从拍蒜断刀说起，材料处理如何影响航空发动机的表现？

上周，一则中式菜刀在拍蒜时断裂的新闻登上了新闻热搜榜，引发了大众热议。

对冶金技术和机械加工有所了解的人并不难理解这种事故发生的原因：

主流的现代中式菜刀，其主结构是一块整体式的异形钢板，只是一侧开有刃口，整体经过热处理以调节硬度和韧性。在原料、工艺、受力结构上，它属于简单、成熟，且最为基础性的产品。

但是从安全原则和常识认知来说，菜刀在挥砍和拍击食物的过程中断裂，确实是难以容忍的，说明产品质量存在问题。如果排除了性能上硬度与韧性相互协调的设计错误，那么根源问题只可能存在于原料和工艺的品质控制方面，尤其是一致性控制方面。

而这样的品质控制问题，也同样可能出现在涉及大量金属原料加工、生产和应用的航空航天工业领域。

2011年5月9日，澳航的一架波音747在新加坡附近发生事故。据调查，这是一起因航发叶片疲劳断裂而导致的事故，图为断裂件。一般来说，航空发动机在材料和工艺一致性上的瑕疵是此类事故的主要原因。

从原因上讲，拍蒜断刀事件最主要的诱发因素有两个：原材料一致性和热处理工艺一致性问题，而且两者之间存在关联性关系。

如果同样的问题延展到航空产品中，会以怎样的形式出现？

原料一致性

对于作为原材料的钢板，化学成分的不同和组织形态的不同都会导致其力学性能存在重大差异。

理想的金属原料应该是化学成分与对应牌号标准高度符合，而且整个材料内的组织分布均匀一致。但在实际生产过程中，这一点并没有那么容易做到。

钢板的原材料铁主要来自矿石或回收的废旧金属，每批铁金属的成分其实是大不相同的。

在工业体系不甚完备、管理和生产设备不先进、而具体生产人员技艺经验又不丰富的情况下，如果没有针对每一批原料的差异进行精确的工艺方案调整，是难以生产出成分与组织形态的高度一致的钢板材料的。

这种成分与组织形态上的不一致，最终就会成为刀具在硬度/韧性等力学性能上的缺陷根源，并在后续的热处理等加工工艺中被急剧放大。

如钢板材料中含镍过少、含碳过多，组织成分还不均匀，那么做成刀具后，低镍高碳最严重的局部区域，其韧性和强度就会特别差——一旦遭受强烈冲击，这个部位就会成为断裂的源头。

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。

上图中缺陷部位被放大一百倍后的显微成像。

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）也暴露得非常明显。传统的硝酸/氢氟酸缺陷检查工艺，很难检测此类缺陷。

在航空产品中，尤其是作为飞机动力核心产品的航空发动机中，这样的问题也是设计与生产体系需要高度重视的领域。

比如航空发动机的叶片、轴等高速旋转的钛合金部件，对于原料的成分和组织一致性就有着非常高的要求。

诸如氧、氮、碳等化学成分含量不符标准、分布不均带来的偏析，足以使第三代涡扇发动机的压气机叶片的振动疲劳寿命降低到正常标准的几百分之一乃至几千分之一。

工艺一致性

从拍蒜断刀的新闻来说，能不能得到合格的菜刀，热处理环节的重要性不亚于材料本身的工艺处理环节。

比如钢材在高温状态下骤然冷却就能有效改变内部的金属组织形态，可以极大提升硬度。但是高温状态具体温度是多少度？该用多少度的油或水来冷却？冷却多久？……这些环节就很考验工艺水平了。

在理解工艺一致性问题后，就可以轻易看穿一些街头把戏的真相。如“徒手断钢”表演，其核心原理就是通过热处理使钢铁变得极易脆断，可以被拳脚直接打断。

热处理工艺做得好，刀具就能够在硬度和韧性之间能取得较好的平衡，耐用还好打磨。

而要做好热处理工艺，不但设备状态要好，要能够准确地探测和调节温度，也要求一线操作工人经验丰富、耐心负责——对每一个批次的原材料，都要仔细测定实际成分，然后通过试验调整出热处理方案。

在刀具制造领域应该注意的这些问题，也同样存在于航空发动机核心部件的制造过程中。

以航空发动机的钛合金旋转部件为例：

钛合金本身导热性很差，内部的组织形态对于热处理过程极为敏感。不仅单次热处理中经常要进行复杂和耗时漫长的保温、降温流程，而且往往需要进行多次热处理——比如叶片和叶盘这样的锻件，通常需要两次退火。

氢脆的机理。

由于氢脆而失效的自锁螺母。

特别是钛合金件，在调整尺寸、检验并消除表面缺陷的过程中，需要使用氢氟酸等材料进行化学腐蚀，这个过程中钛合金容易在酸性环境下吸氢，容易发生会导致危险的“氢脆”隐患。

为避免氢脆的发生，制造商需要让钛合金件在压力极低的真空状态下保持高温状态，才能让氢从金属件中逸出。而一旦真空退火的过程中，退火环境不能保证应有的真空度和温度控制，那么制造出来的航空发动机成品在实际使用中就会变得极为短寿，而且存在较大的猝发性断裂风险。

结 语

航空制造业之所以能成为人类工业体系的顶点之一，根本原因就在于它对于产品性能的苛刻要求——高性能、高可靠性，这是所有高端工业制造领域的共性。

如果不具备其他工业产品所难以企及的性能和可靠性优势，那么从市场角度来说，消费者就不会为航空产品支付更高的价格——这样的“买单”，是航空产业链形成良性循环、不断实现产业升级的主要基础。

相对于航空发动机完整产品的所有设计和生产工作量来说，制造原料的一致性控制这一环节，耗费成本仅占整体工作的5%至10%。

但是这5%至10%恰恰是决定航空产品边际效用价值的关键所在——对于基础材料和工艺的把控，能够决定最终的航空发动机产品是只能在垄断保护下生存的“温室花朵”，还是能获得更高溢价且供不应求的市场赢家。