江 武,劉木君,郝曉寧,羅琳胤

（中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

增材制造技術(shù)以金屬粉末、金屬絲材為原材料，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，是一種低成本、快速、高效、數(shù)字化的先進(jìn)制造技術(shù)，尤其適合于飛機(jī)結(jié)構(gòu)大型、高性能、復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件和功能件的快速試制，無(wú)需模具及鍛造工業(yè)裝備，材料利用率大幅度提高，并具有響應(yīng)快、成本低、柔性高效等顯著特點(diǎn)[1]。以激光束和電子束作為能量源的增材制造技術(shù)，由于二者各自特點(diǎn)的不同，在航空、航天領(lǐng)域都得到協(xié)調(diào)發(fā)展[2]。

Boeing公司已在X-45、X-50無(wú)人機(jī)、F-18、F-22戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用了金屬增材制造技術(shù)，目前已制定了一套為增材制造項(xiàng)目量身定做的技術(shù)成熟度等級(jí)指南[3]。沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所在A-100鋼激光直接沉積成形起落架綜合驗(yàn)證技術(shù)方面開展了充分的研究工作，試制的某型飛機(jī)起落架實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)先試用[4]。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA批準(zhǔn)了GE公司采用選區(qū)激光熔化技術(shù)（selective laser melting，SLM）制造的一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器殼體應(yīng)用于GE-9X系列商用發(fā)動(dòng)機(jī)。Air Bus公司通過(guò)對(duì)飛機(jī)短艙鉸鏈進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，采用金屬增材制造技術(shù)制造，使最終制造的零件減重60%，并解決了原有設(shè)計(jì)所存在的使用過(guò)程中高應(yīng)力集中問(wèn)題。西北工業(yè)大學(xué)采用激光立體成形（laser solid forming，LSF）技術(shù)制造了長(zhǎng)達(dá)3010mm的C919飛機(jī)鈦合金中央翼1#肋緣條，但尚未實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用。梯度復(fù)合化結(jié)構(gòu)是指由不同材料組成的同一構(gòu)件，均質(zhì)材料的變形效率大多比較單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件服役對(duì)結(jié)構(gòu)性能的要求，采用4D打印具有3D打印的工藝優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)異種材料梯度結(jié)構(gòu)的制造，可以更好發(fā)揮異種材料梯度結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)[5]。

增材制造技術(shù)的鑒定和認(rèn)證是其廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的主要環(huán)節(jié)[6]，涉及增材制造技術(shù)成熟度、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料體系標(biāo)準(zhǔn)和適航驗(yàn)證技術(shù)[7]。本工作針對(duì)應(yīng)用于民用飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的金屬增材制造技術(shù)適航驗(yàn)證問(wèn)題，以及大型整體化增材制造結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[8]，依據(jù)適航規(guī)章要求，逐一開展大型整體金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)適用適航條款驗(yàn)證分析并給出實(shí)施途徑，并以某型號(hào)前起落架外筒支柱增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼為應(yīng)用對(duì)象，給出大型整體金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)適航驗(yàn)證具體實(shí)施方案。

1 適航條款要求及驗(yàn)證思路

《中國(guó)民用航空規(guī)章》第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25—R4與增材制造技術(shù)相關(guān)的條款涉及材料、工藝和結(jié)構(gòu)三個(gè)方面，具體條款為CCAR25.571條結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定、CCAR25.601條總則、CCAR25.603條材料、CCAR25.605條制造方法、CCAR25.613條材料的強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值和CCAR25.621條鑄件系數(shù)。

（1）CCAR25.571結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評(píng)定

條款主要內(nèi)容：對(duì)可能引起災(zāi)難性破壞的每一結(jié)構(gòu)部分應(yīng)進(jìn)行損傷容限和疲勞評(píng)定。主要驗(yàn)證思路：考慮到增材制造技術(shù)所制造的材料尚未建立材料疲勞和損傷容限性能，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定疲勞和損傷容限材料性能，包括疲勞性能、斷裂韌度、裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力腐蝕開裂等，并通過(guò)全尺寸零件疲勞和損傷容限性能實(shí)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證。

