民机材料适航要求与标准化需求

袁文明 刘 颖

（北京航空材料研究院，北京 100095）

民用飞机在安全性、经济性、舒适性和长寿命方面比军用飞机有更高的要求，它不仅在设计思想、结构形式与军机有所不同，而且在材料选用、质量控制方面也有独特之处。由于我国航空工业最初的目标是满足国防建设的需要，因此，重点发展了军用飞机，而对于需求多、市场潜力大的民用客机的研发投入少，民机设计、选材水平及国内民机材料的研制生产之间无法有机结合，严重制约了我国民机产业的发展。此外，适航审查和市场问题也对我国民机的研制提出了严峻挑战。目前，国内可供选用的民机材料多国牌号云集，同等性能低水平材料重复仿制和生产，并且无法形成互相关联的材料技术标准系列，而一些国外成熟应用的先进高性能材料国内几乎全部依赖进口。这种状况不仅给民用飞机选材、制造与维修带来诸多不便，而且给材料研制、生产、采购及性能数据积累造成极大困难和浪费，已制约我国民用航空工业的发展。

1 民机材料适航性要求

从民机材料自身的发展来看，随着美国波音和欧洲空客两大干线客机生产的系列化，以及现代直升机的不断发展，目前国外已拥有了一套完整的民机机体材料体系，并随着新材料的开发和应用，材料体系不断完善，相应材料体系中各种材料的设计、标准、工艺文件完整，性能数据齐全，材料质量稳定，原材料供应厂和飞机制造厂均具有完备的质量控制体系，能够保证民机材料和零部件的稳定批量生产。从适航角度看，美国和欧洲联邦航空局为保证民用飞机的安全，制定了各自的适航性管理办法。此办法一方面有一系列必须满足的条例、规定等文件；另一方面通过颁发“型号合格证”、“生产许可证”和“适航证”，从设计、原材料生产、一直到制造、试飞都有成套的质保文件。针对材料的适航性管理，从原材料生产开始到零件制造的全过程，各阶段都有明确的适航性要求和质量监控措施。例如在美国适航条例FAR 25中，对材料的要求归纳起来有如下几个方面：

● 选用的材料应有足够的数据和经验。也就是说应选用比较成熟的材料，主要表现在已积累一定数量的炉批和性能数据；

● 选用的材料应有正式标准。主要材料的标准应经适航管理机构或其他权威机构认可；

● 设计使用的材料性能数据应在指定手册中选用。例如FAR 25规定只能在MIL–HDBK–5等4个手册中采用；

● 应充分考虑环境（如温度、介质等）因素的影响；

● 某些部位使用的材料有特殊性能要求，如自熄、阻燃、防烟、防毒等；

● 在制造方面，特种工艺的标准技术文件需经有关机构认可。

可看出，国外民机对材料适航性要求是多方面的和复杂的，可以保证其在飞机上的安全使用。

民用飞机，尤其是大型干线飞机的安全可靠性格外重要。因此，大型干线飞机选用材料和热工艺都必须具有较好的成熟性，还需充分考虑损伤容限的选材判据。例如波音公司的B757、B767和B777客机均采用了损伤容限设计准则，早期设计制造的B727、B737和B747客机也重新作出损伤容限评价。

我国民机工业是在军用航空工业的基础上发展起来的，先后独立研制、测绘仿制了运5系列飞机、运7系列飞机、运8系列飞机、运11飞机、运12飞机和农林5A型飞机等，至今仍在批量生产，并且已拥有一支专业齐全、技术配套、一定型号研制经验的设计队伍和工业基础。但是总体上我国民用飞机尚未形成具有经济影响的研制生产能力。在目前生产销售的民用机种运7、运8系列产品中，基本上都属于五、六十年代苏联飞机的测仿改进型，研制现代客机和直升机的实践经验不足。目前新支线飞机ARJ–21为自主知识产权设计的型号，现正在研制过程中。由于虽然国内制造但需经受国外适航审查，绝大多数材料将选用国外材料，少数非金属材料也会适当考虑国产材料。

由于民机研制的频度太低，到目前为止，除在个别直升机上，国产材料还没有系统走过一个按现代适航标准研制大中型民用飞机的全过程，还不具备自主开发具有市场竞争力的大中型客机的能力。随着我国飞机设计由仿制向自行研制发展，国内航空材料也由早期单纯的仿苏发展成目前的仿俄、仿西方和自行研制等多方位发展，并初步形成了适合我国国情的军机材料体系。但是在民机材料方面，国内已研制应用的材料只能反映当时的国内水平，其中的许多材料已不能满足国内现代民用飞机发展的需求，同时也无法通过国际权威机构的适航审查要求，因此急需逐步建立适合我国国情的，并能走向国际市场的民机机体材料体系。

