件需要具备：1）纯度较高的母合金；2）成熟的定向凝固工艺。铸造高温合金母合金的纯洁度直接影响铸件的合格率。母合金中含有的N、O以及其他的杂质元素S、P等，会形成非金属夹杂物如Al2O3、（TiTa）CN、（TiTa）xS等，这些夹杂物会成为核心，在单晶零件凝固过程中发展成为晶粒缺陷，如雀斑、高角度晶界、迷路晶等。根据《高温合金材料学下册高温合金材料与工程应用》（郭建亭，【科学出版社】，2009年），我国生产单晶高温合金的母合金，为保证化学成分控制准确和高纯洁度，采取如下技术措施：采用优质原材料；真空感应熔炼时，坩埚等与金属接触的物体保持高纯净度；严格控制精炼温度和精炼时间及高真空等参数，尤其在低碳情况下，要达到低的氮、氧含量，需要独特的真空冶炼来保证；采用双频熔炼技术及高质量的过滤技术。
　　我们认为铸造高温合金，尤其是单晶高温合金的核心壁垒端不在母合金熔炼，而在于单晶铸造。世界上到目前为止一直在用传统的Bridgman方式生产高温合金定向或单晶叶片，其特点是将浇注后的模壳从炉子的热区穿过辐射挡板进入冷区。这种凝固技术具有设备结构简单、工艺稳定可靠等优点，已经相当成熟，特别适合航空发动机叶片等小型铸件。但是这种工艺和设备的缺点也很明显，如辐射传热效率太低、热区与冷区之间不能有效隔热等，这对于小型铸件问题尚不严重，但对于重型燃机叶片，由于铸件尺寸大，模壳厚，使得散热尤其困难，凝固过程漫长而复杂，难以得到有效控制。利用液态金属冷却（liquidmetalcooling，LMC）法用液体对流散热来替代原来的辐射散热，虽然从总体上能提高铸件冷却速率，但并不能满足铸件各处对凝固条件的不同需求，所以LMC法的研发主要应用于大型叶片的定向凝固而不是单晶制备。市场空间：耗材属性凸显，支撑长远需求
　　我国军机在数量上与美国存在较大差距，总量提升需求显著。军用飞机是直接参加战斗、保障战斗行动和军事训练的飞机的总称，是航空兵的主要技术装备。据《WorldAirForces2021》统计，美国现役军机总数为13232架，在全球现役军机中占比为25，而我国现役军机总数为3260架，在全球现役军机中占比仅为6。按各个细分机型来看，战斗机是我国军机中的主力军，总数为1571架，但数量不到美国同期的60，且其他机型的数量都远落后于美国，我国未来军机总量提升需求显著。
　　除军机数量外，我国军机在先进性上也与美国有较大差距，预计两国军机质和量的差异将驱动军机规模扩张和产品升级。美国现役歼击机以三代机和四代机相结合，数量分别为1778架和374架；而我国现役歼击机依然以二代机和三代机为主，数量分别为561架和620架，四代机则仅有19架在役。我国军机目前处于更新换代的关键时期，预计未来老旧机型将逐渐退役，新型战机将加速列装；特种飞机、运输机等军机也将有较大幅度的数量增长及更新换代的需要。我国空军目前正在向战略空军转型，未来10年带来军机需求规模约1。95万亿元。当前我国军用飞机正处于更新换代的关键时期，未来10年现有绝大部分老旧机型将退役，三代、四代机等将成为空中装备主力，新一代先进机型也将有一定规模列装，运输机、轰炸机、预警机及无人机等军机也将有较大幅度的数量增长及更新换代需要。假设20212030年二代机全部替换为三代机，且战斗规模按机种结构达到美国的12，我们预计未来十年中国军机将有1。95万亿元的市场空间，结合前瞻产业研究院对20212030年中国军机需求规模及市场空间预测情况，2030年市场规模将达到19508亿元。
　　按发动机生命周期费用拆分：研发、整机制造、运营维修分别占10、40和50。航空发动机全寿命周期要经历研发制造、采购、使用维护三个阶段。研发阶段分为设计、试验、发动机制造、管理等环节。在全寿命周期中，研发制造、采购、维护的比例分别为10、40、50左右。一台民用大涵道发动机使用寿命约25年，平均每5年进行一次大修，发动机维修即对发动机部件进行检测、修理、排故、翻修及改装等，在全寿命周期中维修费用约占50，与发动机本身的价值相当。考虑到全面聚焦备战打仗背景下训练量所增加，以及军用航空发动机本身性能要求较高，工作环境较恶劣，因此我们预估军用航发使用寿命约5年，5年使用寿命内维修2次。
