锻造是固态金属塑性变形，铸造是液态金属充型
锻造可以改善组织缺陷，铸造可以制造复杂内腔结构件
现代工业应用的机械装备大多是由金属零部件装配而成，大部分机械零件由于形状复杂或者加工精度和表面质量要求较高，难以采用单一的方法直接生产，通常先用锻压、铸造或焊接等方法制成毛坯，再经过切削/磨削加工的方法制成所需的零件。
另外，为了易于进行切削/磨削加工和改善零件的某些性能，中间常需穿插不同的热处理工艺，如需进一步改善零件力学性能或其他物理、化学性能，还会利用表面处理手段来改变零件表面化学成分及分布。最后，将各种零部件按照规定的技术要求装配起来，经过调试和检验后即可得到机械装备成品。锻铸在航空航天、武器装备、船舶制造、能源设备、工程机械、轨道交通等产业中起着支柱性作用，是现代装备制造工业的基石，为国民经济和国防工业的发展做出了巨大贡献。
锻造是金属固态下的塑性变形,铸造是利用液态金属充型。锻造是利用锻造设备对金属坯料施加外力，使其产生永久性塑性变形获得具有一定微观组织和性能、形状和尺寸零件的加工方法。锻造常与冲压工艺合称为锻压，两者都属于塑性成形，主要区别在于坯料供应形式不同，通常将以锭料或棒料为坯料的锻压称为锻造，将以板料为坯料的锻压称为冲压。铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力或电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状、尺寸与性能铸件的成形方法。
金属材料经过锻造后，可以改善组织缺陷，具有优异的综合力学性能。金属材料经过锻造加工后，其中的气孔、缩松等缺陷被压合在一起，并使粗大的晶粒细化，得到致密的金属组织，从而提高锻件的力学性能，因此锻件的力学性能一般优于铸件。此外，在零部件设计时，若正确选用零部件的受力方向与纤维组织方向，还可以提高锻件的抗冲击性能。因此，锻件主要用作承受重载和冲击载荷，如机床主轴、传动轴、齿轮、曲轴、弹簧、锻模等。
铸造工艺具有适用范围广，加工余量小的优点，在现代装备制造中具有很高的占比。铸造工艺几乎不受形状、尺寸、重量和材料类型的限制，加工余量小，在复杂内腔零部件制造中优势显著，常用于承压为主而形状复杂的零件，如床身、立柱、箱体、支架和阀体等。铸造在现代装备制造中具有很高的占比，例如在机床、内燃机的零件中，铸件质量占总质量的70%~90%;在煤矿机械中，铸件质量占比为60%~70%;在农业机械中，铸件质量占比为40~70%。
锻造和铸造涵盖多种衍生工艺、各有适用场景
1、锻造常分为自由锻、模锻和环锻
锻造生产过程主要包括下料、加热锻打成形、冷却、热处理、表面处理和检测。在锻造过程中，目标是尽力创造有利的变形条件，充分发挥金属的塑性，降低其变形抗力，消耗最少的功，耗费最少的材料，达到最佳的综合效果。这既取决于被锻金属本身性质，又取决于加工条件，因此对金属性质的理解、加热温度的控制、锻打程序的优化、冷却环境的确定以及热处理和表面处理方法的选取等在锻造工艺中十分重要。
锻造主要可以分为自由锻、模锻、环锻三类。自由锻一般是指借助简单工具对铸锭或棒材进行墩粗、拔长、弯曲、冲孔、扩孔等方式生产零件毛坯;模锻是指金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受压变形而获得锻件;环锻又称为环形轧制，是借助环机使环件产生连续局部塑性变形，进而实现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。
2、铸造包含砂型铸造和特种铸造
(1)铸造工艺流程长，质控难度大，经济效益与成品率挂钩
铸造工艺可以分为四个基本环节。铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能铸件的工艺过程。下面以应用最为广泛的砂型铸造为例，铸造工艺可以分为四个基本环节，即铸造金属准备、铸型准备、浇注冷却和铸件处理。
铸造金属准备的基本要求是优质、低耗和高效。铸造金属准备环节包括准备炉料和熔炼金属，熔炼金属不仅是单纯的熔化，还须使浇进铸型的金属在温度、化学成分和纯净度方面都符合预期要求。若控制不当会使铸件化学成分和力学性能不合格，并可能产生气孔、夹渣、缩孔、冷隔和浇不足等缺陷。有时为了达到更高要求，金属液在出炉后还要经炉外处理，如脱硫、真空脱气、炉外精炼、孕育或变质处理等。铸造工艺的耗能较高，其中金属的熔炼与保温占铸造能耗的50%以上，选择合适的熔炼设备对于降低能耗、提高效率和优化成本十分重要，熔炼金属常用的设备有冲天炉、感应炉、坩埚炉等。
铸型准备是铸造生产中最复杂的工序，直接影响铸件的质量。不同的铸造方法有不同的铸型准备内容，以砂型铸造为例，铸型准备包括材料准备和造型造芯两大项工作，铸件的精度主要取决于这道工序。将上型、下型、型芯等部分组成一个完整铸型的操作过程便是合型，是浇注前的最后一道工序。
铸件处理包括落砂清理和质量检验，铸件有3个质量等级，等级以外的为不合格品。落砂是从砂型中取出铸件的操作，落砂后的铸件必须经过清理，才能使铸件外表面达到要求。清理工作主要有切除浇冒口、清除砂芯、清除黏沙和铸件修整，清理完的铸件要进行质量检验，检验方法取决于铸件的质量要求，常用的质量检验方法有外观检测、无损探伤检验和理化性能试验。我国铸件质量分等通则规定，铸件质量可分为内在质量和外观质量，内在质量是指:力学性能、化学成分、金相组织和内部缺陷等，外观质量是指:尺寸公差、表面粗糙度、浇冒口残留量、重量公差、焊补质量、表面缺陷等，按铸件质量要素的等级标准可以将铸件分成合格品、一等品和优等品共三个质量等级。在质量等级以外的铸件称为不合格品，不合格品也称不良品，可分为废品、次品、返修品和回用品(回炉料)。
