王　曄，王　剛，滕佰秋

（1.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京100095；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

某型發(fā)動機材料控制標準體系的研究建立

王曄1，王剛2，滕佰秋2

（1.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京100095；2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

歐美航空發(fā)動機公司的健全的材料控制標準體系是保障材料質(zhì)量穩(wěn)定和發(fā)動機具有高性能的關(guān)鍵。闡述了歐美航空發(fā)動機材料控制標準體系特點，并介紹了某型發(fā)動機材料控制標準體系構(gòu)建情況。針對某型發(fā)動機研制要求，研究建立了由材料批準與控制、檢測控制、工藝控制標準構(gòu)成的材料控制標準體系。為發(fā)動機關(guān)鍵重要材料制造全過程控制制定首件批準制度和實施主導工藝控制，為保障發(fā)動機冶金質(zhì)量穩(wěn)定可靠提供了重要技術(shù)支持。材料控制標準體系具有在航空發(fā)動機行業(yè)推廣應(yīng)用的意義。

材料控制；標準體系；冶金質(zhì)量；航空發(fā)動機

0　引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機性能指標的實現(xiàn)在很大程度上取決于其材料和制造技術(shù)水平［1-7］，即冶金質(zhì)量保障能力。冶金質(zhì)量保障能力由4方面決定：工藝和設(shè)備條件、材料標準（包括熱工藝標準、檢測標準）、檢測技術(shù)、過程控制。其中，材料標準直接關(guān)系著材料的技術(shù)水平和生產(chǎn)質(zhì)量，健全的材料標準體系是航空發(fā)動機冶金質(zhì)量穩(wěn)定可靠的重要保障［8］。

某型航空發(fā)動機是中國立項研制的第1型大涵道比渦輪風扇發(fā)動機，具有大推力、低耗油率、長壽命、高可靠性的優(yōu)點，應(yīng)用了諸多新材料、新工藝，并引入了適航管理要求［9］。適航管理要求中強調(diào)發(fā)動機材料要符合經(jīng)批準的規(guī)范，且要求批生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量一致，并對重要產(chǎn)品采用首件批準制度［10］，因此需要對零部件制造全過程進行控制，同時需要相應(yīng)的材料標準和工藝規(guī)范提供支持［11］。

中國已建立航空發(fā)動機材料標準基本體系，其主體為各類材料驗收、熱加工工藝、檢測評價方法的技術(shù)標準，輔以少量材料管理標準［12-15］。以往軍用發(fā)動機沒有適航管理要求，因此材料標準體系中未系統(tǒng)地制定對材料制造過程進行控制的標準，即材料控制標準。在現(xiàn)有標準體系中，缺少對材料生產(chǎn)廠、原材料和工藝輔助材料、檢測過程、熱加工工藝質(zhì)量控制的標準或標準不適用。例如：關(guān)鍵件和重要件的質(zhì)量控制、外購器材的質(zhì)量管理等材料控制管理國軍標內(nèi)容寬泛，對于航空發(fā)動機關(guān)鍵重要鍛鑄件的過程控制無針對性；高溫合金錠等各類原材料及鑄造、鍛造重要工藝輔助材料控制標準薄弱，影響了零部件制造質(zhì)量的穩(wěn)定性；鍛造工藝質(zhì)量控制、熔模鑄造工藝質(zhì)量控制等熱加工工藝質(zhì)量控制國軍標技術(shù)內(nèi)容落后、可操作性不強，不能適應(yīng)熱加工生產(chǎn)的需要［16］；而材料檢測評價標準中，缺少對無損與理化檢測過程的控制標準，在一定程度上影響了產(chǎn)品檢測技術(shù)的實施效果。中國航空發(fā)動機材料標準體系中控制標準薄弱，無法為材料和零件制造全過程控制提供有效技術(shù)支持，不能滿足某型發(fā)動機高可靠性、長壽命設(shè)計要求以及適航管理要求。相比之下，歐美航空發(fā)動機材料標準體系健全，特別是材料控制標準完善，對于其材料質(zhì)量和發(fā)動機性能提供了重要保障。

本文簡要闡述了歐美航空發(fā)動機材料控制標準體系的特點，介紹了中國某型發(fā)動機材料控制標準體系構(gòu)建情況，以期為建立中國航空發(fā)動機行業(yè)材料控制標準體系提供參考。

