航空锻造产业专题研究报告

报告摘要
航空锻造行业比市场目前的一致认知更为高端,拥有产业升级趋势叠加商业模式创新,复盘与展望产业发展脉 络,或存在以下四点认知差:

中国的锻造行业大而不强,未来高端化转型的主要驱动力来自于航空航天、国防军工行业的锻造行业发展;航 空锻造行业的高端化趋势是军机换代升级列装的必要前提条件;

航空锻造高端化的底层参数是军用航空器的推重比的提升,推重比提高下难变形材料占比提升、结构件大型化 一体化趋势显著,推动锻造向大型化、一体化、精密化工艺迭代;

军机换代列装以及发动机高值消耗品的商业模式双轮驱动航空锻造行业景气上行,未来十年空间可达2500亿元。远期随着国产大飞机项目的落地,军民融合分享更广阔市场红利;

航空锻造的竞争要素在于技术端和商业模式端顺应行业变化趋势持续迭代。技术端:设备前置叠加技术积累进 行工艺精进,商业模式端:创新产业链纵向一体化富集先发优势。

01 航空锻造简介:航空锻造是引领产业升级和支撑军机迭代的关键驱动因素
1.1 金属成形工艺中,锻造和铸造是主流应用工艺

金属材料成形工艺类别包括液态成形、塑性成形和连接成形等,当前主流的加工工艺为锻造和铸造。

1.2 同等材料成形,锻件的力学性能一般优于铸件

锻造和铸造因其工艺特点不同,主要的应用场景不同:锻造适用于服役条件恶劣、追求结构可靠的简单结构 件,而铸造更适合制备复杂结构和内腔的零部件。锻造的主要目的是成形和改性(机械性能和内部组织的改善),在同等材料的条件下,锻造加工可获得致密 的金属组织,因此锻件的力学性能一般优于铸件

1.3 锻造工艺可分为自由锻、模锻、辗环等

锻造和铸造因其工艺特点不同,主要的应用场景不同:锻造适用于服役条件恶劣、追求结构可靠的简单结构 件,而铸造更适合制备复杂结构和内腔的零部件。锻造的主要目的是成形和改性(机械性能和内部组织的改善),在同等材料的条件下,锻造加工可获得致密 的金属组织,因此锻件的力学性能一般优于铸件。

1.4 航空锻造业的主流应用工艺为精密模锻工艺

现代航空工业对于性能要求较高,因此航空用金属部件尺寸大,对内部微结构要求高,常规的锻造、切削、 镗铣等加工方法难以满足工艺要求,需要高端航空锻造先进技术的支撑。模锻工艺为航空锻造业的主要工艺, 当前应用于航空锻造的主要模锻技术为整体成形技术(大型复杂结构件)和等温锻造技术(中小型复杂零件) 以及精密辗轧技术(环形件)等。

02 行业变化:推重比提高牵引超大尺寸、整体成型工艺和精密锻造趋势
2.1 “推重比” 提高牵引高端精密锻造工艺的持续进步

推重比增加包含2个方面:1、 发动机推力提升;2、飞机自重 减轻。

机体结构减重 → 金属材料材料 具更高的比刚度、比强度 → 且 结构件大型化、一体化 → 驱动 锻造技术向整体成形模锻技术 衍进。

动力系统推力增加 → 提升发动 机涡轮前进口温度 → 关键部位 金属耐高温要求提升 → 难变形 金属材料应用提升 → 驱使等温 锻造技术的发展。

2.2 航空锻造处产业链中游,三大要素影响成品质量

航空锻造行业处于航空制造产业链的中游,上游原材料企业,提供钛合金、高温合金等金属原材 料,经过锻造企业的制坯、锻压后形成粗锻件,经精加工成结构件后交由主机厂进行装配。锻件的最终成品质量受诸多因素影响,我们分析判断,原材料的质量、锻造工艺的水平和锻造设 备的先进程度影响较大,三大因素相互制约,较为考验单因素的先进水平和相互的协同性。

2.3 新一代飞机机体结构件大型化、一体化趋势显著

飞机的主承力结构件和航空发动机中的主要组成部分均为模锻件,而未来航空锻造技术的重要发展方向是模 锻件的大型化和一体化,基于此实现主承力结构的整体化,从而减少零部件数量和装配步骤,达到减少制造 成本、减轻结构重量、提升飞行可靠性的目的。军机、民机的结构件大型化、一体化趋势均较为显著。军机方面,F/A-18 歼击机采用钛合金整体隔框锻件, 减少368种零件,减重 350 kg,机械加工工时减少50%;俄罗斯安-22运输机采用整体锻造技术减少了 800个零件,使飞机减重1000kg,节约机械加工工时20%;民机方面,A-380、B747、B-777等客机制造均 大规模使用大型模锻一体化锻件。

