增材制造技術(shù)的適航審查方法探究

■ 陳龍輝 李宏 劉志輝/中國民用航空江西航空器適航審定中心

0 引言

相較于傳統(tǒng)的減材制造和等材制造，增材制造技術(shù)（AM）開辟了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)的新思路。增材制造的主要思想是質(zhì)量單元、有序排列，點(diǎn)、線、面是增材制造的三要素，該技術(shù)基于離散/堆積原理，是以合金粉末或絲材為原材料，采用激光、電子束等高能束進(jìn)行原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積，直接從零件數(shù)字模型一步完成致密、高性能金屬制件的近凈成型制造[1-3]，在航空航天、船舶、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

增材制造技術(shù)在民用航空產(chǎn)品上的應(yīng)用尚處于探索階段?？罩锌蛙嚬?015 年宣布在其A350 XWB 型飛機(jī)上使用了超過一千件增材制造制件[4]，國內(nèi)學(xué)者十幾年來一直致力于為國產(chǎn)大型客機(jī)配裝增材制造制件。

民用航空產(chǎn)品適航審查的目的之一在于保障民用航空產(chǎn)品安全。通過確認(rèn)設(shè)計(jì)資料符合適用規(guī)章的要求，審查所生產(chǎn)的產(chǎn)品符合經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)資料，以確認(rèn)民用航空產(chǎn)品沒有不安全特 征。

隨著增材制造技術(shù)的深入發(fā)展，勢必將在民用航空領(lǐng)域逐步推廣應(yīng)用，適航審查工作也將涉及增材制造技術(shù)。為促進(jìn)工業(yè)技術(shù)發(fā)展，推動新技術(shù)在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用，適航審查方法應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化發(fā)展。

1 適航規(guī)章及程序?qū)χ圃旒夹g(shù)的要求

以中國民用航空規(guī)章《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25-R4）為例，其中有多項(xiàng)條款對制造技術(shù)提出了要求。適航標(biāo)準(zhǔn)的要求往往始于零部件的設(shè)計(jì)階段，同時(shí)對零部件所選用的制造技術(shù)也提出了相應(yīng)的要求。

類似地，適航規(guī)章23 部、27 部、29 部均有相應(yīng)的條款對材料性能提出要求，對于不同類型的民用航空產(chǎn)品，規(guī)章要求的程度有著一定的差別。中國民用航空局（CAAC）發(fā)布的正常類飛機(jī)CCAR-23-R4 征求意見稿不再沿用舊版本的編號，規(guī)章條款的表述方式也進(jìn)行了調(diào)整，但與本節(jié)內(nèi)容相關(guān)的要求依然被保留在修訂稿中[5]。

除上述規(guī)章外，應(yīng)用于民用航空發(fā)動機(jī)制造的增材制造技術(shù)還需要滿足《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33）的相關(guān)規(guī)定。

1.1 材料要求

適航規(guī)章25 部25.603 條對損傷可能對安全性有不利影響的零件所用材料的適用性和耐久性提出了要求。

適航規(guī)章25 部25.613 條對材料的強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值進(jìn)行了明確的規(guī)定[6]。其中，25.613（a）條款要求材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值必須建立在足夠多的試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計(jì)方法得到，且該設(shè)計(jì)值必須是官方批準(zhǔn)的；25.613（b）條款要求設(shè)計(jì)值的選擇必須保證任何結(jié)構(gòu)因材料偏差引起強(qiáng)度不足的可能性極其微小，條款中還規(guī)定了不同類型零部件的具體要求。

對于已經(jīng)在民機(jī)領(lǐng)域成熟應(yīng)用的材料，根據(jù)其使用經(jīng)驗(yàn)，可以采用符合性說明（MC1）的方式表明符合性；對于使用尚不成熟的材料，其適用性和耐久性必須通過材料試驗(yàn)建立材料規(guī)范。

材料的設(shè)計(jì)值通常取自適航部門可接受的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或手冊，否則應(yīng)進(jìn)行數(shù)量充分的材料性能試驗(yàn)（MC4）并通過統(tǒng)計(jì)方法得到。此外，對于性能穩(wěn)定性不高的材料，其設(shè)計(jì)值的選取應(yīng)相對保守。

1.2 工藝要求

適航標(biāo)準(zhǔn)25 部25.605 條規(guī)定：

1）采用的制造方法必須能生產(chǎn)出一個(gè)始終完好的結(jié)構(gòu)。如果某種制造工藝需要嚴(yán)格控制才能達(dá)到此目的，則該工藝必須按照批準(zhǔn)的工藝規(guī)范執(zhí)行。