1　歐美航空發(fā)動機材料控制標準體系特點

1.1控制標準范疇

西方航空發(fā)動機可靠性高、壽命長、質(zhì)量穩(wěn)定性好、成本具有競爭力，是通過建立各類材料平臺、健全材料標準體系、嚴格控制生產(chǎn)過程實現(xiàn)的。其中，健全的材料標準體系是確保材料品質(zhì)不斷提高和穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為滿足發(fā)動機零部件的設(shè)計要求及產(chǎn)品質(zhì)量要求，GE（General Electric Company）、PW（Pratt&Whitney Group）、RR（Rolls-Royce）等歐美航空發(fā)動機公司除少數(shù)材料采用AMS等通用標準外，對發(fā)動機關(guān)鍵材料均制定了完整、配套的公司規(guī)范，材料及零件驗收標準、檢測規(guī)范的針對性強，同時強化產(chǎn)品制造過程中的控制，制定了大量控制標準，涉及鍛鑄件及原材料、非金屬材料、復合材料、特種工藝的批準與控制，首件批準要求包，各類材料的檢驗、試驗程序與要求，各類工藝控制規(guī)范，工藝設(shè)備批準與控制等方面。

控制標準是歐美發(fā)動機公司進行產(chǎn)品過程控制、保證質(zhì)量的核心文件。通過在材料和零件生產(chǎn)過程中實施供應(yīng)商控制、材料檢測試驗控制、工藝控制，最終實現(xiàn)對材料制造全過程的質(zhì)量控制，有效保障了發(fā)動機材料及零部件的冶金質(zhì)量。

1.2供應(yīng)商控制標準

GE、PW、RR公司均制定了完善的供應(yīng)商控制標準，規(guī)范材料和工藝的批準程序、方法、要求。例如《工程來源批準》、《鍛造產(chǎn)品的試驗室批準與控制程序》、《鑄造產(chǎn)品的試驗室批準與控制程序》、《制造零件用原材料的采購和控制》、《合金熔煉過程的風險控制》、《關(guān)鍵零件用坯料和鍛件供應(yīng)商的控制程序》、《特種工藝和材料供應(yīng)商的審核、批準與控制》、《制造來源和方法更改批準》、《供應(yīng)廠商對超差品的控制》和《零件可追溯性要求》。

歐美航空發(fā)動機公司將供應(yīng)商控制標準在零件設(shè)計圖上標明，實現(xiàn)了對材料和特種工藝供應(yīng)商的審核、批準和全面控制。例如某公司IN718盤和相關(guān)轉(zhuǎn)動件的圖樣標明：試驗室批準與控制程序按《鍛造產(chǎn)品的批準與控制》和《鎳基合金熔煉過程中的風險控制》執(zhí)行，同時標注了可追溯性控制、來源和方法批準、特種工藝批準與控制等標準。

對于關(guān)鍵零部件用金屬原材料，國外發(fā)動機公司制定了合金熔煉過程中的風險控制標準，除規(guī)定可能對材料產(chǎn)生污染的一切風險的控制措施，還規(guī)定了對熔煉用主要金屬和金屬元素制造商的控制要求、使用回爐料的控制要求。發(fā)動機公司按規(guī)定的程序評估和控制材料熔煉過程中的風險，使熔煉程序中的關(guān)鍵工序處于連續(xù)監(jiān)控狀態(tài)，通過統(tǒng)計分析和實時監(jiān)控確保制造和工藝控制到位。

歐美發(fā)動機公司還制定了關(guān)鍵重要零件首件批準要求包，對原材料、鍛鑄件、零部件的制造全過程進行控制，如IN718合金鍛造第4級低壓渦輪盤的供貨狀態(tài)批準包，在固化工藝的同時，保證批生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

1.3材料檢測試驗控制標準

歐美發(fā)動機公司針對發(fā)動機零件制造用各類金屬材料建立了檢驗和試驗程序（例如：《轉(zhuǎn)動件用鍛造產(chǎn)品的檢驗和試驗程序》）；針對各類非金屬和復合材料，將檢驗和試驗程序與材料批準要求在1項標準中規(guī)定（例如：《橡膠件的批準、檢驗和試驗程序》，《預浸料的批準、檢測和測試程序》）；還建立了各類產(chǎn)品的取樣和試驗要求（例如：《鍛坯和鍛件持久試驗的重新取樣和重新試驗程序》，《鑄造渦輪葉片持久試驗程序》）；為避免試樣加工不當影響材料性能評價結(jié)果，制定了試樣機加工程序要求。將材料的檢測試驗控制要求在零件設(shè)計圖上標明，例如某公司IN718盤和相關(guān)轉(zhuǎn)動件的圖樣標注：檢測和試驗程序按《用于軸類、盤類及相關(guān)旋轉(zhuǎn)零件的可鍛合金的檢驗和試驗程序》；試樣加工按《金屬材料試驗試樣機加工程序要求》。

