2022 年我国钛行业结构性调整进展明显，已由过去的中低端化工、冶金和制盐等行业需求，快速转向中高端的军工、高端化工( PTA 装备) 和海洋工程等行业发展，行业利润由上述中低端领域正逐步快速向以军工为主要需求的高端领域转移，尤其是高端领域的紧固件( 高端下游) 、3D 打印以及高端装备制造等产品精加工领域。2022年我国钛加工材用量达到 14.5 万吨，同比增长了 17%，主要是化工(PTA 装备)、航空航天、医疗、船舶等中高端领域的用钛量迅速增长所致。总量上看，化工、航空航天领域是钛材最主要的消费领域，2022 年由于国内需求持续提升，航空航天领域用钛量大幅增长 50%至 3.3 万吨；化工领域用钛量增长 23.7%至 7.3 万吨；医药、船舶领域用钛量的绝对数值依然相对较低，但增速都在 30%以上。
钛合金是飞机机体和发动机的重要结构材料之一。作为减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境的良好机体材料，近 50 年来钛合金在商用及军用飞机领域的用量伴随各自产品的升级换代呈稳步增长趋势。
自 20 世纪 60 年代末以来，军用飞机的用钛量逐年增长，当前欧美设计的各种先进军机中钛合金用量已经稳定在 20%以上，我国的航空钛合金用量也在不断提升。据《航空用钛及钛合金的发展及应用》披露，美国 1970 年开始服役的 C-5 上钛合金的质量分数为 6%，而 1992 年开始服役的C-17 已增至 10.3%，钛零件总质量达 6.8 吨/架。俄罗斯的伊尔 76 运输机的钛合金用量达 12%。
此外，美 B-2 轰炸机、法幻影 2000 及俄 Cy-27CK 战斗机的钛用量分别为 26%、23%、18 %，美国 2006 年以后服役的世界最先进第四代战斗机 F22 的用钛量高达 39%-41%。根据曹春晓院士在《钛合金在航空工业中的应用 ——“三钛争艳”时代即将到来》所披露，我国的军用歼击机从初始用钛量只有 2％ 的歼 8， 逐渐增加至用钛量为 4％ 的歼 10，歼 11 用钛量增加到 15％，歼 20用钛量为 20％，直到歼 31 用钛量增至 25％。 大型军用运输机“ 运 20” ( 鲲鹏) 的钛合金用量为 10％， 与 美 国 先 进 的 C-17 运 输 机 的 钛 合 金 用 量(10.3％) 相当。
从两大国际飞机制造商的数据来看，波音和空客主要机型的用钛量逐步提高。减轻飞机重量、增加运载能力、降低油耗是航空公司选择飞机的重要依据，提高钛材用量对于未来民用客机的开发具有重要意义。根据《航空用钛及钛合金的发展及应用》、《钛合金在民用飞机上的应用及发展趋势》，波音公司的 B737、B747、B777 钛用量分别为 18 吨、45 吨和 59 吨，而 B787 飞机用钛量达到 136 吨，占全机质量的 15%, 用钛量比例增加十分显著。空客公司亦是如此，A320、A330和 A340 的用钛量分别为 12 吨、18 吨和 25 吨，而 A380 采用了全钛挂架, 用钛量达到 146 吨，占全机质量的 10%，A350 的钛用量进一步提高到 14%左右。
钛合金加工工艺复杂且难度较高，因此其成材率较低，进而对应钛合金需求更大。根据《航空用钛及钛合金的发展及应用》等披露，普惠公司为开发波音 737 的 PW4084 型发动机，购进 9 吨钛材，使用了 1.7 吨钛部件，材料利用率约为 19%。美国先进 C-17 运输机的钛合金用量 10.3%，单机钛合金用量为 6.8 吨。美军 F22 战机钛合金占飞机结构重量 42%，单机钛用量约为 4.08 吨。我国自主研发的 C919 大飞机钛合金用量达到了 9.3%，单机空重为 42.1 吨，估测单机钛合金零件重量约为 3.92 吨，假设损耗率为 80%，C919 将带来超过 4 万吨的钛合金需求（不含发动机）。
