发动机锻造行业研究高需求提升利润率，技术迭代助力国产替代

　　（报告出品方作者：海通证券，张恒晅，刘砚菲，胡舜杰）1。锻造基本介绍
　　1。1锻造行业的发展历程
　　尽管锻造技术早在几千年前就被人们掌握，但是直到工业革命的进行，锻造技术才获得真正长足的发展。1842年，内史密斯发明双作用锤，创造了第一个由蒸汽驱动的，用于打桩和大型锻件成型的工业机器，可以锻造出各种复杂形状的锻件；1860年，哈斯韦尔构造了自由锻水压机。这些设备的出现标志锻压技术逐渐成为一门具有影响力的学科。1864和1913年屈雷斯加和密席斯先后发现了金属进行塑性变形的条件（屈服准则），此后前苏联学者古布金系统性阐述了压力加工原理，他们共同奠定了压力加工学科的理论基础。
　　国内的机械锻造业发展相对滞后。直至20世纪50年代，仍在使用洋务运动时期引入的英、日、德等国的蒸汽锤、电动空气锤、蒸汽增压式水压机。50年代末与60年代初，中国逐步开始锻造设备国产化进程，初步可以自制万吨级的水压机和各种类型的锻锤。受80年代改革开放浪潮的助推，锻造工业此后在我国从质到量有了全面发展。根据派克新材招股说明书，目前我国已经成为第一锻件生产大国。为迎应现代航空工业金属部件的加工要求，大压力模锻液压技术应运而生。于1934年，德国研制了70MN模锻液压机制造战斗机需要的航空铝合金锻件，并于二战期间又先后制造了300MN模锻水压机1台、150MN模锻水压机3台。由于模锻液压机对于空军装备的质量及生产能力十分重要，二战后美苏在获得德国模锻液压机实物的基础上陆续发展研制出一大批性能优异的大吨位模锻液压机。
　　1。2锻造工艺原理：锻件的结构性能直接关系到飞机的使用寿命和可靠性
　　锻造是通过塑性变形改变金属锻件机械性能和内部组织的工艺，可以提升零件自身的承力和抗冲击性能。在飞机机体及发动机结构中，承力、传力结构的重要零件一般需要进行锻造。在航空发动机中，航空锻件目前主要应用于风扇、压气机、涡轮和燃烧室等四大部件，主要起包容、连接、支撑、密封等作用，是十分重要的零部件。
　　锻造相对于铸造能够有效地排除气孔析晶等问题。锻造的金属材料由于制造工艺，不可避免地存在具有气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷。在加压设备及工（模）具的作用下，坯料或铸锭会产生局部或全部的塑性变形，在加工后其形状、尺寸稳定性好，组织均匀，纤维组织合理，相比加工前其综合力学性能更佳。
　　锻造按工艺可分为自由锻、模锻、辗环，其中辗环技术成为制备超大型环锻件的唯一工艺方法。辗环是借助辗环机使环件产生连续局部塑性变形的先进技术，辗环可大幅度降低设备吨位和投资，具有振动冲击小、节能节材、生产效率高、生产成本低等显著优点，故随着辗环机大量投入，环轧技术被广泛使用。
　　1。3航空难变形环形锻件：性能资质壁垒要求高
　　采用辗轧技术成形的环件具有组织致密、强度高、韧性好等优点，是铸造或其他制造技术所不能替代的。航空发动机的压气机机匣、涡轮机匣、结合环、安装边、封严环和环状火焰筒等均为高温合金和钛合金环形锻件。根据航宇科技招股书，按价值计算，航空发动机环形锻件高达发动机价值的6，是航空发动机的关键锻件。且航空发动机环形锻件工作条件恶劣，具有耐高温、高压、高腐蚀等特点，质量稳定性及力学性能明显高于普通锻件。
　　环轧资质壁垒高，少数企业拥有航空难变形环形锻件生产资质。国际航空发动机制造商对供应商的管理非常严格，企业只有通过AS9100D与NADCAP等相关认证才能与取得该行业境外客户的订单。中航重机，航宇科技，派克新材已通过认证进入此领域，市场竞争程度低。其中航宇科技累计16年航空锻造经验，截至2021年上半年已累计发明专利53项；派克新材进入航空锻件领域较晚，截至2021年上半年获得发明专利33项。2。锻件制造工艺和技术路线
　　2。1航空锻件未来发展趋势
