大型整体金属结构增材制造技术适航验证

大型整体金属结构增材制造技术适航验证江 武, 刘木君, 郝晓宁, 罗琳胤（中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519040）摘要：针对民用飞机主承力结构金属增材制造技术适航验证方面存在的问题，开展金属结构增材制造技术适航验证研究。通过增材制造技术适用适航条款分析，给出了民用飞机金属结构增材制造技术适航验证思路，包括材料规范的建立、增材制造工艺的认证、材料强度性能的确定、结构特殊系数的选取和结构性能的验证，对每项验证方法给出了具体实施途径。以某型号前起落架支柱外筒增材制造A-100超高强度钢为例，给出了大型整体金属结构增材制造技术适航验证具体实施方案。关键词：增材制造；适航验证；材料规范；材料强度性能；结构特殊系数；结构验证doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000078中图分类号：V250.1 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2019)02-0090-09增材制造技术以金属粉末、金属丝材为原材料，以激光、电子束等为热源，将粉末、丝材逐层熔覆沉积，直接由零件CAD模型完成全致密、高性能、“近终形”复杂金属零件的成形制造，是一种低成本、快速、高效、数字化的先进制造技术，尤其适合于飞机结构大型、高性能、复杂金属结构件和功能件的快速试制，无需模具及锻造工业装备，材料利用率大幅度提高，并具有响应快、成本低、柔性高效等显著特点[1]。以激光束和电子束作为能量源的增材制造技术，由于二者各自特点的不同，在航空、航天领域都得到协调发展[2]。Boeing公司已在X-45、X-50无人机、F-18、F-22战斗机项目中应用了金属增材制造技术，目前已制定了一套为增材制造项目量身定做的技术成熟度等级指南[3]。沈阳飞机设计研究所在A-100钢激光直接沉积成形起落架综合验证技术方面开展了充分的研究工作，试制的某型飞机起落架实现了领先试用[4]。美国联邦航空管理局FAA批准了GE公司采用选区激光熔化技术（selective laser melting，SLM）制造的一个航空发动机传感器壳体应用于GE-9X 系列商用发动机。Air Bus公司通过对飞机短舱铰链进行拓扑优化设计，采用金属增材制造技术制造，使最终制造的零件减重60%，并解决了原有设计所存在的使用过程中高应力集中问题。西北工业大学采用激光立体成形（laser solid forming，LSF）技术制造了长达3010 mm的C919飞机钛合金中央翼1#肋缘条，但尚未实现装机应用。梯度复合化结构是指由不同材料组成的同一构件，均质材料的变形效率大多比较单一，无法实现构件服役对结构性能的要求，采用4D打印具有3D打印的工艺优势，可以实现异种材料梯度结构的制造，可以更好发挥异种材料梯度结构的性能优势[5]。增材制造技术的鉴定和认证是其广泛应用于关键结构部件的主要环节[6]，涉及增材制造技术成熟度、关键结构材料体系标准和适航验证技术[7]。本工作针对应用于民用飞机主承力结构的金属增材制造技术适航验证问题，以及大型整体化增材制造结构的应用优势[8]，依据适航规章要求，逐一开展大型整体金属结构增材制造技术适用适航条款验证分析并给出实施途径，并以某型号前起落架外筒支柱增材制造A-100超高强度钢为应用对象，给出大型整体金属结构增材制造技术适航验证具体实施方案。1 适航条款要求及验证思路《中国民用航空规章》第25部运输类飞机适航标准CCAR25—R4与增材制造技术相关的条款涉及材料、工艺和结构三个方面，具体条款为CCAR25.571条结构的损伤容限和疲劳评定、CCAR25.601收稿日期：2018-07-16；修订日期：2018-10-28基金项目：民机科研（MJ-2014-G-28）通讯作者：江武（1984—），男，硕士，高级工程师，研究方向为飞机结构设计及材料选用，（E-mail）jiangwu@avicgeneral.com。2019 年第 39 卷航　空　材　料　学　报2019，Vol. 39第 2 期第 90 – 98 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALSNo.2 pp.90 – 98条总则、CCAR25.603条材料、CCAR25.605条制造方法、CCAR25.613条材料的强度性能和材料的设计值和CCAR 25.621条铸件系数。