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發動機鍛造行業研究:高需求提升利潤率,技術迭代助力國產替代
來源:寶雞啟成有色金屬有限公司 | 點擊:142 | 發布日期:2022年8月11日

1.鍛造基本介紹

1.1鍛造行業的發展歷程
盡管鍛造技術早在幾千年前就被人們掌握,但是直到工業革命的進行,鍛造技術才 獲得真正長足的發展。1842 年,內史密斯發明雙作用錘,創造了第一個由蒸汽驅動的, 用于打樁和大型鍛件成型的工業機器,可以鍛造出各種復雜形狀的鍛件;1860 年,哈 斯韋爾構造了自由鍛水壓機。這些設備的出現標志鍛壓技術逐漸成為一門具有影響力的 學科。1864 和 1913 年屈雷斯加和密席斯先后發現了金屬進行塑性變形的條件(屈服準 則),此后前蘇聯學者古布金系統性闡述了壓力加工原理,他們共同奠定了壓力加工學 科的理論基礎。
國內的機械鍛造業發展相對滯后。直至 20 世紀 50 年代,仍在使用洋務運動時期 引入的英、日、德等國的蒸汽錘、電動空氣錘、蒸汽增壓式水壓機。50 年代末與 60 年 代初,中國逐步開始鍛造設備國產化進程,初步可以自制萬噸級的水壓機和各種類型的 鍛錘。受 80 年代改革開放浪潮的助推,鍛造工業此后在我國從質到量有了全面發展。根據派克新材招股說明書,目前我國已經成為第一鍛件生產大國。為迎應現代航空工業金屬部件的加工要求,大壓力模鍛液壓技術應運而生。于 1934 年,德國研制了 70MN 模鍛液壓機制造戰斗機需要的航空鋁合金鍛件,并于二戰期間又 先后制造了 300MN 模鍛水壓機 1 臺、150MN 模鍛水壓機 3 臺。由于模鍛液壓機對于 空軍裝備的質量及生產能力十分重要,二戰后美蘇在獲得德國模鍛液壓機實物的基礎上 陸續發展研制出一大批性能優異的大噸位模鍛液壓機。



1.2鍛造工藝原理:鍛件的結構性能直接關系到飛機的使用壽命和可靠性
鍛造是通過塑性變形改變金屬鍛件機械性能和內部組織的工藝,可以提升零件自身 的承力和抗沖擊性能。在飛機機體及發動機結構中,承力、傳力結構的重要零件一般需 要進行鍛造。在航空發動機中,航空鍛件目前主要應用于風扇、壓氣機、渦輪和燃燒室 等四大部件,主要起包容、連接、支撐、密封等作用,是十分重要的零部件。
鍛造相對于鑄造能夠有效地排除氣孔析晶等問題。鍛造的金屬材料由于制造工藝, 不可避免地存在具有氣孔、縮孔和樹枝狀晶等缺陷。在加壓設備及工(模)具的作用下, 坯料或鑄錠會產生局部或全部的塑性變形,在加工后其形狀、尺寸穩定性好,組織均勻, 纖維組織合理,相比加工前其綜合力學性能更佳。
鍛造按工藝可分為自由鍛、模鍛、輾環,其中輾環技術成為制備超大型環鍛件的唯 一工藝方法。輾環是借助輾環機使環件產生連續局部塑性變形的先進技術,輾環可大幅 度降低設備噸位和投資,具有振動沖擊小、節能節材、生產效率高、生產成本低等顯著 優點,故隨著輾環機大量投入,環軋技術被廣泛使用。
1.3航空難變形環形鍛件:性能+資質壁壘要求高
采用輾軋技術成形的環件具有組織致密、強度高、韌性好等優點,是鑄造或其他制 造技術所不能替代的。航空發動機的壓氣機機匣、渦輪機匣、結合環、安裝邊、封嚴環 和環狀火焰筒等均為高溫合金和鈦合金環形鍛件。根據航宇科技招股書,按價值計算, 航空發動機環形鍛件高達發動機價值的 6%,是航空發動機的關鍵鍛件。且航空發動機 環形鍛件工作條件惡劣,具有耐高溫、高壓、高腐蝕等特點,質量穩定性及力學性能明 顯高于普通鍛件。


環軋資質壁壘高,少數企業擁有航空難變形環形鍛件生產資質。國際航空發動機制 造商對供應商的管理非常嚴格,企業只有通過 AS9100D 與 NADCAP 等相關認證才能 與取得該行業境外客戶的訂單。中航重機,航宇科技,派克新材已通過認證進入此領域, 市場競爭程度低。其中航宇科技累計 16 年航空鍛造經驗,截至 2021 年上半年已累計 發明專利 53 項;派克新材進入航空鍛件領域較晚,截至 2021 年上半年獲得發明專利 33 項。

