民用飛機航空材料與機制研究

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本文作者：劉久戰蔡安張曉靜李旺波工作單位：中航工業西安飛機工業（集團）有限責任公司

航空材料是航空產品的物質基礎。航空材料標準是規定航空材料產品應達到的各項性能指標和質量要求的標準化文件。航空產品的特殊性意味著航空材料的特殊性，也意味著衡量其各項性能指標和質量要求的材料標準的特殊性。民用飛機高的可靠性、安全性、經濟性、先進性和一些其他特殊要求，使得民用飛機對航空材料以及材料標準的要求更加苛刻。對飛機產品建立專門的航空材料以及材料標準并實行單獨管理對于航空制造行業的健康可持續發展意義重大。當然，諸如有關材料方面的術語和定義標準、試驗標準、計量標準、工藝標準、專用手冊等，也是發展航空產品不可缺少的重要文件，所有這些適用于飛機產品的材料標準以及相關文件組成了一個有機的整體，也就是通常我們所說的航空材料和材料標準體系。這個體系是航空制造行業生產的重要技術基礎之一。如果我們民用航空行業沒有一個健全、強大的航空材料和材料標準體系，我們的民機要想快速發展并走向世界無疑相當困難。我國的航空產業經歷了從修理、引進、仿制到改進、改型和自行設計研制的發展歷程。用于制造航空產品的各種航空材料以及材料標準也經歷了類似的發展歷程。由于軍用飛機和民用飛機是兩套完全不同的理念設計，而我國現有的航空材料和材料標準基本是在滿足軍用飛機的研制和生產的過程中發展和建立起來的，因此我國目前的航空材料及材料標準體系還遠不能適應新型民用飛機的研制和生產。隨著我國綜合國力的不斷提高，民用飛機包括大型民用客機的研制擺到了我們面前，如何做好我國民用飛機已成為新一代航空人的歷史使命。縱觀目前我國民用飛機的選材特點和現狀，我們不難看出，我國民用飛機型號幾乎全部選用國外材料和材料標準。這些國外材料應用于大到主結構件，如機翼、蒙皮、長桁、梁，小到普通螺栓、銷軸、涂料（油漆）、橡膠件、潤滑脂，甚至包括普通工具、螺釘等幾乎所有的飛機零部件及系統。國產民用飛機在選材時一邊倒地“崇洋媚外”到底是什么原因？因此，必須盡快對我國現有航空材料和材料標準體系不能適用民機發展的不利因素開展深入研究，從而探尋一種有效的改進措施，使我國民用飛機上使用的航空材料和材料標準真正立足于國內。

1美國航空材料和材料標準體系特點簡介

美國在航空材料及材料標準體系方面的研究走在世界的前列。根據資料介紹，美國航空材料及材料標準體系的管理和建設部門主要是SAE（汽車工程師協會）下設的宇航材料分會。該部門主要負責起草和編制宇航材料規范（AMS）。當然，AMS不僅只有材料標準，還有相當數量的有關航空材料試驗、測量以及工藝等方面的標準，有關這方面的大部分通用標準在美國還有一個被稱作材料與試驗協會（ASTM）的部門負責。從一定意義上來說，ASTM標準是AMS的基礎，這兩類標準相互補充，共同組成了美國的航空材料及材料標準體系。SAE成立于20世紀中期，經過半個多世紀的發展，SAE編發的各種AMS材料標準已發展成為世界航空器制造企業公認且普遍采用的材料標準。歐洲、日本、巴西等國家的民用飛機上都大量使用滿足AMS的材料。我國新型民用飛機上也已大量采用按AMS生產的材料，其先進性、通用性、可執行性等諸多優點得到了飛機設計部門、材料制造廠、飛機用戶和適航部門的普遍認可。美國早期的部分聯邦標準（如QQ標準）、軍用標準（MIL標準）如今也在標準標識前增加了“AMS”標記，這些現象足以說明AMS的影響力和先進地位。總結各類AMS可以大致看出其具有以下幾方面的優勢。