（2）CCAR25.601總則

條款主要內(nèi)容：每個(gè)有疑問(wèn)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和零件的適用性必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。主要驗(yàn)證思路：考慮到增材制造結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)案例較少，需對(duì)所應(yīng)用的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）CCAR25.603材料

條款主要內(nèi)容：其損壞可能對(duì)安全性有不利影響的零件所用材料規(guī)范應(yīng)建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上。主要驗(yàn)證思路：大型整體金屬結(jié)構(gòu)屬于對(duì)飛機(jī)安全有不利影響的零件，且尚無(wú)滿足適航要求的材料規(guī)范，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法建立增材制造材料規(guī)范。

（4）CCAR25.605制造方法

條款主要內(nèi)容：飛機(jī)的每種新制造方法必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)大綱予以證實(shí)。主要驗(yàn)證思路：增材制造結(jié)構(gòu)尚無(wú)民用飛機(jī)主結(jié)構(gòu)應(yīng)用，所以增材制造技術(shù)屬于新制造方法，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

（5）CCAR25.613材料的強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值

條款主要內(nèi)容：材料的強(qiáng)度性能必須以足夠的材料實(shí)驗(yàn)為依據(jù)（材料應(yīng)符合經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)），在實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上制定設(shè)計(jì)值。主要性能應(yīng)具有A/B基準(zhǔn)值。主要驗(yàn)證思路：采用經(jīng)批準(zhǔn)的增材制造材料規(guī)范，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立材料的強(qiáng)度性能，并且通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并獲得A/B基準(zhǔn)值。

（6）CCAR25.621鑄件系數(shù)

條款主要內(nèi)容：對(duì)于關(guān)鍵鑄件應(yīng)取不小于1.25的鑄件系數(shù)。增材制造技術(shù)可能需要參照鑄件系數(shù)采用特殊系數(shù)，屬于增材制造技術(shù)專用條件的范疇。主要驗(yàn)證思路：增材制造組織、缺陷和性能介于鍛件和鑄件之間，且更加接近于鍛件，而鍛件無(wú)特殊系數(shù)，通過(guò)零件性能、缺陷和質(zhì)量控制對(duì)增材制造材料進(jìn)行評(píng)定，確定增材制造結(jié)構(gòu)是否需取結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)。

根據(jù)上述金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)適用適航條款和驗(yàn)證思路分析，借鑒復(fù)合材料、鑄件和焊接結(jié)構(gòu)的適航驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，為了表明其在材料、工藝和結(jié)構(gòu)方面的適航符合性，可按照?qǐng)D1中的適航驗(yàn)證總體思路對(duì)金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)進(jìn)行適航驗(yàn)證，包括材料規(guī)范的建立、增材制造工藝的認(rèn)證、材料強(qiáng)度性能的確定、結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)選取和結(jié)構(gòu)性能的驗(yàn)證。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)適航驗(yàn)證總體思路Fig.1 General idea of airworthiness verification of metallic structure additive manufacturing technology

2 增材制造材料規(guī)范的建立

根據(jù)增材制造材料工藝特點(diǎn)以及適航規(guī)章要求，增材制造材料規(guī)范的建立主要應(yīng)考慮兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范建立方法[9]；二是基于增材制造材料新工藝的特殊要求。

2.1 基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范建立方法

根據(jù)材料規(guī)范建立的一般要求，通常材料規(guī)范中包含三方面的技術(shù)要求：（1）直接影響材料性能/功能的材料生產(chǎn)工藝要求；（2）直接影響材料性能/功能的材料組成和組織結(jié)構(gòu)；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能全面控制的代表性的材料性能項(xiàng)目。

