航空发动机全景解析——原材料与加工篇

航空发动机产业链主要由设计研发、加工制造、运营维修三大环节构成。其中：（1）设计研发包括：基础研究、子系统设计、整机集成设计；（2）加工制造包括：原材料、零部件及整机集成；（3）运营维修包括：发动机运营和发动机维修。

图：航空发动机产业链全景图

资料来源：慧博智能投研

就航空发动机加工制造环节的价值量分布而言，上游原材料价值合计占整机总价值比例约30%，中游零部件及控制系统价值合计占整机总价值的比例约65%。

图：航空发动机加工制造环节价值量分析

资料来源：慧博智能投研

图：航空发动机加工制造环节毛利率水平

资料来源：慧博智能投研

1、概述

钛合金是航空发动机部件中不可缺少的材料，主要用于发动机冷端部件。在航空发动机领域，钛合金主要用于压气机风扇盘、风扇叶片、中/高压压气机盘、动叶片、静叶片、涵道等部件。在 300~600℃工作温度下，钛合金具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性，能够满足相应部件的特性要求。

表：钛合金性能特点

资料来源：《钛及钛合金》（雷霆，2018），中金公司研究部

先进航空发动机中，钛合金的用量逐渐增加。美国、俄罗斯、英国的航空发动机制造处于全球领先水平，其发动机的用钛量一般保持在 20%~35%，美国 F-22 的发动机F119钛合金用量高达39%。国内航空发动机钛合金用量较国外先进水平尚有一定差距，其中我国设计制造的WP13发动机用钛量为13%，WP-14 用钛量提高至15%，国产第三代大推力涡扇发动机WS-10发动机钛合金用量约为25%。

表：典型国外航空发动机钛合金用量

资料来源：北京航空材料研究院

（2）相关公司

（1）概述

高温合金应用于航空发动机热端部件，约占发动机总重量的 40~60%。高温合金具有较高的热稳定性和热强度，能够在高温下具有良好的抗腐蚀、抗氧化能力，是制造航空发动机热端部件必不可少的关键材料，主要应用于涡轮盘、涡轮导向叶片、涡轮工作叶片、燃烧室和加力燃烧室的各种零部件。在目前的主流航空发动机中，高温合金约占航发总重量的 40%~60%。

资料来源：钢研高纳招股书。注：左图红色部分为先进航空发动机中关键的热端承力部件，全部为高温合金。

① 变形高温合金

变形高温合金通过把铸锭经锻造、轧制等方式加工后成材，在高温合金产量中约占70%，产品种类相对最多，可以用于制造航发机匣、盘轴、紧固件燃烧室等。

② 铸造高温合金

多用于制造航空发动机中的机匣、叶片等结构复杂的零件，铸造高温合金通过熔模铸造等工艺直接凝固成型，与变形高温合金相比，合金元素种类更多、合金化程度高，约占高温合金总产量的20%。航空发动机上一些形状复杂难以加工的腔体、空心部件、叶片等，必须采用精密铸造工艺才能完成。

③ 粉末高温合金

粉末高温合金采用粉末冶金工艺、热等静压直接成型或热加工成型制备，主要用于近净成型航空发动机中的盘轴类锻件，具有成份均匀、组织细小、力学性能优异的特点，可以耐受更为苛刻的工况环境。粉末高温合金制备工艺目前主要有等离子旋转电极法（俄）、氩气物化法（美、欧）等。

军用高温合金处于持续升级中，研发能力是高温合金企业的立足之本。以抚顺特钢，钢研高纳为首的国内老牌高温合金企业科研根基扎实。其中，抚顺特钢的变形高温合金市场和技术优势明显，而钢研高纳铸造高温合金国内顶尖、研发能力卓越。以万泽股份为代表的新兴高温合金企业，业务覆盖面广，同时也注重新型高温合金的研发。

