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

时间：2024/01/13　　点击量：

　　一个数不清自己和多少专著论文打过交道的昼伏夜出者。专注于剥离军事新闻中深层的基础理论、技术原理，将它以简单直白的形象展示给多数人。

　　实际上，涡扇20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。

　　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）。

　　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：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

　　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。但在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标准的同时，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：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。传统的硝酸/氢氟酸缺陷检查工艺，很难检测此类缺陷

　　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，日本三菱、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。

　　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：

　　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。

　　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、培训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。”

　　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。

　　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：

　　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。

　　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福利水平下，这种要求苛刻的工作岗位，不开出非常高昂的工资、奖金、福利待遇，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。

　　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本体（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：

　　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

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

　　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福利支出，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。

　　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。

　　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。

　　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。

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