AMS標(biāo)準(zhǔn)體系與形成方法研究

■ 李巖 袁文明 熊艷才/中國航發(fā)航材院

一流的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制必然配套以“技術(shù)為基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)為載體”的先進(jìn)材料標(biāo)準(zhǔn)體系，正向形成機(jī)制是航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)思路，是先進(jìn)材料標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)涵，是接軌國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢。

作為國際先進(jìn)材料標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)跑者，美國構(gòu)建了以正向形成機(jī)制為核心并具有先進(jìn)性、可操作性和適用性的航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)，目前航空航天材料領(lǐng)域的美國汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）的宇航材料規(guī)范（AMS）標(biāo)準(zhǔn)基本是由美軍標(biāo)（MIL）轉(zhuǎn)化而來。AMS標(biāo)準(zhǔn)以科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)正向形成機(jī)制，提高了標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量水平，成為國際先進(jìn)材料標(biāo)準(zhǔn)的典型代表，被譽(yù)為航空航天材料領(lǐng)域的“全球性標(biāo)準(zhǔn)”。目前，AMS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于全球范圍內(nèi)航空飛行器零件、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)以及政府采購，也是可供我國航空材料研制、生產(chǎn)和使用參照的重要材料標(biāo)準(zhǔn)。本文通過分析AMS標(biāo)準(zhǔn)體系特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)正向形成方法，為我國建立和實(shí)施航空發(fā)動(dòng)材料標(biāo)準(zhǔn)正向形成機(jī)制提供借鑒。

AMS標(biāo)準(zhǔn)體系

AMS標(biāo)準(zhǔn)種類

SAE成立于1905年，SAE的董事會(huì)下設(shè)5個(gè)理事會(huì)，其中包括航空航天理事會(huì)。航空航天材料委員會(huì)是該理事會(huì)下屬的7個(gè)分會(huì)之一。AMS標(biāo)準(zhǔn)是SAE所屬的航空航天材料委員會(huì)制定的材料標(biāo)準(zhǔn)。

AMS標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋575個(gè)主干材料牌號(hào)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)材料牌號(hào)300余個(gè)）、1200多個(gè)材料品種、規(guī)格和狀態(tài)。截至2019年，AMS標(biāo)準(zhǔn)約3000項(xiàng)，主要包含金屬和非金屬材料標(biāo)準(zhǔn)（約2450項(xiàng)）、質(zhì)量控制和工藝標(biāo)準(zhǔn)（約320項(xiàng)）以及附件、成品件和組合件標(biāo)準(zhǔn)（約120項(xiàng)）。AMS標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)具體如表1所示。

表1 AMS標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國與航空材料、熱工藝及理化測試有關(guān)的國軍標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅為1500項(xiàng)，俄羅斯航空材料熱工藝和理化測試的標(biāo)準(zhǔn)約為1800項(xiàng)。AMS是世界各國航空材料專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量最多的，有效標(biāo)準(zhǔn)約2500項(xiàng)，涵蓋的材料專業(yè)比較齊全，包括了航空使用的金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料及其相關(guān)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。材料制品的種類劃分比較詳細(xì)，不僅包括各種的原材料標(biāo)準(zhǔn)，也包括附件、成品件和組合件標(biāo)準(zhǔn)。例如，在非金屬材料及工藝標(biāo)準(zhǔn)中，涵蓋了100余種非金屬材料；在特種工藝標(biāo)準(zhǔn)中，涵蓋了熱處理、焊接、表面處理、表面強(qiáng)化、腐蝕防護(hù)、沉積、復(fù)合以及精加工等；在成品件標(biāo)準(zhǔn)中，包含了彈簧、緊固件、標(biāo)準(zhǔn)件在內(nèi)的20余種零件。

此外，AMS標(biāo)準(zhǔn)還包括航空維修用的化學(xué)制品和材料、公差和質(zhì)量控制等。其中，質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)主要包括材料的一些特殊的試驗(yàn)方法，如晶粒度、壓力試驗(yàn)、痕量元素控制和取樣等。近年來，AMS標(biāo)準(zhǔn)注重特種工藝標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，尤其是熱處理、表面處理、焊接等專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的速度加快，以熱處理標(biāo)準(zhǔn)為例，涉及鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金、銅合金的AMS標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到24項(xiàng)，幾乎與美國大型航空公司企業(yè)級(jí)熱處理標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量相當(dāng)。

AMS標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)

AMS標(biāo)準(zhǔn)具有專業(yè)化、系列化、通用化水平高以及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用與維護(hù)的時(shí)效性、先進(jìn)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖1 AMS標(biāo)準(zhǔn)組織結(jié)構(gòu)圖