1.1標準體系涉及材料種類齊全，涵蓋面廣AMS的數量在世界各國航空材料標準中最多，其所涵蓋的材料種類相對齊全，包括航空器上使用的各類金屬材料、非金屬材料、通用復合材料等幾乎所有類別。不僅如此，AMS中還包括大量相關的工藝標準、試驗標準、公差和質量控制標準、成品件標準等。例如在特種工藝標準中，涵蓋了熱處理、焊接、表面處理、表面強化、腐蝕防護等；在成品件標準中，包含了彈簧、緊固件、標準件在內的幾十余種零件標準。此外，AMS標準還包括航空維修用的一些特殊材料的標準以及相關試驗方法標準等，如晶粒度、壓力實驗、微量元素控制、取樣等都囊括在內。近年來，AMS注重了特種工藝標準的發展，尤其是熱處理、表面處理、焊接等專業的標準制定速度加快，以熱處理標準為例，涉及鋼、高溫合金、鋁合金、鈦合金、銅合金等的AMS標準也達到了相當數量。

1.2標準的通用化程度較高AMS具體標準是基于材料本身的自然屬性和特點、性能和使用條件制定的標準，雖然其通常稱為宇航材料規范，但編制內容并不限于材料在航空飛機、發動機或機載設備上具體應用部位或產品的型號類別，這不僅有利于材料在各個行業的推廣應用，甚至在不同的國家也可以實現通用。此外，AMS和ASTM組織協作創建的UNS材料統一編號體系（每個合金的編號由1個字母和5個數字組成），提供了一種方便其他協會、貿易組織、用戶和生產者使用的材料牌號對應手段，為材料選用、快速檢索、電子化和橫向對比金屬和合金的數據提供了可能。AMS標準通用性好是其被廣泛接受和采用的重要原因之一。

1.3標準制定、修訂率較高，維護及時AMS標準每年2次標準索引有效目錄（分別在年度的1月和7月）。根據對2002年度AMS標準有效目錄的統計情況分析，AMS在該年度的標準平均制修訂率（標準制定和修訂的數量占標準總數量的百分比率）已達到10%左右，標準制修訂數量接近250項。但具體到各專業是不平衡的，其中金屬材料及特種工藝標準制修訂率較高，而非金屬材料標準的制修訂率則較低。但總的來說，AMS標準的制修訂率較高，維護及時，這是世界上其他材料標準所不能做到的。

1.4標準的有效性管理科學根據近年來的AMS標準目錄可以看出，AMS標準的狀態大致可以分為3類：有效標準、非現行標準、作廢標準。其中有效標準大多數修訂周期不超過5年，有少數標準甚至1年就換一次版；非現行標準屬于限用標準之列，這類標準會及時地從體系中清理出并加以標識，以防止該類標準在新機設計選材時采用；作廢標準由于標準涉及相關的產品已停止生產和使用，或已被同類標準（AMS標準或其他協會相關標準）所代替，這類標準的編號和名稱會及時從宇航材料規范的有效目錄中去除，并不再進行AMS專業委員會的年度復審。這個特點比較適合航空產品的不斷更新，對型號的可持續發展提供了有效的保障。另外，標準版次采用字母識別，非常利于產品的可持續性發展。只需注明標準編號，使用中通常采用最新版次，很少存在因標準版次更新而引起頻繁更改圖樣的情況。

1.5標準體系管理科學AMS標準是由專業協會制定的文件，由一個專門的管理團隊負責。團隊下設專門機構和人員負責開發、編制和修訂相關標準。這個團隊是保證所有AMS標準技術先進以及能夠長期有效運行的首要前提。1.6標準的認可程度高，可執行性強目前世界上已知的眾多型號的民用飛機以及航空零部件或多或少都在采用AMS標準。波音747、A320、CRJ、ATR42、ARJ、C919、MA60等不勝枚舉。許多世界著名的材料制造廠常常以能生產符合AMS材料標準的材料來提高其知名度和生產實力。AMS標準也得到了FAA等適航部門的廣泛認可，這一點對民用飛機產品來說可能至關重要。另外，AMS標準的編號的科學性以及維護的合理性也為不同飛機制造公司、不同型號的設計及改進改型、適航審批、運營以及維護提供了有力的便利條件。這些都是我國大部分材料標準所不具備的。1.7材料性能數據齊全美國MMPDS-03手冊（前期版本為MIL-HDBK-5）中列出了飛機上用到的幾乎大部分金屬材料的設計數據，并且所涉及的材料標準98%以上都是AMS標準。通過查閱具體AMS材料標準，這些數據有一部分是來自AMS標準，但還有相當一部分并不包含在具體的AMS材料標準中，但可以肯定，AMS標準的管理機構一定是提供并管理這些數據的重要部門之一。以上分析表明，AMS標準體系優點非常多。AMS標準即被航空材料制造廠普遍采納，也被波音、空客等大多數飛機設計、制造公司認可，同時也被材料生產廠/供應商、航空公司、軍方、適航當局、質量審查部門等普遍認同，在航空行業內甚至被稱為“用戶規范”。

