增材制造航空金屬構件的質量分級和檢驗策略分析

張文揚 梁家譽 栗曉飛 劉偉 王曉 楊黨綱 周標

摘要：在增材制造航空金屬構件的標準中確定質量分級和檢驗策略是十分重要的，這決定了增材制造金屬構件的使用等級和場合。目前，我國航空工業(yè)增材制造標準對于質量檢驗的一般做法為：借用同類材料鍛件超聲波檢測的標準規(guī)定增材制造構件的質量等級，一般要求達到A級或者B級。但是，現(xiàn)行增材制造金屬構件的標準文件對于構件的質量等級未作出明確規(guī)定，質量檢驗基本依賴于超聲檢測中的一種質量等級，同時缺少相應的X射線按等級檢驗的要求，因此目前的航空工業(yè)增材制造標準還需要進一步完善。通過對比金屬構件增材制造相關的國家標準（GB）、航空工業(yè)標準（HB）、國家軍用標準（GJB）、國際標準（ISO）、美國材料試驗協(xié)會標準（ASTM）、國際自動化工程師學會標準（AMS）以及美國焊接學會標準（AWS）等標準，分析了國內外對于金屬材料增材制造構件的質量分級和檢驗策略，簡要地評述了不同質量分級和檢驗策略的特點，解析了美國焊接學會的AWS D20.1/D20.1M：2019《金屬構件增材制造標準》中質量分級及檢驗策略與其AWS D17.1/D17.1M：2017-AMD1《航空航天用熔焊標準》質量分級和檢驗策略相近似的基本內涵，探討并提出了我國航空工業(yè)對于金屬構件增材制造質量分級和檢驗的建議。

關鍵詞：增材制造;金屬構件;質量分級;質量檢驗

中圖分類號：TG457? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0014-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.03

0? ? 前言

增材制造，俗稱3D打印，是采用粉末或絲材逐層進行制造，被廣泛認為是一種顛覆性技術，具有從根本上改變未來制造的潛力[1]。對于金屬構件的增材制造，按熱源可以分為激光、電子束和電弧三大類[2-3]。

金屬構件的增材制造技術在航空航天領域獲得了一些重要的應用。如：空中客車防務與宇航公司制備了歐洲航天局Eurostar E300的鋁合金支架;Rolls-Royce公司生產(chǎn)了點陣結構的油氣分離器;GE公司制備了具有自由空間曲面的發(fā)動機風扇葉片以及具有一體化設計的燃油噴嘴等[2]。

然而，增材制造仍面臨很多挑戰(zhàn)，在材料、設備、工藝、軟件、監(jiān)控等方面需要解決大量的科學與工程技術問題[4-5]。對大多數(shù)金屬不能形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)一直是金屬增材制造的瓶頸[6]，其中標準的缺失是增材制造工程化應用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要掣肘之一。制定寬緊適度的金屬增材制造構件質量分級和檢驗的標準，是十分重要且緊迫的現(xiàn)實問題，關系到構件能否使用以及在何種條件下使用。目前，我國的航空工業(yè)增材制造標準對金屬增材制造構件的質量分級還不清晰，主要借用同類材料鍛件的某一級別的超聲檢測標準來規(guī)定金屬增材制造構件，同時缺少X光檢驗的質量分級技術指標。但是增材制造的金屬構件本身并非鍛件，因此目前的航空行業(yè)標準還未從體系上解決質量分級與質量檢驗標準的問題。文中通過對比分析國內外相關標準，特別是對比了AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manufacturing》[7]與 AWS D17.1/D17.1M：2017-AMD1 《Specification f或 Fusion Welding for Aerospace Applications》[8]，解析了AWS增材制造標準是將金屬增材制造構件的不連續(xù)缺陷技術指標近似作為焊接構件進行質量分級檢測的內涵，并提出了我國航空工業(yè)金屬構件增材制造質量分級及檢驗標準的建議。

1 金屬增材制造標準現(xiàn)狀

2002年，世界上第一份增材制造技術標準誕生，是由SAE（國際自動化工程師學會）編制的AMS 4999。截止目前，國外與金屬材料增材制造相關的標準（部分）如表1～表3所示[9]。

SAE已發(fā)布的標準多涉及粉末、產(chǎn)品工藝和退火等，未涉及增材制造質量檢驗內容。

ASTM和ISO發(fā)布的標準（見表2、表3）主要是術語和格式，也未涉及增材制造質量分級檢驗策略。

美國宇航局NASA針對航空航天對于增材制造產(chǎn)品應用及質量穩(wěn)定性的要求，由馬歇爾航空航天中心制定并發(fā)布MSFC-STD-3716和MSFC-SPEC-3717。MSFC-SPEC-3716是金屬激光粉床熔融增材制造航空航天產(chǎn)品標準，規(guī)定了增材制造過程控制的基本要求及研制與生產(chǎn)中的關鍵控制點[2]。

