谷 柳

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟研究院有限責(zé)任公司，北京 100080）

1 標(biāo)準(zhǔn)立項背景

現(xiàn)代航空制造業(yè)中，鋁合金作為民機制造不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，約占民機結(jié)構(gòu)重量的20%～60%，用于機翼壁板、蒙皮、桁條和起落架等部件的生產(chǎn)制造。自19世紀(jì)40年代起，由于Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金的優(yōu)異性能，其在飛機機體結(jié)構(gòu)（如蒙皮、機翼壁板等）中得以應(yīng)用。此后，Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金經(jīng)歷了高強、高強耐蝕、高強高韌耐蝕、高強高韌耐蝕耐損傷容限到高強高韌耐蝕高淬透性五代發(fā)展歷程，目前國際上正在進行第五代鋁合金的研究階段。

此外，國際上在發(fā)展航空用鋁合金材料的同時，也重視配套材料標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。以美國為代表，逐漸形成了以AMS標(biāo)準(zhǔn)為主的系列化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，配套ASTM標(biāo)準(zhǔn)為主的測試評價方法標(biāo)準(zhǔn)體系，在飛機設(shè)計、選材及全面試制等方面具有顯著的指導(dǎo)作用。

國內(nèi)航空鋁材經(jīng)歷了引進、仿制、改進、改型及自主研制的歷程，逐步建立了自有的材料體系，幾乎涵蓋了所有航空鋁合金產(chǎn)品類型，軍機用主要航空鋁材已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。在民用飛機領(lǐng)域，自2008年起，國內(nèi)開始發(fā)展以C919為代表的先進民用飛機，其機體結(jié)構(gòu)中鋁合金材料約占材料總重量的62%，但目前達(dá)到裝機狀態(tài)的國產(chǎn)鋁材僅占40%，其余依賴全球采購。目前，國內(nèi)飛機制造商適航認(rèn)證均采用美國AMS和ASTM標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)尚未培育出適用于民機的鋁合金材料標(biāo)準(zhǔn)體系。

因此，基于我國民機鋁材的發(fā)展現(xiàn)狀與標(biāo)準(zhǔn)需求，提出優(yōu)先制定《高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金板材》國家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過兩年的數(shù)據(jù)調(diào)研、對比試驗及反復(fù)討論與征求意見工作，本標(biāo)準(zhǔn)于2020年底完成報批工作。本標(biāo)準(zhǔn)于2021年8月由國家市場監(jiān)督管理總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會共同發(fā)布，于2022年3月1日起實施。

2 《高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金板材》標(biāo)準(zhǔn)解析

本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金即高強高韌型7XXX系鋁合金，按照民機鋁材標(biāo)準(zhǔn)體系的規(guī)劃，本標(biāo)準(zhǔn)核心內(nèi)容為7055、7050合金性能，還包括產(chǎn)品合格鑒定、過程控制等內(nèi)容。

2.1 技術(shù)要求

（1）化學(xué)成分。7055、7050鋁合金板材的化學(xué)成分直接引用GB/T 3190《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，其化學(xué)成分與國際牌號成分保持一致。

（2）氫含量。氫含量指標(biāo)是衡量鋁合金冶金質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，產(chǎn)品氫含量直接影響產(chǎn)品的室溫拉伸力學(xué)性能、疲勞性能等。氫含量常用的分析方法有固態(tài)測氫和液態(tài)測氫兩種，但由于固態(tài)測氫的國內(nèi)可檢測設(shè)備較少，固態(tài)測氫檢測穩(wěn)定度低于液態(tài)測氫，因此7055、7050鋁合金板材的氫含量規(guī)定應(yīng)不大于0.10mL/100g Al，供方在產(chǎn)品鑄造過程中進行液態(tài)測氫，進而保證固態(tài)測氫指標(biāo)。

（3）尺寸偏差。尺寸偏差是衡量產(chǎn)品加工精度的重要指標(biāo)，產(chǎn)品經(jīng)加工后其尺寸應(yīng)滿足裝配要求。關(guān)于航空用鋁合金板材的尺寸偏差在T/CNIA 0074.1《航空用鋁合金板材通用技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中進行統(tǒng)一規(guī)定，此處直接引用T/CNIA 0074.1。

