民機(jī)材料適航要求與標(biāo)準(zhǔn)化需求

袁文明 劉 穎

（北京航空材料研究院，北京 100095）

民用飛機(jī)在安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和長(zhǎng)壽命方面比軍用飛機(jī)有更高的要求，它不僅在設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)形式與軍機(jī)有所不同，而且在材料選用、質(zhì)量控制方面也有獨(dú)特之處。由于我國(guó)航空工業(yè)最初的目標(biāo)是滿足國(guó)防建設(shè)的需要，因此，重點(diǎn)發(fā)展了軍用飛機(jī)，而對(duì)于需求多、市場(chǎng)潛力大的民用客機(jī)的研發(fā)投入少，民機(jī)設(shè)計(jì)、選材水平及國(guó)內(nèi)民機(jī)材料的研制生產(chǎn)之間無法有機(jī)結(jié)合，嚴(yán)重制約了我國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外，適航審查和市場(chǎng)問題也對(duì)我國(guó)民機(jī)的研制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)可供選用的民機(jī)材料多國(guó)牌號(hào)云集，同等性能低水平材料重復(fù)仿制和生產(chǎn)，并且無法形成互相關(guān)聯(lián)的材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列，而一些國(guó)外成熟應(yīng)用的先進(jìn)高性能材料國(guó)內(nèi)幾乎全部依賴進(jìn)口。這種狀況不僅給民用飛機(jī)選材、制造與維修帶來諸多不便，而且給材料研制、生產(chǎn)、采購(gòu)及性能數(shù)據(jù)積累造成極大困難和浪費(fèi)，已制約我國(guó)民用航空工業(yè)的發(fā)展。

1 民機(jī)材料適航性要求

從民機(jī)材料自身的發(fā)展來看，隨著美國(guó)波音和歐洲空客兩大干線客機(jī)生產(chǎn)的系列化，以及現(xiàn)代直升機(jī)的不斷發(fā)展，目前國(guó)外已擁有了一套完整的民機(jī)機(jī)體材料體系，并隨著新材料的開發(fā)和應(yīng)用，材料體系不斷完善，相應(yīng)材料體系中各種材料的設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、工藝文件完整，性能數(shù)據(jù)齊全，材料質(zhì)量穩(wěn)定，原材料供應(yīng)廠和飛機(jī)制造廠均具有完備的質(zhì)量控制體系，能夠保證民機(jī)材料和零部件的穩(wěn)定批量生產(chǎn)。從適航角度看，美國(guó)和歐洲聯(lián)邦航空局為保證民用飛機(jī)的安全，制定了各自的適航性管理辦法。此辦法一方面有一系列必須滿足的條例、規(guī)定等文件；另一方面通過頒發(fā)“型號(hào)合格證”、“生產(chǎn)許可證”和“適航證”，從設(shè)計(jì)、原材料生產(chǎn)、一直到制造、試飛都有成套的質(zhì)保文件。針對(duì)材料的適航性管理，從原材料生產(chǎn)開始到零件制造的全過程，各階段都有明確的適航性要求和質(zhì)量監(jiān)控措施。例如在美國(guó)適航條例FAR 25中，對(duì)材料的要求歸納起來有如下幾個(gè)方面：

● 選用的材料應(yīng)有足夠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。也就是說應(yīng)選用比較成熟的材料，主要表現(xiàn)在已積累一定數(shù)量的爐批和性能數(shù)據(jù)；

● 選用的材料應(yīng)有正式標(biāo)準(zhǔn)。主要材料的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)經(jīng)適航管理機(jī)構(gòu)或其他權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可；

● 設(shè)計(jì)使用的材料性能數(shù)據(jù)應(yīng)在指定手冊(cè)中選用。例如FAR 25規(guī)定只能在MIL–HDBK–5等4個(gè)手冊(cè)中采用；

● 應(yīng)充分考慮環(huán)境（如溫度、介質(zhì)等）因素的影響；

● 某些部位使用的材料有特殊性能要求，如自熄、阻燃、防煙、防毒等；

● 在制造方面，特種工藝的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)文件需經(jīng)有關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)可。

