《高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板材》国家标准解析

谷 柳

（有色金属技术经济研究院有限责任公司，北京 100080）

1 标准立项背景

现代航空制造业中，铝合金作为民机制造不可或缺的关键基础材料，约占民机结构重量的20%～60%，用于机翼壁板、蒙皮、桁条和起落架等部件的生产制造。自19世纪40年代起，由于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的优异性能，其在飞机机体结构（如蒙皮、机翼壁板等）中得以应用。此后，Al-Zn-Mg-Cu系铝合金经历了高强、高强耐蚀、高强高韧耐蚀、高强高韧耐蚀耐损伤容限到高强高韧耐蚀高淬透性五代发展历程，目前国际上正在进行第五代铝合金的研究阶段。

此外，国际上在发展航空用铝合金材料的同时，也重视配套材料标准体系的建设。以美国为代表，逐渐形成了以AMS标准为主的系列化产品标准体系，配套ASTM标准为主的测试评价方法标准体系，在飞机设计、选材及全面试制等方面具有显著的指导作用。

国内航空铝材经历了引进、仿制、改进、改型及自主研制的历程，逐步建立了自有的材料体系，几乎涵盖了所有航空铝合金产品类型，军机用主要航空铝材已基本实现国产化。在民用飞机领域，自2008年起，国内开始发展以C919为代表的先进民用飞机，其机体结构中铝合金材料约占材料总重量的62%，但目前达到装机状态的国产铝材仅占40%，其余依赖全球采购。目前，国内飞机制造商适航认证均采用美国AMS和ASTM标准，国内尚未培育出适用于民机的铝合金材料标准体系。

因此，基于我国民机铝材的发展现状与标准需求，提出优先制定《高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板材》国家标准。经过两年的数据调研、对比试验及反复讨论与征求意见工作，本标准于2020年底完成报批工作。本标准于2021年8月由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会共同发布，于2022年3月1日起实施。

2 《高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板材》标准解析

本标准中规定的高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金即高强高韧型7XXX系铝合金，按照民机铝材标准体系的规划，本标准核心内容为7055、7050合金性能，还包括产品合格鉴定、过程控制等内容。

2.1 技术要求

（1）化学成分。7055、7050铝合金板材的化学成分直接引用GB/T 3190《变形铝及铝合金化学成分》，其化学成分与国际牌号成分保持一致。

（2）氢含量。氢含量指标是衡量铝合金冶金质量的重要指标之一，产品氢含量直接影响产品的室温拉伸力学性能、疲劳性能等。氢含量常用的分析方法有固态测氢和液态测氢两种，但由于固态测氢的国内可检测设备较少，固态测氢检测稳定度低于液态测氢，因此7055、7050铝合金板材的氢含量规定应不大于0.10mL/100g Al，供方在产品铸造过程中进行液态测氢，进而保证固态测氢指标。

（3）尺寸偏差。尺寸偏差是衡量产品加工精度的重要指标，产品经加工后其尺寸应满足装配要求。关于航空用铝合金板材的尺寸偏差在T/CNIA 0074.1《航空用铝合金板材通用技术规范》标准中进行统一规定，此处直接引用T/CNIA 0074.1。

（4）室温拉伸力学性能。室温拉伸力学性能作为材料的基本性能，可用于表征材料的强度，根据材料的抗拉强度以及屈服强度，飞机设计方确定部件的基本尺寸要求。随着铝合金板材厚度增加，受到板材热轧变形以及热处理工艺的影响，材料的力学性能指标将逐渐降低，因此需要针对不同厚度的规格的板材，提出不同的性能指标。

根据试验结果，并与国外先进标准进行对标，7055T7751铝合金板材按照厚度规格范围划分为两个区间，第一个厚度规格范围为12.70mm～38.10mm，第二个厚度规格范围为38.10mm～50.00mm；7050T7451铝合金板材按照厚度规格范围划分为8个区间，厚度规格范围为6.35mm～203.20mm。7055T7751、7050T7451铝合金板材的室温拉伸力学性能分别见表1、表2。

