主营范畴
  • 主营业务: 高端钛合金材料、超导产品和高性能高温合金材料的研发、生产和销售
  • 主要产品: 高端钛合金棒材、丝材和锻坯;铌钛锭棒、铌钛超导线材、铌三锡超导线材和超导磁体;变形高温合金、铸造和粉末高温合金母合金
  • 主要技术: 合金熔炼、自由锻造、线材拉伸及热处理
  • 下游用户: 军工企业
  • 商业模式: To B
行业分析

(一)钛行业

1、行业概述

(1)钛的基本性质和用途

钛在元素周期表中位于第IVB族,元素符号Ti,原子序数22,属于难熔稀有轻金属,纯态呈银白色,硬度大,熔点1,688℃。

钛具有密度小、导热系数低、耐高温,耐腐蚀、生物相容性好等突出特点,被广泛应用于航空、航天、舰船、兵器、生物医疗、化工冶金、海洋工程、体育休闲等领域,被誉为“太空金属”、“海洋金属”、“现代金属”和“战略金属”。

钛合金是以钛为基加入适量其他元素,调整基体组成和综合物理化学性能而形成的合金。钛及钛合金对一个国家的国防、经济及科技发展具有战略意义,钛工业发展水平是一个国家综合实力的重要标志。

格菲研究院注:

生物相容性指材料在机体的特定部位引起恰当的反应。根据国际标准化组织(International Standards Organization,ISO)的解释,生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能,一般是指材料与宿主之间的相容性。生物材料植入人体后,对特定的生物组织环境产生影响和作用,生物组织对生物材料也会产生影响和作用,两者的循环作用一直持续,直到达到平衡或者植入物被去除。生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题。

(2)钛资源分布

钛属于稀有金属,但实际上钛并不稀有,其在地壳中的丰度为0.56%,在所有元素中排第9位。只是钛熔炼技术复杂、加工难度大,钛才被归类为“稀有”金属,世界上目前仅有美国、俄罗斯、日本、中国四个国家掌握完整的钛工业生产技术。

钛在地壳中主要存在形态为钛铁矿(FeTiO3)及金红石(TiO2)。根据2016年美国地质调查局(USGS)公布的资料,全球钛储量约为7.9亿吨,其中钛铁矿储量为7.4亿吨,占全球钛矿的93%,金红石储量约为5,400万吨,占全球钛矿的7%。钛资源主要分布在澳大利亚、南非、中国、印度和肯尼亚等国。中国钛铁矿储量2.2亿吨,占全球总储量的28.6%,居世界第一。

(3)钛工业产业链

1)钛工业产业链

钛工业产业链有两条不同的分支。第一条是钛白粉工业,从钛铁矿和金红石采选开始,通过化学过程生成化工中间产品——钛白粉,用于涂料、塑料和造纸等行业。第二条是钛材工业,从钛铁矿和金红石采选开始,制造海绵钛,然后制成各种金属产品,用于航空航天等领域。西部超导在行业产业链中属于钛材加工(海绵钛-钛锭-钛材)。

钛工业产业链

钛工业产业链西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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2)钛材加工

如果将钛材工业分支单独列示,可以简化为以下流程:钛矿-采矿-选矿-钛精矿-富集-富钛料-氯化-粗TiCl4-精致-纯Ticl4-镁还原-海绵钛-熔铸-钛锭-加工-钛材。钛材按照不同的标准可分类如下:

分类标准

分类结果

按是否添加合金元素

纯钛材和钛合金

按牌号(即组织结构和合金成分)分类

TA/TB/TC+阿拉伯数字

按形态分

棒材、丝材、管材、板材、异型材等

按用途分

航空、航天、舰船、兵器、化工用钛材等

按是否涉及军工

军用钛材和民用钛材

(4)钛行业市场情况

1)近十年中国钛材需求

2008年以来,中国钛材需求总体上呈上升趋势,2011年钛材市场达到阶段性高点,其后国内钛材需求开始下滑,中国钛工业出现结构性产能过剩,航空用高端钛材供不应求,民用中低端钛材产能严重过剩。2017年,在高端化工、航空航天、船舶和电力等行业需求带动下,我国钛工业需求创历史新高。

2008-2017中国钛加工材需求量

2008-2017中国钛加工材需求量 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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2)钛材消费结构分析

2017年中国钛材销量5.5万吨,净出口量8,385吨;国内销量4.7万吨,同比大幅增长28.4%。

中国钛材消费结构与全球相比最主要的差别为航空领域,全球范围内航空用钛材始终占据钛材总需求的50%左右,而国内航空用钛材的比例仅为16.3%,航空用钛材市场还存在较大潜力,随着国内军用飞机的升级换代和新型号列装,以及商用飞机通过适航认证后的产能释放,未来高端钛合金材料市场空间广阔。

