2022年航空发动机零部件行业发展分析

2022年航空发动机零部件行业发展分析

航空发动机零部件加工处于航空发动机制造产业链中上游，其具有环节多、工艺复杂、专业性强、精度要求高、与主机厂高度联动等特征。在军机和民机需求相继释放的背景下，零部件产品的标准化、规模化要求提升，专业分工更为明晰，很多细分领域逐步具备产业化基础。常见的航空发动机零部件有风扇、压气机、燃烧室、涡轮等。按照毛胚成形方式可分为锻造件、铸造件和钣金件等。此外，随着航空发动机机械设计日渐复杂，更为精密的机加工和3D打印技术在航空发动机零部件加工环节得到广泛应用。

1、航空发动机锻造件：发动机转子的主要组成部分，约占整机价值20%，龙头企业产品差异大

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，根据成形机理，可分为自由锻、模锻、辗环。自由锻是指用简单的通用性工具对原材料进行锻压处理和加工的方法，该方法简单、通用性好，成本低，市场占比为18.5%。模锻是在锻模膛内受压变形而获得锻件，该方法易实现机械化生产，生产率高，市场占比为75.2%。辗环是指通过专门设备辗环生产不同直径的环形零件，该方法材料利用率高，精准度高，质量好，市场占比为6.3%。

锻件是发动机转子的主要组成部分，按照产品类型可分为锻造叶片、环形锻件和盘轴类锻件等三大类。其中，锻造叶片主要为风扇/压气机叶片，环形锻件主要为各部位机匣，盘轴类锻件主要为涡轮/压气机盘。1）叶片是航空发动机最核心的部件之一，主要有锻造叶片和铸造叶片两类，它的制造占据整个发动机制造的30%以上的工作量。根据前瞻产业研究院的统计数据，锻造叶片价值占发动机叶片总价值的比例约为37%，占发动机整机价值的比例约为7%。2）环形锻件以机匣为主，还包括封严环、外涵道支承等。其中，机匣被称作航空发动机的“骨骼”。它为发动机核心部件如风扇、转轴、叶片、燃烧室及涡轮提供了安全的密闭空间，对核心零部件的失效提供了损伤包容。3）盘轴类锻件是航空发动机用锻件中数量最多、最常见的一类。由于长期在高温高压和交变载荷下工作，其性能的稳定性对航空发动机的性能有着至关重要的影响。除了涡轮/压气机盘外，常见的盘轴类锻件还包括整流罩、涡轮轴、锥轴等。

随着现代飞机对减重需求的提高，航空发动机锻造技术逐渐向整体化、精密化、薄壁化方向发展，现已形成整体成形技术、等温锻造技术、精密辗轧技术三种主要成形技术。1）整体成形技术在减少零件和连接件数量、减轻结构重量的同时，提高零件使用可靠性、缩短制造流程、降低制造成本。其主要应用于飞机机身大型整体隔框锻件的制造。整体锻造技术的发展需要大型设备的支撑，我国大型模锻压力机设备数量少，因此技术水平也尚待发展。2）等温锻造技术是一种近净成形工艺，是大型、整体、高性能钛合金复杂关键精锻件成形的一条重要途径。其在压气机盘、整体叶盘、压气机叶片的制造中，可显著改善锻件的组织性能，减轻材料用量，提高材料利用率。3）精密辗轧技术是航空发动机环形锻件的首选工艺。目前，欧美发达国家普遍采用该技术生产环形锻件，并实现了环形件的无余量近净成形，而且大幅度减少了加工量，提高了环形锻件的性能，降低了生产成本。该技术在我国尚处于发展期，产品质量尚不稳定。

