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軍工金屬材料產業鏈及其市場需求

來源:??????2017-12-07 08:34:46??????點擊:

      軍工金屬材料產業鏈及其市場需求

      軍工材料——高端武器裝備的發展之匙。軍工材料根據不同物理特性可劃分為金屬材料和非金屬材料。在軍工領域,目前應用最多、最廣泛的仍然是各類金屬材料,以高溫合金、鈦合金、鋁合金等為代表。由于此類特種金屬加工難度大,技術壁壘高,隨著國內需求提升,供需逐漸偏緊,國產化替代空間大。

      要點提示

      “兩機”專項全面推進,助力高溫合金需求大幅增長。高溫合金廣泛應用于航空發動機、燃氣輪機的核心熱端部件。目前,全球高溫合金的年消費量近30 萬噸,其中我國超過2 萬噸,市場容量超過80 億元。隨著 “兩機”專項全面推進,將大幅帶動高溫合金的市場需求。在航空發動機領域,預計未來15 年我國將新增各類發動機29010 臺,帶來的高溫合金總需求70000噸,年均需求約4650 噸;在燃氣輪機領域,預計到 2020 年,國內燃氣輪機總容量將達到 60,000MW,市場規模約需 1,133 臺,預計每年需要母合金 170 噸。此外,渦輪增壓汽車市場的快速發展也刺激了高溫合金在汽車領域中需求的顯著提升。目前我國高溫合金的產能約1.28 萬噸,實際產量不到1 萬噸,供需偏緊,行業景氣度持續上升。

     大飛機和新型軍機批量生產改變高端鈦材供需格局。鈦合金具有比強度高、抗疲勞性強、耐熱耐腐蝕等優異性能,在航空航天、船舶等眾多領域具有廣泛應用。整個鈦產業鏈各個環節,由于前期產能擴張過快,均存在一定程度的產能過剩,但航空航天等領域的高端鈦材由于需求增加處于緊俏狀態。在航空領域,我們預計未來10 年高端鈦合金的年需求將達到6500 噸左右。在其他民用領域,各類鈦材的總需求將超過8 萬噸。

       航空鋁合金需求持續提升。鋁合金密度小,強度高,韌性好,是航空領域尤其在客機上使用量最大的金屬材料,其中客機上用量占比超過70%,軍機上超過20%。在C919 和新型戰機的巨大需求推動下,預計未來20 年高端航空鋁材的需求將超過2 萬噸。此外,出于輕量化需求,鋁合金在大型艦艇上的使用量大幅提升。在我國加快海軍高端裝備更新的背景下,艦船用鋁合金的市場規模迅速擴大。

      一、 材料—軍工發展之基

      回顧歷史長河,人類的發展史某種程度上其實就是一部材料的進階史,從“石器”時代,“青銅”時代,“鐵器”時代,“蒸汽”和“電氣”時代(“鋼鐵”時代),到如今的信息時代(半導體時代),人類社會的每一次巨大進步都伴隨著材料技術的突破性發展。在任何時代,最先進的技術往往都是為軍事用途服務,從另一層面看,是戰爭推動了技術的進步,也推動著人類社會快速向前發展。因此,材料在國防工業中占據著舉足輕重的作用,是高端武器裝備發展的先決要素。

     軍工材料分類:根據材料的不同物理特性可劃分為金屬材料和非金屬材料。

      金屬材料:鋼鐵、高溫合金、鈦合金、鋁合金、金屬間化合物、其他合金(鋯、鍺)。

      非金屬材料:橡膠、特種塑料、涂料等有機高分子材料,硅、石墨烯、陶瓷等無機材料,復合材料等。

      在軍工領域,目前應用最多、最廣泛的仍然是各類金屬材料,尤其在航空航天、艦船、裝甲車等領域。在航空航天應用上,由于特殊復雜的工作環境,對材料的性能要求非常嚴苛,必須同時滿足輕質、耐高溫、耐腐蝕、高比強度、耐疲勞等多種性能。由于此類特種金屬加工難度大,技術壁壘高,隨著國內需求提升,供需逐漸偏緊,國產化替代空間大。

      二. 鈦合金

       2.1鈦合金概況

      鈦合金是以鈦為基礎加入鋁、錫、釩、鉬、鈮等其他元素組成的合金,是一種重要的結構金屬,具有比強度高、抗疲勞性強、耐蝕耐熱性好等優異性能,因此在航空航天、船舶、海洋工程、兵器、汽車、醫療、化工、冶金、體育休閑等領域具有廣泛的應用,有著“第三金屬”、“空中金屬”、“海洋金屬”等美譽。

      鈦在地球上儲量豐富,是地殼中含量排行第七的金屬元素,我國基礎儲量超過3.5億噸。鈦礦開采以后,主要先加工成鈦白粉和海綿鈦,其中鈦精礦下游90%左右需求用于鈦白粉,海綿鈦要進一步加工成鈦錠,再通過鑄造或鍛造等手段加工成高端鈦材,用于航空航天、船舶、海洋工程等各個領域。