　　难变形材料普及提升发动机性能，精密化、整体化加工工艺成为核心突破方向。在航空锻件中钛合金、高温合金的应用愈发广泛。发动机逐步向高推重比（最大推力和发动机的净重之比）、长寿面和低油耗方向发展，选材更多使用高比强度、高比刚度的高温合金（镍基、钴）及新型钛合金等难变形材料，这样可以提升发动机的耐高温性和抗形变能力，加强飞机在极端环境下的使用寿命。现代先进航空发动机大约有三分之一重量的关键零部件选用优质、高性能的钛合金材料，例如F22和F35飞机钛合金用量已分别高达39和27。
　　航空锻件的成型技术向精密、整体、复杂、高性能、高可靠、低成本方向发展。随着高新技术武器装备向小型化、精确化、轻量化、高可靠、低成本方向发展，对结构件及其成形技术的要求越来越高。为提高航空锻件尺寸精度，减少加工余量，精密环件轧制技术得以迅速发展，目前，精密轧制的环件直径尺寸精度可达到11000。此外，为了进一步提高环件轧制技术效果，复杂化、整体化环件轧制技术成为未来主要发展趋势。
　　2。1。1精密环轧技术
　　精确环轧技术是生产高性能无缝环件的首选工艺方法，国内企业初步掌握精密成型能力。无缝环件对于提高武器装备的性能水平、使用寿命和研发能力都有重要影响。目前工业发达国家已大量装备不同类型和规格的环轧生产线，但是我国的精密锻造技术在整个成形生产中比重还比较低，成形件精度平均要比国外低12个等级，因此发展难变形材料复杂异形环件精密轧制技术是国内锻件生产商的重要发展方向。
　　目前，中航重机在环形锻件精密轧制方面的技术居国内领先水平，并于2021年投资建设精密锻造生产线；航宇科技大型航空发动机机匣整体精密成型已成功应用于国产长江系列商用航空发动机及新一代窄体客机发动机LEAP；派克新材也掌握异形截面环件整体精密轧制技术，配备1。2m10m多台精密数控辗环机；三角防务联合清华大学自主设计400MN大型航空模锻液压机生产线，掌握大型整体精密模锻技术。
　　2。1。2复杂结构件整体等温锻造技术
　　等温锻造技术是盘件和叶片制造的未来技术方向，陕西宏远具备国内领先的研发优势。航空发动机涡轮盘、压气机盘、叶片是恶劣环境下服役的零部件的典型代表，对其强韧性、疲劳性能、可靠性及耐久性的要求十分严格，采用等温锻造技术可显著改善锻件的微观组织和使用性能，从而提高锻件组织性能均匀性和流线完整性。目前发达国家已广泛采用等温锻造技术生产发动机关键锻件，其航空发动机盘件中90以上采用等温锻造技术生产。但是目前我国工艺生产的锻件重量平均比国外重1020，大型锻件的材料利用率一般只有1015，等温锻造工艺稳定性问题亟待解决。
　　我国对等温锻造技术的研究起步于20世纪70年代末期，除北京航空材料研究院、西北工业大学等科研单位参与外，诸如中航重机旗下的陕西宏远和贵州安大也参与研发。目前陕西宏远建设有省级技术中心及计算机辅助中心，在等温锻模具设计与制造、等温锻技术开发等领域具备国内领先的研发优势。
　　2。1。3数值模拟技术
　　数值模拟技术带来降本优势，国内厂商着力提升仿真工艺。锻造过程数值模拟技术是借助高速发展的计算机技术和现代数值算法，将实际的锻造过程进行模型化，优化工艺方案，从而减少原材料的损耗以减低成本。目前，有限元法等数值模拟技术在发达国家锻造领域的应用十分普遍，但是我国多数企业还是沿用传统的经验方式进行新品的试制，效率低下，成本较高。重机、航宇、派克均着力发展数值模拟技术：重机于2021年募投于西安建设数值仿真模拟中心；派克正在研究锻造成形过程的计算机数值模拟技术，有望将环锻件的成形精度由传统的5～10提高到1～3；航宇已将数值模拟技术应用于多台阶异形截面高温合金机匣的稳定生产中。
　　2。1。4大型复杂构件整体精密锻造技术