2國內航空材料和材料標準體系現狀

我國經過幾十年的發展，初步建立了可以滿足我國各種軍用飛機研制和生產的一部分材料及材料標準。國內航空材料方面的專家通過大量的研究和積累，總結出了很多寶貴的知識財富，如編制了大量的航空標準（HB）、大量的國家軍用標準（GJB）以及分布在諸如冶金、化工等行業標準中的大量材料標準，還有諸如《航空材料手冊》、《飛機設計手冊》等很多有關航空材料使用方面的資料。這些標準和資料為我國軍用飛機的設計、材料生產和采購起到了非常巨大的作用。然而，從我國各類飛機上所有使用的材料標準來看，我們幾乎很難看出我們國家民用航空材料體系的影子。各種材料的材料標準的編號分屬各自的行業，如金屬材料的材料標準主要分布在國家標準（GB）、國家軍用標準（GJB）、冶金標準（YB）、有色標準（YS）中，而非金屬材料的材料標準更趨復雜，主要分布在化工標準（HG）、石油標準（SY）、輕工業標準（QB）、紡織工業標準（FZ）等各行各業的標準中，還有相當一部分材料為各種材料生產廠的企業標準以及不同飛機設計單位自行編制的企業標準（如XMS、YMS、CMS）。我國航空行業的標準（HB）中有關材料的標準少之又少，很難滿足飛機對材料和材料標準的大量需求。從一定意義上來說，民用飛機設計人員只是從我國各行各業的標準中搜尋適用于自己需要的材料及材料標準，專用于飛機產品的航空材料及其材料標準體系基本還沒有建立。我國目前應用于航空產品上的材料以及材料標準主要有以下特點：（1）材料牌號多、亂且重復。我國的材料體系是建立在仿制的基礎上的。我們先后從原蘇聯、英國、美國等引進過航空產品，每引進一個航空產品均要仿制一大批相關國家的材料與標準，致使多國材料云集我國，造成了“四多四少”的嚴重局面。即：低水平材料多，高水平材料少；仿制國外材料多，國內新研材料少；用途單一材料多，一材多用材料少；研制材料成果多，工程化應用材料少。據不完全統計，我國現有各類航空材料的牌號約2000余個，居世界之首。如研制和生產的高溫合金牌號有近100個，幾乎是世界航空用高溫合金牌號之總和。僅渦輪盤用高溫合金先后共研制13個牌號，其中仿蘇4個，仿美、英、法6個，自行研制3個。處在同一性能水平有7個，真正適應并具有不同性能水平檔次的只有4個牌號。根據《航空材料選用目錄》所載，在我國各類航空產品上所用的結構鋼共有131個牌號，不銹鋼有81個牌號。編入《航空材料手冊》的結構鋼只有47個牌號、不銹鋼36個牌號。納入國軍標的結構鋼與不銹鋼分別僅有38個和32個。大部分鋼號是在近10多年引進國外航空產品過程中仿制的，有的僅在1~2個產品上制作1~2個零件，用途單一，用量極少，目前大部分是按企業標準或型號標準進行試生產。在所仿制的國外材料中，存在嚴重的重復仿制現象。如主要用做齒輪的滲碳鋼，重復仿制了7個鋼號；主要用作壓氣機葉片與盤的馬氏體不銹鋼，重復仿制了6個。典型的例子有：仿英國的16Ni4CrMoA和仿法國的16Ni3CrMoA2個滲碳鋼；仿美國的0Cr15Ni5Cu4Nb和仿俄國的0Cr15Ni5Cu2Ti2個沉淀硬化不銹鋼；仿英國的1Cr12Ni3MoV和仿法國的1Cr12Ni3Mo2V2個馬氏體型不銹鋼等。上述鋼種二者之間的成分和性能幾乎完全相同，只是由于引進的機種來自不同的國家，國內各廠所之間缺少必要的溝通和分析研究，花費了大量的財力與人力。（2）材料標準編制單位眾多，并且主要是材料生產企業，標準可執行性較差。如前文所述，目前國內飛機上所采用材料的材料標準主要分布在國家標準（GB）、國家軍用標準（GJB）、航空標準（HB）、冶金標準（YB或YS）、化工標準（HG）、石油標準（SY）、輕工業標準（QB）、紡織工業標準（FZ）等各行各業的標準中。