綜述
1、航空發動機是當之無愧的工業之巔，核心機是發動機研製關鍵的一環
航空發動機是當今世界上最複雜的、多學科集成的工程機械系統之一，涉及氣 動熱力學、燃燒學、傳熱學、結構力學、控制理論等眾多領域，是技術密集、 知識密集的高科技產品，對基礎材料、加工工藝、裝配工藝、基礎試驗等有著 苛刻的要求，因而被譽為現代製造業「皇冠上的明珠」。核心機是發動機的心 髒，核心機在發動機的研製成本中佔比最大，研製周期（預研階段）最長。同 時，核心機可以派生出很多不同系列發動機。
2、航發產業鏈：上遊研發設計、中遊分系統製造、下遊整機製造
發動機的整機和系統製造是最關鍵的一步。發動機的核心技術及總裝集成、客 戶銷售、後續的發動機大修與零部件更換等環節都被整機製造商所控制，整機 製造商負責整體設計，承擔研發風險，利潤也相對最高。葉片是航空發動機的 最核心部件，它的製造佔據了整個發動機製造 30%以上的工作量。目前金屬材 料和先進複合材料是航空發動機葉片製造的兩大類主要材料。動力控制系統從 液壓機械控制發展到全權限數字電子控制（FADEC）。發動機狀態監視和故障 診斷系統歸入發動機控制系統，並且防喘控制也越來越受到專家的關注。航空 發動機的零部件有盤軸、風扇軸、渦輪盤、軸、整體葉盤/葉輪、渦輪機匣和風 扇匣等，按毛坯提供方式可以分為鍛造件、鑄造件和鈑金件。高溫合金一般應 用於四大領域。新型的先進航空發動機中，高溫合金用量佔發動機總重量的 40%-60%以上，主要用於燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件， 此外還用於機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。。
3、軍用航空發動機增量和存量市場空間巨大
軍用航空發動機主要包括新增市場和存量維護保養市場。新增市場方面，我們 預計未來十年軍機航發增量市場為 335.1 億美元；存量維修和保養市場方面， 航空發動機每運行一段時間(50-100 個小時)需要進行一次專檢，檢查易損件和 承力件以及油濾油泵的性能，飛行 600-1000 小時再進行一次大修，更換部分易 損承力部件，一般航空發動機整個生命周期大修次數為 3 次左右，航空發動機 後續維修和保養費用較高，我們維修和保養費用價格為新機的 1.2 倍，未來十 年軍機航發存量市場為 402.12 億美元，增量和存量市場合計為 737.22 億美元。
1. 航空發動機：現代工業「皇冠上的明珠」，核心機是發動機研製關鍵的一環
1.1 航空發動機三大特點
航空發動機是當今世界上最複雜的、多學科集成的工程機械系統之一，涉及氣動熱力學、燃燒學、傳熱學、 結構力學、控制理論等眾多領域，是技術密集、知識密集的高科技產品，對基礎材料、加工工藝、裝配工藝、 基礎試驗等有著苛刻的要求，因而被譽為現代製造業「皇冠上的明珠」。目前，各種類型的航空發動機分別 被廣泛應用於不同飛行包線的固定翼飛機和直升機，是現代航空製造業的核心環節，可以說航空發動機的技 術水平是推動航空器性能提升的核心因素。
航空發動機產業有以下特點：技術壁壘高、經濟回報高、研製周期長。
（1）技術壁壘高：高溫高壓高轉速，考驗現代工業技術極限。
（2）經濟回報高：由於兩機產業技術壁壘極高，一旦切入兩機供應體系，面臨的競爭威脅很小，獲得的經 濟回報高且回報周期長。
（3）研製周期長：航空發動機的研製流程可分為預先研究、工程研製和使用發展三大階段，研製周期長既 是進入兩機產業的風險，也是行業高進入壁壘。在研製階段由於大量的試驗亦能帶來配套產品的需求。
