張洪坤,李寶城,葛青,鹿珂?zhèn)ィ焖济?,于瀛,劉?/p>
(1. 國(guó)合通用測(cè)試評(píng)價(jià)認(rèn)證股份公司,北京,101407;2. 國(guó)標(biāo)(北京)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司,北京,101407)
從1970年我國(guó)自主研制的“運(yùn)十”飛機(jī)立項(xiàng)到C919成功首飛,中國(guó)人的“大飛機(jī)夢(mèng)”穿越了47個(gè)春秋。C919是我國(guó)按照國(guó)際主流適航標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際主流市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)研制的干線飛機(jī),它不僅標(biāo)志著中國(guó)航空工業(yè)取得重大歷史突破,也是中國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略的重大時(shí)代成果。大飛機(jī)的制造需求使國(guó)內(nèi)高端鋁材的供應(yīng)出現(xiàn)明顯的缺口,鋁行業(yè)迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)《2019-2024年中國(guó)航空鋁材行業(yè)現(xiàn)狀分析及前景發(fā)展投資調(diào)研報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示,2012年我國(guó)航空鋁材市場(chǎng)規(guī)模13.31萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)4%,到2017年航空鋁材市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了19.90萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)8.2%,航空鋁材市場(chǎng)規(guī)??焖僭鲩L(zhǎng),強(qiáng)勁拉動(dòng)鋁合金材料尤其是航空鋁合金材料需求。
我國(guó)對(duì)航空工業(yè)產(chǎn)品制定了嚴(yán)格的管理制度:《中華人民共和國(guó)民用航空器適航管理?xiàng)l例》的發(fā)布標(biāo)志著我國(guó)航空管理科學(xué)化和標(biāo)準(zhǔn)化,《航空材料及熱工藝技術(shù)工作規(guī)定》等法規(guī)文件也要求航空材料要以產(chǎn)品質(zhì)量為基本保障。航空材料在質(zhì)量管理中必須涵蓋材料產(chǎn)品質(zhì)量管理研發(fā)、選用、訂購(gòu)、復(fù)檢、性能評(píng)定、不合格品控制、工藝變更等全過(guò)程,而航空材料的批次一致性和性能穩(wěn)定性也是考察材料是否滿足飛機(jī)制造需求的重要評(píng)判指標(biāo)[1]。
鋁合金板材是飛機(jī)重要的結(jié)構(gòu)材料,由鋁合金厚板或超厚板加工的整體結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中占據(jù)主要位置,例如由厚板加工而成的空客A330/A340機(jī)身鋁合金結(jié)構(gòu)件約占鋁合金總使用量的50%[2]。然而在實(shí)際生產(chǎn)制造中,包括熔鑄過(guò)程成分均勻性、氫含量、添加元素和雜質(zhì)元素含量的控制,軋制工藝,熱處理控制等造成材料組織結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、殘余應(yīng)力等性能指標(biāo)存在一定的批次差異,最終等對(duì)材料的承載能力、耐腐蝕能力、疲勞性能都會(huì)造成較大影響,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響材料使用壽命,危機(jī)飛機(jī)的運(yùn)行安全[3]。
質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)是利用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方法,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及質(zhì)量形成全過(guò)程中的因素進(jìn)行識(shí)別判定的活動(dòng),質(zhì)量分級(jí)將有助于將高質(zhì)量產(chǎn)品的價(jià)值顯性化,為優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)機(jī)制提供技術(shù)支撐。質(zhì)量分級(jí)的思想在國(guó)外主要應(yīng)用在食品、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品等領(lǐng)域。在工業(yè)產(chǎn)品方面,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了焊接工藝、焊縫檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)等體現(xiàn)分級(jí)思想的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如 ISO 15614-1-2017、ISO 6947:2011、ISO 5817:2014等。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)也研究和發(fā)布了鋁合金板材、鋼銹蝕程度、鍍層鐵板生銹等級(jí)相關(guān)體現(xiàn)分級(jí)思想的標(biāo)準(zhǔn),如:ASTM B209-2014、ASTM D610-08、ASTM D610-2001等。