（4）室溫拉伸力學(xué)性能。室溫拉伸力學(xué)性能作為材料的基本性能，可用于表征材料的強度，根據(jù)材料的抗拉強度以及屈服強度，飛機設(shè)計方確定部件的基本尺寸要求。隨著鋁合金板材厚度增加，受到板材熱軋變形以及熱處理工藝的影響，材料的力學(xué)性能指標(biāo)將逐漸降低，因此需要針對不同厚度的規(guī)格的板材，提出不同的性能指標(biāo)。

根據(jù)試驗結(jié)果，并與國外先進標(biāo)準(zhǔn)進行對標(biāo)，7055T7751鋁合金板材按照厚度規(guī)格范圍劃分為兩個區(qū)間，第一個厚度規(guī)格范圍為12.70mm～38.10mm，第二個厚度規(guī)格范圍為38.10mm～50.00mm；7050T7451鋁合金板材按照厚度規(guī)格范圍劃分為8個區(qū)間，厚度規(guī)格范圍為6.35mm～203.20mm。7055T7751、7050T7451鋁合金板材的室溫拉伸力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定7055T7751鋁合金板材的室溫拉伸力學(xué)性能

表2 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定7050T7451鋁合金板材的室溫拉伸力學(xué)性能

（5）壓縮性能。當(dāng)材料用于飛機機翼上壁板時，服役時始終處于壓縮狀態(tài)，通過取樣評價試樣的壓縮性能，反應(yīng)材料在受壓狀態(tài)下的材料的服役性能。

根據(jù)試驗結(jié)果，并與國外先進標(biāo)準(zhǔn)進行對標(biāo)，7055T7751鋁合金板材按照厚度規(guī)格范圍劃分為兩個區(qū)間，第一個厚度規(guī)格范圍為12.70mm～38.10mm，第二個厚度規(guī)格范圍為38.10mm～50.00mm，7055T7751鋁合金板材的室溫拉伸力學(xué)性能分別見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定7055T7751鋁合金板材的壓縮性能

（6）斷裂韌度。斷裂韌度可以模擬由缺陷（尤其是裂紋）引起斷裂所導(dǎo)致材料的失效情況，當(dāng)飛機進行結(jié)構(gòu)材料選材時，需要考慮內(nèi)部缺陷對材料的影響，即評價材料的斷裂韌度。

根據(jù)試驗結(jié)果，并與國外先進標(biāo)準(zhǔn)進行對標(biāo)，7055T7751鋁合金板材的斷裂韌度按照厚度規(guī)格范圍劃分為三個區(qū)間，第一個厚度規(guī)格區(qū)間為12.70mm～19.05mm，第二個厚度規(guī)格區(qū)間為19.05mm～31.75mm，第三個厚度規(guī)格區(qū)間為31.75mm～50.00mm；7050T7451鋁合金板材按照厚度規(guī)格范圍劃分為8個區(qū)間，厚度規(guī)格范圍為6.35mm～203.20mm。7055T7751、7050T7451鋁合金板材的平面應(yīng)變斷裂韌度分別見表4、表5。

表4 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定7055T7751鋁合金板材的斷裂韌度

表5 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定7050T7451鋁合金板材的斷裂韌度

（7）疲勞性能。飛機機體在飛行時承受各種交變載荷，疲勞性能可以用來評價鋁合金作為飛機結(jié)構(gòu)材料的服役性能。隨著鋁合金板材厚度減少，受到板材熱軋變形的影響，材料的疲勞性能會逐漸改善，因此對于7050T7451鋁合金板材僅規(guī)定厚度＞102mm板材的疲勞性能，見表6。

表6 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定7050T7451鋁合金板材的疲勞性能

（8）電導(dǎo)率。電導(dǎo)率指標(biāo)可以用來評定鋁合金熱處理穩(wěn)定性，通過電導(dǎo)率測試實現(xiàn)高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金的無損檢測。標(biāo)準(zhǔn)中除規(guī)定任意點的電導(dǎo)率外，還對電導(dǎo)率均勻性進行了規(guī)定，通過對板材上下表面均勻選取測試點，可以保障板材性能的均一性和穩(wěn)定性。

（9）抗應(yīng)力腐蝕性、抗剝落腐蝕性?？箲?yīng)力腐蝕性、抗剝落腐蝕性也是衡量鋁合金熱處理狀態(tài)的重要指標(biāo)，由于飛機材料服役環(huán)境較為惡劣，極易產(chǎn)生腐蝕行為。