　　大型复杂构件整体精密锻造技术成为减轻锻件结构重量、降低制造成本、缩短制造流程的重要工艺，国内企业着力缩小与发达国家间差距。目前钛合金整体结构件已广泛应用于发达国家大型整体隔框锻件，国外先进军用飞机上已有40左右的结构重量为整体钛合金构件。我国近年逐步引进万吨级以上模锻水压机推动国内工艺发展如，德阳二重的800MN模锻液压机，西安三角防务的400MN模锻液压机，包括陕西宏远锻造的360MN模锻生产线。目前，国内高端航空锻件生产商已掌握整体锻造技术，如航宇科技部分大型复杂异形环件的整体近净成形技术已达到国际同类先进水平。
　　2。2锻造行业属资本密集型行业，加工设备对产品性能起决定性作用
　　由于特种合金材料具有较强的特殊性，决定了其加工设备必须具备较高的性能，比如制造大型锻件需要万吨自由锻造压力机。由于智能化生产线需要大量的资金投入，国外先进的生产设备通常是国产设备价格的35倍以上，所以资金规模构筑了高端锻件制造业的高进入壁垒。目前，中航重机拥有各类国内外先进水平设备近千台，是国内大型的精密轧制和特种锻造基地；派克新材现拥有3600T油压机、3150T快锻机等多台压力机，并募投购臵7000T自由锻液压机和精度更高的数控碾环机；航宇科技拥有2500T液压机，6300T液压机与8MN快锻液压机组等先进设备，并覆盖多种尺寸精度的辗环机；三角防务目前拥有的400MN模锻液压机是目前世界上最大的单缸精密模锻液压机，可以满足目前在研、在役的先进飞机、航空发动机中的大型模锻件生产。
　　2。3高端金属结构材料依赖进口，上游工艺与发达国家差距显著
　　航空锻件行业使用的主要原材料占主营业务成本比例较高，原材料价格波动对行业生产经营构成重大影响。目前国内锻造行业用原材料发展不均衡，普通锻造的材料如碳钢、普通的合金钢和不锈钢产能充足、品类丰富、质量相对稳定，而特殊锻造用材如高温合金、钛合金、航空航天用铝合金等高端材料则存在研发水平欠缺、质量不稳定等问题，导致部分品类仍全部依赖进口。
　　高温合金品质对发动机质量有显著影响，发达国家牢牢掌握工艺话语权。高温合金的研制在国际上主要在德国、英国、美国、日本、俄罗斯等国家之间展开，制备工艺从变形高温合金、铸造高温合金逐步升级至粉末冶金高温合金、定向凝固等技术，推动其工作温度范围逐渐升高，促进了航空发动机性能进步。但是目前我国高温合金从业企业数量少，整体技术水平较国外龙头企业仍有较大差距，整体产能和实际有效产能较小，这极大影响了我国锻造行业的发展。3。需求端：
　　3。1产业竞争格局情况
　　我国锻件产能持续保持高位。据派克新材招股说明书援引中国锻压协会，2015年我国锻件产量为1005万吨，占全球总产量39，大幅超过其他国家份额。2020年我国锻件产量则高达1349。2万吨，已连续多年成为全球锻件的第一大生产国和消费国。
　　从全球锻造行业来看，我国产量占比大（15年数据），但德国、美国、俄罗斯为代表的发达国家在原材料、装备水平、锻造技术和工艺等方面均处于世界领先地位。我国锻造行业在原材料、热处理工艺、锻造工艺优化等方面与发达国家仍存在一定差距，在锻造行业的工艺数据库、材料数据库及软件开发仍与国外领先技术存在一定差距，基本处于空白，制约了我国锻造行业的快速发展。
　　从国内市场看，我国锻造企业数量众多，竞争比较激烈，大部分锻造企业主要从事普通碳钢、合金钢、不锈钢材料等锻件的生产，对高温合金、钛合金、铝合金、镁合金等特种合金材料的加工能力整体不足、产品技术含量及附加值相对较低、工艺水平相对落后。国内骨干锻造企业数量约460家，企业平均产量较低。大部分企业虽然设备数量和种类较多，但是先进设备所占比例小，而高精、高效专用设备则更少。
　　我国航空锻造行业在锻造设备投入和万吨级设备总量上已跃居世界第一位。从事航空锻造的企业在技术、产量、质量和生产管理方面，都达到了国家有关法规、规章和相关标准的规定要求，许多企业按照民用飞机适航条例的严格规定，成为了国内外飞机和发动机公司合格的锻件供应商。自此，我国航空锻造企业不仅成为国内军、民用飞机和发动机锻件的研发、生产、供应者，并且有能力开拓海外市场。
