新材料技術(shù)成熟度等級劃分與評估體系研究

盧 健，楊 天，熊艷才，張 博，陳偉光

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

1 前言

2019年，我國正式發(fā)布《新材料技術(shù)成熟度等級劃分及定義》（GB/T 37264-2018）推薦性國家標準，該標準的發(fā)布使得我國具有了評價新材料技術(shù)成熟度的指導(dǎo)性依據(jù)，但標準中材料成熟度的符合性指標并不清晰，從另一個方面來說，材料的成熟應(yīng)用也離不開裝備，材料的服役環(huán)境也與裝備的技術(shù)要求、設(shè)計壽命、服役環(huán)境等息息相關(guān)，各方因素與新材料在裝備上的應(yīng)用情況息息相關(guān)，本項目針對這些內(nèi)容開展研究工作，結(jié)合新材料的研發(fā)、應(yīng)用研究、標準化及在裝備上的應(yīng)用驗證進行探討，并針對新材料的成熟度評價，形成針對應(yīng)用的補充原則，力求對于裝備中使用的新材料的技術(shù)成熟度做出準確的評價。

2 技術(shù)成熟度體系簡介

2.1 國內(nèi)外的項目技術(shù)成熟度體系

上世紀80年代，美國航空航天局（NASA）首先提出了項目技術(shù)成熟度的概念。1995年發(fā)布了技術(shù)成熟度白皮書。在這份文件中，技術(shù)成熟度分為9個等級，即從第1級的科學(xué)原理到第9級的系統(tǒng)應(yīng)用[1]，級別越高代表技術(shù)的成熟度越好。隨后，這套體系被美國國防部（DoD）采納，并用于支撐項目采辦。2013年國際標準化組織正式出版了《航天系統(tǒng)技術(shù)成熟度等級及評價準則定義》（ISO 16290-2013），并逐步形成了技術(shù)成熟度評價體系。

2.2 國內(nèi)的材料技術(shù)成熟度評價體系

國外在評價材料技術(shù)這類相對“專一”的技術(shù)體系時，并未采用專用的技術(shù)成熟度評價體系，而是直接使用針對項目開發(fā)的技術(shù)成熟度評價體系。

去年，我國發(fā)布了《新材料技術(shù)成熟度等級劃分及定義》（GB/T 37264-2018），該標準的發(fā)布解決了國內(nèi)評價新材料技術(shù)成熟度標準缺失的問題，對材料技術(shù)成熟度的評價劃分了9個級別，并進行描述，見表1的前兩列。

但僅僅用這些內(nèi)容來評價具體材料成熟度，是遠遠不夠的。由于材料技術(shù)成熟度離不開材料的環(huán)境應(yīng)用，筆者著重從航空用材料研制的角度展開思考和研究。

3 新材料技術(shù)成熟度體系分析研究

3.1 新材料技術(shù)成熟度體系的分解研究

我們對表1進行分解，所示的9級新材料技術(shù)成熟度，實際上涉及了新材料研發(fā)過程中的多個維度，這些維度主要有：新材料的性能指標特性、新材料的可制造特性、新材料的使用驗證特性等。對國標中所描述的各個階段技術(shù)成熟度展開分析，結(jié)果見表1。

表1 新材料各成熟度等級及所涉及的維度

由此可見，新材料的技術(shù)成熟度至少會涉及“性能指標”、“制造或工藝”、“環(huán)境應(yīng)用”三個維度，任何一個維度的缺失，都意味著成熟度評價體系的不完整。

事實上，這些維度之間是有關(guān)聯(lián)的，它們具有一定的獨立不相關(guān)性，只有把這些維度組合起來，才能夠組成材料成熟度的各個維度。

3.2 新材料技術(shù)成熟度體系中各維度之間的關(guān)系

在理想狀態(tài)下，以上三個維度應(yīng)該相輔相成，從材料研制到生產(chǎn)的過程中“齊步走”?？稍诂F(xiàn)實中，經(jīng)常會遇到單一維度“短板”的情況，例如：

某高溫合金單晶葉片：在性能維度上，葉片已經(jīng)滿足了裝備的技術(shù)指標，在應(yīng)用維度上，葉片可以在發(fā)動機上熱端部件上應(yīng)用，甚至其裝備的發(fā)動機已經(jīng)批產(chǎn)，但在可制造維度上，材料的合格率一直很低。直到采取新的型芯材料、定位方式，將易產(chǎn)生結(jié)晶缺陷的蓋板、葉片分體制造工藝改進為葉身蓋板一體化單晶整鑄成形，顯著降低了結(jié)晶缺陷出現(xiàn)的概率[2]這才補齊了制造維度的“短板”；再比如直升機旋翼系統(tǒng)用的一些零件：在可制造維度上，材料制品已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)，在應(yīng)用維度上，零部件甚至整機都已經(jīng)服役，但在性能指標維度上存在“短板”，由于長壽命指標不滿足，導(dǎo)致制品的壽命不滿足裝備的服役要求，材料制品不得不在外場維護中增加檢修環(huán)節(jié)。