      根據基體組織不同,鈦合金可以分為α合金、β合金以及(α+β)合金。中國分別以TA、TB、TC表示。

      α合金:α相固溶體組成的單相合金,不論是在一般溫度下還是在較高的實際應用溫度下,均是α相,組織穩定,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強。在500℃~600℃的溫度下,仍保持其強度和抗蠕變性能,但不能進行熱處理強化,室溫強度不高。

      β合金:β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強度,淬火、時效后合金得到進一步強化,室溫強度可達1372~1666 MPa;但熱穩定性較差,不宜在高溫下使用。

      (α+β)合金:雙相合金,具有良好的綜合性能,組織穩定性好,有良好的韌性、塑性和高溫變形性能,能較好地進行熱壓力加工,能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態提高50%~100%;高溫強度高,可在400℃~500℃的溫度下長期工作,其熱穩定性次于α鈦合金。

      2.2鈦合金產業鏈現狀

      整個鈦產業鏈各個環節,由于前期產能擴張過快,均存在一定程度的產能過剩。其中鈦白粉由于海外需求恢復目前處于供需緊平衡狀態,海綿鈦產能過剩嚴重,傳導到下游使得鈦錠的產能也有剩余,但是用于航空航天等領域的高端鈦材由于需求增加而處于緊俏狀態。

      鈦白粉:截至2015年,我國鈦白粉的產能達到了360萬噸/年,約占全球產能的一半。行業的長期低迷促使國家加速淘汰落后產能,2016年首次出現產能下降。據鈦白粉協會統計,2016 年全國鈦白粉總產量259.72 萬噸,銷售總量247.85 萬噸,由于海外歐美地產行業復蘇帶來海外鈦白粉的需求改善和鈦白粉出口量大增,市場總體處于供需緊平衡狀態。鈦白粉價格從2016 年年初至今漲幅超50%。

      海綿鈦:統計規模以上企業的產能,2012年海綿鈦產能達到峰值,約14.85萬噸,當年產量8.15萬噸,表觀開工率僅為54.8%,產能嚴重過剩,海綿鈦價格持續走低,整個行業進入自主去產能的階段。近幾年來,落后產能加速淘汰,自主去產能逐漸見效,到2016年底大約還有12.5萬噸。2016年海綿鈦實際產量約6.55萬噸,現有行業產能利用率不足53%。盡管由于上游礦產價格和原材料Mg價格上漲導致海綿鈦價格出現穩步回升,從4萬/噸逐漸上漲到了7萬/噸,但在現有價格水平下,半流程海綿鈦企業仍處于虧損狀態,而全流程企業因為氯氣腐蝕性強,氯化系統復產成本相對較高,可能會占到新建產線投資的近一半,總體而言海綿鈦企業尚無明顯復產動力。因此,海綿鈦雖然價格上漲,但是主要是由于成本驅動,需求端并沒有明顯改善,后續自主去產能仍將繼續。

      鈦錠:海綿鈦價格上漲,但并沒有向下游傳導,鈦錠價格沒有出現聯動上漲,最主要原因是鈦錠庫存量較大。海綿鈦生產有氯化過程,如果生產線停工會導致設備內部氯化腐蝕,重新恢復起來成本高昂,所以大企業在產能過剩時仍然維持生產線的運行,多余的海綿鈦都通過熔煉成鈦錠儲存,市場上低端鈦錠的儲量非常大,所以民品鈦材的價格還是在很低的水平。國內民用鈦材需求主體在化工,集中在兩堿一鹽,隨著國家對鹽業壟斷的放開,近兩年鹽業投資會有一波小高峰。但在需求量更大的兩堿業務中,由于玻璃、水泥等傳統產能的過剩,對堿市場用量下滑。因而總體鈦下游化工領域需求相對平淡。

      高端鈦材:主要應用于航空航天、船舶海洋和醫用為代表的高端領域。在航空領域,鈦合金是制造飛機骨架、起落架、緊固件等結構件以及發動機風扇、壓氣機盤江和葉片等的主要原材料;航天領域,鈦合金則主要用于制造火箭發動機和人造衛星殼體、燃料箱、壓力容器、起落架等;在船舶海洋領域,鈦合金重點應用于潛艇耐壓殼體、螺旋槳、噴水推進器、海水換熱系統、船舶泵、閥、裝備基座等;在醫用領域,鈦合金由于其良好的生物相容性而被廣泛用于生產人工管件、人工植牙、心臟起搏器、心血管支架、手術器械等。近幾年來,由于航空航天、艦船等領域的蓬勃發展,高端鈦材的需求逐年提升,成為支撐相關鈦材生產加工企業維持盈利的主要貢獻者。

      2.3鈦合金的需求

      縱觀整個鈦產業鏈,絕大部分環節處于產能過剩局面,價格持續低谷徘徊,倒逼行業自主去產能。類似海綿鈦、鈦錠、其他低端民用鈦材的下游應用市場總體趨于平淡,因此總體需求在未來幾年內不會有顯著的提升。鈦合金的主要增量將來自于航空航天等領域帶動的高端鈦材需求的上漲。

