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军工金属材料产业链及其市场需求

来源:      2017-12-07 08:34:46      点击:

      军工金属材料产业链及其市场需求

      军工材料——高端武器装备的发展之匙。军工材料根据不同物理特性可划分为金属材料和非金属材料。在军工领域,目前应用最多、最广泛的仍然是各类金属材料,以高温合金、钛合金、铝合金等为代表。由于此类特种金属加工难度大,技术壁垒高,随着国内需求提升,供需逐渐偏紧,国产化替代空间大。

      要点提示

      “两机”专项全面推进,助力高温合金需求大幅增长。高温合金广泛应用于航空发动机、燃气轮机的核心热端部件。目前,全球高温合金的年消费量近30 万吨,其中我国超过2 万吨,市场容量超过80 亿元。随着 “两机”专项全面推进,将大幅带动高温合金的市场需求。在航空发动机领域,预计未来15 年我国将新增各类发动机29010 台,带来的高温合金总需求70000吨,年均需求约4650 吨;在燃气轮机领域,预计到 2020 年,国内燃气轮机总容量将达到 60,000MW,市场规模约需 1,133 台,预计每年需要母合金 170 吨。此外,涡轮增压汽车市场的快速发展也刺激了高温合金在汽车领域中需求的显著提升。目前我国高温合金的产能约1.28 万吨,实际产量不到1 万吨,供需偏紧,行业景气度持续上升。

     大飞机和新型军机批量生产改变高端钛材供需格局。钛合金具有比强度高、抗疲劳性强、耐热耐腐蚀等优异性能,在航空航天、船舶等众多领域具有广泛应用。整个钛产业链各个环节,由于前期产能扩张过快,均存在一定程度的产能过剩,但航空航天等领域的高端钛材由于需求增加处于紧俏状态。在航空领域,我们预计未来10 年高端钛合金的年需求将达到6500 吨左右。在其他民用领域,各类钛材的总需求将超过8 万吨。

       航空铝合金需求持续提升。铝合金密度小,强度高,韧性好,是航空领域尤其在客机上使用量最大的金属材料,其中客机上用量占比超过70%,军机上超过20%。在C919 和新型战机的巨大需求推动下,预计未来20 年高端航空铝材的需求将超过2 万吨。此外,出于轻量化需求,铝合金在大型舰艇上的使用量大幅提升。在我国加快海军高端装备更新的背景下,舰船用铝合金的市场规模迅速扩大。

      一、 材料—军工发展之基

      回顾历史长河,人类的发展史某种程度上其实就是一部材料的进阶史,从“石器”时代,“青铜”时代,“铁器”时代,“蒸汽”和“电气”时代(“钢铁”时代),到如今的信息时代(半导体时代),人类社会的每一次巨大进步都伴随着材料技术的突破性发展。在任何时代,最先进的技术往往都是为军事用途服务,从另一层面看,是战争推动了技术的进步,也推动着人类社会快速向前发展。因此,材料在国防工业中占据着举足轻重的作用,是高端武器装备发展的先决要素。

     军工材料分类:根据材料的不同物理特性可划分为金属材料和非金属材料。

      金属材料:钢铁、高温合金、钛合金、铝合金、金属间化合物、其他合金(锆、锗)。

      非金属材料:橡胶、特种塑料、涂料等有机高分子材料,硅、石墨烯、陶瓷等无机材料,复合材料等。

      在军工领域,目前应用最多、最广泛的仍然是各类金属材料,尤其在航空航天、舰船、装甲车等领域。在航空航天应用上,由于特殊复杂的工作环境,对材料的性能要求非常严苛,必须同时满足轻质、耐高温、耐腐蚀、高比强度、耐疲劳等多种性能。由于此类特种金属加工难度大,技术壁垒高,随着国内需求提升,供需逐渐偏紧,国产化替代空间大。

      二. 钛合金

       2.1钛合金概况

      钛合金是以钛为基础加入铝、锡、钒、钼、铌等其他元素组成的合金,是一种重要的结构金属,具有比强度高、抗疲劳性强、耐蚀耐热性好等优异性能,因此在航空航天、船舶、海洋工程、兵器、汽车、医疗、化工、冶金、体育休闲等领域具有广泛的应用,有着“第三金属”、“空中金属”、“海洋金属”等美誉。

      钛在地球上储量丰富,是地壳中含量排行第七的金属元素,我国基础储量超过3.5亿吨。钛矿开采以后,主要先加工成钛白粉和海绵钛,其中钛精矿下游90%左右需求用于钛白粉,海绵钛要进一步加工成钛锭,再通过铸造或锻造等手段加工成高端钛材,用于航空航天、船舶、海洋工程等各个领域。

