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发动机锻造行业研究:高需求提升利润率,技术迭代助力国产替代
来源:宝鸡启成有色金属有限公司 | 点击:77 | 发布日期:2022年8月11日

1.锻造基本介绍

1.1锻造行业的发展历程
尽管锻造技术早在几千年前就被人们掌握,但是直到工业革命的进行,锻造技术才 获得真正长足的发展。1842 年,内史密斯发明双作用锤,创造了第一个由蒸汽驱动的, 用于打桩和大型锻件成型的工业机器,可以锻造出各种复杂形状的锻件;1860 年,哈 斯韦尔构造了自由锻水压机。这些设备的出现标志锻压技术逐渐成为一门具有影响力的 学科。1864 和 1913 年屈雷斯加和密席斯先后发现了金属进行塑性变形的条件(屈服准 则),此后前苏联学者古布金系统性阐述了压力加工原理,他们共同奠定了压力加工学 科的理论基础。
国内的机械锻造业发展相对滞后。直至 20 世纪 50 年代,仍在使用洋务运动时期 引入的英、日、德等国的蒸汽锤、电动空气锤、蒸汽增压式水压机。50 年代末与 60 年 代初,中国逐步开始锻造设备国产化进程,初步可以自制万吨级的水压机和各种类型的 锻锤。受 80 年代改革开放浪潮的助推,锻造工业此后在我国从质到量有了全面发展。根据派克新材招股说明书,目前我国已经成为第一锻件生产大国。为迎应现代航空工业金属部件的加工要求,大压力模锻液压技术应运而生。于 1934 年,德国研制了 70MN 模锻液压机制造战斗机需要的航空铝合金锻件,并于二战期间又 先后制造了 300MN 模锻水压机 1 台、150MN 模锻水压机 3 台。由于模锻液压机对于 空军装备的质量及生产能力十分重要,二战后美苏在获得德国模锻液压机实物的基础上 陆续发展研制出一大批性能优异的大吨位模锻液压机。



1.2锻造工艺原理:锻件的结构性能直接关系到飞机的使用寿命和可靠性
锻造是通过塑性变形改变金属锻件机械性能和内部组织的工艺,可以提升零件自身 的承力和抗冲击性能。在飞机机体及发动机结构中,承力、传力结构的重要零件一般需 要进行锻造。在航空发动机中,航空锻件目前主要应用于风扇、压气机、涡轮和燃烧室 等四大部件,主要起包容、连接、支撑、密封等作用,是十分重要的零部件。
锻造相对于铸造能够有效地排除气孔析晶等问题。锻造的金属材料由于制造工艺, 不可避免地存在具有气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷。在加压设备及工(模)具的作用下, 坯料或铸锭会产生局部或全部的塑性变形,在加工后其形状、尺寸稳定性好,组织均匀, 纤维组织合理,相比加工前其综合力学性能更佳。
锻造按工艺可分为自由锻、模锻、辗环,其中辗环技术成为制备超大型环锻件的唯 一工艺方法。辗环是借助辗环机使环件产生连续局部塑性变形的先进技术,辗环可大幅 度降低设备吨位和投资,具有振动冲击小、节能节材、生产效率高、生产成本低等显著 优点,故随着辗环机大量投入,环轧技术被广泛使用。
1.3航空难变形环形锻件:性能+资质壁垒要求高
采用辗轧技术成形的环件具有组织致密、强度高、韧性好等优点,是铸造或其他制 造技术所不能替代的。航空发动机的压气机机匣、涡轮机匣、结合环、安装边、封严环 和环状火焰筒等均为高温合金和钛合金环形锻件。根据航宇科技招股书,按价值计算, 航空发动机环形锻件高达发动机价值的 6%,是航空发动机的关键锻件。且航空发动机 环形锻件工作条件恶劣,具有耐高温、高压、高腐蚀等特点,质量稳定性及力学性能明 显高于普通锻件。


环轧资质壁垒高,少数企业拥有航空难变形环形锻件生产资质。国际航空发动机制 造商对供应商的管理非常严格,企业只有通过 AS9100D 与 NADCAP 等相关认证才能 与取得该行业境外客户的订单。中航重机,航宇科技,派克新材已通过认证进入此领域, 市场竞争程度低。其中航宇科技累计 16 年航空锻造经验,截至 2021 年上半年已累计 发明专利 53 项;派克新材进入航空锻件领域较晚,截至 2021 年上半年获得发明专利 33 项。