可看出，國(guó)外民機(jī)對(duì)材料適航性要求是多方面的和復(fù)雜的，可以保證其在飛機(jī)上的安全使用。

民用飛機(jī)，尤其是大型干線飛機(jī)的安全可靠性格外重要。因此，大型干線飛機(jī)選用材料和熱工藝都必須具有較好的成熟性，還需充分考慮損傷容限的選材判據(jù)。例如波音公司的B757、B767和B777客機(jī)均采用了損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，早期設(shè)計(jì)制造的B727、B737和B747客機(jī)也重新作出損傷容限評(píng)價(jià)。

我國(guó)民機(jī)工業(yè)是在軍用航空工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，先后獨(dú)立研制、測(cè)繪仿制了運(yùn)5系列飛機(jī)、運(yùn)7系列飛機(jī)、運(yùn)8系列飛機(jī)、運(yùn)11飛機(jī)、運(yùn)12飛機(jī)和農(nóng)林5A型飛機(jī)等，至今仍在批量生產(chǎn)，并且已擁有一支專業(yè)齊全、技術(shù)配套、一定型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)隊(duì)伍和工業(yè)基礎(chǔ)。但是總體上我國(guó)民用飛機(jī)尚未形成具有經(jīng)濟(jì)影響的研制生產(chǎn)能力。在目前生產(chǎn)銷售的民用機(jī)種運(yùn)7、運(yùn)8系列產(chǎn)品中，基本上都屬于五、六十年代蘇聯(lián)飛機(jī)的測(cè)仿改進(jìn)型，研制現(xiàn)代客機(jī)和直升機(jī)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足。目前新支線飛機(jī)ARJ–21為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)的型號(hào)，現(xiàn)正在研制過程中。由于雖然國(guó)內(nèi)制造但需經(jīng)受國(guó)外適航審查，絕大多數(shù)材料將選用國(guó)外材料，少數(shù)非金屬材料也會(huì)適當(dāng)考慮國(guó)產(chǎn)材料。

由于民機(jī)研制的頻度太低，到目前為止，除在個(gè)別直升機(jī)上，國(guó)產(chǎn)材料還沒有系統(tǒng)走過一個(gè)按現(xiàn)代適航標(biāo)準(zhǔn)研制大中型民用飛機(jī)的全過程，還不具備自主開發(fā)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的大中型客機(jī)的能力。隨著我國(guó)飛機(jī)設(shè)計(jì)由仿制向自行研制發(fā)展，國(guó)內(nèi)航空材料也由早期單純的仿蘇發(fā)展成目前的仿俄、仿西方和自行研制等多方位發(fā)展，并初步形成了適合我國(guó)國(guó)情的軍機(jī)材料體系。但是在民機(jī)材料方面，國(guó)內(nèi)已研制應(yīng)用的材料只能反映當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)水平，其中的許多材料已不能滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)代民用飛機(jī)發(fā)展的需求，同時(shí)也無法通過國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的適航審查要求，因此急需逐步建立適合我國(guó)國(guó)情的，并能走向國(guó)際市場(chǎng)的民機(jī)機(jī)體材料體系。

2 材料適航方面的差距

長(zhǎng)期以來，我國(guó)的航空工業(yè)一直以研制、生產(chǎn)軍用飛機(jī)為主，在軍機(jī)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、試驗(yàn)、試飛、交付以及售后服務(wù)全過程的質(zhì)量管理上，積累了一套成功經(jīng)驗(yàn)，并形成有效運(yùn)行的質(zhì)量管理體系。但是要把民用飛機(jī)推向民用市場(chǎng)，必須要推行適航管理。目前，我國(guó)民用客機(jī)的設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)還從未開展過適航管理，直11飛機(jī)在我國(guó)首次開展了適航取證工作。在民機(jī)材料的適航管理方面，雖然在民機(jī)材料及其標(biāo)準(zhǔn)方面開展過一些工作，但與國(guó)外民機(jī)材料適航認(rèn)證經(jīng)驗(yàn)方面的差距還較大。