2017中国钛材消费结构

2017中国钛材消费结构 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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(5)航空钛合金市场

1)钛合金在航空工业领域的主要用途

钛合金是飞机和发动机的主要结构材料之一,主要用于飞机的起落架部件、机身的梁、框和紧固件等,发动机风扇、压气机、叶片、鼓筒、机匣、轴等,以及直升机桨毂、连接件。

①钛合金在飞机和发动机上得以广泛应用的主要原因如下:

全减轻结构种类、提高结构效率

先进的战机性能要求军用飞机具有比较低的结构重量系数(即:机体结构重量/飞机正常起飞重量),先进的航空发动机需要更高的推重比。钛合金具有强度高、密度小的特点,能大幅减轻结构重量,提高结构效率。

格菲研究院注:推重比是飞机和航空发动机重要的技术性能指标,飞机发动机推力与发动机重力或飞机重力之比,它表示飞机发动机或飞机单位重力所产生的推力。

②耐高温

钛合金具有耐热性好的特点,如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下长期工作,因此在飞机的高温部位(如后机身等)可取代因高温实用性能不能满足要求的铝合金;TC11能在500℃下长期工作,在发动机的压气机部位可取代高温合金和不锈钢。

③符合与复合材料结构相匹配的要求

为减轻结构种类和满足隐身要求,先进飞机大量使用复合材料,钛合金与复合材料的强度、刚度匹配较好,能获得很好的减重效果。同时,由于二者电位比较接近,不易产生电偶腐蚀,因此相应部位的结构件和紧固件宜采用钛合金。

④复合高抗蚀性和长寿命的要求

钛合金具有较高的疲劳寿命和优良的耐腐蚀,可以提高结构的抗腐蚀能力和寿命,满足先进飞机、发动机高可靠性和长寿命的要求。

2)航空领域市场需求不断增加

军工市场

A.我国军用飞机数量存在较大增长潜力,军用高端钛合金材料空间巨大

和平与发展是当今世界的主题,但是我国面临的安全形势仍然严峻,特别是近年来我国周边海域纷争不断,积极推进国防和军队的现代化建设意义重大。近年来中国军费支出持续增长,2008年中国军费预算支出为4,178亿元,2019年是11,899亿元,年均复合增长率为9.98%,远高于同期GDP增长速度。可以预见,未来我国对军用飞机特别是新型战机的需求巨大。

2008-2019中国军费预算支出

2008-2019中国军费预算支出 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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根据Flight global发布的《World air forces 2019》,截至2018年末,全球现役军用飞机总计53,953架,其中,美国排名居前,拥有军用飞机13,398架,我国拥有的各类军用飞机3,187架,排在俄罗斯之后,位居世界第三。目前中美空军战机数量差距较大,仅从飞机数量的角度来考虑,若要达到美国空军当前水平,未来几年中国军用飞机服役数目将呈不断增长态势。此外随着近年来我国军用飞机的升级换代,以及国家对于军费支出的增加,国防军工对于高端钛合金的需求也会逐步稳定增长。

2018年各国军工飞机现役数量

2018年各国军用飞机现役数量 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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B.钛合金在军用飞机用量不断提升

钛合金对于减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境等方面具有其他金属不可替代的作用,其应用水平成为衡量飞机结构选材先进程度的重要指标,是影响军用飞机战机性能的重要方面。自20世纪60年代末以来,军用飞机用钛量逐年增长,当前欧美设计的各种先进战斗机和轰炸机中钛合金用量已经稳定在20%以上。国外主要战斗机用钛量情况如下图:

国外主要战斗机钛用量占比(质量分数)

国外主要战斗机钛用量占比(质量分数)西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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上图可见,新型战斗机用钛量不断提升,美国F-22战斗机用钛量高达41%。F-22战斗机是目前世界上最具代表性的第四代战斗机,具有超音速巡航、隐身、非常规机动等先进战机性能,这对机体结构的高可靠性、轻质、长寿命等均提出了很高的要求,为了满足该机战机性能要求,除了采用先进的设计技术外,还必须采用综合性能优良的材料及先进的工艺制造技术。大量选用钛合金、提高先进钛合金的应用水平就是重要措施之一。

新型战斗机用钛量不断提升,即使不考虑军用飞机列装数量的上升,仅考虑军用飞机的升级换代即为高端钛合金材料带来巨大市场空间。

②民用市场

A.民用飞机用钛量不断提升带动对高端钛合金需求不断增长

减轻重量、增加运载能力、降低油耗是航空公司选择飞机的重要依据,提高钛材用量对于未来民用客机的开发具有重要意义。从两大国际飞机制造商数据来看,波音和空客主要机型用钛量逐步提高,各机型用钛量情况如下图:

主要民用客机钛用量占比

主要民用客机钛用量占比 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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从历史上的民用飞机发展来看,钛用量占比在过去半个世纪里逐步提高,随着民用航空业的发展,钛材将拥有越来越大的市场空间。

B.航运市场景气度提升,亚太民航市场需求增长潜力巨大

由于亚洲地区航运需求快速增长,亚洲的航空公司盈利水平目前位居全球领先地位,这将大大提升亚洲地区对飞机数量的需求。波音公司预计亚太地区需求占到未来20年全球新增飞机数量的39.62%,稳居世界第一民用飞机需求市场。根据中国商用飞机有限责任公司发布的《中国商飞公司市场预测年报(2018-2037)》,未来20年中国将交付9,008架客机,价值约1.3万亿美元(约8.7万亿人民币)。

2018-2037全球民用飞机市场需求分布

2018-2037全球民用飞机市场需求分布 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

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C.我国民用飞机关键材料国产化为国内高端钛合金材料生产企业提供重大机遇

2006年2月9日,国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》,将“大型飞机”作为16个重大专项之一;2008年5月11日,中国商用飞机有限责任公司在上海成立,作为实施国家大型飞机重大专项中大型客机项目的主体,目前主要承担中国大型客机C919和新支线飞机ARJ21的研制工作。

作为完全按照最新国际适航标准研制的单通道涡扇喷气客机,C919大型客机已于2017年5月5日正式实现首飞。截止2019年3月,C919订单量已经达到815架。目前,C919的钛合金所占比例已经达到9%,美国波音777客机为7-8%。新型涡扇支线飞机ARJ21-700已于2008年11月28日成功实现首飞,2014年12月30日,国产新支线飞机ARJ21完成适航取证,迈出投入商业运营前的最后一步;2016年6月28日,ARJ21-700完成首航。截止2019年2月订单量已经达到592架。

根据预测,2025年C919将占据全球商飞1/5的份额,即大约2,000架的需求,对应8,000吨的机身钛含量,假设损耗率为80%,C919将带来超过4万吨钛合金需求(不含发动机)。

3)国内航空航天用钛材销售情况

根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会发布的2009年-2017年中国钛工业发展报告,国内钛材销量、航空航天钛材销量占比及国内航空航天用钛材销量情况如下:

年份

国内钛材销量(吨)

航空航天钛材销量占比

国内航空航天钛材销量(吨)

2009年

23,306

10.10%

2,354

2010年

35,636

9.70%

3,457

2011年

44,526

8.30%

3,696

2012年

43,013

8.50%

3,656

2013年

38,506

11.30%

4,355

2014年

42,730

10.90%

4,658

2015年

37,416

15.70%

5,874

2016年

36,394

19.30%

7,024

2017年

46,745

16.30%

7,619

国内航空航天用钛材销量年复合增长率

16%

4)未来国内航空航天用钛材的发展速度和需求量

经测算,2009年-2017年的国内航空航天用钛材销量的年复合增长率为16%,同时考虑到国内目前航空航天用钛材占比远低于全球范围内航空航天用钛材占钛材总需求的50%的比率,假设未来10年的复合增长率保持不变,则未来10年国内航空航天钛材销量预测如下:

序号

年份

航空航天钛材销量(吨)

1

2019年

10,253

2

2020年

11,893

3

2021年

13,796

4

2022年

16,003

5

2023年

18,564

6

2024年

21,534

7

2025年

24,980

8

2026年

28,976

9

2027年

33,613

10

2028年

38,991

合计

218,603 

通过测算,未来10年国内航空航天用钛材需求量预计为21.86万吨。

(二)超导行业

1、超导材料概述

(1)超导材料定义

超导材料,是指在一定条件下,具有直流电阻为零和完全抗磁性的材料。

(2)超导材料的性质

超导材料具有三个常规材料所不具备的性质:

1)零电阻

这是超导材料最基本的性质,即当温度降至临界温度Tc以下时,其电阻变为零。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。

2)完全抗磁性

将超导体置于外磁场中时,超导体会表现出完全抗磁性,即把原来处于体内的磁场排挤出去,其内部的磁感应强度为零,人们将此种现象称为“迈斯纳效应”。利用超导材料的完全抗磁性,可以制造超导磁悬浮列车。

3)量子隧穿效应

1962年,剑桥大学的约瑟夫森语言,在薄绝缘层隔开的两种超导体之间有电流通过,即有“电子对”能“穿过”薄绝缘层(量子隧穿),而超导结上并不出现电压,随后安德森和罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言,这一现象被称为“约瑟夫森效应”。超导材料的量子隧穿效应可用于若电磁信号的检测,超导量子干涉仪(SOUID)是目前人类所掌握的能测量弱磁场的手段中最灵敏的仪器,可以探测强度为地磁场十亿分之一到百亿分之一的磁信号。