2 材料适航方面的差距

长期以来，我国的航空工业一直以研制、生产军用飞机为主，在军机设计、研制、生产、检验、试验、试飞、交付以及售后服务全过程的质量管理上，积累了一套成功经验，并形成有效运行的质量管理体系。但是要把民用飞机推向民用市场，必须要推行适航管理。目前，我国民用客机的设计、研制和生产还从未开展过适航管理，直11飞机在我国首次开展了适航取证工作。在民机材料的适航管理方面，虽然在民机材料及其标准方面开展过一些工作，但与国外民机材料适航认证经验方面的差距还较大。

● 国内民机还没有一个单独的型号，从材料专业进行系统的适航认证工作，采用的方法均是以型号取证为目标，回避单独的材料取证；

● 国内少部分原材料生产厂按国外民机生产厂要求进行了供应厂商的认可，但均为个人行为，并没有国内适航部门人员参与，以满足他人要求为原则，不了解具体的要求和准则；

● 国内适航部门并非明确理解有关材料适航审查的准确要求；

● 原材料供应厂商的批准和监控要求及程序由各厂自行控制，没有明确有标准或文件；

● 国内材料标准及规范的制修订没有适航部门的参与。

3 航空材料标准现状

经过近60年的努力，我国航空材料标准无论在标准数量、质量、管理都取得了很大的成绩，但是与国外发达国家相比，现有的标准体系还存在较大的差距。

目前，现行航空材料及制品行业以上标准（GB、GJB、HB等）近3 400项，其中GB约占45%、GJB约占15%、HB约占35 %、民口行业标准约占5%。在这些标准中，2000年以后制修订的标准在数量上约占50%。

材料各专业的标准数量分布情况如下:

● 金属材料标准约500项；

● 金属材料测试方法标准约900项；

● 复合材料及其测试方法标准约200项；

● 非金属材料及测试方法标准约1 100项；

● 热工艺标准约600项；

● 管理标准约10项。

航空材料在目前军机型号的研制和生产过程中发挥了重要作用，但距民机特别是大型民用客机研制需求还存在较大差距。

3.1 现有标准难以满足民机研制的需要

针对民机具有不同于普通机型的大尺寸、高载重量、超长使用寿命等特点，现有航空材料标准需根据民机研制需要进行修订和完善，主要体现在：

● 标准涵盖的材料牌号、品种规格、加工状态和有关技术要求尚不能完全满足民机的需要；

● 材料标准相关的配套标准应进一步完善，如有关理化检测标准应进行统一；

● 材料标准中质量保证规定应与国际标准接轨；

● 某些热工艺标准技术水平应进一步提高等。

3.2 民机专用材料相关的技术标准尚有较大缺口

● 适航条例中引用的民机专用材料标准，重点是各种非金属材料、舱内材料、维修材料、检测方法等尚未转化为国内标准；

● 民机用新型主干材料，主要包括损伤容限型的结构材料、先进复合材料、透明材料和特种功能材料，以及先进热加工技术等尚未形成标准；

● 材料标准的贯彻实施离不开相应的无损及理化测试方法标准的支持，目前这方面还存在较大缺口，应尽快制定相应的标准，以保证材料标准的实施和材料的推广应用。

3.3 民机材料适航符合性管理所需的管理标准尚待建立和完善

在20世纪90年代初为配合当时支线客机的研制，仅制定了少量的综合管理标准，与实际需求尚有较大差距。因此，急需根据大型客机材料研制和适航符合性管理的特点开展相关管理标准的研究与制定。

4 民机研制对材料标准化的需求

随着美国波音和欧洲空客两大干线客机生产的系列化，目前国外已拥有了一套完整的民机材料标准体系，并随着新材料的开发和应用，材料标准体系不断完善。

现有国内航空材料标准体系是在军机研制的基础上发展起来的，难以满足大型客机研制发展的需要，与欧美国家先进的民机材料标准体系相比，仍然存在较大差距。迄今为止，国内还没有针对民机开展过系统、深入的材料标准化研究工作，没有形成包括管理标准在内的完整民机材料标准体系。现有标准的技术水平与国外标准相比，在技术要求、质量保证规定等方面还存在一定的差距。由于民机使用的许多主干材料在国内属于新研材料，这部分材料以及相关的工艺和无损及理化检测标准还属于空白，因此在标准数量上与国外相比也有很大差距。此外，由于国产材料还没有纳入适航管理渠道，大部分已有材料标准没有经过适航认可，这是影响今后国产材料应用的一个重要问题。