2、相关公司

（1）概述

要持续提升航空发动机性能如高推重比、低耗油等，则必须在新材料、新工艺应用、新结构设计等方面取得更多更大突破，对于推重比15~20的发动机，新材料、新工艺及相应新结构对提高推重比的贡献将达50~70%，使用创新型的复合材料是极其关键的手段之一。具体如：在发动机低温部件（外涵机匣、风扇机匣等）使用树脂基复合材料（Polymer Matrix Composites，PMC）或金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMC）；在高温部件（火焰筒、涡轮导叶、喷管调节片等）使用陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，CMC）。目前复合材料已经开始逐渐应用于新一代航空发动机结构中，如LEAP-X、GE90发动机风扇叶片均使用树脂基复合材料，F414、EJ200 发动机燃烧室均使用陶瓷基复合材料等。

表：航空发动机用复合材料简介

应用趋势上看，先进航空发动机中使用复合材料的比重逐年提高。以CMC 为例，根据《航空发动机结构分析》，在2000年左右，CMC材料仅占发动机总重量的0.8%，而这一比例在2015年被提高至7.1%，且根据GE官方预测，未来 10年航空发动机市场对CMC的需求将递增10倍，因此航空发动机复合材料的应用不容小觑。

图：航空发动机材料不同温度下力学性能

资料来源：慧博智能投研

图：复合材料在航空发动机上的应用比例逐年提高

资料来源：慧博智能投研

（2）相关公司

（1）概述

锻造是航空发动机的核心生产工序之一。锻造是指通过加压设备及模具，使钢、钛合金、铝合金及其他高温合金胚料产生变形达到目标尺寸和形状的工艺。一体化制造的锻件强度高于焊接，且能够起到减少构件数量、降低组装难度、增强结构强度的作用，因此在实际工程中得到广泛应用。航空发动机锻件按形状分主要有盘件、轴件和环件，其中：（1）盘件包括风扇盘、高压/低压涡轮盘、压气机盘等；（2）轴件包括压气机轴、涡轮轴等；（3）环形件主要为发动机中环形承力部件如机闸、结合环、安装边、封严环等。从重量角度看，锻件约占航空发动机总质量的30%-45%，从价值量角度看，锻件占航空发动机价值的15%~20%，其中环锻件约为6%。

航空锻造具有“高设备投入+高客户粘性”的特征，行业壁垒较高。航空锻件参数和精度要求高，对设备、工艺均有较高要求。大型锻压机从研发到投产需要投入大量的研发资金，短期内无法建成，因而阻拦了外界参与者进入；企业需要通过国内特种行业客户的资质审核，进入供应链后往往客户粘性较强，客户更换配套方的成本较高，因此新进入者不易切入。

2、相关公司

（1）概述

铸造具有保证零件承温能力、提高零件精度等优势。相较于锻造，铸造零件可以更复杂，可使用高合金化金属作为原材料，从而兼容了较高的耐高温性；可通过型芯和精铸技术制备具有复杂内腔的空心叶片；利用大型复杂薄壁技术制备的铸件，尺精度和表面粗糙度可达到较高水平；定向凝固技术、单晶制备技术等先进铸造手段可保证零件在各种工作环境下的使用性能。

铸件主要应用于叶片、机匣等部位，国内航发铸件研制以航发集团内部企业为主。铸造可生产形状复杂的零件，在航空发动机上铸件主要用于叶片和机匣等部位。铸造叶片主要是用于涡轮叶片，分为等轴晶、定向晶和单晶三种工艺，其中：（1）非单晶铸造叶片主要由航发动力子公司贵阳精铸承担，近几年应流股份、江苏永瀚、万泽股份等民营企业也正积极进入这一领域。（2）单晶叶片的铸造技术难度较大，基础科学和产品研制主要以专业院所为主，如北京航空材料研究院、中国钢研科技集团公司、中科院沈阳金属研究所等。（3）机匣是航空发动机上的主要承力部件，属于薄壁易变形的复杂结构件，机匣铸造对设计精度要求较高，国内主要参与者包括航发集团和图南股份等。

（2）相关公司