前哨 | 涡扇20的坚实基础，中国先进航发钛合金叶片，每年出口十几万片

2020-12-12 01:46:27

导语：

近期以来，网上不断有自媒体称涡扇20大涵道比涡扇发动机已安装在运20上进行试飞，运20性能有望再上一层楼。

不管这些消息是否属实，实际上，太行系列发动机的一些部件，比如低压压气机的钛合金叶片，国内的制造能力是非常可靠的。

每一年，都有十几万片这样的国产叶片，装载在西方先进发动机上，在全世界上空时刻不停的运作。

一：与施奈克玛的合作，使中国航发钛合金叶片产业与世界先进水平接轨

在上世纪90年代中期，中国的太行发动机研制已经推进到较为深入的地步，很多部件的设计制造已经完成——其中就包括压气机的钛合金叶片。这引起了法国方面的关注和重视。

因为太行发动机的设计参照原型，是美国通用和法国施奈克玛合作研制的CFM-56发动机，其核心机源于美国通用公司的F101（装备B1超声速战略轰炸机）。

图：B1系列轰炸机采用四发设计

图：F101发动机

图：太行发动机

中国初步制造成功太行发动机的一些关键部件，意味着中国已经仿制成功相关材料，并具备对应的加工手段。这说明中国具备了这样的潜力：在严格的质量检验标准下，中国的相关企业，有能力——至少是潜在的能力，生产合格的CFM56部件。

图：钛合金叶片的精锻流程简单示意，实际上需要90多道工序

图：某型发动机第一级高压压气机的钛合金叶片精锻过程展示，从左至右分别是：原料棒材（切割后），叶片挤杆，镦头、预锻、终锻。在终锻后，还要通过机加工和抛光等工序，才能得到最终的成品叶片

图：国产CFM-56-7B叶片精锻流程

图：CFM56的低压压气机叶片

由于中国和法国都对彼此存在强烈的合作需求动机（这将在后文详述），很快两国就形成了合作：

经过施奈克玛集团的实地考察和调研后，1997年初，在中航集团安排下，贵州新艺机械厂（中国航空发动机叶片生产基地）与施奈克玛集团签订协议，以太行发动机的TA11牌号（仿美式Ti-811牌号）材料的钛合金叶片的精密锻造工艺作为基础，引进部分先进设备和技术，试制CFM-56-7B发动机的第四级低压压气机叶片。

图：第三次的数据是中方采用有利评价倾向的标准计算出的结果（432），但依旧达不到法方标准（450）

但中方的实际能力缺陷，在合作的前期迅速暴露：最初的三个试产批次，没有一个批次能在疲劳强度这个涉及到寿命关键的性能指标上，满足预定要求。这三批叶片，按中方自己选用的有利数据计算，能达到目标性能的96%；而按照法方的标准，则只能达到70.7-72%。

法方复查了中方的整个叶片生产工艺，断定问题没有出现在国内的工艺水平上。最后中方按此结论自行复查，最后发现三批叶片的关键部位上，都出现了叶片边缘R角的尺寸大小不等，转接过渡不平滑的问题。

按照原始设计，在上图所示的叶片最大应力区域，前缘R角应该是0.25毫米。但由于管理水平的问题，中方在工人手工抛修叶片的环节出现了明显的尺寸控制不当，大量产品的实际尺寸明显小于0.15毫米。说的直白些，就是叶片边缘做的比设计标准更“锋锐”了一些。

这样一个非常不起眼的细节，直接导致国产的西方先进航发叶片寿命的关键指标暴减30%左右。

在与法方合作之前，国内一直没有明确认识到这方面的隐患，设备和人员生产能力上的潜力，有相当一部分不能体现在产品的性能上，而是在很长的历史阶段中永久浪费掉了。

图：国内某型发动机，曾多次出现转子盘体爆破。2018年给出的官方总结是：“......管理失误占的比例较大，技术难度占的比例较小，基本上是7：3，即管理占7，技术占3。从目前发动机研制暴露的问题看，加强技术管理工作，迫在眉睫，刻不容缓”