因此，材料的技術(shù)成熟度被某一維度“拉低”的情況時有發(fā)生，所以這三個維度方面的工作是具有一定獨立性的；但從結(jié)果和服務(wù)對象及各自作用上來看，三個維度之間又有著相互深刻的影響，并最終影響著具體材料的技術(shù)成熟度總體等級。

3.3 新材料技術(shù)成熟度的分級與評價的基礎(chǔ)

綜上所述，當需要評價一種新材料時，是還需要一些前提條件的，即是要在給定性能指標條件、可制造條件和環(huán)境應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上才能夠評價某一新材料的技術(shù)成熟度。

例如某鋁合金預(yù)拉伸厚板，若缺乏厚度規(guī)格（可制造維度），應(yīng)用零件（應(yīng)用場景維度），將無法評定其成熟度。這種情況的說明見表2。

表2 某鋁合金預(yù)拉伸厚板在不同制備條件下成熟度評估

即便對于同一材料，由于使用背景不同，其成熟度也不盡相同，同樣還是以某鋁合金厚板來舉例，使用在早期的第三代作戰(zhàn)飛機上和使用在改進型上，由于需求不同，滿足需求的所需的性能指標研究不同，例如：

早期的飛機使用的是靜強度設(shè)計方法，評價承力金屬材料的技術(shù)指標主要是強度和塑形，直到上世紀50年代“彗星”號失事，評價金屬材料的指標中加了“疲勞性能”“缺口疲勞性能”“腐蝕疲勞性能”等，隨著近年來恒幅、變幅載荷下疲勞性能裂紋擴展性能的研究，損傷容限設(shè)計方法的引入，“疲勞裂紋擴展速率”、“平面斷裂韌度”等技術(shù)指標也逐步被納入了評價承力金屬材料的技術(shù)指標中[3]。例如：

早期的三代機對材料的要求是僅僅滿足一定程度的疲勞性能，使得在測試過程中，滿足機體壽命的疲勞強度循環(huán)次數(shù)一般107就能夠滿足要求，也就是說只要完成107循環(huán)，即標志著材料的疲勞性能滿足使用需求（如實驗室條件下測試的，則可認為該材料用于三代機早期機型，其成熟度達到了3級）；而在新型飛機上使用同樣的材料，用于長壽命設(shè)計飛機時，需要其疲勞壽命達到2X107，甚至達到108，這樣一來，同樣的材料，用于新型飛機時，其成熟度將不到3級。技術(shù)成熟度三級要求“主要性能通過實驗室測試驗證”，而不同的使用環(huán)境“主要性能”的要求是不同的。因此同一種材料，若是將其用于在不同服役環(huán)境下，其技術(shù)成熟度是不同的，也就是說材料技術(shù)的成熟度評級是與使用環(huán)境密切相關(guān)的。

除此以外，材料的技術(shù)成熟度還與可制造性維度等其他因素相關(guān)，這里不再贅述。

綜上所述，若需要客觀準確地評價某一新材料的技術(shù)成熟度，則必須先明確材料的技術(shù)指標特性、可制造性特性以及材料的應(yīng)用環(huán)境特性三個維度的要求。即：材料需什么樣的性能指標，材料制備是在什么樣的制造條件下進行的，材料制成品的服役條件是什么。這些是評價材料技術(shù)成熟度的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

《新材料技術(shù)成熟度等級劃分及定義》（GB/T 37264-2018）國家標準的發(fā)布，該標準的發(fā)布解決了國內(nèi)評價新材料技術(shù)成熟度標準缺失的問題，是新材料技術(shù)成熟度的評價的重要依據(jù)。

新材料技術(shù)成熟度等級評價體系事實上是由“性能指標”、“制造或工藝”、“環(huán)境應(yīng)用”三個維度構(gòu)成的，任何一個維度的缺失，都意味著成熟度評價體系的不完整。

應(yīng)用對象的“性能指標”、“制造或工藝”、“環(huán)境應(yīng)用”一旦發(fā)生變化，即使對同一新材料來評價，其技術(shù)成熟度等級也會隨之變化。

新材料技術(shù)成熟度是與人們對材料特性指標的了解、材料制備工藝方法的深入、以及材料應(yīng)用的場景這幾個維度密切相關(guān)的。同樣，也只有先明確這幾方面的要求，才具備評價某個新材料的技術(shù)成熟度的條件。