基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范建立方法核心是通過(guò)不同材料性能間的相關(guān)性分析來(lái)確定哪些性能需列在材料規(guī)范中，統(tǒng)計(jì)方法可保證設(shè)計(jì)所使用的性能都得到有效控制。采用的措施包括確定材料性能的接收限，使得被控制的材料性能能夠足夠高概率（99%）地達(dá)到設(shè)計(jì)將使用的性能。材料性能接收限的確定分幾種情況考慮：性能最低值接收限，為性能分布1%概率對(duì)應(yīng)值，如強(qiáng)度性能；性能最高值接收限，為性能分布99%概率對(duì)應(yīng)值，如高強(qiáng)度鋼用于控制疲勞性能的強(qiáng)度值；性能最低和最高兩邊約束接收限，最低和最高值為性能分布上下各0.5%概率對(duì)應(yīng)值。統(tǒng)計(jì)材料性能接收限時(shí)，為充分考慮材料生產(chǎn)中可能的變異，需要樣本來(lái)自于多個(gè)生產(chǎn)批次，一般不少于3爐。樣本量較小時(shí)，采用假設(shè)正態(tài)分布的1%概率點(diǎn)對(duì)應(yīng)值（S基值）作為材料性能最小值的接受限；在樣本量積累足以計(jì)算得到A基準(zhǔn)值時(shí)，材料規(guī)范中的材料性能接收限應(yīng)該修正為A基準(zhǔn)值，以保證更加可靠。材料性能建立過(guò)程中還需考慮材料規(guī)格的劃分，需根據(jù)材料性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不同規(guī)格材料性能是否來(lái)自于同一母體。

2.2 增材制造技術(shù)特殊性要求

AMS4999A所給出的材料鑒定程序是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)鑒定的經(jīng)典案例，其中具體部件制造的不確定性通過(guò)前期大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理解，并在后續(xù)制造過(guò)程中進(jìn)行持續(xù)的質(zhì)量控制測(cè)試[10-11]。本工作以AMS 4999A作為增材制造材料規(guī)范建立的范本，從工藝、性能、內(nèi)部質(zhì)量和質(zhì)量控制方面闡述增材制造材料規(guī)范建立的主要要求[12]。

（1）工藝要求

增材制造工藝要求中包括了制備用原材料粉/絲材料規(guī)范要求、沉積工藝要求和熱處理要求。沉積工藝要求中包括了在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的內(nèi)容，其他內(nèi)容與常規(guī)材料規(guī)范要求基本一致。

（2）性能要求

材料性能的方向性在 AMS4999和 AMS 4999A要求中存在較大的差異。AMS4999將X向性能歸為一組，性能要求最高；Y向和Z向性能歸為一組，性能要求較低。而AMS4999A將X向和Y向性能歸為一組，Z向單獨(dú)歸為一組。

增材制造技術(shù)制備材料過(guò)程中存在沉積路徑策略選擇，沉積路徑主要是基于組織、缺陷和性能要求，通常采用X和Y方向交替進(jìn)行沉積，導(dǎo)致X和Y向性能更加趨于一致。基于增材制造技術(shù)工藝的特殊性及AMS4999A中的要求，在增材制造材料規(guī)范建立過(guò)程中可將X和Y向性能歸為一組，Z向性能單獨(dú)歸為一組。

（3）內(nèi)部質(zhì)量要求

增材制造材料內(nèi)部質(zhì)量同時(shí)采用超聲波和射線兩種檢測(cè)手段，而變形產(chǎn)品只進(jìn)行超聲檢查、鑄造產(chǎn)品只進(jìn)行射線檢查，這反映了直接沉積產(chǎn)品的組織和缺陷的特點(diǎn)，可以更好地保障增材制造材料內(nèi)部質(zhì)量。

超聲波檢測(cè)主要檢測(cè)Z向缺陷，針對(duì)增材制造Ti-6Al-4V鈦合金，給出了不同厚度超聲波檢測(cè)不同等級(jí)要求。射線檢測(cè)可在粗加工或精加工狀態(tài)進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定產(chǎn)品上不允許有裂紋和未完全熔化，并對(duì)孔洞尺寸、間隙及某一區(qū)域氣孔尺寸進(jìn)行了定量規(guī)定。

（4）質(zhì)量控制要求

質(zhì)量控制要求中除了包括傳統(tǒng)的驗(yàn)收類檢驗(yàn)（如成分、組織、缺陷和力學(xué)性能等）之外，同時(shí)包括了工藝和供應(yīng)商批準(zhǔn)、沉積和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)、制造大綱批準(zhǔn)和固化生產(chǎn)工藝等工藝控制要求。

