羅琳胤，江 武，郝曉寧，劉 棟，馮抗屯，楊 帆

（1.中航通飛研究院有限公司，珠海 519040； 2.北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院，北京 100191； 3.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長沙410200； 4.中國航空制造技術(shù)研究院，北京100024）

起落架是飛機(jī)的主要受力部件，其結(jié)構(gòu)用材至關(guān)重要。A–100鋼強(qiáng)度高、抗疲勞性能和抗沖擊性能優(yōu)越，已成為大型飛機(jī)起落架的主導(dǎo)材料[1]。同時隨著民用飛機(jī)對結(jié)構(gòu)減重、耐腐蝕性要求的提升，TC18高強(qiáng)鈦合金因其具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性優(yōu)異等顯著優(yōu)點(diǎn)，已從起落架次承力結(jié)構(gòu)逐步擴(kuò)展到主要承力結(jié)構(gòu)。目前，起落架大型金屬構(gòu)件主流制造技術(shù)仍是傳統(tǒng)“鍛造成形+機(jī)械切削加工”技術(shù)，鍛造成形需要大型液壓鍛造工業(yè)裝備和大型鍛壓模具及配套工裝，工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件要求高、模具費(fèi)用昂貴；機(jī)械切削加工過程中大量昂貴的A–100、TC18材料被加工去除，材料利用率低，起落架構(gòu)件成本高。隨著高性能合金材料應(yīng)用的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)鍛造+機(jī)加制造技術(shù)越來越難以滿足高性能金屬材料大型復(fù)雜起落架結(jié)構(gòu)的制造需求。 增材制造技術(shù)以金屬粉末、絲材為原材料，以激光、電子束等為熱源，將粉末、絲材逐層熔覆沉積，直接由零件CAD模型完成全致密、高性能、“近終形”復(fù)雜金屬零件的成形制造,相對于鍛件+切削加工“減材”技術(shù)，增材制造在滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上，高性能材料制備與復(fù)雜零件“近凈成形”制造同步完成,具有不受基礎(chǔ)工業(yè)條件制約、無需模具、材料利用率高、制造成本低等諸多優(yōu)勢，代表了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向。以激光同軸送粉熔化沉積成形技術(shù)（DMD）和電子束熔絲沉積成形技術(shù)（EBWD)為代表的增材制造技術(shù)，特別適用于起落架外筒、活塞桿等筒狀結(jié)構(gòu)以及鎖殼復(fù)雜殼體結(jié)構(gòu)的高效制造。

民機(jī)結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù) 研究進(jìn)展

增材制造技術(shù)對高性能金屬大型整體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)成形制造的獨(dú)特經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及其對航空航天裝備研制生產(chǎn)的廣泛實(shí)用性,以美國為代表的先進(jìn)發(fā)達(dá)國家持續(xù)開展了20余年的高性能金屬增材制造技術(shù)研究，美國波音公司在其軍/民用的10個平臺上應(yīng)用了200多個增材制造的零件；GE航空已利用激光增材制造技術(shù)批量制造航空發(fā)動機(jī)使用的燃油噴嘴、低壓渦輪葉片等關(guān)鍵零件；Siciaky公司與洛克希德·馬丁公司采用電子束熔絲增材制造了機(jī)身框、翼梁、接頭等Ti–6Al–4V鈦合金結(jié)構(gòu)件。國內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行高性能金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)研究，目前增材制造技術(shù)領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平。北京航空航天大學(xué)率先在國際上全面突破了長期制約鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等高性能金屬大型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)激光增材制造技術(shù)發(fā)展的“變形開裂”預(yù)防、“力學(xué)性能”控制、“成套裝備”研發(fā)、“標(biāo)準(zhǔn)體系”建立四大瓶頸，生產(chǎn)出30余種鈦合金及超高強(qiáng)度鋼大型整體關(guān)鍵構(gòu)件[2]；西北工業(yè)大學(xué)突破了激光增材制造結(jié)構(gòu)件的輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、整體化成形以及應(yīng)力變形與冶金質(zhì)量控制、成形組織性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，激光增材制造了C919大飛機(jī)翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件樣件[3]；中國航空制造技術(shù)研究院在大型金屬結(jié)構(gòu)的高效電子束熔絲成形以及復(fù)雜形狀功能結(jié)構(gòu)的精密無余量成形方面獲得了重大突破，采用電子束熔絲成形制造的TC4鈦合金零件已在飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用；航空工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所開展了A–100鋼激光直接成形技術(shù)在飛機(jī)起落架上的應(yīng)用技術(shù)研究，在工藝成形、性能、質(zhì)量控制等方面取得了關(guān)鍵性技術(shù)突破[4–6]。