2.鍛件制造工藝和技術路線

2.1航空鍛件未來發展趨勢
難變形材料普及提升發動機性能,精密化、整體化加工工藝成為核心突破方向。在航空鍛件中鈦合金、高溫合金的應用愈發廣泛。發動機逐步向高推重比(最大推力和發動機的凈重之比)、長壽面和低油耗方向發展,選材更多使用高比強度、高比剛度的高溫合金(鎳基、鈷)及新型鈦合金等難變形材料,這樣可以提升發動機的耐高溫性和抗形變能力,加強飛機在極端環境下的使用壽命,F代先進航空發動機大約有三分之一重量的關鍵零部件選用優質、高性能的鈦合金材料,例如F-22和F-35飛機鈦合金用量已分別高達39%和27%。
航空鍛件的成型技術向精密、整體、復雜、高性能、高可靠、低成本方向發展。隨 著高新技術武器裝備向小型化、精確化、輕量化、高可靠、低成本方向發展,對結構件 及其成形技術的要求越來越高。為提高航空鍛件尺寸精度,減少加工余量,精密環件軋 制技術得以迅速發展,目前,精密軋制的環件直徑尺寸精度可達到 1/1000。此外,為 了進一步提高環件軋制技術效果,復雜化、整體化環件軋制技術成為未來主要發展趨勢。


2.1.1精密環軋技術
精確環軋技術是生產高性能無縫環件的首選工藝方法,國內企業初步掌握精密成型 能力。無縫環件對于提高武器裝備的性能水平、使用壽命和研發能力都有重要影響。目 前工業發達國家已大量裝備不同類型和規格的環軋生產線,但是我國的精密鍛造技術在 整個成形生產中比重還比較低,成形件精度平均要比國外低 1~2 個等級,因此發展難變 形材料復雜異形環件精密軋制技術是國內鍛件生產商的重要發展方向。
目前,中航重機在環形鍛件精密軋制方面的技術居國內領先水平,并于 2021 年投 資建設精密鍛造生產線;航宇科技大型航空發動機機匣整體精密成型已成功應用于國產 長江系列商用航空發動機及新一代窄體客機發動機 LEAP;派克新材也掌握異形截面環 件整體精密軋制技術,配備 1.2m-10m 多臺精密數控輾環機;三角防務聯合清華大學自 主設計 400MN 大型航空模鍛液壓機生產線,掌握大型整體精密模鍛技術。

2.1.2復雜結構件整體等溫鍛造技術
等溫鍛造技術是盤件和葉片制造的未來技術方向,陜西宏遠具備國內領先的研發優 勢。航空發動機渦輪盤、壓氣機盤、葉片是惡劣環境下服役的零部件的典型代表,對其 強韌性、疲勞性能、可靠性及耐久性的要求十分嚴格,采用等溫鍛造技術可顯著改善鍛 件的微觀組織和使用性能,從而提高鍛件組織性能均勻性和流線完整性。目前發達國家 已廣泛采用等溫鍛造技術生產發動機關鍵鍛件,其航空發動機盤件中 90%以上采用等溫 鍛造技術生產。但是目前我國工藝生產的鍛件重量平均比國外重 10%~20%,大型鍛件 的材料利用率一般只有 10%~15%,等溫鍛造工藝穩定性問題亟待解決。
我國對等溫鍛造技術的研究起步于 20 世紀 70 年代末期,除北京航空材料研究院、 西北工業大學等科研單位參與外,諸如中航重機旗下的陜西宏遠和貴州安大也參與研 發。目前陜西宏遠建設有省級技術中心及計算機輔助中心,在等溫鍛模具設計與制造、 等溫鍛技術開發等領域具備國內領先的研發優勢。


2.1.3數值模擬技術
數值模擬技術帶來降本優勢,國內廠商著力提升仿真工藝。鍛造過程數值模擬技術 是借助高速發展的計算機技術和現代數值算法,將實際的鍛造過程進行模型化,優化工 藝方案,從而減少原材料的損耗以減低成本。目前,有限元法等數值模擬技術在發達國 家鍛造領域的應用十分普遍,但是我國多數企業還是沿用傳統的經驗方式進行新品的試 制,效率低下,成本較高。重機、航宇、派克均著力發展數值模擬技術:重機于 2021 年募投于西安建設數值 仿真模擬中心;派克正在研究鍛造成形過程的計算機數值模擬技術,有望將環鍛件的成 形精度由傳統的 5‰~10‰提高到 1‰~3‰;航宇已將數值模擬技術應用于多臺階異 形截面高溫合金機匣的穩定生產中。