钛合金长期稳占航空发动机冷端的主体地位，用量占比约为 30%。钛合金凭借其低密度、高耐热性、抗腐蚀性、抗蠕变、高机械强度等普遍用于航空发动机中的压气机机匣、转子盘、转子叶片、静子叶片和风扇叶片等零部件，以减轻发动机的重量，提高推重比。根据《钛合金在航空领域的发展与应用》，从欧美国家航空发动机的钛用量变化可以看出，航空发动机中钛合金占比呈现增长趋势，目前国外先进航空发动机钛用量已达到 25%以上，第 3 代发动机 F-100 的钛合金用量约为 25%，第 4 代发动机 F119 的钛合金用量约为 40%。我国早期研制的航空发动机钛用量很低，根据曹春晓院士披露，1978 年研制的涡喷 13 系列发动机的钛用量达到 13％，2002 年设计的昆仑涡喷发动机的钛用量为 15%，而第 3 代航空发动机（太行）中钛合金用量提升至 25%，在研的新型军用涡扇发动机的钛合金用量估计为 30%~35%，趋近于国外的先进水平，在研的新型商用涡扇发动机的钛合金用量预计为 23%左右。
钛及钛合金凭借其优异特性，被认为是非常理想的海洋材料，俄罗斯在船用钛合金的实际应用上最先进，其船舶用钛量已接近 18%，中国的船舶钛用量不足 1%，未来发展空间巨大。钛合金材料密度低、强度高、耐腐蚀、耐高温、透声、无磁、无冷脆性，能够充分满足船舶材料的要求，主要应用于耐压壳体、船体结构、管道、阀及配件等。俄罗斯的研发和应用水平居首，已形成不同强度级别的船用钛合金。其“阿尔法”级、“麦克”级、“塞拉”级核潜艇壳体均使用钛合金制造， “阿尔法”级核潜艇钛合金用量达到 3000 吨；美国将钛合金应用于各种动力的潜艇、海水管路系统及深潜器的耐压壳体等，如 Aivin 号、Sea-Cliff 号深潜器等。中国最早于 1962 年开始对船舶用钛合金进行研究开发，形成的完整体系可以满足我国舰船用钛合金的基本需求，但中国的研究与应用方面与俄美存在一定的差距，应用部位和用量都相比较少，根据《钛及钛合金在船舶中的应用》等文献，国外的船舶钛用量约为 13%，俄罗斯已接近 18%，而中国的比例不足 1%。
主要原因可能为 1）相较结构钢，钛材成本较高 2）中国钛工业之前是为了航空工业服务的，钛材针对船舶的应用研究及相关配套能力不足。钛合金本身优异特性决定了其在船舶、海洋工程领域的应用趋势，未来随着船用钛材的开发研究水平提升以及配套装备逐渐成熟，船舶用钛量提升空间广阔。
大规格铸锭真空熔炼及大规格棒材制造技术难度高，是此前长期制约我国装备发展的瓶颈之一。长期以来，我国钛合金棒材的规格不大（直径基本不大于 300mm）且组织均匀性较差，无法满足新型军工装备钛合金整体化结构锻件的用料要求。近年来，我国大规格棒材锻造技术发展较快，逐步实现了航空钛合金直径 300mm~500mm 棒材的批量化生产，带动了相关技术标准升级。比如，成功制备航空用 TC18 钛合金Ф500mm 棒材、TC4 钛合金Ф600mm 棒材，Ti6Al4V ELI 钛合金Ф650mm 棒材等。熔炼端，我国高端领域用钛合金铸锭的生产从 3 吨锭型逐步发展到了 5 吨锭型、8 吨锭型；铸锭常见的缩孔、高密度夹杂、低密度夹杂、成分偏析等缺陷逐步得到了解决。比如，对纯净性要求很高的损伤容限型 TC4-DT 钛合金实现了 8 吨级大规格铸锭批量化生产。
海绵钛是钛合金的主要原材料，按 22 年市场价测算约占生产成本的 47%。海绵钛的制作工艺包括全流程法和半流程法两类，主要由二氧化钛含量 90%以上的钛矿或高钛渣经过氯化精制得到四氯化钛，四氯化钛再与镁高温下发生还原反应生成海绵钛与氯化镁。根据中游加工工艺不同，海绵钛再经过熔炼、锻造、轧制和挤压制成钛锭和各类钛材。按照钛材均价 37 万元/吨、海绵钛均价 8 万元/吨，钛材毛利率 43%，每生产 1 吨钛材消耗 1.25 吨海绵钛来计算，海绵钛约占生产成本的 47%左右，因此海绵钛价格的涨跌对于军品业务的盈利能力会产生较大影响。
从海绵钛到钛材的加工过程复杂，各个环节产生的损耗较多，但其成本挖潜的空间也相应的会更大。钛板、钛棒、钛管等钛材是由原料海绵钛熔炼为钛锭，再锻造成锻件、板坯、棒坯、锻坯，最后经过热轧或冷轧或挤压或机加等工艺制备而成。以钛板为例，海绵钛熔炼为钛锭损耗率为1.2%，从钛锭到板坯成材率大致为 97.56%，最终的板坯到热轧板成材率最低，仅为 80%，综合计算海绵钛到热轧板的成材率仅为 77%（=98.8%*97.56%*80%）。若是将热轧板深度加工为冷轧板，海绵钛到冷轧板的成材率仅为 69%（=77%*90.1%）。因此优秀的企业有望通过紧抓管理，优化钛材加工工艺，提高海绵钛到钛材的成材率，进而优化成本端提升盈利能力。
