国防军工行业点评报告：航空发动机国产化加速，Sic/Sic复合材料应用可期

证券研究报告·行业研究·国防军工 国防军工点评报告 1 / 9 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 [Table_Main] 航空发动机国产化加速，Sic/Sic复合材料应用可期 增持（维持） 投资要点  事件：《华尔街日报》2月15日报道，特朗普政府考虑阻止通用电气公司向中国出口leap-1c航空发动机，理由是担心该发动机的技术被中国“逆向仿制”。特朗普2月18日晚发布推特，希望中国购买美国的喷气发动机。  国产发动机研制加速已是必然。我们认为此次无论美国是否真的禁运C919发动机，都会促使我国大涵道比航空发动机以及相关零部件、材料国产化的加速。在中美贸易战博弈还将长期持续的预期下，军工产业链所有对进口依赖的环节，都将加速国产化进程。在此背景下，军工电子、新材料等产业短板环节将加速技术进步，需求将高度景气，核心厂商能够现快速增长。  SiC/SiC复合材料是先进发动机最理想的选择。陶瓷基复合材料（CMC）与高温合金相比具有重量更轻、更耐高温等优点，是用于先进航空发动机燃烧室/加力燃烧室、涡轮、尾喷管等热端部件的理想材料，已经在多款航空发动机上得到应用。CMC中研究最为广泛的是以碳化硅（SiC）为基体的陶瓷基复合材料，各国在SiC/SiC CMC 制备工艺方面均开展了大量研究，美国、法国等国家已经将SiC/ SiC CMC系列化。  SiC/SiC材料在LEAP发动机上实现应用。LEAP发动机是一款由美国航空发动机制造商通用电气航空（GE Aviation）和其法国合作伙伴斯奈克玛（Snecma）各出资50%合资的——CFM国际公司所研发大涵道比涡扇发动机。商飞在C919研发之初就为C919选择了LEAP发动机。2017年，SiC/SiC的CMC已经在LEAP发动机热端静子部件上实现了工程化应用，并完成了首飞。LEAP发动机的一级、二级高压涡轮喷嘴和一级高压涡轮罩环均使用了CMC，使得LEAP发动机的高压涡轮的效率和耐久性大幅提高。  GE公司建成大规模CMC部件生产设施，推动CMC应用。GE公司在2015年预测，未来10年发动机中CMC的用量将增加10倍。为实现该目标，GE公司除了在纽约设立的全球研发中心以外，还完成了垂直一体化CMC供应链的4个生产设施。GE公司研发的用于波音777X宽体客机的GE9X发动机，将含有5个不同类型的SiC/SiC CMC零件：燃烧室内/外衬、一级高压涡轮罩环、一级喷嘴、二级喷嘴以及低压涡轮转子叶片。与LEAP仅在一级高压涡轮罩环上使用CMC相比，燃烧室和涡轮叶片应用CMC材料是GE9X的一个重大技术突破。  国内对SiC/SiC材料早有布局，CJ1000应用可期。根据国内航空复合材料龙头公司中航高科公告，2018年公司突破了CJ1000航空发动机复合材料一级风扇叶片制造和无损检测关键技术，2019上半年完成CJ-2000商用航空发动机复合材料风扇大叶片交付，取得了二代SiC纤维/SiC复合材料界面层工艺和致密化工艺的技术突破。同时火炬电子也在陶瓷新材料领域布局多年，子公司立亚新材已经实现批量化生产。 投资建议：推荐国内陶瓷新材料产业化领先企业火炬电子，建议关注国内航空复合材料龙头中航高科。  风险提示：新材料应用进度不及预期，国内航空发动机研制进度不及预期，美国可能采取进一步措施对我国的发动机造成负面影响。 [Table_PicQuote] 行业走势 [Table_Report] 相关研究 1、《军工研究方法论探讨（二）：基于折现和期权定价模型寻找军工主机厂估值安全边际》2019-12-27 [Table_Author] 2020年02月19日 证券分析师 陈显帆 证券分析师周佳莹 证券分析师 陈显帆 证券分析师周佳莹 执业证号：S0600515090001 021-60199769 chenxf@dwzq.com.cn 执业证号：S0600518090001 021-60199793 zhoujy@dwzq.com.cn 执业证号：S0600515090001 021-60199769 chenxf@dwzq.com.cn 执业证号：S0600518090001 021-60199793 zhoujy@dwzq.com.cn 证券分析师 周佳莹 执业证号：S0600518090001 021-60199793 zhoujy@dwzq.com.cn -20%0%20%40%60%2018-102019-022019-06国防军工 沪深300 2 / 9 东吴证券研究所 [Table_Yemei] 行业点评报告 请务必阅读正文之后的免责声明部分 国产发动机研制加速已是必然。我们认为此次无论美国是否真的禁运C919发动机，都会促使我国大涵道比航空发动机以及相关零部件、材料国产化的加速。在中美贸易战博弈还将长期持续的预期下，军工产业链所有对进口依赖的环节，都将加速国产化进程。在此背景下，军工电子、新材料等产业短板环节将加速技术进步，需求将高度景气，核心厂商能够现快速增长。 1. SiC/SiC复合材料是先进发动机最理想的选择 高温材料对航空发动机性能至关重要，目前发动机热端部件主要采用的是使用温度约1100°C的镍、钴基高温合金，开发使用温度高于1100°C的新型高温材料是业界的努力方向。 陶瓷基复合材料（CMC）重量轻、强度高、耐高温，是发动机高温部件的理想材料。CMC与高温合金相比，CMC具有如下优点：  重量更轻，CMC密度低，仅为高温合金的 1/3~1/4；  更耐高温，CMC在不使用空气冷却和环境障涂层的情况下，工作温度可达 1200°C以上，潜在使用温度可达 1600°C。高温合金的比强度和比模量在高于 1050°C时急剧下降，而 SiC/SiC CMC 比强度和比模量随温度升高而增加，在高于 1050°C的使用环境中，与高温合金相比优势显著；  更高效，部件可承受更高的温度意味着需要更少的冷却气体，可将更多的空气用于燃烧室中燃烧从而发动机具有更大的推力；  更节能，可使发动机循环温度更高、燃料燃烧更充分，相应地可减少燃料消耗和氮氧化物排放。 因此CMC 是用于航空发动机燃烧室/加力燃烧室、涡轮、尾喷管等热端部件的理想材料，已经在多款航空发动机上得到应用。 图1：CMC对于该图所示的各种航空发动机零部件都是不错选择 3 / 9 东吴证券研究所 [Table_Yemei] 行业点评报告 请务必阅读正文之后的免责声明部分 数据来源：《美国正全力攻关下一代陶瓷基复合材料》，东吴证券研究所 表1：应用CMC新材料的航空发动机型号 发动机型号 材料体系 应用部位 效果 F100 SiCf /SiC 密封片 累计工作时间 1300h，1200°C /100h，减重 60%。SiC f /SiC 材料比金属密封片具有更好的抗热机械疲劳性能 F110 SiCf /SiC 调节片 累计工作时间 500h，1200°C /100h，增加推力 35％。取样性能测试结果表明，SiCf /SiC无明显损伤 XTC 76/3 SiCf /SiC 燃烧室火焰筒 火焰筒壁可以承受 1589K 温度 XTE76/1 SiCf /SiC 低压涡轮静子叶片 提高了强度和耐久性，明显减少了冷却空气需要量 EJ200 SiCf /SiC 燃烧室、火焰稳定器和尾喷管调节片 通过了军用发动机试验台、军用验证发动机的严格审定，在高温高压燃气下未受损伤 F136（配装 F35） CMC 涡轮 3 级导向叶片 耐温能力可达 1200，重量仅有镍合金的 1/3。