2022年钛合金行业研究报告

导语

全球航空钛合金消费量占整体消费量的46%，而国内航空航天钛合金消费量仅占整体消费量的18%。

来源：广发证券 作者：孟祥杰

一、概况：钛材性能比较优势突出，战略金属材料之一

（一）基础：性能比较优势明显，下游广泛应用于高端装备领域

金属钛及钛材较其他金属材料具有一系列比较优势，是国家重要战略金属材料之一。钛呈银白色，熔点高达1668℃，属于难熔稀有轻金属。钛具有密度小、比强度高、导热系数低、耐高温低温性能好、耐腐蚀能力强、生物相容性好等特点，在航空航天等高端领域的应用远优于其他合金。具体来看，相同拉伸和疲劳强度下，钛合金能降低航空设备重量，可替代钢等；钛合金能够在相对高温的环境下使用，可替代铝合金等；钛合金化学性能稳定，具备良好的耐蚀性能，可替代铝合金部件等；钛合金与聚合物基复合材料有良好的匹配性。

金属钛及其制品以其优越性能被广泛应用于航空、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。钛合金是以钛为基加入适量其他元素，调整基体相组成和综合物理化学性能而形成的合金。据西部超导招股书，金属钛被誉为“太空金属”、“海洋金属”、“现代金属”及“战略金属”。钛及钛合金对一个 国家的国防、经济及科技的发展具有战略意义，钛工业发展水平是一个国家综合实力的重要标志。

（二）应用：航空高端装备升级及民航发展有望拉动高端钛合金需求

以美国为例，美国三军装备升级，先进战机及发动机市场空间较为广阔。F-35战斗机是美国研制的低成本、新一代多用途战术攻击机，使用的动力装置是F135推进系统。从开始研制，F135推进系统就选定了F119改进型发动机作为主推进系统，发展常规起落型F135-PW-100推进系统和舰载短距起落型F135-PW-600推进系统这两种型别的常规涡扇发动机。采用通用主推进系统，可实现一机多用，提高经济可承受性。投入使用后，F-35战斗机将替代AV-8B “鹞”式、A-10、F-16、F-15、F/A18E/F、英国“鹞”式GR-7和“海鹞”战斗机。根据2020年CRS REPORT发布的《F35 Joint Strike Fighter (JSF) Program》，美国国防部共计划购买2456架F-35，截至 2019年12月，估计总采购成本约为3978亿美元。未来美军对F-35采购数量持续上升。美国政府2020财年国防拨款法案最终的综合预算法案为采购98架F-35战斗机，含62 架F-35A，16架F-35B，20架F-35C，其中也包括14亿美元的预先采购。美国政府2021 财年国防预算为F-35项目提供114亿美元的采购资金。

飞机设计方法的发展推动上游钛合金材料等高端材料向高性能方向发展。随着飞机设计由静强度（指结构在常温条件下承受载荷的能力）发展到耐久性/损伤容限型设计等，钛合金材料也从追求单一高性能到追求综合高性能方向发展，以满足飞机的长寿命与高减重的设计需求。新一代飞机和高性能航空发动机对轻质高强材料提出更苛刻的综合高性能要求，如基本要求强韧性匹配和强塑性匹配，在使用性能方面要求高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能与蠕变-持久性能匹配。例如据西部超导招股书，“2005年以来随着我国新型战机计划启动，更高的战机性能对航空用结构钛合金提出了苛刻要求，当时此类钛合金尚属于国内空白产品。”

基于钛合金的优越性能，飞机升级换代过程中钛合金用量不断提升。减轻飞机重量、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的数据来看，波音和空客主要机型的用钛量逐步提高。

（三）趋势：长期，国内钛材高端应用场景及潜在市场空间或逐步拓展

国内航空航天领域钛材消费占比显著低于全球水平，钛材消费有高端化趋势。据《2020年中国钛工业发展报告》（贾翃等，2020），全球航空钛合金消费量占整体消费量的46%，而国内航空航天钛合金消费量仅占整体消费量的18%。国内钛产业结构步入由低端向高端发展的时期，钛行业经过几年产业结构调整，加工设备已逐步实现专业化，钛合金材料逐步向高端航空、航天、船舰、医疗、兵器等领域迈进。