航空发动机锻件价值占发动机总价值的比例约为20%，由此我们预计，我国未来十年不含后市场的航空发动机锻件市场空间约为3156亿元。锻件是飞机中重要的部件之一，在航空发动机的用量及价值占比不断提高。1）据前瞻产业研究院的数据以及上文对叶片价值的测算，我们预计锻造叶片占整机价值比例约为7%。2）据航宇科技招股书中援引2013年的公开数据显示，环形锻件价值占比约为6%。考虑到环形锻件用量和产品技术复杂度不断提升，我们预计环形锻件价值占比可达8%。3）据2016年三角防务公开转让说明书，锻件在发动机价值占比约为15%-20%，考虑未来航发锻件良好的发展态势，我们推算盘轴类锻件价值占比约为5%。综上所述，我们预计航空发动机总锻件价值约占发动机总价值的20%。基于上文对我国未来十年航发市场空间的预测，我们预计，我国未来十年军用航发锻件市场空间约为1420亿元，民用航发锻件市场空间约为1736亿元。综上所述，我国未来十年航发用锻件总市场空间约为3156亿元。

国内航发锻件龙头企业产品差异化大，总体来看，中航重机龙头地位稳定，优秀民企纷纷涌现。国内航空锻件制造企业主要包括国有大型军工企业或其下属科研院所和民营军品生产企业。其中，中航重机是行业龙头，旗下子公司陕西宏远和贵州安大，专门从事航空锻造业务。陕西宏远以机身的大型模锻件为主，贵州安大以航空发动机的环锻件为主。此外，随着航空发动机主机厂实行“小核心，大协作”的生产制造模式，国内以航宇科技、航亚科技、派克新材、无锡透平、三角防务等为代表的民营优秀供应商纷纷涌现，不断成为国内外主流航空发动机锻件的重要供应商。例如，航宇科技是新一代窄体客机发动机LEAP高压涡轮机匣锻件的主要生产企业；航亚科技已成为赛峰、GE航空等国际主流航空发动机制造企业的核心供应商；派克新材是我国第二家成为美国GE供应配套环锻件的企业。

2、航空发动机铸造件：发动机关键构件，约占整机价值40%，科研院所为主，民企竞相涌入

铸造是指将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯的方法，具有保证零件承温能力、提高零件精度等优势。相较于锻造，铸造方法具有得天独厚的优势：1）零件复杂程度基本不受限制，可使用高合金化材料进行生产，保证零件的承温能力。2）可通过型芯和精铸技术制备具有复杂内腔的空心叶片，提高铸造高温合金的使用温度。3）定向凝固技术、单晶制备技术等先进铸造手段可保证零件在各种工作环境下的使用性能。4）利用大型复杂薄壁技术制备的铸件，尺精度和表面粗糙度可达到较高水平。

图：铸造为涡轮叶片等复杂件的主要成型工艺

铸造件是航空发动机的关键构件，使用原材料贵，技术复杂度高，主要应用于航空发动机的涡轮叶片、机匣、尾喷管等部位。1）涡轮叶片是航空发动机的关键热端部件，一般承受较大的工作应力和较高的工作温度，且变化频繁和剧烈，因此对其加工精度要求很高。目前，国际上主流的涡轮叶片采取精密铸造的单晶高温合金空心叶片。2）机匣中铸造件的代表是中介机匣。中介机匣是航空发动机上最重要的承力构件，直接影响航空发动机的性能。中介机匣属于典型的复杂薄壁结构，且尺寸大，面积大，因此制造难度高。目前，国际上只有少数企业掌握中介机匣的整体铸造技术。3）尾喷管是航空发动机重要的热端部件，一般入口温度在550-850℃，在有加力燃烧室的情况下，入口温度可高达1500℃。因此，尾喷管一般由高温合金经过精密铸造制成。总体来看，铸造技术多用于航空发动机关键零部件的生产制造，因此对技术精密度要求更高，相应产品的价值也更高。

