敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DONGXING SECURITIES 行业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 国防军工 行业： 航空发动机产业 链梳理 ，扬帆起航正当时 2020年 12 月 3 日 看好 /维持 国防军工 行业报告 1、航空发动机是当之无愧的工业之巅 ， 核心机 是 发动机研制关键的一环 航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一，涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域，是技术密集、知识密集的高科技产品，对基础材料、加工工艺、装配工艺、基础试验等有着苛刻的要求，因而被誉为现代制造业“皇冠上的明珠”。 核心机是发动机的心脏，核心机在发动机的研制成本中占比最大，研制周期（预研阶段）最长。 同时，核心机可以派生出很多不同系列发动机。 2、 航发 产业链 ： 上游研发设计 、 中游分系统制造 、 下游整机制造 发动机的整机和系统制造是最关键的一步。 发动机的核心技术及总装集成、客户销售、后续的发动机大修与零部件更换等环节都被整机制造商所控制，整机制造商负责整体设计，承担研发风险，利润也相对最高。 叶片是航空发动机的最核心部件，它的制造占据了整个发动机制造 30%以上的工作量 。 目前金属材料和先进复合材料是航空发动机叶片制造的两大类主要材料。 动力控制系统从液压机械控制发展到全权限数字电子控制（ FADEC） 。 发动机状态监视和故障诊断系统归入发动机控制系统，并且防喘控制也越来越受到专家的关注。 航空发动机的零部件有盘轴、风扇轴、涡轮盘、轴、整体叶盘 /叶轮、涡轮机匣和风扇匣等， 按毛坯提供方式可以分为锻造件、铸造件和钣金件。 高温合金一般应用于四大领域。 新型的先进航空发动机中，高温合金用量占发动机总重量的40%-60%以上，主要用于燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件，此外还用于机匣、 环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。 。 3、 军用航空发动机 增量和存量市场空间巨大 军用航空发动机主要包括新增市场和存量维护保养市场。 新增市场方面， 我们预计未来十年军机 航发 增量市场为 335.1 亿美元 ； 存量维修和保养市场方面，航空发动机每运行一段时间 (50-100 个小时 )需要进行一次专检，检查易损件和承力件以及油滤油泵的性能，飞行 600-1000 小时再进行一次大修，更换部分易损承力部件，一般航空发动机整个生命周期大修次数为 3 次左右，航空发动机后续维修和保养费用较高，我们维修和保养费用价格为新机的 1.2 倍 ，未来十年军机航发存量市场为 402.12 亿美元， 增量和存量市场 合计为 737.22 亿美元 。 4、产业链相关 上市公司 整个航空发动机产业链都将随着十四五期间我国主战机型的放量和航空发动机上先进材料占比的提升而受益，我们认为最为受益的环节相关公司包括， 航发动力 （发动机整机） 、 钢研高纳 （高温合金龙头） 、图南股份（高温合金龙头）和 中航重机（航空发动机锻造龙头）。 我们重点跟踪的公司为：航发动力、钢研高纳。 5、 风险提示 发动机型号研制不及预期 ； 军机列装速度不及预期； 军品订单不及预期。 未来 3-6 个月行业大事 : 行业基本资料 占比 % 股票家数 82 2.02% 重点公司家数 - - 行业市值 (亿元 ) 16783.96 1.98% 流通市值 (亿元 ) 12388.16 1.98% 行业平均市盈率 73.25 / 市场平均市盈率 22.94 / 行业指数走势图 资料来源： wind、东兴证券研究所 分析师：王习 010-66554034 wangxidxzq 执业证书编号 S1480518010001 -9.0%41.0%91.0%11/25 1/25 3/25 5/25 7/25 9/25国防军工 沪深 300 P2 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES目录 1. 航空发动机：现代工业 “皇冠上的明珠 ”，核心机是发动机研制关键的一环 . 4 1.1 航空发动机三大特点 . 4 1.2 核心机是发动机研制关键的一环 . 5 2. 航空发动机产业链包括上游研 发设计、中游分系统制造和下游整机制造 . 6 2.1 整机制造 . 6 2.2 叶片锻造及铸造 . 7 2.3 动力控制系统 . 9 2.4 零部件（包括锻造件、铸造件和钣金件） . 9 2.5 高温合金 .10 2.6 陶瓷基复合材料及钛合金 .12 3. 军用航空发动机市场空间测算 .13 4. 相关上市公司： .14 4.1 航发动力（ 600893） .14 4.2 钢研高纳（ 300034） .14 5. 