由于民機(jī)增材制造材料適航、成形工藝認(rèn)證、無損檢測方法以及增材結(jié)構(gòu)適航符合性驗(yàn)證方法等關(guān)鍵技術(shù)研究的缺乏，國內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)增材結(jié)構(gòu)民機(jī)應(yīng)用的真正突破。在飛機(jī)產(chǎn)品增材制造適航性分析與符合性驗(yàn)證方法方面，目前國際上主要基于制造商的適航認(rèn)證管理方式。飛機(jī)制造商必須針對所研發(fā)和生產(chǎn)的機(jī)型，依據(jù)適航條例和相關(guān)要求，建立飛機(jī)產(chǎn)品增材制造適航性分析與符合性驗(yàn)證方法，并通過大量的統(tǒng)計、分析和驗(yàn)證試驗(yàn)，達(dá)到適航符合性要求。為推動民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)增材制造的應(yīng)用，中航通飛研究院聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、中國航空制造技術(shù)研究院、中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司組成的民機(jī)結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在民機(jī)預(yù)研和相關(guān)背景型號的支持下，以起落架外筒、鎖臂、鎖殼（圖1）等主承力結(jié)構(gòu)為研究對象，圍繞飛機(jī)產(chǎn)品適航要求開展增材制造設(shè)計要求、原材料金屬粉末/金屬絲規(guī)范、構(gòu)件組織性能與應(yīng)力變形控制、無損檢測方法以及適航驗(yàn)證試驗(yàn)研究，解決了大型整體金屬結(jié)構(gòu)增材制造中工藝成形、性能調(diào)控、內(nèi)部質(zhì)量控制與檢測等技術(shù)難點(diǎn)，激光/電子束增材制造的A–100鋼、TC18鈦合金起落架零件力學(xué)性能基本達(dá)到了同材料鍛件水平，典型元件、全尺寸結(jié)構(gòu)通過了試驗(yàn)考量。同時在增材制造適航要求、材料規(guī)范建立與材料適航、增材制造材料力學(xué)性能的確定以及增材制造工藝認(rèn)證等方面取得了一定的技術(shù)積累，為民用飛機(jī)增材制造技術(shù)鑒定和認(rèn)證奠定了基礎(chǔ)。

民機(jī)起落架增材制造技術(shù) 應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

飛機(jī)起落架傳統(tǒng)“鍛造成形+機(jī)械切削加工”技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在原材料冶金質(zhì)量控制、整體鍛造、熱處理、表面強(qiáng)化及防護(hù)等方面，通過材料、工藝、檢測等控制環(huán)節(jié)保證起落架性能和安全可靠性。不同于傳統(tǒng)制造，增材制造是材料制備與零件成形合二為一，具有粉末/絲材進(jìn)入熔池熔化凝固、逐層堆積成型的工藝技術(shù)特征，增材制件組織、缺陷和性能介于鍛件和鑄件之間，對比適航規(guī)章材料和工藝的要求，增材制造技術(shù)的鑒定和認(rèn)證是其廣泛應(yīng)用于民機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的主要環(huán)節(jié)[7–8]，主要涉及增材制造材料規(guī)范體系、工藝認(rèn)證、材料力學(xué)性能鑒定以及內(nèi)部質(zhì)量控制與無損檢測等關(guān)鍵技術(shù)[9]。

圖1 起落架激光/電子束增材制造零件Fig.1 Landing gear parts by laser / electron beam additive manufacturing

1 增材制造材料規(guī)范建立

飛機(jī)零件材料質(zhì)量直接影響零件質(zhì)量，從而影響到飛機(jī)的適航性。適航規(guī)章對材料適用性和耐久性提出了多樣且復(fù)雜的要求，零件所用的材料規(guī)范必須建立在試驗(yàn)或使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增材制造材料（制件）規(guī)范的建立主要考慮基于統(tǒng)計的材料規(guī)范建立方法[10]和基于增材制造材料新工藝的特殊要求。