航空发动机铸造件朝薄壁化、一体化方向发展，同时借助计算机技术发展计算机辅助设计和铸造工艺优化仿真技术。随着航空航天军工装备、民用航空、商业航天产品的换代升级和持续发展，铸造件结构向整体、薄壁空心方向发展，要求材料具备更高承温能力的同时具有更好的抗腐蚀性能、更持久的寿命和更低的成本。例如，在大型复杂高温合金精铸件的发展方面，各企业在传统精密铸造理论的基础上，结合自动控制、计算机仿真技术，推动其朝着整体近净成形方向发展，以提高部件整体结构的可靠性，减轻结构重量，降低制造成本，缩短制造周期。

我们预计铸件在航空发动机中价值占比约为40%，预计我国未来十年不含后市场的航空发动机铸件市场空间约为6313亿元。铸造件凭借其使用原材料价值高、工艺复杂度高等特点，在航空发动机整机价值中占比较高。1）高压涡轮和低压涡轮中，涡轮叶片和涡轮导向片的价值比高。因为涡轮叶片和涡轮导向片现多采用价格昂贵的单晶铸造高温合金和陶瓷基复合材料，所以涡轮叶片和涡轮导向片原材料用量虽少，但价值较高。综合考虑多篇前瞻产业研究院的统计数据后，我们预计高压涡轮用铸造件价值占比为18%，低压涡轮用铸造件价值占比为9%。2）加力燃烧室和喷管是航空发动机主要热端部件，由于其工作温度高，环境复杂，价值占比较高。据前瞻产业研究院的数据，加力燃烧室和喷管的价值占比约为9%。3）发动机外部结构技术复杂度高，价值占比同样很高，据前瞻产业研究院数据显示，航发外部结构价值占比约为4%。综上所述，我们预计铸件在航空发动机中价值占比约为40%。基于上文对我国未来十年航空发动机市场空间的预测，我们预计，我国未来十年不含后市场的军用航空发动机铸件市场空间约为2840亿元，民用航空发动机铸件市场空间约为3472亿元。

在航空发动机铸造件研发与生产中，欧美企业主导国际市场，国内企业以航发集内部的科研院所及生产厂为主，技术水平不断提高。国外知名铸造件生产商主要有PCC、GE和RR旗下的铸件生产厂等。国内科研院下属的航发铸件研发和制造生产单位主要有北京航材院、钢研高纳、中科院金属所等。由于航发集团广泛开展“小核心，大协作”，积极引入及培育供应商，开展外部协作，近几年不少民企积极进入航空发动机铸件领域，例如，图南股份、应流股份、万泽股份等。它们致力于航空发动机铸造件生产技术的研发和相关产品的制造，成为航空领域重要供应商。

3、航空发动机钣金件：发动机燃烧室重要零部件，民企为主，竞争格局稳定

钣金件是一种塑性加工的零件，主要应用于航空发动机燃烧室。钣金件凭借其重量轻，强度高等特点，在航空发动机上占有相当比重，其中联焰管、火焰筒、密封件等属于典型的钣金结构件，且在结构上越来越复杂，质量与精度要求也越来越高。火焰筒为典型的钣金结构件，燃料在内部燃烧产生推动力，火焰筒质量的好坏从某种程度上来说决定了航空发动机的动力性能。密封件主要采用一类界面形状类似于“W”或“M”的环形薄壁密封件，长时间在高温下进行工作，防止燃料泄漏。由于该部位对形状尺寸精度要求高，成形困难，制造成本高。

国内钣金件市场以民企为主，当前竞争格局稳定。生产商主要包括迈信林、德坤航空、西子航空等。迈信林主要涉猎民用高端装备零部件，从事民用航空和汽车零部件的制造和生产。德坤航空是航空零部件生产商利君股份的子公司，钣金件是其核心产品。西子公司是钣金件的重要生产商，也是C919大型客机机体结构一级供应商。