对于民机研制来说，材料是基础，材料标准是保证。由对国内外民机材料的现状和发展趋势以及与国外差距分析可知，我国民机研制对材料标准的需求是广泛而大量的，目前首要的是要建立适用于民研制的材料标准体系。对材料及其标准正确、合理的选用是设计选材和民机研制中的重要一环。没有科学合理的材料采标体系，就无法保证民机研制的正常进行。因此，国内民机的研制急需建立完整、配套、适用的材料标准体系。

民机研制对材料标准的需求重点在两个方面。

4.1 民机用的新型主干材料，主要包括损伤容限型的结构材料、先进复合材料、隐身材料、透明材料和特种功能材料等。

需要制修订的标准主要包括以下几类：

● 高性能金属材料：包括高性能钛合金和损伤容限型钛合金、高性能铝合金和损伤容限型铝合金、新型超高强度钢和高强度沉淀硬化不锈钢等；

● 高温结构材料：包括新型单晶涡轮叶片和Ni–Al导向叶片材料、损伤容限型粉末高温合金涡轮盘、阻燃和高温钛合金、低膨胀高温合金等；

● 先进复合材料：包括高韧性双马树脂基复合材料、高温环氧复合材料、中高温结构胶粘剂、耐高温复合材料等；

● 高性能非金属功能材料：包括高性能透明材料特种橡胶与密封材料、胶粘剂、润滑材料等；

● 先进热加工技术：包括精密铸造、精密锻造、特种热处理、先进的焊接和表面工程技术、复合材料成型与制造技术、非金属材料制造技术，以及材料热加工过程中的无损检测和理化测试技术等。

4.2 满足材料适航要求的管理标准和民机专用技术标准，需要制修订的标准主要包括以下几类。

● 民机材料选用、研制、采购、替代的管理要求；

● 民机材料、热工艺及理化测试可选用标准目录；

● 供应厂工艺认可规范、入厂验收控制程序；● 新材料、新工艺试验大纲和批准程序；

● 舱内材料及其相关测试方法、设计准则等。

5 民机材料标准化工作重点

材料标准是民机材料研制、生产、质量控制和使用的依据，材料标准化研究是民机型号研制和设计选材的重要技术支持，科学、完整、协调、配套的材料标准体系是实现民机型号设计目标的重要保障。因此，民机材料标准化是型号研制系统工程的重要组成部分，贯穿于型号科研生产全过程，应充分发挥其在型号科研、生产中的综合技术保障作用。

根据国产民机的研制需求，今后民机材料标准化应重点开展以下工作：

5.1 国外先进材料标准收集和分析研究

目前国内已收集到了部分先进材料热工艺技术的AMS、MIL、ASTM、QQ、BAC、TY、OCT1和有关的技术专利文献等，今后将通过各种方式继续跟踪、收集与国内民机有关的国外标准资料，深入分析民机用主干材料相关的国外先进标准，进一步提出民机机适用的国外标准和转化建议。

5.2 合法使用国外材料标准和国内材料标准适航认可政策研究

在目前国产民机所用材料还不能实现国产化而需要面向全球采购的情况下，如何合法使用国外标准、国内标准如何取得适航认可是急需研究和解决的问题。通过调研、分析提出合法使用国外标准和国内标准取得适航认可的政策建议。重点制定保障材料适航符合性所需的顶层管理标准。

5.3 材料型号专用标准的研究与制定

根据各类民机的研制需求，今后对于尚未纳入行业以上标准的主干材料与虽纳入行业以上标准、但现有标准无法满足使用要求的主干材料，均应研究和制定相应型号专用标准。

5.4 构建满足各类民机使用要求的材料标准体系

在研究分析国外材料标准和国内现有材料标准适用性以及开展民机材料标准研究与制定的基础上，建立科学、完整、配套和适用各类民机的材料标准体系。

民机材料标准化工作建设涉及多个部门、多个单位之间的技术协调；在采标体系上也涉及各级、各类标准之间的技术协调，同时还要考虑到各类民机技术状态的需求；民机新材料标准体系研究与标准制定将会同步或交叉进行。因此，材料标准体系建立工作技术难度较大，协调复杂，时间紧迫。在开展民机型号研制工作的同时，应统筹规划材料标准化工作，并与民机研制工作同步进行，使民机研制和材料标准化研究互为支持和保障。