2019年美國焊接學會發(fā)布了AWS D20.1/D20.1

M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Compo-nents using Additive Manufacturing》[7]。該標準詳細規(guī)定了增材制造質量分級和檢驗策略，文中討論部分會詳細論述。

國內已發(fā)布的與金屬增材制造構件相關的國家標準、國家軍用標準以及航空工業(yè)行業(yè)標準如表4所示。

表4中只有HB 20451-2018規(guī)定了航空鈦合金零件激光增材制造直接沉積增材制造-制件規(guī)范按超聲波檢測驗收的要求。該標準同時對X光檢測也做出了規(guī)定：允許制件內部出現(xiàn)最大尺寸不超過1.2 mm的缺陷;兩個單個缺陷之間的最小距離至少為單個缺陷尺寸的2倍，否則按一個大缺陷處理，缺陷尺寸等于兩個單個缺陷尺寸與其之間距離的加和。但是，該規(guī)定對質量是沒有分級的。超聲波檢測與X光檢測的對應關系不明確，檢驗準則不統(tǒng)一。

另外，由中國航發(fā)北京航空材料研究院制訂的與激光增材制造修復相關的標準見表5，其中3份是粉末標準，另外3份分別是高溫合金、結構鋼和不銹鋼、以及鈦合金修復的工藝及質量檢驗標準。

表5中HB/Z 20074-2018、HB/Z 20075-2018和HB/Z 20076-2018是按激光焊接焊縫的內部質量要求對相應材料增材制造質量作出了規(guī)定。

2 分析與討論

從國外已經(jīng)發(fā)布的增材制造標準看，其中部分是增材制造的名詞、術語、定義，部分是粉末標準及工藝標準。涉及質量分級及檢驗的標準有美國材料試驗協(xié)會編制的ASTM F2924-12《Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium with Powder Bed Fusion》[10]，規(guī)定了鋪粉熔覆増材制造T-6A-4V鈦合金產(chǎn)品的類別：1類部件用于不要求等熱靜壓的安全關鍵部位;2類部件用于要求熱等靜壓的安全關鍵部位;3類部件用于性能關鍵部位;4類部件用于概念模型和原型件。標準規(guī)定產(chǎn)品的顯微組織應當是α相和β相組成的兩相組織。α相可以是針狀、片層狀、等軸或網(wǎng)籃狀組織。允許初生β品界上有連續(xù)的O相。柱狀晶組織是可接受的。ASTMF2924-12標準規(guī)定的増材制造產(chǎn)品的性能要求與Ti-6AI-4V鈦合金模鍛件的性能要求基本相同[9]。

總體上，我國在增材制造標準的制定上數(shù)量少且不充分，缺乏制定標準的頂層文件，特別涉及增材制造構件質量檢驗的標準數(shù)量很少。目前我國航空工業(yè)已發(fā)布的金屬材料增材制造相關標準有11份[11-21]，其中6份是中國航發(fā)北京航空材料研究院編制的與激光直接沉積增材制造粉末和修復相關的標準，質量檢驗采用激光焊接的相關標準。同時涉及到金屬構件增材制造質量超聲檢驗和X光檢驗標準的是HB 20451-2018《航空鈦合金零件激光直接沉積增材制造制件規(guī)范》[11]。該標準規(guī)定了鈦合金激光直接沉積增材制件的要求、質量保證和交貨準備等。該標準中的表5對增材制造鈦合金構件的超聲波檢測作出了規(guī)定（見表6），力學性能取向示意如圖1所示。

如前文所述，HB 20451-2018《航空鈦合金零件激光直接沉積增材制造? 制件規(guī)范》雖然同時規(guī)定了超聲檢驗和X光檢驗標準，保證了最低的增材制造質量要求，但是并未對質量作出分級處理，超聲波檢測與X光檢測之間缺少對應關系，沒有一個統(tǒng)一的檢驗準則。

AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fab-rication of Metal Components using Additive Manufac-turing》[7]在質量分級及檢驗策略方面值得學習和借鑒。該標準在規(guī)定不連續(xù)缺陷的指標上，不區(qū)分材料種類，不區(qū)分增材制造方法（不論是直接能量沉積，或者粉末床熔融;不論是激光增材，還是電子束增材），其質量分級及不連續(xù)性缺陷檢驗指標與AWS熔焊標準一脈相承，見表7～表9。

觀察表7，并對比表8、表9，可以看出：

（1）在AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manu-facturing》[7]定義了質量等級A、B、C三個等級（見表7）。

