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傲世皇朝注册首页[恒悦注册]平台登录?图南股份研究报告:高温合金全面布局,纵横拓展深耕航发。高温合金:盛世降至,崛起的国防刚需。在现代航空发动机中,高温合金材料的用量占发动机总重量的40%~60%。新型号迭代、航发维修后市场或促高温合金行业在中长期维持较高景气度。据我们测算,2021-2030年我国军用航发用高温合金年均市场达213.23亿元,2022-2030年CAGR达29.45%。掌握“母合金熔炼+精密铸造成型”核心技术,公司进入高速成长阶段图南股份是国内少数能同时批产变形高温合金、铸造高温合金的企业之一。2018-2023年公司铸造高温合金、变形高温合金营收CAGR分别为38.87%、19.69%,...
公司是国内少数能同时批量化生产变形高温合金、铸造高温合金(母合金、精密铸件)产 品的企业之一。公司前身成立于 1991 年,成立之初采用与原上海第五钢铁厂联营合作的经 营方式,进行自主生产高电阻电热合金,初步接触了先进金属材料行业。公司在生产、经 营高电阻电热合金的同时,意识到高温合金的产品附加值和技术含量较高,开始重点研发、 生产高温合金等高技术含量合金材料并于 2007 年成功取得军工行业准入资质。2015 年, 公司参与研制的精密铸件多个型号产品已成功通过用户验证,进入批量化采购、生产阶段。 随着相关产品型号武器装备的逐步更迭,公司的军品业务仍将保持稳定的增长态势。
公司实控人为万柏方、万金宜父子。图南股份实际控制人为万柏方、万金宜,两人是父子 关系也是一致行动人,合计持有上市公司股权比例 32.93%,治理结构相对稳定。子公司沈 阳图南精密部件和沈阳图南智能公司专业从事高温合金、耐蚀合金、精密合金等待特种合 金及其制品的研发与生产。
公司通过多年的积累和发展,已成为国内高温合金产品的主要生产企业之一。公司变形高 温合金包括棒材、丝材、管材,主要用于核电、燃气轮机等民用领域,以及飞机、航发燃 油、滑油系统等军用领域,其中军品占比较小(2019 年航空领域营收占比 8.11%);精密 铸件是应用于航空发动机、燃气轮机热端部分的关键部件,包括机匣类大型复杂薄壁结构 件等。公司可自主生产铸造高温合金母合金及精密铸件产品,是国内少数掌握高温合金近 净型熔模精密铸造核心技术的生产企业之一。
随着近年来我国航空、核电、船舶等行业的发展和“两机专项”的全面推进,公司进入高 速成长阶段。2017-2023 年公司营业收入从 3.45 亿元增长至 13.85 亿元,2018-2023 年复 合增速为 26.07%;归母净利润从 0.42 亿元增长至 3.30 亿元,2018-2023 年复合增速达到 40.96%。2024Q1-Q3 公司实现营业收入 10.80 亿元,同比增长 1.33%;归母净利润 2.58 亿元,同比下滑 1.00%,短期下游客户需求有所波动。
铸造高温合金和变形高温合金产品为公司贡献大部分收入。2023 年公司铸造高温合金、变 形高温合金、特种不锈钢和其他合金产品分别实现营业收入 6.24/4.41/0.84/1.83 亿元,分 别占公司营收的 45.07%/31.83%/6.10%/13.22%。公司近年来铸造高温合金产品销量快速 增长,销量由 2017 年的 212 吨增长至 2021 年的 712.93 吨(2021 年后公司不披露分业务 销量数据,公司整体有色产品销量由 2021 年的 3221.20 吨增长至 2023 年的 5000.89 吨), 铸造高温合金营收由 2017 年的 0.87 亿元增长至 2023 年的 6.24 亿元。
公司毛利率水平持续提升。公司铸造高温合金产品主要为军品订单,毛利率相对较高,铸 造高温合金产品中精密铸件主要为大型高温合金复杂薄壁精密铸件,产品生产工艺及产品 附加值较高。近年来得益于铸造高温合金收入占比提升及公司规模效应凸显,公司毛利率 水平持续提升,由 2017 年的 27.20%提至 2021 年的 37.31%,2022-2023 年公司毛利率短 期下滑,主要系公司部分产品受到主要元素镍价格上涨影响。2024Q1-Q3 公司综合毛利率 同比提升 0.21pcts 至 35.83%,原材料价格影响基本可控。
