航天军工新材料行业深度研究下游需求浪潮已

（报告出品方/作者：华泰证券，李聪、陈莉）

一、航空工业持续升级，新材料产业链中心地位日益凸显

是十四五的开局之年，作为整个军工产业链核心位置的新材料板块有望迎来较大的发展空间。20世纪是现代科学技术飞速发展的一个世纪，其中重要的标志之一就是人类在航空航天领域所取得的辉煌成就。进入21世纪，航空航天已展现出更加广阔的发展前景，高水平或超高水平的航空航天活动更加频繁。航空航天事业所取得的巨大成就，与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的。材料是现代高新技术和产业的基础与先导，很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展。可以说，材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用。

航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是航空产品更新换代的技术基础。材料在航空工业及航空产品的发展中占有极其重要的地位和作用。进入21世纪，航空材料正朝着高性能化、高功能化、多功能化、结构功能一体化、复合化、智能化、低成本以及与环境相容化的方向发展。

1.机身材料:轻质化、高强度

战斗机的高空、高速和高机动能力要求飞机的结构选材必须保证足够的使用强度、刚度要求。根据《先进战斗机结构选材与制造工艺需求分析》（李航航等，年10月，高能束流加工技术国际研讨会），90年代后期出现了以美国F-22战斗机为代表的第四代战斗机，飞机结构采用翼身融合体结构、菱形机翼、外倾式双垂尾和大边条翼等；飞机结构材料虽然仍以金属材料为主，传统的钢材和铝合金材料的用量比例已经降低，总和不到20％。钛合金和复合材料用量均大大超过这一比例。F-22飞机这样选材的主要原因，一是为了减轻结构重量；二是为了满足高温条件下的结构使用强度要求；三是实现飞机结构的隐身要求等，该飞机的结构重量系数降到了27.8％。

材料具有较高的比强度和比刚度，就意味着同样质量的材料具有更大的承受有效载荷的能力，即可增加运载能力。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷，不仅可以增加飞行距离，而且可以提高单位结构重量的效费比。

不仅在军机领域，复合材料与钛合金在民机的不断迭代中也扮演重要角色。根据《从AXWB看大型客机的选材方向》（陈亚莉，年2月，航空制造技术），在空客（AIRFP）与波音（BAUS）的客机中，复合材料与钛合金机体质量分数占比约为50%与15%。以飞机制造商空客为例，在AXWB大型民机中，复合材料的用量提升最快，在机身、机翼与尾翼上均有大量应用，全机结构质量分数为53%，相比上一代民机A大幅提升31pct；同时，钛合金结构质量分数为14%，相比A提升4pct。

2.发动机材料：耐高温为主要发展方向

热力学第二定律指出所有热机的热效率均有一个上限值。热效率的上限和热机输入热的温度（热源温度）及热机的环境温度（冷源温度）有关。我们可以用卡诺循环来表示理想的热机循环热效率。

在卡诺循环中，当吸热量为Q1,放热量为Q2时，循环所作净功为W0=Q1-Q2，根据卡诺循环的热熵曲线可得卡诺循环的热效率为：η=1-T2/T1，由此可以看出，热机的输入热源温度T1越高，热机工作效率越高。因此，动力领域对工作温度要求的提升将带动相关材料的升级换代。

航空发动机涡轮入口温度需要不断提高。喷口温度从K提升到K时，涡轮输出效率可从46.40%提升到51.60%。这要求发动机材料的升级换代，同时原来那些可以使用合金钢的零件，如压气机盘和叶片等，也需要使用高温合金。

军用航空发动机历经五代，推重比不断提升，高温合金、陶瓷基复材是核心材料。第一代涡扇发动机出现在20世纪50年代，以英国的康维发动机、美国的JT3D发动机为代表，推重比在2左右；第二代涡扇发动机出现在20世纪60年代，以英国的斯贝MK和美国的TF30发动机为代表，推重比在5左右；第三代涡扇发动机出现在20世纪70-80年代，以美国的F、欧洲的RB和苏联的AL-31F发动机为代表，推重比在8左右；第四代涡扇发动机出现在20世纪90年代，以美国的F和欧洲的EJ发动机为代表，推重比在10以上；第五代涡扇发动机出现在21世纪初，以美国的F和英、美联合研制的F发动机为代表，推重比为12-13。未来航空发动机推重比将不断提高，美国已经开启第6代航空发动机的研发，预计推重比将达到16-18。