2）每種新制造方法必須通過試驗(yàn)大綱予以證實(shí)[6]。

對于申請人沒有成熟使用經(jīng)驗(yàn)的工藝方法，應(yīng)作為新工藝編制試驗(yàn)大綱開展工藝鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)大綱中的試驗(yàn)矩陣應(yīng)考慮受工藝影響的力學(xué)性能以及與之關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)，工藝鑒定試驗(yàn)應(yīng)包含典型工藝參數(shù)組合以及對性能有直接影響的各種工藝參數(shù)組合。

此外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注那些材料設(shè)計(jì)值與制造工藝緊密關(guān)聯(lián)的材料及其工藝方法，綜合603 條、605 條和613 條進(jìn)行判斷。

1.3 零部件性能要求

適航規(guī)章25 部25.303 條和25.619條以安全系數(shù)和特殊系數(shù)的形式針對不同類型零部件的性能給出了明確的要求，對于不同的零部件，在不同的預(yù)期使用環(huán)境下，進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)需要按照規(guī)定選取相應(yīng)的安全系數(shù)。所選用的制造技術(shù)應(yīng)按照設(shè)計(jì)資料生產(chǎn)出具備合格安全系數(shù)的零部件。

對于新材料和新工藝，應(yīng)特別關(guān)注材料驗(yàn)證和工藝驗(yàn)證結(jié)果，如果材料驗(yàn)證和/或工藝驗(yàn)證表明結(jié)構(gòu)中的材料強(qiáng)度性能缺乏足夠的穩(wěn)定性，則應(yīng)根據(jù)25.619 條的規(guī)定，按25.621 ～25.625條的要求選取特殊系數(shù)，甚至可使用專用條件來明確特殊系數(shù)。

1.4 損傷容限和疲勞評定要求

適航規(guī)章25 部25.571 條對結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定做了明確的規(guī)定，該條款同時(shí)對強(qiáng)度、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)都提出了要求，規(guī)定了損傷容限和疲勞評定的目的、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、評定依據(jù)和評定內(nèi)容。

2 增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展

2.1 發(fā)展歷程

早在1978 年美國聯(lián)合技術(shù)研究中心就提出名為“激光逐層上釉”工藝（Laser Layer-Glazing Process），但該技術(shù)在當(dāng)時(shí)并未得到足夠重視。

1992 年起，美國、英國等多家研究機(jī)構(gòu)的眾多學(xué)者在小型金屬構(gòu)件激光直接增材制造技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。航空領(lǐng)域的代表性成果是實(shí)現(xiàn)了鈦合金小型、次承力構(gòu)件在美軍飛機(jī)上的驗(yàn)證和裝機(jī)。

我國從2000 年開始加大了對增材制造領(lǐng)域的研究投入，并取得了可喜的研究成果。于2005 年突破了飛機(jī)鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了在型號飛機(jī)上的裝機(jī)工程應(yīng)用。隨后數(shù)年，增材制造生產(chǎn)的零部件先后在多種型號飛機(jī)的研制中得到應(yīng)用[1]。

2.2 增材制造技術(shù)的主要分類

盡管經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，因增材制造技術(shù)的固化方式多種多樣，各分支發(fā)展程度各異，業(yè)內(nèi)并沒有建立統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，按成型技術(shù)原理大致可分為下面幾類[2]。

1）光固化制造成型工藝（SLA）。以光敏樹脂為原料，用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線、由線到面順序凝固，逐層固化、層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。這種方法能簡捷、全自動地制造出表面質(zhì)量和尺寸精度較高、幾何形狀復(fù)雜的原型。

2）疊層實(shí)體制造成型工藝（LOM）。控制系統(tǒng)根據(jù)成型件的分層指令信息，驅(qū)動激光發(fā)生器按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行切割加工，隨后滾壓筒以一定的壓力對切割后的紙帶表面進(jìn)行熱滾壓處理，使層與層之間緊密粘結(jié)，多余的紙帶隨著收紙筒運(yùn)動被回收。該工藝原材料成本低，多用于成型體型較大的產(chǎn)品，如發(fā)動機(jī)的缸體、缸蓋，機(jī)床的床身等。

3）選擇性激光燒結(jié)制造成型工藝（SLS）。送粉滾筒將送粉倉內(nèi)的粉末推移到工作倉上端面，經(jīng)過激光光源的燒結(jié)逐層疊加成型，由于粉材具有自支撐作用，無須再次設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。該工藝可以實(shí)現(xiàn)多種材料的混合成型工藝，為新材料力學(xué)性能研究提供了新思路、新方法。

4）熔融沉積制造成型工藝（FDM）。成型材料和支撐材料通過送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)相應(yīng)的噴嘴，在噴嘴內(nèi)被加熱至熔融狀態(tài)，噴嘴通過成型系統(tǒng)的控制，根據(jù)提前設(shè)定的輪廓信息和填充軌跡做平面運(yùn)動，經(jīng)由噴嘴擠出的材料均勻地平鋪在每一層截面輪廓上，被擠出的絲材在短時(shí)間內(nèi)快速冷卻，并與上一層固化的材料粘連在一起，層層堆積，最終生成所需的實(shí)體零件。

