新材料技术成熟度等级划分与评估体系研究

2020-04-23熊艳才陈伟光

中国金属通报 2020年1期

卢健，杨天，熊艳才，张博，陈伟光

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

1 前言

2019年，我国正式发布《新材料技术成熟度等级划分及定义》（GB/T 37264-2018）推荐性国家标准，该标准的发布使得我国具有了评价新材料技术成熟度的指导性依据，但标准中材料成熟度的符合性指标并不清晰，从另一个方面来说，材料的成熟应用也离不开装备，材料的服役环境也与装备的技术要求、设计寿命、服役环境等息息相关，各方因素与新材料在装备上的应用情况息息相关，本项目针对这些内容开展研究工作，结合新材料的研发、应用研究、标准化及在装备上的应用验证进行探讨，并针对新材料的成熟度评价，形成针对应用的补充原则，力求对于装备中使用的新材料的技术成熟度做出准确的评价。

2 技术成熟度体系简介

2.1 国内外的项目技术成熟度体系

上世纪80年代，美国航空航天局（NASA）首先提出了项目技术成熟度的概念。1995年发布了技术成熟度白皮书。在这份文件中，技术成熟度分为9个等级，即从第1级的科学原理到第9级的系统应用[1]，级别越高代表技术的成熟度越好。随后，这套体系被美国国防部（DoD）采纳，并用于支撑项目采办。2013年国际标准化组织正式出版了《航天系统技术成熟度等级及评价准则定义》（ISO 16290-2013），并逐步形成了技术成熟度评价体系。

2.2 国内的材料技术成熟度评价体系

国外在评价材料技术这类相对“专一”的技术体系时，并未采用专用的技术成熟度评价体系，而是直接使用针对项目开发的技术成熟度评价体系。

去年，我国发布了《新材料技术成熟度等级划分及定义》（GB/T 37264-2018），该标准的发布解决了国内评价新材料技术成熟度标准缺失的问题，对材料技术成熟度的评价划分了9个级别，并进行描述，见表1的前两列。

但仅仅用这些内容来评价具体材料成熟度，是远远不够的。由于材料技术成熟度离不开材料的环境应用，笔者着重从航空用材料研制的角度展开思考和研究。

3 新材料技术成熟度体系分析研究

3.1 新材料技术成熟度体系的分解研究

我们对表1进行分解，所示的9级新材料技术成熟度，实际上涉及了新材料研发过程中的多个维度，这些维度主要有：新材料的性能指标特性、新材料的可制造特性、新材料的使用验证特性等。对国标中所描述的各个阶段技术成熟度展开分析，结果见表1。

表1 新材料各成熟度等级及所涉及的维度

由此可见，新材料的技术成熟度至少会涉及“性能指标”、“制造或工艺”、“环境应用”三个维度，任何一个维度的缺失，都意味着成熟度评价体系的不完整。

事实上，这些维度之间是有关联的，它们具有一定的独立不相关性，只有把这些维度组合起来，才能够组成材料成熟度的各个维度。

3.2 新材料技术成熟度体系中各维度之间的关系

在理想状态下，以上三个维度应该相辅相成，从材料研制到生产的过程中“齐步走”。可在现实中，经常会遇到单一维度“短板”的情况，例如：

某高温合金单晶叶片：在性能维度上，叶片已经满足了装备的技术指标，在应用维度上，叶片可以在发动机上热端部件上应用，甚至其装备的发动机已经批产，但在可制造维度上，材料的合格率一直很低。直到采取新的型芯材料、定位方式，将易产生结晶缺陷的盖板、叶片分体制造工艺改进为叶身盖板一体化单晶整铸成形，显著降低了结晶缺陷出现的概率[2]这才补齐了制造维度的“短板”；再比如直升机旋翼系统用的一些零件：在可制造维度上，材料制品已经能够实现大批量生产，在应用维度上，零部件甚至整机都已经服役，但在性能指标维度上存在“短板”，由于长寿命指标不满足，导致制品的寿命不满足装备的服役要求，材料制品不得不在外场维护中增加检修环节。

因此，材料的技术成熟度被某一维度“拉低”的情况时有发生，所以这三个维度方面的工作是具有一定独立性的；但从结果和服务对象及各自作用上来看，三个维度之间又有着相互深刻的影响，并最终影响着具体材料的技术成熟度总体等级。

3.3 新材料技术成熟度的分级与评价的基础

综上所述，当需要评价一种新材料时，是还需要一些前提条件的，即是要在给定性能指标条件、可制造条件和环境应用条件的基础上才能够评价某一新材料的技术成熟度。

例如某铝合金预拉伸厚板，若缺乏厚度规格（可制造维度），应用零件（应用场景维度），将无法评定其成熟度。这种情况的说明见表2。

表2 某铝合金预拉伸厚板在不同制备条件下成熟度评估

即便对于同一材料，由于使用背景不同，其成熟度也不尽相同，同样还是以某铝合金厚板来举例，使用在早期的第三代作战飞机上和使用在改进型上，由于需求不同，满足需求的所需的性能指标研究不同，例如：

早期的飞机使用的是静强度设计方法，评价承力金属材料的技术指标主要是强度和塑形，直到上世纪50年代“彗星”号失事，评价金属材料的指标中加了“疲劳性能”“缺口疲劳性能”“腐蚀疲劳性能”等，随着近年来恒幅、变幅载荷下疲劳性能裂纹扩展性能的研究，损伤容限设计方法的引入，“疲劳裂纹扩展速率”、“平面断裂韧度”等技术指标也逐步被纳入了评价承力金属材料的技术指标中[3]。例如：

早期的三代机对材料的要求是仅仅满足一定程度的疲劳性能，使得在测试过程中，满足机体寿命的疲劳强度循环次数一般107就能够满足要求，也就是说只要完成107循环，即标志着材料的疲劳性能满足使用需求（如实验室条件下测试的，则可认为该材料用于三代机早期机型，其成熟度达到了3级）；而在新型飞机上使用同样的材料，用于长寿命设计飞机时，需要其疲劳寿命达到2X107，甚至达到108，这样一来，同样的材料，用于新型飞机时，其成熟度将不到3级。技术成熟度三级要求“主要性能通过实验室测试验证”，而不同的使用环境“主要性能”的要求是不同的。因此同一种材料，若是将其用于在不同服役环境下，其技术成熟度是不同的，也就是说材料技术的成熟度评级是与使用环境密切相关的。

除此以外，材料的技术成熟度还与可制造性维度等其他因素相关，这里不再赘述。

综上所述，若需要客观准确地评价某一新材料的技术成熟度，则必须先明确材料的技术指标特性、可制造性特性以及材料的应用环境特性三个维度的要求。即：材料需什么样的性能指标，材料制备是在什么样的制造条件下进行的，材料制成品的服役条件是什么。这些是评价材料技术成熟度的基础。