基于統(tǒng)計的材料規(guī)范建立方法核心是通過不同材料性能間的相關(guān)性分析來確定哪些性能需列在材料規(guī)范中，統(tǒng)計方法可保證設(shè)計所使用的性能都得到有效控制；通過確定材料性能的接收限，使被控制的材料性能能夠足夠高概率（99%）地達(dá)到設(shè)計將使用的性能；為充分考慮材料生產(chǎn)中可能的變異，統(tǒng)計材料性能接收限時，需要樣本來自于不少于3爐、3批生產(chǎn)批次。增材制造技術(shù)特殊要求主要體現(xiàn)在：增材制造工藝不僅包含沉積成形工藝和熱處理要求，還包含對原材料粉/絲材料規(guī)范的要求；增材制件采用金屬粉末/絲材作為原材料，經(jīng)逐點(diǎn)、逐道、逐層堆積而成，有著復(fù)雜的熔池冶金行為，制件化學(xué)成分中主要合金元素的含量、允許偏差以及雜質(zhì)元素、氣氛中氧含量等對制件的組織和性能有著重要的影響；激光/電子束增材沉積過程在氬氣/氦氣或真空保護(hù)氣氛下進(jìn)行，沉積的整個過程中要檢測氧含量或真空度的變化，沉積層和基材之間或相鄰道次之間要有足夠的能量使其完全熔合。

增材制造原材料粉末、絲材規(guī)范是材料規(guī)范建立的基礎(chǔ)，激光送粉增材制造工藝對原材料粉末最核心的要求為流動性要求，而粉末的流動性受粉末顆粒形狀、粒度及粒度分布、表面吸附狀態(tài)等綜合因素的影響，粉末規(guī)范主要涉及制粉棒材、制粉設(shè)備、粉末化學(xué)成分、粉末形狀及顆粒度等技術(shù)要求；絲材的化學(xué)成分波動以及雜質(zhì)含量、表面質(zhì)量和剛性對電子束增材制件的內(nèi)部質(zhì)量有著較大影響，絲材規(guī)范涉及絲材的化學(xué)成分、直徑、單卷/盤重量、外觀質(zhì)量以及力學(xué)性能等技術(shù)要求。增材制造工藝過程控制（PCD）重點(diǎn)識別和控制關(guān)鍵工序、工藝參數(shù)、關(guān)鍵工藝設(shè)備，在多個生產(chǎn)爐批制件靜力性能、沖擊韌性、疲勞極限、斷裂性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計分析方法建立的材料規(guī)范涵蓋化學(xué)成分及允許偏差（表1）、原材料及制備工藝、高低倍組織、力學(xué)性能、內(nèi)部質(zhì)量和無損檢測等要求。

2 增材制造工藝認(rèn)證

基于制造商的適航認(rèn)證管理方式，增材制造工藝認(rèn)證采用基于統(tǒng)計認(rèn)證的程序，通過供應(yīng)商前期大量的試驗(yàn)來理解和降低特定制件制造過程中工藝不確定性，并在隨后批產(chǎn)中進(jìn)行持續(xù)質(zhì)量控制測試來保證增材制造工藝的穩(wěn)定性。認(rèn)證主要包括工藝/供應(yīng)商批準(zhǔn)、沉積參數(shù)和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)、制造硬件批準(zhǔn)、制造大綱批準(zhǔn)/制造工藝固化4個方面[11]。

工藝包括熔覆熱源、熱源參數(shù)范圍、填充材料、填充方法、氣氛、沉積路徑實(shí)現(xiàn)和粉末送料方法，工藝鑒定通過拉伸性能數(shù)據(jù)的分散性來表征，X向（掃描方向）、Y向（步進(jìn)方向）和Z向（堆積增高方向）每個方向的拉伸性能數(shù)據(jù)不少于50個，且來自于3種以上不同工藝配置和3種以上不同填充熱源，滿足拉伸性能極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度最大變異系數(shù)分別不大于增材制造材料規(guī)范建立和材料力學(xué)性能鑒定兩部分的工藝方法才可獲得批準(zhǔn)。沉積參數(shù)批準(zhǔn)是針對不同的沉積工藝路徑，而沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)是針對某個制件的具體沉積工藝過程。沉積參數(shù)批準(zhǔn)的沉積路徑由一次沉積的寬度、多次沉積的寬度和相鄰二次沉積間的重疊面等參數(shù)定義，每個沉積路徑包括粉密度、送料速率、熔池移動速率、沉積相鄰兩層之間的最小時間間隔、粉的種類和供應(yīng)商等參數(shù)；沉積/幾何參數(shù)包括基體材料厚度、沉積長度、高度和寬度，不同沉積路徑間相交的種類、方向和角度，沉積之間相交的長度、高度和寬度等。用于驗(yàn)證沉積參數(shù)和沉積/幾何參數(shù)的試驗(yàn)制件應(yīng)有足夠數(shù)量，其制造工藝覆蓋工藝參數(shù)的上、下限和中間值；通過X、Y、Z 3個不同方向試樣的拉伸性能、應(yīng)變疲勞性能表明對材料規(guī)范要求的符合性。通過制造至少一個鑒定批產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)制造硬件的批準(zhǔn)，鑒定批產(chǎn)品應(yīng)符合材料規(guī)范所有要求并通過接收試驗(yàn)；零件X、Y、Z每個方向應(yīng)取12個以上試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，統(tǒng)計結(jié)果需滿足拉伸性能最大變異系數(shù)和單個最小值要求。固化的工藝元素主要包括基材（材料規(guī)范和尺寸）、工具/工裝（沉積、熱處理、熱等靜壓）、填充材料來源和控制要求、送料的方法和控制程序、預(yù)熱溫度和時間、零件沉積工藝參數(shù)和控制范圍、熱處理/熱等靜壓工藝參數(shù)、超聲波檢查方法、性能試驗(yàn)取樣和試驗(yàn)頻次要求等，所有增材制造產(chǎn)品應(yīng)按批準(zhǔn)的固化工藝和制造大綱進(jìn)行生產(chǎn)，用以保證材料性能穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。