1.2 核心機是發動機研製關鍵的一環
如果說發動機是飛機的心臟，那麼核心機就是發動機的心臟。核心機由高壓壓氣機、主燃燒室和高壓渦輪組 成，它連續輸出具有一定可用能量的燃氣，因此又稱為燃氣發生器。核心機主要組成部件在發動機中處於最 惡劣的工作環境（高壓力、高溫度），且具有最高的工作轉速（壓氣機、高壓渦輪），因而是發動機強度和 使用可靠性方面最為關鍵的部件。
核心機在發動機的研製成本中佔比最大，研製周期（預研階段）最長。核心機是航空發動機研製中主要難點 和關鍵技術最集中的部分，也是航空發動機先進性和複雜性的集中體現。20 世紀 70 年代，新一代發動機從 概念研究到投入使用約為 10-15 年，90 年代的戰鬥機發動機如 F119 從概念研究到定型前前後後經歷了 25 年以上，而在一臺成熟的核心機上派生新機，周期只需要 3-5 年。
核心機可以派生出很多不同系列發動機。從 B-2 轟炸機到 F-16 戰鬥機發動機大部分是以普惠 F-110 核心機 派生而來，而普惠 F-110 的核心機來自一款代號為 GE9 的核心機，這款核心機還派生出了燃氣輪機和民航 客機的發動機。此外，CFM56 系列發動機的第一個型號 CFM56-2 採用了軍用渦輪風扇發動機 F101 的核心 機作為核心機，配上葉尖直徑為 1.727 米的風扇及三級增壓壓氣機、4 級低壓渦輪組成了一臺高涵道比渦輪 風扇發動機，推力為 139～151 千牛，1979 年投入使用。
圖3：GEF-110 核心機
2. 航空發動機產業鏈包括上遊研發設計、中遊分系統製造和下遊整機製造
航空產業鏈主要包括上遊研發設計、高端材料供應、零部件製造，到中遊分系統製造，到下遊整機製造、整 機試驗和維修保障。中國航發產業從測繪仿製到自主研製 60 多年來，經歷了從無到有，現如今已有了一定 的技術積累，基本建立了完整的航空發動機研製和生產體系。
2.1 整機製造
在航發產業鏈中，發動機的整機和系統製造是最關鍵的一步。發動機的核心技術及總裝集成、客戶銷售、後 續的發動機大修與零部件更換等環節都被整機製造商所控制，整機製造商負責整體設計，承擔研發風險，利 潤也相對最高。全球整機製造的代表企業有 GE、P&W、RR、SAFRAN，國內則以航發動力為主導。
上市公司航發動力是航發整機製造的承制單位，產品全譜系覆蓋。航發動力集成了我國航空發動機整機的幾 乎全部型號，在產品的量價二維體系中最為穩定，將享受確定性溢價。公司主打的「太行」系列產品已在我 國主戰機型上大規模應用；渦軸、渦槳類產品亦全面列裝我國軍用直升機及中型運輸機；渦噴類產品仍為我 國早期型號軍機提供穩定換發保障。未來隨著幾款重點型號發動機研製列裝的加速，我國有望實現軍機發動 機全部國產化的願景。此外在外貿方面，國產航發伴隨國產戰機走出去的可能性也在逐步增強。
大運未來或全面換裝渦扇 20。2020 年 11 月 21 日，網傳大運已裝備四臺 WS-20 發動機進行飛行試驗，WS-20 的順利換裝。這一方面解決了大運的產能瓶頸，使其成為全狀態版本；另一方面提高了大運的運載能力和航 程，對於大運實現跨洲際遠程飛行、中短程重載飛行有著重要意義。若大運確認換裝了 4 發 WS-20，那麼 可以認為 WS-20 的研發以進入尾聲，後續經過一定調整將進入小批量生產階段，屆時將基本解決我國大型 軍用飛機發動機的瓶頸，WS-20 也將成為航發動力業績的重要貢獻力量。
2.2 葉片鍛造及鑄造