考虑到图南股份年报中暂未披露最新的分产品成本构成,我们根据招股说明书假设图南股 份的各产品成本构成参照 2019 年基本不变,变形高温合金产品直接材料成本占比为 65.67%,铸造高温合金直接材料占比为 75.22%,电解镍占公司直接材料采购额比重为 41.07%。
若图南股份可将电解镍价格通过产品涨价等方式向中游传递,根据公司 2023 年年报,变形 高温合金产品毛利率为 24.53%,铸造高温合金产品毛利率为 45.57%,则镍价涨幅为 5% 至 50%时,对公司变形高温合金毛利率影响为 0.00pcts 至-10.18pcts,对铸造高温合金毛 利率影响为 0.00pcts 至-7.34pcts。
公司费用控制良好,费用率近几年基本稳定。2017-2023 年公司期间费用率震荡下行,2021 年同比提升 1.22pcts,主要系 2021 年公司实施股权激励计划,确认股份支付费用导致管理 费用率同比上升 2.02pcts 至 6.39%所致。
两次股权激励落地,助力公司潜力释放。2021 年 3 月,公司公告限制性股票激励计划,授 予包括董事长在内的 6 名高管以及其他董事会认为需要激励对象(共 25 人)合计 31 人共 268 万股限制性股票,约占授予前总股本的 1.34%,授予价格 18.38 元/股。两期解锁条件 是以 2020 年为基期,2021 年的营收增速大于 15%,净利润增速大于 16%;2022 年的营 收增速大于 30%,净利润增速大于 32%。
2022 年 7 月,公司公告限制性股票激励计划,授予董事会认为需要激励的技术骨干共 19 人 35 万股限制性股票,约占授予前总股本的 0.12%,授予价格 20.93 元/股。两期解锁条 件是以 2021 年为基期,2022 年的营收增速大于 20%,净利润增速大于 21%;2022 年的 营收增速大于 44%,净利润增速大于 53%。
公司年产 1000 吨超纯净高性能高温合金材料和年产 3300 件复杂薄壁高温合金结构件的募 投项目分别于 2022 年年底、2023 年 7 月建成投产,主要通过配置高性能的冶炼设备、熔 炼浇注设备,引进先进生产管理系统,在公司现有生产基地新建生产线,围绕目前公司核 心产品变形高温合金、铸造高温合金进行新产品、新型号的开发与生产。
延伸拓宽产品线,进一步提升公司综合竞争能力。2021 年 7 月,公司成立全资子公司沈阳 图南精密部件制造有限公司,并于同年 11 月公告子公司投资建设航空用中小零部件自动化 加工产线项目。该项目计划总投资 1.6 亿元,建设周期 3 年,达产后将形成年产 50 万件精 密零部件的加工生产能力,形成完整的航空零部件的研发与制造业务能力。
2022 年 7 月,公司成立全资子公司沈阳图南智能制造有限公司,并于同年 12 月公告子公 司投资建设航空用中小零部件自动化加工产线项目。该项目计划总投资 8.55 亿元,建设周 期 3 年,达产后将形成年产各类航空用中小零部件 1,000 万件的生产能力,形成完整的航 空零部件的研发与制造业务能力。
图南股份同时布局铸造高温母合金+精密铸件,且具备高温合金母合金熔炼和铸造成型两大 核心技术。公司的精密铸件产品主要是精铸机匣,作为国内主要生产机匣类大型高温合金 复杂薄壁精密铸件的两家企业之一,图南股份的精铸大机匣已经在多个航发型号上批量供 货,同时带动公司的精铸母合金也在多个航发型号上批量应用,形成了大型高温合金复杂 薄壁精密铸件全产业链系统。
我们认为变形高温合金的核心工艺壁垒在于原料冶炼。任何一款高温合金具备工业应用价 值的基本前提是,能够应用真空感应冶炼(VIM)+电渣重熔(ESR)+真空电弧重熔(VAR) 三联冶炼工艺制备大尺寸铸锭/母合金,并经过特定的成形工艺完成成形并对微观组织进行 特定调控,最终将合金锭制备为大规格棒/盘/环等标准件材料。各类高温合金的制备从原料 冶炼到不同的成形工艺均有很高的工艺壁垒,工艺的进步很大程度依赖于反复试验的边际 参数优化、重型加工设备的打造和人工经验的积累。
以 GH4169 合金为例,根据《GH4169 合金 VIM+PESR+VAR 三联冶炼工艺及其冶金质量》 (陈国胜等,【宝钢技术】,2012 年 1 月),与双真空熔炼(VIM+VAR)工艺相比,三联熔 炼中因制备的 IESR 电极锭无缩孔,组织致密,纯净度高,使得 VAR 重熔过程的工艺稳定 性显著提高,降低“掉块”概率,减少了 VAR 锭中的宏观缺陷,并且进一步改善了碳化物 分布的均匀性与热塑性。