這些材料標準基本都是由某些材料生產企業負責起草和編制，編制標準的目的很難說清，編制的標準往往以自己企業的技術水平為依據，很難代表整個行業的技術水平。當然，還有相當一部分材料為各種材料生產廠的企業標準以及不同飛機設計單位自行編制的企業標準（如XMS、YMS、CMS），但這些企業標準卻因各種原因很難實現有效執行，有些企業標準甚至連編制單位也不執行的現象也很常見。我們常常引以為自豪的國內航空標準（HB）中有關材料的材料標準少之又少，并且幾乎沒有幾個廠家愿意執行。正是這些原因給飛機設計的材料管理、設計選材以及材料生產、采購造成了巨大困難，使本來因航空產品批量小而造成對材料需求量少的矛盾更加突出。（3）材料性能數據以及資料“少、缺、散”現象嚴重。大多數材料只有表征其性質與特征的基本性能數據，少數仿制材料甚至只有技術標準中規定的部分力學性能數據。隨著損傷容限設計思想的發展，對零件所用材料的性能數據提出了更高的要求。我國的材料普遍缺少按損傷容限設計的性能數據和按可靠性概率設計所需的統計性能數據，如A基值和B基值等。零部件材料在使用環境溫度、介質、疲勞及應力綜合作用下的有效性能數據更是缺少。此外，在航空材料質控、鑒定、驗收、定壽、延壽等實際應用中，缺乏統一管理的航空材料數據手冊或者數據庫，材料性能數據處于分散狀態，無法做到資源的共享，造成不同廠所之間很多重復工作以及人力、財力等方面的巨大浪費。（4）材料的實物質量低。當前國內生產的航空材料，從材料標準規定的質量指標來看，基本上達到或接近國際水平，但材料的實物質量卻普遍低于國際水平。主要表現在不同爐批的材料，其成分與性能雖然符合材料標準規定，但波動范圍大，材質的一致性、均勻性和穩定性較差。由于受國內不同材料生產廠相關工藝技術水平、設備能力以及材料生產批量等的限制，材料冶金質量的穩定性、均勻性及一致性較差，導致材料性能數據分散，離散系數大。（5）材料標準缺乏必要的系統管理和維護。材料標準編制機構眾多以及機構頻繁變更等原因使得相當多的同類材料標準編號眾多、編制風格迥異、編制質量參差不齊，難以在生產和使用單位內部實現統一管理，給材料及材料標準選用帶來了相當大的困難。另外，由于缺乏必要的系統管理和維護，標準陳舊、無法執行的情況在國內任何一類標準中比比皆是。我們有很多航空標準（HB）至今仍是手寫版本，很多標準已經找不到部門管理，有些已查不出替代關系和有效性。（6）材料和材料標準以及相關資料得不到國外用戶、適航部門的認可。我國各類材料和各級材料標準在國外飛機上的使用可以說寥寥無幾，相反地，我們在大量采用國外航空材料和材料標準，甚至包括我們所不熟知的日本JIS材料標準。我們國家的各類標準幾乎很少考慮在飛機產品上的應用，因而國內適航部門幾乎沒有介入，因而，可以說根本談不上被適航部門認可和批準。（7）缺乏必要的認可/批準等管理程序和機構，材料以及材料標準難以在民機上開展實質應用。一方面，國內研究的新材料難以在民用飛機上開展應用，這主要是由于我國新材料的研制和開發成果一般都是針對某一個型號在開展。這些研究成果一般只適用于具體型號（主要是軍用型號），目前幾乎沒有一個部門可以站出來說這種新材料可以用在民用飛機上。這給我們民機選材帶來了巨大困難，很多情況下我們只能望“國材”興嘆。另一方面，隨著國際化的發展，國外的先進材料信息也隨之而來，但由于沒有相應的部門來鑒定和認可，我們企業內部的鑒定程序僅僅進行一些驗收試驗，不代表對該材料的鑒定，國外很多成熟材料的應用在某些時候也陷入困境。