鑒于材料及零件的理化檢測質(zhì)量受檢測人員、檢測過程、設(shè)備器材、檢測材料等諸多因素的影響，歐美發(fā)動機公司重視建立理化檢測控制標準，將其作為檢測機構(gòu)資質(zhì)審核的依據(jù)，理化檢測過程控制一般采用NADCAP材料試驗室審核標準，如《NADCAP對材料試驗室力學試驗的審核標準》。

各類材料檢測試驗控制標準規(guī)范了材料的檢測和試驗程序與要求，有助于材料供應(yīng)商和發(fā)動機公司對材質(zhì)進行準確評價。

1.4工藝控制標準

歐美發(fā)動機公司對國際通行的民用航空發(fā)動機制造中需控制并進行NADCAP批準的9種特種工藝，制定了大量工藝控制規(guī)范，涉及復合材料制造、熱處理、化學加工、焊接、表面硬化、無損檢測、涂層、非傳統(tǒng)加工、關(guān)鍵零部件傳統(tǒng)加工。實施工藝控制規(guī)范有效保證了制造過程中對產(chǎn)品的管理和控制。

歐美發(fā)動機公司在工藝控制規(guī)范中嚴格考核供應(yīng)商的生產(chǎn)主導工藝參數(shù)，對影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素和生產(chǎn)工藝參數(shù)變化的控制要求非常詳盡，涵蓋生產(chǎn)廠商的要求、設(shè)備（包括工裝、模具）的要求、材料（原材料和工藝材料）、工序操作和檢驗要求及工藝參數(shù)的控制，但不涉及工藝參數(shù)具體數(shù)值。

鑒于設(shè)備條件對冶金質(zhì)量保障有重要影響，歐美發(fā)動機公司標準中對制造過程中的設(shè)備進行嚴格控制，專門制定《加熱爐和相關(guān)設(shè)備以及材料熱處理的控制程序》標準，規(guī)定了對加熱爐和模鍛用壓力機的批準與控制要求等。

歐美發(fā)動機公司將無損檢測納入制造工藝的范疇，重視對檢測質(zhì)量各影響因素的控制，對檢測設(shè)備、器材控制一般采用通用的ASTM標準；對于無損檢測實驗室控制，各公司通常根據(jù)產(chǎn)品檢測特點及關(guān)注點各自制定公司規(guī)范，例如《對鍛件供應(yīng)商實施鍛造盤超聲檢測的監(jiān)控程序》。對水浸超聲檢測、熒光檢查、腐蝕和目視檢查等無損檢測設(shè)備，各公司均須履行批準程序。

2　某型發(fā)動機材料控制標準體系的構(gòu)建

2.1體系構(gòu)建基本思路

為滿足某型發(fā)動機高可靠性、長壽命設(shè)計要求以及適航管理要求，在型號研制中，借鑒歐美航空發(fā)動機材料控制標準體系經(jīng)驗，總結(jié)中國航空鍛鑄件生產(chǎn)廠在外貿(mào)和轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中已接受的歐美發(fā)動機公司對制造過程的審核與控制的經(jīng)驗，確立了建立覆蓋發(fā)動機零部件制造全過程的型號材料標準體系的主旨。除建立健全材料和工藝驗收、工藝方法及工藝質(zhì)量檢驗、檢測評價方法的技術(shù)標準體系，還研究建立了由材料批準與控制標準、檢測控制標準、工藝控制標準構(gòu)成的控制標準體系。

某型發(fā)動機材料控制標準分為“控制程序”、“控制要求”2類，包括材料批準與控制程序，材料、工藝及檢測控制要求，標準體系框架如圖1所示。

圖1　某型發(fā)動機材料控制標準體系框架

2.2材料批準與控制標準

2.2.1材料批準與控制程序類標準

2.2.1.1關(guān)鍵重要件

為制定型號發(fā)動機關(guān)鍵重要零部件的首件批準制度，制定了《鍛件批準與控制要求》、《鑄件批準與控制要求》2項控制程序類標準，用于規(guī)范鍛鑄件新產(chǎn)品試制、驗證、批準程序，以及研制生產(chǎn)中的控制要求，標準主要內(nèi)容包括：

（1）規(guī)定新產(chǎn)品研制批準程序及評估要求，包括批準失效與重新批準要求；

（2）主導工藝的批準與控制要求：識別主導工藝參數(shù)，規(guī)定主導工藝控制卡批準流程，規(guī)范主導工藝記錄、工藝變更控制、現(xiàn)場工藝檢查要求；