在执行严格的高标准验收的同时，法方也向中方转让了一些关键性的技术和生产管理制度，并使得中方得以了解到中国与西方在航发叶片产业上的各种差异——包括但不限于原材料检验、半成品检验、抽检方式、腐蚀检验、疲劳验收标准等各方面。

比如在钛合金叶片的检验上，蓝色阳极化（蓝色腐蚀）检验工艺，能够非常有效、直观的鉴别出每一片叶片的常见缺陷及其类型，是西方航发制造中的主流技术。

图：蓝色腐蚀后，钛合金样件表面呈现蓝色，金属组织的不同区域会形成色泽深浅不一的表面氧化膜，黑圈中就是典型的夹渣缺陷，带有此种缺陷的原料不能用于钛合金航发叶片制造

图：上图中缺陷放大一百倍的显微成像

图：蓝色腐蚀下，钛合金的α相偏析（一类内部化学成分和组织分布不均匀的现象）也暴露的非常明显。传统的普通硝酸/氢氟酸缺陷检查工艺，很难检测此类缺陷。（附注：蓝色腐蚀依旧要大量使用硝酸和氢氟酸）

这项技术90年代时，在国内尚处于研究阶段，远不足以实用。目前新艺机械厂正在使用的蓝色阳极化生产线，其槽液配方、工艺参数、操作工艺流程，均是由施奈克玛提供，产品验收流程和标准也由施奈克玛公司制定。

用新艺机械厂自己的官方总结就是：“通过本次国际合作，有助于我国在叶片制造技术、技术管理、质量理念等方面与国际接轨”......"通过了适航试验，并交付法方使用，从而使国产钛合金叶片制造技术开始与国际接轨"。

目前新艺机械厂每年生产的CFM56-7B叶片达到十多万片。在成功实现与法国的合作后，..三菱、德国蒂森、意大利新比隆等公司，也纷纷与该厂签订燃气轮机的叶片制造协议。

但事实上，受益最大的并不是这些能通过第三方代工降低成本的国外企业，而是国内自行生产的各种发动机——特别是与CFM-56天然具备浓厚血缘关系的太行和涡扇20。

二：中国航空发动机叶片制造，为什么要给法国人打工？

进入80到90年代后，在成熟而被广泛运用的钛合金牌号范围内，国产航发叶片制造能力的最大瓶颈，并不在于制造设备的硬件水平。相反，最严重的问题始终在于生产过程的管理水平和质检环节水平低下，导致废品率居高不下，合格品成本高的离谱。

这其中既有国内工业能力的差距问题——比如在具体的检验技术上较为落后，也有计划经济模式下的体制低效问题。

图：国内的钛合金叶片精密锻造技术，最早是1970年随斯贝项目从英国引进的。从60年代末期到70年代末期，以斯贝系列发动机的引进为主线，中国从以英国为代表的西欧、北欧多国，引进了几乎全套的60-70年代欧洲先进航发生产技术和设备

国内航发领域长期存在这样的特征：设计能力水平大幅度落后于生产能力水平；生产过程中，制度管理水平大幅度落后于质量检验能力水平，而质量检验能力水平，又大幅度落后于制造能力水平。

因此与施奈克玛这样的国外先进航发企业合作，分包发动机叶片生产，对于中国来说就是最佳的决策方向：

图：C919上的LEAP发动机也是在CFM56基础上发展出来的

a：在相当长时间内，国产航发无法在民用市场上形成足够的竞争力，国内民用客货机发动机的主流市场，被通用/施奈克玛、普惠、罗罗这三家巨头垄断，将会是无可避免的长期结果。

参与施奈克玛的分工，至少能让国内采购进口发动机的资金回流一部分，并创造一部分就业岗位，在盈利状态下健康扩充国产航发的产能。这一理由，同时也适用于不少燃气轮机等进口产品。

b：与施奈克玛建立起转产关系，必然要以法方的质量检验标准为准绳。这就会强制性的倒逼国内钛合金叶片生产管理和质量检验水平提升，在较短的时间内，弥补上最大的短板，并真正释放出最大的产业潜力。

图：装备SAM146发动机的苏霍伊SSJ100客机

图：sam146发动机

对于这一点的论述，实际上可以完全参照俄罗斯土星公司的感受。2010年，土星公司的总裁费奥多洛夫在接受英国《飞行国际》采访，谈及法国主导设计、俄法合作的SAM146发动机时，做出了如下表态：

“与施奈克玛公司的联合需要思维方式的转变，即土星公司必须变成一家西方公司......”

