TA18钛合金熔炼工艺及耐高温性能分析
TA18钛合金，以其优良的力学性能和耐高温特性，在航空航天和高端制造领域中得到广泛应用。本文将详细探讨TA18钛合金的熔炼工艺，并介绍其耐高温性能。
TA18钛合金概述TA18钛合金是一种以钛为基体，添加铝、钒等元素的高强度合金。它具有优异的强度-to-重量比、耐腐蚀性及良好的高温性能。特别是其高温耐受能力使其在高温环境下表现出色。
TA18钛合金熔炼工艺1. 原料选择
熔炼TA18钛合金的首要步骤是选择合适的原料。TA18合金主要由纯钛和添加的合金元素（如铝和钒）组成。高纯度的钛料和合金元素能够确保合金的性能稳定性。常用的原料包括纯钛锭和合金化钛粉。
2. 真空电弧熔炼（VAR）
TA18钛合金通常采用真空电弧熔炼（VAR）工艺。这一过程在高真空环境下进行，有效防止了合金中氧气和氮气的污染。真空电弧熔炼可以产生高纯度的合金，并且能精确控制合金成分。TA18钛合金的VAR工艺主要包括以下步骤：
预热：将合金原料在真空中预热至约800℃，去除表面氧化物和水分。
熔炼：在电弧炉中加热至3000℃以上，使钛及其合金元素完全熔融。熔化过程中，钨电极和熔池之间的高温电弧使合金成分均匀。
冷却和固化：熔炼后的合金在真空环境下缓慢冷却，以防止产生晶间腐蚀或变形。
3. 其它熔炼工艺
除了VAR工艺，TA18钛合金有时也使用氩弧熔炼（GTAW）或者等离子熔炼等技术。这些方法能够进一步提高合金的均匀性和质量。
TA18钛合金的耐高温性能1. 高温稳定性
TA18钛合金具有优异的高温稳定性。该合金在高温条件下的耐受能力是其主要优点之一。TA18合金在600℃至700℃的温度范围内仍能保持良好的力学性能，尤其在航空发动机和高温结构件中表现突出。
2. 硬度和强度
在高温下，TA18合金的硬度和强度保持稳定。该合金在700℃时的抗拉强度约为900 MPa，显著高于许多其他钛合金和镍基合金。其屈服强度在同样的高温条件下可达到700 MPa以上。
3. 燃烧温度
TA18合金的熔点高于1650℃，使其能够在更高温度下工作而不发生熔化或结构破坏。这样的高熔点使其适用于高温环境中的关键部件。
4. 热疲劳和氧化性能
在高温循环条件下，TA18钛合金的热疲劳性能也表现出色。经过多次热循环试验，该合金在750℃下的热疲劳寿命通常超过1000小时。TA18合金在高温下具有优良的氧化性能，其表面氧化层能够有效保护基体材料不受进一步的氧化损害。
TA18钛合金应用实例TA18钛合金的优良耐高温性能使其在实际应用中表现出色。例如，在某些高温燃气轮机部件中，TA18合金被用于制造高温涡轮叶片和燃烧室部件，这些部件需要在超过700℃的环境下长期稳定工作。通过使用TA18钛合金，这些部件的寿命得到了显著提高，同时也提高了整体设备的运行效率。
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高温合金VS钛合金专题报告：高端钛需求强劲，景气度持续印证
1、高温合金和钛合金整体需求可观1.1. 高温合金和钛合金的上下游以及需求结构
材料上游原料主要为金红石和钛铁矿，中游产品主要为板材、管材、棒材、丝材、环材。凭借钛元素优异性能，钛材料下游应用领域广泛，主要应用于化工、海洋工程、航空航天、军事、冶金、医疗、体育休闲等领域。
作为航空飞机用高端金属材料，钛合金和高温合金需求整体可观，从航空发动机直接受益的产业链来看，高温合金和钛合金将核心受益，高温合金和钛合金是航空发动机中占比Max的两种材料，分别为 40%和 30%.
抚顺特钢是军工高温合金材料核心企业，2021Q2 业绩同比、环比均大幅增长进一步验证了军工产业的高景气度。高温合金是军工的核心上游赛道，其直接反映航空发动机行业的景气程度，抚顺特钢以及钢研高纳的接连公告表明目前高温合金行业正处于景气度上行阶段，从而验证航空发动机产业链的高景气.
