民用航空制造中鋁的熱處理及審核要點

摘要：鋁及鋁合金是目前應用最為廣泛的飛機制造材料。鋁合金的熱處理主要包括，退火、固溶淬火、時效（主要是自然時效和人工時效）。根據AS9100（2015）民用航空、航天和國防組織的質量管理體系要求鋁的熱處理過程屬于特殊過程，需對其進行過程監控。對與鋁的熱處理過程進行審核主要包括通用部分審核和具體工藝過程審核。

關鍵字：民用航空;鋁;熱處理;審核

一.航空制造業中鋁合金的應用

鋁及鋁合金是目前應用最為廣泛的飛機制造材料，主要具有以下特點。鋁合金密度低，抗疲勞性能較高，且具有較高的比強度，比剛度。重量輕，差不多是同體積銅或鋼的1/3重量。抗腐蝕，導電及導熱能力強，易于成型（包括機加、拉伸、熱壓、噴丸成型等工藝），熱加工后強度高，延展性好，焊接、鉚接及膠接方便。地球上鋁資源豐富，成本低，傳統鋁合金的熱處理工藝和狀態的不斷突破，以及新型鋁合金和包鋁鋰合金在飛機上的大量應用，使得鋁合金在飛機結構中的應用仍占有不可取代的優勢。

鋁合金之所以能夠保持在航空結構材料領城的地位，主要有四個方面的原因：一是鋁合金本身所具有的比強度高、加工性能好、成本低廉的特點;二是通過變換熱處理工方法，每種合金可獲得不同的性能級別，改善綜合性能，充分發揮合金的潛力和效用。三是通過降低合金中鐵、硅等雜質含量，研制出一系列高純、高強、高韌的新型鋁合金，提高了合金的疲勞強度、斷裂韌性，降低了裂紋擴展速率，改善了抗應力腐蝕性能。如2124、2324、7475、7150等合金就是具有代表性的幾種新型鋁合金。?[1]?四是鋁合金的防腐蝕處理方法成熟，過程簡單，已于操作，可有效提高鋁合金的性能。

如今鋁在航空產品中的使用日趨復雜，機身、機翼、機門、地板和座椅等零件幾乎全部由鋁合金制成，加工成型后通過化學處理和噴漆可達到防腐蝕的效果，從而大大擴大鋁合金的使用范圍。根據飛機不同的使用條件和部位，航空航天用鋁合金主要為高強鋁合金、耐熱鋁合金、耐蝕鋁合金。高強鋁合金主要用于飛機機身部件、發動機艙、座椅、操縱系統等，使用最為廣泛。

二.鋁熱處理簡介

鋁合金的熱處理是將鋁和鋁合金加熱到一定的溫度并保溫一定時間，以期獲得預期的產品組織和性能。鋁合金的熱處理主要包括，退火、固溶淬火、時效（主要是自然時效和人工時效）。退火過程，通過原子擴散、遷移，使得組織更加均勻、穩定，可消除內應力，提高材料的塑型，但會使得強度降低。固溶淬火過程，將可熱處理的鋁合金加熱到較高溫度，保溫一定時間后，快速投入淬火劑中冷卻，獲得的材料塑性較高，利于冷校形和矯直加工。時效處理過程，主要是將固溶淬火后的材料在室溫或較高溫度下保持一段時間，不穩定的過飽和固溶體會進行分解，第二項粒子從過飽和固溶體中析出，分布在α鋁晶粒周圍，從而產生強化即沉淀硬化。自然時效，鋁合金在室溫下產生析出強化作用，叫做自然時效。人工時效，在加熱保溫狀態下析出強化，稱為人工時效。為了獲得某些特殊性能和良好的綜合性能，某些牌號鋁合計時效過程分階段進行，可分為二級時效、三級時效。

三.航空制造業中對鋁的熱加工工藝控制要求

根據AS9100（2015）民用航空、航天和國防組織的質量管理體系要求（Quality Management Systems- Requirements for Aviation， Space， and Defense Organizations）中對特殊過程的定義和要求為，8.5.1節 “生產和服務提供的控制 組織應在受控條件下進行生產和服務的提供。適用時，受控條件應包括：f）若輸出結果不能由后續的監視或測量加以驗證，應對生產和服務提供過程實現策劃結果的能力進行確認，并定期在確認，這些過程可以稱之為特殊過程。” 規定，鋁的熱處理過程屬于特殊過程，需對其進行過程監控。

對與鋁的熱處理過程進行審核主要包括通用部分審核和具體工藝過程審核。針對通用要求部分，應檢查該工藝的通用要求，設備每日點檢、壓縮空氣檢查是否按時進行，所用工藝是否經過客戶批準。

工藝相關審核包括從事該工藝相關人員資質，工裝及設備，原材料及輔助材料，工藝文件的符合性，測試過程的符合性要求。其中，進行特殊過程操作和檢驗的人員在從事相應特殊生產過程前應進行相應培訓，持有相關合格證。對于原材料和輔助材料的要求，在入廠時應根據需求做入廠驗收，并保留證據。工藝文件作為現場操作的指導性文件，生產前應核實其有效性，以及與工程文件的符合性。

制造過程及特種工藝所需的工裝應在使用前進行驗證。工裝、工具和設備的存儲應滿足要求，確保存儲安全，防止意外損傷。控制和監督制造工藝及特種工藝所需的有效要求的工裝或設備，確保其已按要求進行初始校準和定期校準。對于需定期校準的工裝需建立清單，定期校準，防止過期工裝的不適當使用。建立工裝、工具和設備的保管制度，監督其可用狀態，避免非正常的失效和遺失。

熱加工過程使用的設備應經過計量，且計量過程中使用的計量方法和設備應能追溯至國家或國際標準【2】。熱加工設備計量過程主要控制其溫度均勻性和系統精度，根據工藝要求的溫度容差選擇核實等級的設備，進行計量，確保設備精度滿足工藝要求。

對于不同加工氛圍如真空熱處理，保護氣氛熱處理，熔鹽加熱，空氣加熱等，需在生產記錄中進行明確。生產記錄應準確記錄生產過程中重要的參數，如加工設備編號，加熱開始結束時間，保溫時間，保溫溫度，淬火介質，淬火轉移時間等。對于需要在新淬火狀態進行校形的工藝過程，應嚴格控制和記錄淬火轉移時間，在規定時間內零件存入冷庫。如需冷藏則應記錄冷藏開始時間，冷藏溫度，出冷庫時間，完成校形時間等參數，確保在規定時間內完成校形。鋁合金時效（包括人工時效和自然時效）后需進行硬度和電導率測試，已確認加工產品是否符合設計要求。

以上要求均應形成記錄。生產記錄應準確記錄生產過程中重要的參數，如加工設備編號，加熱開始結束時間，保溫時間，保溫溫度，淬火介質，淬火轉移時間，冷藏時間，校形開始和結束時間等。

參考文獻：

【1】航空結構材料發展綜述[J]. 彭艷萍. 材料工程， 1993，（12）：1-4+46.

【2】民用航空熱加工設備的高溫測量，崔玉卉、王偉、吳岳明、景坤，上海交通大學出版社，2017年6月第一版