(3)超导材料的分类

根据超导材料的临界温度,可将超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。一般认为,Tc<25K的超导材料称为低温超导材料,目前已实现商业化的包括NbTiTc=9.5K)和Nb3Sn(Tc-18k)Tc>25K的超导材料称为高温超导材料,有实用价值的主要由秘系、钇系和MgB2(Tc=40K)材料等。

有实用价值铋系和钇系高温超导材料属于氧化物陶瓷,在制造工艺上必须克服加工脆性、氧含量的精确控制及与基体反映等问题,因此价格昂贵,目前尚处于研发阶段。而以NbTiNb3Sn为代表的低温超导材料,由于其具有优良的机械加工性能和成本优势,在相当长的时期内仍将在商业化超导市场中处于主导地位。

2、低温超导产品概述

(1)低温超导材料

实用低温超导材料主要是NbTiNb3Sn超导线。NbTiNb3Sn的主要区别如下:NbTi是二元合金,具有良好的加工塑性,很高的强度,制造成本低,临界磁场低,主要用于10T以下的磁场;Nb3Sn是金属间化合物,属于脆性材料,加工性能差,制造成本高,但是临界磁场高,主要用于10T以上的磁场。

基于以上区别,NbTiNb3Sn超导线在各个领域的应用也有所不同

应用领域

所用材料

MRI

NbTi

MCZ

NbTi

NMR

主要是Nb3Sn,部分NbTi

ITER

Nb3Sn,NbTi

加速器

NbTi

(2)超导磁体

超导磁体一般是指用超导导线绕制的能产生强磁场的超导线圈,还包括其运行所必要的低温恒温容器。通常电磁铁是利用在导体中通过的电流产生磁场,由于超导材料在超导状态下具有零电阻特性,因此可以以极小的面积通过巨大的电流。超导磁体具有场强高、体积小、重量轻等特性。基于产生的强磁场,超导磁体主要应用领域包括MRI、MCZ、NMR、ITER、加速器、科研用特种磁体等。

3、低温超导行业发展态势

目前,全球超导市场以低温超导为主。低温超导行业产业链主要包括上游原材料、超导线材、超导磁体、超导设备四个环节,其中NbTi线材的上游还包括NbTi棒材环节,由于Nb和Ti的熔点相差较大,且NbTi合金中Nb的含量较多,如果控制不好熔炼技术,易产生不熔块,导致后续细芯丝NbTi线加工中断,因此NbTi二元合金棒的制备非常困难。公司是全球唯一的NbTi锭棒、超导线材、超导磁体的全球生产企业。

低温超导行业产业链

低温超导行业产业链 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

数据来源:招股说明书

(1)与上游行业的关联性

上游行业主要是Nb、Ti、Sn、Cu等原材料,由于低温超导线材行业对原材料的消耗并不大,因此上游原材料对超导线材行业的影响并不明显,超导线材行业的发展主要取决于技术进步。

(2)与下游行业的相关性

下游行业主要是超导设备,随着MRI、MCZ、NMR等领域的发展,未来低温超导线材的市场空间巨大。

4、低温超导市场情况

(1)低温超导材料的用途

目前低温超导材料的绝大部分应用都是基于超导磁体产生的强磁场,主要应用领域包括MRI、MCZ、NMR、ITER、加速器、科研用特种磁体等。

1)MRI用超导磁体

MRI是当前超导材料的最主要应用领域。MRI是一种生物磁自旋成像技术,它利用原子核自旋运动的特点,在外加磁场内,经射频脉冲激发后产生信号,经过计算机处理转换后获得图像。与基于CT(计算机X-射线断层摄影术)的X射线技术不同,MRI对人体不会产生放射性损伤,可以实现三维立体扫描、成像图像分辨率高、对肿瘤早期诊断有较高的临床价值,已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。与永磁型MRI相比,超导MRI成像区磁场高,所以可以获得更高的分辨率。

2)MCZ用超导磁体

单晶硅按晶体生长方法不同,分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)两种。区熔法单晶硅的生长采用的是无坩埚方式,所制备的单晶硅具有很高的质量,但很难实现大尺寸单晶硅的生长。直拉法可实现大尺寸单晶硅生长,适合大规模集成电路和大面积太阳能电池的制备,广泛应用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底。综合成本和性能的因素,直拉法是目前主要的单晶硅规模化量产技术。

MCZ技术的物理基础是通过磁场对点硅流体的热对流形成抑制作用,抑制单晶硅生长过程中杂质和缺陷的产生,实现高质量大尺寸单晶硅快速生长。其中采用超导磁体提供5,000Gs稳定磁场的MCZ技术是国际上生产300mm以上大尺寸半导体级单晶硅的最主要方法。

