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(guó)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。空中客車公司2015 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(guó)內(nèi)學(xué)者十幾年來一直致力于為國(guó)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(shì)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(dòng)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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)材料性能提出要求，對(duì)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(guó)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(hào)，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(dòng)機(jī)制造的增材制造技術(shù)還需要滿足《航空發(fā)動(dòng)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(duì)損傷可能對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)，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(duì)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(duì)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(duì)于申請(qǐng)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(duì)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(duì)不同類型零部件的性能給出了明確的要求，對(duì)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(duì)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(píng)定要求

適航規(guī)章25 部25.571 條對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定做了明確的規(guī)定，該條款同時(shí)對(duì)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(píng)定的目的、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、評(píng)定依據(jù)和評(píng)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(guó)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(guó)、英國(guó)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(guó)從2000 年開始加大了對(duì)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(hào)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(hào)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(zhǎng)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(jiǎn)捷、全自動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(cāng)內(nèi)的粉末推移到工作倉(cāng)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(dòng)，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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和缺陷評(píng)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(duì)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。“足夠”是指試驗(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(duì)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(qǐng)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(qǐng)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(duì)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(cè)工藝規(guī)范也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。考慮到增材制造技術(shù)可能應(yīng)用新的無損檢測(cè)技術(shù)，關(guān)注無損檢測(cè)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(duì)工藝實(shí)施過程的依賴程度較高，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)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。現(xiàn)場(chǎng)檢查應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注那些對(duì)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(chǎng)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(qǐng)人應(yīng)針對(duì)不符合項(xiàng)制定糾正措施。現(xiàn)場(chǎng)檢查還應(yīng)關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(qǐng)人或申請(qǐng)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(píng)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(cè)與評(píng)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)洹⒔Y(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(duì)無損檢測(cè)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(cè)技術(shù)、激光超聲檢測(cè)技術(shù)和在線檢測(cè)技術(shù)等可應(yīng)用于增材制造制件的相對(duì)較新的無損檢測(cè)技術(shù)。

適航審查時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，若申請(qǐng)人采用了磁粉、X 光、滲透、超聲等常規(guī)的無損檢測(cè)方法，應(yīng)重點(diǎn)評(píng)估該無損檢測(cè)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(qǐng)人采用了相對(duì)較新的無損檢測(cè)技術(shù)，則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)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(cè)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(píng)估手段。增材制造技術(shù)對(duì)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(shí)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。