■ 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（AM）開辟了產(chǎn)品設計、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、線、面是增材制造的三要素，該技術基于離散/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、電力等領域的應用日益廣泛。

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

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。通過確認設計資料符合適用規(guī)章的要求，審查所生產(chǎn)的產(chǎn)品符合經(jīng)批準的設計資料，以確認民用航空產(chǎn)品沒有不安全特 征。

隨著增材制造技術的深入發(fā)展，勢必將在民用航空領域逐步推廣應用，適航審查工作也將涉及增材制造技術。為促進工業(yè)技術發(fā)展，推動新技術在民用航空領域的應用，適航審查方法應進行相應的優(yōu)化發(fā)展。

1 適航規(guī)章及程序?qū)χ圃旒夹g的要求

以中國民用航空規(guī)章《運輸類飛機適航標準》（CCAR-25-R4）為例，其中有多項條款對制造技術提出了要求。適航標準的要求往往始于零部件的設計階段，同時對零部件所選用的制造技術也提出了相應的要求。

類似地，適航規(guī)章23 部、27 部、29 部均有相應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行了調(diào)整，但與本節(jié)內(nèi)容相關的要求依然被保留在修訂稿中[5]。

除上述規(guī)章外，應用于民用航空發(fā)動機制造的增材制造技術還需要滿足《航空發(fā)動機適航規(guī)定》（CCAR-33）的相關規(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 條對材料的強度性能和材料的設計值進行了明確的規(guī)定[6]。其中，25.613（a）條款要求材料的強度設計值必須建立在足夠多的試驗基礎上通過統(tǒng)計方法得到，且該設計值必須是官方批準的；25.613（b）條款要求設計值的選擇必須保證任何結(jié)構(gòu)因材料偏差引起強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)在民機領域成熟應用的材料，根據(jù)其使用經(jīng)驗，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建立材料規(guī)范。

材料的設計值通常取自適航部門可接受的技術標準或手冊，否則應進行數(shù)量充分的材料性能試驗（MC4）并通過統(tǒng)計方法得到。此外，對于性能穩(wěn)定性不高的材料，其設計值的選取應相對保守。

1.2 工藝要求

適航標準25 部25.605 條規(guī)定：

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

2）每種新制造方法必須通過試驗大綱予以證實[6]。

對于申請人沒有成熟使用經(jīng)驗的工藝方法，應作為新工藝編制試驗大綱開展工藝鑒定試驗，試驗大綱中的試驗矩陣應考慮受工藝影響的力學性能以及與之關聯(lián)的工藝參數(shù)，工藝鑒定試驗應包含典型工藝參數(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，應重點關注那些材料設計值與制造工藝緊密關聯(lián)的材料及其工藝方法，綜合603 條、605 條和613 條進行判斷。

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，在不同的預期使用環(huán)境下，進行零件設計時需要按照規(guī)定選取相應的安全系數(shù)。所選用的制造技術應按照設計資料生產(chǎn)出具備合格安全系數(shù)的零部件。

對于新材料和新工藝，應特別關注材料驗證和工藝驗證結(jié)果，如果材料驗證和/或工藝驗證表明結(jié)構(gòu)中的材料強度性能缺乏足夠的穩(wěn)定性，則應根據(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，該條款同時對強度、細節(jié)設計和制造技術都提出了要求，規(guī)定了損傷容限和疲勞評定的目的、設計準則、評定依據(jù)和評定內(nèi)容。

2 增材制造技術的研究進展

2.1 發(fā)展歷程

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

1992 年起，美國、英國等多家研究機構(gòu)的眾多學者在小型金屬構(gòu)件激光直接增材制造技術領域進行了大量的研究。航空領域的代表性成果是實現(xiàn)了鈦合金小型、次承力構(gòu)件在美軍飛機上的驗證和裝機。

我國從2000 年開始加大了對增材制造領域的研究投入，并取得了可喜的研究成果。于2005 年突破了飛機鈦合金小型、次承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造關鍵技術，并成功實現(xiàn)了在型號飛機上的裝機工程應用。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的研制中得到應用[1]。