二、钛合金：性质优良的“万能金属”，军民需求快速增长

1.高性能航空耗材，形成“一超多强”格局

钛金属具有低比重和高比强度的特性，其合金在航空航天领域对于提升飞行器推重比有重要意义，近年来受到广泛使用。除军工、航空航天领域之外，钛合金还较多应用于化工、冶金、医疗、体育休闲等领域。

钛产业链主要分为有色金属和化工涂料两条，有色金属链为：钛精矿→四氯化钛→海绵钛→钛锭/钛合金→钛材，化工涂料链为：钛精矿→四氯化钛→钛白粉。两个领域上游共用钛铁矿、金红石等资源。

全球钛材消费量与航空航天业的发展息息相关。自0年以来，我国钛材需求主要集中在中低端的石油化工领域，随着年中国“十三五”规划的制定以及国防军队现代化的“三步走”战略的更新，航空航天领域用钛量不断提升。对于军用钛材而言，由于军工行业的特殊性，需接受国防科工局监管，采用严格的行政许可制度，对产品质量的要求更苛刻，在钛材“高均匀性、高纯净性、高稳定性”方面提出更高的要求。年中国钛材总消费量达6.9万吨，其中航空航天用钛量约为1.2万吨，占总消费量的17%。我们认为，虽然近年来中国航空航天、船舶制造、海洋工程等高端用钛占比持续优化，但是与全球钛材需求结构相比，高端用钛占比依旧偏低，未来增量空间广阔。

中国钛工业在第一个五年计划时期的年开始起步，先后建设以遵义钛厂为代表的10余家海绵钛生产单位、以宝鸡有色加工厂为代表的数家钛材加工单位，同时也形成以北京有色研究总院、西北有色金属研究院为代表的科研力量，也因此成为继美国、苏联和日本之后的第四个具有完整钛工业体系的国家。如今中国已成为名副其实的钛工业大国，但还不是钛工业强国。高端钛材的研发能力尚不成熟，高低端钛材的供需处于结构性失衡的状态。

年起中国“十四五”规划和军队现代化建设正式进入加速期，航空航天、军工装备等高端领域用钛大幅提升，年中国钛材总产量为7.5万吨，同比增长18%。从产品组成上来看，板材为主要产品，产量达3.9万吨，同比增加9%，占据钛材产量的52%。从供给结构来看，中国钛材制造企业呈现一超多强的局面。“一超”为中国钛企龙头宝钛股份（CH），“多强”包括西部超导（CH）、西部材料（CH）等公司。虽然中国高端钛材制造能力近年来高速发展，但仍无法完全满足下游军品钛材的旺盛需求，部分钛材仍需从乌克兰、哈萨克斯坦等国进口。年中国钛材总进口量达吨，小幅下滑7%。其中，技术要求较高的薄钛板、片、带常年处于净进口状态，年净进口吨，较年增长3%。

2.军用市场：新机置换进行时，高端钛材市场广阔

目前中国军品钛材主要应用在军事战机，军用战机中钛合金主要应用于两个部位：

（1）航空发动机：作为飞机的心脏，发动机不仅要承受极大的应力和高温，同时还要保证高推重比（推力/质量）。发动机压气机盘、叶片、高压压气机转子、压气机机匣等部件均采用钛合金材料。

（2）飞机机体及紧固件：钛在中等温度下高强度、耐腐蚀、质量轻等特性完美满足机身用料的要求，起落架部件、大型锻造机翼结构件、机身蒙皮、隔热罩等均采用钛合金制造。同时飞机上采用许多碳纤维复合材料，钛合金与碳纤维增强的复合材料弹性模量匹配、热膨胀系数相近；并具有很好的化学相容性，不易发生电位腐蚀。

我国军机在数量上与美国存在较大差距，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《WorldAirForces》统计，截至0年美国现役军机总数为架，在全球现役军机中占比为25%，而我国现役军机总数为架，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，具有显著的总量提升需求。

我国空军目前正在向战略空军转型，预计未来10年带来军机需求较大。根据华泰军工组此前发表报告《航天军工：大国复苏，军工崛起》（年3月5日），我国年-年新增军机合计约架。

新战机用钛含量更高。根据《航空用钛合金研究进展》（金和喜等，年12月，航空用钛合金研究进展），相比三代机J-10、J-11系列含钛量为4%，四代机J-20钛合金用量达20%。随着新机置换的逐步推进，单机高端钛合金使用量将显著提升。

