上周，一則中式菜刀在拍蒜時(shí)斷裂的新聞登上了新聞熱搜榜，引發(fā)了大眾熱議。

對(duì)冶金技術(shù)和機(jī)械加工有所了解的人并不難理解這種事故發(fā)生的原因：

【資料圖】

主流的現(xiàn)代中式菜刀，其主結(jié)構(gòu)是一塊整體式的異形鋼板，只是一側(cè)開(kāi)有刃口，整體經(jīng)過(guò)熱處理以調(diào)節(jié)硬度和韌性。在原料、工藝、受力結(jié)構(gòu)上，它屬于簡(jiǎn)單、成熟，且最為基礎(chǔ)性的產(chǎn)品。

但是從安全原則和常識(shí)認(rèn)知來(lái)說(shuō)，菜刀在揮砍和拍擊食物的過(guò)程中斷裂，確實(shí)是難以容忍的，說(shuō)明產(chǎn)品質(zhì)量存在問(wèn)題。如果排除了性能上硬度與韌性相互協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，那么根源問(wèn)題只可能存在于原料和工藝的品質(zhì)控制方面，尤其是一致性控制方面。

而這樣的品質(zhì)控制問(wèn)題，也同樣可能出現(xiàn)在涉及大量金屬原料加工、生產(chǎn)和應(yīng)用的航空航天工業(yè)領(lǐng)域。

2011年5月9日，澳航的一架波音747在新加坡附近發(fā)生事故。據(jù)調(diào)查，這是一起因航發(fā)葉片疲勞斷裂而導(dǎo)致的事故，圖為斷裂件。一般來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在材料和工藝一致性上的瑕疵是此類事故的主要原因。

從原因上講，拍蒜斷刀事件最主要的誘發(fā)因素有兩個(gè)：原材料一致性和熱處理工藝一致性問(wèn)題，而且兩者之間存在關(guān)聯(lián)性關(guān)系。

如果同樣的問(wèn)題延展到航空產(chǎn)品中，會(huì)以怎樣的形式出現(xiàn)？

原料一致性

對(duì)于作為原材料的鋼板，化學(xué)成分的不同和組織形態(tài)的不同都會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能存在重大差異。

理想的金屬原料應(yīng)該是化學(xué)成分與對(duì)應(yīng)牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)高度符合，而且整個(gè)材料內(nèi)的組織分布均勻一致。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這一點(diǎn)并沒(méi)有那么容易做到。

鋼板的原材料鐵主要來(lái)自礦石或回收的廢舊金屬，每批鐵金屬的成分其實(shí)是大不相同的。

在工業(yè)體系不甚完備、管理和生產(chǎn)設(shè)備不先進(jìn)、而具體生產(chǎn)人員技藝經(jīng)驗(yàn)又不豐富的情況下，如果沒(méi)有針對(duì)每一批原料的差異進(jìn)行精確的工藝方案調(diào)整，是難以生產(chǎn)出成分與組織形態(tài)的高度一致的鋼板材料的。

這種成分與組織形態(tài)上的不一致，最終就會(huì)成為刀具在硬度/韌性等力學(xué)性能上的缺陷根源，并在后續(xù)的熱處理等加工工藝中被急劇放大。

如鋼板材料中含鎳過(guò)少、含碳過(guò)多，組織成分還不均勻，那么做成刀具后，低鎳高碳最嚴(yán)重的局部區(qū)域，其韌性和強(qiáng)度就會(huì)特別差——一旦遭受強(qiáng)烈沖擊，這個(gè)部位就會(huì)成為斷裂的源頭。

藍(lán)色腐蝕后，鈦合金樣件表面呈現(xiàn)藍(lán)色，金屬組織的不同區(qū)域會(huì)形成色澤深淺不一的表面氧化膜。黑圈中就是典型的夾渣缺陷，帶有此種缺陷的原料不能用于鈦合金航發(fā)葉片制造。

上圖中缺陷部位被放大一百倍后的顯微成像。

藍(lán)色腐蝕下，鈦合金的α相偏析（一類內(nèi)部化學(xué)成分和組織分布不均勻的現(xiàn)象）也暴露得非常明顯。傳統(tǒng)的硝酸/氫氟酸缺陷檢查工藝，很難檢測(cè)此類缺陷。

在航空產(chǎn)品中，尤其是作為飛機(jī)動(dòng)力核心產(chǎn)品的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，這樣的問(wèn)題也是設(shè)計(jì)與生產(chǎn)體系需要高度重視的領(lǐng)域。

