國內外航空用金屬材料標準化對比研究

錢雨桐，張素銀，郭培培

（1. 中國計量大學 標準化學院，杭州 310018；2. 紹興市標準化研究院，紹興 312000）

1 引言

傳統上航空是開發和引進新材料系統與生產技術的先驅。材料開發的關鍵推動力是減輕重量，改善特定應用性能，降低成本。[1]用來制造、生產各種航空器所用的材料統稱為航空材料，是制造航空產品的物質基礎，也是使航空產品達到高質量、高安全、長壽命、低成本等特性的基礎。航空用金屬材料指用于制造各種各樣的航空飛行器的金屬材料。在航空物流日益發達的今天，飛行依靠高效的機體結構、強勁的起落架和發動機、先進的系統等，所有這些部件的主要組成部分都是航空用金屬材料。[2]

近年來，我國航空用金屬材料發展迅猛，使得航空產品快速更新換代，反過來也對材料本身提出了更新和更高的要求。我國一方面主張持續改進傳統金屬材料，另一方面則更加強調航空金屬材料的產業化與技術轉移的新趨向。本文主要通過對國內外航空用金屬材料行業的發展研究，以及國內外航空用金屬材料標準和標準體系的對比分析研究，提出個人觀點及相關建議，希望能為我國航空用金屬材料標準體系的建設與完善增添助力。

2 國內外航空用金屬材料發展情況分析

2.1 國內航空用金屬材料發展情況分析

在我國航空材料飛速發展的進程中，金屬一直被當做首選材料，其中鋁、鎂、鈦、鋼及高溫合金等材料占主導地位。

2.1.1 鋁、鎂合金

鋁合金具有眾多優點，其體積小，韌性延性好，抗腐蝕性高，易加工生產且價格便宜。在航空制造業中，鋁合金及其材料加工的質量將直接影響航空器自身性能和運營壽命。[3]

相比鋁合金來說，鎂合金的密度要低得多，但其具有良好的鑄造性能。人們通過各種各樣的方法，如添加顆粒、纖維和晶須等來生產、制造以鎂作為基體的鎂合金復合材料。

2.1.2 鈦合金

近年來，鈦合金以其低密度、高強度、強耐腐蝕性以及高熱強性等優點，在航空工業中的應用越來越多。鈦合金材料是影響飛機發動機的主要因素，同時也是飛機是否先進的指示器。與發達國家相比，國內航空制造業中鈦合金的實際生產用量較低，鈦合金材料的強度和韌性也有待提高。[4]

2.1.3 超高強度鋼

超高強度鋼具有較高的比強度，優良的韌性、焊接性和成形性，是航空制造業的主要結構材料，在重要航空軸承結構上大量運用，如飛機上高負荷的承載部件。隨著鋼結構的發展，超高強度鋼的強度水平將進一步提高。[5]

2.1.4 高溫合金

高溫合金也叫熱強合金，擁有優良的高溫強度、抗氧化性、抗熱腐蝕性、耐疲勞性及斷裂韌性等一系列綜合性能，是航空發動機、地面燃機等航空用動力機械裝置不可替代的核心材料。

2.2 國外航空用金屬材料發展情況分析

近年來，國外航空用金屬材料技術發展迅速，其對整個航空材料領域的發展都起著積極的牽引作用。同時，材料科學與工程技術的發展，新型材料的出現，制造工藝與理化測試技術的進步，又為航空新產品的設計與制造提供了重要的物質與技術支撐。[6]總體來看，國外航空用金屬材料技術發展呈現出以下趨勢：首先，航空產品的更新換代對其所使用金屬材料性能提出更新、更高的要求[1]；其次，對傳統航空用金屬材料的持續改進更為迫切；第三，更加強調航空用金屬材料的技術轉移和產業化，采用先進方法實現航空用金屬材料工程轉化工作高潮迭起[5]。

