航天領(lǐng)域鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究

劉普林 曹忠 周佳臏

摘 要：本文對鎂合金國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析，并針對目前鎂合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及后續(xù)發(fā)展，以“有標(biāo)采標(biāo)、無標(biāo)制標(biāo)”為原則，以支持鎂合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用為目的，對鎂合金在材料研發(fā)、生產(chǎn)、產(chǎn)品應(yīng)用等全過程進(jìn)行梳理，構(gòu)建了包含鎂合金材料、鑄造、檢驗檢測、加工技術(shù)、表面處理等全鏈路的鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系，同時也對部分關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了說明，以供其他領(lǐng)域或相關(guān)人員進(jìn)行參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：航天，鎂合金，標(biāo)準(zhǔn)體系

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.13.012

Research on Construction of Standards System for Magnesium Alloy in Aerospace Field

LIU Pu-lin1 CAO Zhong1 ZHOU Jia-bin2

（1. Shanghai Spacefl ight Precision Machinery Institute； 2. Shanghai Academy of Spacefl ight Technology）

Abstract： This paper analyzes the international standards， national standards and sectoral standards for magnesium alloys. Focusing on current application status and subsequent development of magnesium alloy in the aerospace fi eld， the paper follows the principle of “applying current standards， developing absent standards”， to support the application of magnesium alloys in the aerospace fi eld. The paper sorts out the whole process of magnesium alloy such as material research and development， production and product application， constructs a standards system for magnesium alloy covering all links， including materials， casting， inspection and testing， processing technology， surface treatment， etc. Also， the paper expounds some key standards， which is a reference for related personnel and other fi elds.

Keywords： aerospace， magnesium alloy， standards system

0 引 言

由于鎂合金相對鋼、鋁合金材料而言具有更高的比強(qiáng)度，可減輕結(jié)構(gòu)重量，此外其電磁屏蔽能力、散熱導(dǎo)熱性以及壓鑄加工性都較優(yōu)，兼具可再生、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、國防軍事、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，特別是高性能鎂合金材料在航空航天和國防建設(shè)中占有十分重要的地位[1]。

鎂合金是減輕航天裝備質(zhì)量，實現(xiàn)航天裝備輕量化，提高航天裝備各項性能的理想結(jié)構(gòu)材料，航天裝備的需要，推動了高性能鎂合金材料及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的發(fā)展。在航天領(lǐng)域方面，ZM5、ZM6等鑄造鎂合金已大批量用于艙體、衛(wèi)星支架等重要零件，鎂合金的輕量化帶來的經(jīng)濟(jì)效益和性能改善十分顯著。隨著冶煉和加工技術(shù)的進(jìn)步、價格的降低、航天裝備輕量化要求的日益提高，鎂合金在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用需求越來越大[2-3]。因此有必要開展鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系研究，為鎂合金在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供支撐。

1 鎂合金標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前鎂及鎂合金共有國際標(biāo)準(zhǔn)30余項，并且我國從2008年開始承擔(dān)ISO/TC 79/SC 5鎂及鎂合金標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會秘書處的工作，我國在該領(lǐng)域的話語權(quán)不斷增強(qiáng)。鎂及鎂合金國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化工作經(jīng)過多年的積累，目前已發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)70余項，形成了以通用基礎(chǔ)、試驗檢測標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為主線的相對完善的標(biāo)準(zhǔn)體系表，但也缺乏鎂合金行業(yè)的環(huán)保、安全、能耗等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)[4]。隨著近年來鎂和鎂合金在航天領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，航天的特殊條件，對鎂及鎂合金的材料強(qiáng)度、腐蝕防護(hù)性能等提出了各種需求[5]，故高強(qiáng)鎂合金的技術(shù)條件、表面處理方法，以及對應(yīng)的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)體系也急需構(gòu)建并完善。