比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、軸等高速旋轉(zhuǎn)的鈦合金部件，對(duì)于原料的成分和組織一致性就有著非常高的要求。

諸如氧、氮、碳等化學(xué)成分含量不符標(biāo)準(zhǔn)、分布不均帶來(lái)的偏析，足以使第三代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片的振動(dòng)疲勞壽命降低到正常標(biāo)準(zhǔn)的幾百分之一乃至幾千分之一。

工藝一致性

從拍蒜斷刀的新聞來(lái)說(shuō)，能不能得到合格的菜刀，熱處理環(huán)節(jié)的重要性不亞于材料本身的工藝處理環(huán)節(jié)。

比如鋼材在高溫狀態(tài)下驟然冷卻就能有效改變內(nèi)部的金屬組織形態(tài)，可以極大提升硬度。但是高溫狀態(tài)具體溫度是多少度？該用多少度的油或水來(lái)冷卻？冷卻多久？……這些環(huán)節(jié)就很考驗(yàn)工藝水平了。

在理解工藝一致性問(wèn)題后，就可以輕易看穿一些街頭把戲的真相。如“徒手?jǐn)噤摗北硌?，其核心原理就是通過(guò)熱處理使鋼鐵變得極易脆斷，可以被拳腳直接打斷。

熱處理工藝做得好，刀具就能夠在硬度和韌性之間能取得較好的平衡，耐用還好打磨。

而要做好熱處理工藝，不但設(shè)備狀態(tài)要好，要能夠準(zhǔn)確地探測(cè)和調(diào)節(jié)溫度，也要求一線操作工人經(jīng)驗(yàn)豐富、耐心負(fù)責(zé)——對(duì)每一個(gè)批次的原材料，都要仔細(xì)測(cè)定實(shí)際成分，然后通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整出熱處理方案。

在刀具制造領(lǐng)域應(yīng)該注意的這些問(wèn)題，也同樣存在于航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的制造過(guò)程中。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金旋轉(zhuǎn)部件為例：

鈦合金本身導(dǎo)熱性很差，內(nèi)部的組織形態(tài)對(duì)于熱處理過(guò)程極為敏感。不僅單次熱處理中經(jīng)常要進(jìn)行復(fù)雜和耗時(shí)漫長(zhǎng)的保溫、降溫流程，而且往往需要進(jìn)行多次熱處理——比如葉片和葉盤這樣的鍛件，通常需要兩次退火。

氫脆的機(jī)理。

由于氫脆而失效的自鎖螺母。

特別是鈦合金件，在調(diào)整尺寸、檢驗(yàn)并消除表面缺陷的過(guò)程中，需要使用氫氟酸等材料進(jìn)行化學(xué)腐蝕，這個(gè)過(guò)程中鈦合金容易在酸性環(huán)境下吸氫，容易發(fā)生會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的“氫脆”隱患。

為避免氫脆的發(fā)生，制造商需要讓鈦合金件在壓力極低的真空狀態(tài)下保持高溫狀態(tài)，才能讓氫從金屬件中逸出。而一旦真空退火的過(guò)程中，退火環(huán)境不能保證應(yīng)有的真空度和溫度控制，那么制造出來(lái)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)成品在實(shí)際使用中就會(huì)變得極為短壽，而且存在較大的猝發(fā)性斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié) 語(yǔ)

航空制造業(yè)之所以能成為人類工業(yè)體系的頂點(diǎn)之一，根本原因就在于它對(duì)于產(chǎn)品性能的苛刻要求——高性能、高可靠性，這是所有高端工業(yè)制造領(lǐng)域的共性。

如果不具備其他工業(yè)產(chǎn)品所難以企及的性能和可靠性優(yōu)勢(shì)，那么從市場(chǎng)角度來(lái)說(shuō)，消費(fèi)者就不會(huì)為航空產(chǎn)品支付更高的價(jià)格——這樣的“買單”，是航空產(chǎn)業(yè)鏈形成良性循環(huán)、不斷實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的主要基礎(chǔ)。

相對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)完整產(chǎn)品的所有設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作量來(lái)說(shuō)，制造原料的一致性控制這一環(huán)節(jié)，耗費(fèi)成本僅占整體工作的5%至10%。

但是這5%至10%恰恰是決定航空產(chǎn)品邊際效用價(jià)值的關(guān)鍵所在——對(duì)于基礎(chǔ)材料和工藝的把控，能夠決定最終的航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品是只能在壟斷保護(hù)下生存的“溫室花朵”，還是能獲得更高溢價(jià)且供不應(yīng)求的市場(chǎng)贏家。

關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)的