“土星公司努力满足西方的标准，提供工具、..能维修关键部件的人员......”

"在项目启动之前，对于公司能力过分乐观地估计造成了在工作量和进度方面的冒进。但这一切都过去了，现在土星公司已经清醒并且成为完全透明的公司。"

"施奈克玛公司是个“粗暴、刚毅近乎严酷”的伙伴，几乎是以铁腕的手段拖着土星公司前进，这一过程让人难以接受，但却是必须的，土星公司因此获得进步。”

三：法国在CFM-56这个金饭碗项目上，为什么会选择与中国合作？

真正促使法国与中国在CFM-56项目上合作的原因，在于合作能为法方带来多方面的经济利益优势，但大致上讲，主要在于以下两点：

1、为了获得来自法方的技术转移，中国必须在诸多大型项目中，对来自法国的产品予以各种形式的大额优惠。其中包括、但不限于，在西方国家存在同类产品竞争的时候，优先采购法国产品；这种贸易优惠的涉及面非常广，远不止于发动机、飞机本身。

图：比如选择购买波音还是空客的产品，这往往就绝非简单的独立商业选择

比如在90年代初的中法军贸争端中，中方一开始对法方的拉拢措施，就是给出新的巨额采购订单。谈判破裂后的核心报复措施之一，就是中断、撤销各种中法合作项目，直接涉及到当时广州地铁、大亚湾核电站二期工程、乃至小麦进口等。

2、在CFM-56本身的层面，施奈克玛集团也有强烈的动机，将相当一部分尚不足以动摇其核心竞争优势的工作外包到其它国家，以降低制造成本，有效的提升集团商业利润。

以转产给中国生产的低压压气机叶片为例，它的制造过程中无法避开的几个生产要素，在法国这样的发达国家，需要付出非常高昂的额外成本。只有把项目分包给中国这样的第三世界国家，施奈克玛才能用低得多的价格，造出同样品质的叶片：

a：人力成本，此处以钛合金叶片的表面抛光为例讲解：

钛合金叶片有一个很大的缺点，就是它对表面的损伤极为敏感；哪怕是一道很小的划痕，被飞溅的熔融金属颗粒造成的很小一点烧伤，都可以导致寿命暴跌。

目前钛合金叶片的最终表面处理，国内外都高度依赖于工人的手工抛光。但由于钛合金的导热性很差，抛光过程中稍有不慎，就会由于砂轮等工具设备与叶片之间剧烈摩擦过程产生的热量淤积，导致表面出现局部的过度升温、形成钛合金组织烧伤，并导致叶片报废。

图：叶片去毛刺

图：叶片抛光

图：边缘倒角

因此这个抛光工作同时具备四个特点：劳动强度非常大，具体的操作非常繁琐，对工人的操作技巧非常依赖，对于责任心的要求非常高。

在发达国家较高的社会薪金..水平下，这种要求苛刻的工作岗位，不开出非常高昂的工资、奖金、..待遇，根本招不到合格的工人。这使得施奈克玛在法国本土招募一个工人的钱，在转包到中国后，能雇佣好几个、甚至是十几个工人。

b：劳保成本，此处以涉及到的毒性、腐蚀性物品为例：

在钛合金叶片的加工过程中，存在大量热处理、化学铣削（腐蚀）、电解（腐蚀）、电镀、腐蚀检验等工艺环节。比如以钛合金压气机叶片的精锻工艺流程为例，90多道工序中，化学铣削就要进行6次。

为了实现彻底去除部件表面附着的油污、腐蚀掉表面氧化层乃至一定厚度的材料基体（调整尺寸、去除表面锻造缺陷）、生成牢固的镀层等目的，必须要使用大量带有强烈毒性、腐蚀性和污染性的材料，包括但不限于：

氢氟酸、氟硼酸钠、氰化钾、氰化钠、氰化铜、烧碱、硫酸、硝酸、重铬酸钾..........