日本、美国、德国和中国是主要的硅材料生产国,中国硅材料工业与日本同时起步,但生产技术水平仍然相对较低,而且大部分为100-150mm硅锭和小直径硅片。目前,国际上硅片主流产品是300mm,而我国300mm以上的半导体级MCZ生产装备为常导磁体(磁场强度小于0.2T),常导磁体功耗大(大于100kW)、需要复杂的冷却系统(存在管道腐蚀等问题),而且无法高效控制杂质和缺陷的产生。超导材料具有零电阻的特性,采用超导材料制备的超导磁体可以实现无阻载流运行。超导磁体和常导磁体相比,其体积和运行成本大幅度减小,能够降低300mm单晶硅制造能耗20%、提高成品率30%。我国迫切需要发展300mm MCZ单晶硅制备用超导磁体制造技术,以促进我国单晶硅行业产业技术升级。

3)NMR用超导磁体

NMR是利用不同元素原子核核磁共振效应的差异分析物质的磁学式分析仪器,其广泛用于化合物的结构测定、定量分析和生物学研究等方面。核磁共振波谱仪所使用磁体强度与其分辨精度成正比,需采用高场超导磁体制造。

目前国内NMR系统完全依赖进口,300-400MHz的NMR在国内属于常规装备。但是随着国内制药、石油化工等应用单位需求的提升,500MHz-1GHz高分辨率NMR已成为主要采购目标。

4)ITER用超导磁体

ITER要把氘、氚组成的上亿度高温等离子体约束在一个有限的空间里,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒,如此高的温度不可能采用任何实体材料来约束,因此需要采用超导材料产生的强磁场对高温等离子体进行约束以使其避免与容器壁接触,从而实现核聚变反映。

5)加速器用超导磁体

高能质子加速器包括超导直线加速器、超导回旋加速器、超导同步加速器等,这是20世纪60年代以来随着超导技术的发展逐渐成熟起来的一类有前途的新型加速器,利用超导磁体可以在很小的激磁功率下产生强大的约束磁场,可大大缩减加速器的尺寸,降低加速器的功率消耗,使超导加速器在经济上和技术上具有巨大的优越性。

(2)低温超导市场情况

1)MRI(磁共振成像仪)市场

MRI已成为目前最重要的医疗影像诊断之一,目前国内MRI市场基本被外国公司(GE、PHILIPS、SIEMENS)垄断,价格昂贵,使得大多数中、小医院用不起MRI设备。为此,国家明确将磁共振成像设备列为当前优先发展的高技术产业化重点领域之一。

当前我国人均MRI拥有量与发达国家存在较大差距:根据数据分析公司Statista的统计,截至2017年,美国和德国每百万人工MRI拥有量分别为37.56台和34.49台,其他主要发达国家每百万人口MRI拥有量也多在10台以上,而我国每百万人口MRI拥有量仅为6.2台。考虑到中国人口数量位居世界第一,未来全球MRI最大的市场在中国。

MRI设备需求由病人数量、临床使用人员和经济发展水平等因素所决定。根据智研咨询测算,我国每百万人口MRI的拥有量由2013年的3.3台增加到2017年的6.2台。与欧美日等发达国家相比,我国MRI设备的普及程度处于较低水平。拥有MRI设备的医院数量、人口平均拥有量较低,无法满足国内市场需求,未来需求将保持增长。

我国近年来对MRI的需求日益增长,但进口MRI的数量和金额却呈下降趋势。根据海关统计的数据,2014年进口MRI数量为460台,进口金额为5.67亿美元;2017年进口MRI台数下降至384台,进口金额下降至4.63亿元,主要原因为:一方面国际企业如GE及SIEMENS在中国大陆设厂生产,核磁共振设备实现国内生产;另一方面是国产厂商经过多年发展,国产核磁共振设备竞争力不断增强,逐步实现对进口设备的替代;此外,结合当前医用核磁共振行业发展现状来看,未来国产设备地位将逐渐提升。

目前国内已开始商品化MRI磁体和系统制造的企业包括:宁波健信核磁技术有限公司、潍坊新力超导磁电科技有限公司、奥泰医疗系统有限责任公司、苏州安科医疗系统有限公司、东软医疗系统有限公司、上海联影医疗科技有限公司。国产超导MRI设备成本低,在我国二三线城市有市场竞争力,预计国产超导MRI市场将进一步扩大, NbTi超导线材需求稳步增长。综合考虑NbTi超导线材价格、供货周期和联合研发新型短腔型超导MRI用线材的便利性,MRI用超导线材未来在国内将有良好的市场需求。

2)MCZ市场

随着半导体工业的迅速发展,中国已成为全球增长速度最快的单晶硅生产和消费国家,其中MCZ产品占总产量的70%~80%,目前国际上300毫米以上大尺寸单晶硅片已成为主流。