对于铸造高温合金,母合金熔炼与精密铸造成型技术形成双壁垒。金属是由一个一个晶体 组成。晶界是金属内部各种畸变,缺陷和杂质聚集的地带,晶界在常温下强度高于晶体内部, 但高温时易产生滑移。定向柱晶叶片消除了与主应力轴垂直的横向晶界,性能大大提高, 而单晶叶片的组织中消除了所有的晶界,使叶片高温性能实现了最佳化。目前,几乎所有 先进发动机都已采用了单晶合金涡轮叶片或导向叶片。质量合格的铸造高温合金零件需要 具备:1)纯度较高的母合金;2)成熟的定向凝固工艺。
铸造高温合金母合金的纯洁度直接影响铸件的合格率。母合金中含有的 N、O 以及其他的 杂质元素 S、P 等,会形成非金属夹杂物如 Al2O3、(TiTa)CN、(TiTa)xS 等,这些夹杂 物会成为核心,在单晶零件凝固过程中发展成为晶粒缺陷,如雀斑、高角度晶界、迷路晶 等。根据《高温合金材料学下册高温合金材料与工程应用》(郭建亭,【科学出版社】, 2009 年),我国生产单晶高温合金的母合金,为保证化学成分控制准确和高纯洁度,采取 如下技术措施:①采用优质原材料;②真空感应熔炼时,坩埚等与金属接触的物体保持高 纯净度;③严格控制精炼温度和精炼时间及高真空等参数,尤其在低碳情况下,要达到低 的氮、氧含量,需要独特的真空冶炼来保证;④采用双频熔炼技术及高质量的过滤技术。 世界上到目前为止一直在用传统的 Bridgman 方式生产高温合金定向或单晶叶片,其特点是 将浇注后的模壳从炉子的热区穿过辐射挡板进入冷区。这种凝固技术具有设备结构简单、 工艺稳定可靠等优点,已经相当成熟, 特别适合航空发动机叶片等小型铸件。但是这种工艺 和设备的缺点也很明显,如辐射传热效率太低、热区与冷区之间不能有效隔热等,这对于 小型铸件问题尚不严重,但对于重型燃机叶片,由于铸件尺寸大,模壳厚,使得散热尤其 困难,凝固过程漫长而复杂,难以得到有效控制。利用液态金属冷却(liquid metal cooling, LMC)法用液体对流散热来替代原来的辐射散热, 虽然从总体上能提高铸件冷却速率, 但并 不能满足铸件各处对凝固条件的不同需求,所以 LMC 法的研发主要应用于大型叶片的定向 凝固而不是单晶制备。
图南股份掌握了高温合金材料超纯净熔炼、近净型熔模精密铸造等关键核心技术。公司通 过自主创新、产学研合作创新、引进消化再创新等方式,掌握和拥有生产超纯净高温合金 材料、精密铸件、高温合金和特种不锈钢无缝管材、特种丝材等核心技术。其中超纯净熔 炼技术通过原料预处理以及真空脱 O、脱 S、控 N 等技术的应用,实现铸造高温合金 O 5PPm、N10PPm、S5PPm 的目标;公司近净型熔模精密铸在国内率先实现直径大于 1,000mm、壁厚小于 2mm 的大型高温合金精铸件批量生产,铸件尺寸精度高、加工余量小、 壁厚薄,形成了为航空发动机制造企业稳定供货的能力。公司是国内少数既生产铸造高温 合金母合金又生产大型高温合金复杂薄壁精密铸件的企业之一,形成了大型高温合金复杂 薄壁精密铸件全产业链系统。
“上行效应”使得上游高温合金端需求弹性大于中下游。从产业链下游到上游,各阶段企 业产量不断增加,备库会逐级放大企业需求量,对于中上游军品产业链具有放大效应。在 军机产业链中,假设主机厂需求增长%,那么发动机厂在满足主机厂新增的%的需求之 外,仍需多备%的库存。而锻造/铸造厂在满足发动机厂新增的(+)%的需求外,需多 备%的库存,上行效应在最终作用到高温合金厂时,高温合金厂产量增加(+++)%, 可以看出备库需求使得上游需求弹性大于中游,中游需求弹性大于下游。
高温合金的上市公司如抚顺特钢、钢研高纳、图南股份等,其高温合金产品收入增速会显 著高于下游发动机总装即航发动力业务的增速。如钢研高纳 2017-2023 年高温合金业务收 入 CAGR 为 25.65%,抚顺特钢 2017-2023 年高温合金业务收入 CAGR 为 13.58%,图南 股份 2017-2023 年高温合金业务收入 CAGR 为 27.56%,而 2017-2023 年航发动力发动机 业务收入 CAGR 为 12.77%。