葉片是航空發動機的最核心部件，它的製造佔據了整個發動機製造 30%以上的工作量。葉片是發動機中數量 最大的一類零件，具有壁薄易變形的特點，並且其所承受的工況十分惡劣。目前金屬材料和先進複合材料是 航空發動機葉片製造的兩大類主要材料，如何高效、高質量地對其進行加工已經成為了目前葉片製造行業研 究的重點之一，也是製造出高性能航空發動機的關鍵。輔以表面處理技術來完成葉片的高品質製造。
圖6：航空發動機葉片
圖7：航空發動機渦輪葉片
航空發動機葉片按照部件分為風扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片。按照運動方式分為動葉和靜葉。其中風扇 葉片和壓氣機葉片主要以數控加工、精密鍛造、超塑成型/擴散連接方式為主。壓氣機葉片則分為壓氣機低壓 級葉片和壓氣機高壓級葉片，隨著壓氣機級數增多，壓氣機葉片工作溫度提升，選用變形高溫合金取代鈦合 金。並且，在高壓壓氣機末級，選用材料由變形高溫合金到新型輕質耐高溫 Ti-Al 合金轉變。而渦輪葉片所 處環境較風扇葉片和壓氣機葉片更為惡劣，故對其材料和加工工藝都有著更為嚴格的要求，目前普遍採取精 密鑄造的方式對渦輪葉片進行加工，並輔以磨削等其他一些加工方法。渦輪低壓級葉片工作溫度相對渦輪高 壓級葉片溫度較低，主要採用定向結晶鑄造鎳基高溫合金。新型輕質耐高溫 Ti-Al 和陶瓷基複合材料也已經 在部分機型上成功應用。
目前全球葉片市場仍以歐美企業為主導，例如 GE、賽峰、羅羅、普惠等國際航空發動機巨頭均擁有直屬工 廠，或與合作公司成立合資工廠。而隨著國內航空發動機葉片製造技術的不斷進步，也有部分企業逐步具備 了，引導中國航發葉片市場。目前國內葉片市場由航發動力、鍊石航空、萬澤股份和應流股份等企業主導。 航發動力擁有國內最大的葉片生產線，其精密鍛造、表面處理生產線都處於亞洲領先地位。此外，鍊石航空 公司立足於高溫合金材料及航空發動機單晶渦輪葉片研製，已構建了「錸元素→高溫合金→單晶葉片→航空 零部件→航空發動機→大型無人機整機」完整的產業鏈。
2.3 動力控制系統
隨著航空發動機技術的日益進步，其性能不斷地提高，燃油和控制系統也由簡單到複雜發展，從液壓機械控 制發展到全權限數字電子控制（FADEC），發動機狀態監視和故障診斷系統歸入發動機控制系統，並且防喘 控制也越來越受到專家的關注。目前國際市場上以英美為主導，我國從80年代初進行了FADEC系統的研究， 並取得了較為矚目的研究成果。
在動力控制系統方面，我國的航發控制已處於國內市場壟斷地位，公司是國家航空動力控制系統及產品研製、 生產基地，已經構建了較為完整的航空發動機燃油與控制系統專業體系，擁有國家一流專業科研人才，科研 實力雄厚。另外具備一定實力的海特高新等民營企業也試圖進入市場，公司已完成戰略轉型，由一家傳統航 空維修企業轉向綜合航空技術服務企業，公司航空新技術研發製造業務板塊已形成產量量產、多種新型號在 研，以及多個項目預研全面推進的良好局面。
2.4 零部件（包括鍛造件、鑄造件和鈑金件）
航空發動機的零部件有盤軸、風扇軸、渦輪盤、軸、整體葉盤/葉輪、渦輪機匣和風扇匣等，按毛坯提供方式 可以分為鍛造件、鑄造件和鈑金件。
（1）鍛造件