根据国际半导体设备材料产业协会报告,到2020年中国在半导体工业的投入将达到30亿元。特别是对单晶硅行业,中国75%的需求依赖进口。近年来,在半导体产业的拉动下单晶硅炉产量直线上升,为公司发展单晶硅生产用MCZ磁体奠定良好的市场基础。

3)加速器市场

以加速器为代表的大科学工程自上世纪80年代以来一直是一国技术发展水平和综合国力的象征,以超导磁体为核心的加速器系统是相关装置的核心。随着加速器市场需求的增加,超导线材和超导磁体将产生明确的需求。

(三)高温合金行业

1、高温合金概述

(1)高温合金的定义

高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,又被成为“超合金”,主要应用于航空航天领域和能源领域。

(2)高温合金的分类

高温合金的主要分类有:1)按制造工艺分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金三类;2)按基体元素分为铁基、镍基、钴基等高温合金。各类合金的主要特点如下:

分类标准

高温合金

主要特点

制造工艺

变形高温合金

合金化程度和高温强度较低

铸造高温合金

采用精密铸造工艺制成零件,零件强度较高,缺点是不适合进行热加工

粉末高温合金

采用液态金属雾化或高能球磨机制粉,晶粒细小、成分和组织均匀,显著改善了热加工性能,难于变形的铸造高温合金可以通过粉末冶金工艺改善其热塑性而成为变形高温合金

基体元素

铁基高温合金

使用温度较低,一般用于发动机中工作温度较低的部位,如涡轮盘、机匣和轴等零件

镍基高温合金

使用温度最高(约1000℃),广泛用于制造涡轮喷气式航空发动机、各种工业燃气轮机的最热端零件,如涡轮部分工作叶片、导向叶片、涡轮等

钴基高温合金

使用温度约950℃,具有良好的铸造性和焊接性,主要用于做导向叶片材料,该合金由于钴资源较少价格昂贵

公司生产的高温合金属于镍基高温合金,包括变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。

(3)镍基高温合金

在整个高温合金领域中,镍基高温合金占有特殊重要的地位,具有良好的高温性能、抗氧化性和抗腐蚀性,是应用最广、高温强度最高的一类高温合金。镍基高温合金的发展对先进喷气式航空发动机的发展具有重要作用。镍基高温合金按照制造工艺,可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末高温合金。

1)变形高温合金

变形高温合金经过真空冶炼等工艺烧铸成合金铸锭,通过锻造、轧制等热变形制成饼坯、棒、板、管等材料,最后模锻成涡轮盘和叶片等毛坯,热处理后加工成涡轮盘、叶片等零件。变形高温合金是高温合金中应用最广的一类。变形高温合金塑性较低,高温变形抗力大,使用普通的热加工手段有一定困难,因而需要采用开坯锻造、径向锻造以及轧制等工艺来加工。变形高温合金一直是航空发动机中主要用材,其中GH4169在我国航空发动机中已得到广泛应用,被称为高温合金中的万金油,其材水平和加工工艺水平近年来显著提高。

2)铸造高温合金

铸造高温合金是通过真空重熔直接烧铸成型的高温合金。其特点是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,如采用冷却技术的空心叶片,内部型腔复杂,只能采用精密铸造工艺才能生产。铸造高温合金应用较为广泛,主要应用于航空发动机和燃气轮机中的机匣、涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘及航天用液体火箭发动机中各种泵用复杂结构件等。

3)粉末高温合金

粉末高温合金是将高合金化难变形的高温合金用气体雾化、等离子旋转电极等方法制成高温合金粉末,然后采用热等静压或热挤压等方法将粉末制成坯料,最后制成涡轮盘等零件。随着发动机热端工作温度要求越来越高,要求高温合金中的强化元素也越来越多,使其塑性变差,难以热加工变形,并且合金元素的增多使镍基高温合金凝固偏析严重,造成组织和性能的不均匀。粉末高温合金由于粉末颗粒小,制粉时冷却速度快,消除了偏析,改善了热加工性,提高了高温合金的组织均匀性、屈服强度和疲劳性。目前国内粉末高温合金主要应用于航空发动机的高压涡轮盘。

2、我国高温合金市场情况

高温合金材料最初应用于航空航天领域,由于其有着优良的耐高温、耐腐蚀特能,逐渐被应用到电力、汽车、冶金、玻璃制造、原子能等工业领域。随着高温合金材料的发展,新型高温合金材料的出现,高温合金的市场需求处于逐步扩大和增长态势。

高温合金从诞生起就用于航空发动机,在现代航空发动机中,高温合金材料的用量占发动机总重量的40%~60%,主要用于四大热端部件:燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘,此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