3 材料力學(xué)性能鑒定

材料力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計的原始依據(jù)，增材制造商根據(jù)批準(zhǔn)的材料規(guī)范和認(rèn)證通過的工藝，開展產(chǎn)品增材制造和材料力學(xué)性能鑒定。激光/電子束成形制件的熱處理工藝環(huán)節(jié)較多，各熱處理工藝參數(shù)及工藝間的相互匹配等對材料最終的組織性能均會產(chǎn)生一定的影響，優(yōu)化后的A–100、TC18材料熱處理工藝過程和參數(shù)見表2。

用于材料力學(xué)性能鑒定的增材制件須滿足材料規(guī)范的質(zhì)量要求，數(shù)據(jù)樣本考慮爐次/批次且符合增材制造材料主要性能數(shù)據(jù)要求（表3），采用正態(tài)分布的Aderson–Darling檢驗(yàn)方法確認(rèn)數(shù)據(jù)樣本屬同一分布，材料拉伸屈服強(qiáng)度Fty、極限強(qiáng)度Ftu的A、B和S基準(zhǔn)值為試驗(yàn)統(tǒng)計值，擠壓、壓縮屈服強(qiáng)度是導(dǎo)出值，激光/電子束增材A–100、TC18材料主要力學(xué)性能S基準(zhǔn)值及其批間、批內(nèi)變異系數(shù)見表4。試驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：

表3 增材制造材料主要性能數(shù)據(jù)要求Table 3 Main performance data requirements of additive manufacturing materials

（1）不同于鍛件X向(縱向)力學(xué)性能高、Y向（長橫向）和Z向（短橫向）力學(xué)性能低的特性，增材制件在X向(掃描向)和Y向（步進(jìn)向）性能高且趨于一致，Z向（增高向）性能低；

（2）TC18激光、電子束增材拉伸極限強(qiáng)度差異很小，基本到達(dá)同材料鍛件水平；

（3）TC18激光、電子束增材拉伸極限強(qiáng)度批間變異系數(shù)比同材料鍛件略大，但工藝穩(wěn)定性滿足增材AMS4999A中變異系數(shù)不大于3.3%的要求；

（4）A–100激光增材拉伸極限強(qiáng)度與同材料鍛件相當(dāng),電子束增材略??；批間、批內(nèi)強(qiáng)度性能變異系數(shù)很小，A–100激光、電子束增材制造工藝穩(wěn)定性好。

4 內(nèi)部冶金質(zhì)量控制技術(shù)

激光增材制造牽涉到光粉交互作用和熔池內(nèi)復(fù)雜冶金行為，具有逐點(diǎn)、逐道、逐層堆積的工藝特征，增材制件內(nèi)部缺陷的分布位置、大小與增材制造工藝參數(shù)、掃描路徑等密切相關(guān)，沉積截面積越大、道間搭接區(qū)域越多，產(chǎn)生內(nèi)部冶金缺陷的風(fēng)險也越大。TC18激光增材內(nèi)部缺陷有未熔合、氣孔和裂紋，A–100激光增材內(nèi)部缺陷有局部未熔合、微氣孔、顯微疏松。未熔合是激光增材制造過程中最為普遍的一種內(nèi)部冶金缺陷，局部未熔合缺陷具有“二維”或“近二維”幾何特征，且最大尺寸方向與激光增材制造沉積增高方向垂直或近似垂直。熔化能量高低（能量過剩率大?。┦怯绊懳慈酆闲鸵苯鹑毕菪纬傻闹饕蛩兀瑸轭A(yù)防未熔合缺陷的產(chǎn)生，主要考慮激光增材制造過程的傳熱行為和稀釋率（控制在20%～50%），確保下一層激光熔化沉積時對已沉積層基體的重熔。此外控制粉末質(zhì)量，采用內(nèi)部孔隙率低的等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝制備原材料粉末，可顯著減少外來型氣孔缺陷；后處理過程中引入熱等靜壓工藝，也可以有效彌合內(nèi)部微小氣孔及未熔合缺陷。