● 國(guó)內(nèi)民機(jī)還沒有一個(gè)單獨(dú)的型號(hào)，從材料專業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)的適航認(rèn)證工作，采用的方法均是以型號(hào)取證為目標(biāo)，回避單獨(dú)的材料取證；

● 國(guó)內(nèi)少部分原材料生產(chǎn)廠按國(guó)外民機(jī)生產(chǎn)廠要求進(jìn)行了供應(yīng)廠商的認(rèn)可，但均為個(gè)人行為，并沒有國(guó)內(nèi)適航部門人員參與，以滿足他人要求為原則，不了解具體的要求和準(zhǔn)則；

● 國(guó)內(nèi)適航部門并非明確理解有關(guān)材料適航審查的準(zhǔn)確要求；

● 原材料供應(yīng)廠商的批準(zhǔn)和監(jiān)控要求及程序由各廠自行控制，沒有明確有標(biāo)準(zhǔn)或文件；

● 國(guó)內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的制修訂沒有適航部門的參與。

3 航空材料標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

經(jīng)過近60年的努力，我國(guó)航空材料標(biāo)準(zhǔn)無論在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量、質(zhì)量、管理都取得了很大的成績(jī)，但是與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系還存在較大的差距。

目前，現(xiàn)行航空材料及制品行業(yè)以上標(biāo)準(zhǔn)（GB、GJB、HB等）近3 400項(xiàng)，其中GB約占45%、GJB約占15%、HB約占35 %、民口行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)約占5%。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，2000年以后制修訂的標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)量上約占50%。

材料各專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量分布情況如下:

● 金屬材料標(biāo)準(zhǔn)約500項(xiàng)；

● 金屬材料測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)約900項(xiàng)；

● 復(fù)合材料及其測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)約200項(xiàng)；

● 非金屬材料及測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)約1 100項(xiàng)；

● 熱工藝標(biāo)準(zhǔn)約600項(xiàng)；

● 管理標(biāo)準(zhǔn)約10項(xiàng)。

航空材料在目前軍機(jī)型號(hào)的研制和生產(chǎn)過程中發(fā)揮了重要作用，但距民機(jī)特別是大型民用客機(jī)研制需求還存在較大差距。

3.1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)難以滿足民機(jī)研制的需要

針對(duì)民機(jī)具有不同于普通機(jī)型的大尺寸、高載重量、超長(zhǎng)使用壽命等特點(diǎn)，現(xiàn)有航空材料標(biāo)準(zhǔn)需根據(jù)民機(jī)研制需要進(jìn)行修訂和完善，主要體現(xiàn)在：

● 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的材料牌號(hào)、品種規(guī)格、加工狀態(tài)和有關(guān)技術(shù)要求尚不能完全滿足民機(jī)的需要；

● 材料標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的配套標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)一步完善，如有關(guān)理化檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一；

● 材料標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)量保證規(guī)定應(yīng)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌；

● 某些熱工藝標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平應(yīng)進(jìn)一步提高等。

3.2 民機(jī)專用材料相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚有較大缺口

● 適航條例中引用的民機(jī)專用材料標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)是各種非金屬材料、艙內(nèi)材料、維修材料、檢測(cè)方法等尚未轉(zhuǎn)化為國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)；

● 民機(jī)用新型主干材料，主要包括損傷容限型的結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)復(fù)合材料、透明材料和特種功能材料，以及先進(jìn)熱加工技術(shù)等尚未形成標(biāo)準(zhǔn)；

● 材料標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施離不開相應(yīng)的無損及理化測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)的支持，目前這方面還存在較大缺口，應(yīng)盡快制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以保證材料標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和材料的推廣應(yīng)用。

3.3 民機(jī)材料適航符合性管理所需的管理標(biāo)準(zhǔn)尚待建立和完善

在20世紀(jì)90年代初為配合當(dāng)時(shí)支線客機(jī)的研制，僅制定了少量的綜合管理標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際需求尚有較大差距。因此，急需根據(jù)大型客機(jī)材料研制和適航符合性管理的特點(diǎn)開展相關(guān)管理標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。

