航空用铝合金板材产品质量分级评价技术研究与应用

张洪坤，李宝城，葛青，鹿珂伟，朱思敏，于瀛，刘英

(1. 国合通用测试评价认证股份公司，北京，101407；2. 国标（北京）检验认证有限公司，北京，101407)

1 引言

从1970年我国自主研制的“运十”飞机立项到C919成功首飞，中国人的“大飞机梦”穿越了47个春秋。C919是我国按照国际主流适航标准和国际主流市场运营标准研制的干线飞机，它不仅标志着中国航空工业取得重大历史突破，也是中国创新驱动战略的重大时代成果。大飞机的制造需求使国内高端铝材的供应出现明显的缺口，铝行业迎来重大发展机遇。根据《2019-2024年中国航空铝材行业现状分析及前景发展投资调研报告》数据显示，2012年我国航空铝材市场规模13.31万吨，同比增长4%，到2017年航空铝材市场规模达到了19.90万吨，同比增长8.2%，航空铝材市场规模快速增长，强劲拉动铝合金材料尤其是航空铝合金材料需求。

2 航空用铝合金板材产品质量重要性

我国对航空工业产品制定了严格的管理制度：《中华人民共和国民用航空器适航管理条例》的发布标志着我国航空管理科学化和标准化，《航空材料及热工艺技术工作规定》等法规文件也要求航空材料要以产品质量为基本保障。航空材料在质量管理中必须涵盖材料产品质量管理研发、选用、订购、复检、性能评定、不合格品控制、工艺变更等全过程，而航空材料的批次一致性和性能稳定性也是考察材料是否满足飞机制造需求的重要评判指标[1]。

铝合金板材是飞机重要的结构材料，由铝合金厚板或超厚板加工的整体结构件在飞机大型结构件设计中占据主要位置，例如由厚板加工而成的空客A330/A340机身铝合金结构件约占铝合金总使用量的50%[2]。然而在实际生产制造中，包括熔铸过程成分均匀性、氢含量、添加元素和杂质元素含量的控制，轧制工艺，热处理控制等造成材料组织结构、电导率、残余应力等性能指标存在一定的批次差异，最终等对材料的承载能力、耐腐蚀能力、疲劳性能都会造成较大影响，严重时还会影响材料使用寿命，危机飞机的运行安全[3]。

3 航空用铝合金板材产品质量分级评价研究

3.1 产品质量分级评价开展现状

质量分级评价是利用技术标准和技术方法，对产品质量以及质量形成全过程中的因素进行识别判定的活动，质量分级将有助于将高质量产品的价值显性化，为优质优价机制提供技术支撑。质量分级的思想在国外主要应用在食品、农产品、水产品等领域。在工业产品方面，国际标准化组织发布了焊接工艺、焊缝检验及评价等体现分级思想的相关标准，如 ISO 15614-1-2017、ISO 6947：2011、ISO 5817：2014等。美国材料与试验协会（ASTM）也研究和发布了铝合金板材、钢锈蚀程度、镀层铁板生锈等级相关体现分级思想的标准，如：ASTM B209-2014、ASTM D610-08、ASTM D610-2001等。

20世纪90年代，我国编制了GB/T 12707-1991《工业产品质量分等导则》，把产品质量水平划分为优等品、一等品和合格品三个等级[4]。JB/T 53061-1999《化工用离心泵产品质量分级》、GB/T 5237-2017《铝合金建筑型材》等相关产品标准中，产品指标范围选取也体现了质量分级思想。近年来，中国钢铁工业协会提出钢铁产品产线质量能力分级评价，并以大数据分析为基础、涵盖质量滤波、质量传递等思想，科学量化企业生产线的质量能力，已发布《钢铁产品质量能力分级评价规范 第1部分 通则》、船体结构用钢板、焊接材料等团体标准[5]。该系列标准的发布为我国钢铁企业对标世界一流明确了目标，也为生产企业自主淘汰落后产能，实现产品质量的升级指明了方向。近期，中国建筑材料协会发布《建材产品质量能力分级规范 第1部分：通则》及水泥、建筑砖（板）、卫生陶瓷、防水卷材等系列团体标准，采用工序评价、价值函数、质量继承等理论对生产线装备技术能力、产品批量数据、研发质检数据、产品抽验等进行权重，根据加权得分为企业或生产线进行等级评定。

开展航空用铝合金板材产品质量分级评价是我国有色金属产品领域在质量分级评价首次探索和应用，将对我国航空用铝合金板材产品性能、质量管理、标准化及品牌影响力等方面有良好的提升效果，也将有效带动有色金属行业整体质量提升。

3.2 航空用铝合金板材质量分级评价方法及指标体系

我国军工产品质量管理及航空器适航管理条例对材料制造工艺过程质量管理有严格的要求：针对特种制造工艺，应该严格按照标准要求制定特殊工艺技术文件及相应的质量控制措施；针对关键零部件、重要零部件等制定专有质量控制程序并进行重点控制；针对航空材料技术状态应建立相应的质量管理制度，针对加工工序、工艺设备、加工材料、设备技术状态出现更改，需要从系统层面进行全面分析、论证并进行严格试验，同时对材料使用之前的各项审批程序进行严格控制；在针对产品质量进行试验和检验过程要严格按照标准规范程序进行[1]。

