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AMS标准体系与形成方法研究

Research on AMS Standard System and Its Forming Approach

李岩 袁文明 熊艳才     2020年08月18日

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作为国际先进材料标准的领跑者,美国构建了以正向形成机制为核心并具有先进性、可操作性和适用性的航空航天材料标准,目前航空航天材料领域的美国汽车工程师协会(SAE)的宇航材料规范(AMS)标准基本是由美军标(MIL)转化而来。AMS标准以科学的标准正向形成机制,提高了标准质量水平,成为国际先进材料标准的典型代表,被誉为航空航天材料领域的“全球性标准”。目前,AMS标准应用于全球范围内航空飞行器零件、系统的设计和生产以及政府采购,也是可供我国航空材料研制、生产和使用参照的重要材料标准。本文通过分析AMS标准体系特点和标准正向形成方法,为我国建立和实施航空发动材料标准正向形成机制提供借鉴。

 

AMS标准体系


AMS标准种类


SAE成立于1905年,SAE的董事会下设5个理事会,其中包括航空航天理事会。航空航天材料委员会是该理事会下属的7个分会之一。AMS标准是SAE所属的航空航天材料委员会制定的材料标准。


AMS标准体系涵盖575个主干材料牌号(航空发动机相关材料牌号300余个)、1200多个材料品种、规格和状态。截至2019年,AMS标准约3000项,主要包含金属和非金属材料标准(约2450项)、质量控制和工艺标准(约320项)以及附件、成品件和组合件标准(约120项)。AMS标准统计具体如表1所示。

 

表1   AMS标准统计

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据统计,我国与航空材料、热工艺及理化测试有关的国军标和行业标准仅为1500项,俄罗斯航空材料热工艺和理化测试的标准约为1800项。AMS是世界各国航空材料专业标准数量最多的,有效标准约2500项,涵盖的材料专业比较齐全,包括了航空使用的金属材料、非金属材料、复合材料及其相关的工艺标准。材料制品的种类划分比较详细,不仅包括各种的原材料标准,也包括附件、成品件和组合件标准。例如,在非金属材料及工艺标准中,涵盖了100余种非金属材料;在特种工艺标准中,涵盖了热处理、焊接、表面处理、表面强化、腐蚀防护、沉积、复合以及精加工等;在成品件标准中,包含了弹簧、紧固件、标准件在内的20余种零件。


此外,AMS标准还包括航空维修用的化学制品和材料、公差和质量控制等。其中,质量控制标准主要包括材料的一些特殊的试验方法,如晶粒度、压力试验、痕量元素控制和取样等。近年来,AMS标准注重特种工艺标准的发展,尤其是热处理、表面处理、焊接等专业标准制定的速度加快,以热处理标准为例,涉及钢、高温合金、铝合金、镁合金、铜合金的AMS标准达到24项,几乎与美国大型航空公司企业级热处理标准的数量相当。


AMS标准特点


AMS标准具有专业化、系列化、通用化水平高以及标准应用与维护的时效性、先进性强等特点。


AMS标准所属的美国航空航天材料委员会下设材料、工艺和检测等相关的18个专业委员会和14个工作组,AMS标准组织结构如图1所示。航空航天材料委员由航空公司、材料供应商和军事机构代表组成,有近3000名专家参与AMS标准制定工作。标准均由工业界高水平的技术专家起草,由专业委员会进行技术协调和技术审查,在标准编制过程中十分重视技术指标验证和与其他标准的协调性,其中专业委员会的把关是保证标准质量的重要环节,确保了标准的编制质量。

 

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图1    AMS标准组织结构图

    

AMS标准体系中与航空发动机材料技术相关的标准主要为金属规范、非金属规范及工艺规范,共约1200项。AMS标准以材料牌号为主线,强调材料品种、规格、状态的系列化,科学地固化和规范了材料和制造技术的发展应用成果,体现了材料标准在装备发展中的重要地位和系统支撑作用。


AMS标准以单个牌号(品种、状态、性能等)的材料标准为主,标准的适用性很强,全部技术内容均是针对该材料的某一状态而规定的,与具体材料相互对应,标准的系列性和配套性较好,对于材料的生产、采购、检验和使用都很方便,也有利于标准化管理和标准体系的维护。以IN718材料为例,合金主要品种、规格、状态的系列验收标准和配套的工艺控制、检测评价标准多达24份,IN718材料的标准体系具体如图2所示,标准系列化水平很高。

 

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图2    IN718材料的标准体系

    