4 民機(jī)研制對(duì)材料標(biāo)準(zhǔn)化的需求

隨著美國(guó)波音和歐洲空客兩大干線客機(jī)生產(chǎn)的系列化，目前國(guó)外已擁有了一套完整的民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)體系，并隨著新材料的開發(fā)和應(yīng)用，材料標(biāo)準(zhǔn)體系不斷完善。

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)航空材料標(biāo)準(zhǔn)體系是在軍機(jī)研制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，難以滿足大型客機(jī)研制發(fā)展的需要，與歐美國(guó)家先進(jìn)的民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)體系相比，仍然存在較大差距。迄今為止，國(guó)內(nèi)還沒有針對(duì)民機(jī)開展過系統(tǒng)、深入的材料標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，沒有形成包括管理標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的完整民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)體系。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)相比，在技術(shù)要求、質(zhì)量保證規(guī)定等方面還存在一定的差距。由于民機(jī)使用的許多主干材料在國(guó)內(nèi)屬于新研材料，這部分材料以及相關(guān)的工藝和無損及理化檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還屬于空白，因此在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量上與國(guó)外相比也有很大差距。此外，由于國(guó)產(chǎn)材料還沒有納入適航管理渠道，大部分已有材料標(biāo)準(zhǔn)沒有經(jīng)過適航認(rèn)可，這是影響今后國(guó)產(chǎn)材料應(yīng)用的一個(gè)重要問題。

對(duì)于民機(jī)研制來說，材料是基礎(chǔ)，材料標(biāo)準(zhǔn)是保證。由對(duì)國(guó)內(nèi)外民機(jī)材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)以及與國(guó)外差距分析可知，我國(guó)民機(jī)研制對(duì)材料標(biāo)準(zhǔn)的需求是廣泛而大量的，目前首要的是要建立適用于民研制的材料標(biāo)準(zhǔn)體系。對(duì)材料及其標(biāo)準(zhǔn)正確、合理的選用是設(shè)計(jì)選材和民機(jī)研制中的重要一環(huán)。沒有科學(xué)合理的材料采標(biāo)體系，就無法保證民機(jī)研制的正常進(jìn)行。因此，國(guó)內(nèi)民機(jī)的研制急需建立完整、配套、適用的材料標(biāo)準(zhǔn)體系。

民機(jī)研制對(duì)材料標(biāo)準(zhǔn)的需求重點(diǎn)在兩個(gè)方面。

4.1 民機(jī)用的新型主干材料，主要包括損傷容限型的結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)復(fù)合材料、隱身材料、透明材料和特種功能材料等。

需要制修訂的標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾類：

● 高性能金屬材料：包括高性能鈦合金和損傷容限型鈦合金、高性能鋁合金和損傷容限型鋁合金、新型超高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼等；

● 高溫結(jié)構(gòu)材料：包括新型單晶渦輪葉片和Ni–Al導(dǎo)向葉片材料、損傷容限型粉末高溫合金渦輪盤、阻燃和高溫鈦合金、低膨脹高溫合金等；

● 先進(jìn)復(fù)合材料：包括高韌性雙馬樹脂基復(fù)合材料、高溫環(huán)氧復(fù)合材料、中高溫結(jié)構(gòu)膠粘劑、耐高溫復(fù)合材料等；

● 高性能非金屬功能材料：包括高性能透明材料特種橡膠與密封材料、膠粘劑、潤(rùn)滑材料等；

● 先進(jìn)熱加工技術(shù)：包括精密鑄造、精密鍛造、特種熱處理、先進(jìn)的焊接和表面工程技術(shù)、復(fù)合材料成型與制造技術(shù)、非金屬材料制造技術(shù)，以及材料熱加工過程中的無損檢測(cè)和理化測(cè)試技術(shù)等。

4.2 滿足材料適航要求的管理標(biāo)準(zhǔn)和民機(jī)專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要制修訂的標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾類。