　　考虑到军队的保密措施，我国战斗机实际数量或略高于《WorldAirforces2021》保有量数据，我们预计到2030年，三代机与四代机的保有量预计在3000架左右，其中单发三代半机约2000架，双发四代机约1000架。根据中国产业信息网预测，2019年军用飞机整机采购成本和生命周期内维修成本的比例接近1：1，我们假设：目前存量飞机截止2030年平均换发2次且每次换发周期中经历2次维修，共4次大修；考虑到存量飞机旧机型占比较高，多数战机服役期满后直接报废无须换发维修，我们假设存量飞机仅30需要大修；至2030年增量飞机平均换发0。5次：以5年换发1次计算，2025年及之前列装的飞机到2030年需换发1次，20252030年列装的飞机到2030年无需换发，假设新增飞机按匀速增加，则平均换发次数为1211200。5次，每次换发周期中经历2次维修，平均约1次大修；各类型飞机单价参考国外同类型单价，发动机占军用飞机成本的25；发动机采购费和维护保养费按照1：1预估；考虑换发发动机来自于备发，因此不再单独考虑备发数。
　　据此测算，从20212030中国军用航空发动机维修市场总规模为9662。16亿元人民币，结合上文对20212030年新装发动机市场总规模4877亿元的预测，20212030年我国军用航发市场累计为14539。16亿元，年均超千亿。据前瞻产业研究院发布的研究数据，发动机占军用飞机成本的25，材料成本占发动机成本的50，而高温合金占材料成本约35。据此测算，20212030年我国军用航发用高温合金总市场约为2544。35亿元，年均市场超250亿元。重点公司分析
　　西部超导
　　西部超导正式设立于2003年，是目前国内唯一实现低温超导线材商业化生产的企业，也是目前国际上唯一的铌钛（NbTi）锭棒及线材全流程生产企业，主要从事高端钛合金材料和低温超导材料的研发、生产和销售。公司拥有钛合金、超导线材、高性能高温合金材料三大主营业务，所生产的高端钛材产品广泛应用于航空航天领域。公司为我国新型战机、运输机钛合金材料的主要供应商之一。
　　公司业绩增长速度可观，钛合金及超导板块盈利能力较强。收入端，公司营业收入从2017年9。67亿元增长至29。27亿元，20182021年的CAGR为31。90。2018年以前，钛合金及超导业务为公司营收占比最大的主营业务，2019年开始，公司新增高性能合金材料业务，该业务营收占比逐年增加。利润端，归母净利润从2017年的1。42亿元增长至2021年的7。41亿元，20182021年的CAGR为51。14。其中，钛合金及超导业务毛利率呈总体上升趋势，高性能高温合金材料从2021年开始扭亏为盈。此外，2022H1公司实现营业收入20。84亿元（65。95），归母净利润5。52亿元（76。27）。其中，2022H1公司高端钛合金业务实现营业收入16。60亿元（60。41），高温合金业务实现营业收入0。73亿元（42。19），超导业务实现营业收入2。50亿元（137。30），三大业务并驾齐驱，推动公司业绩的持续增长。
　　抚顺特钢
　　抚顺特钢设立于1999年，于2002年成功上市，是中国重要的国防军工、航空航天等高科技领域特殊钢材料的生产研发基地。公司以特殊钢和合金材料的研发制造为主营业务，生产合金结构钢、不锈钢、高温合金钢、合金工具钢四类主营产品，其产品广泛应用于机械、汽车、军工、化工等行业。此外，公司旗下设有7个子公司，1个联营企业。
　　收入端，公司营业收入从2017年的49。84亿元增长至21年的74。14亿元，20182021年的CAGR为10。44，营收同比增速波动较大。其中，合金结构钢、不锈钢营收占比相对稳定，合金工具钢营收占比呈总体下降趋势，以高温合金钢为代表的其它特钢产品的营收占比则呈逐年上升趋势。利润端，公司2018年实现扭亏为盈后公司净利润稳健增长，2021年实现归母净利润扣非归母净利润7。836。85亿元，同比42。0234。33。此外，2022H1公司实现营业收入38。15亿元（1。24），归母净利润1。83亿元（57。50）。2022H1公司业绩的下滑是由于镍钴等原材料价格的上涨，以及公司无法完全将原材料价格上涨增加的成本转移至下游用户。
　　钢研高纳