风险提示 .15 相关报告汇总 .16 插图目录 图 1： 国产太行发动机 . 4 图 2： 普惠公司的 F-119 发动机被应用在 F22 上 . 5 图 3： GEF-110 核心机 . 5 图 4： 航空发动机产业链 . 6 图 5： 疑似换装 ws-20 的大运 . 7 图 6： 航空发动机叶片 . 7 图 7： 航空发动机涡轮叶片 . 7 图 8： 涡轮叶片气膜冷却结构发展历程 . 8 图 9： 航空发动机中高温合金应用 部位 . 11 图 10： 陶瓷基符合材料 .12 图 11： 航空发动机构成材料 .12 图 12：航空发动机生命周期示意图 .13 表格目录 表 1： 我们预测的部分重点机型发动机配套情况 . 4 表 2： 高温合金及分类 .10 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 P3 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES表 3： 发动机增量市场测算 .13 P4 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES1. 航空发动机：现代工业“皇冠上的明珠” ，核心机 是 发动机研制关键的一环 1.1 航空发动机三大特点 航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一，涉及气动热力学、燃烧学、传热学、结构力学、控制理论等众多领域，是技术密集、知识密集的高科技产品，对基础材料、加工工艺、装配工艺、基础试验等有着苛刻的要求， 因而被誉为现代制造业“皇冠上的明珠”。目前，各种类型的航空发动机分别被广泛应用于不同飞行包线的固定翼飞机和直升机，是现代航空制造业的核心环节，可以说航空发动机的技术水平是推动航空器性能提升的核心因素。 航空发动机产业有以下特点：技术壁垒高、经济回报高、研制周期长。 （ 1） 技术壁垒高： 高温高压高转速，考验现代工业技术极限。 （ 2） 经济回报高： 由于两机产业技术壁垒极高，一旦切入两机供应体系，面临的竞争威胁很小，获得的经济回报高且回报周期长。 （ 3） 研制周期长： 航空发动机的研制流程可分为预先研究、工程研制和使用发展三大阶段，研制周期长既是进入两机产业的风险，也是行业高进入壁垒。在研制阶段由于大量的试验亦能带来配套产品的需求。 图 1： 国产太行发动机 资料来源： 中国航发集团官网 ，东兴证券研究所 表 1： 我们预测的 部分重点机型发动机配套情况 型号 配套航发 国产厂商 歼 10 AL-31F(未来或由 WS-10 替代） 黎明 歼 11/15/16 WS10 黎明 歼 20 AL-31F(未来或由 WS-15 替代） 黎明 歼 31 RD-93（未来或由 WS-19 替代） 黎阳 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 P5 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES运 20 D-30（未来或由 WS-20 替代） 西航、成航 直 10 WZ-9 南方 直 20 猜测为 WZ-10 南方 资料来源： 根据 中航工业大事记 整理 、东兴证券研究所 1.2 核心机是发动机研制关键的一环 如果说发动机是飞机的心脏，那么核心机就是发动机的心脏 。 核心机由高压压气机、主燃烧室和高压涡轮组成，它连续输出具有一定可用能量的燃气，因此又称为燃气发生器。核心机主要组成部件在发动机中处于最恶劣的工作环境（高压力、高温度），且具有最高的工作转速（压气机、高压涡轮），因而是发动机强度和使用可靠性方面最为关键的部件。 图 2： 普惠公司的 F-119 发动机被应用在 F22 上 资料来源： 百度图片 ，东兴证券研究所 核心机在发动机的 研制成本 中占比最大， 研制周期 （预研阶段） 最长。 核心机是 航空发动机研制中主要难点和关键技术最集中的部分，也是航空发动机先进性和复杂性的集中体现。 20 世纪 70 年代， 新一代发动机从概念研究到投入使用约为 10-15 年， 90 年代的战斗机发动机如 F119 从概念研究到定型 前前后后 经历了 25年以上，而在一台成熟的核心机上派生新机，周期只需要 3-5 年。 核心机可以派生出很多不同系列发动机。 从 B-2 轰炸机到 F-16 战斗机发动机大部分是以普惠 F-110 核心机派生而来， 而 普惠 F-110 的核心机来自一款代号为 GE9 的核心机 ， 这款核心机还派生出了燃气轮机和民航客机的发动机。 此外， CFM56 系列发动机的第一个型号 CFM56-2 采用了军用涡轮风扇发动机 F101 的核心机作为核心机， 配上 叶尖直径为 1.727 米的风扇及三级增压压气机、 4 级低压涡轮组成了一台高涵道比涡轮风扇发动机，推力为 139 151 千牛， 1979 年投入使用。 图 3： GEF-110 核心机 P6 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES资料来源： 环球军事网 ，东兴证券研究所 2. 