(2)铸造类型繁多，熔模精铸是航空航天装备制造的最优化成形工艺
特种铸造以砂型铸造为基础创造而来,可以满足零部件的特殊要求。砂型铸造是以砂为主要造型材料制备铸型的铸造方法，它具有成本低，灵活性大、适应面广的优势，世界各国用砂型铸造方法生产的铸件占铸件总产量的70%-80%。虽然砂型铸造应用普遍，但存在铸造尺寸精度低、表面粗糙度值大和铸件内部质量差等问题。为了改善这些缺陷，满足一些零件的特殊要求，人们在砂型铸造的基础上，通过改变铸型的材料、模型材料和金属液充型形式或冷凝条件等又创造了许多其他的铸造方法，被统称为特种铸造。
特种铸造各有优越之处,但也存在一定的适用范围。常见的特种铸造有熔模精铸、消失模铸造、金属型铸造、石墨型铸造、离心铸造、压力铸造、反重力铸造、连续铸造等，其中反重力铸造根据施加压力形式的不同，可以分为低压铸造、差压铸造、调压铸造及真空吸铸。每种特种铸造方法，在提高铸件尺寸精度和表面质量、改善合金性能、提高劳动生产率、改善劳动条件和降低铸造成本等方面各有其优越之处，但铸件的结构、形状、尺寸、质量、材料种类往往受到一定限制。
熔模精铸是航空航天军工装备制造的最优成形工艺。当前，国内外航空航天军工装备一体化轻量设计、低成本批量制造、结构特性愈趋复杂已成为发展的统一趋势。传统的砂型铸造无法实现复杂构件的精准成形，金属型铸造、V法铸造当前只适宜于结构简单部件(环状结构、锥状结构、框梁类结构等)的批量化制造。压力铸造(高压)虽在轨道交通领域应用广泛，但其内部组织较其他成形工艺在疏松、气孔等缺陷上问题严重。石膏型铸造由于铸型导热系数偏低，产品整体机械力学性能不高。综合批量制造成本、产品生产周期和结构精准化成形等因素,对比各种凝固成形制造工艺,熔模精密铸造是最优化匹配的成形工艺，同时可以结合材料体系选择，实现结构部件的材料减重与结构减重双向轻量化设计。
(三)高端装备对高性能、轻量化和低成本的强烈诉求，牵引高端锻铸工艺快速发展
高端装备制造处于价值链高端和产业链核心环节，决定着整个产业链综合竞争力的战略性新兴产业，是现代产业体系的脊梁。在调整产业结构的背景下，高端装备制造业被认为是七大新兴产业中资金最密集、产业链最完备、见效最快的产业之一。高端装备主要包括传统产业转型升级和战略性新兴产业发展所需的高技术、高附加值装备，高端装备的重点领域和方向包括航空航天装备、航发与燃机装备、卫星及应用、海洋工程装备等。高端装备对高性能、轻量化和低成本的诉求愈发强烈，牵引着高端锻铸技术快速发展。本文所指的高端锻铸工艺主要是指面向高端装备难加工材料零部件高效制造的，所生产的产品具有高性能、高可靠性、高附加值的锻铸工艺。高端装备对零部件高可靠和长寿命的要求主导着锻铸造工艺的改进方向。高端锻铸工艺可以在获得复杂构件形状的同时,通过从材料到最终构件的全工艺过程调控改善构件内部组织及综合力学性能。同时，高端锻铸工艺能制造整体结构，提高装备适应各种苛刻载荷和保持性能长期稳定性的能力，满足武器装备高可靠性和长寿命的要求。
航空、航天和武器装备对轻量化的永恒追求对锻铸工艺提出了更大的挑战。例如，先进飞机要求结构重量系数在27-28%,先进航空发动机更是迫切需要减重，以提高推重比。通过优化结构是实现轻量化的重要途径之一，即采用适合于不同载荷的合理结构，根据结构承受的载荷形式及大小，合理地分配材料，把材料放到最能发挥承载能力的位置。典型轻体结构形式有空心变截面、薄壁曲面、多层结构、变厚度、薄壁高筋、整体结构等。轻质材料本身具有难成形特点，同时轻体结构还具有复杂形状特征，两者的耦合也大幅提升了制造的难度，对锻铸工艺提出了更大的挑战。
高端装备制造关于经济性的需求对锻铸工艺提出了新要求。长期以来,对于复杂构件多采用简单形状毛坯通过机械加工获得最终形状构件，这不仅浪费大量材料，还导致制造周期长、效率低、成本高，对钛合金、高温合金和金属基复合材料构件，机械加工成本更高。因此，这要求锻铸造工艺从毛坯成形到近净成形转变。
欧美等工业发达国家在研发和应用高端锻铸工艺上富有成效。欧美等工业发达国家在发展锻铸理论基础上，结合先进计算机技术，综合应用材料、自动控制、机械等方面的新成果，研制并采用了各种高端锻铸成形技术，对复杂的锻铸成形工艺过程进行数字化控制，以实现复杂构件整体化、近净成形及成形改性一体化，向武器装备提供小余最或无余量的毛坯和零部件，大幅降低产品成本，缩短周期，提高零部件使用性能和武器装备的寿命。2022年，美国国防部发布报告《SecuringDefenseCriticalSupply Chains》提出，要进一步制定锻造和铸造国防工业战略，研发新的锻铸工艺，加大投资力度。
高端锻造已成为高端装备零部件制造主流工艺
(一)锻件在高端装备中应用比重高且承担着关键作用
锻件是构成飞机骨架的主要承力构件。飞机锻件一般用作受力状态复杂、工作条件恶劣的关键零部件,锻件制成的零件重量约占飞机机体结构重量的 20%-35%,是决定飞机的性能、可靠性、寿命和经济性的重要因素之一。大型民机机身结构件产品包括飞机机体的框、梁类结构件，具体有飞机舱门部位的门框锻件，机头部位的风挡边框锻件，机翼与机身部位的连接件，机翼部位的边条、承力梁、框锻件，发动机吊挂系统锻件，机身承力框锻件，转向舵部位的转轴梁锻件;直升机结构件主要包括发动机系统锻件、传动箱系统锻件、桨毂系统锻件、机身结构锻件、起落架锻件和武器吊挂系统锻件。