3、高温合金 2023 年产量大幅释放，正式踏上“从 1到 100”发展之路
高温合金是指能在较高温度（600 ~1200℃）及应力作用下工作的金属材料，发动机高温端部件是目前最主要的应用场景。航空发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平，发动机涡轮前温度每提高 100 度，推重可以增加 10%，航发的每一次升级换代几乎都伴随着涡轮前温度的显著提高。在现代航空发动机中，高温合金用量高达发动机质量的 40%-60%。高温合金用于发动机除风扇及轴以外几乎所有区域。
高温合金按照制造工艺划分可以分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金等。变形高温合金：是指可以进行热、冷变形加工，具有良好的力学性能和综合的强、 韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金，可分为固溶强化型合金（900~1300℃）及时效强化型合金（-253~950℃），固溶强化型合金具有一定的高温强度，有良好的塑形、热加工性和焊接性，用于制作工作温度不高、承受应力不大的部件，例如燃气涡轮的燃烧室；时效强化型合金综合采用固溶、沉淀、晶界三种强化方式，具有良好的高温蛹变强度和抗疲劳性能，用于制造高温下承受应力较高的部件，如燃气涡轮的叶片和涡轮盘。其中，GH4169 变形高温合金材料在发动机中的用量逐年攀升，我国三代战机主力发动机太行中应用 GH4169 合金的零件号达到 261 个，零件总质量占核心机质量的 60%，占发动机质量的 30%以上。航发用涡轮盘是该合金最重要的产成品。此外，在大飞机发动机和直升机发动机用涡轴系列发动机中也获得广泛应用。
军机加速列装和民用大飞机国产替代背景下，配套军发高温合金需求量大。短期看，我国军发已实现自主可控，歼16、20已大规模换装国产发动机，在军机升级换代加速列装的背景下，配套军发也迈入加速放量期。长期看，国产大飞机已起航，随着民发国产化的进程，将续力军发带来更加广阔的市场前景。
同时，发动机具备耗材属性，随着国产航发占比的提升以及训练强度的增加，发动机具备庞大替换和维修需求。根据科技日报，俄系航空发动机飞机 AL-31F 的总寿命为 900 小时，大修寿命为300 小时。按照每年约 240-300 小时的训练和值班飞行时数来计算，通常每经过 4 年时间就需要更换全新发动机。对平均寿命可达到 20 年之久的战斗机（单发）来说，如果 4 年更换一次全新发动机，就需要约 5 台发动机。对于美系 F100/F110 发动机而言，其工作寿命为 4000 小时，首翻期寿命为 1000 小时，按照前述俄系航发的计算过程，美系 F100/F110 发动机每经过约 15 年时间就需要更换全新发动机，每台战斗机需要约 2 台发动机。与此同时，若是双发战斗机，且每次换发是 2 台一起更换的线 台航发而俄系则需要 10 台航发。由此可见航发具备耗材属性，随着我国国产航发占比的提升以及训练强度的增加，对应发动机的替换和维修需求十分庞大。
研发难度大、试错成本高、应用周期长，共同造就了高温合金产业较高的壁垒。航发用高温合金几乎是在超越材料极限性能的条件下持续工作，因此对合金各方面性能都提出了苛刻的要求。目前主导市场的镍基高温合金是以镍元素为基体加入其它合金元素，其中钴、铬、铝、钨起固溶强化作用，铝、钛、铌、钒形成γ′强化相元素，硼、镐起强化晶界作用。各类强化元素在筛选、配比、时序、工艺等方面只要有细微的调整，就会影响产品性能。而关键技术处于西方的封锁的背景下，材料工程又很难进行逆向仿制，进一步加大了研发难度，在产品开发过程中对检测、探伤等能力有较高的要求，因此目前航空用高温合金市场的主要制造商基本具有科研院所的背景。