      在航空領域,鈦合金因其高比強度、耐高溫和耐腐蝕的特點被廣泛用于制造飛機發動機和機體。在民航領域,由于追求燃油經濟性要求機體盡可能輕量化,增加質量輕、強度大的鈦合金用量成為民航客機發展的重要趨勢。從早期的波音737/空客A320到最新機型的波音787/空客A350,鈦合金的用量顯著增長,平均一架客機的鈦合金需求預計在20-30噸。未來20年全球將新增各類客機35000架,鈦合金總體需求將達到70-105萬噸,年均約3.5-5萬噸。2017年我國自主知識產權的干線客機C919首飛成功,標志著波音/空客壟斷中國民航市場的格局被打破。據中國商飛統計,截至目前,C919大型客機市場訂單已達到570架。根據預測,未來20年僅國內航空運輸市場就需要干線客機5952架,對我國鈦合金市場形成重大利好,預計未來20年對鈦合金的需求有望超過12萬噸,年均需求接近6000噸。

在軍機領域,近年來所用鈦合金材料的比例也在不斷增加,鈦合金材料的應用水平已經成為衡量飛機先進性的重要標志之一。四代軍機鈦合金用量占比已經達到25%以上,五代戰機鈦合金用量接近40%,其中發動機用鈦量已經達到25%-33%。近年來我國殲擊機用鈦量不斷提升,殲11B 重型戰機用鈦量達到15%,新型殲擊機殲31 鈦合金用量將進一步提升至25%以上,與美國先進戰機F35鈦合金用量相當。同時我國軍機航空發動機用鈦量也在持續提升中,太行渦扇發動機用鈦量已經達到25%,正在研制中的新型軍用渦扇發動機鈦合金用量預計將達到30%以上,趨近國際先進水平。綜合來看,我國軍機的鈦合金用量跟美國最新戰機的水平相差無幾,基本保持在25%以上的水平,平均一架飛機的鈦合金重量約2.5噸。根據前面分析,我國未來15年,新增四代/五代戰機的需求預計在1000架左右,按照30%的成材率計算,我國軍機領域鈦合金的需求將達到8500噸,年均需求約550噸。

      綜合民航和軍機兩大市場,航空領域對高端鈦合金的年均需求將達到6500噸左右。

      在化工領域,主要發揮鈦合金的耐腐蝕特性,具體應用于氯堿、純堿、石油化工等產業。2012年,鈦在化工領域的用量約為2.5萬噸。近幾年來,在化工領域鈦合金的需求趨于平穩,民用鈦合金市場由于產能過??傮w景氣度下降,預計化工領域的鈦合金需求將維持在2-2.5萬噸。

      在汽車領域,汽車輕量化成為節能減排的有效措施。汽車輕量化的主要有兩大途徑:1)減少內燃機往復運動件的質量(對于往復運動的內燃機零件來講,即使減少幾克質量都是重要的);2)減少汽車總質量。鈦合金在降低內燃機運動件以及車身結構件質量方面效果顯著,因此在汽車上的應用越來越廣泛。從市場層面來看,鈦合金由于成本在汽車市場的用量還相對較小,2009年全球汽車領域的鈦合金用量約為3000噸,但發展速度很快。按照2016年汽車銷量為基礎,若每輛車用0.5kg鈦合金,我國汽車市場需求將達到1.4萬噸,全球將達到4.5萬噸。

      在醫藥領域,鈦合金由于生物相容性好、耐腐蝕、無毒副作用等特性在人體組織替代中得到廣泛應用,其中髖關節、膝關節分別占40%和36%。外科植入物中的鈦合金用量正以每年5%-7%速度增長。2012年我國醫用純鈦及其他鈦合金材料的銷量達到1313噸,未來醫用領域將成為高端鈦合金需求的重要增長點。

      在體育休閑領域,鈦合金被廣泛用于球拍、球桿、手表以及眼鏡架等。2012年,體育休閑用鈦4713噸,其中高爾夫用鈦2186噸,手表用鈦1507噸,眼鏡架用鈦261噸。由于我國人均消費水平逐步提高,在體育休閑領域的投入逐年增長,鈦合金在體育休閑領域的用量將維持穩定增長,年均增速預計在5%-10%。

      在電力領域,鈦合金主要用于核電凝汽器、發電機葉片。2012年,我國電力用鈦6131噸,“十三五”期間,我國將加快核電建設,核電產業的快速發展將使得電力用鈦維持快速增長,預計增速有望達到15%-20%。

      綜合來看,民用低端鈦材雖然需求有一定程度增長,但是由于產品技術含量較低,同質化競爭嚴重導致產能過剩,對相關企業的利好作用有限。鈦合金的主要增長點仍然集中于航空、航天、醫用領域,高端鈦材的需求增長以及其高附加值將助力于主要供應商的業績提升。

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