飞机起落架系统结构件也大量采用锻件。现代飞机的起落架(机轮、制动装置、减振系统、支柱和相应的收放机构)是飞机的主要组成部分之一，它占飞机总重量的3.5%-5.0%,占飞机结构重量的15%-20%。起落架承受起飞着陆及滑行和停放时地面给飞机的反作用载荷，缓和飞机着陆及在不平地面上运动时的撞击，它的工作性能的好坏，直接影响着飞机的起飞和着陆性能。起落架系统结构件包括飞机主起系统和前起系统，包括外筒、活塞杆锻件，扭力臂、斜支撑、支架、后支架等锻件。
锻件制成的零件重量约占发动机结构重量的30%-45%，包括环形锻件、盘锻件和叶片锻件。航空难变形金属材料环形锻件主要应用于航空发动机的风扇、压气机、涡轮和燃烧室等四大部件中，按照安装位置和功能可以分为机匣、安装边、封严环、各类支承、承力环、盘轴、壳体等部件，主要起包容、连接、支撑、传动、密封等作用，是航空发动机中的重要零部件。盘锻件有压气机盘和涡轮盘，而叶片锻件包括风扇叶片、压气机动叶和静叶，主要位于发动机冷端。
(二)高端锻造技术制造精度高，生产成本低，产品质量好
1、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不仅可以提高零部件可靠性，还能减轻结构重量、降低制造成本、缩短制造流程。此类技术主要就是利用整体锻造成型的加工方式将原本多件工件组合成为一体，不仅可以降低零部件、连接件的数量，提高零部件可靠性，还能减轻结构重量、降低制造成本、缩短制造流程。例如，飞机承力框构件是飞机结构件中典型的大型锻件，这类锻件形状特征复杂，空间跨度尺寸大，成形困难并且往往带有不同形状尺寸的肋和辐板，模具充填困难，成形载荷大，锻件组织均匀性和流线完整性不易控制。若将传统的多段组合框改为整体框，这样既可以减少零件或连接件的数量，避免螺栓机械连接或焊接连接的薄弱面，减少应力集中源和避免金属流线中断、提高飞机隔框的抗疲劳、抗应力腐蚀等性能和安全可靠性。另外，还可以设计更薄的构件剖面，大大减轻飞机结构质量和提高飞机结构效益。
整体精密锻造技术在国外已得到广泛应用。根据《航空钛合金锻造技术的研究进展》，目前国外已经开始广泛在航空装备的生产中应用钛合金整体成型技术，在较为先进的军用飞机中，将近40%的结构都是钛合金整体性的构件，例如美国F-22战斗机的4个承力隔框就是采用整体精密热模锻造技术，锻件投影面积为4.06~5.67m2，其中机身整体隔框闭式模锻件，投影面积达到5.67m?,是目前世界上最大的钛合金整体隔框锻件。美国F/A-18歼击机淘汰了之前的制造方式,采用生产整体隔框精锻件(投影面积为 4m2)取代原设计中的368 种零件，使飞机减重 350kg，节约机械加工工时50%。俄罗斯安-22 运输机通过此类技术生产20个隔锻件(投影面积为3.5m2).减少了800个零件，使飞机机体减重1000kg，减少机械加工工时20%。大型复杂构件整体精密锻造技术可以有效降低飞机结构重量，增加发动机推重比，显著提高飞行器的总体效能，已经成为第三、四代飞机生产技术的重要标志性技术之一。
大型航空关键构件往往外形尺寸庞大、材料变形强度高，使得其模锻成形时所需的变形压制力十分巨大，必须使用重型压力机设备进行压制成形。美、俄、法等少数制造强国在 20 世纪就已研制出了 400~750 MN 的巨型压力机设备。依靠这些大型模锻液压机生产的大型整体优质模锻件，为美、俄、法3国在航空产品方面能够生产出第四、五代军用战机和波音B747、空客A380空中“巨无霸”飞机提供了有力支撑,使其在航空航天产品方面居于世界前列。中航重机的公告显示,全球范围内400MN以上大型锻压机共有12台，其中美国拥有4台，俄罗斯拥有2台，法国拥有2台中国拥有 4台。
2、径-轴双向精密环轧技术
精密环轧技术是生产高性能无缝环件的首选工艺方法。无缝环件在航空、航天、船舶、兵器、核工业等诸多军工领域广泛应用，发动机机匣、安装边、导弹舱体结合环、飞船加强环、火炮、坦克座圈等都是由辗轧环件加工的。因此，精密环轧技术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。
径-轴双向轧制是国外近年来采用的一种精密环轧技术。环轧按其受压及变形方向的不同，可以分为径向轧制和径-轴双向轧制两类。径向轧制指在环轧过程中，环壁径向受压缩，轴向不受轧棍限制，金属主要沿切线方向延伸，径向轧制工艺主要适用于矩形截面环形件的成形。为了改善轧制环件的端面质量、轧制成形复杂截面轮廓的环件，在径向环件轧制设备的基础上，增加一对轴向端面轧棍，对环件的径向和轴向同时进行轧制，这样使得径向轧制产生的环件端面凹陷再经过轴向端面轧制而得以修复平整，且轴向端面轧制还可使环件获得复杂的截面轮廓形状。
3、超塑性等温锻造技术
在锻造工艺中，尤其是在锻造具有薄的腹板、高肋和薄壁的零件时，毛坯的温度很快地向模具散失，变形抗力迅速增加，塑性急剧降低，不仅需要大幅度提高设备吨位，也易造成锻件开裂。因此，不得不增加锻件厚度，增加机加工余量，降低了材料利用率，增加了制件成本。自20世纪70年代以来得到迅速发展的等温成形与超塑成形为解决上述问题提供了强有力的手段。
超塑性等温锻造解决了锻造大型精密锻件和难变形合金需要特大吨位设备和成形性能差的困难。超塑性等温锻造使材料在锻件成形过程处于超塑性变形状态，降低了材料的变形抗力，单位压力一般为常规热锻的1/5-1/10，因此同等尺寸的锻件可以采用更小的设备成形。超塑性等温锻造有效提高了材料的变形性能，解决了锻造人型精密锻件和难变形合金需要特大吨位设备和成形性能差的困难，可以在低于常规锻造很多的载荷下，成形出高质量、高精度的薄壁、薄腹板、高肋板和其他复杂锻件，这对很难机械加工的高温合金和钛合金锻件特别有利。
4、粉末锻造技术