增材制造材料規(guī)范的建立應(yīng)采用基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范建立方法，并考慮增材制造技術(shù)特殊性要求進(jìn)行，規(guī)范中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注工藝要求、性能要求、內(nèi)部質(zhì)量要求和質(zhì)量控制要求。

3 增材制造工藝認(rèn)證

AMS4999A中規(guī)定的增材制造工藝認(rèn)證程序是基于統(tǒng)計(jì)認(rèn)證的典型示例，其通過(guò)大量的前期實(shí)驗(yàn)來(lái)理解和降低特定部件制造過(guò)程中的不確定性，隨后在批產(chǎn)中進(jìn)行持續(xù)的質(zhì)量控制測(cè)試。與長(zhǎng)期用于航空鑄件的程序非常相似，除了非常小的偏離合格程序之外的任何偏離都將觸發(fā)重新認(rèn)證。增材制造工藝認(rèn)證可按照AMS4999A中給出的認(rèn)證程序開展，其主要包括工藝和供應(yīng)商批準(zhǔn)、沉積和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)、制造硬件批準(zhǔn)、制造計(jì)劃批準(zhǔn)和固化制造工藝四方面內(nèi)容。

3.1 工藝和供應(yīng)商批準(zhǔn)

所有工藝和供應(yīng)商應(yīng)在開始進(jìn)行產(chǎn)品試制前批準(zhǔn)，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。鑒定應(yīng)提供每個(gè)方向至少50個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來(lái)自于至少三種不同工藝配置和至少三種不同填充熱源。每個(gè)鑒定零件應(yīng)符合材料規(guī)范質(zhì)量要求，拉伸性能應(yīng)滿足最大變異系數(shù)和單個(gè)最小值要求，其中AMS4999A給定的拉伸極限強(qiáng)度最大變異系數(shù)為3.3，拉伸屈服強(qiáng)度最大變異系數(shù)為3.1。另外一次批準(zhǔn)可包括多種粉類型，但采用新粉類型需重新認(rèn)證。

3.2 沉積和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)

沉積參數(shù)批準(zhǔn)和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)在開始進(jìn)行產(chǎn)品的試制前進(jìn)行，其中，沉積參數(shù)批準(zhǔn)針對(duì)的是不同的沉積工藝路徑，沉積/幾何參數(shù)的批準(zhǔn)針對(duì)的是某個(gè)產(chǎn)品的具體沉積工藝過(guò)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兩次沉積間的重疊面等參數(shù)定義。每個(gè)沉積路徑包括粉密度、送料速率、熔池移動(dòng)速率、沉積相鄰兩層之間的最小時(shí)間間隔、粉的種類和供應(yīng)商等參數(shù)。應(yīng)制造足夠數(shù)量的零件，以覆蓋工藝參數(shù)的上下限和中間值。每個(gè)零件至少取6個(gè)Z向拉伸試樣，每個(gè)沉積批至少取3個(gè)疲勞試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足材料規(guī)范要求，應(yīng)變疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足最小疲勞壽命和平均疲勞壽命要求。

沉積/幾何參數(shù)包括下列沉積參數(shù)和幾何特征：粉密度，送料速率，熔池移動(dòng)速率，沉積相鄰兩層之間的最小時(shí)間間隔，基體材料厚度，沉積長(zhǎng)度、高度和寬度，相對(duì)基體材料的沉積角度，沉積路徑，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(zhǎng)度、高度和寬度等。應(yīng)制造足夠數(shù)量的零件，以覆蓋工藝參數(shù)的上下限。每個(gè)沉積批的普通沉積區(qū)域應(yīng)至少分別取4個(gè)X向、4個(gè)Y向和4個(gè)Z向拉伸和疲勞試樣，拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足材料規(guī)范要求，應(yīng)變疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足最小疲勞壽命和平均疲勞壽命要求。而每個(gè)沉積批的沉積相交區(qū)域應(yīng)至少分別取4個(gè)X向拉伸和疲勞試樣。