AMS标准体系完全基于材料本身的自然属性、特点、性能和使用条件制定具体的标准,并不限定材料在飞机、发动机或机载设备上具体应用部位或产品的型号类别,这有利于新材料的推广应用,同时也提高了标准的通用性,满足设计要求性能的材料及其标准可应用于任何系统或零部件。


目前已有超过1270项的AMS标准被纳入美国国防部(DoD)武器装备采办文件中用于武器装备研制生产;同时,也被全球各大公司用于民用航空器/航天器、船舶、车辆、核设备、发动机和燃气轮机等民用装备研制生产。


由于标准通用水平很高,AMS标准被国际权威的《金属材料性能研发与规范化》(MMPDS)手册全面采用。对于钢、铝、镁、钛、耐热合金和其他合金共6大类主干金属材料,MMPDS手册主要采用AMS标准来规范材料的设计、生产和应用,手册对中AMS标准的采用比例高达96%,采纳的材料牌号、品种和标准数量如表2所示。

 

表2   MMDPS手册所包含的材料牌号、品种和标准数量

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AMS标准实施动态维护,标准修订和维护效率很高,很好地保证了标准先进性和时效性。年度制定、修订率高,标准复审换版周期短。AMS标准年度的标准平均制定、修订率(标准制定和修订的数量占标准总数量的比率)已达到10%左右,数量接近250项。


AMS标准的状态大致可以分为有效标准和修订标准2类。有效标准一般不需要修订,可继续使用,只进行简单的复审确认即可,大部分标准复审确认的周期为2~3年,最长的一般不超过5~6年。修订标准应及时进行修订,大多数标准的修订周期为2~6年,有少数标准甚至1年就换一次版。


AMS标准体系能充分反映新材料研究和开发的结果,及时将科研成果和生产使用经验固化为相应的标准,快速满足供需双方对标准的使用需求。同时,标准体系能得到有效的动态性维护,复审、修订周期的缩短,有利于及时解决标准中存在的问题,及时反映材料技术要求和生产工艺的变化,保证标准最大限度地满足生产、采购和使用的要求。此外,AMS标准体系中每一份标准的状态标识明确,可以指导工程技术人员正确地选材和使用标准。

 

AMS形成方法


AMS标准重视数据积累、评估分析、验证、审查和使用维护等环节,遵循正向形成原则,标准形成过程如图3所示。AMS标准以大量科研成果和生产数据积累为基础,技术指标有充分可靠的数据支撑,科学的标准正向形成机制,促进了标准质量水平的大幅提高,保障了产品可靠性、可重复性与质量。正向形成机制极大提高了AMS标准竞争力,并被航空航天飞行器主制造商广泛采用,使其成为国际权威标准。

 

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图3    AMS标准形成过程

    

综合分析,AMS标准正向形成过程可归纳如下。


一是数据积累。在材料工艺稳定和技术成熟后,通过材料试验、数据收集,积累标准编制所需的性能数据,数据量最低要求为3炉/10批,30个样本量。


二是统计评估。对数据进行统计分析,评估材料/工艺的成熟度,至少得到两个材料用户支持,并形成技术报告,提出标准中的最低性能指标。


三是分析验证。性能数据和指标需要得到巴特尔研究所的分析验证,若不能通过分析验证,需要补充进行更多的试验与分析。


四是编制与审查。起草人获得SAE标准顾问指导后起草标准草案,在28天审查期内,SAE专业技术委员会对标准草案投票,并对技术评议意见进行辩论,当有超过50%具有投票权的成员参加投票时,其中75%以上的投赞成票,并且所有的意见和反对意见都得到了适当的处理时,可视为到达协调一致。


五是使用验证。将标准草案在一定范围内预发布,进行使用验证,并收集和分析数据,针对标准草案存在的问题完善标准。


六是发布实施。SAE航空航天委员会对标准最终版本进行投票,通过后统一出版发行。


七是动态维护。通过多种渠道收集标准使用过程中发现的问题,并对标准及时进行修订,新定标准修订周期一般为1~3年,成熟标准修订周期一般为5年以内。

 

结束语


通过借鉴AMS标准等先进材料标准体系构建及管理经验,我国应尽早建立起以专业化、系列化、通用化为目标的发动机材料标准体系,形成先进、完整、适用的航空发动机材料标准。通过建立标准正向形成机制,能够实质性地提升发动机材料标准的先进性、时效性和可操作性,并与国际先进水平接轨。建立以正向形成方法为核心的材料标准制定规则,严格按正向形成方法要求,编制先进适用、高质量、高水平的发动机材料标准,满足航空装备研制生产的需要。


(李岩,中国航发航材院,工程师,主要从事铸造及标准化研究)

标签: 标准化
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