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钛的军工产业链研究

  钛在金属材料王国中被称为“全能金属”,是继铁、铝之后极具发展前途的“第三金属”、“战略金属”及“空间金属”。纯钛是银白色的金属,它具有许多优良性能。钛的密度比钢小43%,比轻金属镁稍大一些。钛的强度大,纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm2,与钢相差不多,比铝大两倍,比镁大五倍。钛耐高温,熔点1942K,比黄金高近1000K,比钢高近500K。有些钢的强度高于钛合金,但钛合金的比强度(抗拉强度和密度之比)却超过优质钢。由于其稳定的化学性质,良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱,以及高强度、低密度,目前已大范围的应用在航空航天、石油化学工业、生物医学、环境保护等领域。

  ① 比强度高:钛密度为4.5g/cm3,比钢轻43%,而机械强度却与钢相差不多,比铝大两倍,比镁大五倍,因此表现出较高的比强度(抗拉强度与材料表观密度之比);

  ② 耐蚀性好:常温下,钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜,可以抵抗强酸甚至王水的作用,表现出强的抗腐蚀性。钛合金制成的潜艇,既能抗海水腐蚀,又能抗深层压力,其下潜深度比不锈钢潜艇增加 80%。此外,钛无磁性,不会被水雷发现,具有非常好的反监视、监测作用。

  与其他金属相比,钛及其合金是高化学活性金属,在熔融状态下几乎与所有耐火材料发生化学反应,且不能在大气中进行熔炼,必须在真空或惰性气氛下进行,因此钛合金的熔炼技术难度较大,目前只有少数国家掌握了钛合金的熔炼技术。

  全球钛资源主要分布在澳大利亚、南非、加拿大、中国和印度等国。据产业信息网多个方面数据显示,2020年中国拥有的钛铁矿储量最高,达到2.3亿吨,约占全球总储量的32.86%;其次为澳大利亚地区,储量达1.5亿吨,占全球总储量的21.43%。

  从进口来源国看,我国钛精矿进口大多分布在在莫桑比克、越南、肯尼亚、挪威、澳大利亚、韩国和印度7个国家,上述7国进口量占进口总量的81.8%,整体看来进口集中度相比来说较高。2021年中国钛精矿进口380万吨,同比增长26.06%。从莫桑比克进口的钛精矿占进口总量的 38.5%,钛精矿对外依存度较高。

  钛是一种物理性能优良、化学性能稳定的材料。钛及其合金强度高、比重小, 耐海水腐蚀和海洋气氛腐蚀,可以很好地满足大家在海洋工程方面应用的要求。经过钛业界人士和海洋工程应用研究人员多年的努力,钛已经在海洋油气开发、海港建筑、沿海发电站、海水淡化、船舶、海洋渔业及海洋热能转换等领域取得了广泛的应用。

  由于钛合金具备密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低等特点,因此广泛的应用于飞机结构件(如蒙皮、管材零件、紧固件、各种钣金件和承力构件等)与发动机(如压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管、压气机叶片、轮盘和机匣等零件)等部位。

  航天飞行器结构设计与制造中考虑最多的就是减重问题,提高结构效益是关键,同时要求结构材料具备良好的环境适应性,如适应高温、高湿、高盐等腐蚀性服役环境等。钛合金材料代替传统的钢制材料,在大幅度降低航空航天飞行器的结构重量的同时可提高航空航天飞行器结构的抗腐蚀损坏能力,对增加航空航天飞行器航射程、降低燃料消耗、延长服役寿命、提高服役可靠性等方面均具备极其重大意义。因此钛合金材料自产生以来特别受到航空航天飞行器设计者的青睐,钛合金在航天火箭中所占质量为5%~30%,实际上没有一种航天火箭是不使用钛及钛合金的。如在前苏联的“能源-暴风雪”号、“金星”号、“月球”号、“和平”号等航天器中得到十分普遍的应用。目前钛合金在航天领域的应用主要在三方面:①在火箭发动机系统中的应用;②在空间飞行器动力系统中;③在导弹武器系统中的应用。

  由于钛合金具有比强度高,且在海水及海洋气氛下具备优秀能力的耐蚀性能,因此在船舶领域也得到了广泛的运用。主要使用在于耐压艇体、结构件、浮力系统球体,水上船舶的泵体、管道和甲板配件,快艇推进器、推进轴、水翼艇水翼、鞭状天线等。目前钛合金在舰船的应用大多分布在在一些关键部位,但随着钛合金产业的不断成熟,成本下降,未来舰船钛合金应用占比将不断提高。