3 國內外航空用金屬材料標準分析

3.1 我國航空用金屬材料標準分析

在我國航空用金屬材料標準發展的進程中，航空金屬材料標準制修訂的目標關鍵點是適用于各種航空器設計、研發、制造，以及高性能、高溫結構金屬材料的使用。

3.1.1 鋁、鎂合金標準

鋁合金的納標重點是：高純鋁合金材料及其相應成套的測試標準。高純鋁合金材料對鋁合金的成分控制的非常嚴格，使得合金的疲勞度、斷裂性能以及抗腐蝕性能都有明顯提高，因此它是飛機采用損傷容限設計及可靠性設計的理想化材料，也是航空鋁合金的主要發展方向。鋁合金的預拉伸板、鍛件規范、擠壓管材等國家軍用標準的制定，為飛機重要主承力結構零件的制造提供了原材料的保障，進而滿足了飛機批量生產的需要。目前我國飛機發動機制造過程中直接使用GJB的鋁合金標準，鋁合金的棒、線、管材使用GB。而對于鎂合金的GB，實際運用在制造、生產鋼棒與鑄造合金中。

長久以來，由于GB、GJB和HB編制規劃渠道的差異，導致一些標準被復制，甚至互不兼容。一些HB晉升為GJB后（HB和GJB之間沒有完全替換的關系），顯露出標準重疊、交叉、復雜混亂的問題。以鋁合金為例，其鍛件既有HB又有GJB，而鋁合金薄板標準轉換為GJB之后，材料尺寸規定的范圍太窄，航空材料的截面尺寸規定不完整，導致該標準不能被航空廠采用。

3.1.2 鈦合金標準

我國在原材料、合金成分、半成品加工材料、鑄造產品、材料組織結構、相關試驗方法和廢料回收等方面制定了國家鈦合金材料標準，基本滿足了航空業鈦材料及相關需求。[7]這些標準的建立、制定與實施，為中國航空業的快速發展奠定了重要基礎。

然而相比前蘇聯、美、德、英、法等工業化國家在鈦合金行業取得的成就，我國鈦合金材料的研究及應用都起步的較晚。目前美國約有112項AMS航空用鈦合金材料標準，而我國單從標準數量方面來看就遠比不上美國，另外還有約40%的鈦合金材料牌號未能納入GB、GJB當中。同時，我國還存在標準質量要求低、試驗方法實用性較差等問題。

3.1.3 鋼標準

鋼的國家軍用標準的制修訂開始于90年代初期，是冶金、航空部門共同在原冶金工業軍用標準的基礎上制定。發動機直接采用的鋼國軍標有棒材、管材、板材、絲材、帶材、圓餅和環坯等原材料和鍛坯標準，在這些國軍標發布后，廢止了相應的冶標。發動機用鋼的航標中，80年代初期制定的棒材、管材標準技術內容已納入相應的材料國軍標，目前發動機用鋼的航標主要用于鑄鋼及鑄件的生產。[8]

值得注意的是，由于我國鋼鐵生產企業各自的操作規程不同，爐批材料的成分和性能也不一致，雖都符合材料標準，但波動范圍大，材質的一致性、均勻性和穩定性較差。同時，國內鋼鐵生產企業眾多，各自技術水平、設備生產能力不同，導致航空用鋼鐵材料的性能數據較為分散，離散系數大[9]。

3.1.4 高溫合金標準

伴隨著我國飛機發動機的發展，航空用高溫合金標準也在不斷壯大，如表1所示。我國在引進的基礎上也研制出了一些高溫合金材料，并相繼制定了各自的材料標準，涵蓋航空研制生產的所有高溫合金材料類型和品種。這些標準應用于航空發動機的設計、生產和使用，對高溫合金的整體發展起到了重要作用。

表1 我國航空用高溫合金標準發展歷程表

3.2 國外航空用金屬材料標準分析

美國在航空材料及材料標準體系方面的研究一直走在世界的前列，其他發達國家如日本、英國也毫不遜色。據文獻資料整理，國外航空用金屬材料標準化大致有以下特點：

（1）標準體系涉及材料種類齊全，涵蓋面廣；

（2）標準的通用化程度較高；

（3）標準制定、修訂率較高；

（4）標準的有效性管理；

（5）標準體系管理科學。[9]