粉末锻造是粉末冶金与精密模锻相结合的新型工艺,兼有二者的优点。它是以金属粉末为原料，经过冷压成形、烧结、热锻成形或由粉末经热等静压、等温模锻，或直接由粉末热等静压及后续处理等工序制成所需形状的精密锻件。一般的粉末冶金制件，含有大量的孔隙，致密度差，经过热等静压或加热锻造后，可使制件的相对密度提高至 98%以上。
(三)返回料的应用是未来高端锻造降低生产成本的重点方向
高温合金在加工流程中会产生大量返回料，材料利用率很低导致零部件成本高昂。以高温合金的尖端应用航空发动机为例，由于需要充分考虑强度、空气动力、减重等要求，零件加工环节多、形状复杂、精度要求高，导致材料有效利用率非常低,一般情况下超过90%的材料会成为返回料，高温合金中镍金属的价格高昂，这也导致相关零部件的生产制造成本居高不下。
返回料的应用可以有效降低成本。根据中航上大的公告披露，以GH4169牌号高温合金为例，公司使用约70%的同牌号返回料作为原材料进行冶炼生产，相较于传统使用纯金属料的生产方式可降低生产成本约30%。根据论文《钛合金低成本化制备技术研究现状》，利用钛合金加工制成的TC4 板坯，板材成本降低 20%以上，组织和力学性能与常规 TC4 板材基本一致。根据中航重机的公告，以TC4产品为例，如果利用回收料熔炼成钛锭较利用海绵钛熔炼成钛锭将降低成本约 30%。
国际方面已经建立起来一套完善的废料回收和再利用模式。例如，美国从20世纪 70年代起开展高温合金返回料的再生利用，目前已形成技术成熟、体系完善、返回料严格分类回收和再生利用的全产业链闭环模式，在高温合金生产过程中返回料使用比例达到 70%-90%。返回料经过多次真空提纯和精炼，再生利用后的纯净度水平和各项指标稳定性均优于矿冶新料，使得再生材料的质量和稳定性水平大幅提升，同时还可降低成本 30%以上。
熔模精铸是许多高端零部件的最优铸造工艺
熔模精铸优点突出，可以助推零部件制造提效降本
熔模精铸以蜡模为型，用耐火材料制作型芯型壳，脱蜡后形成空腔并浇注熔体形成铸件，成形后的铸件只需少许的修整和热处理即可得到所需零部件，故也被称为熔模精铸。熔模精铸的主要工艺流程为:制模→修模→蜡模组树→制壳(多层反复)→脱蜡→焙烧→熔炼浇注→破壳清砂→切割→精整→缺陷修复→热处理→无损检测→检验→产品交付。
熔模精铸生产的零件精度高，表面质量光洁，能够实现近净成形，适于生产高熔点和难以加工的复杂薄壁金属铸件。熔模精铸的主要优势有:
(1)近净成形,大幅降低制造成本。熔模精铸件尺寸精度高其尺寸精度可达CT5CT7级(砂型铸造为CT10-CT13级)，表面非常光洁，Ra最小可达0.8um，可大大减少铸件的切削加工余量，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用，即实现近净成形。当采用熔模精铸方法可节省大量设备和机加工时，大幅节约金属原材料，熔模精铸件的金属利用率是一般锻造件的3倍左右。
(2)造型性好，可以减轻结构质量。采用熔模精铸工艺可以生产外形和内腔非常复杂的零件，最小孔径可达1.0mm，最小壁厚可达0.8mm，提高设计自由度，实现结构减重。
(3)一次成型，可以实现减重延寿。将原来由许多零件组合、焊接的部件进行整体设计铸造成形，可以消除装配结构，降低零件重量，减少各部件焊接组装，避免组装应力，改善抗疲劳特性，延长工作寿命。
(4)适应性强，满足柔性化生产。熔模精铸的工装模具可采用多种材料和工艺方法制造，它既适用于大批量生产，也适用于小批量生产，甚至单件生产，能够满足现代柔性化生产的需求。模具在大批量生产时可用金属压型，小批量生产时可采用易熔合金或石膏压型。熔模精铸的合金材料也不受限制，各种合金材料均可制造，如碳钢、不锈钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金以及高温合金。
(5)性能优良，可以具备媲美锻件的力学性能。通过“热等静压”气锻方式提高铸件致密度及性能。热等静压是将铸件置于密封耐压容器内，抽真空后充入性气体介质，升温加压。在高温和均匀的高压下铸件内部的封闭的孔隙(气孔、疏松)被压实闭合，并扩散结合为致密的组织，使铸件缺陷得到修复，性能得到明显改善的一种热处理工艺，目前热等静压已广泛用于钛合金、高温合金铸件。
(6)生产高效，可以成规模制造，具有规模效应。熔模精铸可以通过蜡模组树的方式，实现对中小型零部件的一次浇注大批量生产，从而提高生产效率，降低生产成本。
使用熔模精铸件的增益效果十分显著。自20世纪70年代起，欧美等工业发达国家率先采用大型整体精密铸件代锻件、板焊组合件以提高部件整体结构性能和可靠性减轻结构重量、降低制造成本、缩短制造周期。例如波音767-40ER飞机的仪表控制台框架，过去由 296个零件组成，现改为11个精密件整体成形，壁厚仅为1.8mm。部件减重 27kg，成本降低50%，制造周期缩短89%，工装费用减少90%。
熔模精铸件在高端装备中地位重要且应用广泛
1、熔模精铸件在航空航天和武器装备中得到广泛应用
熔模精铸件如今在航空航天和武器装备中广泛应用，是先进航空航天和武器装备产品轻量化、精确化、长寿命、低成本发展的重要技术基础。包括发动机叶片、机匣在内，还有飞机舱门、机翼及平尾支座等飞机中的关键构件，其形状尺寸、组织结构和性能直接影响发动机和飞机的性能、结构重量系数、寿命和制造成本等各种重要指标，当前基本采用的都是精铸件。据统计，发达国家的高温合金熔模精密铸件约占航空发动机重量的 1/4，其中结构件约占2/3。除了航空装备外，在航天、船舶、兵器和电子领域也广泛应用熔模精铸件。
2、铸造涡轮叶片是航发和燃机的关键热端部件
涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一，处于发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，且数量众多、形状复杂、尺寸要求高、加工难度大，直接影响着航空发动机的性能。涡轮叶片是将高温、高压燃气的能量持续转换为机械能并带动其他部件工作，根据所处环境的差异，可以细分为高压和低压涡轮叶片。高压涡轮叶片需要在 1400℃~2200℃℃、20atm~50atm 的环境中以 1.5万转/分钟的速度下高速旋转，叶片榫头(工作叶片和涡轮盘相连的部分)所承受的离心力相当于叶片重量的1万倍，高达 10~15吨。因此，高压涡轮叶片要求具备极强的耐高温、抗蠕变、抗疲劳和抗腐蚀能力以及较长的使用寿命。当高温高速高压气流经过高压涡轮叶片后，含有的能量有所下降，低压涡轮叶片的工作环境会相对温和一些，相应的性能要求会有所降低。
采用先进的冷却结构可进一步提高涡轮叶片的承温能力。目前，涡轮叶片采用的冷却技术包括:气膜冷却、冲击冷却、扰流柱强化换热、肋壁强化换热等。总地来看气冷结构对涡轮前进口温度的提升贡献率达到了70%。然而，随着冷却技术的不断改进，叶片内部结构愈加复杂，对于涡轮叶片的材料设计和制造工艺设计提出了更高的挑战。
燃气轮机叶片的工作环境更为恶劣,对叶片制造提出了更高要求。与航空发动机相比，工业燃气轮机叶片的工作环境要恶劣得多,大多含硫、钒等杂质，造成热腐蚀。对高温合金部件破坏作用大;燃机叶片寿命通常达几万乃至几十万小时，承受基本载荷的时间长;燃气轮机叶片尺寸大、质量大，航发叶片长度最大约为10cm，重量基本为数百克，相对容易制成单一的晶体，但燃气轮机的叶片长度可达15至40cm，重量可从数公斤到约10公斤，对叶片制造形成了极大挑战。
3、铸造机匣是航空发动机的承力骨架
机匣是航空发动机的关键部件，在发动机中主要起包容转子和承担载荷的作用。机匣外形结构复杂，不同型号发动机的机匣形状各不相同，设计功能决定了机匣的形状，基本形状特征是圆筒形或圆锥形的壳体和支板组成的构件。发动机机匣类零件主要包括风扇机匣、增压级机匣、中介机匣、压气机机匣、燃烧室机匣、涡轮级间机匣涡轮机匣、涡轮后机匣、轴承机匣、中央传动机匣、附件机匣和尾椎等。带整流支板的中介机匣和涡轮后机匣结构复杂，是发动机上的主要承力件，大部分采用熔模精铸工艺制造。
熔模精铸+3D打印是高端铸造重要发展方向之一
快速熔模精密铸造技术(熔精铸+3D打印)是重要的发展方向之一。由于熔模精密铸造工艺过程复杂且制造周期长，难以满足现代社会对企业产品多样化和市场快速响应的需求。而 3D 打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印无需模具，有效缩短了加工周期，产生的废料极少，在非批量化生产中具有较好的效率和成本优势，在研发阶段有望推动设计方案的快速迭代，成为该阶段的制造主力。快速熔模精密铸造技术就是将3D打印技术与熔模精密铸造工艺相结合 3D，当前 3D打印技术在精铸工艺流程中的应用包括两个不同的层次:一是通过打印获得铸造模样或铸型从而缩短、加速铸造工艺流程;二是采用 3D 打印方式修复铸件缺陷或组合制造金属构件，提高铸件成品率。
高端锻铸行业市场空间测算
军机机身锻铸件:受益于军用飞机规模性增长及结构性升级
随着我国国防和军队现代化建设的进程提速，叠加地缘政治形势复杂多变，国家从数量上与性能上都对军机提出更为迫切的需求,合力推动军机市场空间的快速增长。在陆军加速迈进立体化作战时代、海军要求以航母等新型作战力量建设为突破、空军加速“空天一体、攻防兼备”战略转型之际，军机都将扮演关键角色。与此同时，随着未来战争将实现陆、海、空、天、网、电的多军种多领域的深度联合作战，军机将成为关键枢纽和节点，在各军种内承担核心作战及协同任务，重要性不断提升。
另一方面，近年来，我国面临周边环境日益复杂，舰载机和航母的组合实战、战斗机大航程巡航作战和隐身突防、适应高原环境的武装直升机、向高原运送物资以及空中加油的大型运输机等新需求亟待满足，这就对军机执行作战任务的能力提出了更高的要求，也构成了我国军机未来需要重点突破的发展方向，市场的空间不只是规模性的，结构性的转变也在同步推进。对于不同类型的军机，投向的重点将沿着优化武器装备规模结构以及发展新型武器装备的战略方向。
民机机身锻铸件:国产民机加速批产，锻铸件市场迎来新增量
民航业复苏明显，全球民机ABC格局初步构建。2023年，民航业复苏明显，据国际航空运输协会(IATA)统计，2023年全球航空客运总量(按收入客公里计算)已恢复至2019年水平的94.1%。2023年12月6日，国际航空运输协会大幅调高 2023年全球航空运输业盈利预期。中国商飞优先布局国内市场，C919正式开始商业化飞行，并取得超千架在手订单，全球民机ABC格局(空客、波音、商飞)初步构建。
中国商飞公司通过支线飞机型号研制、窄体干线飞机产业发展、宽体飞机拓展形成了全系列产品三部曲，构建了完整的研发体系和产品谱系，探索独具特色的商用飞机发展路径。
随着国产民机进入产业化和规模化阶段,量价齐升带动市场规模扩大。飞机制造过程非常复杂,交付速度受到全产业供应链的制约,同时也在持续的改进和调整,C919在早期阶段扩产会相对偏谨慎。随着规模生产经验逐渐成熟，供应链配合愈加熟，未来C919的扩产有望迎来加速度。2023年年初，中国商飞透露，预计C919在5年内年产能规划将达到150架，甚至更多。