鍛件是指通過對金屬坯料進行鍛造變形而得到的工件或毛坯。利用對金屬坯料施加壓力，使其產生塑形變形， 可改變其機械性能。目前航空發動機的零部件鍛件毛坯佔毛坯總重量的一半以上，航空發動機的風扇和壓氣 機葉片、盤、軸、齒輪和部分機匣零件採用鍛造工藝。隨著航空發動機工藝製造技術的發展，葉片作為發動 機的核心部件形成了與其他零件不同的精鍛工藝。其他盤、軸、齒輪和機匣等零件鍛造則以渦輪盤鍛件工藝 最為先進。目前航空發動機鍛件領域，英美德日走在世界前列，依託高端技術，佔據著國際高端市場，國內 企業實力相對薄弱，以中航重機為主導，佔據國內航空鍛造市場 60%的份額，2019 年一件大型精密的鍛件 產品在全球最大電動螺旋壓力機的鍛壓下，正式在中航重機西安航空鍛造產業基地出爐。此產品的問世，標 志著我們鍛造產品正式進入到精鍛 3.0 時代。
（2）鑄造件
鑄件是用各種鑄造方法獲得的金屬成型物件，即把冶煉好的液態金屬，用澆注、壓射、吸入或其它澆鑄方法 注入預先準備好的鑄型中，冷卻後經打磨等後續加工手段後，所得到的具有一定形狀，尺寸和性能的物件。 航空發動機渦輪葉片和部分機匣採用鑄造工藝，其中以渦輪鑄造技術最為先進。傳統的低壓澆鑄方法存在氧 化夾渣、氣孔、縮孔、裂紋等一系列弊端，精密鑄造制坯是鑄造領域主要的發展方向。
（3）鈑金件
鈑金是一種針對金屬薄板（通常在 6mm 以下）的綜合冷加工工藝，包括剪、衝/切/複合、折、焊接、鉚接、 拼接、成型等。其顯著的特徵就是同一零件厚度一致。通過鈑金工藝加工出的產品叫做鈑金件。發動機的燃 燒室、噴灌機匣以鈑金件為主。
2.5 高溫合金
高溫合金又叫熱強合金、超級合金。按基體組織材料可分為三類：鐵基、鎳基和鈷基。按生產方式可分為鑄 造高溫合金、變形高溫合金和粉末高溫合金。按強化機理可分為碳化物強化、固溶強化、時效強化和彌散強 化。
高溫合金一般應用於四大領域。新型的先進航空發動機中，高溫合金用量佔發動機總重量的 40%-60%以上， 主要用於燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤四大熱端部件，此外還用於機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口 等部件。
燃燒室是發動機各部件中溫度最高的區域，燃燒室內燃氣溫度可高達 1500-2000℃，作為燃燒室壁的高溫合 金材料需承受 800-900℃的高溫，局部甚至高達 1100℃以上。除需承受高溫外，燃燒室材料還應能承受周期 性點火啟動導致的急劇熱疲勞應力和燃氣的衝擊力。用於製造燃燒室的主要材料有高溫合金、不鏽鋼和結構 鋼，其中用量最大、最為關鍵的是變形高溫合金。
導向器也可稱為渦輪導向葉片，用來調整燃燒室出來的燃氣流向，是渦輪發動機上承受溫度最高、熱衝擊最 大的零部件，材料工作溫度最高可達 1,100℃以上，但渦輪導向葉片承受的應力比較低，一般低於 70MPa。 該零件往往由於受到較大熱應力而引起扭曲，溫度劇變產生熱疲勞裂紋以及局部溫度過高導致燒傷而報廢。 因此，導向器材料大多採用精密鑄造鎳基高溫合金。
渦輪葉片是渦輪發動機中工作條件最惡劣也是最關鍵的部件，由於其處於溫度最高、應力最複雜、環境最惡 劣的部位而被列為第一關鍵件。渦輪葉片又稱工作葉片，渦輪葉片在承受高溫的同時要承受很大的離心應力、 振動應力、熱應力等。其所承受溫度低於相應導向葉片 50-100℃，但在高速轉動時，由於受到氣動力和離心 力的作用，葉身部分所受應力高達 140MPa，葉根部分達 280-560MPa，渦輪葉片材料大多也是精密鑄造鎳 基高溫合金。渦輪葉片其結構與材料的不斷改進已成為航空發動機性能提升的關鍵因素之一。