5）激光熔覆成型工藝（FILT）。該工藝送粉方式分為同軸和側(cè)置兩種，其中同軸送粉又分為光內(nèi)同軸送粉和光外同軸送粉。

6）“弧+絲”增材制造工藝。主要采用絲材和電弧放電來完成材料的增材制造工藝過程，該工藝的材料利用率高，沉積效率高，特別適用于大型零部件的成型。

此外，F(xiàn)AA 官網(wǎng)發(fā)布了其首席科學(xué)技術(shù)顧問（CSTA）Terry Khaled 博士的研究報(bào)告，報(bào)告對增材制造技術(shù)進(jìn)行了梳理（見圖1[4]），從原料和固化工藝兩個(gè)維度的不同組合對增材制造技術(shù)的現(xiàn)有組合進(jìn)行了分類梳理。

該報(bào)告對增材制造技術(shù)的梳理并不局限于金屬增材制造。在該研究報(bào)告中，Terry Khaled 博士還指出，與FAA的項(xiàng)目有關(guān)聯(lián)的增材制造技術(shù)類別包括粉末床熔融技術(shù)（Powder Bed Fusion，PBF）和直接能量沉積技術(shù)（Directed Energy Deposition，DED），其中直接能量沉積技術(shù)主要應(yīng)用于維修、修復(fù)項(xiàng)目[4]。

2.3 當(dāng)前主要問題

眾多科研團(tuán)隊(duì)和學(xué)者在多年研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了以下增材制造技術(shù)目前面臨的主要問題[1，8-10]。

1）激光/金屬交互作用行為及能量吸收與有效利用機(jī)制。

2）內(nèi)部冶金缺陷形成機(jī)制及力學(xué)行為。

3）移動熔池約束凝固行為及構(gòu)件晶粒形態(tài)演化規(guī)律。

4）非穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)循環(huán)固態(tài)相變行為及顯微組織形成規(guī)律。

5）內(nèi)力演化規(guī)律及構(gòu)件變形開裂預(yù)防控制。

6）缺乏完善的增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系。

7）缺乏制造缺陷對制件的力學(xué)性能，尤其是疲勞性能的影像數(shù)據(jù)。

8）缺乏增材制造無損檢測驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和缺陷評定方法。

3 增材制造技術(shù)的適航審查重點(diǎn)

3.1 產(chǎn)品性能試驗(yàn)

增材制造技術(shù)按三維模型直接將原料成型為產(chǎn)品，也就是成型過程既得到材料也得到產(chǎn)品，材料性能數(shù)據(jù)不容易確定，相應(yīng)地，產(chǎn)品的性能無法通過材料性能推導(dǎo)確定，需直接關(guān)注產(chǎn)品性能。

基于該特點(diǎn)，應(yīng)綜合603 條、605條和613 條進(jìn)行判斷，僅通過符合性說明（MC1）或分析/計(jì)算（MC2）難以充分證明產(chǎn)品性能的符合性，適航審查應(yīng)加強(qiáng)對試驗(yàn)（MC4）的監(jiān)控，通過足夠的試驗(yàn)（MC4）并使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來表明產(chǎn)品性能的符合性?！白銐颉笔侵冈囼?yàn)數(shù)據(jù)量足以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并得到置信度較高的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

此外，考慮到增材制造技術(shù)的工藝穩(wěn)定性暫時(shí)難以保障，對于具體結(jié)構(gòu)還應(yīng)同時(shí)審查25.303 條和25.619 條的符合性，以選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。

3.2 工藝規(guī)范審查

當(dāng)前增材制造技術(shù)缺乏完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，申請人編制增材制造工藝規(guī)范時(shí)缺乏足夠的上位依據(jù)文件，不同申請人的工藝規(guī)范往往差異較大。因此，增材制造的工藝規(guī)范審查顯得更為重要。工藝規(guī)范審查時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對產(chǎn)品性能影響明顯的工藝參數(shù)的確定原則，還應(yīng)通過較大規(guī)模的工藝鑒定試驗(yàn)來表明工藝過程的穩(wěn)定性，以確認(rèn)按工藝規(guī)范可以持續(xù)生產(chǎn)出性能穩(wěn)定且質(zhì)量合格的零件。

圖1 增材制造技術(shù)（AM）主要分類

與增材制造技術(shù)相關(guān)的無損檢測工藝規(guī)范也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注?？紤]到增材制造技術(shù)可能應(yīng)用新的無損檢測技術(shù)，關(guān)注無損檢測技術(shù)的工藝規(guī)范是必要的。