（1）CCAR25.571结构的损伤容限和疲劳评定条款主要内容：对可能引起灾难性破坏的每一结构部分应进行损伤容限和疲劳评定。主要验证思路：考虑到增材制造技术所制造的材料尚未建立材料疲劳和损伤容限性能，应通过实验方法确定疲劳和损伤容限材料性能，包括疲劳性能、断裂韧度、裂纹扩展速率和应力腐蚀开裂等，并通过全尺寸零件疲劳和损伤容限性能实验进行产品验证。（2）CCAR25.601总则条款主要内容：每个有疑问的设计细节和零件的适用性必须通过实验确定。主要验证思路：考虑到增材制造结构应用于飞机主承力结构案例较少，需对所应用的产品进行实验验证。（3）CCAR25.603材料条款主要内容：其损坏可能对安全性有不利影响的零件所用材料规范应建立在实验基础上。主要验证思路：大型整体金属结构属于对飞机安全有不利影响的零件，且尚无满足适航要求的材料规范，需通过实验方法建立增材制造材料规范。（4）CCAR25.605制造方法条款主要内容：飞机的每种新制造方法必须通过实验大纲予以证实。主要验证思路：增材制造结构尚无民用飞机主结构应用，所以增材制造技术属于新制造方法，应通过实验方法进行验证。（5）CCAR25.613材料的强度性能和材料的设计值条款主要内容：材料的强度性能必须以足够的材料实验为依据（材料应符合经批准的标准），在实验统计的基础上制定设计值。主要性能应具有A/B基准值。主要验证思路：采用经批准的增材制造材料规范，通过实验建立材料的强度性能，并且通过统计方法对实验数据进行分析，并获得A/B基准值。（6）CCAR25.621铸件系数条款主要内容：对于关键铸件应取不小于1.25的铸件系数。增材制造技术可能需要参照铸件系数采用特殊系数，属于增材制造技术专用条件的范畴。主要验证思路：增材制造组织、缺陷和性能介于锻件和铸件之间，且更加接近于锻件，而锻件无特殊系数，通过零件性能、缺陷和质量控制对增材制造材料进行评定，确定增材制造结构是否需取结构特殊系数。根据上述金属结构增材制造技术适用适航条款和验证思路分析，借鉴复合材料、铸件和焊接结构的适航验证经验，为了表明其在材料、工艺和结构方面的适航符合性，可按照图1中的适航验证总体思路对金属结构增材制造技术进行适航验证，包括材料规范的建立、增材制造工艺的认证、材料强度性能的确定、结构特殊系数选取和结构性能的验证。

2 增材制造材料规范的建立根据增材制造材料工艺特点以及适航规章要求，增材制造材料规范的建立主要应考虑两个方面的内容，一是基于统计的材料规范建立方法[9]；二是基于增材制造材料新工艺的特殊要求。2.1 基于统计的材料规范建立方法根据材料规范建立的一般要求，通常材料规范中包含三方面的技术要求：（1）直接影响材料性能/功能的材料生产工艺要求；（2）直接影响材料性能/功能的材料组成和组织结构；（3）能够实现材料性能全面控制的代表性的材料性能项目。基于统计的材料规范建立方法核心是通过不同材料性能间的相关性分析来确定哪些性能需列在材料规范中，统计方法可保证设计所使用的性能都得到有效控制。采用的措施包括确定材料性能的接收限，使得被控制的材料性能能够足够高概率（99%）地达到设计将使用的性能。材料性能接收限的确定分几种情况考虑：性能最低值接收限，为性能分布1%概率对应值，如强度性能；性能最高值接收限，为性能分布99%概率对应值，如高强度Establishment of materialspecification and certification of processDetermination of material strength propertiesSelection of structurespecial factorVerification of