03 市场空间:军机航发双轮驱动景气上行,军转民长赛道红利释放可期
3.1 航空航天业是当前驱动锻造市场增长的主要动力

根据Grand View Research,2019年全球金属锻造市场总价值量约为83.85亿美元,预计在2020-2027年间复合年均增长率 (CAGR)将达到5%;其中,市场增长的动力主要来自于全球范围内航空航天及车辆领域需求的上涨,航天航空行业预计将 为增长最快的细分行业;2019年,全球航天航空锻造行业市场规模约为29.10亿美元,约占全球锻造市场总价值量的33.5%,预计在2020-2027年间 CAGR将达到7.3%,领先锻造市场整体增速约46%。

3.2 高端航空锻造难度较大,产业具有明显高附加值

锻件的精度要求高、加工难度大,不断发展新工艺、新技术的趋势下工艺复杂程度提升,对设备的能力要求较高, 属于航空制造领域的高端制造。因此航空锻造产品具有较高的平均毛利率,体现出高附加值的特点。

3.3 基于空中力量的竞争,多军种军机现代化建设提速

中、美、俄横向比较,中国军机总量在各个主力类型上都存在数量差距。当前我国军机从总体数量和结构上都与 军事强国美国、俄罗斯存在一定差距,未来增长空间较大。从绝对数量上来看,美国目前拥有的军机数量约为我 国的4倍,差距较大。从结构上来看,中国与美、俄军机细分种类的数量差距同样较大,且技术存在代差。以战斗机为例,目前我国主 力机型仍以二代机和三代机为主,而美国主力机型目前以三代机和四代机为主,且四代机的列装量仍在持续加速。

04 竞争要素:设备前置叠加工艺积累,商业模式创新加持先发优势富集
4.1 航空锻造行业的竞争要素主要逻辑

竞争要素1:基于稀缺大型设备,持续积累工艺和技术,掌握自主先进设备制造工艺和锻造工艺。

竞争要素2:基于主机厂聚焦核心装配业务的需求变化,进行商业模式的产业链纵向一体化延伸。

竞争要素3:基于军品资质审核的进入性壁垒,持续工艺积累和商业模式创新实现先发优势富集。

4.2 自主设备投资大、建设周期长,进入壁垒较强

先进锻造设备自主建设投入成本高、建设周期长,进口设备采购成本昂贵,且设备运行须配备相应先进工艺与技术人员,仅有 极少数企业配置,目前我国拥有自主大型模锻液压机制造能力的代表设备是三角防务的400MN大型模锻液压机。

4.3 掌握核心技术保障快速响应模锻机建设需求

模锻液压机大型化趋势提升工艺效率和工艺质量,以应对新材料新技术的冲击。近年来航空金属锻造受非金属复合 材料和增材制造等技术的冲击较大,应对挑战的一大发展需求就是模锻液压机大型化,向更大吨位的锻造能力发展。原因在于当锻造压力较高时,锻造工序次数、锻造的时间和期间加热次数会显著减少,提高了生产率和锻件质量。

我国已掌握模锻机制造核心技术,可随时根据需求制造大吨位模锻液压机。模锻液压机制造的最新核心技术为预应 力钢丝缠绕和剖分-砍合结构技术,该技术的掌握和应用使得1GN级别的超重型模锻液压机成为可能。本世纪初,清 华大学与三角防务合作,在2007年成功在钢丝缠绕预应力技术上基础上运用坎合技术成功研制4万吨航空模锻机。该400MN航空模锻液压机的主缸使用钢丝缠绕和剖分-砍合结构技术,从而成为全球最大的模锻液压缸。该技术

05 典型企业
国内航空锻铸产业结构——以涡扇发动机飞机为例

我国航空段铸造产业格局清晰,分工明确。其中飞机机体结构件锻件的主要参与者为三角防务和中航重机, 两者在航空发动机的盘件、轴件的锻造领域也是主要的竞争者,工艺路线均以模锻为主。

报告节选:……

《世界空军排名》显示多国排名,中国名次公开,歼20获非常大成功。
●美国军队战机数量的霸权,超过中俄加起来的总数
空军,或者说航空力量是美国军队横行全球的资本所在。甚至有人戏说,全球第一的航空力量是美国空军,第二是美国海军航空兵,第三是美国海军陆战队航空兵,第四是美国空中国民警卫队。当然这样的说法并不严谨,却也真实反应了美国在空中力量方面的绝对优势。最新数据显示,美国拥有所有国家中最大的战斗机机队。空军,海军,陆军和海军陆战队总共拥有13,000多架飞机。《国际航空杂志》与巴西航空公司合作发布的《世界空军排名》显示,即使是五个直接竞争对手的综合空中力量加起来也无法匹敌美国的空中力量。