結(jié)合鎂及鎂合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及發(fā)展趨勢，目前標(biāo)準(zhǔn)對支撐鎂合金材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用略顯不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）鎂合金加工、熱處理等過程標(biāo)準(zhǔn)略顯不足，需修訂一批標(biāo)準(zhǔn)。例如隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，需對《鎂合金構(gòu)件銑削工藝規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂和完善；另外，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，鎂合金熱處理的方式和方法已逐步淘汰硫鐵礦等傳統(tǒng)方法，也需要對《鎂合金熱處理工藝規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。

（2）鎂合金表面處理等標(biāo)準(zhǔn)急需制定。鎂合金材料耐蝕性能相對較低，這在一定程度上限制了鎂合金產(chǎn)品在航天領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。在通過提高鎂合金材料純度的同時，適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚硎翘岣卟牧夏臀g性能的重要手段，鎂合金表面改性的常用方式有化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、微弧氧化等等，急需制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

（3）未建立完備的鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系。雖然鎂合金在航天領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，但缺少從鎂合金材料研發(fā)到產(chǎn)品應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)梳理，未建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，缺乏對鎂合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用支撐。

2 標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

2.1 目標(biāo)與原則

航天領(lǐng)域鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建，主要以《國家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》為指導(dǎo)，結(jié)合鎂合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，從鎂合金材料、鑄造工藝、檢驗檢測、加工技術(shù)、表面處理等各環(huán)節(jié)進(jìn)行全面梳理，從而建立建成滿足需求、重點(diǎn)突出、結(jié)構(gòu)合理、科學(xué)實用的鎂合金全鏈路技術(shù)規(guī)范體系，以保證鎂合金材料研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用各個環(huán)節(jié)有標(biāo)準(zhǔn)可依，有標(biāo)準(zhǔn)可查的目的。在標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建過程中，應(yīng)遵循以下原則：

（1）明確目標(biāo)，科學(xué)實用

此為構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系的首要原則，構(gòu)建航天鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系主要目標(biāo)就是為提高航天鎂合金產(chǎn)品的系統(tǒng)性和適用性，為其在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，提供標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)支持。

（2）全面系統(tǒng)，層次清晰

航天鎂合金應(yīng)用產(chǎn)品涉及材料、工藝、檢測、表面處理等多個專業(yè)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建應(yīng)在充分查閱資料的基礎(chǔ)上，對所涉及的專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行深挖剖析，理清邊界、逐層劃分，以“有標(biāo)采標(biāo)、無標(biāo)制標(biāo)”為手段，做到體系框架合理、內(nèi)容全面、重點(diǎn)突出、層析清晰，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)體系總體布局的科學(xué)、系統(tǒng)和平衡。

（3）開放兼容，持續(xù)改進(jìn)

航天鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系不僅應(yīng)包含現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)包含后續(xù)計劃制定的標(biāo)準(zhǔn)，盡量保持標(biāo)準(zhǔn)體系的前瞻性、開放新和可擴(kuò)充性。同時，還應(yīng)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)與法律、環(huán)保要求等的銜接配套，結(jié)合航天鎂合金產(chǎn)品實際使用情況，定期對標(biāo)準(zhǔn)體系修改完善，形成制定、實施、檢查、修訂的PDCA良性循環(huán)，提高標(biāo)準(zhǔn)體系的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性、科學(xué)性和可操作性。

2.2 總體框架

航天用鎂合金產(chǎn)品從材料開發(fā)到應(yīng)用涉及諸多過程，該體系的構(gòu)建盡可能將涉及到所有內(nèi)容涵蓋其中，根據(jù)鎂合金產(chǎn)品研制全鏈路，按鎂合金材料、鑄造過程、檢驗檢測、加工技術(shù)、表面處理、通用基礎(chǔ)進(jìn)行劃分。其次在一級體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合在航天領(lǐng)域應(yīng)用的實際情況，對二級子體系進(jìn)行歸納、研究、解析和分類，構(gòu)建了航天用鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