宝钛股份属于军工钛合金领域，我国战斗机升级换代过程中钛合金占比会进一步提高，目前二代机的钛合金占比约为2-4%，而作为十四五期间重点放量机型的三代半和四代机，其钛合金占比将提高到15%-25%，推升了上游钛合金行业的景气度。
高温合金下游主要为航空发动机、燃气轮机、核电和燃油汽车，全球高温合金需求结构中航空航天占比达 55%，其次是电力 20%和机械 10%领域。高温合金从诞生之日就用于航空发动机，在现代航空发动机中，原材料占航空发动机成本约 50%，高温合金材料的成本约占发动机成本的 40%，发动机关键的热端承力部件全部为高温合金，且具有不可代替性.
航空发动机的发展趋势是不断提高推重比和涡轮前温度，同时降低燃油消耗率。在其它条件不变的前提下，涡轮进口温度每提高 100K，航空发动机的推重比能够提高 10%左右.
从全球来看，从第一代航空发动机发展至目前的第五代发动机，涡轮前温度已经由 1200-1300K 提高到了 1850-2000K，推重比从 3-4 提高到了 12-13。涡轮前温度的提高很大程度上得益于耐高温材料的发展。
因此，高温合金材料成为了制约航空发动机发展的关键要素之一。
发动机需要定期检查修理，属于耗材，维护费用大于采购费用。发动机的结构设计和制造复杂，其需求周期略滞后，且发动机维修贵、寿命短与机身，两者叠加导致高温合金需求景气的持续性.
从中长期看，军机换代和列装成为航空装备产业链需求的重要支撑。
国内目前高温合金供给量较少，由于行业和技术壁垒高，技术受限国内高温合金企业不仅在产能上无法满足我国庞大的军需市场，因其精密制造工艺水平相对有限，造成高温合金产品（单晶叶片）的总体性能偏弱，供需缺口较大，高度依赖进口，未来 2-3 年供给格局不会发生明显变化。外资企业瓜分了国内大量航空发动机的订单的生产与日常维护工作，如我国歼十战机前期搭载的是俄制 AL31FN 涡扇发动机，高温合金叶片订单也顺理成章地由俄方企业承接。
在此种背景下，内资企业的产能无法完全得以充分释放，后期高温合金厂家获得进一步突破，关键在于打破相关产业链技术的桎梏。此外，除了航空发动机外，高温合金在燃气轮机方面的需求较大，同时叠加核电行业的复苏和汽车产业的需求，高温合金的市场前景较好。
钛合金广泛应用在化工、航空航天、电力、体育休闲等领域，在我国，钛加工材在化工领域应用Max，占 51%，航空航天占 18%，其次是医药和海洋工程。在化工方面，由于钛具有优良的耐腐蚀性能，在氯碱、纯碱、塑料的生产中作为抗腐蚀材料广泛应用。
但受到近年来环保压力的增大，钛合金在化工领域的用量逐渐减少。在航空航天方面，钛合金主要用于机身，以冷端承载为主，机身更换维修频率低，属于耐用品，其在发动机前端（冷端）的风扇、压气机也有应用，占发动机总重量的 20-30%，占发动机成本 30%.
目前，我国的钛合金市场成熟、航空用钛材基本实现国产自主供应，但我国航空航天用钛合金与国际平均水平（50%）有较大差距，和美、俄（70%以上）相比差距更大。受军用飞机和民用飞机增量需求，高端钛合金前景较好，但需注意钛合金主要的机身结构件应用已经部分被碳纤维代替。
1.2. “十四五”装备升级大时代，军用航天迎来高光时刻
实现建军百年奋斗目标，国产替代刻不容缓。
我国目前已经能够自主研制军用航空发动机，如歼-16、歼-20 已经大规模换装国产 WS-10 系列发动机，但我国尚无商用航空发动机产品，仍依赖进口发动机。例如运-20 目前使用的主要是俄制 D-30KP2 涡扇发动机，未来可能在改进型号中换装 WS-20 大涵道比涡扇发动机，C919 目前使用的是 CFM 国际生产的 LEAP-1C 涡扇发动机，未来自行研制的 CJ-1000A 涡扇发动机的服役将弥补我国商用航空发动机产品的空白。
推动航空产业发展政策的陆续出台，发展航空发动机对于实现百年建军百年奋斗目标意义重大。
2015 年首次将发展航空发动机、燃气轮机列入国家战略新兴产业；2017 年 3 月，两机专项计划启动，航空发动机、燃气轮机的资金投入预计 3000 亿元以上；2019 年 11 月空军成立 70 周年主题活动上强调“把人民空军全面建成世界一流空军”，空军规划出未来发展“三步走”目标，向全面建成世界一流空军迈进；2020 年 7 月，要增强使命感和紧迫感，努力实现我军现代化建设跨越式发展，加快突破关键核心技术，加快发展战略性、前沿性、颠覆性技术，加快实施国防科技和武器装备重大战略工程，不断提高我军建设科技含量；2020年首次提出“确保二〇二七年实现建军百年奋斗目标”，此外提到“全面加强练兵备战”、“加强军事力量联合训练、联合保障、联合运用”，“加速武器装备升级换代和智能化武器装备发展”。
实现建军百年奋斗目标，要以先进武器装备体系提供强大物质技术支撑，在十四五期间我国航空装备尤其主战机型将加速列装以及更新换代，此外实战化训练也会增加对战斗机等武器装备的损耗，由此从增量和存量两方面都会增加对航空发动机的需求，因此航发动力在十四五期间有望大规模放量。
随着“十四五”强国强军政策的进一步指导，我国将重点建设国防安全与国防现代化，对国防装备能力进行更新换代，我国军机配置将不断增强，对于美国我国仍有较大的追赶机会.