      根据基体组织不同,钛合金可以分为α合金、β合金以及(α+β)合金。中国分别以TA、TB、TC表示。

      α合金:α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在500℃~600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。

      β合金:β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温强度可达1372~1666 MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。

      (α+β)合金:双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%~100%;高温强度高,可在400℃~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。

      2.2钛合金产业链现状

      整个钛产业链各个环节,由于前期产能扩张过快,均存在一定程度的产能过剩。其中钛白粉由于海外需求恢复目前处于供需紧平衡状态,海绵钛产能过剩严重,传导到下游使得钛锭的产能也有剩余,但是用于航空航天等领域的高端钛材由于需求增加而处于紧俏状态。

      钛白粉:截至2015年,我国钛白粉的产能达到了360万吨/年,约占全球产能的一半。行业的长期低迷促使国家加速淘汰落后产能,2016年首次出现产能下降。据钛白粉协会统计,2016 年全国钛白粉总产量259.72 万吨,销售总量247.85 万吨,由于海外欧美地产行业复苏带来海外钛白粉的需求改善和钛白粉出口量大增,市场总体处于供需紧平衡状态。钛白粉价格从2016 年年初至今涨幅超50%。

      海绵钛:统计规模以上企业的产能,2012年海绵钛产能达到峰值,约14.85万吨,当年产量8.15万吨,表观开工率仅为54.8%,产能严重过剩,海绵钛价格持续走低,整个行业进入自主去产能的阶段。近几年来,落后产能加速淘汰,自主去产能逐渐见效,到2016年底大约还有12.5万吨。2016年海绵钛实际产量约6.55万吨,现有行业产能利用率不足53%。尽管由于上游矿产价格和原材料Mg价格上涨导致海绵钛价格出现稳步回升,从4万/吨逐渐上涨到了7万/吨,但在现有价格水平下,半流程海绵钛企业仍处于亏损状态,而全流程企业因为氯气腐蚀性强,氯化系统复产成本相对较高,可能会占到新建产线投资的近一半,总体而言海绵钛企业尚无明显复产动力。因此,海绵钛虽然价格上涨,但是主要是由于成本驱动,需求端并没有明显改善,后续自主去产能仍将继续。

      钛锭:海绵钛价格上涨,但并没有向下游传导,钛锭价格没有出现联动上涨,最主要原因是钛锭库存量较大。海绵钛生产有氯化过程,如果生产线停工会导致设备内部氯化腐蚀,重新恢复起来成本高昂,所以大企业在产能过剩时仍然维持生产线的运行,多余的海绵钛都通过熔炼成钛锭储存,市场上低端钛锭的储量非常大,所以民品钛材的价格还是在很低的水平。国内民用钛材需求主体在化工,集中在两碱一盐,随着国家对盐业垄断的放开,近两年盐业投资会有一波小高峰。但在需求量更大的两碱业务中,由于玻璃、水泥等传统产能的过剩,对碱市场用量下滑。因而总体钛下游化工领域需求相对平淡。

      高端钛材:主要应用于航空航天、船舶海洋和医用为代表的高端领域。在航空领域,钛合金是制造飞机骨架、起落架、紧固件等结构件以及发动机风扇、压气机盘江和叶片等的主要原材料;航天领域,钛合金则主要用于制造火箭发动机和人造卫星壳体、燃料箱、压力容器、起落架等;在船舶海洋领域,钛合金重点应用于潜艇耐压壳体、螺旋桨、喷水推进器、海水换热系统、船舶泵、阀、装备基座等;在医用领域,钛合金由于其良好的生物相容性而被广泛用于生产人工管件、人工植牙、心脏起搏器、心血管支架、手术器械等。近几年来,由于航空航天、舰船等领域的蓬勃发展,高端钛材的需求逐年提升,成为支撑相关钛材生产加工企业维持盈利的主要贡献者。

      2.3钛合金的需求

      纵观整个钛产业链,绝大部分环节处于产能过剩局面,价格持续低谷徘徊,倒逼行业自主去产能。类似海绵钛、钛锭、其他低端民用钛材的下游应用市场总体趋于平淡,因此总体需求在未来几年内不会有显著的提升。钛合金的主要增量将来自于航空航天等领域带动的高端钛材需求的上涨。