2.3 體系內(nèi)容和范圍

2.3.1 鎂合金材料標(biāo)準(zhǔn)

鎂合金材料標(biāo)準(zhǔn)主要包括鎂合金材料、鎂基復(fù)合材料等2個部分，重點(diǎn)是高強(qiáng)韌Mg-稀土系鑄造鎂合金等標(biāo)準(zhǔn)、主要包括鑄造鎂合金錠、稀土耐熱鑄造鎂合金及鑄件規(guī)范、稀土耐熱鑄造鎂合金技術(shù)要求、稀土耐熱鑄造鎂合金等標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)定稀土耐熱鎂合金牌號、熔煉方法、熱處理方法以及力學(xué)性能等技術(shù)類標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 鑄造標(biāo)準(zhǔn)

鑄造標(biāo)準(zhǔn)主要包括鎂合金鑄造共性技術(shù)和鎂合金鑄造技術(shù)2個部分，其重點(diǎn)是鎂合金鑄造技術(shù)分支下的工藝數(shù)字化、型殼制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。工藝數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了數(shù)字化鑄造所需的三維模型設(shè)計、仿真、變形預(yù)測與尺寸控制技術(shù)要求及鑄件尺寸公差、快速鑄造質(zhì)量控制規(guī)范等內(nèi)容；型殼制備標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了各種型殼制備所需原砂、耐火材料、粘結(jié)劑技術(shù)要求及質(zhì)量驗收規(guī)范、模具制作要求、型殼3D打印技術(shù)規(guī)范和型殼數(shù)字化制造規(guī)范等內(nèi)容，確保實現(xiàn)高質(zhì)量、高尺寸精度鑄件的研制。

2.3.3 試驗檢測標(biāo)準(zhǔn)

試驗檢測標(biāo)準(zhǔn)主要包括無損檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、理化檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其重點(diǎn)是射線檢測技術(shù)、熒光滲透檢測技術(shù)、理化分析技術(shù)及膜層性能分析與測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對鎂合金材料的性能檢測和分析進(jìn)行規(guī)定，解決鎂合金內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量檢測、鎂合金材料檢測的試樣、檢測方法等問題，確保鎂合金制品的性能及質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.3.4 加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括連接、機(jī)械加工技術(shù)等2部分。連接標(biāo)準(zhǔn)分支其重點(diǎn)是規(guī)定鎂合金鑄件攪拌摩擦補(bǔ)焊、焊接過程的人員、設(shè)備、安全、工藝流程、質(zhì)量控制技術(shù)要求等內(nèi)容。機(jī)械加工分支主要是鎂合金高效加工技術(shù)和復(fù)雜鑄件自適應(yīng)加工技術(shù)，其重點(diǎn)是鎂合金高效加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了鎂合金加工工藝、程序、仿真、刀具、冷卻、安全、質(zhì)量控制等內(nèi)容，解決不同結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率的問題。

2.3.5 表面處理標(biāo)準(zhǔn)

表面處理標(biāo)準(zhǔn)主要包括后處理技術(shù)部分，主要用于鎂合金的防腐蝕和功能性改性，規(guī)定了防腐蝕膜層和功能性膜層的制備方法、適用范圍、功能性指標(biāo)等檢驗檢測方法，解決鎂合金后處理技術(shù)和質(zhì)量規(guī)范化、流程化的問題。

2.3.6 通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)模塊是通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，梳理與鎂合金生產(chǎn)相關(guān)的共性通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。主要包括術(shù)語符號、安全生產(chǎn)等2個部分，為整個體系應(yīng)用提供支撐。

2.4 關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)