(1)我国航空发动机市场前景广阔,军用及民用领域均有较大空间,带动高温合金行业加速发展

航空领域对高温合金的需求分为军用市场和民用市场,随着国家对航空发动机自主研发力度的加大以及“两机”重大专项,“飞发分离”等政策的落实,产业发展日渐加速。

1)军用市场

高温合金主要用于制造军用飞机发动机关键热端部件。目前,我国军用飞机数量上存在较大的增长动能。根据Flight global发布的《World air forces 2019》,截止2018年,全球现役军用飞机总架53,953架,其中,美国排名居前,拥有军用飞机13,398架,我国拥有的各类军用飞机3,187架,排在俄罗斯之后,位居世界第三。与美国相比,中国现役军用飞机数量少,且老旧型号战机比例高,军机补短板列装及升级换装的需求巨大。根据预测,未来10年我国军用航空发动机市场需求将达到335亿美元,年均33.5亿美元。根据中国产业信息网发布的研究数据,航空发动机中原材料成本占比约为50%,高温合金为原材料主要构成,约占原材料成本的36%。由此预测,未来10年我国军用航空市场带动的高温合金年均需求约为6.03亿美元。

2)民用市场

根据中国商用飞机有限责任公司发布的《中国商飞公司市场预测年报(2018-2037)》,未来20年中国将交付9,008架客机,价值约1.3万亿美元(约8.7万亿人民币)。根据中国产业信息网发布的研究数据,在民用航空飞机设备价值构成中,发动机占整架飞机价值的比例约为27%,按照此数据测算,未来20年我国商用飞机带动的航空发动机市场规模合计约为3,510亿美元,年均175.5亿美元。

近年来我国陆续出台了一系列政策,积极促进通用航空业的发展。目前,美国通用航空飞行器保有量超过21万架,假设未来20年我国通航产业经过配套基建和政策的完善后,飞行器数量达到美国数量的30%,即约为6.3万架,新增需求约6万架。目前市场上飞行器结构测算单价约为350万美元,按照发动机占比约为27%测算,未来20年我国通用航空飞行器的带动航空发动机增量市场需求约为567亿美元,年均28.35亿元。

综上,未来20年,我国民用航空发动机每年的市场规模约为203.85亿美元。按航空发动机中原材料占成本比例约为50%,高温合金占原材料成本的36%测算,未来20年我国民用航空市场带动的高温合金年均需求约为36.69亿美元。

(2)燃气轮机大规模应用为高温合金行业带来广阔的市场前景

我国燃气轮机重点应用市场分布在发电、热电联供、天然气管道运输、船舶推进和机械驱动等方面。燃气轮机是我国“两机”重大专项的重点发展方向之一,新世纪我国四大工程中的“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”均需大量30兆瓦级工业型燃气轮机,同时我国舰船制造业的快速发展也需要大量30兆瓦级舰船燃气轮机。现阶段我国已成为世界最大的轮机潜在市场。燃气轮机大规模应用为高温合金行业带来广阔的市场前景。

2011-2017年中国燃气轮机行业产量情况(台)

2011-2017年中国燃气轮机行业产量情况(台) 西部超导 (688122)格菲 科创板 研究院

数据来源:招股说明书

我国高性能高温合金需求增加主要来自于先进航空发动机和燃气轮机。同时,核电设备的国产化率不断提高,进一步拉动国产高温合金市场需求。


市场地位

1、高端钛合金

西部超导材料是我国高端钛合金棒丝材、锻坯主要研发生产基地之一,生产的高端钛合金材料包括大棒材、小棒材、丝材、锻坯等,主要用于航空(包括飞机结构件、紧固件和发动机部件等)、舰船、兵器等。公司自主研发主要产品的核心技术,承担了大量的国家、省、市各级科研项目,研发了大规格铸锭纯净化、均匀化控制,棒丝材和锻坯均匀化控制,棒丝材批次稳定性控制等多项关键技术,能够满足国内高端市场对钛合金性能水平的要求。

公司自主研发并批量生产的多种新型钛合金填补了国内多项空白,保障了国家继续关键材料供应,其中三种主要牌号新型钛合金已成为我国航空结构件、紧固件用主干钛合金,为我国新型战机、运输机的首飞和量产提供了关键材料。公司生产的高端钛合金材料打破了欧美发达国家对我国航空、舰船、兵器用关键钛合金材料的技术封锁和禁运。同时,公司建立了自主的原材料技术标准,带动了上游海绵钛、中间合金等原材料行业技术提升;完善了军工型号和国家重大技术装备用原材料检测标准;提高了高端钛合金行业的技术成熟度。

根据中国有色金属工业协会钛锆分会发布的2017年中国钛工业发展报告,2017年经计算的国内航空航天用钛材的销量为7,619吨,公司航空航天用钛材销量为1,821吨,据此测算,公司钛合金产品在国内航空航天用钛材市场的市场占有率为23.90%。

2、超导材料

西部超导是我国重要的实用化超导材料与磁体技术研发与产业化基地,是目前国内唯一低温超导线材商业化生产企业,也是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全球成生产企业。