2.1.4大型復雜構件整體精密鍛造技術
大型復雜構件整體精密鍛造技術成為減輕鍛件結構重量、降低制造成本、縮短制造 流程的重要工藝,國內企業著力縮小與發達國家間差距。目前鈦合金整體結構件已廣泛 應用于發達國家大型整體隔框鍛件,國外先進軍用飛機上已有 40%左右的結構重量為整 體鈦合金構件。我國近年逐步引進萬噸級以上模鍛水壓機推動國內工藝發展如,德陽二 重的 800MN 模鍛液壓機,西安三角防務的 400MN 模鍛液壓機,包括陜西宏遠鍛造的 360MN 模鍛生產線。目前,國內高端航空鍛件生產商已掌握整體鍛造技術,如航宇科 技部分大型復雜異形環件的整體近凈成形技術已達到國際同類先進水平。
2.2鍛造行業屬資本密集型行業,加工設備對產品性能起決定性作用
由于特種合金材料具有較強的特殊性,決定了其加工設備必須具備較高的性能,比 如制造大型鍛件需要萬噸自由鍛造壓力機。由于智能化生產線需要大量的資金投入,國 外先進的生產設備通常是國產設備價格的 3-5 倍以上,所以資金規模構筑了高端鍛件制 造業的高進入壁壘。目前,中航重機擁有各類國內外先進水平設備近千臺,是國內大型 的精密軋制和特種鍛造基地;派克新材現擁有 3600T 油壓機、3150T 快鍛機等多臺壓 力機,并募投購臵 7000T 自由鍛液壓機和精度更高的數控碾環機;航宇科技擁有 2500T 液壓機,6300T 液壓機與 8MN 快鍛液壓機組等先進設備,并覆蓋多種尺寸精度的輾環 機;三角防務目前擁有的 400MN 模鍛液壓機是目前世界上最大的單缸精密模鍛液壓機, 可以滿足目前在研、在役的先進飛機、航空發動機中的大型模鍛件生產。


2.3高端金屬結構材料依賴進口,上游工藝與發達國家差距顯著
航空鍛件行業使用的主要原材料占主營業務成本比例較高,原材料價格波動對行業 生產經營構成重大影響。目前國內鍛造行業用原材料發展不均衡,普通鍛造的材料如碳 鋼、普通的合金鋼和不銹鋼產能充足、品類豐富、質量相對穩定,而特殊鍛造用材如高 溫合金、鈦合金、航空航天用鋁合金等高端材料則存在研發水平欠缺、質量不穩定等問 題,導致部分品類仍全部依賴進口。
高溫合金品質對發動機質量有顯著影響,發達國家牢牢掌握工藝話語權。高溫合金 的研制在國際上主要在德國、英國、美國、日本、俄羅斯等國家之間展開,制備工藝從 變形高溫合金、鑄造高溫合金逐步升級至粉末冶金高溫合金、定向凝固等技術,推動其工作溫度范圍逐漸升高,促進了航空發動機性能進步。但是目前我國高溫合金從業企業 數量少,整體技術水平較國外龍頭企業仍有較大差距,整體產能和實際有效產能較小, 這極大影響了我國鍛造行業的發展。

3.需求端:

3.1產業競爭格局情況
我國鍛件產能持續保持高位。據派克新材招股說明書援引中國鍛壓協會,2015 年 我國鍛件產量為 1005 萬噸,占全球總產量 39%,大幅超過其他國家份額。2020 年我 國鍛件產量則高達 1349.2 萬噸,已連續多年成為全球鍛件的第一大生產國和消費國。
從全球鍛造行業來看,我國產量占比大(15 年數據),但德國、美國、俄羅斯為代 表的發達國家在原材料、裝備水平、鍛造技術和工藝等方面均處于世界領先地位。我國 鍛造行業在原材料、熱處理工藝、鍛造工藝優化等方面與發達國家仍存在一定差距,在 鍛造行業的工藝數據庫、材料數據庫及軟件開發仍與國外領先技術存在一定差距,基本 處于空白,制約了我國鍛造行業的快速發展。
從國內市場看,我國鍛造企業數量眾多, 競爭比較激烈,大部分鍛造企業主要從事普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼材料等鍛件的生產, 對高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金等特種合金材料的加工能力整體不足、產品技術 含量及附加值相對較低、工藝水平相對落后。國內骨干鍛造企業數量約 460 家,企業 平均產量較低。大部分企業雖然設備數量和種類較多,但是先進設備所占比例小,而高 精、高效專用設備則更少。