3.3 制造硬件批準(zhǔn)

制造硬件批準(zhǔn)應(yīng)通過(guò)制造至少一個(gè)鑒定批產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。鑒定批應(yīng)符合規(guī)范所有要求，零件應(yīng)通過(guò)接收實(shí)驗(yàn)。每個(gè)方向應(yīng)至少取12個(gè)拉伸試樣，拉伸試樣結(jié)果應(yīng)滿足最大變異系數(shù)和單個(gè)最小值要求；若所要求的所有拉伸試樣不能從一個(gè)零件中獲得，則可從多個(gè)零件中取樣。

3.4 制造計(jì)劃批準(zhǔn)和固化制造工藝

所有沉積產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)按由供應(yīng)商準(zhǔn)備、采購(gòu)方批準(zhǔn)的固化工藝和制造大綱進(jìn)行生產(chǎn)。制造大綱應(yīng)當(dāng)與認(rèn)證產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)際相符，并包括下列固化的工藝元素：基體材料規(guī)范、尺寸和準(zhǔn)備要求，沉積工具/工裝，填充材料來(lái)源和控制要求，送料的方法和控制程序，預(yù)熱溫度和時(shí)間，產(chǎn)品的CAD模型和包括機(jī)器編碼的CAM文件，零件沉積工藝參數(shù)和控制范圍，超聲波檢查方法，性能實(shí)驗(yàn)取樣和實(shí)驗(yàn)頻次要求，熱處理工藝參數(shù)和工具/工裝，熱等靜壓工藝參數(shù)和工具/工裝，尺寸檢查要求等。對(duì)固化工藝任何有目的的偏離，在生產(chǎn)實(shí)施前，供應(yīng)商應(yīng)當(dāng)向采購(gòu)方提交申請(qǐng)，以獲得批準(zhǔn)。采購(gòu)方應(yīng)當(dāng)定義保證工藝和生產(chǎn)計(jì)劃的更改不對(duì)結(jié)構(gòu)完整性和材料性能發(fā)生有害影響的實(shí)驗(yàn)要求。

4 增材制造材料強(qiáng)度性能的確定

根據(jù)CCAR25.613條款和AC25.613-1要求，材料性能應(yīng)基于充分的實(shí)驗(yàn)以確保具有高的置信度[13]，以及金屬材料性能的確定和標(biāo)準(zhǔn)化（metallic materials properties development and standardization，

MMPDS）中材料許用值的建立方法的規(guī)定[14]，材料性能的確定需考慮三方面的因素：

（1）應(yīng)基于經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的材料規(guī)范；

（2）性能項(xiàng)目應(yīng)采用爐、批次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（3）采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算許用值。

同時(shí)考慮CCAR25.571條款驗(yàn)證過(guò)程中對(duì)材料疲勞和損傷容限性能的需求，增材制造材料性能的確定可按照MMPDS中的要求開展，常用主要性能建立的數(shù)據(jù)要求見表1。

材料性能數(shù)據(jù)建立過(guò)程中應(yīng)關(guān)注爐、批次與樣本量要求之間的關(guān)系，以拉伸性能獲得A/B基準(zhǔn)值為例，樣本量為100個(gè)，數(shù)據(jù)應(yīng)來(lái)源于10爐和10批，其重點(diǎn)考慮不同爐、批次材料性能之間的差異性，確保數(shù)據(jù)的置信度和可靠度。壓縮、剪切和孔擠壓性能基于材料力學(xué)性能本質(zhì)關(guān)系，可采用導(dǎo)出值方法進(jìn)行建立，在獲得相同基準(zhǔn)值類型情況下可大大降低數(shù)據(jù)樣本量。