4、3D打印：发动机零部件性能突破新方向，价值日渐显著，新兴企业蓄势待发

随着航空发动机对复杂精密和大型构件制造提出更高要求，具有自由成型、全数字化、无需模具、材料利率高的3D打印技术给航空发动机制造提供了新的方向。3D打印技术，又称增材制造，具有“制造灵活性”和“大幅节省原材料”的优点，是同时集合计算机数控技术、精密伺服驱动、新材料等先进技术于一体的快速成型加工技术。19世纪末，由美国研究的照相雕塑和地貌成形技术开创了的3D打印核心思想，后由查尔斯胡尔将光学技术转变为快速成型领域，并成立了世界上第一家生产3D打印设备公司3DSystems，随着3D打印技术不断创新，应用领域持续拓展。目前在医疗、汽车、航空航天等领域已得到广泛关注和推广，尤其在可靠性要求较高的民用航空领域的应用虽刚刚起步，但是已经小有作为。例如，2019年，据中华网军事专栏报道，中国航天科工3D打印技术创新中心收到了自主研发的工业级金属打印机ASA-260M的CE认证证书，这代表中国航天科工增材制造技术创新中心自研装备已经具备了销往欧盟的资质。

3D打印的价值在航空领域日渐显著，已成为各大航空公司的在零部件性能方面突破的入手点。3D打印所需原材料的重量只有机加工的1/8，最终产品重量仅为机加工的3/8，成功实现减材、减重。在加工效率上，3D技术加工工序少，时间短。同时，3D打印技术的产品质量由机床控制，产品的一致性好，质量稳定。目前，国外航空公司通过3D打印技术生产的航空发动机零部件不断涌现。据报道，美国GE公司，运用3D打印技术，将由20个零件组成的发动机喷嘴集成为一个零件进行打印，实现减重25%，增效15%，获得85000个零件订单，使得GE的发动机性能提升了一代。

图：3D打印技术在异形结构件的生产中有明显优势

我国3D打印企业正处蓬勃发展期。随着航空航天装备更加注重追求轻质、高效和高可靠性，设计中多采用更复杂、更精密的薄壁结构件，且钛基、镍基合金等原材料难切削，因此3D打印技术成为先进制造技术的重要发展方向和前沿热点课题。铂力特是我国领先的金属3D打印企业，在金属3D打印技术服务和原材料研发及生产方面具有优质团队，已构建出较为完整的金属3D打印产业生态链。公司产品在航空航天领域具有很高的市占率，公司生产的S310型号设备是国内唯一通过空中客车公司认证的增材制造设备，成为空客A330机型增材制造项目主要设备。鑫精合是我国专精特新“小巨人”企业，承接过多项国家重点型号增材制造技术攻关任务并最终实现批产装机应用，公司通过多项军工资格认证。目前，公司与与沈阳航空航天大学联合成立了增材制造技术实验室，共同致力于高性能金属增材制造技术的研发和技术设备的制造。

5、航空发动机机加工：发动机整体叶盘加工新技术，潜在市场大，头部企业资源优势明显

航发零部件的机加工通常是指用精密设备对零部件的外形尺寸或性能进行改变的过程，主要应用在整体叶盘等整体锻件的加工中。随着航空发动机机械设计日渐复杂，传统技术与加工工艺已经无法满足现代航空发动机机械设计需求，现代机械加工工艺技术逐渐受到重视，其中，切削加工凭借其适应范围广，且能达到很高的精度和很低的表面粗糙度，在机械制造工艺中占有重要地位。例如，现代先进整体叶盘的几何尺寸精度要求高、技术条件要求严格，因此国外一般选用整体锻造或焊接毛坯，再用五坐标加工中心铣削加工整体叶盘。整体叶盘经过精密的机加工后气流流道变得圆滑，消除了盘片分离结构中气流在榫根与榫槽间隙中泄漏所造成的损失，提高了气动性能和工作效率。因此，整体叶盘将凭借其显著优势取代传统的叶盘结构形式，成为发动机叶盘的发展趋势。美国国防部的IHPTET计划指出，未来战斗机上发动机的涡轮都会采用整体叶盘结构，由此可见，整体叶盘将具有非