在不断修正工艺配方的过程中，不可避免会带来较高的试错成本，尤其是其中包含了钴、铌等贵金属。此外，材料性能的验证有赖于下游锻铸等成型工艺的加工协作，最后总装试车，上述验证流程使得一型产品的成熟需要较长的时间周期，从而形成较高的先入壁垒和资金壁垒。基于上述原因，高温合金行业从业企业相对较少、格局稳固，竞争主要来自于现有企业间。
变形高温合金市场用量占比较高，约占 70%，但国产化率低，目前国内仅个别企业具备批量供应能力，供需缺口较大。发动机中，铸造高温合金仅用于涡轮叶片和个别机匣；粉末高温合金仅用于涡轮盘，其余部分包括压气机、燃烧室、机匣等大部分结构件都是采用变形高温合金，因此变形高温合金用量占比较高。根据《高温合金的分类》，变形高温合金约占 70%、铸造高温合金占20%，粉末高温合金占比 10%。目前只有抚顺特钢、宝钢特钢、图南股份等公司具备批产能力。从目前规模第一的抚钢看，其 2022 年高温合金营收规模达到 16.19 亿元，产量为 7174 吨，而其高温合金产品以变形高温合金为主。虽然我国高温合金进口替代趋势明显，但整体技术水平与世界先进水平仍存在差距，目前仍有 50%左右的产品依赖进口，供需缺口较大。
粉末高温合金已成为目前高性能航空发动机涡轮盘的首选材料，随着未来我国先进航发性能提升，对粉末高温合金需求将越来越大。在航空发动机和燃气轮机的热端零部件中，涡轮盘由于处于温度最高、环境最恶劣的部位而被认为是最关键的部件之一。在我国，涡轮盘中变形高温合金GH4169 合金用量最大、应用范围最广。随着高推重比、高功重比发动机的发展，对涡轮盘要求也越来越高，要求高温合金中的强化元素也越来越多，使其塑性变差，难以热加工变形，并且合金元素的增多使高温合金凝固偏析严重，造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金粉末涡轮盘就能解决上述问题。粉末涡轮盘是通过将粉末高温合金母合金制粉，并经热等静压、热加工变形和热处理等工艺生产而成，这种制备方式制成的涡轮盘的屈服强度和疲劳性能都有提高。
第一代粉末盘 Rene95 用于 GE 公司第三代发动机如：F404、F110、T700 系列等；第二代粉末盘 Rene88DT 已逐步替代 Rene95 应用于第三、四代军用发动机；第三代粉末盘使用温度 800℃以上，为双组织/双性能涡轮盘，拟用于第五代发动机。GEAE 与 PWA 联合研制的 René104(ME3)合金是第三代合金的典型代表，据报道，René104 合金的热时寿命是第二代粉末高温合金的 20～30 倍，该合金已经在 GP7200 等发动机得到了应用，并在空客 A380、波音 787 等大型客机上获得应用。随着我国批产发动机越来越多采用粉末盘，未来将具备庞大的新装及维修需求。
4、在 MRI、MCZ、磁约束核聚变相继拉动下，超导材料有望长期保持较快增长
超导材料，是指在一定条件下，具有直流电阻为零和完全抗磁性的材料。根据超导材料的临界温度，可分为低温超导材料和高温超导材料。一般认为，Tc25K 的超导材料称为低温超导材料，目前已实现商业化的包括 NbTi（Tc=9.5K）和 Nb3Sn（Tc=18k）；Tc≥25K 的超导材料称为高温超导材料，有实用价值的主要有铋系、钇系和 MgB2（Tc=40K）材料等。目前，全球超导市场以低温超导为主，其绝大部分应用都是基于超导磁体产生的强磁场，主要应用领域包括核磁共振成像仪（MRI）、磁控直拉单晶硅（MCZ）、NMR、国际热核聚变实验堆（ITER）、加速器、科研用特种磁体等。根据 Conectus 数据，全球超导产品市场规模从 2012 年的 51.9 亿欧元增长至 2022 年的 68 亿欧元。
