民用航空制造中铝的热处理及审核要点

摘要：铝及铝合金是目前应用最为广泛的飞机制造材料。铝合金的热处理主要包括，退火、固溶淬火、时效（主要是自然时效和人工时效）。根据AS9100（2015）民用航空、航天和国防组织的质量管理体系要求铝的热处理过程属于特殊过程，需对其进行过程监控。对与铝的热处理过程进行审核主要包括通用部分审核和具体工艺过程审核。

关键字：民用航空;铝;热处理;审核

一.航空制造业中铝合金的应用

铝及铝合金是目前应用最为广泛的飞机制造材料，主要具有以下特点。铝合金密度低，抗疲劳性能较高，且具有较高的比强度，比刚度。重量轻，差不多是同体积铜或钢的1/3重量。抗腐蚀，导电及导热能力强，易于成型（包括机加、拉伸、热压、喷丸成型等工艺），热加工后强度高，延展性好，焊接、铆接及胶接方便。地球上铝资源丰富，成本低，传统铝合金的热处理工艺和状态的不断突破，以及新型铝合金和包铝锂合金在飞机上的大量应用，使得铝合金在飞机结构中的应用仍占有不可取代的优势。

铝合金之所以能够保持在航空结构材料领城的地位，主要有四个方面的原因：一是铝合金本身所具有的比强度高、加工性能好、成本低廉的特点;二是通过变换热处理工方法，每种合金可获得不同的性能级别，改善综合性能，充分发挥合金的潜力和效用。三是通过降低合金中铁、硅等杂质含量，研制出一系列高纯、高强、高韧的新型铝合金，提高了合金的疲劳强度、断裂韧性，降低了裂纹扩展速率，改善了抗应力腐蚀性能。如2124、2324、7475、7150等合金就是具有代表性的几种新型铝合金。 [1] 四是铝合金的防腐蚀处理方法成熟，过程简单，已于操作，可有效提高铝合金的性能。

如今铝在航空产品中的使用日趋复杂，机身、机翼、机门、地板和座椅等零件几乎全部由铝合金制成，加工成型后通过化学处理和喷漆可达到防腐蚀的效果，从而大大扩大铝合金的使用范围。根据飞机不同的使用条件和部位，航空航天用铝合金主要为高强铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金。高强铝合金主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等，使用最为广泛。

二.铝热处理简介

铝合金的热处理是将铝和铝合金加热到一定的温度并保温一定时间，以期获得预期的产品组织和性能。铝合金的热处理主要包括，退火、固溶淬火、时效（主要是自然时效和人工时效）。退火过程，通过原子扩散、迁移，使得组织更加均匀、稳定，可消除内应力，提高材料的塑型，但会使得强度降低。固溶淬火过程，将可热处理的铝合金加热到较高温度，保温一定时间后，快速投入淬火剂中冷却，获得的材料塑性较高，利于冷校形和矫直加工。时效处理过程，主要是将固溶淬火后的材料在室温或较高温度下保持一段时间，不稳定的过饱和固溶体会进行分解，第二项粒子从过饱和固溶体中析出，分布在α铝晶粒周围，从而产生强化即沉淀硬化。自然时效，铝合金在室温下产生析出强化作用，叫做自然时效。人工时效，在加热保温状态下析出强化，称为人工时效。为了获得某些特殊性能和良好的综合性能，某些牌号铝合计时效过程分階段进行，可分为二级时效、三级时效。

三.航空制造业中对铝的热加工工艺控制要求

根据AS9100（2015）民用航空、航天和国防组织的质量管理体系要求（Quality Management Systems- Requirements for Aviation， Space， and Defense Organizations）中对特殊过程的定义和要求为，8.5.1节 “生产和服务提供的控制 组织应在受控条件下进行生产和服务的提供。适用时，受控条件应包括：f）若输出结果不能由后续的监视或测量加以验证，应对生产和服务提供过程实现策划结果的能力进行确认，并定期在确认，这些过程可以称之为特殊过程。” 规定，铝的热处理过程属于特殊过程，需对其进行过程监控。

对与铝的热处理过程进行审核主要包括通用部分审核和具体工艺过程审核。针对通用要求部分，应检查该工艺的通用要求，设备每日点检、压缩空气检查是否按时进行，所用工艺是否经过客户批准。

工艺相关审核包括从事该工艺相关人员资质，工装及设备，原材料及辅助材料，工艺文件的符合性，测试过程的符合性要求。其中，进行特殊过程操作和检验的人员在从事相应特殊生产过程前应进行相应培训，持有相关合格证。对于原材料和辅助材料的要求，在入厂时应根据需求做入厂验收，并保留证据。工艺文件作为现场操作的指导性文件，生产前应核实其有效性，以及与工程文件的符合性。

制造过程及特种工艺所需的工装应在使用前进行验证。工装、工具和设备的存储应满足要求，确保存储安全，防止意外损伤。控制和监督制造工艺及特种工艺所需的有效要求的工装或设备，确保其已按要求进行初始校准和定期校准。对于需定期校准的工装需建立清单，定期校准，防止过期工装的不适当使用。建立工装、工具和设备的保管制度，监督其可用状态，避免非正常的失效和遗失。

热加工过程使用的设备应经过计量，且计量过程中使用的计量方法和设备应能追溯至国家或国际标准【2】。热加工设备计量过程主要控制其温度均匀性和系统精度，根据工艺要求的温度容差选择核实等级的设备，进行计量，确保设备精度满足工艺要求。

对于不同加工氛围如真空热处理，保护气氛热处理，熔盐加热，空气加热等，需在生产记录中进行明确。生产记录应准确记录生产过程中重要的参数，如加工设备编号，加热开始结束时间，保温时间，保温温度，淬火介质，淬火转移时间等。对于需要在新淬火状态进行校形的工艺过程，应严格控制和记录淬火转移时间，在规定时间内零件存入冷库。如需冷藏则应记录冷藏开始时间，冷藏温度，出冷库时间，完成校形时间等参数，确保在规定时间内完成校形。铝合金时效（包括人工时效和自然时效）后需进行硬度和电导率测试，已确认加工产品是否符合设计要求。

以上要求均应形成记录。生产记录应准确记录生产过程中重要的参数，如加工设备编号，加热开始结束时间，保温时间，保温温度，淬火介质，淬火转移时间，冷藏时间，校形开始和结束时间等。

参考文献：

【1】航空结构材料发展综述[J]. 彭艳萍. 材料工程， 1993，（12）：1-4+46.

【2】民用航空热加工设备的高温测量，崔玉卉、王伟、吴岳明、景坤，上海交通大学出版社，2017年6月第一版