防务端，国内航空高端装备领域较高景气度叠加飞机钛合金用量提升，有望共同推动国内钛材消费向高端应用领域拓展。飞机和发动机是钛材的重要应用领域，相比国外先进战斗机钛材用量占比情况，国内飞机先进材料使用量占比仍有较大提升空间。近五年国内航空航天钛材销量CAGR约为20%，我们预计，中长期看，随装备信息化升级换代需求及高端装备中钛材等高性能材料用量占比上升，钛材的用量及价值量空间有望逐步被打开。

国内商业航空市场景气度有望伴随国内相关企业供给能力的改善而提升，其中关键材料国产化需求或拉动国内高端钛材市场发展。中国东航2022年5月10日公告《2022 年度非公开发行A股预案》，拟募集金额不超过150亿元，拟引进的38架飞机项目中 引进C919、ARJ21分别为4架、24架，目录总价为13.08亿美元，或反映国产民航飞机市场后续成长空间仍较为广阔。据《关于西部超导材料科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件的审核问询函的回复（修订稿）》：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；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7,840吨的机身钛含量，假设损耗率为80%，C919将带来约4万吨的钛合金需求（不含发动机）。

二、市场空间：航空航天钛合金产业链各环节空间测算

2020年我国航空航天钛材测算市场空间大约为60~86亿元。据《关于西部超导材料科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件的审核问询函的回复（修订稿）》， 根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会发布的2011年~2020年中国钛工业发展报告，2020年我国国内钛材销量约为84489吨，其中航空航天钛材销量占比20.39%，约为 17228吨。西部超导此次定增预计新增钛合金产能5050吨，其中钛合金（大规格）单价约为35万/吨，钛合金（小规格）约为50万/吨。考虑西部超导钛材聚焦于航空航天等高端装备领域，基于该数据测算，2020年我国航空航天钛材市场规模约为60~86 亿元附近。

预计到2025年我国航空航天钛材市场规模大约为150~214亿元。据《关于西部超导 材料科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件的审核问询函的回复（修订稿）》，“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%的比例，谨慎假设未来10年的复合增长率保持20%不变”，基于该假设，并结合上文公司公告的钛合金单价计算，预计到2025年我国航空航天钛材市场规模大约为150~214亿元。

2020年我国航空航天钛合金锻件测算市场空间约为157~224亿元。钛材为航空航天装备产业链上游环节，中游环节一般是锻造、铸造企业。以锻造环节为例，当前国内航空锻件生产单位包括中航重机、德阳万航、三角防务、派克新材、航宇科技等。我们测算国内航空航天钛合金锻件市场空间的思路及测算依据如下：1.中航重机（2015-2021年）、三角防务（2016-2020年）、派克新材（2016-2021 年）、航宇科技（2017-2021年）的直接材料占营业成本比重在70%~80%左右。2.以三角防务为例，其毛利率较为稳定，2017~2021年平均毛利率约为45%。3. 据西部超导2021年10月公告《关于西部超导材料科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件的审核问询函的回复（修订稿）》，2018/2019/2020年报告期内西 部超导销售至西安三角防务股份有限公司的不含税销售额，分别排在3/2/2位。据西部超导招股书，2016/2017/2018年报告期内三角防务分别为公司第3/3/2大客户，销 售金额占比分别为10.45%/15.95%/9.79%。4. 据三角防务2022年8月公告《西安三角防务股份有限公司向特定对象发行股票并在创业板上市募集说明书(申报稿)》，公司采购的原材料主要为钛合金、高温合金、高强度钢，2019/2020/2021年报告期内主要原材料中钛合金采购金额分别为 2.93/5.23/6.48亿元，占钛合金、高温合金、高强度钢、模块四种主要原材料合金采购金额的80%/84%/87%。综上，基于航空航天较为集中的供应链体系，我们结合2020年国内航空航天钛合金销量、锻件企业直接材料占营业成本比重70%、三角防务锻造毛利率45%。基于上 述数据测算，2020年我国航空航天钛合金锻件市场规模大约为157~224亿元附近。基于上文西部超导预测国内航空航天钛合金销量数据、销售单价、直接材料占营业成本比重、三角防务锻造毛利率等，预计到2025年我国航空航天锻造市场规模大约为390~557亿元。