AMS標(biāo)準(zhǔn)所屬的美國航空航天材料委員會(huì)下設(shè)材料、工藝和檢測等相關(guān)的18個(gè)專業(yè)委員會(huì)和14個(gè)工作組，AMS標(biāo)準(zhǔn)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。航空航天材料委員由航空公司、材料供應(yīng)商和軍事機(jī)構(gòu)代表組成，有近3000名專家參與AMS標(biāo)準(zhǔn)制定工作。標(biāo)準(zhǔn)均由工業(yè)界高水平的技術(shù)專家起草，由專業(yè)委員會(huì)進(jìn)行技術(shù)協(xié)調(diào)和技術(shù)審查，在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中十分重視技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證和與其他標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性，其中專業(yè)委員會(huì)的把關(guān)是保證標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，確保了標(biāo)準(zhǔn)的編制質(zhì)量。

AMS標(biāo)準(zhǔn)體系中與航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要為金屬規(guī)范、非金屬規(guī)范及工藝規(guī)范，共約1200項(xiàng)。AMS標(biāo)準(zhǔn)以材料牌號(hào)為主線，強(qiáng)調(diào)材料品種、規(guī)格、狀態(tài)的系列化，科學(xué)地固化和規(guī)范了材料和制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用成果，體現(xiàn)了材料標(biāo)準(zhǔn)在裝備發(fā)展中的重要地位和系統(tǒng)支撐作用。

AMS標(biāo)準(zhǔn)以單個(gè)牌號(hào)（品種、狀態(tài)、性能等）的材料標(biāo)準(zhǔn)為主，標(biāo)準(zhǔn)的適用性很強(qiáng)，全部技術(shù)內(nèi)容均是針對(duì)該材料的某一狀態(tài)而規(guī)定的，與具體材料相互對(duì)應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)的系列性和配套性較好，對(duì)于材料的生產(chǎn)、采購、檢驗(yàn)和使用都很方便，也有利于標(biāo)準(zhǔn)化管理和標(biāo)準(zhǔn)體系的維護(hù)。以IN718材料為例，合金主要品種、規(guī)格、狀態(tài)的系列驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和配套的工藝控制、檢測評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)24份，IN718材料的標(biāo)準(zhǔn)體系具體如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)系列化水平很高。

AMS標(biāo)準(zhǔn)體系完全基于材料本身的自然屬性、特點(diǎn)、性能和使用條件制定具體的標(biāo)準(zhǔn)，并不限定材料在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)載設(shè)備上具體應(yīng)用部位或產(chǎn)品的型號(hào)類別，這有利于新材料的推廣應(yīng)用，同時(shí)也提高了標(biāo)準(zhǔn)的通用性，滿足設(shè)計(jì)要求性能的材料及其標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于任何系統(tǒng)或零部件。

圖2 IN718材料的標(biāo)準(zhǔn)體系

目前已有超過1270項(xiàng)的AMS標(biāo)準(zhǔn)被納入美國國防部（DoD）武器裝備采辦文件中用于武器裝備研制生產(chǎn)；同時(shí)，也被全球各大公司用于民用航空器/航天器、船舶、車輛、核設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等民用裝備研制生產(chǎn)。

由于標(biāo)準(zhǔn)通用水平很高，AMS標(biāo)準(zhǔn)被國際權(quán)威的《金屬材料性能研發(fā)與規(guī)范化》（MMPDS）手冊(cè)全面采用。對(duì)于鋼、鋁、鎂、鈦、耐熱合金和其他合金共6大類主干金屬材料，MMPDS手冊(cè)主要采用AMS標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范材料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用，手冊(cè)對(duì)中AMS標(biāo)準(zhǔn)的采用比例高達(dá)96%，采納的材料牌號(hào)、品種和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量如表2所示。

AMS標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施動(dòng)態(tài)維護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)修訂和維護(hù)效率很高，很好地保證了標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性和時(shí)效性。年度制定、修訂率高，標(biāo)準(zhǔn)復(fù)審換版周期短。AMS標(biāo)準(zhǔn)年度的標(biāo)準(zhǔn)平均制定、修訂率（標(biāo)準(zhǔn)制定和修訂的數(shù)量占標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)量的比率）已達(dá)到10%左右，數(shù)量接近250項(xiàng)。

表2 MMDPS手冊(cè)所包含的材料牌號(hào)、品種和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量

AMS標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)大致可以分為有效標(biāo)準(zhǔn)和修訂標(biāo)準(zhǔn)2類。有效標(biāo)準(zhǔn)一般不需要修訂，可繼續(xù)使用，只進(jìn)行簡單的復(fù)審確認(rèn)即可，大部分標(biāo)準(zhǔn)復(fù)審確認(rèn)的周期為2～3年，最長的一般不超過5～6年。修訂標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修訂，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂周期為2～6年，有少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)甚至1年就換一次版。