20世紀(jì)90年代,我國(guó)編制了GB/T 12707-1991《工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量分等導(dǎo)則》,把產(chǎn)品質(zhì)量水平劃分為優(yōu)等品、一等品和合格品三個(gè)等級(jí)[4]。JB/T 53061-1999《化工用離心泵產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)》、GB/T 5237-2017《鋁合金建筑型材》等相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,產(chǎn)品指標(biāo)范圍選取也體現(xiàn)了質(zhì)量分級(jí)思想。近年來(lái),中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)提出鋼鐵產(chǎn)品產(chǎn)線質(zhì)量能力分級(jí)評(píng)價(jià),并以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)、涵蓋質(zhì)量濾波、質(zhì)量傳遞等思想,科學(xué)量化企業(yè)生產(chǎn)線的質(zhì)量能力,已發(fā)布《鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量能力分級(jí)評(píng)價(jià)規(guī)范 第1部分 通則》、船體結(jié)構(gòu)用鋼板、焊接材料等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[5]。該系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為我國(guó)鋼鐵企業(yè)對(duì)標(biāo)世界一流明確了目標(biāo),也為生產(chǎn)企業(yè)自主淘汰落后產(chǎn)能,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的升級(jí)指明了方向。近期,中國(guó)建筑材料協(xié)會(huì)發(fā)布《建材產(chǎn)品質(zhì)量能力分級(jí)規(guī)范 第1部分:通則》及水泥、建筑磚(板)、衛(wèi)生陶瓷、防水卷材等系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),采用工序評(píng)價(jià)、價(jià)值函數(shù)、質(zhì)量繼承等理論對(duì)生產(chǎn)線裝備技術(shù)能力、產(chǎn)品批量數(shù)據(jù)、研發(fā)質(zhì)檢數(shù)據(jù)、產(chǎn)品抽驗(yàn)等進(jìn)行權(quán)重,根據(jù)加權(quán)得分為企業(yè)或生產(chǎn)線進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。
開展航空用鋁合金板材產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)是我國(guó)有色金屬產(chǎn)品領(lǐng)域在質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)首次探索和應(yīng)用,將對(duì)我國(guó)航空用鋁合金板材產(chǎn)品性能、質(zhì)量管理、標(biāo)準(zhǔn)化及品牌影響力等方面有良好的提升效果,也將有效帶動(dòng)有色金屬行業(yè)整體質(zhì)量提升。
我國(guó)軍工產(chǎn)品質(zhì)量管理及航空器適航管理?xiàng)l例對(duì)材料制造工藝過(guò)程質(zhì)量管理有嚴(yán)格的要求:針對(duì)特種制造工藝,應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求制定特殊工藝技術(shù)文件及相應(yīng)的質(zhì)量控制措施;針對(duì)關(guān)鍵零部件、重要零部件等制定專有質(zhì)量控制程序并進(jìn)行重點(diǎn)控制;針對(duì)航空材料技術(shù)狀態(tài)應(yīng)建立相應(yīng)的質(zhì)量管理制度,針對(duì)加工工序、工藝設(shè)備、加工材料、設(shè)備技術(shù)狀態(tài)出現(xiàn)更改,需要從系統(tǒng)層面進(jìn)行全面分析、論證并進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn),同時(shí)對(duì)材料使用之前的各項(xiàng)審批程序進(jìn)行嚴(yán)格控制;在針對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)和檢驗(yàn)過(guò)程要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范程序進(jìn)行[1]。