（3）規(guī)范產(chǎn)品試制生產(chǎn)工藝控制要求，例如：鍛坯和鍛件交付圖、下料、加熱控制、成形控制、熱處理控制、表面清理控制、粗加工控制、檢測、標識和記錄、可追溯性、交付和質(zhì)量證明文件要求、試樣和記錄的保存；

（4）明確已批準產(chǎn)品的工藝更改、冶金問題報告、技術(shù)監(jiān)督和周期檢驗要求。

2.2.1.2非關(guān)鍵重要件

對于某型發(fā)動機功能性零件大量采用的各類非金屬材料，盡管用于非關(guān)鍵重要部位，吸取其他型號發(fā)動機壓氣機葉片塑料襯套引起發(fā)動機嚴重故障的教訓，制定了《非金屬材料批準與控制要求》，以規(guī)范橡膠、塑料、涂料、膠粘劑、密封劑、潤滑材料、纖維制品、石墨、玻璃等材料的研制、生產(chǎn)要求。

對于該型發(fā)動機風扇部件零件應(yīng)用的復合材料構(gòu)件，積累一定經(jīng)驗后，將研究制定《復合材料批準與控制要求》標準。

2.2.2材料控制要求類標準

鑒于鍛鑄件研制生產(chǎn)工藝復雜，鍛鑄件控制標準以控制程序標準為頂層文件，輔以一系列控制要求標準，對相關(guān)要求進一步細化和補充。

分別制定了鍛件、葉片鑄件、結(jié)構(gòu)鑄件《主導工藝控制要求》，從生產(chǎn)過程、檢測方法2方面提出鍛坯和鍛件、葉片鑄件、結(jié)構(gòu)鑄件生產(chǎn)主導工藝控制要素，不僅對零部件制造工藝過程中的各主要工藝（如：熔煉澆注、鍛造成形、熱處理）提出可量化、可控制的各工步參數(shù)控制要求，對同樣影響零部件冶金質(zhì)量和合格率的輔助材料（如：鑄造型芯、型殼、蠟?zāi)！㈠懺鞚櫥瑒┑龋┹o助工序（如：制芯、制模、鑄件補焊工藝等），也提出具體控制要求。《主導工藝控制要求》標準是對型號發(fā)動機關(guān)鍵重要零部件實施主導工藝控制的技術(shù)依據(jù)。

針對鑄件在研制生產(chǎn)中出現(xiàn)的冶金問題的呈報與處理，制定了《冶金問題報告要求》，以利于在后續(xù)加工裝配中進行質(zhì)量監(jiān)控，并就冶金問題可能對發(fā)動機整體性能產(chǎn)生的影響予以綜合評判和處理，同時實現(xiàn)冶金問題數(shù)據(jù)和經(jīng)驗在行業(yè)內(nèi)共享。

對鍛鑄產(chǎn)品在設(shè)計輸入中的圖樣設(shè)計要求進行規(guī)范，制定了《零件圖樣鑄造工藝性審查規(guī)定》、《鑄件圖樣技術(shù)要求》、《鍛件交付狀態(tài)圖要求》，以利于優(yōu)化研制、生產(chǎn)，減少重復設(shè)計、研制。

加強對高溫合金母合金的控制，制定了《高溫合金錠批準與控制要求》、《高溫合金錠主導工藝控制要求》，從源頭控制鑄造葉片、機匣等關(guān)鍵重要鑄件質(zhì)量；為規(guī)范鑄造輔助材料的控制與管理，制定了《熔模鑄造輔助材料控制要求》。

針對型號發(fā)動機應(yīng)用的粉末高溫合金渦輪盤，制定了《粉末高溫合金制件用粉末和坯料的控制要求》標準，通過控制盤鍛件用材料質(zhì)量，保證渦輪盤零件的冶金質(zhì)量。

2.3檢測控制標準

為確保型號發(fā)動機產(chǎn)品檢測結(jié)果真實可靠，制定了材料及零件無損檢測以及理化檢測控制標準，通過對試驗室的管控以及對人、機、料、法、環(huán)等影響檢測質(zhì)量的因素進行過程控制，為提高各試驗室檢測數(shù)據(jù)的一致性、可靠性和準確性提供系統(tǒng)性標準支持。

制定了《無損檢測控制程序》標準，規(guī)定了型號產(chǎn)品供應(yīng)商對材料和零件進行無損檢測過程控制的一般要求和實施方法；針對盤鍛件供應(yīng)商，制定了超聲檢測監(jiān)控程序標準，確保型號產(chǎn)品無損檢測條件一致、可重復；針對盤件和管棒材超聲水浸檢測系統(tǒng)，制定了檢測系統(tǒng)要求和評價方法標準。