渦輪盤在四大熱端部件中所佔質量最大。渦輪盤是航空發動機上的重要轉動部件，工作溫度不高，一般輪緣 為 550-750℃，輪心為 300℃左右，因此盤件徑向的熱應力大，特別是盤件在正常高速轉動時，由於盤件質 量重達幾十至幾百千克，且帶著葉片旋轉，要承受極大的離心力作用，在啟動與停車過程中又構成周期性的 大應力低周疲勞。用作渦輪盤的高溫合金為屈服強度很高、細晶粒的變形高溫合金和粉末高溫合金。在我國， 渦輪盤中變形高溫合金 GH4169 合金用量最大、應用範圍最廣。
2.6 陶瓷基複合材料及鈦合金
陶瓷基複合材料就是以陶瓷為基體與各種纖維複合的一類複合材料。陶瓷基體可為氮化矽、碳化矽等高溫結 構陶瓷，這些陶瓷材料具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，但其致命的弱點是 比較脆，容易出現裂紋甚至斷裂。而採用高性能纖維與陶瓷基體複合，就可以顯著提高陶瓷韌性和可靠性。 纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基複合材料。這樣的陶瓷基複合材料具備了類 似金屬的斷裂行為，即受力較大時先發生拉伸，拉伸大到一定程度時才會發生斷裂，只有具備這樣優良韌性 的材料才具備在發動機渦輪葉片上使用的條件。目前國內廠商有火炬電子等企業。
鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬製成的合金金屬，強度高、耐蝕性好、耐熱性高。根據加入的元素不同， 鈦合金的屬性也不同。主要應用於壓氣盤、靜葉片、動葉片、機殼、燃燒室外殼等零件部位。2014 年我國生 產航空航天領域用鈦銷售量合計 4861 噸。
3. 軍用航空發動機市場空間測算
軍用航空發動機主要包括新增市場和存量維護保養市場：
新增市場方面，我們分別假設未來十年我國新增各類型軍機數量、發動機數量和單機價格。
存量維修和保養市場方面，航空發動機每運行一段時間(50-100 個小時)需要進行一次專檢，檢查易損件和承 力件以及油濾油泵的性能，飛行 600-1000 小時再進行一次大修，更換部分易損承力部件，一臺發動機設計 壽命要比實際壽命小。一般航空發動機整個生命周期大修次數為 3 次左右，第一次大修周期約為 600 小時， 大修的間隔時間逐次遞減，一般間隔時間是上一次的 80%。航空發動機後續維修和保養費用較高，我們維修 和保養費用價格為新機的 1.2 倍。
我們預計未來十年軍機航空發動機增量和存量市場分別為 335.1 億美元和 402.12 億美元，合計為 737.22 億 美元，平均每年約為 516 億元（假設美元對人民幣匯率為 7）。
4. 相關企業分析
4.1 航發動力
國內航空發動機譜系最全，科研生產能力最強的企業。航發動力是國內大型航空發動機製造基地企業，國內 唯一的生產製造渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、活塞全種類軍用航空發動機的企業。公司主要業務分為三類:航 空發動機及衍生產品、外貿出口轉包業務、非航空產品及其他業務。主要產品和服務有軍民用航空發動機整 機及部件、民用航空發動機零部件出口、軍民用燃氣輪機、軍民用航空發動機維修保障服務。目前已具備涵 蓋航空發動機全壽命周期的設計、製造、總裝、試車、維修整套技術和發動機綜合服務保障能力，綜合技術 水平國內領先。公司在葉輪、盤、軸、機匣加工、整體結構件、精密鑄造、精密鍛造等關鍵點上具備了國內 一流的製造能力。