2024年3月28日,中国商飞供应商大会召开,上海市经济信息化委副主任表示将重点以中国商飞总装基地、中国航发商发总装基地为牵引，建设临港新片区成为大飞机及航空发动机制造高地，加快建设世界级大飞机园区;以中国商飞上海飞机设计研究院为牵引，建设浦东新区成为大飞机研发高地;以中国航发商发研发设计中心和中航民机机载系统工程中心为牵引,建设闵行区成为航空发动机和机载系统研发高地。
综合产能建设及市场需求情况，我们作出如下假设:
①预计 2024 年中国商飞将下线 25-35 架C919.2025 年将下线 45-55 架,“十五五”期间有望下线 300-500 架，那么 2024-2030年共预计下线370-590 架。
根据中国东航 2022年5月公告披露，C919目录单价为0.99亿美元/架(折合人民币6.53 亿元/架);根据国航 2023年12月公告披露，国产大飞机C919的目录单价提升为 1.08亿美元/架(折合人民币7.67亿元/架)。市场空间的测算上，我们参考国航的披露定价，即 1.08亿美元/架，假设汇率为1美元=7 人民币，则预计2024-2030年C919的市场空间为2797.2亿元-4460.4亿元。预计2030-2040年，随着全产业链基本成熟，飞机运营、配套维修能力基本完善，市占率逐步提升，国产大飞机也有望迎来黄金时期。
军用航空发动机锻铸件:军发放量先行，锻铸件价值量占比较大
军用飞机加速列装带动军用航发批产型号放量。为实现强军备战目标,“十四五以来，我国武器装备发展由以往的“研制、定型或小批量生产阶段”发展到批量生产阶段，特别是军用飞机、军用无人机加速发展不断列装上量。从运-20到歼-20，再到直-20，这些年我国航空工业领域“20家族”不断壮大,各种机型相继研制成功并体系化发展。随着军用飞机型号升级和新机型加速列装对新型航空发动机提出了新需求军用航发产品线愈发丰富，众多产品将陆续定型批产。同时，伴随国产军用航发技术逐渐成熟，新型号定型速度也将加快。
我们以航发动力和航发科技在 2023年的总营业收入作为空间测算的基准，综合考虑我国未来的发动机需求结构、换发频率和备发要求等因素，我们作出如下基本假设:
①2024-2030年航发主机厂发动机市场在2023年基准的基础上将实现复合增速10-15%。
据此测算,2024-2030年我国航发主机厂发动机的市场规模约为5035-6141亿元，年均 719-877 亿元。
涡扇发动机应用数量多、价值量高，因此我们以涡扇发动机各组件的价值量占比作为整个主机厂航空发动机的代表。涡扇发动机中的叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣主要由锻铸件构成，根据立鼎产业研究院的数据，涡扇发动机的叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣的价值占比高达68%。我们作出如下假设:
①假设锻铸件在涡扇发动机中的价值量占比为55%-60%。
我们预计 2024-2030年航发主机厂发动机中锻铸件的市场空间约为 2700-3700亿元，年均 400-530 亿元。
民用航空发动机锻铸件:民机发动机国产替代加速、国际转包放量，后劲十足
我国规划了3个型号的民用涡扇发动机。我国通过支线飞机型号研制、窄体干线飞机产业发展、宽体飞机拓展形成全系列产品三部曲，构建完整的研发体系和产品谱系，探索独具特色的商用飞机发展路径。目前C919飞机采用的是CFM国际公司研制的 LEAP-1C发动机，我国国产商用航发与世界领先水平还有较大差距，产品还处于研制阶段，但国产替代需求强烈。国产民用大飞机事业的发展，中国航发商发应运而生，成为民用大涵道比涡扇发动机研发的总师单位和总承制单位。中国航发商发共规划了三个产品系列为商飞的产品配套:一是160座窄体客机发动机“长江”1000,配装C919大型客机;二是280座宽体客机发动机“长江”2000，配装C929宽体客机;三是 110-130座的新支线发动机“长江”500，配装ARJ21支线客机的改进型。
根据立鼎产业研究院测算，航空发动机在民用飞机占比约为整机价值量的22%结合中国商飞最新预测2022-2041年交付新机价值总量，2022-2041年航空发动机市场规模约为 1.41万亿美元，对应平均每年704亿美元;其中，中国市场新机交付量约占全球 22%，据此测算 2022-2041年我国民用航空发动机市场规模 3216.2亿美元。假设美元汇率为1美元=7人民币,则 2022-2041年我国民用航空发动机市场规模 2.25万亿元，则对应每年平均1126亿元。未来，随着国产长江系列发动机的服役和批产锻铸市场有望迎来“新引擎”。
燃气轮机锻铸件:燃机应用领域广泛，国产加速迎来大市场
燃气轮机可以分成重型燃气轮机、轻型燃气轮机、微型燃气轮机，主要应用领域有分布式能源、调峰电站、管输增压、煤化工、风光互补、生物质气化联合循环、移动电源车和船舶、坦克动力等领域。
①管道增压
我国油气管网增压运输对轻型燃气轮机的需求强劲。油气管网是国家重要的基础设施和民生工程，是油气上下游衔接协调发展的关键环节，是现代能源体系和现代综合交通运输体系的重要组成部分。我国进口油气运输管线工程、国内系列天然气运输工程(“西气东输”、“北气南下”、“海气登陆”)和成品油运输工程(北油南运、沿海内送)使得我国对燃气轮机需求急速上升。以西气东输工程为例，天然气管线一般每隔 100至 200公里设有一个由多台压缩机组构成的压气站，通过燃气轮机不断加压保证天然气的长距离输送,需要大量采购 30MW 级燃气轮机驱动压缩机组。根据国家发改委和能源局联合印发的《中长期油气管网规划》规划，到 2025 年输油气管网总里程约 24万公里，而根据中国石油管道局工程有限公司首席专家张文伟介绍，截至2022年底，我国长输油气管网总里程约18万公里。国内和“一带一路”沿线的油气管网工程对轻型燃气轮机具有广阔的强劲需求。