可能是陶瓷基复合材料在喷气发动机热端部件上得到的首次商业应用 Trent CMC 尾椎 截至 2013 年 1 月，运行 73h，未有热或结构应力问题发生 Leap-X CMC 低压涡轮导向叶片 质量仅为传统材料的 1/2 甚至更轻，但可以耐 1200°C以上的高温，并且不需要冷却，易于加工 数据来源：《新一代发动机高温材料—陶瓷基复合材料的制备、性能及应用》，东吴证券研究所 CMC中研究最为广泛的是以碳化硅（SiC）为基体的陶瓷基复合材料，主要是因为相较于其他基体材料，碳化硅材料具有更好的性能，保留了碳化硅纤维高强高模、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等优点，同时克服了碳化硅陶瓷断裂韧性低和抗冲击性能差的缺陷。各国在 SiC/SiC CMC 制备工艺方面均开展了大量研究，美国、法国等国家已经将 SiC/ SiC CMC 系列化。 4 / 9 东吴证券研究所 [Table_Yemei] 行业点评报告 请务必阅读正文之后的免责声明部分 2. SiC/SiC材料在LEAP发动机上实现应用 LEAP发动机是一款由美国航空发动机制造商通用电气航空（GE Aviation）和其法国合作伙伴斯奈克玛（Snecma）各出资50%合资的——CFM国际公司所研发大涵道比涡扇发动机。该款发动机油耗指标较上一代同级别发动机有约15%的提升。法国空中客车公司和美国波音公司分别为其新窄体A320neo（LEAP-1A）和737MAX（LEAP-1B）选择了LEAP发动机。 商飞在C919研发之初就为C919选择了LEAP发动机。为了能更好的发挥性能，作为C919飞机唯一发动机选型的LEAP-1C，从基础性能上就与飞机型号的设计指标进行了深度适配，附加机匣、整流罩气动、油电气管路等诸多细节都与机体进行了综合性优化设计。 2017年，SiC/SiC的CMC已经在LEAP发动机热端静子部件上实现了工程化应用，并完成了首飞。LEAP发动机的一级、二级高压涡轮喷嘴和一级高压涡轮罩环均使用了CMC，使得LEAP发动机的高压涡轮的效率和耐久性大幅提高，发动机重量减轻了数百千克，节重放大效应远远超过3:1。此外，LEAP发动机的低压涡轮导向器叶片采用SiC/SiC CMC，可耐1200°C以上的高温，并且不需要冷却，易于加工。 图2：商飞为C919选择的LEAP-1C发动机 数据来源：新华网，东吴证券研究所 5 / 9 东吴证券研究所 [Table_Yemei] 行业点评报告 请务必阅读正文之后的免责声明部分 3. GE公司建成大规模CMC部件生产设施，推动CMC应用 GE公司在2015年预测，未来10年发动机中CMC的用量将增加10倍。为实现该目标，GE公司除了在纽约设立的全球研发中心以外，还完成了垂直一体化CMC供应链的4个生产设施，即GE航空集团总部负责CMC产品设计的CMC实验室；CMC原材料及部件的小批量生产厂；CMC部件大批量生产厂，生产包括LEAP所使用的SiC/SiC涡轮罩环等部件，其目标是在2020年实现年产能超过36000个罩环；以及CMC大批量原材料生产设施，该设施包括两间工厂，分别批量生产碳化硅陶瓷纤维和使用碳化硅纤维生产单向预浸料。 碳化硅陶瓷纤维工厂将是美国国内首家规模量产该材料的工厂，此前全球范围内仅在日本有一家隶属于NGS先进纤维公司的碳化硅陶瓷纤维量产工厂，正是该工厂一直为GE提供CMC部件所需的碳化硅纤维原材料，其中NGS是日本碳素株式会社（50%股权）、GE（25%股权）和法国赛峰集团（25%股权）于2012年共同出资建立的合资公司。碳化硅纤维工厂竣工投产后，美国国防部、GE航空、赛峰集团将成为其主要客户。 除了LEAP以外，GE公司研发的用于波音777X宽体客机的GE9X发动机，将含有5个不同类型的SiC/SiC CMC零件：燃烧室内/外衬、一级高压涡轮罩环、一级喷嘴、二级喷嘴以及低压涡轮转子叶片。与LEAP仅在一级高压涡轮罩环上使用CMC相比，燃烧室和涡轮叶片应用CMC材料是GE9X的一个重大技术突破，GE公司估计GE9X发动机采用陶瓷基复合材料涡轮转子叶片后总重将降低约455kg，相当于GE90-115发动机净重的6%。GE9X发动机的推力级别