根据《世界空军力量2021》，美国拥有全世界最强大的空中力量，截至2020年底，美国军用飞机（各类飞机和直升机）总数达 13232 架，同比减少 0.51%，依然拥有绝对领先的军机力量。我国拥有军机 3260 架，较美国的 13232 架仍有较大差距，同比增长 1.56%。
由此，我国军用飞机数量存在较大的增长潜力和发展空间。
十四五期间我国航空装备尤其主战机型的加速列装以及升级换代将大幅增加军机的数量，此外实战化训练也会增加对战斗机等武器装备的损耗，由此增加对军机的需求.其次，钛合金在军用飞机上的用量不断提升。
钛合金在飞机及其发动机中的用量不断创新高。由于钛合金的密度比钢小得多，而强度又和钢很接近，因此，它可以大大减轻飞机及其发动机的重量。美国战斗机和轰炸机上钛合金用量不断增高，在 F/A-22 上达到了高峰，达到 41%，创造了战斗机钛用量迄今为止的最高世界纪录。我国歼击机的钛用量也呈逐渐升高的趋势：歼8为 2%，歼10为 4%，歼11为15%， 歼20为 20%，歼31则高达25%。
我国太行发动机的钛用量达25%，与国外先进发动机的钛用量相当。商用方面，C919 大飞机与 ARJ21 新支线飞机未来批量生产逐步启动，对钛合金的应用大幅度提高，将会有力地带动钛合金需求市场的增长.
2、航天航空领域下高温合金和钛合金需求2.1. 国内军用航空领域：军机增量和存量共同拉升两金需求
根据中国航空发动机集团Co披露的材料数据，基于对不同军用机型未来交付量的预测，假设军机高温合金在发动机重量占比为 60%，部件成材率 30%，按照不同机型配备的发动机类型和数量，同时新交付飞机需备用同样台数的发动机，得出新增高温合金需求。
另外，考虑到军用飞机维护相对频繁，假设存量二代机等偏旧机型 10 年发动机更换周期，得出军机维护需求。最后由于产品装备部队前用作试验的发动机台数众多，在研发试验中也会产生大量需求，假设占整体飞机交付材料需求量为 10%，再根据发动机使用寿命以及空军年均飞行小时数，假设飞机年维护数量，预计年军用航空领域高温合金年化需求在 11209 万吨左右。
钛合金主要应用在军机的机体结构和发动机等部件，为了减轻飞机结构重量、提高机体寿命、满足耐高温耐腐蚀等方面要求，新型军机用钛量不断抬升。
目前全球各种先进战机钛合金用量基本都达到了 20%以上，其中美国 F-22 战斗机用钛量更是达到了 41%，我国新型战斗机的代表歼-20 和歼-31 钛合金用量也分别达到20%和25%。
根据 World Air Force 统计， 截至2018年，我国军机结构中老旧型号的二代机仍占40%，而最新的歼-20数量不足50架，与美俄两大空军强国相比，我国新型军机数量占比差距巨大，未来升级换代需求明显，除了列装飞机数量的增加，单机用钛量的提升，都将大幅增加对于高端钛材的需求。
基于对未来 5 年我国不同军用机型飞机交付数量的预测，假设不同机型钛用量占比，钛合金部件生产成材率 30%，并考虑飞机维护需求以及研发试验中产生的需求，预计21年国内军用航空市场对于钛材需求为2992吨。
2.2. 民用航空发动机：高温合金、钛材景气度向好，需求提升
按照高温合金部件在航空发动机中的总量占比 40%-50%来测算，未来 3 年，高温合金部件重量达到 4601 吨，按照成材率 30%测算，国内商用飞机市场牵引的高温合金材料年需求为 5112 吨。
商用方面，C919大飞机与ARJ21新支线飞机未来批量生产逐步启动，对钛合金的应用大幅度提高，将会有力地带动钛合金需求市场的增长。