航空发动机产业链 包括上游研发设计、中游分系统制造 和 下游整机制造 航空 产业链主要包括上游 研发设计、高端材料供应、零部件制造，到中游分系统制造，到下游整机制造、整机试验和维修保障 。 中国航发产业从测绘仿制到自主研制 60 多年来，经历了从无到有，现如今已有了一定的技术积累，基本建立了完整的航空发动机研制和生产体系。 图 4： 航空发动机产业链 资料来源： 根据上市公司年报整理 ，东兴证券研究所 2.1 整机 制造 在航发产业链中，发动机的整机和系统制造是最关键的一步。 发动机的核心技术及总装集成、客户销售、后续的发动机大修与零部件更换等环节都被整机制造商所控制，整机制造商负责整体设计，承担研发风险，利润也相对最高。全球整机制造的代表企业有 GE、 P&W、 RR、 SAFRAN，国内则以 航发动力 为主导。 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 P7 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES上市公司航发动力是航发整机制造的承制单位， 产品全谱系覆盖。 航发动力集成了我国航空发动机整机的几乎全部型号，在产品的量价二维体系中最为稳定，将享受确定性溢价。公司主打的“太行”系列产品已在我国主战机型上大规模应用；涡轴、涡桨类产品亦全面列装我国军用直升机及中型运输机；涡喷类产品仍为 我国早期型号军机提供稳定换发保障。未来随着几款重点型号发动机研制列装的加速，我国有望实现军机发动机全部国产化的愿景。此外在外贸方面，国产航发伴随国产战机走出去的可能性也在逐步增强。 大运未来或全面换装涡扇 20。 2020 年 11 月 21 日，网传 大运 已装备四台 WS-20 发动机进行飞行试验， WS-20的顺利换装 。 这 一方面解决了 大运 的产能瓶颈，使其成为全状态版本；另一方面提高了 大运 的运载能力和航程，对于 大运 实现跨洲际远程飞行、中短程重载飞行有着重要意义。 若 大运 确认换装了 4 发 WS-20，那么可以认为 WS-20 的研发以进入尾声 ， 后续经过一定调整将 进入小批量生产阶段 ，届时将基本解决我国大型军用飞机发动机的瓶颈， WS-20 也将成为航发动力业绩的重要贡献力量 。 图 5： 疑似换装 ws-20 的大运 资料来源： 新浪军事网站 ，东兴证券研究所 2.2 叶片锻造及铸造 叶片是航空发动机的最核心部件，它的制造占据了整个发动机制造 30%以上的工作量 。叶片 是发动机中数量最大的一类零件，具有壁薄易变形的特点，并且其所承受的工况十分恶劣。 目前金属材料和先进复合材料是航空发动机叶片制造的两大类主要材料，如何高效、高质量地对其进行加工已经成为了目前叶片制造行业研究的重点之一，也是制造出高性能航空发动机的关键。辅以表面处理技术来完成叶片的高品质制造。 图 6： 航空发动机叶片 图 7： 航空发动机涡轮叶片 P8 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES资料来源：百度百科，东兴证券研究所 资料来源：百度百科，东兴证券研究所 航空发动机叶片按照部件分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。 按照运动方式分为动叶和静叶。其中风扇叶片和压气机叶片主要以数控加工、精密锻造、超塑成型 /扩散连接方式为主 。压气机叶片则分为压气机低压级叶片和压气机高压级叶片，随着压气机级数增多，压气机叶片工作温度提升，选用变形高温合金取代钛合金。并且，在高压压气机末级，选用材料由变形高温合金到新型轻质耐高温 Ti-Al 合金转变。 而涡轮叶片所处环境较风扇叶片和压气机叶片更为恶劣，故对其材料和加工工艺都有着更为严格的要求，目前普遍采取精密铸造的方式对涡轮叶片进行加工，并辅以磨削等其他一些加工方法。 涡轮低压级叶片工作温度相对涡轮高压级叶片温度较低，主要采用定向结晶铸造镍基高温合金。新型轻质耐高温 Ti-Al 和陶瓷基复合材料也已经在部分 机型上成功应用。 目前全球叶片市场仍以欧美企业为主导，例如 GE、赛峰、罗罗、普惠等国际航空发动机巨头均拥有直属工厂，或与合作公司成立合资工厂。 而随着国内航空发动机叶片制造技术的不断进步，也有部分企业逐步具备了，引导中国航发叶片市场。 目前国内 叶片 市场由 航发动力、 炼石航空 、万泽股份和应流股份等企业 主导。航发动力 拥有国内最大的叶片生产线，其精密锻造、表面处理生产线都处于亚洲领先地位。 此 外， 炼石航空公司立足于高温合金材料及航空发动机单晶涡轮叶片研制，已构建了“铼元素高温合金单晶叶片航空零部件航空发动机大型无人机整机”完整的产业链。 