我國航空鍛造行業在鍛造設備投入和萬噸級設備總量上已躍居世界第一位。從事航 空鍛造的企業在技術、產量、質量和生產管理方面,都達到了國家有關法規、規章和相 關標準的規定要求,許多企業按照民用飛機適航條例的嚴格規定,成為了國內外飛機和 發動機公司合格的鍛件供應商。自此,我國航空鍛造企業不僅成為國內軍、民用飛機和 發動機鍛件的研發、生產、供應者,并且有能力開拓海外市場。
我國大型自由鍛件從料到制造,掌握大鍛件關鍵技術。材料方面,大型鍛件需要大 型鋼錠,近幾年國內采用“鋼坯構筑技術”制造大型鍛件毛坯取得進展。在鍛造技術方 面,我國研究并掌握了大型鍛件細化晶粒、大型鍛件性能熱處理等技術,對于大型奧氏 體不銹鋼主管道鍛造研究成果已成功推廣應用到“三代”華龍一號主管道制造,形成穩 定、批量制造能力。大型環形鍛件技術領先,尤其是近 16m 直徑大型法蘭鍛件填補了 世界空白,滿足了全球海上風電快速發展需求及核電發展的需要。

3.2軍用:戰略空軍階段,軍機換裝列裝提速
發展戰略空軍推動軍機換裝列裝提速,將帶動軍用航空發動機市場增長。我國空軍 已進入發展“戰略空軍”階段,但目前仍與美國等軍事大國存在較大差距。同時,隨著 我國航母事業的快速發展,我國未來將形成一定規模的海軍艦載機隊。截至 2020 年, 我國各種現役飛機型號有十幾種,同時據 Flight Global 發布的《World Air Forces 2021》, 我國海陸空各軍種軍機數量共計 3260 架,約占世界軍機數量比重 6%,但對比美國仍 差距巨大。同時,中國戰斗機中大量存在著殲-7、殲-8 等老舊二代機型,未來存在較高 的升級換代需求。


3.3民用:C919等國產商用科技規;桓,民用市場前景可期
C919 等國產商用客機的規;桓兑约叭蛲屏ψ畲蟮纳逃煤娇瞻l動機 GE9X 訂單增長彰顯境內外民品市場增長潛力。根據航宇科技招股書援引波音公司發布的 《Commercial Market Outlook 2019-2038》與航宇科技招股書援引空客公司發布的 《AirbusGlobal Market Forecast 2018-2037》預測市場價值的平均值計算,按照航空 發動機占飛機整機價值 20%、航發環形鍛件占航空發動機價值的 6%計算,未來 20 年 全球航空發動機環形鍛件市場價值約為 831.6 億美元,市場前景可期。
全球商用發動機市場被 GE、羅羅、惠普等壟斷,且這三家企業及他們的合資企業 將在未來持續領先民用航空發動機市場。根據航宇科技招股書基于商用飛機巨頭波音及 空客的預測市場價值的平均值計算,按照航空發動機占飛機整機價值 20%的比例保守 估計,未來 20 年航空發動機新裝市場價值約為 1.26 萬億美元,備用航發市場價值約 為 1260 億美元,新增航發市場總計約為 1.386 萬億美元。
我國長期以來以軍用發動機為發展核心(航發動力是主要發動機制造商),商用航 空發動機相對落后,不論國產還是進口客機一般均使用進口發動機。不過由于 C919 等 國產客機逐步交付,中長期市場增長潛力較大。根據航宇科技招股書援引《上海市民用 航空發動機產業中長期發展規劃(2012-2030 年)》,未來 20 年我國商用航空發動機需 求量約 1 萬臺,價值約 1000 億美元。按照環形鍛件占航空發動機價值的 6%計算,未 來我國商用航空發動機環形鍛件市場價值每年約為 3 億美元!吨袊田w公司市場預測年報(2021-2040)》年報指出,基于全球經濟到 2040 年 保持年均約 2.6%的增長速度,預計未來二十年全球將有超過 41429 架新機交付,價值 約 6.1 萬億美元(以 2020 年目錄價格為基礎),用于替代和支持機隊的發展。到 2040 年,預計全球客機機隊規模將達到 45397 架。

最后更新:2022-8-11
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