電子束增材制造的缺陷形式有氣孔和未熔合，熔絲成形過程中產(chǎn)生的氣孔可分為內(nèi)壁光滑型、內(nèi)壁球狀組織型以及內(nèi)壁不規(guī)則組織型[12]。氣孔形成的主要原因是絲材表面不清潔和送絲不穩(wěn)定、路徑變化、束流波動等工藝因素，嚴(yán)格控制成形絲材表面清潔度及絲材加工質(zhì)量，優(yōu)化成形工藝參數(shù)以及采用熱等靜壓技術(shù)，氣孔缺陷能得到有效控制。電子束熔絲成形過程中受工藝不穩(wěn)定的影響，會在上下各沉積層之間或者相鄰沉積道之間形成未致密冶金結(jié)合的未熔合缺陷。通過工藝參數(shù)匹配優(yōu)化和采取加大電子束功率提高工藝裕度的措施，可減少或避免未熔合缺陷。

5 無損檢測技術(shù)

根據(jù)增材制造產(chǎn)品的組織和內(nèi)部缺陷的特點(diǎn)，A–100制件內(nèi)部質(zhì)量和表面冶金缺陷采用磁力探傷、超聲波、X射線等無損檢測方法，TC18制件內(nèi)部缺陷采用超聲波、X射線檢驗(yàn)方法，激光/電子束增材超聲波檢測研究表明：

（1）A–100增材制件超聲波檢測的底波損失、聲速與鍛件相當(dāng)，噪聲幅度略大于鍛件，可采用A–100鍛件制作A–100增材的超聲波檢測對比試塊。

（2）TC18增材制件在同一方向上不同位置的聲速、底波衰減差異不大，不同方向之間聲速、底波衰減差異明顯，存在檢測的方向性，該特性與TC18鍛件相同。

（3）TC18增材制件在垂直沉積增高的X、Y方向檢測噪聲較大且幅度相當(dāng)，在沿沉積增高的Z方向檢測噪聲較?。慌cTC18鍛件相比，TC18增材制件超聲波檢測的噪聲水平總體較高且雜波較多，增加了增材制件缺陷檢出的難度。

表4 激光/電子束增材制造材料主要力學(xué)性能Table 4 Main mechanical properties of laser/electron beam additive manufacturing materials

（4）增材制件層間未熔合面積型缺陷一般與增材沉積增高方向垂直，且沿某一深度層分布，因此檢測時聲束入射方向沿沉積增高方向最有利于缺陷的檢出。

起落架外筒、活塞桿零件等為大型筒狀結(jié)構(gòu)，鎖殼為多孔復(fù)雜殼體，這類零件的特點(diǎn)是外側(cè)有多個過渡臺階或耳片接頭，零件無損檢測可檢性比例低；對于成形制件微細(xì)孔等未熔合缺陷，缺陷尺寸方位大多在50～200μm內(nèi)，傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)難以高可靠度、高置信度地檢測出復(fù)雜接頭耳片、臺階曲面的缺陷，需要根據(jù)起落架典型結(jié)構(gòu)形式、成形工藝方法以及內(nèi)部缺陷特征，發(fā)展高可靠度的無損檢測技術(shù)及方法，以保證增材制件的檢測質(zhì)量。

結(jié)論

飛機(jī)起落架用材已經(jīng)形成了低合金超高強(qiáng)度鋼、高合金超高強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)鈦合金合用的材料體系，增材制造技術(shù)要真正實(shí)現(xiàn)在民機(jī)起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，需要基于設(shè)計制造一體化、低成本快速制造的理念以及結(jié)構(gòu)完整性要求，通過試樣–典型元件–零件結(jié)構(gòu)綜合驗(yàn)證試驗(yàn)迭代優(yōu)化，確定并固化從材料、成形到后處理的各個技術(shù)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能的均勻性、穩(wěn)定性和可靠性；同時，需要深刻理解適航規(guī)章對新材料、新工藝的要求，建立材料適航、工藝認(rèn)證和材料性能鑒定的程序、方法，提高增材制造適航驗(yàn)證技術(shù)成熟度，完善制件材料標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。