图 8： 涡轮叶片气膜冷却结构发展历程 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 P9 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES资料来源： 百度百科， 东兴证券研究所 2.3 动力控制系统 随着航空发动机技术的日益进步，其性能不断地提高，燃油和控制系统也由简单到复杂发展，从液压机械控制发展到全权限数字电子控制（ FADEC），发动机状态监视和故障诊断系统归入发动机控制系统，并且防喘控制也越来越受到专家的关注。目前国际市场上以英美为主导，我 国 从 80年代初进行了 FADEC系统的研究，并取得了较为瞩目的研究成果。 在动力控制系统方面，我国的 航发控制 已处于国内市场垄断地位，公司是国家航空动力控制系统及产品研制、生产基地，已经构建了较为完整的航空发动机燃油与控制系统专业体系，拥有国家一流专业科研人才，科研实力雄厚。另外具备一定实力的海特高新等民营企业也试图进入市场，公司已完成战略转型，由一家传统航空维修企业转向综合航空技术服务企业，公司航空新技术研发制造业务板块已形成产量量产、多种新型号在研，以及多个项目预研全面推进的良好局面。 2.4 零部件（包括锻造件、铸造件和钣金件） 航空发动机的零部件有盘轴、风扇轴、涡轮盘、轴、整体叶盘 /叶轮、涡轮机匣和风扇匣等， 按毛坯提供方式可以分为锻造件、铸造件和钣金件。 （ 1）锻造件 锻件是指通过对金属坯料进行锻造变形而得到的工件或毛坯。 利用对金属坯料施加压力，使其产生塑形变形，可改变其机械性能。目前航空发动机的零部件锻件毛坯占毛坯总重量的一半以上，航空发动机的风扇和压气机叶片、盘、轴、齿轮和部分机匣零件采用锻造工艺。随着航空发动机工艺制造技术的发展，叶片作为发动机的核心部件形成了与其他零件不同的精锻工艺。其他盘、轴、齿轮和机匣等零件锻造则以涡轮 盘锻件工艺最为先进。目前航空发动机锻件领域，英美德日走在世界前列，依托高端技术，占据着国际高端市场，国内企业实力相对薄弱， 以中航重机为主导，占据国内航空锻造市场 60%的份额， 2019 年一件大型精密的锻件产品在全球最大电动螺旋压力机的锻压下，正式在中航重机西安航空锻造产业基地出炉。此产品的问世，标志着我们锻造产品正式进入到精锻 3.0 时代。 P10 东兴证券行业报告 国防军工 行业： 航空发动机产业链梳理，扬帆起航正当时 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES（ 2）铸造件 铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，即把冶炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经打磨等后续加工手段后，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。航空发动机涡轮叶片和部分机匣采用铸造工艺，其中以涡轮铸造技术最为先进。传统的低压浇铸方法存在氧化夹渣、气孔、缩孔、裂纹等一系列弊端，精密铸造制坯是铸造领域主要的发展方向。 （ 3）钣金件 钣金是一种针对金属薄板（通常在 6mm 以下）的综合冷加工工艺，包括剪、冲 /切 /复合、折、焊接、铆接、拼接、成型等。其显著的特征就是同一零件厚 度一致。通过钣金工艺加工出的产品叫做钣金件。发动机的燃烧室、喷灌机匣以钣金件为主。 在航空发动机铸件领域，常规铸件和非单晶叶片铸造以 中航重机 为主，近几年不少民企也积极进入这个领域，逐渐成为这个领域不可忽视的一股力量，比如 新研股份、华伍股份 等公司。 2.5 高温合金 高温合金又叫热强合金、超级合金。 按基体组织材料可分为三类：铁基、镍基和钴基。按生产方式可分为铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。按强化机理可分为碳化物强化、固溶强化、时效强化和弥散强化。 表 2： 高温合金及分类 分类标准 高温合金种类 主要特征 制造工艺 铸造高温合金 采用精密铸造工艺制成零件，零件强度较高，但不适合进行热加工。 变形高温合金 合金化程度和高温强度较低。 粉末冶金高温合金 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法改善其热塑性而成为变形高温合金。 合金主要元素 铁基高温合金 使用温度较低（ 600850 ），一般用于涡轮盘、 机匣和轴等零件。 镍基高温合金 使用温度最高（约 1000 ），广泛用于制造航空喷气发动机、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， 由于钴资源较少而 价格昂贵。 强化方式 固溶强化高温合金 抗氧化性强，塑性和成型性良好，具有一定的高温强度，主要用于环境温度较高，但承受应力较低的零件，如燃烧室和火焰筒等。 时效强化高温合金 具有较高的高温强度和蠕变强度以及良好的综合性能，主要用于承受高负荷、环境温度为高、中温的零件，如涡轮叶片、涡轮盘等。 氧化物弥散强化高温合金 合金中弥散分布氧化物颗粒，具有高热稳定性，在 1000 以上仍能保持较高的强度。 晶界强化高温合金 在合金中加入微量硼、铈、锆和镁等元素改善晶界状态以提高 高合金的抗蠕变能力。