  我国军机在数量上与美国存在比较大差距,具有显著的总量提升需求。军用飞机是直接参加战斗、保障战斗行动和军事训练的飞机的总称,是航空兵的主要技术装备。据《World Air Forces2021》统计,截至2020年美国现役军机总数为13232架,在全球现役军机中占比为25%,而我国现役军机总数为3260架,在全球现役军机中占比仅为6%。按各个细分机型来看,战斗机是我国军机中的主力军,总数为1571架,但数量不到美国同期的60%,且其他机型的数量都远落后于美国,具有非常明显的总量提升需求。

  航空钛合金的主要需求来自于航空发动机的定期维修换新。目前发动机中钛合金主要用在中温区(低温区部分使用陶瓷基复合材料,高温区使用镍基或钴基高温合金),质量占比大约为30%。此外我们假设发动机的装配比 1:1.5,即需要50%的备用发动机。根据《World Air Forces 2021》中对我国2020年存量军用飞机的统计,叠加智研咨询对我国2021-2030年新增军机数量预测,我们预计到2030年我国战斗机保有量约为8305架。

  根据前瞻产业研究院对钛合金占发动机30%左右比重的统计,假设发动机维修换新两年进行一次,年均维修次0.5次,我们预计2030年我国军机数量稳定后,每年军用航空发动机的钛合金总需求量大约在55049吨。除军机机身、航空发动机外,还有导弹等军用装备使用钛合金,其用钛量不易预测,但我们大家都认为在军机数量增加的前提下,其携带导弹需求很可能也相应提高,预计其他领域装备用钛总需求量也将出现增长。

  全球客机市场空间广阔,中国及亚太地区交付预计迅速增加。根据中国商飞公司市场预测年报(2020-2039),2019年全球喷气式机队共有客机共23856架。从全球历史交付量而言,以空客为主的欧洲市场和以波音为主的北美市场占总市场的份额较大,分别占比全球总份额的20.27%和27.99%。中国和亚太地区(除中国)分别占比16.62%和16.02%,中国已成为亚太地区接近半数以上的客机交付国家。预计2020-2039年中国及亚太地区将在民航领域加快速度进行发展,占据全球约41.6%的客机交付量。

  与军用战机类似,民用客机中钛材同样应用于机体以及航空发动机两大部位。虽然钛合金结构占比整体低于军用战机,但由于空机质量大,单架客机钛材用量明显高于军用战机。根据资料显示,波音787梦幻客机钛合金结构占比达15%,机身钛合金用量约为8.5吨—10吨。中国首款具有自主知识产权的单通道涡扇喷气客机C919,机翼机体上共有二十多个钛合金零部件包括锻件、厚板、薄板、管材等,钛合金结构占比为9.3%,用量约为1.9吨。结合中国商飞《民用飞机市场预测年报(2020-2039)》,2020-2039年C919大飞机(单通道客机)民用市场带来钛合金需求量约11280 吨。根据中国航空新闻网,2021年第一架国产大飞机C919取得适航证后或将交付给东方航空公司,随着国产大飞机的正式交付,民用航空钛材市场将实现从“零”到“一”的飞跃。

  军用高端钛合金与国外不直接竞争,但仍有一定差距:尽管近年来我国钛合金材料的研究工作已取得了显著的进展,但高端领域用钛合金产品的品质与国外相比还有很大的差距,如钛合金挤压型材、模锻件、大型钛合金宽厚板、大型钛合金铸件、航空紧固件用钛合金棒丝材等,亟需我国钛行业提升产品品质,以充分满足国防军工对钛合金的发展需要。目前国外的主要厂商有日本东邦钛公司、美国钛金属公司、俄罗斯VSMPO-AVISMA等。由于各国对军工材料的出口均有严格的限制,因此目前国内高端钛合金军工市场方面基本上不会面临来自国外公司的竞争。但未来随着我们国家民用航空大飞机的落地批产,一方面打开了市场空间,另一方面也将在民用航空钛合金方面与国际钛合金有突出贡献的公司形成竞争。

  钛加工行业已形成国有大规模的公司为龙头的格局:目前,我国钛加工行业通过近 10 年的结构调整和转型升级,已形成以宝钛股份600456)、西部超导、西部材料002149)和金天钛业等国有大规模的公司为代表的一线有突出贡献的公司,他们以各自的多年行业技术积累和背景为依托,不论在产量还是利润水准方面,均取得了近 10 年来的最好水平。