AMS標(biāo)準(zhǔn)體系能充分反映新材料研究和開發(fā)的結(jié)果，及時(shí)將科研成果和生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)固化為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，快速滿足供需雙方對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的使用需求。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)體系能得到有效的動(dòng)態(tài)性維護(hù)，復(fù)審、修訂周期的縮短，有利于及時(shí)解決標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題，及時(shí)反映材料技術(shù)要求和生產(chǎn)工藝的變化，保證標(biāo)準(zhǔn)最大限度地滿足生產(chǎn)、采購和使用的要求。此外，AMS標(biāo)準(zhǔn)體系中每一份標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)明確，可以指導(dǎo)工程技術(shù)人員正確地選材和使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 AMS標(biāo)準(zhǔn)形成過程

AMS形成方法

AMS標(biāo)準(zhǔn)重視數(shù)據(jù)積累、評(píng)估分析、驗(yàn)證、審查和使用維護(hù)等環(huán)節(jié)，遵循正向形成原則，標(biāo)準(zhǔn)形成過程如圖3所示。AMS標(biāo)準(zhǔn)以大量科研成果和生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累為基礎(chǔ)，技術(shù)指標(biāo)有充分可靠的數(shù)據(jù)支撐，科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)正向形成機(jī)制，促進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量水平的大幅提高，保障了產(chǎn)品可靠性、可重復(fù)性與質(zhì)量。正向形成機(jī)制極大提高了AMS標(biāo)準(zhǔn)競爭力，并被航空航天飛行器主制造商廣泛采用，使其成為國際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)。

綜合分析，AMS標(biāo)準(zhǔn)正向形成過程可歸納如下。

一是數(shù)據(jù)積累。在材料工藝穩(wěn)定和技術(shù)成熟后，通過材料試驗(yàn)、數(shù)據(jù)收集，積累標(biāo)準(zhǔn)編制所需的性能數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量最低要求為3爐/10批，30個(gè)樣本量。

二是統(tǒng)計(jì)評(píng)估。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估材料/工藝的成熟度，至少得到兩個(gè)材料用戶支持，并形成技術(shù)報(bào)告，提出標(biāo)準(zhǔn)中的最低性能指標(biāo)。

三是分析驗(yàn)證。性能數(shù)據(jù)和指標(biāo)需要得到巴特爾研究所的分析驗(yàn)證，若不能通過分析驗(yàn)證，需要補(bǔ)充進(jìn)行更多的試驗(yàn)與分析。

四是編制與審查。起草人獲得SAE標(biāo)準(zhǔn)顧問指導(dǎo)后起草標(biāo)準(zhǔn)草案，在28天審查期內(nèi)，SAE專業(yè)技術(shù)委員會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案投票，并對(duì)技術(shù)評(píng)議意見進(jìn)行辯論，當(dāng)有超過50%具有投票權(quán)的成員參加投票時(shí)，其中75%以上的投贊成票，并且所有的意見和反對(duì)意見都得到了適當(dāng)?shù)奶幚頃r(shí)，可視為到達(dá)協(xié)調(diào)一致。

五是使用驗(yàn)證。將標(biāo)準(zhǔn)草案在一定范圍內(nèi)預(yù)發(fā)布，進(jìn)行使用驗(yàn)證，并收集和分析數(shù)據(jù)，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)草案存在的問題完善標(biāo)準(zhǔn)。

六是發(fā)布實(shí)施。SAE航空航天委員會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)最終版本進(jìn)行投票，通過后統(tǒng)一出版發(fā)行。

七是動(dòng)態(tài)維護(hù)。通過多種渠道收集標(biāo)準(zhǔn)使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)進(jìn)行修訂，新定標(biāo)準(zhǔn)修訂周期一般為1～3年，成熟標(biāo)準(zhǔn)修訂周期一般為5年以內(nèi)。

結(jié)束語

通過借鑒AMS標(biāo)準(zhǔn)等先進(jìn)材料標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建及管理經(jīng)驗(yàn)，我國應(yīng)盡早建立起以專業(yè)化、系列化、通用化為目標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)體系，形成先進(jìn)、完整、適用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)。通過建立標(biāo)準(zhǔn)正向形成機(jī)制，能夠?qū)嵸|(zhì)性地提升發(fā)動(dòng)機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性、時(shí)效性和可操作性，并與國際先進(jìn)水平接軌。建立以正向形成方法為核心的材料標(biāo)準(zhǔn)制定規(guī)則，嚴(yán)格按正向形成方法要求，編制先進(jìn)適用、高質(zhì)量、高水平的發(fā)動(dòng)機(jī)材料標(biāo)準(zhǔn)，滿足航空裝備研制生產(chǎn)的需要。