与低温超导产业链相关的行业包括超导锭棒、超导线材、超导磁体和超导设备。1）NbTi 锭棒领域：全球仅有西部超导和美国 ATI 两家公司。2）超导线材领域：主要厂商包括西部超导、英国Oxford、德国 Bruker、英国 Luvata、日本 JASTEC，其中西部超导是国内唯一的低温超导线）超导磁体领域：国外主要厂商包括英国 Oxford、 德国 Bruker 等；国内主要厂家包括西部超导、宁波健信、潍坊新力、成都奥泰。4）超导设备领域：高端超导 MRI 市场基本上被 GE、PHILIPS、SIEMENS 三家国际巨头垄断；国内主要厂家包括成都奥泰、苏州安科、东软医疗、上海联影。国外 NMR厂商主要包括德国 Bruker、日本 JEOL。综合低温超导全产业链看，西部超导是国内唯一低温超导线材商业化生产企业，也是目前全球唯一的铌钛锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业。
MRI 和 MCZ 领域用的是 NbTi 超导线材，这是由于 NbTi 和 Nb3Sn 超导线材的以下区别所致：NbTi 是二元合金，具有良好的加工塑性，很高的强度，制造成本低，临界磁场低，主要用于 10T以下磁场；Nb3Sn 是金属间化合物，属于脆性材料，加工性能差，制造成本高，但是临界磁场高，主要用于 10T 以上的磁场。
（一）MRI：我国 MRI 用超导线材潜在空间大，国内厂商正逐步实现国产替代。
MRI 是目前最重要的医疗影像诊断之一，但我国人均 MRI 拥有量与发达国家存在较大差距：根据Statista 的数据，2022 年，美国、希腊等国家的百万人 MRI 设备保有量均在 30 台以上，而我国每百万人口 MRI 拥有量仅为 9.38 台。考虑到中国人口数量位居世界第一，未来全球 MRI 最大的市场在中国。目前国内市场基本上被国外公司垄断，价格昂贵。为此，国家明确将磁共振成像设备列为当前优先发展的高技术产业化重点领域之一。
我国近年来对 MRI 的需求日益增长，但进口 MRI 的数量和金额却呈下降趋势。根据海关统计的数据，2014 年进口 MRI 数量为 460 台，进口总金额为 5.67 亿美元；2022 年进口 MRI 台数下降至354 台，进口总金额下降至 5.35 亿美元，主要是由于国外厂商在大陆设厂以及国产厂商正逐步实现对进口设备的替代。由于国产超导 MRI 系统成本上的优势，使得越来越多的基层医院可以承担购置成本，在我国二三线城市有较强的市场竞争能力，预计国产超导 MRI 市场将进一步扩大，对NbTi 超导线材的需求将有稳步增长。
我国光伏、半导体产业拉动单晶硅高需求，2021 年市场规模为 459.77 亿元，2022 年约增长至530.11 亿元，其中 MCZ 产品约占总产量的 70%-80%。目前，国际上硅片主流产品是 300mm，而 2017 年以前我国 300mm 半导体硅片几乎全部依赖进口，近些年正处于国产替代进程中，同时MCZ 技术可降低单晶硅制造能耗，契合当前“双碳”目标，MCZ 配套的超导材料行业将迎来快速发展。
单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）两种。区熔法单晶硅质量但很难实现大尺寸单晶硅的生长。直拉法可实现大尺寸单晶硅的生长，适合大规模集成电路和大面积太阳能电池的制备，广泛应用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底。综合成本和性能的因素，直拉法是目前主要的单晶硅规模化量产技术。MCZ 技术的物理基础是通过磁场对导电硅流体的热对流形成抑制作用，抑制单晶硅生长过程中杂质和缺陷的产生，晶体完整性、均匀性得到极大改善，可实现高质量大尺寸单晶硅快速生长。其中采用超导磁体提供 5,000Gs稳定磁场的MCZ技术是目前国际上生产 300mm 以上大尺寸半导体级单晶硅的最主要方法。
相比常导磁体，超导磁体可降低 300mm 单晶硅制造能耗 20%、提高成品率 30%。目前，国际上硅片主流产品是 300mm，而我国 300mm 以上的半导体级 MCZ 生产装备磁场部分主要由常导磁体提供（磁场强度小于 0.2T），常导磁体功耗大（大于 100kW）、需要复杂的冷却系统（存在管道腐蚀等问题），且无法高效控制杂质和缺陷的产生。超导材料具有零电阻的特性，采用超导材料制备的超导磁体可以实现无阻载流运行。超导磁体和常导磁体相比，其体积和运行成本大幅度减小，能够降低 300mm 单晶硅制造能耗 20%、提高成品率 30%。返回搜狐，查看更多