图：氢氟酸的危险性不仅在于高毒，还在于它的高挥发性、高渗透性。在钛合金叶片制造中，它远比氰化物危险得多

这些环节如果放在法国的本土工厂，针对危险岗位的额外薪金..支出，相关劳动保护措施（包括但不限于生产设备、个人装备、规章制度......等等）的实施和维持，要花的钱都会远高于中国等国家。

c：环保成本

如上一条所述，钛合金发动机叶片制造中，必须要大量使用氢氟酸之类带有显著毒性、腐蚀性和污染性的原材料。除了对生产人员形成的直接威胁外，一旦废液、废渣、废气稍有处理不当，对周边环境的毒害也会非常强烈。

图：工业废水污染

在法国本土，由于环保标准制定的很高，而且监督和惩罚措施严厉；施奈克玛集团需要花非常多的钱，才能保证生产过程的污染排放不超过法定标准，并赔付意外事故导致污染带来的赔偿和罚款。

以上这两个大的要点，是技术先进国家与落后国家之间进行合作的普遍规律。法国CFM-56发动机的另一个重要分包对象俄罗斯，也同样适用于这些结论。

结语

和很多人臆断的结论相反，国内在先进航发的设计制造上，更大的问题是“造得出来，但设计不出来”。

比如仅以发动机叶片而言，国内航发叶片各种严重故障——断裂，掉角，掉块，实际上很少是制造上的原因；各种原因导致的设计不当——尤其是振动控制设计水平不佳，才是诱发叶片迅速疲劳断裂的最大原因。

参考资料：

《航空发动机钛合金叶片制造技术及失效分析》

《中航先首席专家技术丛书——新型航空高性能钛合金材料技术研究与发展》

《钛合金蓝色腐蚀检察工艺技术研究》

上一篇：真棒！最好的保障，给边防战士安排上！
下一篇：华春莹再回应“战狼外交”

小编推荐

1 面包机制作面包面包机制作面包的方法（面包机制作面包配方及制作方法窍门）
大家好，小娟今天来为大家解答面包机制作面包面包机制作面包的方法以下问题，面包机制作面包配方及制作方法窍门很多人还不知道，现在让我们
2 莫“揩”公家油
近日，有媒体报道了天津市河北区人民当局办公室原四级调研员房志秀严重违纪违法案的相关细节。房志秀在担当区当局办公室财务科科长时，精神
3 十进制转二进制算法（十进制转二进制算法小数）
大家好，小娟今天来为大家解答十进制转二进制算法以下问题，十进制转二进制算法小数很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！1、十进制整数
4 母婴节特惠丨把礼物选在妈妈的心坎里
母亲节要到了，你还在为选什么礼品而吃力恼？e家优选早为你挑好了，包管送到妈妈的心坎里~妈妈的身体健康一向都是后代最关心的问题，然则针对
5 爱学术论文查重公众号（爱学术公众号的查重可靠吗）
大家好，小伟今天来为大家解答爱学术论文查重公众号以下问题，爱学术公众号的查重可靠吗很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！1、搜索公
6 著名演员凌晨离世！他的作品家喻户晓……网友痛悼
点上方蓝字“哈尔滨殡葬”快速存眷据媒体报道曾在片子《泰坦尼克号》中饰演船主一角的伯纳德·希尔（Bernard Hill）已于本地时间5月5日凌晨离世享
7 四星酒店（四星酒店住一晚大概多少钱）
大家好，小娟今天来为大家解答四星酒店以下问题，四星酒店住一晚大概多少钱很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！1、地上建筑面积：约
8 觉悟by小秦子（觉悟by小秦子）
大家好，小伟今天来为大家解答觉悟by小秦子以下问题，觉悟by小秦子很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！1、链接: https://pan.baidu.s/1sJKoSAQh6

前哨 | 涡扇20的坚实基础，中国先进航发钛合金叶片，每年出口十几万片

最新文章

小编推荐