對于抗應(yīng)力腐蝕性，根據(jù)試驗結(jié)果，并與國外先進標(biāo)準(zhǔn)進行對標(biāo)，7055T7751鋁合金板材在170MPa試驗應(yīng)力下腐蝕20天，試樣表面應(yīng)目視無裂紋。7050T7451鋁合金板材在241MPa試驗應(yīng)力下腐蝕20天，試樣表面應(yīng)目視無裂紋。研究表明，該試驗應(yīng)力的設(shè)計余量較大，后續(xù)將開展進一步抗應(yīng)力腐蝕性研究。

對于抗剝落腐蝕性，根據(jù)試驗結(jié)果，并與國外先進標(biāo)準(zhǔn)進行對標(biāo)，7055T7751、7050T7451鋁合金板材剝落腐蝕等級符合或優(yōu)于GB/T 22639中的EB級。

（10）超聲波探傷檢驗。超聲波探傷檢測也是一種重要的無損檢測方法，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定板材的超聲波探傷結(jié)果應(yīng)符合GB/T 6519中的A級，該級別是國內(nèi)關(guān)鍵鋁合金產(chǎn)品的基本探傷級別。由于7XXX系鋁合金成分復(fù)雜，相組成也比較復(fù)雜，且寬厚板所需鑄錠的規(guī)格大，大截面鑄錠的冶金質(zhì)量控制較困難，因此在滿足客戶需求的情況下，將超聲波探傷結(jié)果定為A級。

（11）低倍組織、顯微組織。低倍組織要求屬于產(chǎn)品的基本要求，是產(chǎn)品質(zhì)量保證的核心指標(biāo)之一。

顯微組織是衡量7055鋁合金是否實現(xiàn)T77狀態(tài)的重要指標(biāo)。在T77狀態(tài)下，鋁合金晶界處析出物斷續(xù)析出，相較于連續(xù)析出的析出物，7055T7751鋁合金板材具有更好的力學(xué)性能和腐蝕性能。為了有效減少誤判的發(fā)生，在標(biāo)準(zhǔn)的附錄A中給出了典型過燒組織、典型晶界析出相組織、典型基體沉淀相組織照片，便于標(biāo)準(zhǔn)使用人員進行結(jié)果評定。此外，7055T7751、7050T7451鋁合金板材僅規(guī)定過燒要求。

（12）外觀質(zhì)量。板材外觀質(zhì)量要求按照T/CNIA 0074《航空用鋁合金板材第1部分：通用技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。

2.2 產(chǎn)品合格鑒定

產(chǎn)品合格鑒定內(nèi)容是民機鋁材的核心內(nèi)容之一，該要求在鋁合金標(biāo)準(zhǔn)中屬于首次出現(xiàn)，通過產(chǎn)品合格鑒定保證民機鋁材產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)穩(wěn)定化生產(chǎn)。產(chǎn)品合格鑒定內(nèi)容參考了國內(nèi)外飛機制造商對材料供應(yīng)商的要求，具有實際可操作性。

產(chǎn)品合格鑒定主要分為三個階段，分別為工藝研究階段、工藝穩(wěn)定性正式驗證階段、批產(chǎn)供貨階段，具體規(guī)定見標(biāo)準(zhǔn)文本。

2.3 過程控制

供方在有能力按照本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求生產(chǎn)合格產(chǎn)品后，編制的工藝控制文件，對關(guān)鍵性能和關(guān)鍵工序參數(shù)進行控制。

過程控制對鋁材進行全生產(chǎn)流程規(guī)定，包括原材料要求、裝備要求、工藝要求和性能要求。原材料要求即對鑄錠錠坯的要求，標(biāo)準(zhǔn)中給出的主要原材料要求僅為典型牌號，不做強制規(guī)定。裝備要求即對生產(chǎn)設(shè)備的要求，需對設(shè)備進行定期檢驗，保證設(shè)備穩(wěn)定性。工藝要求的核心是熱處理工藝。性能要求在產(chǎn)品穩(wěn)定供貨后，除出廠檢驗外，還需對產(chǎn)品氫含量、室溫拉伸力學(xué)性能、壓縮性能、低倍組織和過燒組織進行監(jiān)控。