本文利用全面質(zhì)量管理模型、層次分析、木桶定律等方法,依據(jù)T/CNIA 0074-2021《航空用鋁合金板材》系列標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 29503-2020 《鋁合金預(yù)拉伸板》、GB/T 19001《質(zhì)量管理體系 要求》、GB/T 19580 《卓越績(jī)效評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,建立涵蓋產(chǎn)品質(zhì)量以及質(zhì)量形成全要素相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量、工藝控制、質(zhì)量保證3個(gè)一級(jí)指標(biāo),9個(gè)二級(jí)指標(biāo)、36個(gè)三級(jí)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)體系(指標(biāo)詳見表1)。除產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)性能,還關(guān)注了產(chǎn)品應(yīng)用服役性能及質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性,并創(chuàng)新性提出指標(biāo)變異系數(shù)、過(guò)程能力Cpk指數(shù)、質(zhì)量相關(guān)人員勝任力(企業(yè)質(zhì)量負(fù)責(zé)人、生產(chǎn)技術(shù)負(fù)責(zé)人、檢驗(yàn)負(fù)責(zé)人、關(guān)鍵工序操作人員)等評(píng)價(jià)指標(biāo),從而形成更全面、更科學(xué)、操作性強(qiáng)的產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)模型,以全方位、多維度綜合考察企業(yè)的產(chǎn)品,確定產(chǎn)品質(zhì)量能力等級(jí)[6]。
表1 航空用鋁合金板材質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
7050鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金,其淬火敏感性低,適用于大規(guī)格厚板及鍛件的生產(chǎn)。7050-T7451預(yù)拉伸厚板因其強(qiáng)度高、斷裂韌度及耐腐蝕等綜合性能優(yōu)異,已廣泛用于各類飛機(jī)的機(jī)身框架、翼梁和尾翼等[7]。本文以7050-T7451鋁合金板材為示例,提出對(duì)該牌號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)的差異化評(píng)價(jià)要求。
航空用7050-T7451鋁合金板材基礎(chǔ)性能指標(biāo)需滿足T/CNIA 0074-2021《航空用鋁合金板材》等系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,在此基礎(chǔ)上,我們通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品性能調(diào)研,并通過(guò)專家評(píng)議等方式,制定了航空用7050-T7451鋁合金板材產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求,AAA、AA、A三個(gè)等級(jí)級(jí)分別對(duì)應(yīng)國(guó)際領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)差異化指標(biāo)值詳見表2。
表2 航空用7050-T7451鋁合金板材質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求
(1)超聲波探傷
航空用鋁合金板材內(nèi)部的缺陷大小和數(shù)量對(duì)于板材力學(xué)性能、腐蝕性能和疲勞性能均有較大影響。質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)遵循的基本原則是 A級(jí)、AA級(jí)產(chǎn)品單個(gè)缺陷當(dāng)量和多個(gè)缺陷當(dāng)量應(yīng)滿足GB/T 6519中A等級(jí)的要求,而AAA級(jí)產(chǎn)品的超聲波探傷性能應(yīng)滿足GB/T 6519中AA等級(jí)的要求。
(2)抗剝落腐蝕
高強(qiáng)高韌鋁合金由于含有可溶性合金元素如Cu、Mg、Si、Zn等,對(duì)剝落腐蝕較敏感。在飛機(jī)服役過(guò)程中,由于7050板材組織特征和服役環(huán)境影響,合金結(jié)構(gòu)件尤其通過(guò)鉚接或螺栓連接的結(jié)構(gòu)件易發(fā)生剝落腐蝕[8]。GB/T 22639《鋁合金加工產(chǎn)品的剝落腐蝕試驗(yàn)方法》中根據(jù)點(diǎn)蝕及腐蝕程度將腐蝕程度描述為N、P、E共3個(gè)等級(jí)。質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)遵循的基本原則是 A級(jí)、AA級(jí)產(chǎn)品應(yīng)滿足GB/T 22639中EB等級(jí),AAA級(jí)應(yīng)滿足GB/T 22639中EA等級(jí)。
(3)一致性
指標(biāo)變異系數(shù)(Coefficient of Variation,Cv值)又稱“離散系數(shù)”,是概率分布離散程度的一個(gè)歸一化量度,是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的統(tǒng)計(jì)量。本文選取了能直接反映材料綜合性能的計(jì)量型指標(biāo)“抗拉強(qiáng)度Cv值”“規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2Cv值” 2項(xiàng)指標(biāo)來(lái)考察企業(yè)產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。