3.3 工藝實(shí)施過程控制

當(dāng)前的增材制造技術(shù)工藝重復(fù)性不高，對工藝實(shí)施過程的依賴程度較高，應(yīng)通過現(xiàn)場檢查來核實(shí)工藝實(shí)施過程的相關(guān)因素是否符合工藝規(guī)范的規(guī)定?，F(xiàn)場檢查應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注那些對產(chǎn)品性能影響明顯的工藝參數(shù)的實(shí)施過程。該環(huán)節(jié)通常由適航部門的制造檢查人員完 成。

現(xiàn)場檢查中發(fā)現(xiàn)的任何不符合項(xiàng)都應(yīng)詳細(xì)記錄，以便作為工程判斷的依據(jù)。同時(shí)，申請人應(yīng)針對不符合項(xiàng)制定糾正措施?，F(xiàn)場檢查還應(yīng)關(guān)注現(xiàn)場實(shí)施環(huán)節(jié)的偏離記錄是否詳盡，是否得到有效處理且經(jīng)過批準(zhǔn)。

3.4 工藝設(shè)備要求

當(dāng)前增材制造技術(shù)所使用的設(shè)備均為研究團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)、少量建設(shè)應(yīng)用，業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的、普遍接受的增材制造設(shè)備。因此，增材制造的適航審查應(yīng)該更加關(guān)注工藝設(shè)備，通過工藝鑒定試驗(yàn)檢查該設(shè)備是否有能力按要求的工藝參數(shù)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，是否有能力持續(xù)保證預(yù)定的精度，是否經(jīng)過定期的檢修和維護(hù)，以及首次使用或者每一批零件的首件是否經(jīng)過驗(yàn)證或測試。

3.5 人員要求

當(dāng)前增材制造技術(shù)尚未建立行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的人員資質(zhì)體系，申請人或申請人的供應(yīng)商自身應(yīng)建立完善的增材制造人員資質(zhì)管理制度，并確保所有參與增材制造過程的人員均按照該制度進(jìn)行管理。

適航審查應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注人員資質(zhì)管理制度是否包含明確的人員技能要求、培訓(xùn)考試要求、資質(zhì)評定和證件管理要求等方面內(nèi)容。還應(yīng)關(guān)注參與增材制造過程的人員是否嚴(yán)格按照上述管理制度進(jìn)行管理，以確認(rèn)操作人員有能力按照工藝規(guī)范的要求生產(chǎn)出合格的增材制造零部件。

3.6 缺陷檢測與評估

增材制造技術(shù)具備快速制造大型整體結(jié)構(gòu)件的能力，具備制造構(gòu)型拓?fù)?、結(jié)構(gòu)梯度、復(fù)雜度高的結(jié)構(gòu)件的能力，以及具備精密結(jié)構(gòu)制造的能力。金屬增材制造制件的組織和缺陷特征與傳統(tǒng)制件不同，主要表現(xiàn)為組織的不均勻性以及明顯的各向異性，加之主要缺陷類型及分布特征等均與傳統(tǒng)制件差異較大，因此對無損檢測技術(shù)提出了新的要求[3]。業(yè)內(nèi)正在重點(diǎn)研究CT 檢測技術(shù)、激光超聲檢測技術(shù)和在線檢測技術(shù)等可應(yīng)用于增材制造制件的相對較新的無損檢測技術(shù)。

適航審查時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，若申請人采用了磁粉、X 光、滲透、超聲等常規(guī)的無損檢測方法，應(yīng)重點(diǎn)評估該無損檢測方法是否有能力判定工程圖紙規(guī)定的允許缺陷尺寸和部位，檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)是可重復(fù)的，且完成檢驗(yàn)所要求的設(shè)備能夠滿足規(guī)范中的驗(yàn)收要求[7]。若申請人采用了相對較新的無損檢測技術(shù)，則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該無損檢測技術(shù)對缺陷的判定能力，工藝規(guī)范是否經(jīng)過審查、批準(zhǔn)且完整有序，是否可以穩(wěn)定可靠地檢測出制件缺陷。

4 結(jié)束語

增材制造技術(shù)已歷經(jīng)數(shù)十年的研究發(fā)展，在許多領(lǐng)域已有成功應(yīng)用，但在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初期，缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐和使用經(jīng)驗(yàn)，也缺乏與之相適應(yīng)的缺陷評估手段。增材制造技術(shù)對適航審查方法提出了新的要求，相應(yīng)的適航審查方法不應(yīng)照搬傳統(tǒng)制造技術(shù)的審查方法，應(yīng)在充分認(rèn)識增材制造技術(shù)特點(diǎn)的情況下，發(fā)展出適合增材制造技術(shù)特點(diǎn)的適航審查方法，在充分保障民用航空安全的前提下促進(jìn)增材制造技術(shù)在民用航空領(lǐng)域的應(yīng) 用。