3.3 國內外航空用金屬材料標準對比分析

通過對比研究我國與國外航空用金屬材料標準化方面的發展，總結出目前我國標準存在的主要問題：

（1）材料牌號多，標準交叉重復。航空用金屬材料標準對象材料牌號多，制定單位錯綜復雜，缺乏必要的系統管理及維護，導致航空用金屬材料標準散亂重復、交叉矛盾，無法協調運用。

（2）新興材料納標不及時。對于新興材料的采標納標要求，目前我國尚沒有明確的成文規定。據有關資料顯示，許多已經設計、研發、制造成功且技術成熟的新興材料，多年來都沒有納入規范的行業及以上標準。如此一來，嚴重妨礙了產品生產制造過程中的質量控制和過程控制，阻礙了新材料的推廣使用進程。

（3）標準先進性欠缺。受生產條件的約束，使得一些材料采用較低的技術標準，無法徹底滿足發動機設計、制造和使用的要求。

（4）材料的實物質量低。目前國內生產的部分航空用金屬材料，在標準規定中其質量指標基本接近甚至達到國際先進水平，但產品的實物質量卻普遍低于國際水平，甚至相差甚遠。標準規定與實際生產之間的鴻溝是我國航空用金屬材料標準化發展進程中亟待解決的問題之一。

（5）材料配套標準不完善。標準絕對不是獨立存在的，航空用金屬材料標準的有效實施需要一系列活動的高效配合，其中配套標準的制定完善度與實施力度是不可或缺的關鍵點之一。只有制定完善的配套標準，才能保證航空用金屬材料標準全面有效地實施、推廣。

4 國內外航空用金屬材料標準體系研究

4.1 我國航空用金屬材料標準體系研究

我國航空用金屬材料標準體系的發展伴隨著整個材料標準體系的發展[10]，如表2所示。

表2 我國航空材料標準體系發展進程

我國航空材料標準化歷經50多年的發展，特別是通過“十五”和“十一五”的努力，始終堅持積極采用、理性參考國際先進標準，充分結合我國國內生產實際，以及科研、生產、使用相結合的原則，使標準在保持一定先進性的同時，具有較強的可操作性和實用價值，目前我國已經建立了基本完整的航空材料標準體系。[11]這些構成標準體系的數據、標準、材料等在我國軍用航空材料的設計、研發、制造、生產及采購方面發揮了極其重要的作用。

然而，深入探究發現，我國現有航空材料基礎標準體系中只存在部分用于設計、研發航空發動機金屬材料的標準，且我國航空用金屬材料雖然集中了前蘇聯、美、英、法等其他國家的航空材料標準的特點和要求，但是標準的通用化和系列化不高，尚沒有形成統一、完備的標準體系。

4.2 國外航空用金屬材料標準體系研究

航空行業依賴于標準化，標準化是現代化航空制造企業在激烈的市場競爭中生存和發展的基礎。早在上世紀60年代，美國軍方率先邁出了歷史性的一步，發布了被業界內譽為“寶典”的MILHDBK-5《航空與航天飛行器結構用金屬材料與元件手冊》。通過該手冊，金屬材料標準化工作者將航空航天領域中金屬材料的科學研究、實際生產和工程應用緊密結合在一起。因內容詳實、數據可信，該手冊在我國航空航天結構設計和材料研發領域一直作為重要的參考資料。[12]目前，美國、日本、俄羅斯和德國等國家的標準在航空行業占有重要地位，其中美國標準更是占據主導地位，如AMS（美國宇航材料規范）、MIL（美國軍用標準）、ASTM（美國材料與試驗協會）標準、ASME（美國機械工程師協會）標準、AWS（美國焊接協會）標準等，構建了較為完善的航空用金屬材料標準體系。