②分布式供能、工业发电
燃机在分布式供能和工业发电等领域的需求急速上升。全世界1/5发电量来自于燃气轮机，燃气轮机循环热效率可以到达60%，远远超过一般火电站使用的超临界燃煤系统的40%。当前，我国正在建设以大规模可再生能源发电为主体，安全高效的新型电力系统。电力供应需考虑可负担性和可达性、能源供应安全性以及环境可持续性三个核心维度，而风能、太阳能等能源自身存在随机性、间歇性和波动性，使得电网和电力供应系统的安全性和稳定性备受考验。而燃气轮机效率高、可靠性强、操作灵活、排放低，可使用氢燃料混合物，其发电、调峰、备用电源的功能更适应工业化发展，是目前以新能源为主体的新型电力系统底层布置的最优选择，未来燃气轮机对新型电力系统的支撑作用将越发显现。
根据《燃气分布式能源各阶段技术发展分析》的数据，截至2020年，国内燃气分布式能源项目达到632个，均为天然气分布式能源项目。燃气分布式能源项目装机容量为22.74GW，预计到2030年，装机容量达到58.43GW，到2060年装机容量达到 59.9 GW。
③舰船动力
舰船燃气轮机具有功率大、尺寸小、质量轻、起动迅速、加速性和机动性好等优点，可以有效改善舰船的战术技术性能，使舰船的速度大大提高。世界各国海军在役的舰船普遍采用了全燃动力或柴燃联合动力装置，装舰范围包括舰空母舰、巡洋舰、护卫舰、导弹快艇、猎潜艇、鱼雷快艇、登陆艇、潜艇支援船、破冰船和测量船等。燃气轮机在发达国家的大中型水面舰艇动力中已处于主导地位，航空母舰、巡洋舰、驱逐舰以及护卫舰中约有 3/4的舰船采用了燃气轮机。当前，我国海军的仍处于快速发展阶段,舰船燃气轮机需求量较大,随着国产舰船燃气轮机研制成功,并批量生产国产舰船燃气轮机有望在主力舰艇上批量列装。
舰船锻铸件:造船大周期已至，需求持续攀升
船舶工业是为国民经济及国防建设提供技术装备的现代综合性和军民结合的战略性产业，是国家实施海洋强国和制造强国战略的重要支撑。新世纪以来，我国船舶工业快速发展，已经成为世界最主要的造船大国之一。船舶工业根据用途可分为军用舰艇和民用船舶两大类。
军用舰艇
近年来我国海军装备建设呈现高速更新迭代的态势。伴随2022年第一艘国产电磁弹射航母下水，中国进入三航母时代指日可待。同时，还有多艘055型驱逐舰，075二号舰、三号舰接连入列中国海军，我国远海防卫作战装备力量体系发展步伐加快,近海防御作战装备力量体系优化提高，两栖攻击装备力量体系不断加强。近期地缘关系急剧紧张，亚太局势日趋复杂，台海、南海局势不断紧张，这些主力军舰为维护地区局势稳定、把握战略主动发挥着举足轻重的作用。从未来发展方向上看，美国现有11艘航母服役，我国目前仍然数量较少，仍有较大的发展空间，此外航母编队需配置相应的护卫舰、驱逐舰、登陆舰和补给舰等舰船，仍有较大的造舰诉求。同时，由水面至水下，布局向海底、深海作战舰艇也将是我国发展新域新质作战力量的重点，这也将催生一系列新型舰艇的装备需求。
民用船舶
民用船舶进入新一轮高景气周期，我国造船业有望充分受益。民用船舶行业是国民经济中的重要组成部分，它不仅为海洋资源的开发提供了装备，也为世界贸易提供了必需的平台。近年来，伴随船龄陆续到期、减碳政策促进更新换代以及航运贸易迎来新高峰，民用船舶行业进入新一轮高景气周期。而我国造船业经过供给侧出清、市场化改革、产业转型升级以及加速拓展海外市场后，我国船舶产业实现崛起，成功跻身世界造船第一梯队，持续保持全球领先地位。截止2024年七月份，全球造船厂手持船舶订单量达到约2.48亿修正总吨，我国造船厂手持船舶订单量在全球市场占比为42.97%。
核电机组锻铸件:核电发展步入黄金期，机组零部件需求加速放量
“双碳”目标为核电发展提供新机遇。2020年9月，我国正式提出二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值，努力争取于2060年前实现碳中和的目标。“双碳”目标的提出，为包括核电在内的清洁低碳能源提供了新的发展机遇。在我国“十四五规划和党的二十大报告中，均提出要“积极安全有序发展核电”
核电机组获批数量创下了审批重启后新高。根据《中共中央国务院关于加快经济社会发展全面绿色转型的意见》，将沿海核电与西北风电光伏、西南水电、海上风电等一并列入清洁能源基地,并明确提出加快这些清洁能源基地建设。2024年8月19日,国务院常务会议审议决定核准江苏徐圩、山东招远、广东陆丰、浙江三澳、广西白龙五个核电项目,核准机组数量共11台,这也是国常会首次一次性核准5个核电项目。2011年日本发生福岛核泄漏后，国内核电审批速度放缓甚至暂停。2019年，核电审批重启，此次国常会单次核准机组数量11台，获批数量创下了审批重启后新高。
据华夏电力测算，在碳达峰碳中和日标下，按照2030年、2050年核电的发电量占比分别达10%和18%测算，我国的核电在运装机容量至少需要达到1.5亿千瓦和3.8亿千瓦。以此测算，我国未来十年必须保持每年核准10台以上核电机组的发展力度。根据中国核能行业协会数据，我国目前已形成年供10台/套左右百万千瓦级压水堆核电主设备成套供货能力。我们作出以下假设:
①2024-2033年，年均审批开工核电机组10台;
②百万千瓦级三代核电机组的单台投资额在 200亿元
③设备费用在核电机组建设中占比为30%;
④根据中国核电网,核电站的前期建设工作一般需要5-10年，由于投资节奏难以掌握，我们以年为单位按照直线平均法均摊。