表1 标准中规定7055T7751铝合金板材的室温拉伸力学性能

表2 标准中规定7050T7451铝合金板材的室温拉伸力学性能

（5）压缩性能。当材料用于飞机机翼上壁板时，服役时始终处于压缩状态，通过取样评价试样的压缩性能，反应材料在受压状态下的材料的服役性能。

根据试验结果，并与国外先进标准进行对标，7055T7751铝合金板材按照厚度规格范围划分为两个区间，第一个厚度规格范围为12.70mm～38.10mm，第二个厚度规格范围为38.10mm～50.00mm，7055T7751铝合金板材的室温拉伸力学性能分别见表3。

表3 标准中规定7055T7751铝合金板材的压缩性能

（6）断裂韧度。断裂韧度可以模拟由缺陷（尤其是裂纹）引起断裂所导致材料的失效情况，当飞机进行结构材料选材时，需要考虑内部缺陷对材料的影响，即评价材料的断裂韧度。

根据试验结果，并与国外先进标准进行对标，7055T7751铝合金板材的断裂韧度按照厚度规格范围划分为三个区间，第一个厚度规格区间为12.70mm～19.05mm，第二个厚度规格区间为19.05mm～31.75mm，第三个厚度规格区间为31.75mm～50.00mm；7050T7451铝合金板材按照厚度规格范围划分为8个区间，厚度规格范围为6.35mm～203.20mm。7055T7751、7050T7451铝合金板材的平面应变断裂韧度分别见表4、表5。

表4 标准中规定7055T7751铝合金板材的断裂韧度

表5 标准中规定7050T7451铝合金板材的断裂韧度

（7）疲劳性能。飞机机体在飞行时承受各种交变载荷，疲劳性能可以用来评价铝合金作为飞机结构材料的服役性能。随着铝合金板材厚度减少，受到板材热轧变形的影响，材料的疲劳性能会逐渐改善，因此对于7050T7451铝合金板材仅规定厚度＞102mm板材的疲劳性能，见表6。

表6 标准中规定7050T7451铝合金板材的疲劳性能

（8）电导率。电导率指标可以用来评定铝合金热处理稳定性，通过电导率测试实现高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的无损检测。标准中除规定任意点的电导率外，还对电导率均匀性进行了规定，通过对板材上下表面均匀选取测试点，可以保障板材性能的均一性和稳定性。

（9）抗应力腐蚀性、抗剥落腐蚀性。抗应力腐蚀性、抗剥落腐蚀性也是衡量铝合金热处理状态的重要指标，由于飞机材料服役环境较为恶劣，极易产生腐蚀行为。

对于抗应力腐蚀性，根据试验结果，并与国外先进标准进行对标，7055T7751铝合金板材在170MPa试验应力下腐蚀20天，试样表面应目视无裂纹。7050T7451铝合金板材在241MPa试验应力下腐蚀20天，试样表面应目视无裂纹。研究表明，该试验应力的设计余量较大，后续将开展进一步抗应力腐蚀性研究。

对于抗剥落腐蚀性，根据试验结果，并与国外先进标准进行对标，7055T7751、7050T7451铝合金板材剥落腐蚀等级符合或优于GB/T 22639中的EB级。

（10）超声波探伤检验。超声波探伤检测也是一种重要的无损检测方法，标准中规定板材的超声波探伤结果应符合GB/T 6519中的A级，该级别是国内关键铝合金产品的基本探伤级别。由于7XXX系铝合金成分复杂，相组成也比较复杂，且宽厚板所需铸锭的规格大，大截面铸锭的冶金质量控制较困难，因此在满足客户需求的情况下，将超声波探伤结果定为A级。

（11）低倍组织、显微组织。低倍组织要求属于产品的基本要求，是产品质量保证的核心指标之一。

显微组织是衡量7055铝合金是否实现T77状态的重要指标。在T77状态下，铝合金晶界处析出物断续析出，相较于连续析出的析出物，7055T7751铝合金板材具有更好的力学性能和腐蚀性能。为了有效减少误判的发生，在标准的附录A中给出了典型过烧组织、典型晶界析出相组织、典型基体沉淀相组织照片，便于标准使用人员进行结果评定。此外，7055T7751、7050T7451铝合金板材仅规定过烧要求。