(4)原材料鑄錠
鋁合金熔煉過(guò)程,爐料、浮渣、精煉劑、工具等未經(jīng)充分干燥引入水,水分子與鋁液發(fā)生反應(yīng)生成原子態(tài)的氫溶解于鋁液中,環(huán)境中的水分也會(huì)使鋁液在熔鑄或者加工過(guò)程中產(chǎn)生氫。鋁合金中氫的進(jìn)入包括擴(kuò)散氫或固溶氫、氫分子和氫化物,氫的存在使材料生產(chǎn)氣孔等缺陷,降低材料的強(qiáng)度和韌性,富集在晶界的氫也會(huì)造成氫脆等材料失效等嚴(yán)重后果[9]。質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)遵循的基本原則是A級(jí)產(chǎn)品應(yīng)滿足≤0.12mL/100gAl,AA級(jí)應(yīng)滿足≤0.10mL/100gAl,而AAA級(jí)產(chǎn)品應(yīng)滿足≤0.07mL/100gAl。
(5)過(guò)程能力Cpk指數(shù)
過(guò)程能力Cpk指數(shù)也稱工序能力指數(shù),指工序在一定時(shí)間里,處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下實(shí)際加工能力。工序能力越高,產(chǎn)品的質(zhì)量特性值的分散程度就會(huì)越小。
(6)管理要求
全球經(jīng)濟(jì)化及激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境使現(xiàn)代化企業(yè)必須建立高效的質(zhì)量管理體系。管理體系認(rèn)證是國(guó)際通行的合格評(píng)定活動(dòng),建立完善的航空產(chǎn)品質(zhì)量管理體系是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要條件,基于全面質(zhì)量管理理念構(gòu)建的質(zhì)量管理體系也是航空產(chǎn)品質(zhì)量保證的基礎(chǔ)[10]。
本文利用層次分析法、專家評(píng)議等科學(xué)方法,對(duì)航空用鋁合金板材產(chǎn)品質(zhì)量以及質(zhì)量形成全要素進(jìn)行分級(jí)研究并建立航空用鋁合金板材的質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。除產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)性能,還特別關(guān)注產(chǎn)品應(yīng)用服役性能及質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性,并將原輔料控制、生產(chǎn)過(guò)程控制、檢驗(yàn)檢測(cè)、人員勝任力、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、產(chǎn)品認(rèn)證等納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,形成全面、科學(xué)且操作性較強(qiáng)的企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)要求。
開展航空用鋁合金板材產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià),一是貫徹落實(shí)工信部《關(guān)于促進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量提升的實(shí)施意見》中提出到2022年建設(shè)一批國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)配套的標(biāo)準(zhǔn)群引領(lǐng)行業(yè)質(zhì)量提升,啟動(dòng)不少于10個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域建立質(zhì)量分級(jí)工作機(jī)制,完善重點(diǎn)產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量追溯機(jī)制,提高航空用鋁合金板材企業(yè)質(zhì)量和品牌競(jìng)爭(zhēng)力;二是有助于行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)樹立差異化的產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)理念,在內(nèi)部形成良性生產(chǎn)和研發(fā)機(jī)制,不斷提升產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量;第三,質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果定時(shí)發(fā)布能為飛機(jī)制造商等下游用戶選擇高質(zhì)量的產(chǎn)品提供重要參考依據(jù),形成“以質(zhì)取勝、質(zhì)優(yōu)價(jià)優(yōu)”的良性市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和營(yíng)商秩序,淘汰落后產(chǎn)能,促進(jìn)我國(guó)航空用鋁合金板材行業(yè)健康、可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展。