3我國航空材料和材料標準與國外相關技術的差距根源

總結以上國內外航空材料和材料標準體系的特點，不難看出我國航空材料和材料標準與國外航空材料和材料標準體系之間存在著巨大差距。通過分析這些差距，我們認為造成這些差距的主要根源可以概括為以下幾點：（1）行業內建立我國民用飛機設計用航空材料以及航空材料標準體系的意識不強。（2）追求眼前利益，忽視基礎技術研究和積累的重要性。（3）缺乏系統研究國外航空材料和材料標準體系運作的模式、結構、過程等的專業團隊。（4）現有人力和資源過于分散，難以形成集合力量來持續研究和發展適合于我國民用飛機發展的航空材料和材料標準體系。

4研究方法和內容探討

結合美國AMS體系的特點，我們認為中國民用飛機航空材料和材料標準體系的研究和建立可以從以下幾方面著手開展：（1）從行業頂層乃至國家層面上樹立重視材料基礎技術研究的科學理念。技術基礎強大是一個國家永遠強大的基石，強大的技術基礎是對手永遠攻不破的堅強堡壘。（2）組建一支專門研究和管理中國航空材料和材料標準的組織機構和團隊。組織機構和團隊是一切系統工程的基礎，沒有基礎或者基礎不牢固就可能半途而廢，也可能使已有的成果化為烏有。借鑒國外基于行業協會編制、管理航空材料及材料標準的方案和運行模式，制定由行業協會編制和管理材料標準，可能更能適合我們目前整個航空行業對材料發展的需要。（3）逐步編制民用飛機所適用的航空材料和材料標準體系方面的專業標準、數據手冊、數據庫等資料和文件，跟蹤前沿技術，積極維護和更新已有的資料和文件。除了航空材料標準，大量航空材料方面的基礎標準、工藝標準、試驗/檢測標準、質量標準、手冊、指南等也是飛機設計、制造、維護的依據和準則。（4）研究航空材料的準入/鑒定制度。在統一航空材料標準的前提下，由標準的管理和制定組織或者組織指定的專業機構對材料進行符合性鑒定。這樣不僅可以避免目前大量的重復工作和浪費，而且對于材料的快速應用意義巨大。（5）加強與國外航空材料及材料標準管理部門、國內外適航管理部門等機構的交流和密切合作，及時調整相關政策和方向。一成不變的不具有定期更新的航空材料和材料標準以及相關資料是非常不利于航空行業發展的。不斷開展與國內外適航管理部門、國外AMS機構以及其他類似機構的交流和合作，促進中國民用飛機航空材料和材料標準體系進入國際市場，這些都是保證建立的航空材料和材料標準體系健康、良性可持續發展的關鍵。（6）研究我國航空材料和材料標準被國外材料制造廠和飛機制造企業認可的方案。只注重眼前利益對企業乃至國家來說是一種浪費。航空材料和材料標準被國外材料制造廠和飛機制造企業認可是我們必須達到的目標，也是我們國家航空材料和飛機產品走向世界的基礎保證。

5預期研究成果

開展中國民用飛機航空材料和材料標準體系研究將產生如下預期研究成果：（1）為我國民用航空產品有關材料基礎技術的可持續發展構建一個良性發展的組織機構和工作團隊。（2）編制出適合我國民用飛機設計、制造、維護等方面可以使用的航空材料各類標準、手冊和指南，基本解決中國民用飛機目前存在的航空材料和標準方面面臨的大部分問題和困難。（3）基本解決目前我國民機發展中有關國內材料和材料標準使用所面臨的不利局面。

6展望

仿制、國產化的路子我們已走了幾十年，這種模式使得我們的產品基本不具有競爭力，并且嚴重制約了我們自主創新的思維，使我們忽視了基礎技術的積累以及健康可持續發展。我們再不能把研究重點只放在制造出一個型號的飛機上來，我們必須清醒地看到我國的民用飛機為什么不大量采用我國的航空材料和材料標準？我們的航空材料和材料標準為什么不被自己和別人接受？必須花大力氣來重點來研究我們自己的材料基礎技術，只有真正解決并處理好了這些問題，才有可能扭轉我國制造的民用飛機全面采用國外材料和材料標準的尷尬局面，才有可能真正實現我國民用飛機的跨越式發展，帶動我國航空材料制造企業乃至整個材料行業做大做強的理念。