2.2 增材制造技術的主要分類

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)一的分類標準，按成型技術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，用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線、由線到面順序凝固，逐層固化、層層疊加構(gòu)成一個三維實體。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、幾何形狀復雜的原型。

2）疊層實體制造成型工藝（LOM）?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)成型件的分層指令信息，驅(qū)動激光發(fā)生器按照預定的軌跡進行切割加工，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)動機的缸體、缸蓋，機床的床身等。

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，無須再次設計支撐結(jié)構(gòu)。該工藝可以實現(xiàn)多種材料的混合成型工藝，為新材料力學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構(gòu)送進相應的噴嘴，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)提前設定的輪廓信息和填充軌跡做平面運動，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)布了其首席科學技術顧問（CSTA）Terry Khaled 博士的研究報告，報告對增材制造技術進行了梳理（見圖1[4]），從原料和固化工藝兩個維度的不同組合對增材制造技術的現(xiàn)有組合進行了分類梳理。

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

2.3 當前主要問題

眾多科研團隊和學者在多年研究的基礎上，總結(jié)了以下增材制造技術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制。

2）內(nèi)部冶金缺陷形成機制及力學行為。

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)件變形開裂預防控制。

6）缺乏完善的增材制造標準體系。

7）缺乏制造缺陷對制件的力學性能，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收標準和缺陷評定方法。

3 增材制造技術的適航審查重點

3.1 產(chǎn)品性能試驗

增材制造技術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，相應地，產(chǎn)品的性能無法通過材料性能推導確定，需直接關注產(chǎn)品性能。

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

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

3.2 工藝規(guī)范審查

當前增材制造技術缺乏完善的標準體系，申請人編制增材制造工藝規(guī)范時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)范審查時應重點關注對產(chǎn)品性能影響明顯的工藝參數(shù)的確定原則，還應通過較大規(guī)模的工藝鑒定試驗來表明工藝過程的穩(wěn)定性，以確認按工藝規(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（AM）主要分類

與增材制造技術相關的無損檢測工藝規(guī)范也應重點關注?？紤]到增材制造技術可能應用新的無損檢測技術，關注無損檢測技術的工藝規(guī)范是必要的。

3.3 工藝實施過程控制

當前的增材制造技術工藝重復性不高，對工藝實施過程的依賴程度較高，應通過現(xiàn)場檢查來核實工藝實施過程的相關因素是否符合工藝規(guī)范的規(guī)定?，F(xiàn)場檢查應重點關注那些對產(chǎn)品性能影響明顯的工藝參數(shù)的實施過程。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)的任何不符合項都應詳細記錄，以便作為工程判斷的依據(jù)。同時，申請人應針對不符合項制定糾正措施?，F(xiàn)場檢查還應關注現(xiàn)場實施環(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。

3.4 工藝設備要求

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

3.5 人員要求

當前增材制造技術尚未建立行業(yè)統(tǒng)一標準的人員資質(zhì)體系，申請人或申請人的供應商自身應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行管理。

適航審查應重點關注人員資質(zhì)管理制度是否包含明確的人員技能要求、培訓考試要求、資質(zhì)評定和證件管理要求等方面內(nèi)容。還應關注參與增材制造過程的人員是否嚴格按照上述管理制度進行管理，以確認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)型拓撲、結(jié)構(gòu)梯度、復雜度高的結(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提出了新的要求[3]。業(yè)內(nèi)正在重點研究CT 檢測技術、激光超聲檢測技術和在線檢測技術等可應用于增材制造制件的相對較新的無損檢測技術。

適航審查時應當注意，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，應重點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，檢驗結(jié)果應是可重復的，且完成檢驗所要求的設備能夠滿足規(guī)范中的驗收要求[7]。若申請人采用了相對較新的無損檢測技術，則應重點關注該無損檢測技術對缺陷的判定能力，工藝規(guī)范是否經(jīng)過審查、批準且完整有序，是否可以穩(wěn)定可靠地檢測出制件缺陷。

4 結(jié)束語

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