2020年我国航空航天钛合金机加测算市场规模大约为219~313亿元（指机加成品件价值）。据爱乐达2017年招股书，“据公司估算，公司所加工的飞机零部件中，铝合金产品加工费与材料价值之比通常在1:1左右，钛合金及不锈钢产品加工费与材料价值之比通常在1:2.5左右。”由于机加上游主要为锻件及铸件，基于上述测算的航 空航天钛合金锻件市场规模，2020年我国航空航天钛合金机加市场规模大约为 219~313亿元。基于上文西部超导预测国内航空航天钛合金销量数据、销售单价、直接材料占营业成本比重、三角防务锻造毛利率及爱乐达加工费与材料价值之比等，预计到2025年我国航空航天钛合金机加市场规模大约为546~779亿元（指机加成品件价值）。

三、产业链：钛材、结构件、机械加工等壁垒各有差异

（一）国内航空航天钛合金产业链主要呈现两头集中、中间略分散格局

钛合金产业链各环节呈现两头集中、中间略分散的格局。产业链最上游为海绵钛供应商，占据自然资源区位优势，呈现一定的自然垄断。中上游钛合金行业工艺壁垒较高，材料企业成为合格供应商需耗时长达数年，叠加较高的产能及成本控制能力要求，目前国内主要企业已形成先发优势。中游锻铸件行业尤其以大型模锻件厂商 为例，对大型设备的投入要求高，叠加中游工艺热处理环节的不可测性等技术壁垒，已具备先发优势的企业可通过提升产能利用率达到规模效用，盈利能力弹性空间较 大。中下游机加环节因结构件种类繁多、工艺需求不同，扩大生产须扩大人员规模及设备投入，规模效应相对有限。

（二）钛材壁垒：工艺为禀赋，成本控制、产能拓展能力影响盈利规模

钛材产品按其形态可以分为棒材、板材、丝材、管材、锻件、铸件等细分类别，基于不同形态产品的性能，应用于不同领域。其中，棒材强度高且抗蚀性好，被广泛应用于航空航天领域；板材耐蚀性优异；丝材热性能良好、无毒性、无磁性；管材质量轻、强度高、耐腐蚀性能极好；上述不同形态钛材在航空航天等领域等均有应用。

中上游钛材制备决定钛产品质量，下游需求升级驱动材料创新，工艺积累水平筑壁垒。从产品形态看，到下游应用市场前，钛合金产业链有三大核心环节，提取海绵钛、钛锭熔铸、钛材加工，其中前两个环节对原材料的处理和加工工艺繁复。生产钛材的主要原材料为海绵钛，海绵钛是钛矿石中经过了提纯、加工后的海绵状的纯钛， 海绵钛经过熔铸得到钛锭或钛合金锭，产品成材率需要经过长时间的工艺积累不断提高，海绵钛和钛材质量直接决定钛产品的质量。此外，随下游飞机等高端应用领 域设计方法升级，对钛合金材料的性能要求逐步提升。例如，参考航空工业出版社 《新型航空高性能钛合金材料技术研究与发展》，随着新一代飞机采用损伤容限设计，提纯钛合金应进一步满足飞机长寿命、高减重的使用需求。

中上游企业成本结构中原材料占比较高，高端装备领域下游客户价格稳定性较高，成本控制能力或影响钛材环节的盈利弹性。钛材属于原材料配套层级，不需要军方审价，但下游锻件军品价格稳定高，上游钛材供应商更多承担原材料向上波动风险。据西部超导招股书：“公司下游航空锻件厂的产品定价是根据《军品价格管理办法》 等规定进行审价确定，在此基础上公司与其协商确定产品定价，因此价格一旦确定后，除非发生原材料价格大幅上涨等特殊事项，价格不会调整。”钛材厂商通过多种途径不断提升盈利弹性空间，例如西部超导则通过高端装备配套产品占比较高的产品结构布局，维持较高的毛利率水平。同时，据《钛合金材料低成本化制备技术进展与展望》（中国有色金属学报，2021.11），低成本熔炼技术主要包括熔炼时钛及钛合金残料添加和一次熔炼技术。宝钛股份通过控股宝钛华神保障原料供应，平抑原材料价格波动风险。据西部材料2020年非公开发行预案，子公司西部钛业，在2020 年高性能钛材技改项目中，新增国外先进的EB炉和VAR炉等设备，通过“EB炉一次 熔炼成锭，扁锭直接轧制”的短流程工艺，有望实现生产周期缩短一半，生产成本显著下降；此外，本次募投项目通过把先进的EB炉和现代化的残钛回收生产线有效结合起来，形成每年回收残钛2,000吨的能力，实现材料的循环利用，进一步降低生产 成本。