structural performance CCAR25.603CCAR25.605CCAR25.571CCAR25.613CCAR25.621CCAR25.601 图 1 金属结构增材制造技术适航验证总体思路Fig. 1 General idea of airworthiness verification of metallic structure additive manufacturing technology第 2 期大型整体金属结构增材制造技术适航验证91钢用于控制疲劳性能的强度值；性能最低和最高两边约束接收限，最低和最高值为性能分布上下各0.5%概率对应值。统计材料性能接收限时，为充分考虑材料生产中可能的变异，需要样本来自于多个生产批次，一般不少于3炉。样本量较小时，采用假设正态分布的1%概率点对应值（S基值）作为材料性能最小值的接受限；在样本量积累足以计算得到A基准值时，材料规范中的材料性能接收限应该修正为A基准值，以保证更加可靠。材料性能建立过程中还需考虑材料规格的划分，需根据材料性能数据统计不同规格材料性能是否来自于同一母体。2.2 增材制造技术特殊性要求AMS 4999A所给出的材料鉴定程序是基于统计学鉴定的经典案例，其中具体部件制造的不确定性通过前期大量的实验进行理解，并在后续制造过程中进行持续的质量控制测试[10-11]。本工作以AMS4999A作为增材制造材料规范建立的范本，从工艺、性能、内部质量和质量控制方面阐述增材制造材料规范建立的主要要求[12]。（1）工艺要求增材制造工艺要求中包括了制备用原材料粉/丝材料规范要求、沉积工艺要求和热处理要求。沉积工艺要求中包括了在沉积层和基材之间或相邻道次之间要有足够的能量使其完全熔合的内容，其他内容与常规材料规范要求基本一致。（2）性能要求材料性能的方向性在AMS 4999和AMS4999A要求中存在较大的差异。AMS 4999将X向性能归为一组，性能要求最高；Y向和Z向性能归为一组，性能要求较低。而AMS 4999A将X向和Y向性能归为一组，Z向单独归为一组。增材制造技术制备材料过程中存在沉积路径策略选择，沉积路径主要是基于组织、缺陷和性能要求，通常采用X和Y方向交替进行沉积，导致X和Y向性能更加趋于一致。基于增材制造技术工艺的特殊性及AMS 4999A中的要求，在增材制造材料规范建立过程中可将X和Y向性能归为一组，Z向性能单独归为一组。（3）内部质量要求增材制造材料内部质量同时采用超声波和射线两种检测手段，而变形产品只进行超声检查、铸造产品只进行射线检查，这反映了直接沉积产品的组织和缺陷的特点，可以更好地保障增材制造材料内部质量。超声波检测主要检测Z向缺陷，针对增材制造Ti-6Al-4V钛合金，给出了不同厚度超声波检测不同等级要求。射线检测可在粗加工或精加工状态进行，标准规定产品上不允许有裂纹和未完全熔化，并对孔洞尺寸、间隙及某一区域气孔尺寸进行了定量规定。（4）质量控制要求质量控制要求中除了包括传统的验收类检验（如成分、组织、缺陷和力学性能等）之外，同时包括了工艺和供应商批准、沉积和沉积/几何参数批准、制造大纲批准和固化生产工艺等工艺控制要求。增材制造材料规范的建立应采用基于统计的材料规范建立方法，并考虑增材制造技术特殊性要求进行，规范中应重点关注工艺要求、性能要求、内部质量要求和质量控制要求。3 增材制造工艺认证AMS4999A中规定的增材制造工艺认证程序是基于统计认证的典型示例，其通过大量的前期实验来理解和降低特定部件制造过程中的不确定性，随后在批产中进行持续的质量控制测试。与长期用于航空铸件的程序非常相似，除了非常小的偏离合格程序之外的任何偏离都将触发重新认证。增材制造工艺认证可按照AMS4999A中给出的认证程序开展，其主要包括工艺和供应商批准、沉积和沉积/几何参数批准、制造硬件批准、制造计划批准和固化制造工艺四方面内容。3.1 工艺和供应商批准所有工艺和供应商应在开始进行产品试制前批准，工艺包括熔覆热源、热源参数范围、填充材料、填充方法、气氛、沉积路径实现和粉末送料方法。鉴定应提供每个方向至少50个实验结果，来自于至少三种不同工艺配置和至少三种不同填充热源。每个鉴定零件应符合材料规范质量要求，拉伸性能应满足最大变异系数和单个最小值要求，其中AMS4999A给定的拉伸极限强度最大变异系数为3.3，拉伸屈服强度最大变异系数为3.1。另外一次批准可包括多种粉类型，但采用新粉类型需重新认证。3.2 沉积和沉积/几何参数批准沉积参数批准和沉积/几何参数批准在开始进行产品的试制前进行，其中，沉积参数批准针对的是不同的沉积工艺路径，沉积/几何参数的批准针对的是某个产品的具体沉积工艺过程。沉积参数批准的沉积路径由一次沉积的宽度、多次沉积的宽度和相邻两次沉积间的重叠面等参92航　空　材　料　学　报第 39 卷