2.锻件制造工艺和技术路线

2.1航空锻件未来发展趋势
难变形材料普及提升发动机性能,精密化、整体化加工工艺成为核心突破方向。在航空锻件中钛合金、高温合金的应用愈发广泛。发动机逐步向高推重比(最大推力和发动机的净重之比)、长寿面和低油耗方向发展,选材更多使用高比强度、高比刚度的高温合金(镍基、钴)及新型钛合金等难变形材料,这样可以提升发动机的耐高温性和抗形变能力,加强飞机在极端环境下的使用寿命。现代先进航空发动机大约有三分之一重量的关键零部件选用优质、高性能的钛合金材料,例如F-22和F-35飞机钛合金用量已分别高达39%和27%。
航空锻件的成型技术向精密、整体、复杂、高性能、高可靠、低成本方向发展。随 着高新技术武器装备向小型化、精确化、轻量化、高可靠、低成本方向发展,对结构件 及其成形技术的要求越来越高。为提高航空锻件尺寸精度,减少加工余量,精密环件轧 制技术得以迅速发展,目前,精密轧制的环件直径尺寸精度可达到 1/1000。此外,为 了进一步提高环件轧制技术效果,复杂化、整体化环件轧制技术成为未来主要发展趋势。


2.1.1精密环轧技术
精确环轧技术是生产高性能无缝环件的首选工艺方法,国内企业初步掌握精密成型 能力。无缝环件对于提高武器装备的性能水平、使用寿命和研发能力都有重要影响。目 前工业发达国家已大量装备不同类型和规格的环轧生产线,但是我国的精密锻造技术在 整个成形生产中比重还比较低,成形件精度平均要比国外低 1~2 个等级,因此发展难变 形材料复杂异形环件精密轧制技术是国内锻件生产商的重要发展方向。
目前,中航重机在环形锻件精密轧制方面的技术居国内领先水平,并于 2021 年投 资建设精密锻造生产线;航宇科技大型航空发动机机匣整体精密成型已成功应用于国产 长江系列商用航空发动机及新一代窄体客机发动机 LEAP;派克新材也掌握异形截面环 件整体精密轧制技术,配备 1.2m-10m 多台精密数控辗环机;三角防务联合清华大学自 主设计 400MN 大型航空模锻液压机生产线,掌握大型整体精密模锻技术。

2.1.2复杂结构件整体等温锻造技术
等温锻造技术是盘件和叶片制造的未来技术方向,陕西宏远具备国内领先的研发优 势。航空发动机涡轮盘、压气机盘、叶片是恶劣环境下服役的零部件的典型代表,对其 强韧性、疲劳性能、可靠性及耐久性的要求十分严格,采用等温锻造技术可显著改善锻 件的微观组织和使用性能,从而提高锻件组织性能均匀性和流线完整性。目前发达国家 已广泛采用等温锻造技术生产发动机关键锻件,其航空发动机盘件中 90%以上采用等温 锻造技术生产。但是目前我国工艺生产的锻件重量平均比国外重 10%~20%,大型锻件 的材料利用率一般只有 10%~15%,等温锻造工艺稳定性问题亟待解决。
我国对等温锻造技术的研究起步于 20 世纪 70 年代末期,除北京航空材料研究院、 西北工业大学等科研单位参与外,诸如中航重机旗下的陕西宏远和贵州安大也参与研 发。目前陕西宏远建设有省级技术中心及计算机辅助中心,在等温锻模具设计与制造、 等温锻技术开发等领域具备国内领先的研发优势。


2.1.3数值模拟技术
数值模拟技术带来降本优势,国内厂商着力提升仿真工艺。锻造过程数值模拟技术 是借助高速发展的计算机技术和现代数值算法,将实际的锻造过程进行模型化,优化工 艺方案,从而减少原材料的损耗以减低成本。目前,有限元法等数值模拟技术在发达国 家锻造领域的应用十分普遍,但是我国多数企业还是沿用传统的经验方式进行新品的试 制,效率低下,成本较高。重机、航宇、派克均着力发展数值模拟技术:重机于 2021 年募投于西安建设数值 仿真模拟中心;派克正在研究锻造成形过程的计算机数值模拟技术,有望将环锻件的成 形精度由传统的 5‰~10‰提高到 1‰~3‰;航宇已将数值模拟技术应用于多台阶异 形截面高温合金机匣的稳定生产中。