  “百货商店”与“专卖店”式竞争格局:从历史来看,宝钛、西部超导和西部材料同源,原先三家是一家,是国家建设的军工服务研究地,最早在宝鸡是研究院加上加工厂,一直到80年代中期。研究院独立成为西北有色金属研究院,从宝鸡搬迁西安,之后先后成立西部材料和西部超导。西部材料最开始从事稀有难熔金属,后面西部钛业和西部材料重组,加入了钛合金业务。西部超导最早是做超导材料,钛合金也是后续发展加入的业务。从目前来看,由于历史地位的存在,宝钛是产业化最长、最大、材料品种最全的钛合金生产企业,可以看为是钛合金的“百货商店”。而西部材料与西部超导两家实控人同为西北有色金属研究院,因此存在同业竞争限制,致使西部材料主要是钛合金板材、管材,西部超导主要是钛合金棒丝材。两家各自在自己领域有较强的竞争力,可以看做是某一类钛合金的“专卖店”。

  “十四五”纷纷出台扩产计划:2021年三家钛合金上市企业分别公告扩产计划,2020年宝钛集团提出了在“十四五”末,钛材市场占有率居世界第一、钛材产量达到5万吨的目标计划;西部材料预计募投项目达产后钛合金总体产能达1万吨;西部超导预计募投项目达产后钛合金产能将超1万吨,综合看来三家企业到十四五末期,钛合金总产能将超7万吨,我们预计其中军品产能有望达到3万吨左右。

  2020 年,我国钛加工行业通过近十年的结构调整和转型升级,已形成以宝钛集团有限公司、西部超导材料科技股份有限公司、湖南湘投金天钛金属股份有限公司和西部材料科技股份有限公司等国有大规模的公司为代表的一线有突出贡献的公司,他们以各自的多年行业技术积累和背景为依托,不论在产量还是利润水准方面,均取得了近十年来的最好水平;另外,以新疆湘润新材料科技有限公司、重庆金世利航空材料有限公司和陕西天成航空材料有限公司等为代表的非公有制企业,由于持续看好未来军工、医疗等高端领域市场需求,利用各自的实力在各自细致划分领域取得了突出的业绩。

  图16:2020年我国主要钛材生产企业在不相同的领域的应用情况统计(单位:吨)

  根据我国国内32家钛材生产企业的统计,2020年我国共生产钛加工材97029t,同比增长了28.9%,已连续六年增长。在产业分布方面,从上述统计数据能够准确的看出,海绵钛生产主要分布在辽宁地区,五家企业的产量占到全国的三分之一以上(34.6%),同比会降低;钛及钛合金锭生产大多分布在在陕西,14家主要生产企业的产量占中国产量的4成以上(46.5%),同比有所增长;钛及钛合金棒材生产也大多分布在在陕西,产量在500t以上的主要7家生产企业的产量占总量的74.6%;陕西4家主要钛板材生产企业的产量占到全国22.7%,同比有所减少;钛管的生产大多分布在在长三角地区,主要4家生产企业的产量占全年总量的34.4%,同比有所增长。军用领域,宝钛股份、西部超导、西部材料、金天钛业为主要的供货商,从产品形态及专注领域来看,四家几乎无直接竞争关系。

  钛合金因于其优质的属性,比强度高、耐蚀性好、超导性好,日前在各大领域中被普遍的应用。钛合金分为低中高端三类,低端主要集中于化工、制造、能源等产业,由于军工对于金属的高质量要求,中高端钛合金被硬性用于航空航天等制造中。

  我国钛材加工主要使用在于化工领域,与全球相比最主要的差别在航空领域,全世界内航空用钛材始终占据钛材总需求的53%左右,而国内航空航天用钛材的比例仅为20%。中国面对日益复杂的国际政治环境,不仅有对国家军事安全的担忧,同时有也对军工掐脖子技术和工业的强烈国产替代意愿。并且,国产大飞机C919,国产卫星航天等民用领域的市场兴起,势必带动原材料、配件厂商的产能上升。但民用市场存在较强的市场之间的竞争风险,国产替代的过程仍然面临价格战的压力,相比于军工市场会更加依赖规模效应带来的成本优化。整体看来,中高端领域的钛材需求量呈加速增长势头。“十四五”期间高端钛合金需求呈现20%的高速增长势头。加持新国产替代过程,我国自主高端钛材生产商拥有很大未来市场的想象空间。

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2023-11-12 行业信息 1 次

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