钛材繁杂且多环节的生产链，对各生产环节、各种类产品的设备水平及产能拓展能力提出较高的要求，或为盈利规模的重要决定因素之一。据西部超导招股书，以大棒材和锻坯的生产流程为例，需要在西部超导内部经过熔铸厂（铸锭熔炼）和自由锻造厂（大棒材和锻坯生产）两个制造厂的加工，并在单个厂内需要多个环节的加工流程，如在熔铸厂需要经过混料、压制电机、焊电极、三次熔炼等工艺，而绝大多数环节需配套不同生产设备，导致各环节的生产瓶颈将会影响最终产值的释放与扩大。因此，钛材厂商的设备水平及产能拓展能力提出较高的要求，或为盈利规模的重要决定因素之一。

（三）锻造壁垒：设备投入为先发壁垒，材料制造热工艺的积累为核心

锻造与铸造同属当前主流的金属成型工艺之一。据派克新材招股书，锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定 几何尺寸、形状的零件（或毛坯）并改善其组织和性能的加工方法。金属材料经过锻造加工后，形状、尺寸稳定性好，组织均匀，纤维组织合理，具有最佳的综合力学性能。机械装备中的主承力结构或次承力结构件一般都是由锻件制成的，锻件广泛地应用于国民经济和国防工业的各个领域。锻造实质是利用金属的塑性变形使金属毛 坯改变形状和性能而成为合格锻件的加工过程，其根本目的是利用外加载荷（冲击 载荷或静载荷）通过锻压设备或模具使金属毛坯产生塑性变形，从而获得所需形状 和尺寸的锻件，同时使锻件机械性能和内部组织符合一定的技术要求。

中游锻造环节研发费用前置及技术可拓展性带来的强范围经济。相比于下游机加和终端的整机厂环节，中游锻造环节的一个显著特征/优势在于其范围经济性，以及研发费用的前置性特征突出，并最终反映为边际利润的增加。范围经济不同于规模经济，前者指的是当同时生产两种产品的费用低于分别生产每种产品所需的成本的总和时，所存在的状况被称为范围经济。此处，若将产品从研发环节到制造环节的成 本纳入为生产产品所需费用时，我们认为中游锻造或具有较强的范围经济。从工艺环节看，中游锻造的目的在于改变钛合金铸锭的铸态组织、获得所需要的显微组织类型、达到规定的超声波探伤验收条件、获得模锻产品前的组织均匀化、保证制坯或模锻成形性能等。从这个角度考虑，对于不同的合金类型，包括低强度、中强度高韧性、高强高韧、超高强度、超高强韧等牌号的合金，对于中游锻造厂仅需理解如何将这些牌号的钛合金锻压成需要的显微组织即可。而当锻造厂掌握某一牌号钛合金的锻造工艺后，对于下游处于同一代、同一类型、相近部位的飞机结构件需求，锻 造厂较为容易将其工艺进行“复制”以期满足客户要求，这从根本上决定了中游锻造环节的边际投入递减。

锻造及热处理过程的参数控制为技术核心，而由于其制造过程中的不可检测性决定其前期需要高额的研发投入及试验件材料投入等。参考航空工业出版社《新型航空高性能钛合金材料技术研究与发展》，在热工艺环节中，以热变形为例，大型钛合金 结构件主要通过热模锻成形，在其成形（变形）过程中，成形工艺参数如变形温度、压下速度以及压下量等不仅决定了模锻件的成形载荷，也对钛合金的组织与性能产生明显影响，因此如若实现锻件的组织性能调控，需要获得钛合金应力应变的本构关系，明晰显微组织的演变规律。

锻件成品（指热处理后成品）疲劳寿命分析是下游检验其是否为合格品的关键环节，当前多使用理论模拟及超声检测等技术手段完成，但考虑下游高端装备对性能及安全性的双重高标准，在下游产品导入阶段，常需要一定周期进行疲劳试验。例如，锻件内部的裂纹、气孔、缩孔等缺陷可采用无损检测进行，而锻件内部的宏观组织则需通过解剖随机抽出的某个锻件典型的截面进行观察与分析，但考虑到下游对于结构件性能及安全性的双重高标准，对于新供应商的锻件产品通过解剖随机抽出截面难以保障其实际的使用性能，因此将产品导入成熟供应链或需要一定时间的载机试验等，所需的时间周期或相对较长。