西部超导是全球唯一的NbTi锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业,抗风险能力高。

3、高温合金

西部超导2014年开始开展高性能高温合金的工程化研究,现以具备航空、航天用高端钛合金完善的生产、研发、质量体系为依托,在西安经济技术开发区泾渭新城特种材料产业院内投资建设了“两机”专项用高性能高温合金棒材项目,该项目与2017年5月开始热试车,2018年进入试生产阶段。


竞争优势

1、研发优势

公司汇聚了国内多名超导材料和稀有金属材料专家,形成了以张平祥博士为带头人,以周廉、甘子钊、赵忠贤、张裕恒、霍裕平、才鸿年等 6 名院士为顾问,以国务院政府特殊津贴专家、国家核聚变技术委员会委员、国家或陕西省有突出贡献中青年专家等为核心的专业研发团队。截至 2018 年末,公司在职员工 771 人,其中博士 30 人、硕士 169 人,硕士及以上学历占比 25.81%,研发人员占比 21.27%。

2、技术领先优势

在高端钛合金材料领域,公司突破了成分均匀性控制、纯净化熔炼控制、组织性能均匀性控制和批次稳定性控制等关键技术。公司是国内唯一掌握紧固件用 Ti45Nb 合金丝材批量化制备技术的企业,解决了长期困扰行业的 Ti40 阻燃钛合金大规格铸锭锻造开坯的难题,在国内率先成功开发出满足重点型号研制要求的众多关键钛合金材料,推动了多项钛合金材料技术标准升级换版,开发的直径 650mm、单重 4.5 吨的特大规格钛合金棒材性能水平处于国际领先。

在超导产品领域,公司是国内唯一低温超导线材商业化生产的企业,是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。经过多年的创新、研发,公司自主研发了 NbTi 锭棒到线材的全流程生产技术,并且能够同时采用“青铜法”和“内锡法”两种方法生产Nb3Sn 线材。

在高温合金领域,公司针对国内高温合金冶金缺陷率高、组织均匀性差的问题,建立了量化过程控制体系,开发了高温合金全流程制备工艺数值模拟技术,采用高性能高温合金合金均匀性和纯净化控制技术以及高温合金高均匀棒材锻造技术,制备的棒材质量达到了国内领先水平,形成了有自主知识产权的高温合金材料制备技术。

3、市场先发优势

在高端钛合金领域,国内的市场需求主要来自军用航空领域,对于生产军用航空材料的企业,首先要取得保密资格和武器装备科研生产许可证,并通过国军标质量管理体系认证。军用航空材料的开发都是通过参与军工配套项目的形式进行的,只有预先进行大量的研发工作,才有可能通过军工配套项目的招标进入项目正式研制阶段,并依次通过工艺评审、材料评审、地面功能试验、地面静力试验、装机考核、装机评审后方能成为相关型号用材料的合格供应商。从预研到最终通过评审需要长达几年的时间,一旦通过评审,双方就会形成长期稳定的合作关系,后来企业很难进入该市场。公司现有钛合金产品已通过中航工业、中国航发等客户认证并已批量应用于多型号装备。此外,公司目前承担着大量的新型军用飞机、大型客机、航空发动机、兵器等材料的研发项目,为新产品的市场拓展奠定了基础。

在低温超导材料领域,公司是目前国内唯一低温超导线材商业化生产的企业,也是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。公司是 ITER 用低温超导线材在中国的唯一供应商,在国内尚无竞争对手,也是 GE 和 SIEMENS 的合格供应商,生产的 MCZ 用磁体已实现批量供应。

在高温合金领域,由于钛合金和高温合金是军用航空发动机制造的两大主干材料。经过十余年的自主创新,公司向我国航空事业提供了大量的高品质钛合金材料,在业内积累了良好的口碑,与中航工业等客户建立了长期合作关系,为后续高性能高温合金材料批量生产后的市场销售奠定了坚实基础。

4、品牌优势

公司坚持“国际先进、国内空白、解决急需”的产品定位,在产品研发设计、原材料选择、制造工艺优化、过程质量控制、售后服务等方面追求卓越。公司凭借出色的技术创新、产品质量和服务,已在国内外高端市场树立良好的品牌形象和较高的客户认可度。TC4、TC11、TA15 等钛合金产品和 NbTi 超导材料被评为陕西省名牌产品。公司众多产品填补了国内空白、完全实现进口替代,解决了飞机制造的“卡脖子”问题,补齐了行业里的“短板”,产品广泛应用于国家军工重大装备、大型科学工程等。公司客户包括中航工业、中国航发、中船重工、中国兵器工业、中核集团、中科院、钢研高纳、GE、SIEMENS 等众多知名单位。

内容创作:格菲科创板研究院

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