● 民機(jī)材料選用、研制、采購(gòu)、替代的管理要求；

● 民機(jī)材料、熱工藝及理化測(cè)試可選用標(biāo)準(zhǔn)目錄；

● 供應(yīng)廠工藝認(rèn)可規(guī)范、入廠驗(yàn)收控制程序；● 新材料、新工藝試驗(yàn)大綱和批準(zhǔn)程序；

● 艙內(nèi)材料及其相關(guān)測(cè)試方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等。

5 民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)化工作重點(diǎn)

材料標(biāo)準(zhǔn)是民機(jī)材料研制、生產(chǎn)、質(zhì)量控制和使用的依據(jù)，材料標(biāo)準(zhǔn)化研究是民機(jī)型號(hào)研制和設(shè)計(jì)選材的重要技術(shù)支持，科學(xué)、完整、協(xié)調(diào)、配套的材料標(biāo)準(zhǔn)體系是實(shí)現(xiàn)民機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)目標(biāo)的重要保障。因此，民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)化是型號(hào)研制系統(tǒng)工程的重要組成部分，貫穿于型號(hào)科研生產(chǎn)全過程，應(yīng)充分發(fā)揮其在型號(hào)科研、生產(chǎn)中的綜合技術(shù)保障作用。

根據(jù)國(guó)產(chǎn)民機(jī)的研制需求，今后民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)重點(diǎn)開展以下工作：

5.1 國(guó)外先進(jìn)材料標(biāo)準(zhǔn)收集和分析研究

目前國(guó)內(nèi)已收集到了部分先進(jìn)材料熱工藝技術(shù)的AMS、MIL、ASTM、QQ、BAC、TY、OCT1和有關(guān)的技術(shù)專利文獻(xiàn)等，今后將通過各種方式繼續(xù)跟蹤、收集與國(guó)內(nèi)民機(jī)有關(guān)的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)資料，深入分析民機(jī)用主干材料相關(guān)的國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提出民機(jī)機(jī)適用的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和轉(zhuǎn)化建議。

5.2 合法使用國(guó)外材料標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)材料標(biāo)準(zhǔn)適航認(rèn)可政策研究

在目前國(guó)產(chǎn)民機(jī)所用材料還不能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化而需要面向全球采購(gòu)的情況下，如何合法使用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如何取得適航認(rèn)可是急需研究和解決的問題。通過調(diào)研、分析提出合法使用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)取得適航認(rèn)可的政策建議。重點(diǎn)制定保障材料適航符合性所需的頂層管理標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 材料型號(hào)專用標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定

根據(jù)各類民機(jī)的研制需求，今后對(duì)于尚未納入行業(yè)以上標(biāo)準(zhǔn)的主干材料與雖納入行業(yè)以上標(biāo)準(zhǔn)、但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)無法滿足使用要求的主干材料，均應(yīng)研究和制定相應(yīng)型號(hào)專用標(biāo)準(zhǔn)。

5.4 構(gòu)建滿足各類民機(jī)使用要求的材料標(biāo)準(zhǔn)體系

在研究分析國(guó)外材料標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有材料標(biāo)準(zhǔn)適用性以及開展民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)研究與制定的基礎(chǔ)上，建立科學(xué)、完整、配套和適用各類民機(jī)的材料標(biāo)準(zhǔn)體系。

民機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)化工作建設(shè)涉及多個(gè)部門、多個(gè)單位之間的技術(shù)協(xié)調(diào)；在采標(biāo)體系上也涉及各級(jí)、各類標(biāo)準(zhǔn)之間的技術(shù)協(xié)調(diào)，同時(shí)還要考慮到各類民機(jī)技術(shù)狀態(tài)的需求；民機(jī)新材料標(biāo)準(zhǔn)體系研究與標(biāo)準(zhǔn)制定將會(huì)同步或交叉進(jìn)行。因此，材料標(biāo)準(zhǔn)體系建立工作技術(shù)難度較大，協(xié)調(diào)復(fù)雜，時(shí)間緊迫。在開展民機(jī)型號(hào)研制工作的同時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃材料標(biāo)準(zhǔn)化工作，并與民機(jī)研制工作同步進(jìn)行，使民機(jī)研制和材料標(biāo)準(zhǔn)化研究互為支持和保障。