航發動力將受益於 機型列裝和國產替代等邏輯，產能釋放和產 品交付有望走上正軌。航發動力的十四五邏輯 除了與中航沈飛、中直股份和中航飛機一樣受益於若干主戰機型放量以外，還將受益於國內現有飛機航發的 國產替代、現存軍機航發的維修替換市場以及未來民機市場爆發的邏輯。產能和交付方面，對於需求方面市 場並沒有過多的憂慮，而從供應端來看，市場一直在擔憂公司的產能和交付問題，不過從我們對於發動機產 業鏈的調研情況來看，或許十四五的產能和交付問題相對於十三五來說會有顯著改善，主要原因就是十四五 的任務保障被放到了非常重要的位置，同時如果公司自身產能受限，不排除或會通過軍民融合來解決產能問 題，所以產能和交付的問題其實可以更加樂觀。
未來的看點在於若 幹型號定型和量產。 十四五期間主戰機型的全狀態版本、各種改型都會加快列裝，對大推 渦扇、大涵道渦扇、中推渦扇、大功率渦軸都有強勁的需求，從研製時點來看，渦扇的三大型號和渦軸的一 大型號將在十四五期間定型，型號從定型到量產將令產業鏈上下遊公司顯著受益。公司在三季報中已經預測 2020 年全年將向中國航發系統內關聯方銷售商品、提供勞務的金額比年初計劃數大幅提升 101.22%，關聯 交易規模大幅超公司預期顯示非計劃需求大幅增加。
4.2 鋼研高納
高溫合金龍頭企業，航空航天 用高溫合金產能超千噸。鋼研高納是國內航空航天用高溫合金重要的生產基地， 國內電力工業用高溫合金的重要供應商，從事航空航天材料中高溫合金材料的研發、生產和銷售。公司目前 是國內高端和新型高溫合金製品生產規模最大的企業之一，擁有年生產超千噸航空航天用高溫合金母合金的 能力以及航天發動機用精鑄件的能力，在變形高溫合金盤鍛件和汽輪機葉片防護片等方面具有先進的生產技 術，具有製造先進航空發動機亟需的粉末高溫合金和 ODS 合金的生產技術和能力。
航空發動機是高溫合金重要應用領域:先進發動機高溫合金重量佔比或達到 70%。高溫合金在材料工業中主 要是為航空航天產業服務，需求佔比約為 55%，其次為電力和機械，需求佔比分別為 20%、10%，另外工 業領域佔比 7%，汽車、石油和其他領域佔比分別為 3%、3%和 2%。在先進的航空發動機中，50-70%重量來自於高溫合金，越先進發動機高溫合金佔比越高。發動機越落後變形高溫合金的比重越大，發動機越先進鑄造高溫合金的比重越大，鑄造高溫合金的成本高、設計更複雜。
航空裝備進入快速 列裝期，航發新增和替代市場空間巨大。中國各類機型方面與美國相比還有大幅度的差距。 戰鬥機方面未來二代機將逐步退出歷史舞臺，三代機、四代機佔比將逐步提升。運輸機方面未來運-20 的市 場需求量或達數百架。直升機方面我們認為我軍最新研製的 10 噸級中型通用直升機直-20 也將和黑鷹直升機 所取得成績一樣成為我軍陸、海軍的主力機型參與各種軍事行動。我們假設未來 15 年幾款戰鬥機、運輸機 和直升機完成全部列裝，航空發動機領域新增合計市場空間約為 1,730 億元，每年新增的航空發動機市場約 為 115 億元人民幣。我們預測的每年維護和替代市場空間約為 24 億元人民幣。我們假設高溫合金價值量佔 發動機價值量比重為 20%，則每年高溫合金在航發領域的市場空間約為 28 億元人民幣。
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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。報告來源：東興證券）
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