　　我国大型自由锻件从料到制造，掌握大锻件关键技术。材料方面，大型锻件需要大型钢锭，近几年国内采用钢坯构筑技术制造大型锻件毛坯取得进展。在锻造技术方面，我国研究并掌握了大型锻件细化晶粒、大型锻件性能热处理等技术，对于大型奥氏体不锈钢主管道锻造研究成果已成功推广应用到三代华龙一号主管道制造，形成稳定、批量制造能力。大型环形锻件技术领先，尤其是近16m直径大型法兰锻件填补了世界空白，满足了全球海上风电快速发展需求及核电发展的需要。
　　3。2军用：战略空军阶段，军机换装列装提速
　　发展战略空军推动军机换装列装提速，将带动军用航空发动机市场增长。我国空军已进入发展战略空军阶段，但目前仍与美国等军事大国存在较大差距。同时，随着我国航母事业的快速发展，我国未来将形成一定规模的海军舰载机队。截至2020年，我国各种现役飞机型号有十几种，同时据FlightGlobal发布的《WorldAirForces2021》，我国海陆空各军种军机数量共计3260架，约占世界军机数量比重6，但对比美国仍差距巨大。同时，中国战斗机中大量存在着歼7、歼8等老旧二代机型，未来存在较高的升级换代需求。
　　3。3民用：C919等国产商用科技规模化交付，民用市场前景可期
　　C919等国产商用客机的规模化交付以及全球推力最大的商用航空发动机GE9X订单增长彰显境内外民品市场增长潜力。根据航宇科技招股书援引波音公司发布的《CommercialMarketOutlook20192038》与航宇科技招股书援引空客公司发布的《AirbusGlobalMarketForecast20182037》预测市场价值的平均值计算，按照航空发动机占飞机整机价值20、航发环形锻件占航空发动机价值的6计算，未来20年全球航空发动机环形锻件市场价值约为831。6亿美元，市场前景可期。
　　全球商用发动机市场被GE、罗罗、惠普等垄断，且这三家企业及他们的合资企业将在未来持续领先民用航空发动机市场。根据航宇科技招股书基于商用飞机巨头波音及空客的预测市场价值的平均值计算，按照航空发动机占飞机整机价值20的比例保守估计，未来20年航空发动机新装市场价值约为1。26万亿美元，备用航发市场价值约为1260亿美元，新增航发市场总计约为1。386万亿美元。
　　我国长期以来以军用发动机为发展核心（航发动力是主要发动机制造商），商用航空发动机相对落后，不论国产还是进口客机一般均使用进口发动机。不过由于C919等国产客机逐步交付，中长期市场增长潜力较大。根据航宇科技招股书援引《上海市民用航空发动机产业中长期发展规划（20122030年）》，未来20年我国商用航空发动机需求量约1万台，价值约1000亿美元。按照环形锻件占航空发动机价值的6计算，未来我国商用航空发动机环形锻件市场价值每年约为3亿美元。《中国商飞公司市场预测年报（20212040）》年报指出，基于全球经济到2040年保持年均约2。6的增长速度，预计未来二十年全球将有超过41429架新机交付，价值约6。1万亿美元（以2020年目录价格为基础），用于替代和支持机队的发展。到2040年，预计全球客机机队规模将达到45397架。
　　4。供给端
　　4。1国外厂商
　　国外发达国家的锻造产业成熟，具有全产业链优势，技术上对成形技术的要求越来越高，塑性成形技术向精密、整体、复杂、高性能、高可靠、低成本方向发展。如美国航空工业中的精密模锻件占零件品种的80以上，俄罗斯占到7075，日本占到63。9，精密数控卧式辗环机等大型设备是其重要的工业设备且其所需原材料具有稀有性。目前以美国为代表的发达国家在环件精密辗轧技术、钛合金和高温合金等难变形材料整体复杂构件的等温锻造技术以及精密热模锻造技术等方面形成了领先的技术优势。目前CARLTON、DONCASTERS等知名锻造企业基本已形成原材料、熔炼合金、锻造成形、机加、装配等完整的航空零部件产业链条。