5 結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)的選取

金屬增材制造結(jié)構(gòu)的內(nèi)部冶金缺陷形成機(jī)制及力學(xué)行為關(guān)系尚未建立[15]，大量研究結(jié)果表明，增材制造材料的組織、缺陷以及性能介于鍛件和鑄件之間，更加接近于鍛件的情況。飛機(jī)增材制造金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)選取需考慮兩個(gè)方面的因素，結(jié)構(gòu)件的重要性和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性[16]。依據(jù)鑄件適航條款要求，對(duì)于關(guān)鍵鑄件系數(shù)需取1.25，但通過(guò)先進(jìn)鑄造工藝過(guò)程控制、檢測(cè)技術(shù)和最終產(chǎn)品質(zhì)量的可預(yù)見性以保證鑄造零件的可靠性，空客公司和波音公司設(shè)計(jì)的許多重要鑄造鋁合金飛機(jī)零件的鑄件系數(shù)都采用了1[17]。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)，參照AC25.621-1中給出的“優(yōu)質(zhì)鑄件工藝”方法，確定金屬增材制造結(jié)構(gòu)是否需取特殊系數(shù)及其具體值[18]。金屬增材制造結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)選取主要考慮如下因素：

（1）零件性能變異系數(shù)

對(duì)金屬增材制造結(jié)構(gòu)進(jìn)行零件性能變異系數(shù)分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明金屬增材制造結(jié)構(gòu)材料性能變異系數(shù)是否低于相同材料鍛件或變形制件的變異系數(shù)。

（2）制造缺陷

應(yīng)通過(guò)無(wú)損檢測(cè)檢驗(yàn)方法對(duì)增材制造結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以表明其是否存在不可預(yù)測(cè)的制造缺陷。

表1 增材制造材料主要性能數(shù)據(jù)要求Table1 Main performance data requirements for additive manufacturing material

（3）質(zhì)量控制

是否已建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制程序，以確保增材制造工藝能制造出始終如一的結(jié)構(gòu)。

若金屬增材制造結(jié)構(gòu)能達(dá)到上述要求，則無(wú)須取特殊系數(shù)，否則需進(jìn)一步分析以確定特殊系數(shù)具體值。

6 結(jié)構(gòu)性能的驗(yàn)證

增材制造技術(shù)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)具有一定的相似性，增材制造結(jié)構(gòu)可借鑒類似復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證的積木式驗(yàn)證體系，采用包括實(shí)樣級(jí)、元件級(jí)（包括典型結(jié)構(gòu)件）、組合件級(jí)和全尺寸零件組成的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[19-21]。增材制造試樣級(jí)性能實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)在材料性能的確定過(guò)程中，而在結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證過(guò)程中，需采用典型結(jié)構(gòu)件和全尺寸零件進(jìn)行性能驗(yàn)證。

可根據(jù)增材制造技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的主要應(yīng)用對(duì)象，進(jìn)行典型結(jié)構(gòu)件的選取，如耳片類、拉伸接頭類結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)典型結(jié)構(gòu)件性能實(shí)驗(yàn)，可確定典型結(jié)構(gòu)件特征強(qiáng)度性能計(jì)算過(guò)程中由材料性能確定相關(guān)的參數(shù)，如耳片類零件的擠壓系數(shù)，最后形成典型結(jié)構(gòu)特征的強(qiáng)度計(jì)算方法。

全尺寸零件性能驗(yàn)證過(guò)程中，首先應(yīng)考慮尺寸效應(yīng)對(duì)全尺寸零件缺陷和變形的影響，確定其滿足材料規(guī)范和結(jié)構(gòu)要求后，才能開展全尺寸零件性能實(shí)驗(yàn)。全尺寸零件性能實(shí)驗(yàn)可包括靜強(qiáng)度性能、疲勞性能和損傷容限性能實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明全尺寸零件性能與計(jì)算結(jié)果的一致性或?qū)τ?jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

7 大型整體金屬結(jié)構(gòu)增材制造適航驗(yàn)證實(shí)例分析

以某型飛機(jī)前起落架支柱外筒為增材制造技術(shù)適航驗(yàn)證研究對(duì)象，開展大型整體金屬結(jié)構(gòu)增材制造適航驗(yàn)證實(shí)例研究。某型飛機(jī)前起落架支柱外筒如圖 2 所示，其尺寸為 766mm×340mm×930mm，采用增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行制造。

圖2 某型飛機(jī)前起落架支柱外筒Fig.2 Outer cylinder of nose landing gear pillar for certain aircraft