同时上游新材料企业经营管理和降本增效能力更优,催生盈利释放节奏和幅度更为亮眼, 因此高温合金材料企业盈利弹性相对于下游总装有望更强。如图南股份、钢研高纳 2017-2023 年归母净利润 CAGR 分别为 55.08%、18.73%,而航发动力 2017-2023 年归母 净利润 CAGR 为 6.91%,凸显出上游原材料的盈利弹性强于下游总装厂。
高温合金主要按基体元素种类以及制造工艺方式进行分类。1)按基体元素划分:根据《高 温合金材料学》(郭建亭,【科学】,2008 年 4 月 1 日出版),高温合金按合金的主要元素分 为铁基、镍基、钴基高温合金。2)按制造工艺方式划分:高温合金可分为变形高温合金、 铸造高温合金和新型高温合金,其中变形高温合金合金化程度较低,强化相数量较少,因 而热加工塑性较好,可连续生产,根据中研网,2024 年变形高温市场占比达 70%。铸造高 温合金是通过真空重熔直接浇铸成型的高温合金,其特点可以通过铸造工艺直接成型,主 要用于制造形状比较复杂的产品,缺点是不适合进行热加工。此外,高温合金不断发展和 演变,已发展出粉末高温合金、金属间化合物等新型高温合金。
航空发动机工作过程中的热力学循环为布雷顿循环。就喷气式发动机而言,初始状态 1 表 示大气气体状态,气体经由进气道被吸入压气机压缩的过程是 1-2 的等熵压缩过程,理想 情况下在这个阶段,空气的总熵不变,气体受压缩作用使得温度上升。气体从点 2 到点 3 是在燃烧室中进行等压加热。经过燃烧室加热后高温气体经过涡轮等熵膨胀(对应 3-4 的 循环阶段),在这个过程中推动涡轮做功,自身内能下降温度降低。分析布雷顿热力学循环 可以看出,3 点的温度越高,气体在涡轮前内能越高,在经过涡轮时膨胀做功也越多,进 而推动发动机产生更大的推力。这一点的温度也叫涡轮前温度,是航空发动机的重要设计 参数,目前喷气发动机普遍能到 1400K 以上,一些战斗机搭载的发动机涡轮前温度能到 2000K 左右,对发动机热端材料及冷却系统设计提出了巨大挑战。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。
军机的换代伴随着高温合金的升级。第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金,核心 材料工作温度 650C,到第四代的涡扇发动机,核心材料工作温度已经达到了 1200C, 采用了单晶高温合金。历代军机的换代一直伴随着发动机核心材料高温合金的升级。 高温合金的升级需要研发的支持。在航空工业的发展需求牵引下,中国高温合金先后研制 出了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世,不 断地推动航空工业向前发展。
我国空军目前正在向战略空军转型,2021-2030 年带来军机需求规模约 1.95 万亿元。当前 我国军用飞机正处于更新换代的关键时期,未来 10 年现有绝大部分老旧机型将退役,歼-10、 歼-11、歼-15、歼-16 和歼-20 等将成为空中装备主力,新一代先进机型也将有一定规模列 装,运输机、轰炸机、预警机及无人机等军机也将有较大幅度的数量增长及更新换代需要。 假设 2021-2030 年二代机全部替换为三代机,且战斗规模按机种结构达到美国的 1/2,我们 预计未来十年中国军机将有 1.95 万亿元的市场空间。结合前瞻产业研究院对 2021-2030 年 中国军机需求规模及市场空间预测情况,2030 年市场规模将达到 19508 亿元。
据前瞻产业研究院发布的研究数据,发动机占军用飞机成本的 25%,综合以上数据,我们 预测 2021-2030 年新装发动机市场规模达到 4877 亿元,年均 487.7 亿元。
按发动机生命周期费用拆分:研发、整机制造、运营维修分别占 10%、40%和 50%。航空 发动机全寿命周期要经历研发制造、采购、使用维护三个阶段。研发阶段分为设计、试验、 发动机制造、管理等环节。在全寿命周期中,研发制造、采购、维护的比例分别为 10%、 40%、50%左右。一台民用大涵道发动机使用寿命约 25 年,平均每 5 年进行一次大修,发 动机维修即对发动机部件进行检测、修理、排故、翻修及改装等,在全寿命周期中维修费 用约占 50%,与发动机本身的价值相当。考虑到“全面聚焦备战打仗”背景下训练量所增加, 以及军用航空发动机本身性能要求较高,工作环境较恶劣,因此我们预估军用航发使用寿 命约 4~5 年,使用寿命内维修 2 次。