2.1.4大型复杂构件整体精密锻造技术
大型复杂构件整体精密锻造技术成为减轻锻件结构重量、降低制造成本、缩短制造 流程的重要工艺,国内企业着力缩小与发达国家间差距。目前钛合金整体结构件已广泛 应用于发达国家大型整体隔框锻件,国外先进军用飞机上已有 40%左右的结构重量为整 体钛合金构件。我国近年逐步引进万吨级以上模锻水压机推动国内工艺发展如,德阳二 重的 800MN 模锻液压机,西安三角防务的 400MN 模锻液压机,包括陕西宏远锻造的 360MN 模锻生产线。目前,国内高端航空锻件生产商已掌握整体锻造技术,如航宇科 技部分大型复杂异形环件的整体近净成形技术已达到国际同类先进水平。
2.2锻造行业属资本密集型行业,加工设备对产品性能起决定性作用
由于特种合金材料具有较强的特殊性,决定了其加工设备必须具备较高的性能,比 如制造大型锻件需要万吨自由锻造压力机。由于智能化生产线需要大量的资金投入,国 外先进的生产设备通常是国产设备价格的 3-5 倍以上,所以资金规模构筑了高端锻件制 造业的高进入壁垒。目前,中航重机拥有各类国内外先进水平设备近千台,是国内大型 的精密轧制和特种锻造基地;派克新材现拥有 3600T 油压机、3150T 快锻机等多台压 力机,并募投购臵 7000T 自由锻液压机和精度更高的数控碾环机;航宇科技拥有 2500T 液压机,6300T 液压机与 8MN 快锻液压机组等先进设备,并覆盖多种尺寸精度的辗环 机;三角防务目前拥有的 400MN 模锻液压机是目前世界上最大的单缸精密模锻液压机, 可以满足目前在研、在役的先进飞机、航空发动机中的大型模锻件生产。


2.3高端金属结构材料依赖进口,上游工艺与发达国家差距显著
航空锻件行业使用的主要原材料占主营业务成本比例较高,原材料价格波动对行业 生产经营构成重大影响。目前国内锻造行业用原材料发展不均衡,普通锻造的材料如碳 钢、普通的合金钢和不锈钢产能充足、品类丰富、质量相对稳定,而特殊锻造用材如高 温合金、钛合金、航空航天用铝合金等高端材料则存在研发水平欠缺、质量不稳定等问 题,导致部分品类仍全部依赖进口。
高温合金品质对发动机质量有显著影响,发达国家牢牢掌握工艺话语权。高温合金 的研制在国际上主要在德国、英国、美国、日本、俄罗斯等国家之间展开,制备工艺从 变形高温合金、铸造高温合金逐步升级至粉末冶金高温合金、定向凝固等技术,推动其工作温度范围逐渐升高,促进了航空发动机性能进步。但是目前我国高温合金从业企业 数量少,整体技术水平较国外龙头企业仍有较大差距,整体产能和实际有效产能较小, 这极大影响了我国锻造行业的发展。

3.需求端:

3.1产业竞争格局情况
我国锻件产能持续保持高位。据派克新材招股说明书援引中国锻压协会,2015 年 我国锻件产量为 1005 万吨,占全球总产量 39%,大幅超过其他国家份额。2020 年我 国锻件产量则高达 1349.2 万吨,已连续多年成为全球锻件的第一大生产国和消费国。
从全球锻造行业来看,我国产量占比大(15 年数据),但德国、美国、俄罗斯为代 表的发达国家在原材料、装备水平、锻造技术和工艺等方面均处于世界领先地位。我国 锻造行业在原材料、热处理工艺、锻造工艺优化等方面与发达国家仍存在一定差距,在 锻造行业的工艺数据库、材料数据库及软件开发仍与国外领先技术存在一定差距,基本 处于空白,制约了我国锻造行业的快速发展。
从国内市场看,我国锻造企业数量众多, 竞争比较激烈,大部分锻造企业主要从事普通碳钢、合金钢、不锈钢材料等锻件的生产, 对高温合金、钛合金、铝合金、镁合金等特种合金材料的加工能力整体不足、产品技术 含量及附加值相对较低、工艺水平相对落后。国内骨干锻造企业数量约 460 家,企业 平均产量较低。大部分企业虽然设备数量和种类较多,但是先进设备所占比例小,而高 精、高效专用设备则更少。