在企業層面，美國波音公司在設計、研發、制造、生產波音系列飛機的過程中，構建了一套系列化、通用化的標準系統；而歐洲空中客車公司也不逞多讓，建立起一套包括34000余項標準在內的科學合理且完備的標準體系。為減少企業的運營成本，在零配件的系統化管理上，波音和空客聯合制定了管理零配件的條碼標準，科學有序地管理著兩大公司將近100萬種零配件，明顯降低了飛機的全壽命成本。[13]

5 航空用金屬材料標準體系分析及建議

隨著我國改革的進一步深化，航空設備在軍用和民用領域的集成式開發、軍民融合發展是必然的趨勢。我國軍用航空金屬材料是航空設備的基礎，可應用于民用航空、汽車等各個方面。由MIL-HDBK-5發展而來的美國MMPDS《金屬材料性能研發和標準化》，是航空材料標準化領域的重大手冊，其軍民融合式的管理為我國航空材料標準的管理提供了新思路，即由軍方聯合裝備設計制造商和材料供應商，依航空材料專業領域成立委員會，對該領域內因裝備需求而研發的新材料及其標準進行聯合管理推廣，既做到對軍用航空材料標準的切實管控，又促進了其民用發展。同時，該委員會也將促進優質民用材料標準的軍民交流。[12]

汲取國外標準化發展的精髓，并結合我國實際，對我國航空用金屬材料的標準化發展提出以下建議：

（1）立足于國家層面，站在航空行業戰略發展的高度，明確航空用金屬材料標準化工作的重要性，樹立并貫徹新發展理念，指明標準化工作發展方向，建立科學的工作推進機制。

（2）打造精英型組織或團隊，由其專門負責構建和完善我國航空用金屬材料標準和標準體系。一個優秀的組織或團隊是所有體系運行的基石。要汲取國外已經成熟的航空用金屬材料標準和標準體系運用及管理模式的精髓，結合我國實際情況，由專業組織或團隊對我國航空用金屬材料標準體系進行實時跟蹤、不斷更新和持續維護，確保技術領先、科學管理。

（3）不斷深化我國與國外航空用金屬材料標準管理組織、機構的合作交流，及時查漏補缺，更新完善我國航空用金屬材料標準化體系。一成不變的標準化管理對航空業來說是非常不利的。持續加強和ASTM 等其他標準化機構的交流合作，是促進我國航空用金屬材料標準體系早日與國際接軌的關鍵。

（4）加強各級標準的協調統一。現有的航空用金屬材料標準中存在著交叉重復矛盾的問題，應通過標準的及時修訂、更新和作廢等標準管理控制程序，切實加強各個級別、層次、類別的標準之間的協調統一。

（5）提高標準的先進性和適用性。在加強引進、消化、吸收以及創新研究國外先進航空用金屬材料標準的基礎上，結合我國生產實際情況，科學合理地確定標準的技術指標要求，穩步實現航空用金屬材料的通用化和系列化，加快金屬材料和標準的更新速度。強化航空用金屬材料技術標準的關鍵推動作用，大力推廣先進的、科學合理的、符合實際的質量管理經驗，從而使得航空用金屬材料設計、研究、制造生產和實際應用水平顯著提高。

（6）加強配套標準制定。航空用金屬材料標準要有效落地，其配套標準的支持是必不可少的。應加強航空用金屬材料配套標準的制修訂工作，加快修訂完善鋁合金標準、鎂合金標準、鈦合金標準、鋼標準和高溫合金標準，以及相關的工藝、檢測、管理等配套標準。只有完善各個配套環節的標準，才能有效推動我國航空用金屬材料的標準化進程。

6 總結及展望

我國航空用金屬材料行業雖然在迅速發展，但與發達國家相比還有一定的差距。在以后的工作中，我國需要花更多的功夫在新材料的研發、生產設備的更新及檢驗檢測技術的改進上，加強對國外先進技術的吸收消化，發展適合我國國情的生產及檢測技術。同時，應全面推進標準化戰略，不斷完善航空用金屬材料標準體系，加大標準制修訂力度，提高標準水平，推進標準國際化進程，強化標準實施監督，進一步發揮標準化支撐引領作用，推動我國航空用金屬材料產業快速健康發展。