2021年3月1日，中国东方航空作为国产大飞机C919全球首家启动用户，与中国商飞Co在上海正式签署C919大型客机购机合同，首批引进5架，东航将成为全球首家运营C919大型客机的航空Co。东航与商飞签订的C919正式的购机合同这标志着国产大飞机开始迈入碳素工具钢运营时代。
C919大飞机进入局方审定试飞阶段，预计2021年能够取得适航证，目前C919共获得815 架订单。
根据中国商飞官网的统计数据， C919客机目前一共有包含确认订单和意向订单在内的总订单数量为815架，其中国外订单34架；国内主要订购方为中国国航、东方航空、南方航空、海南航空等航空Co，以及国银租赁、工银租赁、交银租赁等租赁Co.
C919客机机体部分以国内供应商为主，主要由洪都航空、中航飞机、中航沈飞三家上市Co包揽机身业务。
按数值量占比35%计算，假设每架C919价格5000万美元，机体制造数值量1750万美元。2020年2月，东航在新冠肺炎疫情最为严峻时期，在国有大型骨干航空运输企业中，率先成立第一家专业运营国产民机的航空Co——一二三航空，国产ARJ21飞机在东航正式运营.
根据已有的数据，累计28家客户815 架订单，已知C919的钛合金用量为9.3%，假设损耗率为80%，对应约1.6万吨的钛合金需求（不含发动机）。ARJ21 新支线飞机是我国首次按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的中短程新型涡扇支线客机，于2014年12月30 日取得中国民航局型号合格证，2017年7月9日取得中国民航局生产许可证。
目前， ARJ21新支线飞机已正式投入航线运营，根据已有的数据，累计22家客户596架订单，已经ARJ21的钛合金用量为4.8%，假设损耗率为80%，对应约3600吨的钛合金需求（不含发动机）。
按照商飞最新的预测，2020-2039年，窄体客机全球需求量为2万架，中国需求量为4620 架，年均 231 架。若按照商飞每年 150 架的设计产能计算，预计会为整机厂上市Co带来每年 26.25 亿美元（约 180 亿人民币）的增量。
我国目前钛合金下游需求主要在军用领域，未来钛合金需求取决于军用领域。短期来看在“两机专项”和“飞发分离”政策之下，军机发动机以及军舰燃气轮机对于钛合金需求大幅增长，由此带动相关企业的高速发展.
2.3. 高温合金和钛合金在非军工领域需求稳中有升
3、高温合金需求增长略高于钛合金3.1. 高温合金需求量预计增长率达 11%
高温合金供给和需求近年来不断增加，尤其是新机型增量以及进口替代带来的军用航空发动机需求量的增长，而行业产能增长以现有厂商扩产为主。
2021-2025E 我国高温合金需求量呈现连续增长趋势，预计近五年增速达 10%。2021 年需求主要集中在军用航空航天领域，约占比 34.2%.
但近几年一直处于有效供给量远远小于需求量的状态，导致供需缺口出现较大负差，国内高温合金国产化未完全实现，还有一半空间要依赖进口，国内的高温合金依然有较大的产能空间来满足庞大的高端需求市场，其中最主要的是实现在航空领域的自给自足.
3.2. 钛合金需求量预计增长率达 8%
从我国钛加工材在不同领域的应用来看，2018-2020 年我国钛加工材在化工领域的用量依旧Max，其次为航空航天、电力、海洋工程、医药等。在进出口贸易方面，目前，我国钛加工材以出口贸易为主，2017-2019 年，钛加工材的贸易顺差从 8385 吨扩大至 12.8 万吨.