通過航天鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建，共梳理在用和后續(xù)新增標(biāo)準(zhǔn)共計194項。在鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)范圍內(nèi)，根據(jù)目前鎂合金材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用的主要矛盾和突出問題，提出新增和修訂的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)共計7項。部分關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）《高強(qiáng)耐熱鎂合金技術(shù)規(guī)范》，針對高強(qiáng)耐熱鎂合金的應(yīng)用制定技術(shù)條件，以擴(kuò)展其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；（2）《鑄造鎂合金熱處理工藝規(guī)范》，針對目前新工藝實施，在鎂合金熱處理過程中不再使用硫鐵礦，減小了環(huán)境污染等因素，需對其進(jìn)行修訂和完善；（3）《鎂合金鑄件缺陷修復(fù)技術(shù)條件》，針對目前不可避免的鑄造缺陷，達(dá)成可修復(fù)的技術(shù)條件，形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，提升產(chǎn)品合格率。

3 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)成效

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量水平提升

標(biāo)準(zhǔn)決定質(zhì)量，有什么樣的標(biāo)準(zhǔn)就有什么樣的質(zhì)量，只有高標(biāo)準(zhǔn)才有高質(zhì)量。經(jīng)過對航天領(lǐng)域鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系梳理，建立了完善的《航天鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系》，規(guī)范了鎂合金鑄造過程、加工過程，明確了表面處理要求，統(tǒng)一了檢測驗收條件，使得鎂合金產(chǎn)品質(zhì)量水平大幅提升，為鎂合金在航天領(lǐng)域的進(jìn)一步工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2 支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展

航天鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，不僅可支撐鎂合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，也可以擴(kuò)展其到其他領(lǐng)域，以支撐整個鎂合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在國家層面，我國從宏觀產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、發(fā)展路線以及工藝優(yōu)化等角度大力支持高端輕合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以破除航空航天、高端裝備等領(lǐng)域重大裝備材料開發(fā)和制造工藝瓶頸，不斷提升鎂合金產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

3.3 環(huán)保意識加強(qiáng)

在鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系制定過程中，特別是考慮到環(huán)保、綠色生產(chǎn)等因素，修訂《鑄造鎂合金熱處理工藝規(guī)范》，廢除了硫鐵礦的使用，杜絕了SO2氣體的產(chǎn)生，使得鎂合金生產(chǎn)過程更環(huán)保；新制定《鎂合金磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化溶液檢測方法》，提出了應(yīng)使用磷酸鹽代替鉻酸鹽，以減少鉻離子（重金屬）對環(huán)境的破壞，使得生產(chǎn)過程更為綠色，進(jìn)一步提升了對環(huán)境保護(hù)的意識。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化意識提升

通過鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系的梳理，提升了各相關(guān)部門及管理、技術(shù)、環(huán)保人員對標(biāo)準(zhǔn)重要性的認(rèn)識，同時注重標(biāo)準(zhǔn)化的培訓(xùn)，增強(qiáng)了執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的自覺性，形成了一種學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、用標(biāo)準(zhǔn)、推標(biāo)準(zhǔn)的良好循環(huán)，“工作有標(biāo)準(zhǔn)可依、檢查用標(biāo)準(zhǔn)衡量、驗收用標(biāo)準(zhǔn)說話”和“學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、用標(biāo)準(zhǔn)”的氛圍逐步形成，人員標(biāo)準(zhǔn)化意識得到大幅提升。

4 結(jié) 論

加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，實施標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略，是一項重要和緊迫的任務(wù)，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有長遠(yuǎn)意義。誰制定標(biāo)準(zhǔn)，誰就擁有話語權(quán)；誰掌握標(biāo)準(zhǔn)，誰就占據(jù)制高點(diǎn)。雖然鎂及鎂合金標(biāo)準(zhǔn)化工作經(jīng)過多年的積累，目前也建立了航天領(lǐng)域鎂合金標(biāo)準(zhǔn)體系，但未來還要在現(xiàn)有體系的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，通過一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，為鎂合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)支撐。

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作者簡介

劉普林，碩士研究生，主要從事數(shù)字化制造、標(biāo)準(zhǔn)化管理等方面的研究。

（責(zé)任編輯：張佩玉）