据此测算，2024-2033年我国核电机组设备的市场规模约为6000亿元，年均约为 600 亿元。
核电设备许多关键零部件均采用铸锻件，包括核反应堆压力容器、核主泵、蒸汽发生器、稳压器、主管道、阀门等。我们作出以下假设:
①根据中国锻压网数据，一套百万千瓦压水堆核电机组铸锻件价值达5亿元。综合以上假设,2024-2033年核电机组设备的锻铸件总市场空间约为500亿元，年均50亿元。我们认为，中国核电已经进入黄金期，相关锻铸件企业的核电业绩有望进入放量期。
我国高端锻铸行业发展现状及竞争格局
(一)锻铸产量已多年位居世界首位，产业加速迈向高端化
1、锻造行业:寻求结构优化，高端产能提升较快
我国锻造行业的产量全球第一，但企业平均产量较低。自2013年起，我国的锻件总产量长期维持在1000万吨以上，产量持续维持全球首位。根据《中国锻压行业“十四五”发展纲要》,国内骨干锻造企业数量仍有460家,企业平均产量还比较低。
“十三五”期间，我国锻造在装备及产品方面取得了较大的突破。在锻造设备方面，截止“十三五”末期，我国已经具备了世界顶级吨位且技术含量高的800MN模锻液压机、300MN等温模锻液压机、350MN 高能螺旋离合式压力机、360MN 立式挤压机等先进锻压设备，大大提升我国锻造技术的研发和生产能力。
2、铸造领域:行业集中度较低，尚有少数高精尖铸件能力待提升
我国铸造总产量常年位居世界首位，行业集中度还比较低。截至2023年，我国各类铸件总产量5190万吨，占全球总产量的60%以上。我国尽管铸造企业数量有较大幅度减少，但截止“十三五”末仍有2万多家铸造工厂，数量偏多，企业平均规模偏小,企业规模过小,不利于采用更为高效智能的生产装备,不利于提高劳动生产率,难以进行集约式生产以实现更高的规模效益。
国家颁布多项政策，引导铸造产业高水平、高质量发展。与发达国家的铸造发展水平相比，我国铸造行业整体上在科技创新水平、资源利用与生产效率、产业与产品结构、信息化程度、质量与效益等方面仍有一定差距,节能减排和转型升级任务艰巨。为此，国家近年来颁布了多项政策积极推动行业进一步实现高质量发展。
(二)高端锻铸位于产业链中游、近年来业绩增长进入快车道
锻铸行业位于产业链中游。锻铸行业上游主要是各类金属材料冶炼企业,如碳钢不锈钢、合金钢、铝合金、钛合金、高温合金等，原材料的质量水平直接影响锻铸行业的发展，原材料的价格波动对锻铸行业的毛利率也有重要影响。下游是各类高端装备制造企业，包括航空、航天、燃机、核电、船舶和兵器等领域的大型央国企。
(三)高端锻铸行业产业链整合成为趋势，强者恒强
1、PCC发展路径参考:内生外延式扩张与一体化发展战略并行,助推PCC成为国际高端锻铸行业的标杆企业
PrecisionCastpartsCorp.(PCC)是全球高端精密零部件龙头，产品包括复杂锻件，精密铸件，航空紧固件以及其他的关键特殊金属零部件。PCC总部位于美国俄勒冈州波特兰，160余家子公司和分支机构遍布全球，是一家全球性的复杂金属部件和产品的制造商,主要服务于航空航天,能源设备制造业和通用工业产品制造业。PCC集团按产品类别主要有三大板块:精密铸造产品(PCCStructurals、PCCAirfoils)锻造产品(Wyman-Gordon、PCC Energy、TIMET、SMC);结构件产品(PCCFaSTENers、PCCAerostructures)。2009年，PCC集团在《财富》500强榜单中排名第 362位，在航空航天和国防工业中排名第11位。2015年，排名分别上升为第322、9位。2014年，根据市值，PCC集团在标准普尔500指数中排名第133位。2016年1月，PCC集团被伯克希尔哈撒韦公司以372亿美元的价格收购。
一体化战略成效显著，公司营收持续增长、盈利能力保持稳健。PCC在2011-2015年的营业收入保持稳定增长，在2015年达到614亿元，在退市前的10年中净利润的最大值为2014年的109亿元。2011-2015年间，毛利率始终维持在30%以上，净利率在15%，ROE在13%，具有非常稳健的盈利能力。PCC集团由一个位于美国的小型熔铸厂逐步发展，壮大成为今天国际锻铸产业的顶尖企业和财富五百强企业，对于我国的锻铸企业的定位与发展有着一定的启示和借鉴作用。
2、国内高端锻铸产能天花板显著提升，产业链延伸成未来趋势
据不完全统计，国内高端锻铸企业近10年来共推进扩产项目16个(包括计划中以及实施中的)，累计投资76.82亿元。在16个扩产项目中，有15个是在近五年才开始建设。在扩产项目中，已投产的有11个，占比为69%;高端锻造行业的扩产项目有9个，累计投资43.39亿元;高端铸造行业的扩产项目有7个，累计投资33.43亿元。扩产的锻件类产品涉及大型模锻件、等温锻件、环形锻件和精锻叶片等，铸件类产品包括精铸叶片、小型结构精铸件和大型薄壁精铸件等。
据不完全统计，国内高端锻铸企业近10年来共布局产业链延伸项目14个(包括计划中以及实施中的)，累计投资82.55亿元。在14个产业链延伸项目中，有12个是在近五年才开始布局。在产业链延伸项目中，已投产的有8个，占比为57%;高端锻造行业的产业链延伸项目有9个，累计投资69.98亿元;高端铸造行业的产业链延伸项目有5个，累计投资13.57亿元;产业链向延伸的项目有9个，纵向延伸的项目有5个。企业通过横向拓展可以布局新的产品，开辟新的细分市场，抬升业绩天花板;纵向延伸可以增厚产品附加值，提高盈利能力。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
（转自：未来智库）