2019 年，钛加工材生产企业共实现出口量 20.92 万吨，同比增长 9.6%；进口量为 8116 吨，同比下降 6.5%。
未来，在十四五计划、军民融合等国家战略的指引下，国内高端化工、航空航天、海洋工程、船舶和医疗等中高端领域的钛材需求量呈加速增长势头，因此，高端钛材的研发生产是国内钛材产品的主要发展趋势，预计未来三年增长率可达 8%。
4、相关企业4.1. 高温合金的重点企业
我国目前从事高温合金研究生产的主要企业分为两类，第一类是特钢企业，主要是抚顺特钢、宝武特冶、长城特钢，主要生产批量较大的合金板材、棒材和锻件，这类产品用量Max，结构简单；另一类是科研院所转型企业，主要是钢研高纳、航材院、中科院金属研究所，主要生产较小批量、结构复杂的高端产品，这两类厂家之间形成了错位竞争的格局。
（1）抚顺特钢作为变形高温合金龙头表现为强者恒强，该Co在航空航天领域中的高温合金市占率高达 80%,竞争格局尤为稳固，抚钢优质管理机制使其经营涅槃重生，经营弹性值得期待。高温合金的国产化率加速提升，变动趋势即将靓丽.
（2）传统铸造龙头钢研高纳与新晋强者图南股份，或将分庭抗礼，近几年这两个Co都通过延伸后端，铸造成型加工，大幅提升了Co的产业链附加值。钢研高纳作为央企子Co，研发技术实力突出，股权激励机制落地，盈利能力不断增强；图南股份作为优质民企，经营管理能力出色，毛利率处于行业前列.
（3）此外，应流股份近年布局航发叶片、结构件等热端部件铸造业务，是中国航发集团以外为航空发动机配套的极少数企业之一.
4.2. 钛合金主要企业介绍
（1）钛合金未来行业竞争格局将会面临结构分化，高端领域例如航空航天领域尤其是军工方向，直接参与企业较少，竞争环境稳定，利好如W部超导这样成熟的军品占比较高企业，其他收益标的包括宝钛股份、W部材料，三者皆通过募投项目进一步扩大规模领先优势并优化产品结构，对冲部分中低端产品下行风险.
（2）目前我国高端钛材订单集中于W部超导和宝钛股份两家龙头，合计占据超过 95% 以上的市场份额，已经形成较为稳固的Bi寡头竞争格局。W部超导以棒丝材为主，侧重航空领域，宝钛股份品种齐全，板、带、管、棒、线等广泛应用于航空航天，亦值得重视。钛合金行业的主要企业为W部超导（棒丝为主）、W部材料、宝钛股份（品质齐全，海绵钛自足并外销）。
W部超导
产品路线高端化：Co主要从事高端钛合金材料、超导产品和高性能高温合金材料的研发、生产和销售。目前拥有高端钛合金产能 6000 吨、超导材料产能 750 吨、高温合金产能 2600 吨。
Co是全球唯一一个拥有从铌钛锭棒-超导线材-超导磁体的全流程企业，拥有研发、技术、品牌优势以及市场先发优势；钛合金产品基本偏军工，主要是钛合金棒丝材；高温合金产线尚处于小规模生产阶段，后续业绩贡献将逐步凸显；
高温合金产能有望进一步扩张：2019 年Co通过募投进一步布局镍基高温合金棒材（1900 吨）及粉末高温合金母合金（600 吨），产能共 2500 吨。项目投产后，Co高温合金总产能达到 5000 吨，深耕军工领域，拓展Co业绩中长期增长空间.
W部材料
Co是新材料行业的领军企业，主要从事稀有金属材料的研发、生产和销售，经过多年的研发积累和市场开拓，已发展成为规模较大、品种齐全的稀有金属材料深加工生产基地，拥有钛材、稀贵金属材料、金属纤维及制品等七大业务板块，产品主要应用于军工、核电、环保、海洋工程、石化、电力等行业和众多国家大型项目.
宝钛股份
Co是国内Max的钛合金生产科研基地，Co是我国Max的钛合金生产科研基地，国内高端钛材的寡头之一，所在地被誉为“中国钛谷”.
主要产品钛材年屈服强度位居世界同类企业前列。Co海绵钛设计产能 1 万吨/年，钛锭设计 产能 3 万吨/年，钛材设计产能 2 万吨/年.
按照使用领域划分，Co的钛材产品主要分为高端产品和民用产品，其中高端产品主要分布在航空航天、船舶和核电领域，民用产品分布在石油化工、冶金、医疗等领域.
5、风险提示军品、民品订单不及预期，Co募投项目受阻，订单交付能力不足。
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作者：华宝证券 杨宇 白云飞
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