（2）與熔焊標準一樣，A、B、C三級都不允許出現(xiàn)裂紋（見圖2）、未熔合（見圖3）和冷隔;并且，表面裂紋和亞表面裂紋以及夾渣的具體驗收指標與熔焊標準完全一致;增材制造的標準中，刪除了不適用的咬邊、凹坑以及加強高等概念;同時嚴格了對鈦合金、不銹鋼等材料氧化變色的要求見表7、表8。

因此，AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Com-ponents using Additive Manufacturing》[7]與AWS D17.1/D17.1M：2017-AMD1《Specification for Fusion Welding for Aerospace Appli-cations》[8]對于質量分級及不連續(xù)性缺陷檢驗指標是完全一致的，也與我國航空焊接構件的質量分級完全一致，不連續(xù)性缺陷檢驗指標也十分接近。唯一的區(qū)別是T的定義。在焊接構件中，板厚是明確的。在AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manufacturing》中，T是穿過包含不連續(xù)性缺陷的兩個相對平面之間的最小間距，具有板厚的物理意義。但是這里的T是虛擬的，需要按CT檢測圖像確定。圖4是選擇電子束熔化增材制造Ti-6Al-4V制件中缺陷分布的CT檢測結果[2，24]，需要找到合適的平行面來確定相應的T值。

從質量分級和質量檢驗的角度，AWS D20.1/D2 0.1M：2019具有如下特點：（1）將金屬增材制造結構件按焊接結構件的質量分級，分為A、B、C三個等級;（2）金屬增材制造結構件與焊接件的不連續(xù)性缺陷的質量檢驗指標十分近似;（3）質量驗收準則中，裂紋、未熔合、冷隔、表面氣孔、亞表面氣孔以及夾渣的指標與熔焊標準完全一致;（4）質量驗收準則不是針對某一種或者某一類材料，而是可應用于絕大多數(shù)材料的通用技術準則;（5）加強了氧化變色的控制;（6）去除加強高、咬邊以及凹坑等不適用于增材制造的焊接術語;（7）引入了具有板厚物理意義的最小平面距離;（8）質量驗收準則不依賴于某種特定的檢測方法，即無論是X光檢驗，還是超聲檢驗，都應達到標準中所提出的統(tǒng)一指標。因此，筆者認為，這份標準在質量分級和質量檢驗的體系上是完善的。

根據(jù)文獻[22]，與鑄造和鍛造相比較，增材制造與焊接過程最為相近，二者都有移動的熱源、熔池、以及隨熱源移動的流動金屬。以送絲方式進行的增材制造可直接歸入焊接過程。但是，以粉末方式進行的增材制造與焊接過程有所區(qū)別（見圖5），主要體現(xiàn)在掃描速度、熱源功率、冷卻速度之間的差異（激光粉末床熔融在微小尺寸熔池中，固/液界面具有超快的冷卻速度，可達到1×107～1×108 K/s。由于聚焦激光能量與金屬粉末相互作用時間極短（1×10-6～1×10-3 s），導致出現(xiàn)細晶組織，因而有利于構件的力學性能[23]），分離的粉末與固態(tài)金屬所處環(huán)境之間的差異，以及二者最終在顯微組織、缺陷及性能上的差異。微空洞、氣孔以及裂紋、開裂是粉末增材制造易出現(xiàn)的缺陷。但是，從航空金屬構件質量控制的角度看，無論是焊接件還是增材制造構件，對于不連續(xù)性缺陷應有統(tǒng)一的質量驗收標準準則，這正是AWS D20.1/D20.1M：2019所體現(xiàn)的，也是我國制定航空金屬材料增材制造標準應考慮的。

3 結論

針對增材制造在各行業(yè)的應用，零件的質量等級分類越來越受到各類用戶的關注，直接關系到產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及檢測評估中對于材料及制件鑒定、質量控制、缺陷數(shù)值等要求的界定。目前，ASTM、1SO等很多技術標準編制機構都已開展了相關標準的研究與編制[9]。AWS編制的AWS D20.1/D20.1M：2019 《Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manufacturing》，對于我國航空工業(yè)金屬增材制造標準的編制具有借鑒和參考價值。因此，對于我國航空工業(yè)金屬增材制造標準的編制，主要建議如下：

（1）充分考慮焊接過程與金屬增材制造過程的相似性。

（2）借用焊接構件的不連續(xù)性缺陷術語定義金屬增材制造的不連續(xù)性缺陷術語。

（3）建立對于金屬增材制造進行質量分級與不連續(xù)性缺陷檢驗的頂層文件或者作出最低的門限值規(guī)定，不同的工藝只做略微調整。

（4）建立統(tǒng)一的、不依賴于某種特定無損檢測方法的質量分級檢驗指標。

（5）建立通用的、適合一類材料的質量分級檢驗指標。

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