本文利用全面质量管理模型、层次分析、木桶定律等方法，依据T/CNIA 0074-2021《航空用铝合金板材》系列标准、GB／T 29503-2020 《铝合金预拉伸板》、GB/T 19001《质量管理体系 要求》、GB/T 19580 《卓越绩效评价准则》等相关标准、规范，建立涵盖产品质量以及质量形成全要素相关的产品质量、工艺控制、质量保证3个一级指标，9个二级指标、36个三级指标的综合评价体系（指标详见表1）。除产品标准要求的基础性能，还关注了产品应用服役性能及质量稳定性和一致性，并创新性提出指标变异系数、过程能力Cpk指数、质量相关人员胜任力（企业质量负责人、生产技术负责人、检验负责人、关键工序操作人员）等评价指标，从而形成更全面、更科学、操作性强的产品质量分级评价模型，以全方位、多维度综合考察企业的产品，确定产品质量能力等级[6]。

表1 航空用铝合金板材质量分级评价指标体系

3.3 航空用7050-T7451铝合金板材产品质量分级评价应用

7050铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，其淬火敏感性低，适用于大规格厚板及锻件的生产。7050-T7451预拉伸厚板因其强度高、断裂韧度及耐腐蚀等综合性能优异，已广泛用于各类飞机的机身框架、翼梁和尾翼等[7]。本文以7050-T7451铝合金板材为示例，提出对该牌号产品质量分级评价的差异化评价要求。

航空用7050-T7451铝合金板材基础性能指标需满足T/CNIA 0074-2021《航空用铝合金板材》等系列标准技术要求，在此基础上，我们通过对国内外主要生产企业产品性能调研，并通过专家评议等方式，制定了航空用7050-T7451铝合金板材产品质量分级评价指标要求，AAA、AA、A三个等级级分别对应国际领先、国际先进、国内领先，每个等级对应差异化指标值详见表2。

表2 航空用7050-T7451铝合金板材质量分级评价指标要求

（1）超声波探伤

航空用铝合金板材内部的缺陷大小和数量对于板材力学性能、腐蚀性能和疲劳性能均有较大影响。质量分级评价遵循的基本原则是 A级、AA级产品单个缺陷当量和多个缺陷当量应满足GB/T 6519中A等级的要求，而AAA级产品的超声波探伤性能应满足GB/T 6519中AA等级的要求。

（2）抗剥落腐蚀

高强高韧铝合金由于含有可溶性合金元素如Cu、Mg、Si、Zn等，对剥落腐蚀较敏感。在飞机服役过程中，由于7050板材组织特征和服役环境影响，合金结构件尤其通过铆接或螺栓连接的结构件易发生剥落腐蚀[8]。GB/T 22639《铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法》中根据点蚀及腐蚀程度将腐蚀程度描述为N、P、E共3个等级。质量分级评价遵循的基本原则是 A级、AA级产品应满足GB/T 22639中EB等级，AAA级应满足GB/T 22639中EA等级。

（3）一致性

指标变异系数（Coefficient of Variation，Cv值）又称“离散系数”，是概率分布离散程度的一个归一化量度，是衡量资料中各观测值变异程度的统计量。本文选取了能直接反映材料综合性能的计量型指标“抗拉强度Cv值”“规定非比例延伸强度Rp0.2Cv值” 2项指标来考察企业产品的一致性和稳定性。

（4）原材料铸锭

铝合金熔炼过程，炉料、浮渣、精炼剂、工具等未经充分干燥引入水，水分子与铝液发生反应生成原子态的氢溶解于铝液中，环境中的水分也会使铝液在熔铸或者加工过程中产生氢。铝合金中氢的进入包括扩散氢或固溶氢、氢分子和氢化物，氢的存在使材料生产气孔等缺陷，降低材料的强度和韧性，富集在晶界的氢也会造成氢脆等材料失效等严重后果[9]。质量分级评价遵循的基本原则是A级产品应满足≤0.12mL/100gAl，AA级应满足≤0.10mL/100gAl，而AAA级产品应满足≤0.07mL/100gAl。

（5）过程能力Cpk指数

过程能力Cpk指数也称工序能力指数，指工序在一定时间里，处于控制状态（稳定状态）下实际加工能力。工序能力越高，产品的质量特性值的分散程度就会越小。

（6）管理要求

全球经济化及激烈的市场竞争环境使现代化企业必须建立高效的质量管理体系。管理体系认证是国际通行的合格评定活动，建立完善的航空产品质量管理体系是保证产品质量的重要条件，基于全面质量管理理念构建的质量管理体系也是航空产品质量保证的基础[10]。

4 开展航空用铝合金板材产品质量分级评价的意义

本文利用层次分析法、专家评议等科学方法，对航空用铝合金板材产品质量以及质量形成全要素进行分级研究并建立航空用铝合金板材的质量分级评价模型和评价指标体系。除产品标准要求的基础性能，还特别关注产品应用服役性能及质量稳定性和一致性，并将原辅料控制、生产过程控制、检验检测、人员胜任力、设备管理、质量管理、产品认证等纳入评价指标体系，形成全面、科学且操作性较强的企业产品质量分级评价要求。

开展航空用铝合金板材产品质量分级评价，一是贯彻落实工信部《关于促进制造业产品和服务质量提升的实施意见》中提出到2022年建设一批国家标准、行业标准与团体标准协调配套的标准群引领行业质量提升，启动不少于10个行业或领域建立质量分级工作机制，完善重点产品全生命周期质量追溯机制，提高航空用铝合金板材企业质量和品牌竞争力；二是有助于行业内生产企业树立差异化的产品质量分级理念，在内部形成良性生产和研发机制，不断提升产品的内在质量；第三，质量分级评价结果定时发布能为飞机制造商等下游用户选择高质量的产品提供重要参考依据，形成“以质取胜、质优价优”的良性市场竞争和营商秩序，淘汰落后产能，促进我国航空用铝合金板材行业健康、可持续和高质量发展。