（四）机加壁垒：设备能力、大客户长期配套关系及多工序能力筑壁垒

航空零部件行业处于整个航空制造业的中后端。主要从事将材料/毛坯通过钣金/机加等加工为精密零件，然后将零件装配为部件交付主机厂，同时为零部件加工提供辅助性的工装和夹具。上游行业主要为铝合金、钛合金、不锈钢等金属和复合材料、高端数控加工设备制造、刀具、切削液、导轨油等主、辅材料行业以及水、电等燃料动 力行业，下游为军用和民用各航空器主机厂和分承制厂。生产环节可以分为毛坯制造、零件加工和装配三个工艺过程，即基础板材、型材和管材经钣金零件成形（热成型、弯压等）、机械加工（切削等）后再经特殊工艺处理（主要指无损检测、热表处理）加工成为飞机零部件，部分企业还负责组件、部件装配业务。

机械加工与数字化设计和数字化制造技术相结合，能更好地保证零件的强度和尺寸的精度。随着飞机技术性能的不断提高和数控加工技术的广泛应用，部分钣金件直接设计成机加件，机加零件的数目在不断增多，尤其是整体大件增加得更为显著。以歼击机为例，机加零件的件数N，整体大件的件数M和机加零件的制造劳动量占全 机制造劳动量的百分数B都在不断增长。

特殊过程工艺处理主要包括无损检测、热处理、表面处理等。无损检测的主要作用是确保每道工序的制造质量符合设计要求，热处理主要是为了改变零部件半成品或成品的力学性能、物理性能和化学性能，消除内应力。表面处理主要是为了保证零部件半成品的可靠性和安全性。

航空零部件复杂的结构、形状及原材料特征，共同决定了机械加工的技术难点。一是难加工材料切削应用，航空、航天零部件常采用钛合金、高温合金及复合材料等，加工难度高；二是工艺及零件精度要求，飞机零件大多采用复杂曲面和高结构效率 的整体、轻量化结构，加工中为避免产生切削变形和提高效率，对制造工艺以及制 造设备提出高要求；三是过程控制及检测要求，零件加工过程控制是对其满足设计尺寸特性要求而进行的一些检测等，检测的结果用来验证在制造中结果反映与设计要求相符的一致性。技术难点特征使得机加与数字化设计、制造技术结合，工艺、设备成为机加企业关键竞争力所在，特殊过程工艺处理成为企业业务延伸方向之一。

先进设备批产能力是飞机结构厂商的核心竞争壁垒之一。以全球最大的 Non-OEM 飞机结构件设计和制造商之一 SPR 为例，其一大核心优势在于该公司具有先进的生产设备和技术。SPR 在年报中表示，公司的制造技术是由公司最先进的设备支持，公司有数以千计的主要定制设备安装在工厂中，公司在行业领先的工程能力是区别 于竞争对手的关键战略因素。例如，为了制造 B787 和 A350XWB 的复合前机身和 防御系统，SPR 在堪萨斯州威奇托工厂和北卡罗莱纳州金斯顿工厂建有世界上最大的加压釜（加压釜是用于制造复合结构的封闭设备，该设备会产生可控的内部热和压力条件，用于固化和粘合某些树脂，目前 SPR 拥有 30 多个高压灭菌器）。国内机加领先企业爱乐达同样注重提升生产设备水平。据爱乐达官网，公司 2017 年 IPO 募集资金后进行三轴、五轴数控加工中心扩能建设与热表处理和无损检测生产线建设，目前已有各类生产制造设备 160 余台（套），适用于数控精密加工、特种工艺、无损检测三大关键环节。据爱乐达《7-1 发行人及保荐机构关于发行人申请向特定对 象发行股票的审核问询函之回复报告(修订稿)》，2021 年公司拟投入 33890 万元完成设备购置安装，拟新增若干包括自动化物联网设备及控制系统、车铣复合加工中心、机械臂和控制柜等在内的自动化硬件，以及包括数字化检测软件、ERP 等在内的智能制造专用软件，在扩充产能规模的基础上提升智能化制造水平。

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