　　PCC以铸件起家进入航空领域，通过收购增加锻件和结构件业务实现业务快速增长，后收购高镍合金企业SpecialMetals和钛金属生产商TIMET实现进一步的降本增效。1959年PCC在开发允许更大铸件的新熔模铸造技术时经历了重大突破，1967年PCC与GE签订了TF39发动机部件的供应合同，后与普惠签署了JT9D商用发动机的大型结构铸件协议。由此，精密铸件公司成为航空领域的重要参与者。1999收购WymanGordon，成为公司锻件的主要生产商，2006年PCC收购SpecialMetals，该公司当时发明了70多种行业领先的合金并获得了专利，其中许多是为航空航天和其他行业中最艰巨、最关键的任务服务而设计的。2013收购TIMET，成功将重要的原材料钛金属的美国最大的生产企业吸收进入集团内部。
　　国外龙头锻造企业固定资产占资产比率相对较低，绝对值远大于国内龙头企业，全产业链布局有效的平缓毛利率波动。以PCC为例，15年公司的固定资产已达到152亿元，占资产比率12并且呈现下降趋势，而中航重机2021年的固定资产达到24亿元，占资产比率12。18。从毛利率来看PCC收购了SpecialMetals和TIMET，向上游拓展布局了材料，所以毛利率相对来说比较稳定，并且高于同期中航重机的毛利率，而中航重机受上游价格波动影响相对来说会比较大。
　　HWM前身为美国铝业，可以生产90以上的航空发动机部件，发明超过90的已用于飞行的铝合金。美国铝业集团于2016年收购世界知名航空发动机无缝环形锻件供应商FIRTHRIXSON后组建成立ArconicInc并独立上市。2020年4月Arconic分拆为Arconic和HWM两家独立的上市公司。HWM专注于航空发动机和国防应用所需的喷气发动机部件、航空航天紧固系统和钛结构部件，以及商业运输用的锻造车轮。公司的产品支持系统遍布空中、海上和地面雷达和航空航天市场。
　　4。2国内厂家
　　财务特点：重资产、盈利水平高、客户集中度高、占款能力一般但在优化发动机锻件具有重资产属性，近年核心公司扩产比例高。中航重机、派克新材、三角防务、航宇科技的CapexNI常年维持在80（20年全A中位数在52），说明了每年利润一大半都用于扩产，行业具有重资产属性，其中中航重机和航宇科技的扩产情况最为显著。航宇科技在22年4月12日发布关于拟与贵阳国家高新技术产业开发区管理委员会签署项目投资协议的公告。投资12亿元建设航空发动机燃气轮机用环锻件精密制造产业园项目，预计自取得施工许可证之日起18个月内完成厂房主体及配套设施建设，33个月内开始试生产。
　　锻造占款能力一般，应付账款占资产比远小于应收账款占比（基本都大于20），但应收占比在逐步下降，应付比例在逐渐提升，说明回款能力逐步提升。以21年中航重机为例，经营活动现金净流量同比增长130。48，主要就是因为收到客户预付款以及销售回款同比增加。账龄上来看，航宇、派克和三角防务更加健康，1年以内的应收都在85以上。成本上来看原材料占比高，波动性来看价格波动：高强度钢高温合金钛合金。通过各公司的成本分析表能够看出锻造行业的材料费用占比均达到70以上，因此营业成本的波动会受材料价格波动的影响比较大。通过三角防务的招股书能够看出，钢材的价格波动最大，其次是高温合金，最后是钛合金。
　　前五大客户销售收入占比逐年提升，其中第一名关联交易的占比逐步提升，军工客户依赖度高。客户上来看，三角防务的21年主要客户为航空工业集团下属单位（销售额占比92。39），航宇科技的客户结构相对分散，21年第一大客户销售收入占比仅17。00，境内销售占比77。91。派克新材客户结构相对分散，19年第一大客户为中国航发集团（销售额占比17。99），航天科工销售额占比5。33，航天科技销售额占比4。63，中航重机客户结构比较分散，21年前五大客户销售收入占比52。38，境内销售额占比93。97。
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