此外，標(biāo)準(zhǔn)還給出了過程控制評審與偏離處理要求，是為了應(yīng)對生產(chǎn)實際過程中不可避免出現(xiàn)的偏離問題。

2.4 檢驗規(guī)則

與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不同，本標(biāo)準(zhǔn)中檢驗項目分為產(chǎn)品合格鑒定檢驗和出廠檢驗，產(chǎn)品合格鑒定檢驗是產(chǎn)品合格鑒定過程中所需的檢驗項目，而出廠檢驗是實現(xiàn)穩(wěn)定供貨以后所需的檢驗項目。

由于產(chǎn)品合格鑒定過程的取樣數(shù)量與要求非常嚴(yán)苛，標(biāo)準(zhǔn)中對產(chǎn)品合格鑒定取樣和出廠檢驗取樣分別進行了規(guī)定。并且，本標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新性的提出了產(chǎn)品取樣示意圖（見標(biāo)準(zhǔn)文本）。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中取樣規(guī)定通常為語言描述，但民機鋁材在產(chǎn)品合格鑒定時的取樣更為詳細(xì)，需要在多個位置取多個樣，某些指標(biāo)需要在指定位置進行取樣，取樣示意圖可以有效避免語言描述的誤解，確保取樣的準(zhǔn)確性。

2.5 標(biāo)志

GB/T 3199《鋁及鋁合金加工產(chǎn)品包裝、標(biāo)志、運輸、貯存》中對產(chǎn)品標(biāo)志存在最基本的要求，但GB/T 3199已無法滿足民機鋁材的要求，因此在本標(biāo)準(zhǔn)中進行了詳細(xì)規(guī)定。標(biāo)志分為永久性標(biāo)志、噴碼標(biāo)志和信息化標(biāo)志。

永久性標(biāo)志采用機械刻碼或手工敲碼方式進行標(biāo)志，標(biāo)志內(nèi)容與GB/T 3199一致。噴碼標(biāo)志采用四周噴碼或連續(xù)噴碼方式進行標(biāo)志。信息化標(biāo)志通常采用條形碼或二維碼方式進行標(biāo)志，具體由供需雙方協(xié)商確定。

3 標(biāo)準(zhǔn)水平分析與社會經(jīng)濟效益

目前，通過本標(biāo)準(zhǔn)與國際先進標(biāo)準(zhǔn)進行對標(biāo)，本標(biāo)準(zhǔn)厚度規(guī)格范圍更寬，可覆蓋更多的產(chǎn)品，本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)其中尺寸偏差優(yōu)于國際先進標(biāo)準(zhǔn)；6項技術(shù)指標(biāo)等同國際先進標(biāo)準(zhǔn)；6項技術(shù)指標(biāo)如氫含量等是國外標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定的指標(biāo)，與國外產(chǎn)品實物質(zhì)量相同，指標(biāo)達(dá)到國際先進水平。因此，本標(biāo)準(zhǔn)綜合技術(shù)要求的水平達(dá)到了國際先進水平。

GB/T 40321-2021《高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金板材》國家標(biāo)準(zhǔn)于2021年8月正式發(fā)布，是首個發(fā)布的民機鋁材專用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金板材被用于飛機上機翼壁板，是機翼的主要結(jié)構(gòu)材料，其鑄錠要求高、板材工藝特殊且生產(chǎn)難度大、板材性能要求高、生產(chǎn)過程控制嚴(yán)苛，屬于被國外“卡脖子”的重點產(chǎn)品。目前，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的7055T7751、7050T7451鋁合金板材等產(chǎn)品在技術(shù)研發(fā)上有了突破性進展，已經(jīng)實現(xiàn)我國自主生產(chǎn)的產(chǎn)品批量供貨，在C919、ARJ21等機型上得以應(yīng)用。

4 總結(jié)

GB/T 40321-2021《高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金板材》對7055T7751、7050T7451鋁合金板材等高強高韌型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金板材的技術(shù)指標(biāo)要求進行規(guī)定，為飛機制造商的選材提供了有效依據(jù)；并創(chuàng)新性地提出了產(chǎn)品合格鑒定、過程控制等內(nèi)容，有效地保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性。通過本標(biāo)準(zhǔn)的制定，可以推動和支撐我國民機用先進鋁合金材料的發(fā)展、促進我國民機鋁材實現(xiàn)自主可控、助推我國民用飛機持續(xù)快速發(fā)展。此外，民機鋁材相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定，將會帶動交通、機械、智能制造等高端裝備制造用鋁材的發(fā)展，提升整個鋁工業(yè)水平。