我国航空锻造行业在锻造设备投入和万吨级设备总量上已跃居世界第一位。从事航 空锻造的企业在技术、产量、质量和生产管理方面,都达到了国家有关法规、规章和相 关标准的规定要求,许多企业按照民用飞机适航条例的严格规定,成为了国内外飞机和 发动机公司合格的锻件供应商。自此,我国航空锻造企业不仅成为国内军、民用飞机和 发动机锻件的研发、生产、供应者,并且有能力开拓海外市场。
我国大型自由锻件从料到制造,掌握大锻件关键技术。材料方面,大型锻件需要大 型钢锭,近几年国内采用“钢坯构筑技术”制造大型锻件毛坯取得进展。在锻造技术方 面,我国研究并掌握了大型锻件细化晶粒、大型锻件性能热处理等技术,对于大型奥氏 体不锈钢主管道锻造研究成果已成功推广应用到“三代”华龙一号主管道制造,形成稳 定、批量制造能力。大型环形锻件技术领先,尤其是近 16m 直径大型法兰锻件填补了 世界空白,满足了全球海上风电快速发展需求及核电发展的需要。

3.2军用:战略空军阶段,军机换装列装提速
发展战略空军推动军机换装列装提速,将带动军用航空发动机市场增长。我国空军 已进入发展“战略空军”阶段,但目前仍与美国等军事大国存在较大差距。同时,随着 我国航母事业的快速发展,我国未来将形成一定规模的海军舰载机队。截至 2020 年, 我国各种现役飞机型号有十几种,同时据 Flight Global 发布的《World Air Forces 2021》, 我国海陆空各军种军机数量共计 3260 架,约占世界军机数量比重 6%,但对比美国仍 差距巨大。同时,中国战斗机中大量存在着歼-7、歼-8 等老旧二代机型,未来存在较高 的升级换代需求。


3.3民用:C919等国产商用科技规模化交付,民用市场前景可期
C919 等国产商用客机的规模化交付以及全球推力最大的商用航空发动机 GE9X 订单增长彰显境内外民品市场增长潜力。根据航宇科技招股书援引波音公司发布的 《Commercial Market Outlook 2019-2038》与航宇科技招股书援引空客公司发布的 《AirbusGlobal Market Forecast 2018-2037》预测市场价值的平均值计算,按照航空 发动机占飞机整机价值 20%、航发环形锻件占航空发动机价值的 6%计算,未来 20 年 全球航空发动机环形锻件市场价值约为 831.6 亿美元,市场前景可期。
全球商用发动机市场被 GE、罗罗、惠普等垄断,且这三家企业及他们的合资企业 将在未来持续领先民用航空发动机市场。根据航宇科技招股书基于商用飞机巨头波音及 空客的预测市场价值的平均值计算,按照航空发动机占飞机整机价值 20%的比例保守 估计,未来 20 年航空发动机新装市场价值约为 1.26 万亿美元,备用航发市场价值约 为 1260 亿美元,新增航发市场总计约为 1.386 万亿美元。
我国长期以来以军用发动机为发展核心(航发动力是主要发动机制造商),商用航 空发动机相对落后,不论国产还是进口客机一般均使用进口发动机。不过由于 C919 等 国产客机逐步交付,中长期市场增长潜力较大。根据航宇科技招股书援引《上海市民用 航空发动机产业中长期发展规划(2012-2030 年)》,未来 20 年我国商用航空发动机需 求量约 1 万台,价值约 1000 亿美元。按照环形锻件占航空发动机价值的 6%计算,未 来我国商用航空发动机环形锻件市场价值每年约为 3 亿美元。《中国商飞公司市场预测年报(2021-2040)》年报指出,基于全球经济到 2040 年 保持年均约 2.6%的增长速度,预计未来二十年全球将有超过 41429 架新机交付,价值 约 6.1 万亿美元(以 2020 年目录价格为基础),用于替代和支持机队的发展。到 2040 年,预计全球客机机队规模将达到 45397 架。

最后更新:2022-8-11
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