具体到机型方面,F-16C仍然是美军的主力战斗机,服役的机型超过800种。根据该报告,它也是全球使用最普遍的战斗机,在各种空军中服役的数量为2267架,占全球现役战斗机总数的15%。之前美国空军曾经信誓旦旦地要使用F-35来全部替代F-16,但目前的情况来看,F-35毛病多多,使用费用不菲,基本不太可能全部替代F-16。从五角大楼最新的报告来看,美军计划新增采购非隐身战机,首先是F-15EX,其次就是F-16V。也就是说F-16依然会是美国空军的主力。
其实在四代战斗机诞生之初,美国空军也希望全部装备F-15,但巨额的采购价和使用费用是绝对不可能保证战斗机数量的装备量的。所以才有了F-16的存在的必要性,换言之,如果没有F-16,美国空军就无法保持全球最大的机队规模。而这样的实际情况在中国和俄罗斯也是存在的,如果中俄将战斗机采购全部定为苏-57和歼-20,那么中俄的战斗机数量会下降到无法接受的地步,甚至无法保证国土防空。

F-15重型战斗机(包括出口的变型机)和F-18(包括出口变型)是第三代和第四代最常用的战斗机。F-15性能出色,但价格昂贵,美国也不愿就此出售王牌装备,因此其外销销量远低于F-16。而F-18作为舰载战斗机虽然价格便宜,但不太适合大多数国家使用,只有少数海域面积大的国家如加拿大,澳大利亚比较喜欢使用。但随着大多数F-15战机开始老旧,而F-18C/D大黄蜂也退役,美军正在增购F-15EX先进鹰和F-18E/F超级大黄蜂,所以它们的传奇还在继续。
●俄罗斯战机数量依旧排名第二,但大多数飞机老旧且闲置在地面
除了美国是毫无争议的第一外,俄罗斯在整体排名中排名第二,中国排名第三,其次是印度排名第四。苏霍伊的侧卫系列仍然是俄罗斯空军的骨干力量,其中最新的型号就是第五代的苏-57。报告认为俄罗斯的机队总规模略超过4,000。但俄军实际战斗力其实是要打上很多折扣的。因为俄军的战斗机中存在大量的苏联旧飞机,很多飞机就停在露天的荒废的野战机场内生锈。包括米格-29,米格-31,米格-25等等,理论上维修后它们还能飞行,但确实不能算作现存战斗力。第二种最常用的战斗机就不是美国货了,而是俄罗斯行销全球的苏-27 / 30系列,拥有1057架在役飞机,占据了7%的市场份额。当然苏霍伊家族的战斗机谱系和型号过于广泛,出口的各种型号非常庞杂,各个国家拿到的版本都不太一样。就像F-16一样,批次非常之多。俄军的战斗机产量还在稳步上升中,不过对于俄罗斯而言,出售战斗机往往比给自己生产更能赚钱。

●中国战斗机数量排名第三,大批老旧战机正在退役,多款先进战机量产中
中国有3,160架战斗机在服役。这些战斗机大多数都是中国生产的苏-27 / 30的仿制品,当然中国在发展自己的第五代隐形战斗机歼-20方面取得了非常大的成功。中国自行研发的歼-10产量也是功不可没。这也同样说明了轻重型战斗机搭配使用的重要性。
中国依然有大批的旧式战斗机在服役中,包括歼-7系列,歼-8系列,歼轰-7系列。这些战机正在退役的过程中,所以中国未来对新战机的需求依然庞大,包括歼-10C,歼-16,歼-15,歼-20。甚至不排除中国再次从俄罗斯引进战机的可能性。中国在飞机的气动设计,武器装备的开发,航电系统的研发方面已走在了世界前列,但发动机的拖后腿问题还是存在的。

●印度战斗机数量排名第四,和中国巴基斯坦两线作战是其目标
印度以2119架战斗机排名第四。这其中包括242架苏-30MKI,132架米格-21、130架美洲豹和65架米格-29,以及其他飞机。根据其现代化计划,印度空军还订购了36架阵风战斗机和83架国产的轻型战斗机LCA 光辉Mk-1A。根据印度空军目前的所谓两线作战的计划来看,其战斗机中队数量依然远远不足。目前印度计划再次引进130架战斗机,包括阵风,F-15EX,鹰狮,米格-35正在激烈竞逐这一订单。加上这些战斗机,印度空军的实力终于可以在南亚称雄一时。
●韩国和日本排在第五和第六,但未来是潜力股

韩国和日本分别以1581和1480架飞机在全球排名中排名第五和第六。理论上来说,两国都属于经济和工业的强国,只是被很多因素限制了航空力量的手脚。对于韩国空军而言,主要对手的空军力量过于弱小,其空军的主要目的在于对地支援而非空战。所以韩国只自研过一款F/A-50攻击教练机,但其正在组装新一代隐身战斗机。而日本的自研能力其实比韩国更强,但屡屡被美国牵住鼻子。两国在引进欧美先进的零部件时不存在政治障碍,因此未来两国一旦被放开手脚,其战机数量还会进一步上升。(军务鱼)

一架在新几内亚进行低空攻击的A-20浩劫攻击机被击落,1943年~~

说明A-20浩劫轰炸机是一款二战的美国攻击机、轻型轰炸机和夜间战斗机。服役于同盟国空军,主要是美国陆军航空军,苏联空军, 苏联海军航空兵及英国皇家空军。苏联部队接收超过三分之一的DB-7.它也被澳洲、南非、法国和荷兰的空军在战争中使用,在战后有巴西使用。


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