按照增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼材料規(guī)范建立材料性能確定、結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)的選取和結(jié)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)流程，開展前起落架支柱外筒適航驗(yàn)證研究，具體實(shí)施方案如下；但由于研制周期等原因，尚未考慮結(jié)構(gòu)件疲勞/損傷容限性能的驗(yàn)證，后續(xù)將繼續(xù)補(bǔ)充此方面的性能研究。

（1）增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼材料規(guī)范建立

建立增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼用原材料粉和絲材規(guī)范，對(duì)增材制造工藝采用工藝過(guò)程控制（PCD）流程進(jìn)行控制，重點(diǎn)識(shí)別和控制關(guān)鍵工序、工藝參數(shù)和關(guān)鍵工藝設(shè)備，采用超聲波和射線檢測(cè)內(nèi)部質(zhì)量。對(duì)所制備的3爐、3批次，樣本量為30個(gè)的試樣進(jìn)行拉伸性能實(shí)驗(yàn)，評(píng)估其性能分散性；同時(shí)開展疲勞極限和斷裂力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)；依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼材料規(guī)范。

（2）增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼工藝的認(rèn)證

按照增材制造工藝認(rèn)證中工藝和供應(yīng)商批準(zhǔn)、沉積和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)、制造硬件批準(zhǔn)、制造計(jì)劃批準(zhǔn)和固化制造工藝的具體要求，開展工藝認(rèn)證。

（3）增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼材料性能建立

按照所建立的增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼材料規(guī)范，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼拉伸、壓縮、剪切、孔擠壓、疲勞、斷裂韌度性能進(jìn)行建立。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于10爐、10批次（可包含材料規(guī)范建立過(guò)程中所獲得的樣本量），采用統(tǒng)計(jì)方法獲得上述性能，如A/B基準(zhǔn)值。

（4）前起落架支柱外筒增材制造結(jié)構(gòu)系數(shù)的選取

對(duì)增材制造A-100超高強(qiáng)度鋼拉伸極限和屈服強(qiáng)度性能變異性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定其是否可達(dá)到同類型鍛件材料要求；同時(shí)對(duì)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果和質(zhì)量控制要求進(jìn)行分析，以確定是否需取結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)。

（5）前起落架支柱外筒結(jié)構(gòu)性能的驗(yàn)證

采用前起落架支柱外筒典型耳片，開展橫向和縱向典型元件性能實(shí)驗(yàn)研究，每種類型采用3個(gè)試件。對(duì)前起落架支柱外筒進(jìn)行缺陷和變形檢測(cè)，在滿足要求情況下開展靜力實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證前起落架支柱外筒結(jié)構(gòu)性能。

8 結(jié)論

（1）材料規(guī)范的建立：應(yīng)采用基于統(tǒng)計(jì)的材料規(guī)范建立方法，并考慮增材制造工藝特點(diǎn)，如工藝性要求、性能要求、內(nèi)部質(zhì)量要求和質(zhì)量控制要求進(jìn)行制定。

（2）增材制造工藝的認(rèn)證：應(yīng)包括工藝和供應(yīng)商批準(zhǔn)、沉積和沉積/幾何參數(shù)批準(zhǔn)、制造硬件批準(zhǔn)、制造計(jì)劃批準(zhǔn)和固化制造工藝。

（3）材料強(qiáng)度性能的確定：按照MMPDS中建立材料性能許用值的方法確定材料性能，包括靜強(qiáng)度、疲勞和損傷容限性能。

（4）結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)的選?。簠⒄諆?yōu)質(zhì)鑄件特殊系數(shù)選取考慮因素，給出了結(jié)構(gòu)特殊系數(shù)選取所需主要考慮的零件性能變異系數(shù)、制造缺陷和質(zhì)量控制要求。

（5）結(jié)構(gòu)性能的驗(yàn)證：參照復(fù)合材料積木式驗(yàn)證方法，對(duì)增材制造結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行驗(yàn)證，包括典型結(jié)構(gòu)件和全尺寸零件性能驗(yàn)證。