為規(guī)范各理化實驗室的實驗過程、方法，制定了《材料檢測實驗室控制要求》、《材料檢測實驗室重復試驗和替代試驗控制要求》；針對化學成分分析、力學性能試驗、金相與顯微硬度試驗、硬度試驗分別制定了控制要求標準，制定了《金屬材料力學性能試樣制備要求》。

為規(guī)范關(guān)鍵材料的檢驗與檢驗要求，制定了《鍛坯和鍛件取樣與試驗要求》，對葉片鑄件、結(jié)構(gòu)鑄件制定了尺寸檢測控制要求標準。

2.4工藝控制標準

工藝控制標準是實施型號產(chǎn)品制造工藝過程控制的先決條件。針對型號產(chǎn)品制造加工生產(chǎn)應(yīng)用的真空電子束焊、慣性摩擦焊接等先進焊接連接技術(shù)，葉片真空熱處理、滲層處理工藝，真空電弧鍍、電子束物理氣相沉積等先進涂層技術(shù)，零件噴丸強化、電加工工藝等，制定了工藝參數(shù)量化的工藝標準，以及新型工藝的工藝控制標準，對各種影響工藝質(zhì)量的因素予以必要的控制，包括操作人員技能、工藝設(shè)備能力、工藝材料、工藝方法（包括工序安排、各工序操作要點及應(yīng)控制的工藝參數(shù)、工序檢驗要求、工藝驗證要求、工藝記錄要求）、工藝環(huán)境等要求，通過規(guī)范零件制造工藝過程的控制要求，保證產(chǎn)品工藝質(zhì)量穩(wěn)定。

為彌補熱加工工藝質(zhì)量控制國軍標的不足，制定了《鍛造加熱溫度控制要求》、《鍛件晶粒流線要求》、《結(jié)構(gòu)鑄件尺寸校正工藝控制要求》、《精鑄件模具控制要求》等標準，強化了對鍛造工藝、鑄造輔助工藝和鑄造工裝的控制。

3　結(jié)束語

在某型發(fā)動機研制中研究建立的材料控制標準體系，已制定出材料批準與控制標準、檢測控制標準、工藝控制標準35項，涉及鍛鑄件、非金屬材料的批準與控制，無損檢測過程控制、理化實驗過程控制、鍛鑄件產(chǎn)品檢驗要求，制造工藝控制要求。系列材料控制標準能夠規(guī)范某型發(fā)動機材料試制、驗證及批準程序，控制材料和零件生產(chǎn)、檢測過程，為按適航管理要求制定關(guān)鍵重要產(chǎn)品首件批準制度和實施主導工藝控制提供了有力技術(shù)支持，為保障發(fā)動機冶金質(zhì)量穩(wěn)定可靠奠定了重要基礎(chǔ)。

型號標準經(jīng)在某型發(fā)動機適量應(yīng)用驗證以及在其他重點型號發(fā)動機研制中應(yīng)用驗證后，又進一步修改完善，可上升為行業(yè)以上標準，向航空發(fā)動機全行業(yè)推廣，為提升中國航空發(fā)動機整體冶金制造能力發(fā)揮作用。

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（編輯：趙明菁）

Establishment of Material Control Standard System for an Aeroengine

WANG Ye1，WANG Gang2，TENG Bai-qiu2
（1.AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 1000955，China 2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shengyang 110015，China）

Sound material control standard system in Europe and America aeroengine company is crucial to ensure material of consistent quality and high performance of engine.Material control standard system in Europe and America aeroengine company was described，and the construction of standard system for an aeroengine was introduced.For the development requirements of aeroengine，material control standard system was established involving approval and control of materials，material testing control，and process control. The standard system provided approval system of initial workpiece and implementation of dominated process control for key and important material of aeroengine.The standard system provided an important technical support to ensure metallurgical of consistent quality for aeroengine.The standard system has the significance to be promoted in aeroengine industry.

material control；standard system；metallurgical quality；aeroengine

V 26-65

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.019

2016-02-29

王曄（1968），女，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機材料標準化工作；E-mail：wangye621@sohu.com。

引用格式：王曄，王剛，滕佰秋.某型發(fā)動機材料控制標準體系的研究建立［J］.航空發(fā)動機，2016，42（4）：98-102.WANGYe，WANGGang，TENGBaiqiu. Establishmentofmaterialcontrolstandardsystemforanaeroengine［J］.Aeroengine2016，42（4）：98-102.