　　钢研高纳成立于2002年，是专业从事航空航天高温合金材料研发、生产和销售的高新科技企业，为国内航空航天用高温合金的重要生产基地，也是国内电力工业用高温合金的重要供应商。公司定位于高端和新型高温合金领域，具体包含铸造高温合金、变形高温合金、新型高温合金三大主营业务。公司拥有年产超千吨航空航天用高温合金母合金的能力、以及航天发动机用精铸件的能力，在变形高温合金盘锻件和汽轮机叶片防护片方面具有先进的生产技术，具有制造先进航空发动机亟需的粉末高温合金和ODS合金的生产技术和能力。此外，公司下设3个子公司，4个联营企业。
　　传统高温合金占据主导，新型高温合金引领业绩增长。收入端，企业营收增长稳定，从2017年的6。75亿元增加至2021年的20。03亿元，20182021年的CAGR为31。25；其中，以铸造高温合金和变形高温合金为代表的传统高温合金占据主导。铸造高温合金营收占比呈总体上升趋势，变形高温合金营收占比呈逐年下降趋势，新型高温合金和其他业务的营收占比则相对稳定。利润端，公司归母净利润从2017年的0。58亿元增加至2021年的3。05亿元，20182021年的CAGR为51。43。毛利率水平方面，铸造高温合金和变形高温合金的毛利率较为稳定，分别保持在30。00和20。00左右的水平，新型高温合金毛利率水平较高，从2017年的26。00增涨至2021年的55。00。此外，2022H1公司实现营业收入11。41亿元（37。53），归母净利润1。25亿元（29。22）。其中，2022H1营收的增长主要受益于销售规模扩大，以及变形新型合金的大幅增长；归母净利润达下滑则主要有镍等产品原材料的价格上涨导致。
　　图南股份
　　图南股份成立于1991年，前身是丹阳市精密合金厂，2015年正式变更为江苏图南合金股份有限公司，是专业从事高温合金、耐蚀合金、精密合金等特种合金及其制品研发与生产的高新技术企业。高温合金方面，公司实现了高温合金中O、S元素含量小于10ppm的超纯净高温合金产业化生产，形成了30多个品种合金材料及多规格铸件制品的完整产品结构；精密合金方面，公司的大型复杂薄壁精密铸件在国内率先采用国际先进近净型铸造技术，产品精度和尺寸规格国内领先，成型方式和最大产品规格生产能力填补了国内空白。公司下设一家全资子公司，主营业务具体可划分为铸造高温合金、变形高温合金、其他合金制品、特种不锈钢、和其他业务五类。
　　各业务毛利率总体呈上升趋势，盈利能力稳步增强。公司营业收入从2017年的3。45亿元增长至2021年的6。98亿元，20182021年的CAGR为19。26；归母净利润从2017年的0。42亿元增长至1。81亿元，20182021年的CAGR为44。08。公司铸造高温合金产品主要为军品订单，毛利率相对较高，铸造高温合金产品中精密铸件主要为大型高温合金复杂薄壁精密铸件，产品生产工艺及产品附加值较高。近年来得益于铸造高温合金收入占比提升及公司规模效应凸显，公司毛利率水平持续提升，由2017年的27。20提至2021年的37。31。此外，2022H1公司实现营业收入与4。61亿元（32。7），归母净利润1。17亿元（31。24），2022H1的业绩增长主要受益于公司业务结构优化调整，具有高附加值的铸造高温合营收占比持续提升。
　　隆达股份
　　公司成立于2004年，2015年开始加大对高温合金业务的战略投资，2020年11月变更为股份公司。在合金管材领域，公司自主研发了大型舰船用高强耐蚀铜合金无缝管制造技术和高铁贯通地线用铜合金无缝盘管制造技术；在高温合金领域，公司自2015年先后建成铸造高温合金生产线和变形高温合金生产线，掌握先进的真空感应电渣重熔真空自耗三联熔炼工艺，技术处于国内先进水平。
　　近年来公司调整战略方向和重心，集中资源发展高温合金、积极收缩合金管材业务。铸造高温合金母合金的首期生产线于2017年投产，变形高温合金生产线于2020年末开始试产，因涉足高温合金领域的时间较短且高温合金业务投资较大，故公司2018年至2020年收入规模略有下降。2021年，航空航天和能源领域（燃机）需求旺盛，公司高温合金业务快速增长，实现销售收入3。06亿元，同比66。08，带动公司营业收入大幅回升。2022H1公司实现收入4。82亿元，同比增长51。34；归母净利润达0。51亿元，同比增长192。00。
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　　精选报告来源：【未来智库】。