美国军用飞机保有量是我国的 4 倍以上,我国军用飞机总量提升空间大。结合《World Airforces 2021》,按照目前我国军用飞机构成测算,截至 2020 年航空发动机保有量为 9600 台,对标美国的军用飞机 1.3 万台保有量水平,航空发动机保有量须达到 3.8 万台。
我国战斗机实际数量或略高于《World Airforces 2021》保有量数据,结合华泰军工组已发 布报告《航空发动机:国之重器,万里鹏程》(2022.9.15 发布),我们预计到 2030 年,三 代机与四代机的保有量预计在 3000 架左右,其中单发三代半机约 2000 架,双发四代机约 1000 架。根据中国产业信息网预测,2019 年军用飞机整机采购成本和生命周期内维修成 本的比例接近 1:1,我们假设:①目前存量飞机截止 2030 年平均换发 2 次且每次换发周期 中经历 2 次维修,共 4 次大修;②考虑到存量飞机旧机型占比较高,多数战机服役期满后 直接报废无须换发维修,我们假设存量飞机仅 30%需要大修;③至 2030 年增量飞机平均 换发 0.5 次:以 5 年换发 1 次计算,2025 年及之前列装的飞机到 2030 年需换发 1 次, 2025-2030 年列装的飞机到 2030 年无需换发,假设新增飞机按匀速增加,则平均换发次数 为 1/2*1+1/2*0=0.5 次, 每次换发周期中经历 2 次维修,平均约 1 次大修;④各类型飞机单 价参考国外同类型单价,发动机占军用飞机成本的 25%;⑤发动机采购费和维护保养费按 照 1:1 预估;⑥考虑换发发动机来自于备发,因此不再单独考虑备发数。
据此测算,从 2021~2030 中国军用航空发动机维修市场总规模为 7307.64 亿元,结合上文 对 2021-2030 年新装发动机市场规模 4877 亿元的预测,2021-2030 年我国军用航发市场 合计约 12184.64 亿元。 2021 年,我国主要航空主机厂中,沈飞、西飞、陕飞、洪都、中航直升机、成飞、贵飞也 总收入在 1469.50 亿元左右,考虑到西飞、沈飞、成飞之间有一定的互相配套关系,此外 各主机厂还有一部分维修业务,故在总收入的基础上乘以 80%,则航空装备采购费用在 1175.60 亿左右。根据前瞻产业研究院发布的研究数据,发动机占军用飞机成本的 25%, 则对应我国 2021 年航空发动机的市场达到 293.90 亿元。根据上文预测 2021-2030 年中国 军用航空发动机维修市场总规模为 12184.64 亿元,则对应 2022-2030 年我国军用航发市 场规模复合增速约为 29.45%。
据前瞻产业研究院发布的研究数据,发动机占军用飞机成本的 25%,材料成本占发动机成 本的 50%,而高温合金占材料成本约 35%。据此测算,从 2021~2030 年我国军用航发用 高温合金年均市场达 213.23 亿元。
高温合金整个行业具有较为明显的寡头特征,复杂的工艺决定了其成材率低、生产周期长, 具有较高的技术壁垒。同时,该行业无论是军品还是民品均涉及到产品认证问题,为该行 业构筑了天然的进入壁垒。通常研究所以及各高校的研究团队在研发出新的高温合金后, 研究团队会偕同冶金厂熔炼合金锭试验件,合金锭经锻造厂检验合格后,将被制成锻件, 锻件由零部件厂检验合格后,将进行加工变成零部件去检验。以上各检验环节由研究所主 导,待各环节检验合格后,该牌号的高温合金才可以纳入军品体系。
高温合金产业链呈现上游母合金供给以抚顺特钢为主、下游零部件需求以航发应用为主的 两端集中的格局。国内高温合金产业链包括上游母合金冶炼、中游零部件毛坯件成形(包 括重熔铸造、锻造、粉末冶金等工艺)以及下游成品零部件加工、零部件组装和设备总装。 产业链中游,根据毛坯件成形工艺不同,分为铸造、锻造、粉末冶金以及其他高温合金热 加工。产业链下游企业从事成品零部件加工、零部件组装和设备总装业务。国内航发高温 合金成品零部件加工市场壁垒高,以中国航发集团下属主机厂为主。
(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)
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