（12）外观质量。板材外观质量要求按照T/CNIA 0074《航空用铝合金板材第1部分：通用技术规范》执行。

2.2 产品合格鉴定

产品合格鉴定内容是民机铝材的核心内容之一，该要求在铝合金标准中属于首次出现，通过产品合格鉴定保证民机铝材产品质量，实现稳定化生产。产品合格鉴定内容参考了国内外飞机制造商对材料供应商的要求，具有实际可操作性。

产品合格鉴定主要分为三个阶段，分别为工艺研究阶段、工艺稳定性正式验证阶段、批产供货阶段，具体规定见标准文本。

2.3 过程控制

供方在有能力按照本标准规定的要求生产合格产品后，编制的工艺控制文件，对关键性能和关键工序参数进行控制。

过程控制对铝材进行全生产流程规定，包括原材料要求、装备要求、工艺要求和性能要求。原材料要求即对铸锭锭坯的要求，标准中给出的主要原材料要求仅为典型牌号，不做强制规定。装备要求即对生产设备的要求，需对设备进行定期检验，保证设备稳定性。工艺要求的核心是热处理工艺。性能要求在产品稳定供货后，除出厂检验外，还需对产品氢含量、室温拉伸力学性能、压缩性能、低倍组织和过烧组织进行监控。

此外，标准还给出了过程控制评审与偏离处理要求，是为了应对生产实际过程中不可避免出现的偏离问题。

2.4 检验规则

与常规标准不同，本标准中检验项目分为产品合格鉴定检验和出厂检验，产品合格鉴定检验是产品合格鉴定过程中所需的检验项目，而出厂检验是实现稳定供货以后所需的检验项目。

由于产品合格鉴定过程的取样数量与要求非常严苛，标准中对产品合格鉴定取样和出厂检验取样分别进行了规定。并且，本标准创新性的提出了产品取样示意图（见标准文本）。常规标准中取样规定通常为语言描述，但民机铝材在产品合格鉴定时的取样更为详细，需要在多个位置取多个样，某些指标需要在指定位置进行取样，取样示意图可以有效避免语言描述的误解，确保取样的准确性。

2.5 标志

GB/T 3199《铝及铝合金加工产品包装、标志、运输、贮存》中对产品标志存在最基本的要求，但GB/T 3199已无法满足民机铝材的要求，因此在本标准中进行了详细规定。标志分为永久性标志、喷码标志和信息化标志。

永久性标志采用机械刻码或手工敲码方式进行标志，标志内容与GB/T 3199一致。喷码标志采用四周喷码或连续喷码方式进行标志。信息化标志通常采用条形码或二维码方式进行标志，具体由供需双方协商确定。

3 标准水平分析与社会经济效益

目前，通过本标准与国际先进标准进行对标，本标准厚度规格范围更宽，可覆盖更多的产品，本标准中规定的技术指标其中尺寸偏差优于国际先进标准；6项技术指标等同国际先进标准；6项技术指标如氢含量等是国外标准中没有规定的指标，与国外产品实物质量相同，指标达到国际先进水平。因此，本标准综合技术要求的水平达到了国际先进水平。

GB/T 40321-2021《高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板材》国家标准于2021年8月正式发布，是首个发布的民机铝材专用产品标准。该标准所规定的高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板材被用于飞机上机翼壁板，是机翼的主要结构材料，其铸锭要求高、板材工艺特殊且生产难度大、板材性能要求高、生产过程控制严苛，属于被国外“卡脖子”的重点产品。目前，标准中规定的7055T7751、7050T7451铝合金板材等产品在技术研发上有了突破性进展，已经实现我国自主生产的产品批量供货，在C919、ARJ21等机型上得以应用。

4 总结

GB/T 40321-2021《高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板材》对7055T7751、7050T7451铝合金板材等高强高韧型Al-Zn-Mg-Cu系铝合金板材的技术指标要求进行规定，为飞机制造商的选材提供了有效依据；并创新性地提出了产品合格鉴定、过程控制等内容，有效地保证产品质量稳定性和产品一致性。通过本标准的制定，可以推动和支撑我国民机用先进铝合金材料的发展、促进我国民机铝材实现自主可控、助推我国民用飞机持续快速发展。此外，民机铝材相关产品标准的制定，将会带动交通、机械、智能制造等高端装备制造用铝材的发展，提升整个铝工业水平。