      在航空领域,钛合金因其高比强度、耐高温和耐腐蚀的特点被广泛用于制造飞机发动机和机体。在民航领域,由于追求燃油经济性要求机体尽可能轻量化,增加质量轻、强度大的钛合金用量成为民航客机发展的重要趋势。从早期的波音737/空客A320到最新机型的波音787/空客A350,钛合金的用量显著增长,平均一架客机的钛合金需求预计在20-30吨。未来20年全球将新增各类客机35000架,钛合金总体需求将达到70-105万吨,年均约3.5-5万吨。2017年我国自主知识产权的干线客机C919首飞成功,标志着波音/空客垄断中国民航市场的格局被打破。据中国商飞统计,截至目前,C919大型客机市场订单已达到570架。根据预测,未来20年仅国内航空运输市场就需要干线客机5952架,对我国钛合金市场形成重大利好,预计未来20年对钛合金的需求有望超过12万吨,年均需求接近6000吨。

在军机领域,近年来所用钛合金材料的比例也在不断增加,钛合金材料的应用水平已经成为衡量飞机先进性的重要标志之一。四代军机钛合金用量占比已经达到25%以上,五代战机钛合金用量接近40%,其中发动机用钛量已经达到25%-33%。近年来我国歼击机用钛量不断提升,歼11B 重型战机用钛量达到15%,新型歼击机歼31 钛合金用量将进一步提升至25%以上,与美国先进战机F35钛合金用量相当。同时我国军机航空发动机用钛量也在持续提升中,太行涡扇发动机用钛量已经达到25%,正在研制中的新型军用涡扇发动机钛合金用量预计将达到30%以上,趋近国际先进水平。综合来看,我国军机的钛合金用量跟美国最新战机的水平相差无几,基本保持在25%以上的水平,平均一架飞机的钛合金重量约2.5吨。根据前面分析,我国未来15年,新增四代/五代战机的需求预计在1000架左右,按照30%的成材率计算,我国军机领域钛合金的需求将达到8500吨,年均需求约550吨。

      综合民航和军机两大市场,航空领域对高端钛合金的年均需求将达到6500吨左右。

      在化工领域,主要发挥钛合金的耐腐蚀特性,具体应用于氯碱、纯碱、石油化工等产业。2012年,钛在化工领域的用量约为2.5万吨。近几年来,在化工领域钛合金的需求趋于平稳,民用钛合金市场由于产能过剩总体景气度下降,预计化工领域的钛合金需求将维持在2-2.5万吨。

      在汽车领域,汽车轻量化成为节能减排的有效措施。汽车轻量化的主要有两大途径:1)减少内燃机往复运动件的质量(对于往复运动的内燃机零件来讲,即使减少几克质量都是重要的);2)减少汽车总质量。钛合金在降低内燃机运动件以及车身结构件质量方面效果显著,因此在汽车上的应用越来越广泛。从市场层面来看,钛合金由于成本在汽车市场的用量还相对较小,2009年全球汽车领域的钛合金用量约为3000吨,但发展速度很快。按照2016年汽车销量为基础,若每辆车用0.5kg钛合金,我国汽车市场需求将达到1.4万吨,全球将达到4.5万吨。

      在医药领域,钛合金由于生物相容性好、耐腐蚀、无毒副作用等特性在人体组织替代中得到广泛应用,其中髋关节、膝关节分别占40%和36%。外科植入物中的钛合金用量正以每年5%-7%速度增长。2012年我国医用纯钛及其他钛合金材料的销量达到1313吨,未来医用领域将成为高端钛合金需求的重要增长点。

      在体育休闲领域,钛合金被广泛用于球拍、球杆、手表以及眼镜架等。2012年,体育休闲用钛4713吨,其中高尔夫用钛2186吨,手表用钛1507吨,眼镜架用钛261吨。由于我国人均消费水平逐步提高,在体育休闲领域的投入逐年增长,钛合金在体育休闲领域的用量将维持稳定增长,年均增速预计在5%-10%。

      在电力领域,钛合金主要用于核电凝汽器、发电机叶片。2012年,我国电力用钛6131吨,“十三五”期间,我国将加快核电建设,核电产业的快速发展将使得电力用钛维持快速增长,预计增速有望达到15%-20%。

      综合来看,民用低端钛材虽然需求有一定程度增长,但是由于产品技术含量较低,同质化竞争严重导致产能过剩,对相关企业的利好作用有限。钛合金的主要增长点仍然集中于航空、航天、医用领域,高端钛材的需求增长以及其高附加值将助力于主要供应商的业绩提升。