由于高端军品钛合金在材料后端损耗率高、成材率低，钛原材料需求量比实际飞机上用量更高。这主要来源于：

（1）原材料在后期锻压或热处理过程中出现力学性能不达标，造成报废（成材率）；

（2）后期材料加工过程中因切割、深冲等工艺形成边角料，边角料可能出现应力集中或形状和尺寸不合适，无法继续使用（损耗率）。根据华泰有色组年2月26日发表的深度报告《否极“钛”来，军工材料元年开启》，高性能钛合金成材率在1:3.5左右，损耗率在70%左右。双重因素导致单位重量的军品钛材相较民用钛材有着更高的钛坯材需求。根据智研咨询，歼-10、歼-11、歼-15、歼-16等三代机单重为10吨，钛合金质量占比分别为4%、4%、15%、15%。同时，歼20为代表的四代机钛合金占比提升明显，约为20%，飞机单重约为18吨。作战支援飞机、大型运输机、武装直升机、通用直升机的钛合金占比也分别达到了5%、10%、5%、10%。结合智研咨询对-年军机增量的预测，以及考虑到高性能钛合金33%左右的成材率和70%左右的损耗率，我们预计-年中国军用战机更新换代将释放吨左右的机体钛材需求。

航空钛合金的主要需求还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25%。此外根据华泰有色组年2月26日发表的深度报告《否极“钛”来，军工材料元年开启》，我们假设发动机的装配比1:1.2，即需要20%的备用发动机。

根据《WorldAirForces》中对我国0年存量军用飞机的统计，叠加智研咨询对我国-年新增军机数量预测，我们预计到年我国战斗机保有量约为架。根据前瞻产业研究院对钛合金占发动机25%左右比重的统计，假设发动机维修换新一年进行一次，我们预计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。

根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会公开数据，年中国钛材总消费量达6.9万吨，其中航空航天用钛量约为1.2万吨。根据涂多多统计，0年受市场需求增加及市场价格上行，钛矿产量供应大幅增加，0年中国钛矿产量为万吨，全年钛矿产量较去年增长57万吨，增幅约10%，我们预计中游航空钛材需求量与上游钛矿产量增幅基本一致，按10%左右计算，0年航空钛材需求量约为1.3万吨。同时结合上文上测算，0-年我国军用飞机机体钛材需求总量约为吨，我们假设新增军机数量每年一致，那么年机体钛材需求为吨。年我国军机数量稳定后，航空钛合金市场主要来自发动机维修需求，按照发动机一年一维修估算，年发动机维修所需钛合金吨，年我国航空钛合金总需求量约为3.8万吨。-年我国航空高端钛材需求量CAGR约为11.3%。

3.民用市场：亚太地区需求强劲，C放量在即

全球客机市场空间广阔，中国及亚太地区交付预计快速增长。根据中国商飞公司市场预测年报（0-），年全球喷气式机队共有客机共架。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0-年中国及亚太地区将在民航领域快速发展，占据全球约41.6%的客机交付量。

据中国商飞预测，0-年全球将有架新机交付，价值约5.96万亿美元，用于替代和支持机队的发展。其中，涡扇支线客机交付量为架，价值约为0.23万亿美元；单通道喷气客机交付量为架，其占交付总量三分之二以上，价值约为3.44万亿美元；双通道喷气客机交付量将达架，总价值约为2.30万亿美元。到年，预计全球客机机队规模将达架，是现有机队的1.86倍。

面对波音、空客公司高度占据市场的既有格局，受益于本土较大的需求空间，预计未来C、ARJ21等机型将保持一定的追赶态势。根据中国商飞公司市场预测年报（0-），预计0-年中国将累计交付架新机，其中双通道客机占21.41%，共计架；单通道客机占比高达68.05%，共计架；余下10.54%为架支线客机。0-年，C和ARJ21机型市场总规模达到亿美元，约合人民币超4万亿。

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，单架客机钛材用量显著高于军用战机。根据《THETRADEANDEMPLOYMENTIMPLICATIONSOFANEWAIRCRAFTLAUNCH:THECASEOFTHEBOEING7E7》（DavidPritchardandAlanMacPherson，3年12月，Canada-UnitedStatesTradeCenter），波音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C，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（0-）》，0-年C大飞机（单通道客机）民用市场带来钛合金需求量约吨。根据中国航空新闻网，年第一架国产大飞机C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。

三、高温合金：成长中的军工新材料，重点

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